CN109469157A - 一种二次供水系统能耗监测平台及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二次供水系统能耗监测平台及监测方法，属于二次供水技术领域，解决了现有二次供水设备配置不合理，浪费电能的问题。包括：数据采集系统，与二次供水系统相连，用于实时采集数据，并传递给数据传输系统；数据传输系统，将接收到的数据发送到云端；云端用于存储数据；数据分析处理系统，用于下载云端的实时及历史数据，并进行处理分析。实现了实时监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化，评估实际运行项目的能耗情况，同时在保证供水安全的前提下，提供二次供水设备改进方案，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗，提高能源利用效率，实现节水节能。
Description
技术领域
本发明涉及二次供水技术领域，尤其涉及一种二次供水系统能耗监测平台及监测方法。
背景技术
二次供水是指“当民用与工业建筑生活饮用水对水压、水量的要求超过城镇公共供水或自建设施供水管网能力时，通过储存、加压等设施经管道供给用户或自用的供水方式”。
建筑能源消耗约占全社会能源消耗总量的30％，而在建筑能耗中，二次供水的能耗占据了总能耗的重要部分，尤其高层建筑由于层数高、用水量大，所以在二次供水中给水的提升和配水过程中会消耗大量的能源。现有的二次加压供水系统一般采用水泵加压，水泵根据最不利点的流量和扬程选取。但是，用水出现最不利情况的概率非常少，通常用户端用水量远小于水泵机组额定流量，工况点长期偏离高效运行区间，水泵效率较低，造成大量电能的浪费。例如，在广泛使用的变频恒压供水系统中，由于对建筑用水量没有一个很好的预测和监测，造成变频泵的配置不合理，长时间运行反而不节能。
因此，虽然研究者及相关产品生产企业对二次供水系统做了比较全面深入的研究，但是针对二次供水系统仍然缺乏高效的能耗监测方法和工具，随着中国高层建筑日益增多，二次供水系统能耗在建筑能耗中的比例逐渐增加，对二次供水系统能耗进行监测显得尤为重要。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种二次供水系统能耗监测平台及监测方法，用以解决现有二次供水设备配置不合理，浪费电能的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一方面，提供了一种二次供水系统能耗监测平台；包括：数据采集系统、数据传输系统、云端储存系统、数据分析处理系统；
所述数据采集系统与二次供水系统相连，用于实时采集数据，并传递给数据传输系统；
所述数据传输系统，将接收到的数据发送到云端储存系统；
所述云端储存系统，用于对获取的数据进行存储；
所述数据分析处理系统用于下载云端储存系统的实时及历史数据，并进行处理分析。
本发明有益效果如下：本发明实时获取二次供水设备的数据，并存储在云端，通过对云端存储的实时数据和历史数据进行分析处理，监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化评估实际运行项目的二次供水系统的能耗情况，同时对现有二次供水方式的系统特性与能耗进行分析和研究，在保证供水安全的前提下，进一步改进二次供水设备，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗，提高能源利用效率，实现节水节能；对超高层供水系统节能研究、二次供水系统设计及二次供水节能保障管理具有重要意义。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述数据采集系统，包括：数据采集仪、超声波流量计、压力传感器、电表；
所述超声波流量计，用于采集二次供水系统中管道的流量；
所述压力传感器，用于实时采集二次供水系统中水泵进水口、出水口、用户端压力数值；
所述电表，用于获取水泵机组瞬时功率；
所述数据采集仪，将超声波流量计、压力传感器、电表采集的数据转化为数字信号，并实时传输到所述数据传输系统。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过利用超声波流量计、压力传感器、电量表等仪器设备，获取二次供水设备的实时数据，便于进行能够监测，并可通过大量历史数据进行进一步的节能分析研究。
进一步，所述数据分析处理系统包括：监测数据处理模块、节能改进模块、中试模块；
所述监测数据处理模块，用于求取二次供水系统日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布、水泵机组的运行效率及流量频次分布。
所述节能改进模块，根据上述监测数据处理模块处理后的数据进行用户用水习惯及二次供水水泵机组运行工况分析，并结合针对历史数据确定适宜的供水方式；
所述中试模块，用于对待改进的二次供水系统的进行改造性测试，确定最终的改进方案。
进一步，所述对待改进的二次供水系统的进行改造性模拟测试，包括：按照所述节能改进模块确定的适宜的供水方式建立二次供水系统的中试模型，并确定中试模型中各用水点模拟参数；根据实测数据操作中试模型，使中试模型模拟真实项目中典型的运行工况；对中试模型在各工况点的运行状态监测，进而计算改造后的运行效果；与原二次供水系统进行对比，选取能耗最低的中试模型为最终的改造方案。
