基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统及其方法

摘要

本发明公开了一种基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统及其方法，属于建筑节能测试领域。本系统包括依次连接的传感器（100）、分布式采集模块（200）、RS485总线（300）和监控计算机（400）；所述传感器（100）包括第1、2……第M传感器（110、120……1M0），分别为温度传感器、湿度传感器、风速传感器和风向传感器。本发明实现了建筑环境参数数据的长周期连续数据采集与存储，为分析建筑在各种条件下的能耗提供重要的测试数据；实现了大量测点的高精度、高可靠测量与存储，测量精度满足建筑环境小温差测量要求，测试设备可以适应高热湿环境下工作；适用于实验模型或实际建筑群能耗的长周期连续监测与分析。

权利要求

1.一种基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统，包括依次连接的传感器(100)、分布式采集模块(200)、RS485总线(300)和监控计算机(400)；

其特征在于：

监控计算机(400)的硬件配置是常用工业计算机；

监控计算机(400)的软件包括系统应用管理单元(410)、数据采集与管理单元(420)、系统数据库(430)、实时数据库(440)、历史数据库(450)、查询单元(460)、显示单元(470)和计算单元(480)；

其交互关系是：

系统应用管理单元(410)通过数据采集与管理单元(420)设定系统参数，或者数据采集与管理单元(420)直接从系统数据库(430)读取系统参数，数据采集与管理单元(420)通过RS485总线(300)与分布式采集模块(200)实现实时采集数据的交互；并将处理后的采集数据写入到实时数据库(440)，同时将实时数据库内数据定时进行处理，生成历史数据，存入到历史数据库(450)；查询单元(460)通过读取系统数据库(430)、实时数据库(440)或历史数据库(450)查询所需点的参数点数据；计算单元(480)通过读取系统数据库(430)、实时数据库(440)或历史数据库(450)，将参数点数据计算后生成参数场数据；系统应用管理单元(410)通过显示单元(470)查询查询单元(460)得到的参数点数据或计算单元(480)计算后的参数场数据；

其监测方法包括下列步骤：

①分析建筑群热工参数特点，布置测点，连接设备，组建建筑群能耗监测系统；

②设定系统参数，进行数据采集，并对采集数据进行预处理；

③存储实测数据，并生成历史数据；

④系统监测，即显示当前系统工作状态及每个测点参数，对系统进行实时监控；

⑤可视化监测，即将所有数据以云图或矢量图形式显示，以色彩区分建筑环境每个部分的温度，以箭头方向和长度或色彩分别表示风速的方向与大小；

⑥历史数据分析，即根据需求，查询任意时刻任意测点的历史数据，并对多点数据进行对比分析；

⑦能量流动分析与诊断，即针对每个时段的历史数据，以二维、三维参数场形式分析建筑能量流动情况，评价建筑节能效果；

所述步骤⑦能量流动分析与诊断：

历史数据分析(81)，确定查询的时间段、测点以及数据表，查询历史数据，实现参数变化趋势的长周期连续运行数据分析：参数场数据分析(83)：

A、选择任意时刻数据，选择准备三维参数场分析的数据库，选择数据文件，然后点击“打开”，连接数据，连接后显示所有历史数据选项；

B、计算设置每一次计算的最大迭代步数、最多迭代时间、CFL数、以及空气运动粘度、输出显示频率、跟踪量的运动粘度、温度和速度耦合情况；

C、载入网格数据，在AUTOCAD中建立模型，在专业网格软件Hypwemesh中导入上述模型，之后利用非结构化网格对模型进行划分，在导出数据之前，注意要给节点重新排序，在网格划分之后，导出数据，导出文件后缀名要为.dat，导出模板基于Marc/stress2d.tpl；

D、设置测点与节点的配置文件，在菜单栏中“系统配置”按钮中找到“测点配置”，提示添加测点配置文件；程序通过读取外部配置文件实现测点与节点坐标的对应关系，从而实现导入；

E、场重建实时场重建，利用CFD的方法对模型空间进行热工参数场重建，采用的是二维稳态对流扩散及k-ξ紊流模型，计算方法采用有限体积法，核心算法为SIMPLE算法。

说明书

基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统及其方法

技术领域

[0001] 本发明属于建筑节能测试领域，尤其涉及一种基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统及其方法，通过监测建筑群的热工参数场，实现对建筑群的内外能量传递监测。

