智能樓宇 知冷知熱知我心

美國(guó)舊金山公用事業(yè)委員會(huì)（SFPUC）的新總部共有13層，華麗的玻璃外墻面后面是世界上最節(jié)能的辦公樓之一，IT則是其秘密武器。

這幢辦公樓是今年6月剛剛?cè)胱〉囊淮敝悄軜怯睿捎昧嗽S多最先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)，包括太陽(yáng)能電池板和風(fēng)電機(jī)組，用來(lái)滿足7%的辦公樓用電。項(xiàng)目經(jīng)理Masoud Vafaei說(shuō)：“我們的目標(biāo)是，為納稅人省錢，并教他們?nèi)绾翁岣吣苄А！?/p>

這幢樓宇是能源與環(huán)境設(shè)計(jì)先鋒白金獎(jiǎng)（LEED Platinum）的候選者，其能耗比采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的同類建筑少32%。與許多智能樓宇一樣，SFPUC的總部也是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)管理、優(yōu)化和控制該樓宇運(yùn)營(yíng)的方方面面。但平日能效的提升主要得益于從該樓宇所有管理和控制系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的中央數(shù)據(jù)庫(kù)，以及使用分析工具來(lái)研究這些數(shù)據(jù)，從而確保所有系統(tǒng)配合運(yùn)行，盡量減少能耗、優(yōu)化樓宇運(yùn)營(yíng)。

像舊金山公用事業(yè)委員會(huì)總部這樣的智能樓宇在全球越來(lái)越多。實(shí)際上，綠色、節(jié)能正在成為越來(lái)越多的新建樓宇的重要目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能，IT正在發(fā)揮日益關(guān)鍵的作用。不僅如此，專家們表示，這種IT驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方式同樣還可以應(yīng)用于已建成的樓宇，只需優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的運(yùn)行方式，至少可以將能耗節(jié)省5%～10%。

IT融入樓宇管理

美國(guó)的設(shè)計(jì)、工程和咨詢公司Smart Buildings LLC的執(zhí)行負(fù)責(zé)人Jim Sinopoli說(shuō)：“樓宇業(yè)主面臨大好的機(jī)會(huì)，可以像其他行業(yè)多年來(lái)所做的那樣進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。只要使用分析工具，樓宇管理者就能預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障、何時(shí)需要進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。”

實(shí)際上，過(guò)去的幾年來(lái)，樓宇管理和控制系統(tǒng)一直在與傳統(tǒng)的IT基礎(chǔ)設(shè)施逐步融合。如今在硬件層面，開放標(biāo)準(zhǔn)是主流：基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議讓傳感器和閥門等數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)得以通過(guò)企業(yè)的IP主干網(wǎng)，傳送到基于服務(wù)器的樓宇管理系統(tǒng)，這些管理系統(tǒng)又控制著從暖通空調(diào)到照明、電力、消防、安全、電梯以及樓宇門禁的各個(gè)方面。

江森自控公司（Johnson Controls）提供SFPUC樓宇所使用的自動(dòng)化系統(tǒng)，該公司營(yíng)銷副總裁James Dagley說(shuō)：“樓宇所使用的傳感器變得更好、體積更小，最重要的是變得更便宜。”

這家廠商正在測(cè)試使用以太網(wǎng)為L(zhǎng)ED燈供電的一種技術(shù)，每只LED燈里面有12個(gè)不同的環(huán)境傳感器，可以測(cè)量燈光、濕度、溫度和運(yùn)動(dòng)等物理參數(shù)。Dagley說(shuō)：“每個(gè)傳感器的成本僅為2美分左右。”所有這些數(shù)據(jù)都可以傳送到位于舊金山辦公樓里面的江森自控樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。

主攻智能樓宇領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)公司Hartman 公司負(fù)責(zé)人Tom Hartman說(shuō)：“從硬件的角度來(lái)看，業(yè)界已實(shí)現(xiàn)了集成這個(gè)目標(biāo)。但是從軟件的角度來(lái)看，還沒(méi)有取得太大的進(jìn)展。”

