建筑能源管理的模型構(gòu)建與系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 周海新

建筑能源管理系統(tǒng)（即“Energy Management System”，以下簡(jiǎn)稱EMS）是針對(duì)現(xiàn)代樓宇能源管理的需要，利用現(xiàn)場(chǎng)控制器/傳感器將建筑物中設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、計(jì)量數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、物理空間數(shù)據(jù)，以及建筑材料性能等信息采集到上位管理系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)對(duì)樓宇的水、電力、蒸汽、燃料等能源的用量集中處理，并根據(jù)這些能耗數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)諸如能效評(píng)估、最優(yōu)化控制、節(jié)能運(yùn)行控制等一系列功能的智能應(yīng)用系統(tǒng)，可在不降低人體舒適度的前提下最大限度地提高能源的利用率。

1 建筑能源管理現(xiàn)狀分析

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源問(wèn)題已經(jīng)成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素。有關(guān)資料顯示，我國(guó)建筑能耗占全社會(huì)總能耗的30%～35%。其中政府辦公建筑和大型公共建筑的總能耗約占建筑總能耗的50%，而其建筑面積只占建筑面積總量的6%～10%。就單位面積能耗而言，公共建筑是住宅建筑的5～10倍。

中華人民共和國(guó)《節(jié)約能源法》對(duì)建筑節(jié)能做出了規(guī)定，要求建筑物提高保溫隔熱性能，減少采暖、制冷、照明的能耗；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部陸續(xù)頒布了一系列建筑節(jié)能方面的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約能源已經(jīng)被列入基本國(guó)策。

如何進(jìn)行建筑能耗可視化監(jiān)測(cè)和績(jī)效考核、如何建立能耗成本分析和能效指標(biāo)分析體系、如何制定節(jié)能改造計(jì)劃并進(jìn)行效果評(píng)估、如何為管理者提供能源決策和能耗分配支持......這些已成為現(xiàn)代化建筑管理者最為關(guān)注的問(wèn)題，也是全行業(yè)、乃至全社會(huì)共同關(guān)心的問(wèn)題。

EMS應(yīng)對(duì)建筑能源消耗進(jìn)行管理的需求而生。該系統(tǒng)針對(duì)公共建筑的能耗特點(diǎn)，建立每個(gè)被管理建筑的能源消耗模型，對(duì)能源消耗過(guò)程的所有因素進(jìn)行分析，對(duì)建筑物內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備實(shí)行監(jiān)控、監(jiān)測(cè)，使建筑物的能源利用得到科學(xué)的監(jiān)控管理，從而推動(dòng)全社會(huì)節(jié)能。

2 EMS的設(shè)計(jì)目標(biāo)

建筑能源管理的目的是最大限度地、合理地降低建筑內(nèi)部的能源消耗。建筑的能源消耗主要包括中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行的能耗和熱能消耗等幾項(xiàng)；因此，建筑的節(jié)能只有依靠建筑內(nèi)各個(gè)專業(yè)、各個(gè)子系統(tǒng)的共同作用才能實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS）是建筑機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控中心，且具備暖通空調(diào)和智能照明監(jiān)控的能力，具有非常重要的作用。EMS能執(zhí)行對(duì)BAS各子系統(tǒng)、設(shè)備的全方位的能源管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、能耗統(tǒng)計(jì)分析、能效評(píng)估分析、控制策略優(yōu)選等全面的管理功能；同時(shí)，EMS還可以接入BAS以外的其他弱電系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和能耗分析，實(shí)現(xiàn)更廣泛程度上的能源管理。

加強(qiáng)建筑的能源管理，就是需要通過(guò)有效的軟件分析手段，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

◆ 建立建筑各個(gè)空間的數(shù)學(xué)能耗模型，根據(jù)模型進(jìn)行圖表化監(jiān)測(cè)；

◆ 針對(duì)各系統(tǒng)，利用軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行效能分析考核；

◆ 利用軟件平臺(tái)進(jìn)行科學(xué)的建筑能耗成本分析；

◆ 利用軟件平臺(tái)綜合各類因素，分析建筑能耗的變化規(guī)律；

◆ 自動(dòng)篩選、匹配最佳的節(jié)能控制策略；

◆ 應(yīng)用新的控制策略，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、設(shè)備的高能效運(yùn)行。

