智能樓宇 知冷知熱知我心

美國舊金山公用事業委員會（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。項目經理Masoud Vafaei說：“我們的目標是，為納稅人省錢，并教他們如何提高能效。”

這幢樓宇是能源與環境設計先鋒白金獎（LEED Platinum）的候選者，其能耗比采用傳統設計的同類建筑少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獲取數據的中央數據庫，以及使用分析工具來研究這些數據，從而確保所有系統配合運行，盡量減少能耗、優化樓宇運營。

像舊金山公用事業委員會總部這樣的智能樓宇在全球越來越多。實際上，綠色、節能正在成為越來越多的新建樓宇的重要目標，為了實現節能，IT正在發揮日益關鍵的作用。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，只需優化現有系統的運行方式，至少可以將能耗節省5%～10%。

IT融入樓宇管理

美國的設計、工程和咨詢公司Smart Buildings LLC的執行負責人Jim Sinopoli說：“樓宇業主面臨大好的機會，可以像其他行業多年來所做的那樣進行數據挖掘。只要使用分析工具，樓宇管理者就能預測何時會出現故障、何時需要進行預防性維護。”

實際上，過去的幾年來，樓宇管理和控制系統一直在與傳統的IT基礎設施逐步融合。如今在硬件層面，開放標準是主流：基于行業標準的通信協議讓傳感器和閥門等數據采集點的數據得以通過企業的IP主干網，傳送到基于服務器的樓宇管理系統，這些管理系統又控制著從暖通空調到照明、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，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。”

這家廠商正在測試使用以太網為LED燈供電的一種技術，每只LED燈里面有12個不同的環境傳感器，可以測量燈光、濕度、溫度和運動等物理參數。Dagley說：“每個傳感器的成本僅為2美分左右。”所有這些數據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。

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，業界已實現了集成這個目標。但是從軟件的角度來看，還沒有取得太大的進展。”

Vafaei說：“要將所有這些數據匯集到一個平臺中，以簡化樓宇管理，這些目前還做不到。”不得已，舊金山公用事業委員會開發了一套集成樓宇管理系統（IBMS），這個定制的SQL Server數據庫可以從每一個監測和控制系統獲取數據，包括負責調控供暖和照明設備、電梯、發電機、太陽能電池板，調節自然光的內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。Vafaei說：“IBMS在傳統的控制機制上提供了一個管理層。”該系統還在數據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。

Smart Buildings公司的Sinopoli負責開發IBMS。他說：“現階段，我們可以集成樓宇中的這些子系統，而IT基礎設施實際上遍及所有樓宇系統。”一旦數據被整合起來，那些系統的所有功能都可以聯系起來，那樣一個系統出現的事件可以觸發另一個系統，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、氣象站和占位傳感器的數據進行關聯分析，以確定百葉窗的位置對冷卻和照明系統的負載會有怎樣的影響，從而可以自動調整百葉窗。

不只是適用于新建筑

微軟房產與設施部門的運營主管Darrell Smith表示，現有樓宇也能得益于類似IBMS這樣的系統。微軟的節能智慧樓宇（Energy Smart Buildings）項目現正在華盛頓州雷德蒙園區的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，優化運營和能效。IBMS從負責跟蹤暖通空調、照明設備、功率監測儀、發電機、配電裝置和電路監測器的那些系統中獲取數據。

Smith表示，由于很復雜，與IT部門進行合作至關重要。“IT部門與我們一起查看了協議以及我們如何從這些系統獲取數據。”

微軟的公園園區共有200萬個機械和電氣數據點（SFPUC樓宇有1.35萬個數據點），每天生成5億個事務，即每天數據要更新5億次。如果更換從功率監測、照明到暖通空調的所有管理系統，雖然有望提高能效，但那要投入5000萬～6000萬美元的成本。房產與設施部門決定從現有系統獲取數據，并傳送到公用的SQL Server數據庫，然后在這里對數據加以分析，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“可持續發展冠軍（Sustainability Champion）”計劃提供直接來自插座的用電數據，這讓員工可以看清每個人的節能工作收到了怎樣的成效。