Vafaei說(shuō)：“要將所有這些數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)平臺(tái)中，以簡(jiǎn)化樓宇管理，這些目前還做不到。”不得已，舊金山公用事業(yè)委員會(huì)開發(fā)了一套集成樓宇管理系統(tǒng)（IBMS），這個(gè)定制的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)可以從每一個(gè)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，包括負(fù)責(zé)調(diào)控供暖和照明設(shè)備、電梯、發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池板，調(diào)節(jié)自然光的內(nèi)部遮光簾及外部百葉窗，以及控制裝在屋頂上的氣象站的那些系統(tǒng)。Vafaei說(shuō)：“IBMS在傳統(tǒng)的控制機(jī)制上提供了一個(gè)管理層。”該系統(tǒng)還在數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)上提供了一個(gè)信息儀表板：通過(guò)裝在主大廳40英尺寬的媒體墻，信息儀表板可為樓宇管理員、主管、員工以及公眾全方位地顯示所有系統(tǒng)。

Smart Buildings公司的Sinopoli負(fù)責(zé)開發(fā)IBMS。他說(shuō)：“現(xiàn)階段，我們可以集成樓宇中的這些子系統(tǒng)，而IT基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)際上遍及所有樓宇系統(tǒng)。”一旦數(shù)據(jù)被整合起來(lái)，那些系統(tǒng)的所有功能都可以聯(lián)系起來(lái)，那樣一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)的事件可以觸發(fā)另一個(gè)系統(tǒng)，使其有所響應(yīng)。

比如，在SFPUC辦公樓，IBMS將實(shí)時(shí)分析結(jié)果與來(lái)自百葉窗、照明設(shè)備、暖通空調(diào)、氣象站和占位傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，以確定百葉窗的位置對(duì)冷卻和照明系統(tǒng)的負(fù)載會(huì)有怎樣的影響，從而可以自動(dòng)調(diào)整百葉窗。

不只是適用于新建筑

微軟房產(chǎn)與設(shè)施部門的運(yùn)營(yíng)主管Darrell Smith表示，現(xiàn)有樓宇也能得益于類似IBMS這樣的系統(tǒng)。微軟的節(jié)能智慧樓宇（Energy Smart Buildings）項(xiàng)目現(xiàn)正在華盛頓州雷德蒙園區(qū)的118幢樓宇中開展，它使用了IBMS和分析工具，針對(duì)7個(gè)樓宇管理系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)營(yíng)和能效。IBMS從負(fù)責(zé)跟蹤暖通空調(diào)、照明設(shè)備、功率監(jiān)測(cè)儀、發(fā)電機(jī)、配電裝置和電路監(jiān)測(cè)器的那些系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)。

Smith表示，由于很復(fù)雜，與IT部門進(jìn)行合作至關(guān)重要。“IT部門與我們一起查看了協(xié)議以及我們?nèi)绾螐倪@些系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)。”

微軟的公園園區(qū)共有200萬(wàn)個(gè)機(jī)械和電氣數(shù)據(jù)點(diǎn)（SFPUC樓宇有1.35萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)），每天生成5億個(gè)事務(wù)，即每天數(shù)據(jù)要更新5億次。如果更換從功率監(jiān)測(cè)、照明到暖通空調(diào)的所有管理系統(tǒng)，雖然有望提高能效，但那要投入5000萬(wàn)～6000萬(wàn)美元的成本。房產(chǎn)與設(shè)施部門決定從現(xiàn)有系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，并傳送到公用的SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，然后在這里對(duì)數(shù)據(jù)加以分析，并使用關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)（如每個(gè)人的用電需求和每平方英尺的平均用電需求）以及每種樓宇類型（比如實(shí)驗(yàn)室或辦公室）的樓宇效率指標(biāo)，來(lái)評(píng)估每幢樓宇的運(yùn)營(yíng)效率。

微軟為設(shè)施工作人員生成了運(yùn)營(yíng)儀表板，很快將為其“可持續(xù)發(fā)展冠軍（Sustainability Champion）”計(jì)劃提供直接來(lái)自插座的用電數(shù)據(jù)，這讓員工可以看清每個(gè)人的節(jié)能工作收到了怎樣的成效。

能效優(yōu)化和故障檢測(cè)及診斷都基于通常針對(duì)每個(gè)項(xiàng)目定制的規(guī)則集，這些規(guī)則確定了設(shè)備是否在高效運(yùn)營(yíng)。一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)就進(jìn)行測(cè)試，查找根源。

