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從計量到優(yōu)化：智能儀表在航站樓能源管理系統(tǒng)中能效提升分析

　更新日期：2025-09-22　點擊量：183

摘要：節(jié)能減排對國家和社會都具有重要意義, 民用機場的航站樓是能源消耗大戶, 而耗電量是機場航站樓的重要節(jié)能指標(biāo)之一。結(jié)合某機場能源管理提升改造工程的實際案例,首先分析航站樓現(xiàn)存能源管理問題,其次介紹借助智能儀表完善能源管理系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法和航站樓智能儀表設(shè)計方案,再次分析能源管理系統(tǒng)的功能,最后進(jìn)行能耗分析,評估智能儀表在航站樓能源管理系統(tǒng)中應(yīng)用的節(jié)能效果, 以期為相關(guān)工程提供參考。

關(guān)鍵詞：智能儀表；能源管理；節(jié)能減排

0 引言

　我國交通運輸系統(tǒng)的重要組成部分，也是綜合交通運輸發(fā)展速度快的領(lǐng)域。在過去幾十年，由于人口增長和經(jīng)濟(jì)擴(kuò)張，航空業(yè)發(fā)展迅速，且我國業(yè)的發(fā)展速度遠(yuǎn) 高于全球平均速度。 2015—2019年我國運輸總周轉(zhuǎn)量、旅客運輸量、貨郵運輸量年均增速分別為 11.0%、10.7%、 4.6%。2019年，我國商業(yè)航空運輸?shù)亩趸寂欧?量達(dá)到 11 658萬 t，幾乎是 2009年排放量（4152萬 t）的 3倍。根據(jù)《新時代強國建設(shè)行動綱要》，到 2035年我國人均航空出行次數(shù)將超過 1 次，按此目標(biāo) 2030年后行業(yè)規(guī)模增長速度仍需維持中速或以上（2019年為 0.47 次）。在行業(yè)運輸周轉(zhuǎn)量、機隊規(guī) 模、機場數(shù)量穩(wěn)步增長的情況下，碳排放總量勢必隨之增長，如何減少航空二氧化碳排放將是我國需要解決的一個重要問題[1]。

　某大型國際樞紐機場，隨著旅客量的不斷增加和服務(wù)水平的不斷提高，能源消耗量持續(xù)多年處于高位運行。2017—2019年該機場 3座航站樓電費、取暖、冷氣和蒸汽的總費用分別為5.60億元、5.75億元、 5.46億元，其中電費、取暖、冷氣費用占航站樓總能源費用的 97%，是 3 座航站樓能源消耗的重要支出。2017—2019年機場航站樓能源費用年平均值為 5.60億元，其中電能消耗占比為 36%，年電能消耗約為 2.0億元，因此研究航站樓的電能管理水平提升具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

1 航站樓現(xiàn)存能源管理問題

1.1 末端用電設(shè)備無法遠(yuǎn)程監(jiān)管

　　（1）航站樓辦公區(qū)域中存在大量的員工私人大功率用電設(shè)備，如電熱水壺、微波爐、電暖氣等，這些設(shè)備未經(jīng)備案，且沒有有效的遠(yuǎn)程監(jiān)管手段，給航站樓帶來很大的安全隱患和能源消耗。

　　（2）航站樓內(nèi)旅客和員工的充電設(shè)備眾多，因缺少智能監(jiān)測設(shè)備，導(dǎo)致現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程充電管理，經(jīng)常出現(xiàn)過充和亂充電現(xiàn)象，這同樣帶來了消防安全隱患和能源消耗。

　　（3）航站樓內(nèi)存在私接、亂接電線的現(xiàn)象，并且這些電線和電氣設(shè)備均處于航站樓內(nèi)的隱蔽區(qū)域，平時檢查不易發(fā)現(xiàn)，極易造成火災(zāi)，給航站樓帶來重大安全隱患。

　　　總之，航站樓存在大量無法監(jiān)管的末端用電設(shè) 備，無法直接通過現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程監(jiān)管，造成用電安全和用電浪費等問題。

1.2 空調(diào)、照明系統(tǒng)能源浪費

　　　航站樓現(xiàn)有的空調(diào)系統(tǒng)，各機組均為單機運行控制方式，機組之間沒有進(jìn)行聯(lián)動。而為了滿足人流密集區(qū)域供冷要求，大多以大的功率制冷或送風(fēng)，這就導(dǎo)致了很多區(qū)域過度供冷，造成嚴(yán)重的能源浪費。同時，目前航站樓內(nèi)所有區(qū)域（商鋪、辦公區(qū)域等）的風(fēng)機盤管設(shè)備均未實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，易出現(xiàn)無人區(qū)域仍有制冷設(shè)備運行的情況，造成電能浪費。

