智能建築能源管理系統

隨着我國經濟的發展，國家機關辦公建築和大型公共建築高耗能的問題日益突出。我國每年竣工建築面積約為20億m,其中公共建築約有4億m。2萬m以上的大型公共建築面積占城鎮建築面積的比例不到4%，但是能耗卻佔到建築能耗的20%以上，其中單位面積耗電量更是普通民宅的10到15倍。在公共建築（特別是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等）的全年能耗中，大約50%~60%消耗於空調製冷與採暖系統，20%~30%用於照明。

在我國現有的約430億m建築中，只有4%採取了能源效率措施，單位建築面積採暖能耗為發達國家新建建築的3倍以上。根據測算，如果不採取有力措施，到2020年中國建築能耗是3倍以上。因此，做好大型公共建築的節能管理工作，對實現“十一五”建築節能規劃目標具有重要意義。

BAS系統可以根據預先編排的時間程序對電力、照明、空調等設備進行最優化的管理，從而達到節能的目的。在工程中，通常採用如下節能措施：

（1）定時法：根據大樓工作作息時間按時啓停控制設備，如風機、照明等。

（2）温度—時間延滯法：根據大樓內温度保持的延滯時間，提前關閉空調主機或鍋爐達到節能之目的。

（3）調節供水温度：根據室內外實際温度調節空調系統的供水温度，設定合適的供水温度減少系統主機的過度運行，實現節能。

（4）經濟運行法：在室外温度達到13℃時，可直接將室外新風作為迴風；在室外温度達到24℃時，可直接將室外新風送入室內。在這樣的情況下，系統可節約對送回風系統進行處理的能源。

（5）設備等壽命運行：對樓內冷熱源主機、泵機、風機等設備進行等時間交替運行，延長設備的運行壽命，節省維護費用。

根據國外工程經驗，建築設備管理系統（BAS系統）可為新的辦公大樓節能20%左右。然而據統計，國內智能建築中真正達到節能目標的還不到10%，80%以上的智能建築內BAS系統僅僅作為設備狀態監視和自動控制使用，造成投資的極大浪費。

具體原因是多方面的，但根源在於，我國迄今為止尚沒有建立一套行之有效的建築節能的測試方法，而BAS系統屬於工程性產品並非成套設備，需要BAS系統工程師在現場做二次編程才能實現控制功能，系統性能受現場工程師人為因素的影響很大，在加上很多智能建築建設方和管理方、使用方分離，造成很少有用户真正關心到底節了多少能，用户在建築節能方面的投入產出比是多少。事實上，由於缺乏建築物地能源使用模型和完善的計量手段，即使有用户提出上述問題，也無法得到準確的數據。

因此，需要在智能建築中設置能源管理系統，對建築物地設備能效進行監測、分析和管理，並建立建築物的能耗模型，才能真正實現節能的目的。

智能建築是指以建築物為平台，兼備信息設施系統、信息化應用系統、建築設備管理系統、公共安全系統等，集結構、系統、服務、管理及其優化組合為一體，向人們提供安全、高效、便捷、節能、環保、健康的建築環境。《智能建築設計標準》GB/T 50314-2006把智能建築定義成一個統一的建築環境，而非通常理解的“設置建築智能化系統的建築”。因此，智能建築的節能通常包括：建築節能、設備節能和管理節能。

能源管理系統是基於自動化控制系統基礎上一套計算機智能化的管理軟件平台。該系統通過對建築物內各類能耗參數的收集、分析，運用科學算法發出合理的操控指令，通過樓宇控制系統實現其動作。

智能建築能源管理系統以計算機、通訊設備、測控單元為基本工具，為大型公共建築的實時數據採集、開關狀態監測及遠程管理與控制提供了基礎平台，它可以和檢測、控制設備構成任意複雜的監控系統。該系統主要採用分層分佈式計算機網絡結構，一般分為三層：站控管理層、網絡通訊層和現場設備層 ^[1]  。

（1）站控管理層

站控管理層針對能耗監測系統的管理人員，是人機交互的直接窗口，也是系統的最上層部分。主要由系統軟件和必要的硬件設備，如工業級計算機、打印機、UPS 電源等組成。監測系統軟件具有良好的人機交互界面，對採集的現場各類數據信息計算、分析與處理，並以圖形、數顯、聲音等方式反映現場的運行狀況。

監控主機：用於數據採集、處理和數據轉發。為系統內或外部提供數據接口，進行

系統管理、維護和分析工作。

打印機：系統召喚打印或自動打印圖形、報表等。

模擬屏：系統通過通訊方式與智能模擬屏進行數據交換，形象顯示整個系統運行狀況。

UPS：保證計算機監測系統的正常供電，在整個系統發生供電問題時，保證站控管理層設備的正常運行。

（2）網絡通訊層

通訊層主要是由通訊管理機、以太網設備及總線網絡組成。該層是數據信息交換的橋樑，負責對現場設備回送的數據信息進行採集、分類和傳送等工作的同時，轉達上位機對現場設備的各種控制命令。

通訊管理機：是系統數據處理和智能通訊管理中心。它具備了數據採集與處理、通訊控制器、前置機等功能。

以太網設備：包括工業級以太網交換機。

通訊介質：系統主要採用屏蔽雙絞線、光纖以及無線通訊等。

（3）現場設備層

現場設備層是數據採集終端，主要由智能儀表組成，採用具有高可靠性、帶有現場總線連接的分佈式I/O控制器構成數據採集終端，向數據中心上傳存儲的建築能耗數據。測量儀表擔負着最基層的數據採集任務，其監測的能耗數據必須完整、準確並實時傳送至數據中心。

