智能樓宇 知冷知熱知我心

美國舊金山公用事業(yè)委員會（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月剛剛入住的一幢智能樓宇，它采用了許多最先進的節(jié)能技術，包括太陽能電池板和風電機組，用來滿足7%的辦公樓用電。項目經(jīng)理Masoud Vafaei說：“我們的目標是，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)境設計先鋒白金獎（LEED Platinum）的候選者，其能耗比采用傳統(tǒng)設計的同類建筑少32%。與許多智能樓宇一樣，SFPUC的總部也是使用計算機技術來管理、優(yōu)化和控制該樓宇運營的方方面面。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，以及使用分析工具來研究這些數(shù)據(jù)，從而確保所有系統(tǒng)配合運行，盡量減少能耗、優(yōu)化樓宇運營。

像舊金山公用事業(yè)委員會總部這樣的智能樓宇在全球越來越多。實際上，綠色、節(jié)能正在成為越來越多的新建樓宇的重要目標，為了實現(xiàn)節(jié)能，IT正在發(fā)揮日益關鍵的作用。不僅如此，專家們表示，這種IT驅動的設計方式同樣還可以應用于已建成的樓宇，只需優(yōu)化現(xiàn)有系統(tǒng)的運行方式，至少可以將能耗節(jié)省5%～10%。

IT融入樓宇管理

美國的設計、工程和咨詢公司Smart Buildings LLC的執(zhí)行負責人Jim Sinopoli說：“樓宇業(yè)主面臨大好的機會，可以像其他行業(yè)多年來所做的那樣進行數(shù)據(jù)挖掘。只要使用分析工具，樓宇管理者就能預測何時會出現(xiàn)故障、何時需要進行預防性維護?！?/p>

實際上，過去的幾年來，樓宇管理和控制系統(tǒng)一直在與傳統(tǒng)的IT基礎設施逐步融合。如今在硬件層面，開放標準是主流：基于行業(yè)標準的通信協(xié)議讓傳感器和閥門等數(shù)據(jù)采集點的數(shù)據(jù)得以通過企業(yè)的IP主干網(wǎng)，傳送到基于服務器的樓宇管理系統(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方面。

江森自控公司（Johnson Controls）提供SFPUC樓宇所使用的自動化系統(tǒng)，該公司營銷副總裁James Dagley說：“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?！?/p>

這家廠商正在測試使用以太網(wǎng)為LED燈供電的一種技術，每只LED燈里面有12個不同的環(huán)境傳感器，可以測量燈光、濕度、溫度和運動等物理參數(shù)。Dagley說：“每個傳感器的成本僅為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化系統(tǒng)。

主攻智能樓宇領域的工程設計公司Hartman 公司負責人Tom Hartman說：“從硬件的角度來看，業(yè)界已實現(xiàn)了集成這個目標。但是從軟件的角度來看，還沒有取得太大的進展。”

Vafaei說：“要將所有這些數(shù)據(jù)匯集到一個平臺中，以簡化樓宇管理，這些目前還做不到?！辈坏靡?，舊金山公用事業(yè)委員會開發(fā)了一套集成樓宇管理系統(tǒng)（IBMS），這個定制的SQL Server數(shù)據(jù)庫可以從每一個監(jiān)測和控制系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，包括負責調(diào)控供暖和照明設備、電梯、發(fā)電機、太陽能電池板，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：“IBMS在傳統(tǒng)的控制機制上提供了一個管理層?！痹撓到y(tǒng)還在數(shù)據(jù)整合的基礎上提供了一個信息儀表板：通過裝在主大廳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負責開發(fā)IBMS。他說：“現(xiàn)階段，我們可以集成樓宇中的這些子系統(tǒng)，而IT基礎設施實際上遍及所有樓宇系統(tǒng)?！币坏?shù)據(jù)被整合起來，那些系統(tǒng)的所有功能都可以聯(lián)系起來，那樣一個系統(tǒng)出現(xiàn)的事件可以觸發(fā)另一個系統(tǒng)，使其有所響應。

比如，在SFPUC辦公樓，IBMS將實時分析結果與來自百葉窗、照明設備、暖通空調(diào)、氣象站和占位傳感器的數(shù)據(jù)進行關聯(lián)分析，以確定百葉窗的位置對冷卻和照明系統(tǒng)的負載會有怎樣的影響，從而可以自動調(diào)整百葉窗。

不只是適用于新建筑

微軟房產(chǎn)與設施部門的運營主管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7個樓宇管理系統(tǒng)，優(yōu)化運營和能效。IBMS從負責跟蹤暖通空調(diào)、照明設備、功率監(jiān)測儀、發(fā)電機、配電裝置和電路監(jiān)測器的那些系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)。

Smith表示，由于很復雜，與IT部門進行合作至關重要?！癐T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)?！?/p>

微軟的公園園區(qū)共有200萬個機械和電氣數(shù)據(jù)點（SFPUC樓宇有1.35萬個數(shù)據(jù)點），每天生成5億個事務，即每天數(shù)據(jù)要更新5億次。如果更換從功率監(jiān)測、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5000萬～6000萬美元的成本。房產(chǎn)與設施部門決定從現(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，然后在這里對數(shù)據(jù)加以分析，并使用關鍵績效指標（如每個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（比如實驗室或辦公室）的樓宇效率指標，來評估每幢樓宇的運營效率。

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

能效優(yōu)化和故障檢測及診斷都基于通常針對每個項目定制的規(guī)則集，這些規(guī)則確定了設備是否在高效運營。一旦發(fā)現(xiàn)問題，系統(tǒng)就進行測試，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制定，它還可以計算運行不符合規(guī)范的系統(tǒng)所帶來的更高成本。Sinopoli表示，出現(xiàn)重大事件時，IBMS可以在設施管理系統(tǒng)里面自動生成工作單。