EMS利用新的科技手段和軟件技術(shù)，通過(guò)科學(xué)的管理和數(shù)據(jù)分析，能夠使建筑的各個(gè)系統(tǒng)在能效達(dá)到預(yù)期的同時(shí)，能耗保持在較低的水平，從而有效降低建筑的運(yùn)行成本，構(gòu)建節(jié)能型現(xiàn)代化建筑。

3 EMS的結(jié)構(gòu)及工作流程

EMS的大部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于BAS平臺(tái)，同時(shí)EMS在應(yīng)用層面上又高于BAS，是建筑智能化管理系統(tǒng)IBMS（Intelligent Building Management System）的重要組成部分（當(dāng)然EMS也可以作為獨(dú)立應(yīng)用軟件使用）。

EMS的結(jié)構(gòu)及工作流程如圖1所示。

EMS采用C/S主體架構(gòu)模式，客戶端采用B/S模式，以便實(shí)現(xiàn)較大范圍的管理應(yīng)用。根據(jù)數(shù)據(jù)流程，EMS可分為三個(gè)結(jié)構(gòu)層面。

（1）數(shù)據(jù)采集層

圖1 EMS結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖

數(shù)據(jù)采集層實(shí)現(xiàn)與BAS及其他弱電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，或通過(guò)加裝現(xiàn)場(chǎng)表計(jì)，完成電、水、蒸汽、燃油等各類能源介質(zhì)的相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)通信接口與能源管理計(jì)算機(jī)通信。

（2）數(shù)據(jù)處理層

各類能源使用數(shù)據(jù)通過(guò)可靠的通信網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)、LonWorks、BACnet、Modbus等）被送入計(jì)算機(jī)后，EMS執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)的合理性分析，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分配與分類存儲(chǔ)，在保障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖形化監(jiān)控的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)接入商業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，以供更充分地利用。

（3）分析應(yīng)用層

分析應(yīng)用層是能源管理系統(tǒng)的最高管理層。通過(guò)C/S管理端，可執(zhí)行建筑各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制等；通過(guò)B/S客戶端，可進(jìn)行各類能源介質(zhì)的數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計(jì)、能耗數(shù)據(jù)圖形化分析、單位部門(mén)能源使用情況評(píng)估、節(jié)能控制策略優(yōu)選等。

EMS利用先進(jìn)成熟的開(kāi)發(fā)技術(shù)和集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了從基于現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)據(jù)采集、能源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)，到建筑能效分析與控制策略優(yōu)選的工作流程，并支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的分布式應(yīng)用，支持局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的各類分析功能與分析數(shù)據(jù)的共享。

4 EMS的功能設(shè)計(jì)

要解決建筑節(jié)能和應(yīng)用的問(wèn)題，EMS需通過(guò)能源管理中央監(jiān)控平臺(tái)收集和統(tǒng)計(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)，找出建筑內(nèi)用能不合理的節(jié)點(diǎn)，從而制定有效的節(jié)能策略；調(diào)動(dòng)系統(tǒng)中的各類傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使策略通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制器得到實(shí)施；并不斷地調(diào)整和優(yōu)化有關(guān)參數(shù)，使整個(gè)系統(tǒng)按照設(shè)定的策略運(yùn)行。

（1）圖形化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)通過(guò)與其他系統(tǒng)、設(shè)備、傳感裝置的接口或物理連接，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)、各主要設(shè)備（如冷水機(jī)組、循環(huán)水泵、各建筑單元的VRV系統(tǒng)等）能耗狀態(tài)（包括電量、電壓、電流、功率因素等主要參數(shù)）的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)采集以及設(shè)備/系統(tǒng)能效（COP）的在線計(jì)算。

數(shù)據(jù)采集的方式包括通過(guò)BAS和IBMS平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互接口采集，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、傳感裝置的物理連接采集，通過(guò)空調(diào)末端聯(lián)網(wǎng)型計(jì)量裝置采集等。

建筑所有的能耗數(shù)據(jù)以多樣式圖形和數(shù)據(jù)報(bào)表等形式，直觀展現(xiàn)各個(gè)設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行及能耗狀況。

（2）能耗報(bào)警管理

在實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)采集、圖形化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，EMS能自動(dòng)分析數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷現(xiàn)場(chǎng)故障，對(duì)建筑的能源狀況和環(huán)境條件進(jìn)行后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障；并能提供多種報(bào)警方式，包括軟件平臺(tái)報(bào)警、電子裝置報(bào)警、手機(jī)短信報(bào)警等。