SFPUC的規(guī)則集用一款名為eQuest、基于電子表格的能源分析工具來(lái)制定，它還可以計(jì)算運(yùn)行不符合規(guī)范的系統(tǒng)所帶來(lái)的更高成本。Sinopoli表示，出現(xiàn)重大事件時(shí)，IBMS可以在設(shè)施管理系統(tǒng)里面自動(dòng)生成工作單。

微軟的工程師共制定了195條規(guī)則，使用SQL Server的Stream Insight事件引擎和愛(ài)康諾（Iconics）的分析軟件，執(zhí)行識(shí)別故障、監(jiān)測(cè)效率的計(jì)算工作。Smith說(shuō)：“我們不僅可以發(fā)現(xiàn)故障，還可以節(jié)省成本。”比如說(shuō)，可變風(fēng)量（VAV）設(shè)備控制空調(diào)系統(tǒng)里面的氣流。如果兩萬(wàn)個(gè)VAV設(shè)備中有一個(gè)沒(méi)有調(diào)好，系統(tǒng)就會(huì)向設(shè)施部門發(fā)出警報(bào)，從而為員工提供更為舒適的工作環(huán)境。利用規(guī)則還可計(jì)算出，出現(xiàn)問(wèn)題得到解決后可以省下多少能源成本，從而讓設(shè)施部門得以確定工作的優(yōu)先級(jí)。Smith說(shuō)：“以前我們巡視、弄清楚什么設(shè)備有異常，現(xiàn)在我們不僅能弄清楚什么設(shè)備有異常，還能知道誰(shuí)所消耗的成本最高。僅此一項(xiàng)，我們就省下了100多萬(wàn)美元。”

該系統(tǒng)還讓微軟得以開始采用適時(shí)維護(hù)和調(diào)整時(shí)間表，這一趨勢(shì)被稱為連續(xù)調(diào)試（continuous commissioning）。按照傳統(tǒng)的維護(hù)時(shí)間表，每個(gè)季度就要更換2.6萬(wàn)多個(gè)過(guò)濾器，800余套樓宇空調(diào)系統(tǒng)每套都要在5年內(nèi)輪流予以調(diào)整。Smith表示，采用新系統(tǒng)后，他們能夠極其深入地分析數(shù)據(jù)，調(diào)整所有3萬(wàn)筆資產(chǎn)，而不僅僅是大型樓宇系統(tǒng)。另外，每年調(diào)整20%還要考慮一個(gè)問(wèn)題：與汽車一樣，樓宇系統(tǒng)的效率和性能也會(huì)隨著時(shí)間逐漸下降。現(xiàn)在，微軟可以使用分析工具，根據(jù)實(shí)際使用情況來(lái)更換每個(gè)過(guò)濾器。

Smith說(shuō)：“不是按時(shí)間表來(lái)更換，而是在必要時(shí)更換過(guò)濾器。這就是我們所談?wù)摰闹悄芑獦怯钭孕猩晒ぷ鲉巍６ㄟ^(guò)確定維護(hù)需求的優(yōu)先級(jí)，設(shè)施部門就能持續(xù)調(diào)整公司園區(qū)。”他補(bǔ)充說(shuō)：“通過(guò)這種辦法總共省下了100萬(wàn)美元。”

雷德蒙園區(qū)項(xiàng)目目前完成了約20%，這已經(jīng)讓微軟得以降低用電高峰時(shí)期的能源需求。Smith說(shuō)：“現(xiàn)在總部樓宇的運(yùn)營(yíng)方式使得能源需求量峰值得到降低，因?yàn)樾峦度氲臉怯钕到y(tǒng)緩解了用電需求。”在試點(diǎn)階段，微軟迄今為止已把能源成本減少了6%～10%，預(yù)計(jì)應(yīng)用分析工具來(lái)發(fā)現(xiàn)和診斷故障每年有望省下100多萬(wàn)美元。他說(shuō)：“我們?cè)谶@方面的投資見(jiàn)效期大概是18個(gè)月。”不過(guò)，這個(gè)投資見(jiàn)效期比在其他州來(lái)得短，因?yàn)槿A盛頓州的電價(jià)在全美各州排名倒數(shù)第三。

獲得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)