微軟的工程師共制定了195條規(guī)則，使用SQL Server的Stream Insight事件引擎和愛康諾（Iconics）的分析軟件，執(zhí)行識別故障、監(jiān)測效率的計算工作。Smith說：“我們不僅可以發(fā)現(xiàn)故障，還可以節(jié)省成本?！北热缯f，可變風量（VAV）設備控制空調(diào)系統(tǒng)里面的氣流。如果兩萬個VAV設備中有一個沒有調(diào)好，系統(tǒng)就會向設施部門發(fā)出警報，從而為員工提供更為舒適的工作環(huán)境。利用規(guī)則還可計算出，出現(xiàn)問題得到解決后可以省下多少能源成本，從而讓設施部門得以確定工作的優(yōu)先級。Smith說：“以前我們巡視、弄清楚什么設備有異常，現(xiàn)在我們不僅能弄清楚什么設備有異常，還能知道誰所消耗的成本最高。僅此一項，我們就省下了100多萬美元。”

該系統(tǒng)還讓微軟得以開始采用適時維護和調(diào)整時間表，這一趨勢被稱為連續(xù)調(diào)試（continuous commissioning）。按照傳統(tǒng)的維護時間表，每個季度就要更換2.6萬多個過濾器，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%還要考慮一個問題：與汽車一樣，樓宇系統(tǒng)的效率和性能也會隨著時間逐漸下降。現(xiàn)在，微軟可以使用分析工具，根據(jù)實際使用情況來更換每個過濾器。

Smith說：“不是按時間表來更換，而是在必要時更換過濾器。這就是我們所談論的智能化——樓宇自行生成工作單。而通過確定維護需求的優(yōu)先級，設施部門就能持續(xù)調(diào)整公司園區(qū)?！彼a充說：“通過這種辦法總共省下了100萬美元。”

雷德蒙園區(qū)項目目前完成了約20%，這已經(jīng)讓微軟得以降低用電高峰時期的能源需求。Smith說：“現(xiàn)在總部樓宇的運營方式使得能源需求量峰值得到降低，因為新投入的樓宇系統(tǒng)緩解了用電需求?！痹谠圏c階段，微軟迄今為止已把能源成本減少了6%～10%，預計應用分析工具來發(fā)現(xiàn)和診斷故障每年有望省下100多萬美元。他說：“我們在這方面的投資見效期大概是18個月?！辈贿^，這個投資見效期比在其他州來得短，因為華盛頓州的電價在全美各州排名倒數(shù)第三。

獲得領先優(yōu)勢

讓智能樓宇實現(xiàn)較高級別的數(shù)據(jù)集成被認為是一個大趨勢。愛康諾公司專業(yè)開發(fā)及銷售工廠和樓宇自動化管理軟件，其總裁兼首席執(zhí)行官Russell Agrusa說：“發(fā)現(xiàn)故障的分析工具在市面上相當新，微軟率先大規(guī)模運用了診斷和故障發(fā)現(xiàn)技術?！彼硎荆瑯怯钚枰辽僬嫉?0萬平方英尺才能收回成本，它還應該在每一層樓起碼有監(jiān)測系統(tǒng)，才能充分利用這項技術。

加拿大安大略省渥太華大陸自動化樓宇協(xié)會的發(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)驅動的集成設計，從而全方位地顯示樓宇控制系統(tǒng)的情況。但是，要在新建筑實現(xiàn)這種級別的集成并非易事。他說：“你可能仍與集成商簽有合同，卻還是無法讓系統(tǒng)按照你的規(guī)范來運行，盡管對方是專家?！?/p>

一個原因是，傳統(tǒng)的施工方法并不是為這種級別的集成而優(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、設計工程師和總承包商與從事實際工作的人并不溝通，彼此也不溝通。Hartman表示，每個人都是向樓宇業(yè)主報告，各自眼里的工作優(yōu)先級都不一樣。

他說，如今美國幾乎每一家冷卻水工廠都是由一批完全不同的人來設計、規(guī)劃、調(diào)試和運營的，他們很少彼此交流。結果是，大多數(shù)冷卻水工廠的能耗量是合理值的兩倍。Hartman補充說：“正由于如此，不應該提高控制系統(tǒng)的復雜程度。問題倒不是沒有更好的技術或產(chǎn)品，而是沒有合理的流程?！?/p>

SFPUC打破了這個傳統(tǒng)，采取了更加注重團隊協(xié)同的方法。Vafaei說：“幸運的是，我們的設計團隊和施工團隊協(xié)同工作，這是取得成功的關鍵?！钡撬渤姓J，讓大家都進入到這個階段需要時間。

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)庫協(xié)議。這確保了舊金山公用事業(yè)委員會得以順利地從每個系統(tǒng)獲取它所需要的數(shù)據(jù)。

Smith說：“說到控制和自動化，一切都應該是開放的。那樣我們更換系統(tǒng)時，就不需要擔心兼容問題?！?/p>

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

不過，實際情況不盡如人意。微軟仍需要實現(xiàn)報告自動化。比如說，讀取1000多只計量表的數(shù)值，規(guī)范這些數(shù)據(jù)，然后輸送到數(shù)據(jù)庫，這仍然是個手動過程，整體管理智能樓宇的工具仍在完善之中。不過，業(yè)內(nèi)人士認為現(xiàn)在可能終于處在了一個轉折點。

Smith表示，10年前，樓宇自動化包括使用撥號連接接入個人電腦，每個系統(tǒng)都有一條撥號連接。而近幾年，已跨過了這條鴻溝。現(xiàn)在可以充分利用IT來優(yōu)化智能樓宇。不過他補充說，這種“個性化控制”至少需要3到5年才會進入主流應用。