樓宇節能集控方法設計及應用

常遠

上海銀欣高新技術發展有限公司

0 背景與概述

自上世紀末美國誕生第一座智能化建筑以來，建筑在智能化技術應用方面得到高速發展。在系統集成方面，從早期的單一子系統應用結構發展到如今的各子系統集成應用架構。隨著大型集成系統的出現，智能化建筑內的系統已從原來的各自為戰，進入了通過統一的集成平臺，實現各系統數據共享、各系統之間協同工作的模式，產生的各系統相應的數據可以協同分析和處理，從而以更合理的角度優化建筑各系統的運行方式，在設備管理、節能減排等方面獲得更好的社會效益和經濟效益。

在國內，智能化建筑集成管理系統IBMS（Intelligent Building Management System）在早期智能化樓宇主要實現的是五個自動化系統，即樓宇自動控制BA（Building Automation）、通訊自動化CA（Communication Automation）、消防自動化 FA（Fire Automation）、安保自動化SA（Security Automation）、物業辦公自動化OA（Office Automation）。隨著技術的發展，建筑內的智能化系統層出不窮，現在的建筑若仍用5A系統已不能表達智能化建筑的應用水平。IBMS系統作為總的集成管理平臺，其相應的集成內容，已隨著技術的發展不斷擴大。近年來，隨著能源問題的日趨嚴峻，智能化建筑中相應的能源檢測技術、設備節能技術等相關應用不斷涌入，許多建筑在能耗檢測上已做到了設備級能耗回路檢測（分項計量），同時以控制技術為基礎的冷熱源群控技術、全變頻二次泵系統等節能控制系統已不斷地在智能化建筑中得到相關應用，IBMS系統也將這些能耗檢測系統、各種節能控制系統及其它各種新型智能化系統納入集成管理系統中。由于IBMS系統原有的功能核心是集中管理，即在一個統一的平臺上實現對各子系統的統一管理，實現各子系統間的智能協同工作，同時集各子系統的大量設備運行數據，實現各種分析和統計報表功能，以指導建筑管理者更高效的管理建筑運營。因此，在早期IBMS系統上利用其集成管控能力而實現相應的系統級節能控制技術并未實現相應的應用。

本文介紹的樓宇節能集控方法以現行IBMS系統上利用其集成管控能力，實現從系統能耗測量、歷史模式保存、工作模式優化、模式數據分析、節能模式設定、節能率測算、節能模式優化到最終的節能報表生成等功能，從而充分發揮智能化建筑集成平臺的價值。

自上世紀末美國誕生第一座智能化建筑以來，建筑在智能化技術應用方面得到了高速發展。在系統集成方面，從早期的單一子系統應用結構發展到如今的各子系統集成應用架構。隨著大型集成系統的出現，智能化建筑內的系統已不是各自為戰，而是通過統一的集成平臺，實現各系統數據共享，各系統之間協同工作。同時，各系統產生的相應數據，可協同分析和處理，從而以更合理的角度優化建筑各系統的運行方式，在設備管理、節能減排等方面獲得更好的社會效益和經濟效益。

在國內，智能化建筑集成管理系統被統稱IBMS，即（Intelligent Building Management System），早期智能化樓宇主要實現的是五個自動化系統，即樓宇自動控制、通訊自動化、消防自動化、安保自動化和物業辦公自動化。而IBMS系統作為總的集成管理平臺，其相應的集成內容，也隨著技術的發展不斷擴大。近年來，智能化建筑中相應的能源檢測技術、設備節能技術等相關應用不斷涌入，在許多建筑能耗檢測上已做到了設備級能耗回路檢測（分項計量），同時以控制技術為基礎的如冷熱源群控技術、全變頻二次泵系統等節能控制系統不斷地在智能化建筑中得到相關應用，而IBMS系統也將這些能耗檢測系統、各種節能控制系統以及其它各種新型智能化系統納入了集成管理系統中。由于IBMS系統原有的功能核心是集中管理，即在一個統一的平臺上實現對各子系統的統一管理，實現各子系統間的智能協同工作，同時集各子系統的大量設備運行數據，實現各種分析和統計報表功能，以指導建筑管理者更高效的管理建筑運營，因此，在早期IBMS系統上利用其集成管控能力而實現相應的系統級節能控制技術并未實現相應的應用。