进一步，所述中试模型包括：加压系统、管路系统、用户端、减压部、储水装置和运行状态监测系统；
所述减压部设置于所述管路系统上，用于降低管线的实际安装高度；所述运行状态监测系统，用于对加压系统的运行工况进行实时监测；
所述储水装置中的水经所述加压系统后进入所述管路系统，经减压部减压后进入用户端。
另一方面，提供了一种二次供水系统能耗监测方法，包括以下步骤：
步骤S1、将数据采集系统与二次供水设备相连，实时采集二次供水设备运行数据；
步骤S2、将上述采集到的数据通过数据传输系统发送到云端存储；
步骤S3、下载云端的实时及历史数据，并进行处理分析。
本发明有益效果如下：本发明实时获取二次供水设备的数据，并存储在云端，通过对云端存储的实时数据和历史数据进行分析处理，监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化评估实际运行项目的二次供水系统的能耗情况，同时对现有二次供水方式的系统特性与能耗进行分析和研究，在保证供水安全的前提下，进一步改进二次供水设备，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗，提高能源利用效率，实现节水节能。对超高层供水系统节能研究、二次供水系统设计及二次供水节能保障管理具有重要意义。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述进行数据采集，包括：
通过超声波流量计采集二次供水系统中管道的流量；
利用压力传感器，实时采集二次供水系统中水泵进水口、出水口、用户端压力数值；
利用电表获取水泵机组瞬时功率；
通过数据采集仪，将所述超声波流量计、压力传感器、电表采集的数据转化为数字信号，并实时传输到数据传输系统。
进一步，所述下载云端的实时及历史数据，并进行处理分析，包括：
步骤S301、用于求取二次供水系统日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布、水泵机组的运行效率及流量频次分布。
步骤S302、根据上述监测数据处理模块处理后的数据进行用户用水习惯及二次供水水泵机组运行工况分析，并结合针对历史数据确定适宜的供水方式；
步骤S303、用于对待改进的二次供水系统的进行改造性测试，确定最终的改进方案。
进一步，所述对待改进的二次供水系统的进行改造性测试，确定最终的改进方案，包括：
步骤S30301、按照确定的适宜的供水方式建立二次供水系统的中试模型，并确定中试模型中各用水点模拟参数；
步骤S30302、根据实测数据操作中试模型，使中试模型模拟真实项目中典型的运行工况；
步骤S30303、对中试模型在各工况点的运行状态监测，进而计算改造后的运行效果；
步骤S30304、与原二次供水系统进行对比，选取能耗最低的中试模型为最终的改造方案。
进一步，所述中试模型；包括模拟建筑、加压系统、管路系统、用户端、减压部、储水装置和运行状态监测系统；
所述减压部设置于所述管路系统上，用于降低管线的实际安装高度；所述运行状态监测系统，用于对加压系统的运行工况进行实时监测；
所述储水装置中的水经所述加压系统后进入所述管路系统，经减压部减压后进入用户端。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1中二次供水系统能耗监测平台结构图；
图2为本发明实施例1中数据采集系统结构图；
图3为本发明实施例1中水泵效率与设备整机效率比较示意图；
图4为本发明实施例2中中试模块结构示意图；
图5为本发明实施例2中二次供水系统能耗监测方法流程图；
图6为本发明实施例3中恒压变频二次供水系统结构图；
图7为本发明实施例3中某小区高层居民楼分布示意图；
图8为本发明实施例3中恒压变频二次供水系统中的压力及流量变化曲线图；
图9为本发明实施例3中某小区高层居民楼日均用水量分布图；
图10为本发明实施例3中某小区高层居民楼用水量小时用水分布图；
图11为本发明实施例3中某小区高层居民楼水泵流量-效率曲线及流量频次分布图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本发明的一个具体实施例，公开了一种二次供水系统能耗监测平台，如图1所示，包括：数据采集系统、数据传输系统、云端储存系统、数据分析处理系统；其中，
数据采集系统与二次供水设备相连，用于实时采集数据，并传递给数据传输系统；
数据传输系统，将接收到的数据发送到云端存储系统；
云端储存系统，用于存储获取的数据；
数据分析处理系统用于下载云端存储系统的实时及历史数据，并进行处理分析。
实施时，通过数据采集系统获取二次供水设备的实时数据，并通过数据传输系统传输到云端，数据分析处理系统通过对云端存储的数据进行分析处理，求取设备运行效率，并将结果反馈给监控终端或相关人员，结合对多种二次供水体统历史数据的分析结果，进一步改进二次供水设备，实现节水节能。
