建筑設(shè)備管理與能耗分析的信息論研究

董飛翔,季延清

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

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建筑設(shè)備管理與能耗分析的信息論研究

董飛翔,季延清

(長安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

建筑智能管理環(huán)境由建筑內(nèi)各種智能化系統(tǒng)的搭建所產(chǎn)生,包括對建筑設(shè)備管理、建筑內(nèi)各種能源管理以及對各個子系統(tǒng)的集成化管理。在對建筑智能管理環(huán)境的研究中,基于信息理論的基本原理,從信息流的角度出發(fā),分析了建筑設(shè)備管理、建筑能源管理、智能化集成系統(tǒng)管理信息過程模型的構(gòu)建與實現(xiàn),反映出模型中各個環(huán)節(jié)應(yīng)滿足的要求和各環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系。

建筑智能管理環(huán)境; 能耗分析; 建筑設(shè)備; 建筑能源

董飛翔(1993—),男,研究方向為建筑智能化。

0 引 言

建筑智能管理環(huán)境是建筑智能環(huán)境要素中人工智能環(huán)境的一個重要組成部分,研究內(nèi)容主要包括建筑設(shè)備管理、能源管理和智能化集成管理等方面。建筑設(shè)備管理和建筑能源管理均通過建筑設(shè)備管理系統(tǒng)實現(xiàn),一方面對建筑物內(nèi)的空調(diào)與通風(fēng)、變配電、照明、給水排水、冷熱源與熱交換設(shè)備、電梯、停車庫等建筑設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理,以保證建筑物內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備處于高效、節(jié)能、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài);另一方面對建筑物內(nèi)各種能源(包括水、電、氣以及可再生能源)進(jìn)行智能化管理、建筑機(jī)電設(shè)施耗能采集及能效監(jiān)管,節(jié)能增效。集成化管理系統(tǒng)是建筑智能化系統(tǒng)最高層次的管理平臺,集成了所有建筑智能管理系統(tǒng),是涉及建筑設(shè)備監(jiān)控、公共安全、信息設(shè)施、信息化應(yīng)用的綜合管理平臺。

在對建筑智能管理環(huán)境的研究中,基于信息理論基本原理(信息獲取、傳遞、認(rèn)知、處理、思維、施效、組織等),從信息流的角度出發(fā),建立信息模型。

2 建筑設(shè)備管理信息過程的構(gòu)建與實現(xiàn)

建筑設(shè)備管理系統(tǒng)是對建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和公共完全系統(tǒng)等實施綜合管理的系統(tǒng),其中對照明設(shè)備的管理實現(xiàn)了對物理環(huán)境智能要素中智能光環(huán)境的控制,對空調(diào)與通風(fēng)設(shè)備的管理則與智能空氣環(huán)境相關(guān)。設(shè)備管理只針對建筑設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、啟停次數(shù)、故障/維修的管理,其中各類設(shè)備信息的獲取、存儲、記錄以及在計算機(jī)上使用管理軟件對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測都與信息理論基本原理的各個環(huán)節(jié)相對應(yīng)。建筑設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 建筑設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建筑設(shè)備管理信息過程模型如圖2所示。

圖2 建筑設(shè)備管理信息過程模型

(1) 信息獲取。建筑設(shè)備管理中涉及的信息包括設(shè)備基本信息、運(yùn)行信息(累計運(yùn)行時間、運(yùn)行狀態(tài)、啟停次數(shù))、故障/維修信息(故障類型、故障時間、維修時間、累計維修次數(shù))等。

(2) 信息傳遞。傳感器、變送器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的電信號通過點(diǎn)對點(diǎn)的傳遞輸入現(xiàn)場控制器中,每個輸入口對應(yīng)不同的檢測裝置。當(dāng)輸入口有信號輸入時,就可以判定對應(yīng)檢測裝置動作,獲取準(zhǔn)確的信息;現(xiàn)場控制器采用現(xiàn)場總線將通信適配器接入以太網(wǎng),將信息傳入管理計算機(jī)中。

(3) 信息處理。標(biāo)準(zhǔn)的電信號送入現(xiàn)場控制設(shè)備中,由預(yù)先在計算機(jī)上編好的程序進(jìn)行處理,產(chǎn)生對應(yīng)的智能策略,輸入到設(shè)備上對設(shè)備進(jìn)行控制。另外，將輸入端口的信號狀態(tài)及變化傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中,用于監(jiān)控管理。

(4) 信息施效。在計算機(jī)中利用管理軟件對設(shè)備進(jìn)行集中管理，包括對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、故障的報警,并將各種運(yùn)行狀態(tài)、維修狀態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫中。