樓宇節能集控方法是以閉環控制系統為設計基礎，結合智能化建筑集成管理平臺的集成范圍，深化智能化樓宇集成管理系統對各節能管控環節的控制設計，從而形成具有分析、控制、測量、反饋、持續優化等功能的系統化管理方法。

此外，樓宇節能集控方法為智能化建筑的節能工程而設計。節能工程有諸多工程模式，目前比較流行的一個節能工程模式是EMC即合同能源管理，這一工程模式的核心思想是節約用戶投入，通過節能產生的價值分期支付相應的工程費用，與諸多其它節能工程模式相似，這一方式的焦點問題是如何生成甲乙雙方均認可的節能價值報表，本文所述的樓宇節能集控方法通過針對性專利方法予以解決。

樓宇節能集控方法中的核心思想提出了智能化建筑運行模式概念，這一概念在目前較為成熟的IBMS系統中得以體現。由于IBMS的集控功能，其可以實時監控智能化建筑中所有已集成智能化設備的運行參數，因此對這些數據的存儲和時間軸上的數據分析即生成了相應的智能化建筑的運行模式，此模式可通過大數據進行保存，這也是樓宇節能集控方法的核心技術之一。

除此之外，樓宇節能集控方法是立足于各種建筑內的機電設備運行控制系統，相應的節能方式和方法均需要各設備專業技術進行相應的節能控制業務支撐，如冷源系統、熱源系統、變頻控制系統、穩壓節能供電系統、智能燈光調控系統等。同時，各子系統的關鍵節能檢測數據和運行參數均需通過自控系統反映到平臺，對集成管理系統的設計及相應的子系統的設計提出了更高的技術要求。

1 核心技術

樓宇節能集控方法是一項發明專利，其中主要涉及二項核心技術，即模式概念和交叉比對算法，這二個核心技術均是圍繞建筑節能工作展開，是為解決建筑集成控制系統中的三個主要問題而設計。首先是記錄和表達當前控制系統運行情況，其次是讓控制系統按已記錄的運行狀況運行，第三是如何在線對不同運行情況下節能效果進行分析和比對，以選出最優運行方案。

1.1 模式概念

模式概念是記錄和表達當前控制系統運行情況的一種方法。即：控制系統在運行中，由大量的可設定運行參數組成了相應的運行環境，利用IBMS系統的數據采集能力，把這些參數通過快照生成相應的模式庫，并按照時間先后進行排序和保存，由此可記錄控制系統的運行狀況，同時，在生成的模式庫中，利用IBMS系統的指令下發功能，可在不同的系統運行模式間進行有計劃的模式切換，由此可用最佳的運行參數和計劃策略管理控制系統。

1.2 交叉比對算法

交叉比對算法是在線進行控制系統節能效果比對的一種算法，在現有技術中，對于節能效率的測試，目前采用的方法是進行同比比對，采用前一年的能耗數據和當年的能耗數據進行比較，得出節能效率。然而，此方法周期過長，得出的結果受外界不確定因素的影響較大，例如某年出現金融危機，樓宇空置率高，大部分用電設備幾乎沒有使用。此方法也無法隨時進行能效測試，導致無法有效、直觀的體現節能效果，以致降低了用戶設備節能改造的積極性。現有技術存在如下缺點：

(1)不能隨時對樓宇用電設備的節能狀況進行監控和檢測。因此，不能根據檢測結果及時發現節能效果差的用電設備，從而導致長時間的能源浪費；

(2)用年能耗量評價用電設備的節能性，其評價結果不準確，容易受到不確定性因素的影響。

交叉比對算法可以解決上述問題，此方法是以控制系統的運行模式為基礎，其核心思想是在近似同等環境下，盡可能對控制系統不同模式的運行效果進行比對，以選出更優的模式（即參數集合）。它采用周期性的系統運行模式切換，在一定的時間段內，通過總測算周期的長度來消化大量的不確定因素，最終得出相對穩定的測算結果。目前一般采用二周的測算周期，以每晚零點為模式切換點，一次對兩個模式進行交叉比對，以選出更優模式進行保存，再通過計劃調度予以運行，以獲得更好的運行效率和節能效果。