与现有技术相比，本实施例提供的二次供水系统能耗监测平台。实时获取二次供水设备的数据，并存储在云端，通过对云端存储的实时数据和历史数据进行分析处理，监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化评估实际运行项目的二次供水系统的能耗情况，同时对现有二次供水方式的系统特性与能耗进行分析和研究，在保证供水安全的前提下，进一步改进二次供水设备，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗，提高能源利用效率，实现节水节能；对超高层供水系统节能研究、二次供水系统设计及二次供水节能保障管理具有重要意义。
需要说明的是，本发明实施例中二次供水系统能耗监测平台，可用于监测现有的四种二次供水系统：增压设备和高位水池(箱)联合二次供水系统；气压二次供水系统；变频恒压二次供水系统；叠压二次供水系统。
具体来说，数据采集系统，负责实时采集(每隔10s一次)上述二次供水系统各供水分区的总用水量Q、水泵机组总耗电W、水泵进出口及系统末端用水点的压力P1、P2、P3，并将测定数据转化为数字信号输送至数据传输系统。具体地，如图2所示，包括：数据采集仪、超声波流量计、压力传感器、电表；
其中，压力传感器：用于实时采集水泵进水口、出水口、用户端压力数值；所述超声波流量计，用于二次供水系统中管道的流量；
超声波流量传感器：用于实时采集系统总流量；
电表：用于测定水泵机组瞬时功率及某一时间段内总用电量。多功能电表记录用电设备的能耗情况，包括峰值、谷值电量、平均用电量、实时功率等参数。
各传感器(压力传感器、超声波流量传感器、电表)将数据传输至数据采集仪，数据采集仪将采集的数据转化为数字信号，实时定时记录 (10秒记录一次)并传输到数据传输模块；另外，数据采集仪还可以将采集数据同时存储在自身的数据库中(一次可存储30天数据)，方便进行相应分析及数据提取。
需要说明的是，在进行实际操作中，数据采集系统可包括多组采集设备，选用采集设备的组数与供水泵房的泵组数量相同。示例性的，实验人员可在待测试供水泵房的三套泵组分别设置一套监测设备，共设置设备3套(智能电表3块及其辅助设备、压力传感器3块、流量传感器3 台，数据采集仪3套、软线若干)；
数据传输系统，可以支持多种连接方式(无线传输、有线传输)的数据传输，优选的，采用无线方式通过通讯协议定时将采集电量、压力等测量值发送到云端存储。示例性地，可以通过GPRS方式将所有测量值上传至互联网云存储，还可以通过4G、WIFI等无线发射方式发送到其他接收设备，再进一步传输到云端存储，供工控机自动下载或工作人员所操作的其他计算机下载。
需要说明的是，数据采集系统及数据传输系统均安装在二次供水泵站，通过进行无线数据连接，实时采集现场数据并传输至云端，方便监测终端提取数据，可实时在线监测二次供水处的压力、流量、水泵的能耗情况。
本实施例中监测平台，利用云端接收数据传输系统发送的数据，并进行存储，供不同的分析处理终端(上位机、处理器、客户端等)用于随时分析调用；同时，依靠云端强大的数据存储能力，针对不同二次供水系统大量的历史和实时数据，可以进一步进行大数据分析，为二次供水系统能耗监测及设备改造提供支持。
需要说明的是，可以根据需要搭建自身的云端存储服务器，以方便数据存储与管理；同时，也可以租用第三方云服务存储数据，减少成本。数据分析处理系统通过因特网可以远程访问和下载云端存储的历史和实时数据，进行进一步地节能特性分析。
数据分析处理系统，位于线下分析处理终端(上位机、处理器、客户端等)，调用云端实时或历史数据进行分析处理。该分析处理系统主要包括：监测数据处理模块、能耗分析模块、中试模块；
具体来说，监测数据处理模块，用于处理实际运行数据，监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化情况，同时评估实际运行项目的能耗情况；
其中，监测数据处理模块可以对实时或历史数据进行处理；包括以下几个方面：各供水分区的日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布、水泵机组的运行效率及流量频次分布。为能耗分析模块分析用户用水习惯、二次供水水泵机组运行工况，并提出相应优化方案提供数据支撑。
其中，日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布可以通过对实时获取的数据进行统计分析，并结合历史数据绘制分布图的方式得到。
针对水泵机组各流量下的运行效率及流量频次分布，具体地，水泵的电耗可通过下式计算：
ρ——液体密度(kg/m3)；g——重力加速度(m/s2)；Q——流量(m3/s)； H——扬程(mH20)；t——泵运行的小时数；η1—水泵的效率值；η2—电机的效率值；
从该式可看出，水泵的电耗与水泵的流量、扬程、泵的运行时间、泵的效率值、电机效率值有关(各地水体之间的密度差值，各地重力加速度的差值，均较小，可以忽略)。从工程实际而言，由于不同项目的水泵扬程，流量，泵运行的小时数均不同，单一比较电能消耗，难以在不同工况间进行分析和比较。可采用整机效率、单位能耗、吨水能耗等参数作为二次供水设备的能效指标，其中：整机效率η是水泵效率η1、电机效率η2、变频器效率η3、内部传输效率η4的乘积，即η＝η1*η 2*η3*η4，如图3所示；单位耗能E是每立方水增压1兆帕消耗的电能，单位为KW·h/m3MPa；吨水能耗是已知平均单位能耗E和供水压力P，则吨水能耗＝E×P，单位为KW·h/m3.
