基于標準體系的公共建筑智慧能源管控策略研究

何曉燕 陸 勇 顧麗韻

上海市建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

鑒于公共建筑的結(jié)構(gòu)特點以及其用途的多樣化，其能耗水平普遍高于居住建筑。隨著城鎮(zhèn)化的推進，公共建筑的面積持續(xù)增加，其能耗也隨著人們對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求的提高以及建筑功能多樣性發(fā)展不斷增長。有數(shù)據(jù)表明，我國能源年消耗量巨大，其中建筑運行能耗占終端能耗的20%左右，公共建筑的節(jié)能一直是國家城鎮(zhèn)化進程中密切關(guān)注并致力于去解決的問題。

隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，公共建筑能耗相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息將更加豐富。隨著公共建筑及其機電能源系統(tǒng)的運行，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，可精確找到公共建筑中能源的需求和服務(wù)對象，并且通過系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，準確匹配暖通空調(diào)、照明、電梯、送排風、給排水等系統(tǒng)的用能需求，從而大幅度提升傳統(tǒng)機電能源系統(tǒng)的效率。因此，研究公共建筑能耗等多維度數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，實現(xiàn)建筑智慧能源管控，將是公共建筑節(jié)能未來的發(fā)展方向。

1 國內(nèi)外智慧能源管控技術(shù)研究進展

1.1 國內(nèi)

國內(nèi)建筑能源管控主要由樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）來實現(xiàn)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，90%以上的大型公共建筑安裝有BAS系統(tǒng)。但BAS系統(tǒng)只能實現(xiàn)在中央控制室遠程監(jiān)測建筑環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)備的運行參數(shù)，以及通過中控人機界面手動地啟?；蛘{(diào)節(jié)機電設(shè)備運行狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)實質(zhì)上仍嚴重依賴于運行人員的手動操作，沒有實現(xiàn)自動化和智能化。朱津津[1]、湯新中[2]、姜子炎[3]等先后對北京、上海、深圳、香港等地大型公共建筑的自動控制系統(tǒng)進行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國大部分建筑自控系統(tǒng)的實際運行水平較低，并沒有真正實現(xiàn)“自動化控制管理”的功能，只有約占7%的建筑能夠?qū)崿F(xiàn)樓宇層面的自動化控制和管理，包括各個子系統(tǒng)內(nèi)部的優(yōu)化控制和子系統(tǒng)之間的集成控制。

此外，我國的公共建筑分項計量事業(yè)起步于2005-2006年，2007年在國家有關(guān)部門的大力支持下開始加速，至今已經(jīng)在多個城市的數(shù)百座公共建筑中實施了“分項計量工程”。分項計量采集的數(shù)據(jù)進入公共建筑能耗監(jiān)測平臺后，可以對建筑能耗實施分類分項統(tǒng)計分析。雖然宏觀層面，分項計量對于城市公共建筑用能管理起到大的作用，但是它本身沒有優(yōu)化控制和管理功能，不能對建筑產(chǎn)生直接的節(jié)能效果。

1.2 國外

2020年，美國在《2020年能源法案》（Energy Act of 2020）中明確提出，將致力于通過運用能效信息技術(shù)和加速智慧建筑發(fā)展，提升整體建筑能效水平。美國能源部2020年發(fā)布的《建筑能源管理中的傳感器與控制創(chuàng)新技術(shù)報告》中指出，傳感器、執(zhí)行器和控制器作為建筑能源管理的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的主干，是實現(xiàn)美國能源部建筑技術(shù)辦公室（BTO）的目標的核心技術(shù)投資領(lǐng)域之一，該目標是為了實現(xiàn)國家建筑庫存（商業(yè)和住宅）的能源可負擔性。

歐盟是當今世界僅次于美國的能源消耗大戶，其中建筑能耗占有相當大的比重。歐盟的建筑能耗已占歐盟總能耗的40%，是歐盟最大單一能源消耗來源，其中居住建筑能耗占建筑總能耗的2/3，公共建筑能耗占建筑總能耗的1/3。新歐盟標準EN15232：“建筑自控與建筑管理系統(tǒng)對建筑能效的影響”于2007年4月15日成功通過了正式投票。EN15232規(guī)定了用于評價建筑自控系統(tǒng)（BACS）與建筑技術(shù)管理系統(tǒng)（TBM）功能對于建筑能效影響的方法，以及對不同等級建筑此類功能最低要求的制定框架。