目前航站樓內(nèi)照明系統(tǒng)的控制方式為時控，按照設(shè)定的時間表開啟和關(guān)閉。然而，實際上由于航站樓規(guī)模超大、區(qū)域復(fù)雜，各個功能區(qū)域的照明需求和條件不盡相同，按照時間表控制照明系統(tǒng)無法更好地利用自然光，造成能源浪費。

1.3 變壓器容量過大導(dǎo)致能源浪費

　　根據(jù)現(xiàn)場實測，變壓器的實際運行負(fù)載率很低，約為 30%。這也是目前航站樓供配電系統(tǒng)普遍存在的問題之一，例如，廣州白云機場一號航站樓內(nèi)變壓器高運行負(fù)載率為 27.3%~36%，為設(shè)計值的 55%~ 72%[2]。此問題的根源在于，設(shè)計階段往往要考慮遠(yuǎn) 期發(fā)展的需要，在負(fù)荷計算時所取的需要系數(shù)過大，設(shè)計偏于保守，從而導(dǎo)致變壓器的設(shè)計容量過大。

　　　變壓器容量過大，會導(dǎo)致變壓器的年運行費用較高，造成能源浪費。主要體現(xiàn)在兩個方面：①變壓器的空載損耗高，年電能損耗大。相同型號的變壓器，其空載損耗功率一般和變壓器容量成正比。②變壓器的年維護(hù)費用高。一般變電站的年維護(hù)費用取變壓器初始投資成本的 1%，而變壓器的初始投資和變壓器容量成正比[3]。

　　　本文主要通過安裝智能儀表，對末端用電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、控制，從而達(dá)到節(jié)能的目的，暫不研究更換變壓器的節(jié)能效果。

2 借助智能儀表完善能源管理系統(tǒng)

　　　針對航站樓內(nèi)電能浪費現(xiàn)象無法得到有力控制的問題，擬通過研究航站樓內(nèi)現(xiàn)有供配電系統(tǒng)，有效地在末端或者配電系統(tǒng)中增設(shè)智能監(jiān)測終端，再通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，將末端數(shù)據(jù)上傳至能源管理系統(tǒng)，同時可以通過能源管理系統(tǒng)對末端設(shè)備進(jìn)行電能監(jiān) 測和控制。因此，需構(gòu)建涵蓋基礎(chǔ)設(shè)施層、系統(tǒng)平臺層、軟件應(yīng)用層的統(tǒng)一能源管理體系。

2.1 具體實現(xiàn)方法

　?。?）梳理航站樓現(xiàn)有供配電系統(tǒng)，通過增加智能儀表、更換智能斷路器、更換智能末端等手段采集航站樓所有用電設(shè)備的電能數(shù)據(jù)，并利用航站樓的有線或無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至能源管理系統(tǒng)。

　　（2）將現(xiàn)有的建筑設(shè)備監(jiān)控管理系統(tǒng)、電力監(jiān)控管理系統(tǒng)、智能照明監(jiān)控管理系統(tǒng)通過集成接入航站樓現(xiàn)有的能源管理系統(tǒng)。

　　　航站樓物聯(lián)網(wǎng)機電運維管控平臺由軟件平臺、數(shù)據(jù)集成接口、管理層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、無線接入網(wǎng)關(guān)和末端設(shè)備組成。

2.2 航站樓智能儀表設(shè)計方案

　?。?）變配電室電力設(shè)備改造方案。目前變電室僅對變壓器出線回路的電壓電流進(jìn)行監(jiān)控，本次擬對所有出線回路安裝智能儀表進(jìn)行監(jiān)控。目前所有出線回路均設(shè)置有電流表及電流互感器，將本回路斷路器上口的三線電壓經(jīng)過保險端子接入智能儀表，電流互感器二次端的電流接入智能儀表，斷路器開關(guān)狀態(tài)輔助接點接入智能儀表遙信端子。智能儀表通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至能源管理系統(tǒng)。

　　（2）照明系統(tǒng)。照明配電系統(tǒng)（圖 1）設(shè)置有照明總柜、層柜、照明配電箱及插座配電箱。

圖 1 照明配電系統(tǒng)