需要说明的是，本实施例中针对二次供水系统整体的进行节能技术，不仅仅针对于具体某个设备，故只需要考虑供水设备的整机效率即可。即通过求取单位能耗E，并以此为基础对机组效率进行评价。其中，单位能耗E的相关参数可以通过二次供水机组的供水流量Q、计量机组耗电量 (包括控制器等所有元器件、设备总耗电量)等数据采集系统得到的数据求取；即单位能耗式中Q—分段流量，m3/h；β—对应各段流量分布概率；η—对应各段流量的平均效率。
能耗分析模块，用于对上述监测数据处理模块处理后的数据进行分析；同时，结合实际运行监测数据，开展二次供水系统方式节能差异性能研究，通过监测不同供水系统的居民楼的实时数据，对比出不同供水方式能耗差别与节能效率；最后，结合用水特点分析确定适宜的供水方式，为不同功能类型的建筑提供节水节能设计方案，并得出给水系统能耗水平的衡量标准，为设计人员提供支撑。
首先，分析用户用水习惯及二次供水水泵机组运行工况，具体地，
日用水量变化趋势：由于工作日及休息日的差别，用户在不同种类建筑停留时间不同，工作日期间停留在住宅的时间相对较少，而休息日期间在办公场所时间减少，不同功能型建筑在日均用水量的表现上稍有不同。一般情况下，居住建筑用水量随周末、假期等休息日的到来日均用水量有所增长；办公类建筑则由于休息日期间使用人数的减少，用水量呈下降趋势；另外居民区的人员年龄及职业构成也对用水量有一定影响；因此，可从建筑功能、人员结构、工作或休息日等角度进行分析。
小时用水量分布，居住型建筑及办公型建筑依然呈互补状。一般情况下，两种类型建筑的用水高峰均出现在用户的到达和离开时段。工作日期间居住建筑用水量在用户出发上班前及下班到家后存在两个明显高峰期，休息日用水高峰较工作日有1-2小时延迟，并在午餐、晚餐时段及睡前时段用水增加，办公类建筑则在用户到达及离开办公场所时用水量较高；因此，可从建筑功能及工作或休息日等角度进行分析。
瞬时流量分布：对供水机组额定流量下的频次占比高低进行分析。
分析二次供水水泵机组运行工况；在建筑二次供水系统中90％以上的电能消耗在水泵中，因而水泵能耗的多少直接影响到建筑能耗的多少。因此，水泵机组选择不合理造成的资源浪费最为严重，建筑二次供水系统的能耗，与加压设备型号、数量、以及水泵机组的运行调配方案密切相关。在实际设计工作中，出于对供水安全可靠性的考虑，设计者通常会取偏安全的用水量，导致选择的水泵额定流量比实际情况偏大，水泵流量选择过大会导致用水点的实际供水压力比计算值偏高，造成超压出流现象，浪费水资源；而且可能会导致水泵不能在其高效区内运行，降低水泵的工作效率，使供水能耗增大，造成能源浪费。由于水泵是按照设计秒流量选择的，而给水系统的流量不可能一直等于设计秒流量，大多数时间都是小于设计秒流量的。因此，可以从能源利用效率低下，能效监管不到位、节能运行效率低下，选用水泵过高、高效段和用户使用匹配度差等角度进行分析。
同时，可对云端存储的大量历史数据进行处理分析，开展不同建筑类型二次供水系统能耗研究，针对各种二次供水系统，选取几个实际工程的监测供水能耗数据后，对各实际工程中供水设备、用户用水习惯、二次供水水泵机组运行能耗之间的关系进行分析和总结。
最后，通过与历史数据分析得到的结果进行对比，参照确定实际检测二次供水设备的改进方案，在保证供水安全的前提下，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗。示例性地，可以根据用户用水习惯选择更加节能的二次供水方式，或者合理选择水泵机组的型号和数量，合理安排水泵机组的运行调配方案，使水泵机组尽可能长时间处于高效区内运行，提高其工作效率，降低供水能耗。
考虑到，在完成对现有实际工程二次供水系统的能耗测定后，对其进行以提高能源利用效率为目的的改造，一方面，由于改造方案没有经过验证，很难保证改造后的运行效果达到预期；另一方面，直接对现有工程实施改造必定会影响正常供水，故选择利用中试模块(如图4所示) 对实际的待改造二次供水系进行改造性模拟测试，为系统改进方案实现能耗最低化提供有力的参考依据，可以大幅度节省模拟系统的建设成本，并可灵活调整，适用多种二次供水系统的改造性测试。
该中试模块按照现有的二次供水装置构建中试模型进行模拟，包括：水加压单元、管路单元、用户端、减压部、储水池、运行状态监测单元等组成。其中，减压部设置于管路单元上，用来降低管线的实际安装高度；运行状态监测单元包括用于对加压单元的运行工况进行实时监测；储水装置中的水经所述加压系统后进入所述管路系统，经减压部减压后进入用户端。需要说明的是，通过在管路系统上设置减压阀来模拟压力损失，从而降低管线实际安装高度，保证模拟系统与原系统的相似度，进而保证改造试验的准确度。
具有以下特点：1.比例化模拟，降低建设成本；2.各子系统组件可根据模拟需要随意拆装组合，适用性广；3.配备实验用水循环利用系统，节约资源，降低模拟实验成本。4.结合对水量、电量、供水压力等数据的监测，可检验改造后效果。
具体地，进行中试模拟，包括：
1、根据上述能耗分析模块提出的一个或多个改进方案，建立需改造二次供水系统的中试模型，确定中试模型各用水点模拟参数，包括各管段的流量、压力、减压阀所需调节的压力值等；