(5) 信息組織。對整個設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,使其更加節(jié)能、高效和環(huán)保。

信息過程模型的實現(xiàn)是通過LabVIEW軟件的模擬來實現(xiàn)的。LabVIEW編程的核心是數(shù)據(jù)流,程序可以通過數(shù)據(jù)的流動直觀地反映信息流的傳遞。仿真界面相當(dāng)于上位機(jī)的監(jiān)控界面,可以檢測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并記錄到數(shù)據(jù)庫中,也可以檢測到報警及故障,并遠(yuǎn)程控制設(shè)備。顯示設(shè)備概況界面如圖3所示。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面如圖4所示。

圖3 顯示設(shè)備概況界面

圖4 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面

顯示設(shè)備的運(yùn)行/故障/維修記錄界面如圖5所示。

圖5 顯示設(shè)備的運(yùn)行/故障/維修記錄界面

3 建筑能源管理信息過程模型的構(gòu)建與實現(xiàn)

建筑能源管理主要指自動對水、電、氣等的計量與收費(fèi),提供最佳能源控制策略,監(jiān)測、控制設(shè)備的用電量,以節(jié)約電能,實現(xiàn)能源管理自動化。能源管理主要通過建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)實現(xiàn),通過對建筑安裝分類和分項能耗計量裝置,采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄尾杉芎臄?shù)據(jù),實現(xiàn)建筑能耗數(shù)據(jù)的在線實時監(jiān)測、動態(tài)分析以及能效測評功能。

基于信息理論基本原理,構(gòu)建的建筑能源管理信息過程模型如圖6所示。

圖6 建筑能源管理信息過程模型

(1) 信息獲取。包括對建筑物基本信息和分類分項能耗信息的獲取。建筑物基本信息包括建筑名稱、建筑地址、建筑層數(shù)、建筑總面積、空調(diào)面積、建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑外墻保溫形式;分類能耗數(shù)據(jù)包括電、水、燃?xì)狻⒓泄?、集中供冷、其他能源?分項能耗數(shù)據(jù)包括照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電等。能耗監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)場部分主要將數(shù)據(jù)采集器和各計量設(shè)備、智能水表、智能電表通過RS-485接口相連,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲、遠(yuǎn)傳等功能。

在建筑能效監(jiān)測系統(tǒng)中,前端的能耗數(shù)據(jù)采集是能效監(jiān)測功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。為了了解建筑物各類負(fù)荷的能耗,實現(xiàn)目標(biāo)化管理,需對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分項計量。

分類能耗數(shù)據(jù)根據(jù)建筑用能類別的不同,分為電量、水耗量、燃?xì)饬?天然氣量或煤氣量)、集中供冷耗冷量、集中供熱耗熱量、其他能源使用量(如集中熱水供應(yīng)量、煤、油、可再生能源等)等6類。

分項能耗數(shù)據(jù)在分類能耗中對應(yīng)電量分類下的照明插座用電、空調(diào)用電、動力用電和特殊用電4個用電分項能耗數(shù)據(jù)。4個分項是必分項,各分項根據(jù)建筑用能系統(tǒng)的實際情況還可以再細(xì)分為一級子項(變配電室)和二級子項(二級配電)。分類分項能耗如圖7所示。

圖7 分類分項能耗

(2) 信息傳遞。通過綜合布線,將分散在各處的計量設(shè)備連接起來,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中,并連接至以太網(wǎng),實現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。

建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

(1) 信息處理。主要對建筑物能耗數(shù)據(jù)的分析,包括對數(shù)據(jù)的拆分、分類分項的計量、應(yīng)繳費(fèi)用、生成報表以及自動計算水、電、天然氣等的用量,并通過對能耗數(shù)據(jù)的拆分和挖掘,找出建筑能耗不合理之處,為建筑的節(jié)能降耗提供依據(jù),同時包括能效測評、能耗預(yù)測等方面。建筑能效測評對反映建筑物能源消耗量及其用能系統(tǒng)效率等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測、計算,并給出其所處水平,反映建筑物能源消耗量及其用能系統(tǒng)效率等性能指標(biāo)。目前實際使用的能效測評方法很多,各個國家的方法也有區(qū)別,對于能耗基準(zhǔn)線的確定方法大體可以歸為兩類:基于單棟建筑的基準(zhǔn)線和基于多棟建筑的基準(zhǔn)線?；趩螚澖ㄖ哪芎幕鶞?zhǔn)線的確定方法是通過人為設(shè)定某建筑的標(biāo)準(zhǔn)模型,計算得到其能耗作為基準(zhǔn)能耗,我國現(xiàn)階段就采用該方法?；诙鄺澖ㄖ幕鶞?zhǔn)線以大量建筑能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),因此在確定基準(zhǔn)線時采用統(tǒng)計學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。美國“能源之星”基準(zhǔn)評價采用的線性回歸法和德國建筑能耗評價體系采用的四分位法都是這種方法。