　　　總柜及層柜均設(shè)置有進(jìn)線互感器及進(jìn)線電流表，在進(jìn)線加裝智能儀表，智能儀表加裝方案與變電室的智能儀表加裝方案相同，數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸方案。末端配電箱進(jìn)線為微型斷路器，安裝 2P 卡軌型智能電表完成電力監(jiān)控改造，卡軌型智能電表均為直通表，需將進(jìn)線纜線接入卡軌型智能電表，利用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　　（3）動力配電系統(tǒng)。動力總柜設(shè)置有進(jìn)線互感器及進(jìn)線電流表，在進(jìn)線加裝智能儀表，智能儀表加裝方案與變電室的智能儀表加裝方案相同。層柜進(jìn)線未設(shè)置電流表及互感器，本次在進(jìn)線處新增開口互感器采集電流信號，智能儀表在柜門上開孔安裝。利用數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

　?。?）空調(diào)配電系統(tǒng)。每個空調(diào)機組均自帶一個機旁控制柜，空調(diào)總柜進(jìn)線設(shè)置有電流表及互感器，進(jìn) 線設(shè)置智能儀表，改造方案與前文設(shè)置電流表的配電柜相同。出線每個空調(diào)機組在機旁控制柜內(nèi)新增智能儀表，采用進(jìn)線設(shè)置開口互感器的方式完成電流信號采集，智能儀表安裝于柜門上，數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸。

3 能源管理系統(tǒng)的功能

　　　能源管理系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是實現(xiàn)對航站樓內(nèi)各種能源消耗的監(jiān)測、控制及優(yōu)化，對關(guān)鍵能耗設(shè)備的運行情況和能源管網(wǎng)的情況進(jìn)行科學(xué)分析，以輔助決策[4]。能源管理系統(tǒng)著重關(guān)注了 3個非常重要的問題：監(jiān)測、分析和管理，這 3個問題也是一切節(jié)能手段應(yīng)用的基礎(chǔ)。

3.1 監(jiān)測

　　　隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)和測控技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的能源管理系統(tǒng)正向測控智能化、監(jiān)控?zé)o人值守化、信息交換網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn) 24 h 全自動能源數(shù) 據(jù)采集，獲得準(zhǔn)確的基礎(chǔ)能源數(shù)據(jù)，并依托數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)長期存儲，為能效分析打下堅實的基礎(chǔ)。

3.2 分析

　　　一方面，應(yīng)用分項計量、設(shè)備故障查詢、能耗趨勢預(yù)測等一系列手段，從能源數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫挖掘出有效能源數(shù)據(jù)，分析能效關(guān)鍵指標(biāo)，為制定節(jié)能方案提供有效數(shù)據(jù)支撐；另一方面，通過系統(tǒng)漏洞尋找、設(shè)備運行策略調(diào)整、用能時間優(yōu)化等手段，分析能源問題點，為優(yōu)化節(jié)能方案以及用能管理制度提供有效工具。

3.3 管理

　　　節(jié)能目標(biāo)的成功實現(xiàn)，不僅在于合理有效的節(jié) 能方案，更離不開良好的用能管理。通過能源績效管理、能源審計、關(guān)鍵指標(biāo)對比等手段，協(xié)助用戶進(jìn)行用能管理，使節(jié)能成果持久化，真正實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

4 能耗分析及預(yù)期效果

4.1 能耗對比分析

　　　能源管理系統(tǒng)具備精細(xì)化的能耗分析管理功能，可以提供單臺設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行同類設(shè)備能耗對比分析、同個設(shè)備不同時間段能耗對比分析以及多維度的能耗數(shù)據(jù)分析，顯示各系統(tǒng)的用能情況、耗能結(jié)構(gòu)以及同比、環(huán)比情況。

4.2 能耗管理分析

　　　能耗管理分析提供了用能趨勢分析、每日能耗趨勢分析、用量分項用能分析等多種能耗數(shù)據(jù)分析工具，通過曲線直觀展示各區(qū)域每天用能峰值、谷值和分項用能等，找到各個區(qū)域的用能差異。根據(jù)系統(tǒng) 歷史耗能情況和用戶設(shè)定的計算條件，綜合分析預(yù) 測未來的能源使用情況。