2、根据实测数据操作中试模型，使中试模型模拟真实项目中典型的运行工况(每个项目的典型工况不一样，所以中试模型具有普适性，方便调节对其模拟显得格外重要)所谓典型工况可理解为流量频次出现较多，大概率发生的工况点。
3对中试模型在各工况点的运行状态监测，包括水压、水量、耗电量等，进而计算改造后的运行效果。
4.与原系统进行对比，选取能耗最低的中试模型为改造方案。需要说明的是，对原系统的改造方案可为多个，可通过中试系统以较低的成本进行验证后，择优选择最终方案。
实施例2，
利用实施例1中二次供水系统能耗监测平台的监测方法，如图5所示，包括以下步骤：
步骤S1、将数据采集系统与二次供水设备相连，实时采集二次供水设备运行数据；
步骤S2、将上述采集到的数据通过数据传输系统发送到云端存储；
步骤S3、下载云端的实时及历史数据，并进行处理分析。
与现有技术相比，本实施例提供的二次供水系统能耗监测方式，实时获取二次供水设备的数据，并存储在云端，通过对云端存储的实时数据和历史数据进行分析处理，监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化评估实际运行项目的二次供水系统的能耗情况，同时对现有二次供水方式的系统特性与能耗进行分析和研究，在保证供水安全的前提下，进一步改进二次供水设备，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗，提高能源利用效率，实现节能监测，对超高层供水系统节能研究、二次供水系统设计及二次供水节能保障管理具有重要意义。
需要说明的是，本发明实施例中二次供水系统包括：增压设备和高位水池(箱)联合二次供水系统；气压二次供水系统；变频恒压二次供水系统；叠压二次供水系统。
具体来说，在步骤S1中，数据采集系统可包括多组采集设备，选用采集设备的组数与供水泵房的泵组数量相同。
数据采集系统，负责实时采集(每隔10s一次)上述二次供水系统各供水分区的总用水量Q、水泵机组总耗电W、水泵进出口及系统末端用水点的压力P1、P2、P3，并将测定数据转化为数字信号输送至数据传输系统。具体地，压力传感器：用于实时采集水泵进水口、出水口、用户端压力数值；超声波流量计，用于二次供水系统中管道的流量；
超声波流量传感器：用于实时采集系统总流量；
电表：用于测定水泵机组瞬时功率及某一时间段内总用电量。多功能电表记录用电设备的能耗情况，包括峰值、谷值电量、平均用电量、实时功率等参数。
各传感器(压力传感器、超声波流量传感器、电表)将数据传输至数据采集仪，数据采集仪将采集的数据转化为数字信号，实时定时记录 (10秒记录一次)并传输到数据传输模块；另外，数据采集仪还可以将采集数据同时存储在自身的数据库中(一次可存储30天数据)，方便进行相应分析及数据提取。
在步骤S2中、可以通过多种连接方式(无线传输、有线传输)的数据传输，优选的，采用无线方式通过通讯协议定时将采集电量、压力等测量值发送到云端存储。示例性地，可以通过GPRS方式将所有测量值上传至互联网云存储，还可以通过4G、WIFI等无线发射方式发送到其他接收设备，再进一步传输到云端存储，供工控机自动下载或工作人员所操作的其他计算机下载；同时，依靠云端强大的数据存储能力，针对不同二次供水系统大量的历史和实时数据，可以进一步进行大数据分析，为二次供水系统能耗监测及设备改造提供支持。
在步骤S3中，下载云端的实时及历史数据，并进行处理分析；具体包括以下步骤：
步骤S301、处理采集的监测数据，监测二次供水系统各供水分区的总用水量、水泵总电耗、水泵进出口及系统末端用水点的压力变化情况，同时评估实际运行项目的能耗情况；
其中，监测数据可以为实时或历史的二次供水设备工况数据；包括以下几个方面：日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布、水泵机组的运行效率及流量频次分布。其中，日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布可以通过对实时获取的数据进行统计分析，并结合历史数据绘制分布图的方式得到。
针对水泵机组各流量下的运行效率及流量频次分布，具体地，水泵的电耗可通过下式计算：
ρ——液体密度(kg/m3)；g——重力加速度(m/s2)；Q——流量(m3/s)； H——扬程(mH20)；t——泵运行的小时数；η1—水泵的效率值；η2—电机的效率值；
从该式可看出，水泵的电耗与水泵的流量、扬程、泵的运行时间、泵的效率值、电机效率值有关(各地水体之间的密度差值，各地重力加速度的差值，均较小，可以忽略)。从工程实际而言，由于不同项目的水泵扬程，流量，泵运行的小时数均不同，单一比较电能消耗，难以在不同工况间进行分析和比较。可采用整机效率、单位能耗、吨水能耗等参数作为二次供水设备的能效指标，其中：整机效率η是水泵效率η1、电机效率η2、变频器效率η3、内部传输效率η4的乘积，即η＝η1*η 2*η3*η4；单位耗能E是每立方水增压1兆帕消耗的电能，单位为 KW·h/m3MPa；吨水能耗是已知平均单位能耗E和供水压力P，则吨水能耗＝E×P，单位为KW·h/m3.