背景技术

[0002] 建筑节能是世界广泛关注的节能领域。从上世纪70年代开始，许多发达国家遭遇到能源短缺的局面，开始了对建筑节能的关注，促进了有关技术和设备的研究与开发。当前各国已经制定了各种建筑规范和节能标准，用于建筑的规划、设计、建造、改造和使用等各个阶段。随着科技进步，各种新的技术和标准不断推出，促进了节能建筑的发展，至今建筑节能领域的研究仍然是科学研究的热点。

[0003] 据不完全统计，目前我国建筑能耗占社会总能耗的1/3左右；随着人民生活水平提高，建筑能耗所占比例还会进一步增长。然而能源供需矛盾日益紧张，降低建筑能耗已不仅是经济问题，更是关系到国家战略的问题；因此，对建筑节能的研究显得十分重要。

[0004] 对建筑物能耗进行评估的方法主要有能耗实测方法和能耗模拟仿真方法。

[0005] 1、能耗模拟仿真方法是在西方发达国家广泛应用的技术，配合严格的施工监理，保证建筑实际节能效果与设计值趋于一致。模拟计算需要人工设定各种参数，如材料传热特性、气候条件等，这些参数的准确性对模拟的效果有极大的影响。我国的建筑工程施工相比发达国家较为粗糙，很难准确获得实际建筑的各种参数，同样自然条件数据的不足，能耗的模拟仿真在国内的应用效果会大打折扣。

[0006] 2、能耗实测方法是国内外均较多采用的分析建筑节能效果的方法，即可通过对电量、燃气等的消耗监测，实现建筑实际能源消耗的监测与分析，也可通过对建筑维护结构各项参数进行分析，监测建筑与环境之间的能量传递效果。然而针对前者，只是单方面实现了能源消耗量的统计，对能源是如何在建筑中被利用的则束手无策；针对后者，也有如下几个方面的问题仍然限制了实测技术在建筑节能分析中的应用：

[0007] 1)检测条件苛刻，测试数据受环境干扰等因素影响大；

[0008] 2)检测数据处理理论不成熟，目前检测数据处理的方法存在不确定，直接影响结果的准确性；

[0009] 3)短时间内的特定环境下的检测数据，难以准确评估建筑长周期在各种环境条件下的节能效果；

[0010] 4)检测技术发展不足，设备普遍存在使用不便、庞大等问题。

发明内容

[0011] 本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统及其方法。

[0012] 本发明的目的是这样实现的：

[0013] 一、基于热工参数场监测的建筑群能耗监测系统(简称系统)

[0014] 本系统包括依次连接的传感器、分布式采集模块、RS485总线和监控计算机。

[0015] 二、基于热工参数场监测的建筑群能耗监测方法(简称方法)

[0016] 本方法包括下列步骤：

[0017] ①分析建筑群热工参数特点，布置测点，连接设备，组建建筑群能耗监测系统；

[0018] ②设定系统参数，进行数据采集，并对采集数据进行预处理；

[0019] ③存储实测数据，并生成历史数据；

[0020] ④系统监测，即显示当前系统工作状态及每个测点参数，对系统进行实时监控；

[0021] ⑤可视化监测，即将所有数据以云图或矢量图形式显示，以色彩区分建筑环境每个部分的温度，以箭头方向和长度(或色彩)分别表示风速的方向与大小；

[0022] ⑥历史数据分析，即根据需求，查询任意时刻任意测点的历史数据，并对多点数据进行对比分析；

[0023] ⑦能量流动分析与诊断，即针对每个时段的历史数据，以二维、三维参数场形式分析建筑能量流动情况，评价建筑节能效果。

[0024] 本发明具有以下优点和积极效果：

[0025] ①实现了建筑环境参数数据的长周期连续数据采集与存储，为分析建筑在各种条件下的能耗提供重要的测试数据；

[0026] ②实现了大量测点的高精度、高可靠测量与存储，测量精度满足建筑环境小温差测量要求，测试设备可以适应高热湿环境下工作；

[0027] ③实现了参数的可视化监测与分析，将实测参数显示在建筑三维立体图形中，参数场计算结果以云图形式显示，利于分析和判断建筑能量传递；

[0028] ④适用于实验模型或实际建筑群能耗的长周期连续监测与分析。

附图说明

[0029] 图1是本系统的结构方框图；

[0030] 图2是本系统的功能模块框图；

[0031] 图3是本方法流程图。

[0032] 图中：

[0033] 000-环境参数；

[0034] 100-传感器；

[0035] 200-分布式采集模块；

[0036] 300-RS485总线；

[0037] 400-监控计算机，

[0038] 410-系统应用管理单元，420-数据采集与管理单元，430-系统数据库，[0039] 440-实时数据库， 450-历史数据库， 460-查询单元，[0040] 470-显示单元， 480-计算单元；