借助報(bào)警管理模塊，建筑的管理者能通過(guò)報(bào)警信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障并采取補(bǔ)救措施，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。

（3）歷史數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)

EMS自動(dòng)根據(jù)所采集的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)判斷影響設(shè)備能耗的因素，計(jì)算設(shè)備（或系統(tǒng)）能耗；同時(shí)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。在存儲(chǔ)各類能耗數(shù)據(jù)的同時(shí)，EMS還可記錄相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù)，如天氣、風(fēng)力、風(fēng)向、溫度、濕度等氣象數(shù)據(jù)；這些氣象數(shù)據(jù)在系統(tǒng)進(jìn)行能效圖表分析和控制策略優(yōu)選的過(guò)程中可作為科學(xué)的環(huán)境參照。

系統(tǒng)存儲(chǔ)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)即系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)越合理、存儲(chǔ)量越大，系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)就越豐富；海量、合理的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)將為建筑控制策略的優(yōu)選提供科學(xué)、堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（4）建筑能耗統(tǒng)計(jì)分析

充分應(yīng)用大量的歷史數(shù)據(jù)，EMS可實(shí)現(xiàn)多種分析角度、多種圖形方式的能耗統(tǒng)計(jì)與對(duì)比分析，并能夠自動(dòng)判斷能耗曲線的極點(diǎn)，顯示極點(diǎn)產(chǎn)生時(shí)刻的設(shè)備/系統(tǒng)的詳細(xì)控制參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。

能耗統(tǒng)計(jì)分析模塊具有靈活、多角度的自定義數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)功能，可以按設(shè)備名稱、所屬系統(tǒng)、時(shí)間段、能耗類別（電、水、油、汽等）統(tǒng)計(jì)能耗；可自動(dòng)輸出統(tǒng)計(jì)報(bào)表，報(bào)表打印功能靈活、全面、細(xì)致。

EMS可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑內(nèi)各系統(tǒng)（水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等）、特定設(shè)備某段時(shí)間內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù)的圖形化回溯，執(zhí)行能源數(shù)據(jù)的綜合查詢和匯總統(tǒng)計(jì)。查詢統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可以以表格的形式顯示，也可以用多種圖形化圖表直觀地展示，圖表形式可以包括曲線圖、柱狀圖、平滑曲線圖等。

EMS可在當(dāng)前分析圖表中，疊加其他設(shè)備/系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的集中比較、曲線分析與趨勢(shì)判斷；還可自動(dòng)計(jì)算當(dāng)前圖表中的能耗累計(jì)量和單位平均量。

（5）能效評(píng)估與能源考核

在對(duì)建筑的能耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與圖形分析的基礎(chǔ)上，EMS還可借助計(jì)算機(jī)的自動(dòng)處理，根據(jù)所采集、記錄的設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，執(zhí)行對(duì)能效指標(biāo)的多角度計(jì)算和分析、判斷；使得用戶可以通過(guò)管理、科學(xué)的分析處理，運(yùn)用合適的節(jié)能策略，達(dá)到降低能耗、提高效率、控制成本的目的。

借助能效評(píng)估與考核模塊，EMS可綜合各類能源分析和管理信息，包括能源的流動(dòng)情況，能耗消費(fèi)情況、趨勢(shì)，以及總體建筑性能等信息。

EMS可在其評(píng)估模型中執(zhí)行能耗數(shù)據(jù)與往年同期數(shù)據(jù)的比較，結(jié)合不同時(shí)期的環(huán)境因素，根據(jù)不同時(shí)期、不同對(duì)象的能耗分析能效變化的狀況、建筑能源消耗的詳細(xì)組成及其差異變動(dòng)是否合理，對(duì)能源消耗數(shù)據(jù)作出初步的科學(xué)評(píng)價(jià)，找出能源過(guò)度消耗之處，以便制定優(yōu)化用能的策略。

（6）節(jié)能控制策略優(yōu)選

建筑能源管理，就是通過(guò)各種運(yùn)行信息的匯集和策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的總體控制，達(dá)到節(jié)能的目的。