需要说明的是，本实施例中针对二次供水系统整体的进行节能技术，不仅仅针对于具体某个设备，故只需要考虑供水设备的整机效率即可。即通过求取单位能耗E，并以此为基础对机组效率进行评价。其中，单位能耗E的相关参数可以通过二次供水机组的供水流量Q、计量机组耗电量(包括控制器等所有元器件、设备总耗电量)等数据采集系统得到的数据求取，即单位能耗式中Q—分段流量，m3/h；β—对应各段流量分布概率；η—对应各段流量的平均效率。
步骤S302、用于对上述处理后的监测数据进行分析；同时，结合实际运行监测数据，开展二次供水系统方式节能差异性能研究，通过监测不同供水系统的居民楼的实时数据，对比出不同供水方式能耗差别与节能效率；最后，结合用水特点分析确定适宜的供水方式，为不同功能类型的建筑提供节水节能设计方案，并得出给水系统能耗水平的衡量标准，为设计人员提供支撑。具体地，
步骤S30201，分析用户用水习惯及二次供水水泵机组运行工况，具体地，
日用水量变化趋势：由于工作日及休息日的差别，用户在不同种类建筑停留时间不同，工作日期间停留在住宅的时间相对较少，而休息日期间在办公场所时间减少，不同功能型建筑在日均用水量的表现上稍有不同。一般情况下，居住建筑用水量随周末、假期等休息日的到来日均用水量有所增长；办公类建筑则由于休息日期间使用人数的减少，用水量呈下降趋势；另外居民区的人员年龄及职业构成也对用水量有一定影响；因此，可从建筑功能、人员结构、工作或休息日等角度进行分析。
小时用水量分布，居住型建筑及办公型建筑依然呈互补状。一般情况下，两种类型建筑的用水高峰均出现在用户的到达和离开时段。工作日期间居住建筑用水量在用户出发上班前及下班到家后存在两个明显高峰期，休息日用水高峰较工作日有1-2小时延迟，并在午餐、晚餐时段及睡前时段用水增加。办公类建筑则在用户到达及离开办公场所时用水量较高；因此，可从建筑功能及工作或休息日等角度进行分析。
瞬时流量分布：对供水机组额定流量下的频次占比高低进行分析。
分析二次供水水泵机组运行工况；在建筑二次供水系统中90％以上的电能消耗在水泵中，因而水泵能耗的多少直接影响到建筑能耗的多少。因此，水泵机组选择不合理造成的资源浪费最为严重，建筑二次供水系统的能耗，与加压设备型号、数量、以及水泵机组的运行调配方案密切相关。在实际设计工作中，出于对供水安全可靠性的考虑，设计者通常会取偏安全的用水量，导致选择的水泵额定流量比实际情况偏大，水泵流量选择过大会导致用水点的实际供水压力比计算值偏高，造成超压出流现象，浪费水资源；而且可能会导致水泵不能在其高效区内运行，降低水泵的工作效率，使供水能耗增大，造成能源浪费。由于水泵是按照设计秒流量选择的，而给水系统的流量不可能一直等于设计秒流量，大多数时间都是小于设计秒流量的。因此，可以从能源利用效率低下，能效监管不到位、节能运行效率低下，选用水泵过高、高效段和用户使用匹配度差等角度进行分析。
步骤S30202，可对云端存储的大量历史数据进行处理分析，开展不同建筑类型二次供水系统能耗研究，针对各种二次供水系统，选取的几个实际工程的监测供水能耗数据后，对各实际工程中供水设备、用户用水习惯、二次供水水泵机组运行能耗之间的关系进行分析和总结。
步骤S30203，通过与历史数据分析得到的结果进行对比，参照确定实际检测二次供水设备的改进方案，在保证供水安全的前提下，最大程度降低建筑二次供水系统的能耗。示例性地，可以根据用户用水习惯选择更加节能的二次供水方式，或者合理选择水泵机组的型号和数量，合理安排水泵机组的运行调配方案，使水泵机组尽可能长时间处于高效区内运行，提高其工作效率，降低供水能耗。
步骤S303，利用中试模块对实际的待改造二次供水系进行改造性模拟测试；
考虑到，在完成对现有实际工程二次供水系统的能耗测定后，对其进行以提高能源利用效率为目的的改造，一方面，由于改造方案没有经过验证，很难保证改造后的运行效果达到预期；另一方面，直接对现有工程实施改造必定会影响正常供水，故选择利用中试模块对实际的待改造二次供水系进行改造性模拟测试，为系统改进方案实现能耗最低化提供有力的参考依据，可以大幅度节省模拟系统的建设成本，并可灵活调整，适用多种二次供水系统的改造性测试。
具体地，进行中试模拟，可以包括以下步骤：
步骤S30301、建立需改造二次供水系统的模型，确定中试模型各用水点模拟参数，包括各管段的流量、压力、减压阀所需调节的压力值等；