[0041] 500-客户端。具体实施方式：

[0042] 下面结合附图和实施例详细说明：

[0043] 一、系统

[0044] 1、总体

[0045] 如图1，本系统包括依次连接的传感器100、分布式采集模块200、RS485总线300和监控计算机400。

[0046] 传感器100和分布式采集模块数量200根据实际需求确定数目。一个分布式采集模块200最多可带8个传感器100；每个分布式采集模块200提供RS485接口，直接与RS485总线300连接；每条RS485总线300上可接多个分布式采集模块200，最大数量与总线长度及模块电气特性有关，本系统要求每条RS485总线300最多不超过20个分布式采集模块200。

[0047] 本系统将复杂的监测对象分为空间上相对独立的单个监测对象，作为监测单元；传感器100及分布式数据采集模块200分散布置在监测对象内或附近，数据采集模块200通过RS485总线300与监控计算机400连接；

[0048] 传感器100将监测对象的环境参数000的信息(如温度)转化为分布式数据采集模块200可以识别的模拟量信号(如电压1～5V或电流4～20mA)，分布式数据采集模块200将该模拟量信号转化为数字信号，通过RS485总线300传递给监控计算机400。

[0049] 2、功能块

[0050] 1)传感器100

[0051] 如图1，传感器100包括第1、2……第M传感器110、120……1M0，包括温度传感器、湿度传感器、风速传感器和风向传感器等，均采用高精度传感器，保证测量精度。

[0052] 如温度传感器选用PT100铠装热电阻传感器，并结合软件修正功能。

[0053] 2)分布式采集模块200

[0054] 如图1，分布式采集模块200包括第1、2……第N分布式采集模块210、220……2N0；选用高性能变送器及模拟量采集模块，配置密封盒，保证系统在高热湿环境下的精度与可靠性。

[0055] 如选用8通道采集模块，分散布置在监测对象的各个地方，每个传感器与模块通道一一对应。

[0056] 3)RS485总线300

[0057] 如图1，RS485总线300包括第1、2……第PRS485总线310、320……3P0，为一种常用的屏蔽双绞线。

[0058] 4)监控计算机400

[0059] 如图2，监控计算机400的硬件配置是常用工业计算机。

[0060] 监控计算机400的软件包括系统应用管理单元410、数据采集与管理单元420、系统数据库430、实时数据库440、历史数据库450、查询单元460、显示单元470和计算单元480；

[0061] 其交互关系是：

[0062] 系统应用管理单元410可通过数据采集与管理单元420设定系统参数，或者数据采集与管理单元420直接从系统数据库430读取系统参数，数据采集与管理单元420通过RS485总线300与分布式采集模块200实现实时采集数据的交互；并将处理后的采集数据写入到实时数据库440，同时将实时数据库内数据定时进行处理，生成历史数据，存入到历史数据库450；查询单元460通过读取系统数据库430、实时数据库440或历史数据库450查询所需点的参数点数据；计算单元480通过读取系统数据库430、实时数据库440或历史数据库450，将参数点数据计算后生成参数场数据；系统应用管理单元410通过显示单元470查询查询单元460得到的参数点数据或计算单元480计算后的参数场数据。

[0063] 其工作原理是：

[0064] 采用SQL Sever2000建立数据库存储系统，数据库存储系统包括系统数据库430、实时数据库440和历史数据库450，系统数据库430存储系统运行所需设定参数，实时数据库440用来存储实测数据，历史数据库450用来存储长周期连续运行数据，实现采集数据的长周期存储。

[0065] 采用Matlab与VC++联合编程技术，实现实测参数的可视化。VC++实现数据采集与数值计算功能，数值计算采用数值传热学基本计算方法，将实测参数作为边界条件，并结合中间测点修正技术，实现参数场的快速计算。Matlab通过COMBuider将图形处理函数编译为COM组建，VC++调用该COM组建，实现数据云图的各种显示功能。