EN15232認為建筑自控系統(tǒng)（BACS）和建筑技術(shù)管理系統(tǒng)（TBM）對建筑的能耗性能有重要的影響。BACS為建筑的暖通空調(diào)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等提供有效的控制，提高設(shè)備的運行能效。復(fù)雜的綜合節(jié)能功能與程序還可以根據(jù)建筑的實際使用情況進行設(shè)置，減少不必要的能耗和CO2排放。TBM為建筑的運行、維護、管理，特別是能源管理提供信息：包括趨勢分析，故障報警，以及對不必要的能源消耗進行監(jiān)測。

1.3 調(diào)研結(jié)論

針對目前國內(nèi)公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)沒有很好融合，不能滿足設(shè)備運行優(yōu)化、能源智能管控需求的問題，可借鑒國內(nèi)外標準等經(jīng)驗，提出我國建筑能源智能管控的運行參數(shù)指標體系，在此基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)建立公共建筑能源智能管控方法，實現(xiàn)設(shè)備節(jié)能運行、環(huán)境健康舒適、建筑能效指標最優(yōu)化的目標。

2 智慧能源管控的指標體系

目前國內(nèi)外關(guān)于公共建筑的能效指標的研究較為豐富。李灝如[4]等人針對空調(diào)系統(tǒng)建立了包含供冷量和能效比運行能耗評價指標體系。苑登闊[5]等人基于國內(nèi)外的研究，將能效指標分為系統(tǒng)層和全樓宇層兩大類。姜新佩[6]等人綜合考慮建筑設(shè)計、圍護結(jié)構(gòu)、采暖空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、運行管理五大層面因素，逐層分析，建立了一套評價建筑能耗的綜合評價體系。結(jié)合調(diào)研，智慧能源管控的運行參數(shù)指標主要由建筑層、系統(tǒng)層系統(tǒng)設(shè)備效率和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)三類組成（見圖1）。

圖1 建筑能源管控指標體系

3 能源優(yōu)化管控策略

3.1 常規(guī)能源管控策略

針對建筑設(shè)備的節(jié)能管控，國內(nèi)研究人員也做了大量研究，形成了有效的管控策略和方法。目前常規(guī)的能源管控還主要依賴規(guī)則和經(jīng)驗。常見管控措施見表1。

表1 常見管控措施

針對基于規(guī)則的能源管控，美國也制定了較為完善的制度和標準，如2010年美國能源部就推出了《操作和維護最佳實踐——實現(xiàn)可操作性效率的指導(dǎo)》，同時ASHRAE不斷更新其建筑設(shè)備運維標準，ASHRAE節(jié)能運行的相關(guān)要求見表2。

表2 ASHRAE節(jié)能運行的相關(guān)要求

3.2 智能優(yōu)化能源管控策略

1）能耗特征分析

目前，公共建筑用能系統(tǒng)節(jié)能診斷的數(shù)據(jù)分析方法主要分為常規(guī)數(shù)據(jù)分析方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)兩大類。在建筑領(lǐng)域，常規(guī)數(shù)據(jù)分析方法主要針對建筑運行故障的診斷和運行策略的優(yōu)化，一般在分析時，主要依賴診斷人員的專業(yè)知識，結(jié)合建筑本身的物理定律，對建筑運維數(shù)據(jù)進行綜合分析，對建筑按照分項、分時、分區(qū)以及分系統(tǒng)進行橫向縱向分析對比，從而總結(jié)建筑用能的規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)的運行優(yōu)化。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要有監(jiān)督和無監(jiān)督學(xué)習，通過數(shù)據(jù)清理、集成、變形、挖掘、評估，形成知識。相比常規(guī)數(shù)據(jù)的分析方法，數(shù)據(jù)挖掘分析方法能夠有效處理海量大數(shù)據(jù)。