2 應用環境要求

樓宇節能集控方法在實際工程的使用中，對相應的控制系統有一定的技術要求，主要的技術要求如下：

1)智能化建筑集成管理系統中，必須集成相應的有能耗計量功能的子系統，如分項計量系統、能耗管理系統、能源管理系統等。

2)能耗計量功能應精確到需要進行節能管理控制的相應設備用能回路，這一要求將決定所進行的節能目標的準確度，對于沒有相應節能回路的能耗計量，我們在系統設計中應加入相應的計量點以完善相應的系統設計。

3)相應控制系統中的關鍵參數必須以可控點的方式集成到IBMS平臺，平臺對這些節能關鍵參數點有讀寫管理的能力。由于傳統的控制系統設計中，特別是BA（樓宇自控系統），一些設備控制運行的參數經常被實施人員以固定參數的方式寫入相應的程序中，這樣的設計無法實現管理控制要求，這將要求通過修改相應控制程序以動態參數的方式來實現對這些參數的可控，以此實現相應的節能調控。

4)建立基于模式應用的軟件系統。由于控制系統的模式需要用大數據的方式進行管理，分時以及模式點數據量很大，無法通過人工的方式進行管理，相應的歷史模式庫以及模式之間的快速設定和切換是無法通過人工實現。因此，必須建立相應的軟件系統進行，

建立有交叉比對算法相應的數據分析工具，大量的業務數據和分時數據無法通過人工進行工作，因此IBMS平臺要有相應的數據分析報表工具支持。

以上所述是本方法使用的系統環境所必須的條件，對于設計方案而言，部分可節能的設備回路具有以上相應要求，都可以對局部的設備節能采用本方法進行相應的設計和應用。

3 方案設計應用

樓宇節能集控方法是一套系統的管理方法，針對用戶在節能減排上的要求，解決用戶和施工單位在節能問題上的三個主要問題。一是如何找到智能化建筑的主要能耗設備；二是這些能耗設備如何節能是否可以通過控制管理實現相應的效果；三是能耗設備通過控制節能產生的效果如何得到雙方認可。為此，在方案設計時要針對性的解決以上問題，才能使方案有可行性。因此，IBMS系統的方案設計除傳統的功能設計以外，增加的主要功能模塊有三級能源管理、節能模式系統、模式分析比對工具、系統模式計劃管理模塊、節能報表模塊以及細化設計后的能耗計量系統。

3.1 三級能源管理

三級能源管理模塊其核心是按照一般企業的樹狀管理架構，由自上而下的管理思想實現對能源從企業級分析管控開始，到分區域分部門的能源指標分解，最終落實到具體用能設備的三級管理。因此，三級能源管理模塊主要分為企業級能源管理、部門級（區域級）能源管理、設備級能源管理和為保證以上功能而要求實現的相關定義功能部分模塊。

3.1.1 三級能源管理信息設置

主要功能有：1)回路信息設置

2)企業級能源管理設置

3)部門級（區域級）能源管理設置

3.1.2 企業級能源分析

主要功能如下：

1)企業級能源明細表

2)企業級能源匯總月報表

3)企業級能源匯總日報表

4)企業級能源趨勢分析報表

5)企業級能源分時圖

6)企業級能源日分析

3.1.3 部門級（區域級）能源分析

1)部門級能源匯總月報

2)部門級能源匯總日報

3)部門級能源明細報表

4)部門級能源分時圖

5)部門級能源日分析

3.1.4 設備級能源分析

1)設備能源匯總日報

2)設備能源匯總月報

3)設備能源匯總明細表

4)設備能源分時圖

5)設備能源日分析

6)設備能源匯總明細表

3.2 節能模式系統

節能模式系統主要實現對IBMS集控系統的運行狀態以模式的方式進行運行模式的定義、保存、查詢、運行切換等，它實現了通過一個動態運行中的控制系統的可視化操作，是樓宇節能集控方法的核心應用。其主要功能模塊設計如下：

