摘 要：本文討論了我國(guó)目前智能建筑的節(jié)能措施和能源管理現(xiàn)狀，提出了建設(shè)智能建筑能源管理平臺(tái)。從建筑物能耗數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)、建筑物參照模型和能耗計(jì)算、能耗數(shù)據(jù)分析、能耗控制和管理等方面具體闡述了智能建筑能源管理平臺(tái)的建設(shè)方法。
關(guān)鍵詞：智能建筑 能源管理 能耗 節(jié)能 Acrel-5000
1 概述
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑高耗能的問(wèn)題日益突出。目前，我國(guó)每年竣工建筑面積約為20億m2,其中公共建筑約有4億m2。2萬(wàn)m2以上的大型公共建筑面積占城鎮(zhèn)建筑面積的比例不到4%，但是能耗卻占到建筑能耗的20%以上，其中單位面積耗電量更是普通民宅的10到15倍。在公共建筑（特別是大型商場(chǎng)、**旅館酒店、**辦公樓等）的全年能耗中，大約50%~60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)，20%~30%用于照明。
在我國(guó)現(xiàn)有的約430億m2建筑中，只有4%采取了能源效率措施，單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達(dá)國(guó)家新建建筑的3倍以上。根據(jù)測(cè)算，如果不采取有力措施，到2020年中國(guó)建筑能耗是現(xiàn)在的3倍以上。因此，做好大型公共建筑的節(jié)能管理工作，對(duì)實(shí)現(xiàn)“十一五”建筑節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)具有重要意義。
2 智能建筑節(jié)能措施和現(xiàn)狀
目前，智能建筑的能源管理主要是由建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。BAS系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先編排的時(shí)間程序?qū)﹄娏?、照明、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行**化的管理，從而達(dá)到節(jié)能的目的。在工程中，通常采用如下節(jié)能措施：
1）定時(shí)法：根據(jù)大樓工作作息時(shí)間按時(shí)啟?？刂圃O(shè)備，如風(fēng)機(jī)、照明等。
2）溫度—時(shí)間延滯法：根據(jù)大樓內(nèi)溫度保持的延滯時(shí)間，提前關(guān)閉空調(diào)主機(jī)或鍋爐達(dá)到節(jié)能之目的。
3）調(diào)節(jié)供水溫度：根據(jù)室內(nèi)外實(shí)際溫度調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的供水溫度，設(shè)定合適的供水溫度減少系統(tǒng)主機(jī)的過(guò)度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
4）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行法：在室外溫度達(dá)到13℃時(shí)，可直接將室外新風(fēng)作為回風(fēng)；在室外溫度達(dá)到24℃時(shí)，可直接將室外新風(fēng)送入室內(nèi)。在這樣的情況下，系統(tǒng)可節(jié)約對(duì)送回風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行處理的能源。
5）設(shè)備等壽命運(yùn)行：對(duì)樓內(nèi)冷熱源主機(jī)、泵機(jī)、風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行等時(shí)間交替運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行壽命，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。
根據(jù)國(guó)外工程經(jīng)驗(yàn)，建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）可為新的辦公大樓節(jié)能20%左右。然而據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)智能建筑中真正達(dá)到節(jié)能目標(biāo)的還不到10%，80%以上的智能建筑內(nèi)BAS系統(tǒng)僅僅作為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視和自動(dòng)控制使用，造成投資的極大浪費(fèi)。
具體原因是多方面的，但根源在于，我國(guó)迄今為止尚沒(méi)有建立一套行之有效的建筑節(jié)能的測(cè)試方法，而BAS系統(tǒng)屬于工程性產(chǎn)品并非成套設(shè)備，需要BAS系統(tǒng)工程師在現(xiàn)場(chǎng)做二次編程才能實(shí)現(xiàn)控制功能，系統(tǒng)性能受現(xiàn)場(chǎng)工程師人為因素的影響很大，在加上很多智能建筑建設(shè)方和管理方、使用方分離，造成很少有用戶真正關(guān)心到底節(jié)了多少能，用戶在建筑節(jié)能方面的投入產(chǎn)出比是多少。事實(shí)上，由于缺乏建筑物地能源使用模型和完善的計(jì)量手段，即使有用戶提出上述問(wèn)題，也無(wú)法得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。