能效優化和故障檢測及診斷都基于通常針對每個項目定制的規則集，這些規則確定了設備是否在高效運營。一旦發現問題，系統就進行測試，查找根源。

SFPUC的規則集用一款名為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范的系統所帶來的更高成本。Sinopoli表示，出現重大事件時，IBMS可以在設施管理系統里面自動生成工作單。

微軟的工程師共制定了195條規則，使用SQL Server的Stream Insight事件引擎和愛康諾（Iconics）的分析軟件，執行識別故障、監測效率的計算工作。Smith說：“我們不僅可以發現故障，還可以節省成本。”比如說，可變風量（VAV）設備控制空調系統里面的氣流。如果兩萬個VAV設備中有一個沒有調好，系統就會向設施部門發出警報，從而為員工提供更為舒適的工作環境。利用規則還可計算出，出現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先級。Smith說：“以前我們巡視、弄清楚什么設備有異常，現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。”

該系統還讓微軟得以開始采用適時維護和調整時間表，這一趨勢被稱為連續調試（continuous commissioning）。按照傳統的維護時間表，每個季度就要更換2.6萬多個過濾器，800余套樓宇空調系統每套都要在5年內輪流予以調整。Smith表示，采用新系統后，他們能夠極其深入地分析數據，調整所有3萬筆資產，而不僅僅是大型樓宇系統。另外，每年調整20%還要考慮一個問題：與汽車一樣，樓宇系統的效率和性能也會隨著時間逐漸下降。現在，微軟可以使用分析工具，根據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先級，設施部門就能持續調整公司園區。”他補充說：“通過這種辦法總共省下了100萬美元。”

雷德蒙園區項目目前完成了約20%，這已經讓微軟得以降低用電高峰時期的能源需求。Smith說：“現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緩解了用電需求。”在試點階段，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現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。”不過，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第三。

獲得領先優勢

讓智能樓宇實現較高級別的數據集成被認為是一個大趨勢。愛康諾公司專業開發及銷售工廠和樓宇自動化管理軟件，其總裁兼首席執行官Russell Agrusa說：“發現故障的分析工具在市面上相當新，微軟率先大規模運用了診斷和故障發現技術。”他表示，樓宇需要至少占地10萬平方英尺才能收回成本，它還應該在每一層樓起碼有監測系統，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會的發言人Rawlson King表示，包括IBM、微軟和Tridium在內的幾家廠商提供的工具有助于數據驅動的集成設計，從而全方位地顯示樓宇控制系統的情況。但是，要在新建筑實現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，卻還是無法讓系統按照你的規范來運行，盡管對方是專家。”

一個原因是，傳統的施工方法并不是為這種級別的集成而優化的，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主報告，各自眼里的工作優先級都不一樣。

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、規劃、調試和運營的，他們很少彼此交流。結果是，大多數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的復雜程度。問題倒不是沒有更好的技術或產品，而是沒有合理的流程。”

SFPUC打破了這個傳統，采取了更加注重團隊協同的方法。Vafaei說：“幸運的是，我們的設計團隊和施工團隊協同工作，這是取得成功的關鍵。”但是他也承認，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聲明，表明他們支持開放的通信和數據庫協議。這確保了舊金山公用事業委員會得以順利地從每個系統獲取它所需要的數據。

Smith說：“說到控制和自動化，一切都應該是開放的。那樣我們更換系統時，就不需要擔心兼容問題。”

微軟和SFPUC還為所有控制系統上的數據點采用了統一的命名約定，目的是為了將數據導入到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，舊金山公用事業委員會也要求每家廠商都使用它發布的命名約定。

不過，實際情況不盡如人意。微軟仍需要實現報告自動化。比如說，讀取1000多只計量表的數值，規范這些數據，然后輸送到數據庫，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，業內人士認為現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，每個系統都有一條撥號連接。而近幾年，已跨過了這條鴻溝。現在可以充分利用IT來優化智能樓宇。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。