[0066] ①所述的系统应用管理单元410是：对每个账户的操作进行维护与管理，包括注册授权、密码维护和权限设置等。

[0067] ②所述的数据采集与管理单元420是：实现数据采集部分的参数设定、修改与其它维护管理功能。系统的默认参数是通过读入系统数据库存储的系统参数实现的，系统管理员可根据实际要求修改系统参数，其余用于无此权限。同时该单元也实现数据的预处理功能，包括将数字信息还原为环境参数信息，数据的正确性检验等。处理后的数据一方面直接存储到实时数据库；另一方面用于显示单元，实现实测数据的实时监测。

[0068] ③所述的系统数据库430是：存储系统运行所需配置参数、用户参数等，配置参数主要包括测点位置、传感器与采集模块对应关系，用户参数包括用户名、密码、用户权限等。

[0069] ④所述的实时数据库440是：记录系统1天以内实测数据，用于短期内查询实测数据数值及数值变化趋势，并为历史数据库提供原始数据。

[0070] ⑤所述的历史数据库450是：根据历史数据生成格式，数据采集与管理单元420可将实时数据库440中的数据处理后存入历史数据库450中。并实现每个数据库的备份、清空等日常维护功能。

[0071] ⑥所述的查询单元460是：根据用户需求，查询任意时间段内，任意测点的数据，并以曲线图形式显示出来。

[0072] ⑦所述的显示单元470是：将参数场数据以云图、矢量图等形式显示，同时也可实现实测参数与三维图形同时显示功能。

[0073] ⑧所述的计算单元480是：实现任意时刻数据的参数场计算功能，并将计算结果提交给显示单元470用以分析和评价。

[0074] 二、方法

[0075] 本方法通过将监测数据与数值计算、图形化显示等三方面相融合，解决建筑环境温度场的监测问题。

[0076] 如图3，本方法包括下列步骤：

[0077] ①分析监测对象10，包括监测对象的各种几何数据、材料组成和内外环境影响因素；

[0078] ②根据分析结果进行20：确定测点21和搭建监测系统22；处理对象几何数据并导入软件系统23，记录测点位置信息、测点与模块通道对应信息24；

[0079] ③设定系统参数30，包括数据采集间隔，通道与测点对应数据，测点位置数据，需与实际系统一致；如果不一致则需手动修改该参数设置；

[0080] ④系统参数校准40，采用常温水与冰水混合物两点校准方法实现温度传感器的零点校准，并将校准数据输入系统数据库，风速风向采用手动方式零点校准；

[0081] ⑤开始数据采集50，采集前对采集设备进行预检验，确保系统正常工作，点击开始采集，启动采集任务，可同时将实测参数写入实时数据库和历史数据库；

[0082] 分为三路：

[0083] ⑥第1路，实测数据监测60，实时数据可通过柱状图、数值等形式实时查看，以检查当前设备是否运行正常；

[0084] ⑦第2路，参数场监测70，可通过三维图形显示功能，查看温度场分布及每个传感器的实时测量数据；

[0085] ⑧第3路，数据分析与评价80：

[0086] 历史数据分析81，确定查询的时间段、测点以及数据表(实时表、分钟表、小时表等)，查询历史数据，实现参数变化趋势的长周期连续运行数据分析：

[0087] 参数场数据分析83：

[0088] A、选择任意时刻数据，选择准备三维参数场分析的数据库，选择数据文件(如dy_Data.MDF)，然后点击“打开”，连接数据，连接后显示所有历史数据选项：

[0089] B、计算设置每一次计算的最大迭代步数、最多迭代时间、CFL数、以及空气运动粘度、输出显示频率、跟踪量的运动粘度、温度和速度耦合情况：

[0090] C、载入网格数据，在AUTOCAD中建立模型，在专业网格软件Hypwemesh中导入上述模型，之后利用非结构化网格对模型进行划分，在导出数据之前，注意要给节点重新排序，在网格划分之后，导出数据，注意导出文件后缀名要为.dat，导出模板基于Marc/stress2d.tpl；

[0091] D、设置测点与节点的配置文件，在菜单栏中“系统配置”按钮中找到“测点配置”，提示添加测点配置文件；程序通过读取外部配置文件实现测点与节点坐标的对应关系，从而实现导入；

[0092] E、场重建实时场重建，利用CFD的方法对模型空间进行热工参数场重建，采用的是二维稳态对流扩散及k-ξ紊流模型，计算方法采用有限体积法，核心算法为SIMPLE算法。