因此，需要在智能建筑中設(shè)置能源管理系統(tǒng)，對(duì)建筑物地設(shè)備能效進(jìn)行監(jiān)測(cè)、分析和管理，并建立建筑物的能耗模型，才能真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。Acrel(安科瑞)公司開發(fā)了Acrel-5000建筑能耗分析管理系統(tǒng)，通過(guò)ACR網(wǎng)絡(luò)電力儀表，諧波表，導(dǎo)軌式電能表，對(duì)商場(chǎng)、賓館、學(xué)校、醫(yī)院、銀行、體育館、政府機(jī)關(guān)等大型公建進(jìn)行電能分項(xiàng)計(jì)量和能耗分析管理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)建筑信息、BA參數(shù)配置、日志與用戶管理、設(shè)備監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、能耗指標(biāo)、分項(xiàng)能耗、支路能耗、報(bào)表制作、數(shù)據(jù)處理等功能。
3 智能建筑能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
智能建筑是指以建筑物為平臺(tái)，兼?zhèn)湫畔⒃O(shè)施系統(tǒng)、信息化應(yīng)用系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共**系統(tǒng)等，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及其優(yōu)化組合為一體，向人們提供**、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境?！吨悄芙ㄖO(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50314-2006把智能建筑定義成一個(gè)統(tǒng)一的建筑環(huán)境，而非通常理解的“設(shè)置建筑智能化系統(tǒng)的建筑”。因此，智能建筑的節(jié)能通常包括：建筑節(jié)能、設(shè)備節(jié)能和管理節(jié)能。
能源管理系統(tǒng)是基于自動(dòng)化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上一套計(jì)算機(jī)智能化的管理軟件平臺(tái)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)建筑物內(nèi)各類能耗參數(shù)的收集、分析，運(yùn)用科學(xué)算法發(fā)出合理的操控指令，通過(guò)樓宇控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作。
Acrel-5000能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測(cè)控單元為基本工具，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)，它可以和檢測(cè)、控制設(shè)備構(gòu)成任意復(fù)雜的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要采用分層分布式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般分為三層：站控管理層、網(wǎng)絡(luò)通訊層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層，如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1）站控管理層
站控管理層針對(duì)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的管理人員，是人機(jī)交互的直接窗口，也是系統(tǒng)的*上層部分。主要由系統(tǒng)軟件和必要的硬件設(shè)備，如工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS 電源等組成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件具有良好的人機(jī)交互界面，對(duì)采集的現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)信息計(jì)算、分析與處理，并以圖形、數(shù)顯、聲音等方式反映現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況。
監(jiān)控主機(jī)：用于數(shù)據(jù)采集、處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。為系統(tǒng)內(nèi)或外部提供數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行
系統(tǒng)管理、維護(hù)和分析工作。
打印機(jī)：系統(tǒng)召喚打印或自動(dòng)打印圖形、報(bào)表等。
模擬屏：系統(tǒng)通過(guò)通訊方式與智能模擬屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，形象顯示整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
UPS：保證計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常供電，在整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生供電問(wèn)題時(shí)，保證站控管理層設(shè)備的正常運(yùn)行。
2）網(wǎng)絡(luò)通訊層
通訊層主要是由通訊管理機(jī)、以太網(wǎng)設(shè)備及總線網(wǎng)絡(luò)組成。該層是數(shù)據(jù)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備回送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集、分類和傳送等工作的同時(shí)，轉(zhuǎn)達(dá)上位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種控制命令。
通訊管理機(jī)：是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和智能通訊管理中心。它具備了數(shù)據(jù)采集與處理、通訊控制器、前置機(jī)等功能。