该中试模块按照现有的二次供水装置构建中试模型进行模拟，包括：水加压单元、管路单元、用户端、减压部、储水池、运行状态监测单元等组成。其中，减压部设置于管路单元上，用来降低管线的实际安装高度；运行状态监测单元包括用于对加压单元的运行工况进行实时监测；储水装置中的水经所述加压系统后进入所述管路系统，经减压部减压后进入用户端。需要说明的是，通过在管路系统上设置减压阀来模拟压力损失，从而降低管线实际安装高度，保证模拟系统与原系统的相似度，进而保证改造试验的准确度。
具有以下特点：1.比例化模拟，降低建设成本；2.各子系统组件可根据模拟需要随意拆装组合，适用性广；3.配备实验用水循环利用系统，节约资源，降低模拟实验成本。4.结合对水量、电量、供水压力等数据的监测，可检验改造后效果。
步骤S30302、根据实测数据操作中试模型，使中试模型模拟真实项目中典型的运行工况(每个项目的典型工况不一样，所以中试模块具有普适性，方便调节对其模拟显得格外重要)所谓典型工况可理解为流量频次出现较多，大概率发生的工况点。
步骤S30303、对中试模型在各工况点的运行状态监测，包括水压、水量、耗电量等，进而计算改造后的运行效果。
步骤S30304、与原系统进行对比，选取能耗最低的中试模型为最终的改造方案。需要说明的是，对原系统的改造方案可为多个，可通过中试系统以较低的成本进行验证后，择优选择最终方案。
实施例3
利用上述实施例1中的监测平台及实施例2中的监测系统，进行实际的监测及分析。示例性的，选择某小区高层居民楼进行监测。该居民楼小区为恒压变频泵组二次供水系统，恒压变频二次供水系统由变频器、数字调节器、可编程序控制器(PC)、传感器、水泵电机及相关电气控制设备集成而成，如图6所示。通过压力传感器连续采集供水管网中的水压及水压变化率信号，并将其转换为电信号传送至变频控制系统，控制系统将反馈回来的信号与设定压力进行比较和运算，从而改变供水量大小。该系统广泛应用于社区、高楼大厦、工矿企业、农村城镇的生活给水和一些生产工艺特殊要求的生产给水系统。
该居民楼地上18层，共216户，供水泵房设在负2层，3层以下由市政管网直接供水，3层至18层共192户采用恒压变频给水系统加压供水，系统形式为一用一备，最大流量8m3/h(如图7所示)。本实施例中共设置设备1套监测设备(智能电表1块及其辅助设备、压力传感器3 块、流量传感器1台，数据采集箱1套、软线若干)。
通过数据采集系统获取数据并存储在云端，由处理终端进行分析处理：图8给出了该恒压变频给水系统中的压力及流量变化曲线，包括给水系统的进口处、出口处、用水末端的压力及系统的流量。进口压力基本稳定在0.37MPa，出口压力稳定在0.7MPa，尽管在7点以后由于流量的升高使得进口压力有所下降，但是出口压力在变频水泵的调节作用下仍保持稳定。用水末端为系统最不利点，末端压力基本稳定在0.1MPa。
对监测的数据进用水量分析；该楼位于北京城区，总计18层216户，其中3-18层采用恒压变频系统加压供水。如图9所示，日均用水量分布较为平均，最低用水量出现在周四，为56.57m3，最高为周六74.30m3，用水日变化系数为1.14。水泵运行效率最低37％，最高48％。
小时用水分布情况分析：如图10所示，休息日深夜用水较工作日有较大增加，并且用水高峰在时间上有所延迟，休息日用水早晚高峰在7-9 时及17-20时，工作日用水早晚高峰为7-8时、17时及22时。
瞬时流量分布分析及水泵工作效率分析：该居民楼用水流量频次分布及对应流量下的水泵机组效率如11所示，出现频次最高的流量范围为 3-3.5m3/h，出现频率为16.1％，而该流量仅为最大流量的约50％；最大流量范围7.5-8m3/h的出现频率仅为0.15％；此外小流量范围0-0.5m3/h 的出现频率为11.6％，也属于大概率流量范围。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种二次供水系统能耗监测平台，其特征在于，包括：数据采集系统、数据传输系统、云端储存系统、数据分析处理系统；
所述数据采集系统与二次供水系统相连，用于实时采集数据，并传递给数据传输系统；
所述数据传输系统，将接收到的数据发送到云端存储系统；
所述云端储存系统，用于对获取的数据进行存储；
所述数据分析处理系统，用于下载云端储存系统的实时及历史数据，并进行处理分析。
2.根据权利要求1所述的二次供水系统能耗监测平台，其特征在于，所述数据采集系统，包括：数据采集仪、超声波流量计、压力传感器、电表；