數據的採集和存儲是整個系統的基礎，沒有大量的數據就無法進行有效的分析，沒有有效的分析就無法得到正確的能源管理措施。數據可通過建築設備管理系統（BAS系統）採集。

數據內容主要包括：建築物環境參數、設備運行狀態參數、各設備能耗數據等。獲取的參數越多、運行的週期越長，越容易得到準確的結論。但若參數過多，又會造成建設成本的大量增加，因此可根據各建築物的具體情況把數據分為：系統運行所必須的基礎數據和輔助數據（可選數據），在管理效果和建設成本間取得平衡。

按照世界能源委員1979年提出的“節能”定義：採取技術上可行、經濟上合理、環境和社會可接受的一切措施，來提高能源資源的利用效率。即儘可能地減少能源消耗量，生產出與原來同樣數量、同樣質量的產品；或者是以原來同樣數量的能源消耗量，生產出比原來數量更多或數量相等質量更好的產品。以此延伸開來，建築物的節能可以定義為：在基本不影響建築物功能和舒適性的前提下，儘量減少能耗。所以，判斷一個建築物節能與否，節能多少需要有個參照物，通過和參照物比較才能得出結論。對於改造的建築，通常可以用同一氣候條件下的歷史能耗數據作為參照。而新建建築則相對比較複雜，日前在實際工程中常見下列幾種方式 ^[2]  ：

類比法：以類型、規模、功能相仿的建築的能耗作為參照。主要適用於連鎖酒店、連鎖超市、連鎖商場等建築條件相仿，管理模式相同的同一集團或管理公司旗下的建築物。

測試法：在建築物正常運行後，分別在各氣候條件下測試採取能耗管理措施和未採取措施的日能耗數量。通常可以在夏、冬兩季各選擇數天，採取隔日測試法，即第一天，測試採取能源管理措施日能耗量；第二天，關閉能源管理軟件測試日能耗量；以此類推。這種方式缺陷是測試的時間跨度偏長。

計算法：通過為建築建立模型，設定參數，模擬計算出該建築物的能耗。這種方式優點很明顯，通過模型能對建築物的各設備能耗全面計算，為能耗管理提供方向性指導。但採用不同的軟件計算出的能耗值有差距，對計算出的能耗值的準確性和權威性均存在爭議，計算結果能否作為節能合同內的節能率計算依據是主要的分歧點。

通過對建築的能耗數據統計、分析，結合模型建築物能耗對比，確定建築物能耗對比，確定建築物的能耗狀況和設備能耗效率，從而提供建築物能源管理優化措施。能耗數據分析模塊是能耗管理軟件的精髓所在，市場上各家軟件的算法不盡相同，其效果還需市場驗證。然而，以模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制技術的發展將極大推動能源管理水平。

建築物的節能措施主要通過建築設備管理系統（BAS系統）來執行。能源管理平台和BAS系統的完美結合，是能源控制和管理措施實現的保障。能源管理和BAS還分屬不同智能化系統，兩系統的相互融合應該是智能化系統發展的方向。

用表格和圖片的形式體現建築物的能源使用情況、設備能耗、設備運行效率、能耗歷史曲線等，以適應不同人羣的需求。系統一般應能提供WEB服務，獲得授權許可的遠程用户能通過瀏覽器瞭解建築物的能源使用狀況。

（1）高壓回路或低壓進線迴路選ACR330ELH儀表 ^[3] 

該表為電能質量分析儀表，主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計；THDu，THDi、2-31次各次諧波分量；電壓波峯係數、電話波形因子、電流K係數、電壓與電流不平衡度計算；電網電壓電流正、負、零序分量（含負序電流）測量；4DI+3DO（DO3做過壓、欠壓、過流、不平衡報警）；RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T645規約。外形尺寸：120×120mm，開孔尺寸：108×108mm。適用於高壓重要回路或低壓進線櫃。

（2）低壓聯絡或出線迴路選ACR220EL電力儀表 ^[3] 

該表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；4DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議。外形尺寸：96×96mm，開孔尺寸：88×88mm。適用於低壓聯絡櫃、出線櫃。

（3）動力櫃、照明箱選ACR120EL電力儀表 ^[3]  或導軌式電錶 ^[4] 

ACR120EL電力儀表主要功能有：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；2DI+2DO；RS485通訊接口、Modbus協議。外形尺寸：開孔尺寸80×80mm，開孔尺寸72×72mm。適用於動力櫃。

DTSD1352導軌式電錶主要功能：LCD顯示、全電參量測量（U、I、P、Q、PF、F、S）；四象限電能計量、復費率電能統計、最大需量統計；電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數。適用於動力櫃。

DTSF1352導軌式電錶主要功能：電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統計、電能脈衝輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：126×89×74mm，7模數。適用於照明箱的三相電能計量。

照明箱DDSF1352電錶主要功能：電流規格1.5(6)A、5(20)A、10(40)A、20(80)A可選、復費率電能統計、電能脈衝輸出、RS485通訊接口、Modbus協議或DL/T 645規約可選。外形尺寸：76×89×74mm，4模數。適用於照明箱的電流、電壓測量；單相電能計量。