以太網(wǎng)設(shè)備：包括工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)交換機(jī)。
通訊介質(zhì)：系統(tǒng)主要采用屏蔽雙絞線、光纖以及無(wú)線通訊等。
3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是數(shù)據(jù)采集終端，主要由智能儀表組成，采用具有高可靠性、帶有現(xiàn)場(chǎng)總線連接的分布式I/O控制器構(gòu)成數(shù)據(jù)采集終端，向數(shù)據(jù)中心上傳存儲(chǔ)的建筑能耗數(shù)據(jù)。測(cè)量?jī)x表?yè)?dān)負(fù)著*基層的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，其監(jiān)測(cè)的能耗數(shù)據(jù)必須完整、準(zhǔn)確并實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)中心。
4 智能建筑能源管理與能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能
4.1能源管理功能
4.1.1數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)
數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，沒(méi)有大量的數(shù)據(jù)就無(wú)法進(jìn)行有效的分析，沒(méi)有有效的分析就無(wú)法得到正確的能源管理措施。數(shù)據(jù)可通過(guò)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）采集。
數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括：建筑物環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)、各設(shè)備能耗數(shù)據(jù)等。獲取的參數(shù)越多、運(yùn)行的周期越長(zhǎng)，越容易得到準(zhǔn)確的結(jié)論。但若參數(shù)過(guò)多，又會(huì)造成建設(shè)成本的大量增加，因此可根據(jù)各建筑物的具體情況把數(shù)據(jù)分為：系統(tǒng)運(yùn)行所必須的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)（可選數(shù)據(jù)），在管理效果和建設(shè)成本間取得平衡。
4.1.2建筑物參照模型和能耗計(jì)算
按照世界能源委員1979年提出的“節(jié)能”定義：采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理、環(huán)境和社會(huì)可接受的一切措施，來(lái)提高能源資源的利用效率。即盡可能地減少能源消耗量，生產(chǎn)出與原來(lái)同樣數(shù)量、同樣質(zhì)量的產(chǎn)品；或者是以原來(lái)同樣數(shù)量的能源消耗量，生產(chǎn)出比原來(lái)數(shù)量更多或數(shù)量相等質(zhì)量更好的產(chǎn)品。以此延伸開來(lái)，建筑物的節(jié)能可以定義為：在基本不影響建筑物功能和舒適性的前提下，盡量減少能耗。所以，判斷一個(gè)建筑物節(jié)能與否，節(jié)能多少需要有個(gè)參照物，通過(guò)和參照物比較才能得出結(jié)論。對(duì)于改造的建筑，通?？梢杂猛粴夂驐l件下的歷史能耗數(shù)據(jù)作為參照。而新建建筑則相對(duì)比較復(fù)雜，日前在實(shí)際工程中常見下列幾種方式：
類比法：以類型、規(guī)模、功能相仿的建筑的能耗作為參照。主要適用于連鎖酒店、連鎖超市、連鎖商場(chǎng)等建筑條件相仿，管理模式相同的同一集團(tuán)或管理公司旗下的建筑物。
測(cè)試法：在建筑物正常運(yùn)行后，分別在各氣候條件下測(cè)試采取能耗管理措施和未采取措施的日能耗數(shù)量。通常可以在夏、冬兩季各選擇數(shù)天，采取隔日測(cè)試法，即***，測(cè)試采取能源管理措施日能耗量；**天，關(guān)閉能源管理軟件測(cè)試日能耗量；以此類推。這種方式缺陷是測(cè)試的時(shí)間跨度偏長(zhǎng)。
計(jì)算法：通過(guò)為建筑建立模型，設(shè)定參數(shù)，模擬計(jì)算出該建筑物的能耗。這種方式優(yōu)點(diǎn)很明顯，通過(guò)模型能對(duì)建筑物的各設(shè)備能耗**計(jì)算，為能耗管理提供方向性指導(dǎo)。但采用不同的軟件計(jì)算出的能耗值有差距，目前對(duì)計(jì)算出的能耗值的準(zhǔn)確性和權(quán)威性均存在爭(zhēng)議，計(jì)算結(jié)果能否作為節(jié)能合同內(nèi)的節(jié)能率計(jì)算依據(jù)是主要的分歧點(diǎn)。
4.1.3能耗數(shù)據(jù)分析
通過(guò)對(duì)建筑的能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析，結(jié)合模型建筑物能耗對(duì)比，確定建筑物能耗對(duì)比，確定建筑物的能耗狀況和設(shè)備能耗效率，從而提供建筑物能源管理優(yōu)化措施。能耗數(shù)據(jù)分析模塊是能耗管理軟件的精髓所在，目前市場(chǎng)上各家軟件的算法不盡相同，其效果還需市場(chǎng)驗(yàn)證。然而，以模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)的發(fā)展將極大推動(dòng)能源管理水平。
4.1.4能源控制和管理
建筑物的節(jié)能措施主要通過(guò)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)（BAS系統(tǒng)）來(lái)執(zhí)行。能源管理平臺(tái)和BAS系統(tǒng)的**結(jié)合，是能源控制和管理措施實(shí)現(xiàn)的保障。目前，能源管理和BAS還分屬不同智能化系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的相互融合應(yīng)該是智能化系統(tǒng)發(fā)展的方向。