(2) 信息施效。在建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)中主要表現(xiàn)在監(jiān)測管理軟件設(shè)計,對建筑能耗實施實時監(jiān)測、能耗展示以及能效評測、能耗預(yù)警和報警等,使業(yè)主和管理人員能夠?qū)崟r了解能源的使用狀況。

4 智能化集成系統(tǒng)管理信息過程的構(gòu)建與實現(xiàn)

系統(tǒng)集成是將智能建筑內(nèi)不同功能的智能化子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上連接在一起,以實現(xiàn)信息綜合、資源共享。智能化集成系統(tǒng)不僅要滿足建筑物的使用功能,更要在實現(xiàn)子系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上優(yōu)化各子系統(tǒng)的運(yùn)行,實現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間高效的聯(lián)動。采用計算機(jī)管理軟件與上位機(jī)服務(wù)器,實現(xiàn)對各子系統(tǒng)集中監(jiān)視和管理,將各子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一存儲、顯示和管理在同一平臺上,使管理人員便于獲取建筑的各類信息,及時做出正確的判斷和決策。集成管理是通過智能建筑綜合管理系統(tǒng)來實現(xiàn)的。IBMS是一個一體化的集成監(jiān)控和管理的實時系統(tǒng),通過統(tǒng)一的信息平臺將不同功能的建筑智能化系統(tǒng)集成。

建立智能化集成管理信息過程模型如圖9所示。

圖9 智能化集成管理信息過程模型

(1) 信息獲取。獲取子系統(tǒng)的信息,如空調(diào)、電梯等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),大樓的用電、用水、通風(fēng)和照明情況,安保、巡更的布防狀況,消防系統(tǒng)的煙感、溫感狀態(tài),停車場的車位數(shù)量。這些信息大多由前端探測器通過敏感元件和變換元件將非電量的信號裝換為標(biāo)準(zhǔn)電信號來獲取。

(2) 信息傳遞。通過現(xiàn)場智能控制器獲取各類設(shè)備的信息,通過綜合布線系統(tǒng)將各類信息傳遞到現(xiàn)場控制器、報警控制器中,并通過網(wǎng)絡(luò)共享,實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

(3) 信息處理。對信息進(jìn)行識別、分類,提取信息特征,識別報警信號的類型、ID、傳輸網(wǎng)關(guān)等信息,確認(rèn)報警是否發(fā)生。

(4) 信息施效。在智能化集成系統(tǒng)中,在界面上集中監(jiān)視和管理各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),用顏色、聲音等方式標(biāo)記各種異常情況,同時記錄當(dāng)時狀況,對子系統(tǒng)設(shè)備的使用記錄、故障記錄、維修記錄形成相應(yīng)的報表,對設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制和優(yōu)化管理。

(5) 信息組織。系統(tǒng)集成把相互獨(dú)立的系統(tǒng)有機(jī)地集成到統(tǒng)一環(huán)境中,將相對獨(dú)立的資源、功能和信息等集合到相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的集成系統(tǒng)中,從更高的層次協(xié)調(diào)、管理各子系統(tǒng)之間的關(guān)系,提高服務(wù)、管理的效率以及對突發(fā)事件的響應(yīng)能力。

5 結(jié) 語

本文將信息理論與建筑智能管理環(huán)境相結(jié)合,基于信息理論的基本原理,分析了建筑智能管理環(huán)境的復(fù)雜工作機(jī)制,建立了總體以及各子系統(tǒng)的信息過程模型,并應(yīng)用軟件對模型進(jìn)行了演示信息過程,反映出模型中各個環(huán)節(jié)應(yīng)滿足的要求和各環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系,對智能建筑以及智慧城市的發(fā)展具有重要意義。

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Research of Information Theory in Building Equipment Management and Energy Consumption Analysis

DONG Feixiang,JI Yanqing

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710055, China)

Building intelligent management environment is produced by all kinds of intelligent systems,including building equipment management,all kinds of energy management within the construction,and integration management of each subsystem.In the research of building intelligent management environment,based on the basic principle of information theory,this paper analyzed the establishment and implementation of information models from the perspective of information flow,which include building equipment management,building energy management and intelligent integrated system management.It reflects that each link in the information model should meet the requirements and the logical relationship between each other.

building intelligent management environment; energy consumption analysis; building equipment; building energy

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0057-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.016

2016-10-09

季延清(1990—),男,研究方向為建筑智能化。