3.2.1 節能基本信息定義模塊

1)節能模式定義

2)回路信息定義

3)回路耗能點定義

4)節能回路定義

5)節能回路項目定義

3.2.2 節能控制邏輯管理模塊

1)控制模式定義

2)控制邏輯類型

3)系統控制邏輯系數定義

4)系統控制邏輯信息管理

實際現場界面見圖1。

圖1 節能控制邏輯管理模塊

3.2.3 節能模式庫管理模塊

1)生成BA模式庫

2)查詢修改模式庫管理

3)運行模式歷史信息管理

4)模式切換

節能模式庫管理模塊見圖2。

圖2 節能模式庫管理模塊

3.3 模式分析比對工具

模式分析比對工具主要實現對運行的各種模式運行的效果進行數據的比對和分析，發現最優的模式，在這一比對過程中，一般用分時數據精確分析每種模式的運行效果，并通過日線的方式對不同的模式運行效果進行比對，但由于同期環境的不同，因此，在確定好相應的節能模式后，必須采用交叉測算法通過不少于二周的交叉運行數據，對模式效果進行檢驗，見圖3。因此，相應的節能率分析模塊應按照這一算法進行設計。

圖3

1)節能率分析

節能率分析模塊是采用交叉比對法對單節能回路進行數據采集和分析。主要通過這一回路的節能模式控制點來識別回路的運行模式，并通過這一回路對應設置的能耗點進行能耗值的測算。測算過程中，相應的運行模式必須在每日零點至零點十分間完成節能和非節能模式間的切換，如失敗，則測算從頭開始計算，最少二周的模式切換要按要求進行，這樣就可以產生相應的節能率分析數據報表，從而生成相應的節能結果，實際應用數據見圖4。

2)節能率報表歷史查詢

3)回路節能月報表

圖4 冷源用電回路節能率實側數據報表

3.4 系統模式計劃管理模塊

系統模式計劃管理模塊主要實現運行模式切換自動化操作功能，其按照一定的時間，定時批量下發相應的海量模式運行參數，同時，對下發指令進行反饋核對，對未成功下發的指令采用重置的方式進行多次嘗試，從而保證指令集的成功率，同時，對未成功下發的指令，系統產生相應的報警，以人工干預的方式進行操作，從而保證模式計劃的正確運行，這一模塊主要由計劃模板信息定義、計劃信息定義和相應的模式計劃服務三個功能組成，見圖5。

圖5

3.5 節能報表模塊

節能報表模塊主要實現對各節能回路的節能效果進行數據顯示，除各回路報表以外其功能還包括對各回路的節能效果以匯總的方式進行統計，以提供系統通過相應的控制模式優化所產生的總體經濟效益。

4 應用案例

北京宏源證券辦公大樓位于北京市市轄區西城區太平橋大街19號，大樓地上七層地下二層，本項目我們在節能的功能設計中針對中央空調和穩壓照明進行了相應的專利方法的應用，主要數據測算趨勢見圖6，實測數據見圖7。

5 總結

綜上所述，樓宇節能集控方法是為解決建筑集成控制系統中的三個主要問題而設計，這一方法采用模式概念對控制系統的運行狀況進行記錄。同時，采用交叉比對算法可實現對不同模式下系統的運行情況進行分析，從而實現對控制系統的持續優化。

圖6 冷源用電回路節能率實測數據趨勢圖

圖7

在現有的智能化建筑控制系統中，可控制節能的環節主要有：冷熱源系統可采用輸出水溫設定的方式，通過修改COP指標進行節能。其中，節能率的測算可通過本文中的專利方法進行；穩壓節能照明回路中，可采用設定輸出的電壓系數，通過微量降低照度，從而實現節能，在實際工程應用中，這一方法節能效果比較優秀；在中央空調控制策略中，樓宇空調機組的輸出空氣溫度的控制常采用PID控制策略，可以通過調整P即比例系數減緩到達目標的時間，從而通過降低系統整體的反應實現節能，這一策略可在實際中通過交叉測算，得到較好的應用效果。由于許多工程中，這三個參數自控開發人員常常將參數固化在系統程序中，因此，許多工程很難實現相應的節能應用。當然，IBMS系統中的節能控制環節還有許多，通過這一專利方法，我們可以有效針對這些環節，實現在線的節能效果測算，從而使智能化建筑的管理更上一層樓。