4.3 能耗分析報表與數(shù)據(jù)展示

　　　能源管理系統(tǒng)還可以生成各種能耗分析報表，主要包含總能耗報表、分類能耗報表、分項能耗報表、同比能耗報表、環(huán)比能耗報表、能源計劃報表、能源計劃和實際對比報表、能源損耗報表。詳細(xì)用能動態(tài)數(shù)據(jù)分析展示，采用直觀的圖形化界面（柱狀圖、餅圖、線圖等呈現(xiàn)方式）來展示分析能耗數(shù)據(jù)，支持逐日、逐周、逐月、逐年和自定義的自由查詢功能。統(tǒng)計報表，指多種方式的能耗值報告，如區(qū)域能耗統(tǒng)計報表、能耗類型統(tǒng)計報表、日統(tǒng)計報表、月統(tǒng) 計報表、年統(tǒng)計報表、建筑總能耗統(tǒng)計報表、單位面積能耗報表等，可以幫助用戶掌握自身的能源消耗情況，找出能源消耗異常值，并為能耗統(tǒng)計、能源審計提供數(shù)據(jù)支持。

4.4 節(jié)電分析

　?。?）照明系統(tǒng)。影響照明系統(tǒng)電能消耗的主要指標(biāo)因素包括燈具的開啟數(shù)量、點亮?xí)r間、設(shè)計照度與規(guī)范照度值等。燈具的開啟數(shù)量與照明回路的設(shè)計有關(guān)，點亮?xí)r間與控制策略有關(guān)，設(shè)計照度與規(guī)范照度值是實際使用與設(shè)計規(guī)范的調(diào)節(jié)問題。合理選擇燈具開關(guān)時間，平衡規(guī)范照度與使用照度的調(diào)節(jié)關(guān) 系，合理設(shè)計照明回路都是照明系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵點[5]。

（2）空調(diào)系統(tǒng)?？照{(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)節(jié)能的方法如下：

①依據(jù)暖通送風(fēng)的區(qū)域分析，分區(qū)設(shè)定環(huán)境溫度值，控制候機區(qū)環(huán)境溫度，對于次重要區(qū)域，通過空氣能交換等實現(xiàn)環(huán)境控制，以降低風(fēng)機運行速度，縮短風(fēng)機運行時間。②根據(jù)季節(jié)溫度特性調(diào)節(jié)空調(diào)機組的運行時間。③根據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)變頻空調(diào)的送風(fēng)頻率和運行時間。

　?。?）節(jié)電效果預(yù)估。該機場航站樓電費占能源費用的 36%，約為 2.0億元，能耗為 2.0億 kW·h，平均 1.00元/kW·h。通過估算，本項目每年可節(jié)省電費 1 961.6萬元，有良好的節(jié)電效果。

5平臺設(shè)計與功能

5．1系統(tǒng)平臺設(shè)計

智慧能源管理平臺采用去中心化的分布式網(wǎng) 絡(luò)構(gòu)架設(shè)計如圖 2 所示，采用 B / S 模式，實現(xiàn)云端建模、設(shè)計及部署，簡化了客戶端的維護(hù)工作，為以業(yè)務(wù)模式為基礎(chǔ)的功能模塊擴(kuò)展提供軟件支撐基礎(chǔ)。滿足集團(tuán)海量實時數(shù)據(jù)地存儲和處理的要求，存儲在系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)可不會刪除，系統(tǒng)不會因為數(shù)據(jù)量的攀升影響到存儲和訪問速度。遵循系統(tǒng)應(yīng)用插件規(guī)范進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)的功能模塊插件可無縫配置到應(yīng)用界面中使用。

5．2 系統(tǒng)實施

每家工廠實施能碳管理系統(tǒng)建設(shè)，首先是制定出符合管理要求的能碳管理架構(gòu)，該架構(gòu)可以隨著管理需求的變化而靈活調(diào)整。能碳管理架構(gòu) 可按照廠區(qū)、車間、生產(chǎn)線進(jìn)行配置，將能耗數(shù)據(jù) 與管理架構(gòu)進(jìn)行對應(yīng)關(guān)聯(lián)，展示出能源管理的范圍和深度。

功能

AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理系統(tǒng)提供基于行業(yè)特點細(xì)分的能效管理解決方案，支持有線/無線方案接入各類智能設(shè)備，并提供多種第三方系統(tǒng)接口協(xié)議，融合企業(yè)微電網(wǎng)電力監(jiān)控、能耗統(tǒng)計、電能質(zhì)量分析及治理、智能照明控制、主要用能設(shè)備監(jiān)控、充電樁運營管理、分布式光伏監(jiān)控、儲能管理等功能，通過一個平臺即可全局、整體的對企業(yè)電網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)行集中監(jiān)控、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一運維，滿足企業(yè)用電可靠、安全、節(jié)約、有序用電要求。平臺支持中英文切換，現(xiàn)已應(yīng)用于多個行業(yè)和地區(qū)用戶側(cè)能源管理和電力運維平臺，單個平臺已接入1600多個用戶變電所數(shù)據(jù)，提供能源分析和運維管理功能。