EMS系統(tǒng)在對(duì)設(shè)備/系統(tǒng)的能耗和能效狀況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，綜合建筑能評(píng)估的結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)能耗、能效數(shù)據(jù)與每日氣象條件等物理因素的關(guān)聯(lián)，自動(dòng)匹配、優(yōu)選最佳能效的產(chǎn)生條件，從而優(yōu)選出最符合實(shí)際情況和用戶需要的控制策略參數(shù)，對(duì)當(dāng)前控制策略進(jìn)行合理的調(diào)整和優(yōu)化。

這些控制策略的優(yōu)化主要包括設(shè)備之間的權(quán)衡和優(yōu)化、不同系統(tǒng)之間的權(quán)衡和優(yōu)化，如設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制、靈活的溫度設(shè)置、負(fù)荷分析與平衡優(yōu)化、負(fù)荷預(yù)測(cè)和合理調(diào)度，以及運(yùn)行策略的優(yōu)化控制等。

系統(tǒng)能兼顧舒適度和節(jié)能的平衡關(guān)系，在不降低舒適度的前提下，提高建筑的能源利用率，降低消耗。作為實(shí)用、先進(jìn)的管理和輔助決策工具，為管理者提供更為科學(xué)、有效的節(jié)能運(yùn)行參考，幫助管理者提高管理的精確度和科學(xué)性，保障建筑耗能系統(tǒng)的合理、經(jīng)濟(jì)化運(yùn)作。

5 EMS的特點(diǎn)

EMS針對(duì)建筑能源管理實(shí)際需要的總體設(shè)計(jì)，對(duì)建筑用能進(jìn)行全面監(jiān)控和管理，有效降低建筑物能耗，提高建筑整體的運(yùn)行效率。其強(qiáng)大性能主要源于其以下特點(diǎn)：

◆ 高度開(kāi)放，支持 OPC、BACnet、NETAPI、LonWorks、DDE等多種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)和接口協(xié)議；

◆ 支持OLE DB和ODBC，可與大型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)（DB2、Oracle、MS-SQL Server等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與共享；

◆ 集 成 COM/DCOM、Remoting、OPC、VBA、ActiveX、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)等最先進(jìn)的現(xiàn)代軟件技術(shù)；

◆ 兼?zhèn)銫/S、B/S模式，實(shí)現(xiàn)了“實(shí)時(shí)監(jiān)控+能源管理”的應(yīng)用功能架構(gòu)，支持Web瀏覽方式，支持遠(yuǎn)程訪問(wèn)；

◆ 針對(duì)現(xiàn)代建筑能源管理的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，可準(zhǔn)確分析建筑的能源使用結(jié)構(gòu)，更好地滿足建筑行業(yè)的需求；

◆ 采用按照建筑能源管理運(yùn)行模式設(shè)計(jì)的專業(yè)能耗數(shù)據(jù)管理和分析軟件，擁有豐富的管理、分析功能模塊；

◆ 擁有完善的權(quán)限管理體系，不僅注重系統(tǒng)模塊界面的操作控制，更注重系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全控制；

◆ 采用靈活多樣的圖形化界面展現(xiàn)方式，貼近用戶的使用習(xí)慣；模塊化設(shè)計(jì)充分保障了軟件的靈活性。

6 結(jié)束語(yǔ)

EMS通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線及通信網(wǎng)絡(luò)，廣泛獲取建筑的能源消耗數(shù)據(jù)，科學(xué)分析能源消耗結(jié)構(gòu)與趨勢(shì)，優(yōu)選節(jié)能策略以輔助執(zhí)行建筑節(jié)能控制，是現(xiàn)代建筑智能管理平臺(tái)不可缺少的重要組成部分。

EMS對(duì)于完善建筑能源數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、管理和利用，優(yōu)化能源管理流程，建立客觀的能源消耗評(píng)價(jià)體系，減少用能系統(tǒng)運(yùn)行管理成本，有效降低建筑能耗，具有充分的管理價(jià)值和應(yīng)用意義；并已在多個(gè)國(guó)家級(jí)“建筑節(jié)能應(yīng)用示范項(xiàng)目”中得到了有效應(yīng)用。

EMS是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的重要工具之一，而建筑的管理者才是建筑節(jié)能的核心力量。借助EMS實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能不是一蹴而就的，它是針對(duì)不同建筑的特點(diǎn)，不斷調(diào)整、不斷反饋、不斷優(yōu)化的過(guò)程。