讓智能樓宇實(shí)現(xiàn)較高級(jí)別的數(shù)據(jù)集成被認(rèn)為是一個(gè)大趨勢(shì)。愛(ài)康諾公司專業(yè)開發(fā)及銷售工廠和樓宇自動(dòng)化管理軟件，其總裁兼首席執(zhí)行官Russell Agrusa說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)故障的分析工具在市面上相當(dāng)新，微軟率先大規(guī)模運(yùn)用了診斷和故障發(fā)現(xiàn)技術(shù)。”他表示，樓宇需要至少占地10萬(wàn)平方英尺才能收回成本，它還應(yīng)該在每一層樓起碼有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，才能充分利用這項(xiàng)技術(shù)。

加拿大安大略省渥太華大陸自動(dòng)化樓宇協(xié)會(huì)的發(fā)言人Rawlson King表示，包括IBM、微軟和Tridium在內(nèi)的幾家廠商提供的工具有助于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的集成設(shè)計(jì)，從而全方位地顯示樓宇控制系統(tǒng)的情況。但是，要在新建筑實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的集成并非易事。他說(shuō)：“你可能仍與集成商簽有合同，卻還是無(wú)法讓系統(tǒng)按照你的規(guī)范來(lái)運(yùn)行，盡管對(duì)方是專家。”

一個(gè)原因是，傳統(tǒng)的施工方法并不是為這種級(jí)別的集成而優(yōu)化的，參與方往往各行其事，包括建筑師、工程師、總承包商和分承包商等。建筑師、設(shè)計(jì)工程師和總承包商與從事實(shí)際工作的人并不溝通，彼此也不溝通。Hartman表示，每個(gè)人都是向樓宇業(yè)主報(bào)告，各自眼里的工作優(yōu)先級(jí)都不一樣。

他說(shuō)，如今美國(guó)幾乎每一家冷卻水工廠都是由一批完全不同的人來(lái)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)試和運(yùn)營(yíng)的，他們很少彼此交流。結(jié)果是，大多數(shù)冷卻水工廠的能耗量是合理值的兩倍。Hartman補(bǔ)充說(shuō)：“正由于如此，不應(yīng)該提高控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。問(wèn)題倒不是沒(méi)有更好的技術(shù)或產(chǎn)品，而是沒(méi)有合理的流程。”

SFPUC打破了這個(gè)傳統(tǒng)，采取了更加注重團(tuán)隊(duì)協(xié)同的方法。Vafaei說(shuō)：“幸運(yùn)的是，我們的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和施工團(tuán)隊(duì)協(xié)同工作，這是取得成功的關(guān)鍵。”但是他也承認(rèn)，讓大家都進(jìn)入到這個(gè)階段需要時(shí)間。

Vafaei還建議讓廠商簽署一份合規(guī)聲明，表明他們支持開放的通信和數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)議。這確保了舊金山公用事業(yè)委員會(huì)得以順利地從每個(gè)系統(tǒng)獲取它所需要的數(shù)據(jù)。

Smith說(shuō)：“說(shuō)到控制和自動(dòng)化，一切都應(yīng)該是開放的。那樣我們更換系統(tǒng)時(shí)，就不需要擔(dān)心兼容問(wèn)題。”

微軟和SFPUC還為所有控制系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)點(diǎn)采用了統(tǒng)一的命名約定，目的是為了將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到IBMS時(shí)，避免名稱轉(zhuǎn)換這一步。微軟頗有先見(jiàn)之明，多年前就要求廠商采用其32進(jìn)制的命名約定，同樣，舊金山公用事業(yè)委員會(huì)也要求每家廠商都使用它發(fā)布的命名約定。

不過(guò)，實(shí)際情況不盡如人意。微軟仍需要實(shí)現(xiàn)報(bào)告自動(dòng)化。比如說(shuō)，讀取1000多只計(jì)量表的數(shù)值，規(guī)范這些數(shù)據(jù)，然后輸送到數(shù)據(jù)庫(kù)，這仍然是個(gè)手動(dòng)過(guò)程，整體管理智能樓宇的工具仍在完善之中。不過(guò)，業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為現(xiàn)在可能終于處在了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

Smith表示，10年前，樓宇自動(dòng)化包括使用撥號(hào)連接接入個(gè)人電腦，每個(gè)系統(tǒng)都有一條撥號(hào)連接。而近幾年，已跨過(guò)了這條鴻溝。現(xiàn)在可以充分利用IT來(lái)優(yōu)化智能樓宇。不過(guò)他補(bǔ)充說(shuō)，這種“個(gè)性化控制”至少需要3到5年才會(huì)進(jìn)入主流應(yīng)用。