所述超声波流量计，用于采集二次供水系统中管道的流量；
所述压力传感器，用于实时采集二次供水系统中水泵进水口和出水口、用户端压力数值；
所述电表，用于获取水泵机组瞬时功率；
所述数据采集仪，将超声波流量计、压力传感器、电表采集的数据转化为数字信号，并实时传输到所述数据传输系统。
3.根据权利要求2所述的二次供水系统能耗监测平台，其特征在于，所述数据分析处理系统包括：监测数据处理模块、节能改进模块、中试模块；
所述监测数据处理模块，用于求取二次供水系统日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布、水泵机组的运行效率及流量频次分布。
所述节能改进模块，根据上述监测数据处理模块处理后的数据进行用户用水习惯及二次供水水泵机组运行工况分析，并结合针对历史数据确定适宜的供水方式；
所述中试模块，用于对待改进的二次供水系统的进行改造性模拟测试，确定最终的改造方案。
4.根据权利要求3所述的二次供水系统能耗监测平台，其特征在于，所述对待改进的二次供水系统的进行改造性模拟测试，包括：按照所述节能改进模块确定的适宜的供水方式建立二次供水系统的中试模型，并确定中试模型中各用水点模拟参数；根据实测数据操作中试模型，使中试模型模拟真实项目中典型的运行工况；对中试模型在各工况点的运行状态监测，进而计算改造后的运行效果；与原二次供水系统进行对比，选取能耗最低的中试模型为最终的改造方案。
5.根据权利要求4所述的二次供水系统能耗监测平台，其特征在于，所述中试模型包括：加压系统、管路系统、用户端、减压部、储水装置和运行状态监测系统；
所述减压部设置于所述管路系统上，用于降低管线的实际安装高度；所述运行状态监测系统，用于对加压系统的运行工况进行实时监测；
所述储水装置中的水经所述加压系统后进入所述管路系统，经减压部减压后进入用户端。
6.利用权利要求1-5中任一二次供水系统能耗监测平台的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、将数据采集系统与二次供水设备相连，实时采集二次供水设备运行数据；
步骤S2、将上述采集到的数据通过数据传输系统发送到云端存储；
步骤S3、下载云端储存系统的实时及历史数据，并进行处理分析。
7.根据权利要求6所述的二次供水系统能耗监测方法，其特征在于，所述进行数据采集，包括：
通过超声波流量计采集二次供水系统中管道的流量；
利用压力传感器，实时采集二次供水系统中水泵进水口、出水口、用户端压力数值；
利用电表获取水泵机组瞬时功率；
通过数据采集仪，将所述超声波流量计、压力传感器、电表采集的数据转化为数字信号，并实时传输到数据传输系统。
8.根据权利要求7所述的二次供水系统能耗监测方法，其特征在于，所述下载云端的实时及历史数据，并进行处理分析，包括：
步骤S301、求取二次供水系统日用水量变化趋势、小时用水量分布、瞬时流量分布、水泵机组的运行效率及流量频次分布。
步骤S302、根据上述监测数据处理模块处理后的数据进行用户用水习惯及二次供水水泵机组运行工况分析，并结合针对历史数据确定适宜的供水方式；
步骤S303、用于对待改进的二次供水系统的进行改造性测试，确定最终的改进方案。
9.根据权利要求8所述的二次供水系统能耗监测方法，其特征在于，所述对待改进的二次供水系统的进行改造性测试，确定最终的改进方案，包括：
步骤S30301、按照确定的适宜的供水方式建立二次供水系统的中试模型，并确定中试模型中各用水点模拟参数；
步骤S30302、根据实测数据操作中试模型，使中试模型模拟真实项目中典型的运行工况；
步骤S30303、对中试模型在各工况点的运行状态监测，进而计算改造后的运行效果；
步骤S30304、与原二次供水系统进行对比，选取能耗最低的中试模型为最终的改造方案。
10.根据权利要求9所述的二次供水系统能耗监测方法，其特征在于，所述中试模型；包括模拟建筑、加压系统、管路系统、用户端、减压部、储水装置和运行状态监测系统；
所述减压部设置于所述管路系统上，用于降低管线的实际安装高度；所述运行状态监测系统，用于对加压系统的运行工况进行实时监测；
所述储水装置中的水经所述加压系统后进入所述管路系统，经减压部减压后进入用户端。
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