4.1.5能源管理報(bào)表
用表格和圖片的形式體現(xiàn)建筑物的能源使用情況、設(shè)備能耗、設(shè)備運(yùn)行效率、能耗歷史曲線等，以適應(yīng)不同人群的需求。系統(tǒng)一般應(yīng)能提供WEB服務(wù)，獲得授權(quán)許可的遠(yuǎn)程用戶能通過(guò)瀏覽器了解建筑物的能源使用狀況。
4.2能耗分析軟件功能
Acrel-5000建筑能耗分析管理系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)采集方式包括人工采集方式和自動(dòng)采集方式。通過(guò)人工采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑基本情況數(shù)據(jù)采集指標(biāo)和其它不能通過(guò)自動(dòng)方式采集的能耗數(shù)據(jù)，如建筑消耗的煤、液化石油、人工煤氣等能耗量。通過(guò)自動(dòng)采集方式采集的數(shù)據(jù)包括建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)和分類能耗數(shù)據(jù)，由自動(dòng)計(jì)量裝置實(shí)時(shí)采集，通過(guò)自動(dòng)傳輸方式實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)中心。
4.2.1大型公建或樓宇建筑的信息管理
系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的手工信息錄入界面，可對(duì)各棟監(jiān)控建筑的基本信息進(jìn)行整理和錄入，并支持手工錄入歷史能耗數(shù)據(jù)的功能。
Acrel-5000建筑能耗分析管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)建立也完全依據(jù)114號(hào)文，根據(jù)建筑的使用功能和用能特點(diǎn)，將國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑分為如下8類：
1、辦公建筑 2、商場(chǎng)建筑
3、賓館飯店建筑 4、文化教育建筑
5、醫(yī)療衛(wèi)生建筑 6、體育建筑
7、綜合建筑 8、其它建筑
4.2.2能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
系統(tǒng)采集站定時(shí)采集各監(jiān)控點(diǎn)的儀表參數(shù)并上傳至本地建筑能耗分析管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可于當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)查詢能耗監(jiān)測(cè)情況。
4.2.3建筑分類能耗分析
系統(tǒng)在完成數(shù)據(jù)處理與上傳的同時(shí)，將建筑能耗進(jìn)行分類分析，該部分功能符合114號(hào)文的定義，即將建筑能耗分類為如下六類：
1、耗電量
2、耗水量
3、耗氣量（天然氣量或者煤氣量）
4、集中供熱耗熱量
5、集中供冷耗冷量
6、其他能源應(yīng)用量（如集中熱水供應(yīng)量、煤、油、可再生能源等）
4.2.4電量分項(xiàng)能耗分析
照明插座用電：為建筑物主要功能區(qū)域的照明、插座等室內(nèi)設(shè)備用電。主要包括照明和插座用電、走廊和應(yīng)急照明用電、室外景觀照明用電。
空調(diào)用電：主要包括冷熱站用電、空調(diào)末端用電。
動(dòng)力用電：主要包括電梯用電、水泵用電、通風(fēng)機(jī)用電。
特殊用電：主要包括信息中心、洗衣房、廚房餐廳、游泳池、健身房或者其他特殊用電。
建筑總能耗為建筑各分類能耗（除水耗量外）所折算的標(biāo)準(zhǔn)煤量之和。
總用電量＝∑各變壓器總表直接計(jì)量值
分類能耗量＝∑各分類能耗計(jì)量表的直接計(jì)量值
分項(xiàng)用電量＝∑各分項(xiàng)用電計(jì)量表的直接計(jì)量值
單位建筑面積用電量＝總用電量/總建筑面積
單位空調(diào)面積用電量＝總用電量/總空調(diào)面積
4.2.5用能情況的同、環(huán)比分析
統(tǒng)計(jì)建筑或片區(qū)能耗的時(shí)用量、日用量和年用量，以曲線圖、柱狀圖等不同方式顯示，支持報(bào)表輸出。
4.2.6建筑節(jié)能輔助診斷
系統(tǒng)可提取各能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行同、環(huán)對(duì)比分析，確立標(biāo)桿值并對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)的能耗情況進(jìn)行能耗水平判定，對(duì)能耗改善提出一套完整的診斷流程，并給出能耗分析報(bào)告。
5 結(jié)束語(yǔ)
近年來(lái)，隨著國(guó)家發(fā)展節(jié)能減排工作力度的加大，智能建筑物的節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。節(jié)能要求的提高，傳統(tǒng)的BAS系統(tǒng)逐漸不能滿足智能建筑的節(jié)能要求，有實(shí)力的BAS系統(tǒng)供應(yīng)商紛紛成立能源管理部門，因此，Acrel(安科瑞)提供的Acrel-5000能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分類能耗、分項(xiàng)能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理成為智能建筑發(fā)展的必然趨勢(shì)。
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[1]上海安科瑞電氣股份有限公司產(chǎn)品手冊(cè).2010.08版.
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