2）冷凍站智能群控

冷凍站控制運行能效的高低對大型公共建筑能耗影響較大，是節(jié)能工作的有力切入點。大型建筑中為了提高空調(diào)系統(tǒng)在不同負荷條件下的靈活性，往往會采用多臺冷水機組。在這種情況下，多臺冷水機組的運行控制策略十分重要。然而目前采用機房群控的公共建筑比例還很低。有調(diào)查顯示，在上海將近500幢智能建筑中采取冷源群控策略的不足1%，其中成功應(yīng)用冷源群控的更是微乎其微。

目前對于冷水機組運行策略的研究集中于最優(yōu)冷機序列和最優(yōu)冷機負荷。

最優(yōu)冷機序列(OCS，optimal chiller sequencing)，即在建筑空調(diào)負荷變動時，通過合理地開關(guān)冷機，使機組整體能效維持在較高水平，以節(jié)約能耗。例如ASHARE Handbook中的一種簡化方法：當需要增加機組時，開啟處于待機狀態(tài)下峰值COP最大的機組。該方法稱作最大峰值COP法(MPCOP method，maximal peak COP method)。最優(yōu)冷機負荷(OCL，optimal chiller loading)，即通過給各臺冷機合理地分配負荷，使機組整體效率最高，能耗最低。

現(xiàn)有的優(yōu)化方法一般以當前能耗費用最低為優(yōu)化目標，往往忽略對于機組運行時間的均勻分布，此類優(yōu)化策略會造成機組的磨損程度不一，導(dǎo)致部分機組提前報廢，影響機組整體服役年限。因此，在優(yōu)化策略中有必要考慮各臺主機運行時間的均勻性，以盡可能延長機組整體的服役年限。

3）負荷預(yù)測

及時準確的冷負荷預(yù)測是建筑空調(diào)系統(tǒng)自動控制的有效依據(jù)，也是系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化和高效經(jīng)濟運行的關(guān)鍵所在。空調(diào)冷負荷預(yù)測的作用不僅在于保證系統(tǒng)運行參數(shù)的穩(wěn)定，而且也有利于實現(xiàn)不同品種冷源設(shè)備的合理調(diào)配，便于采用更先進的節(jié)能控制方法。

負荷預(yù)測對于蓄冷空調(diào)高效經(jīng)濟運行尤為關(guān)鍵。采用預(yù)測控制方法，是對次日逐時負荷分布進行預(yù)測，從而根據(jù)負荷分布對制冷機的運行和冰槽的釋冷進行合理的優(yōu)化運行控制，使制冷機在用電高峰時期盡可能地減少運行，以使運行費用降到最低。這種控制方式是基于對未來24 h的逐時負荷預(yù)測來優(yōu)化控制制冷機的運行。在預(yù)測到負荷小的日子，電力低谷時間只儲存供下一天使用的足夠的蓄冷量，而不是全儲滿，第二天采用融冰單供冷運行。在預(yù)測到負荷大的日子，夜間把蓄冰槽全部蓄滿，白天通過優(yōu)化運行合理地調(diào)整各小時主機和蓄冰槽的分別供冷量，使供冷結(jié)束時蓄冰槽的冷量不但全部用完，而且全天的運行費用最低。日間供冷時，每隔0．5 h槽內(nèi)的余冰量與該時刻到供冷結(jié)束時所需的總冷量作一次比較。這樣，既能保證供冷高峰時期槽內(nèi)有足夠的冰，也能在供冷結(jié)束時蓄冷量全部釋放。

4 結(jié)束語

目前，我國在智慧能源管控領(lǐng)域技術(shù)還存在信息孤島，尤其是能耗監(jiān)測和B A S還分屬于不同的智能化系統(tǒng)，使得建筑能源管控系統(tǒng)的指標無法實現(xiàn)監(jiān)測，節(jié)能控制策略無法得到執(zhí)行，無法實現(xiàn)優(yōu)化控制。隨著智慧樓宇系統(tǒng)的不斷普及和節(jié)能需求的不斷提高，智慧能源管理相關(guān)技術(shù)將在我國建筑節(jié)能領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間，通過對建筑物的關(guān)鍵能效指標進行監(jiān)測、分析和管理，建立建筑物能耗管控策略，實現(xiàn)可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展。