公共建筑節能降碳智慧管控系統

文／呂大海、王鵬飛、王帥、劉宇、王志朋 中建八局第二建設有限公司 山東濟南 250000

引言：

在“雙碳”目標的背景下，通過新技術手段優化能源消耗，達到節能降碳目的的相關研究和設計越來越受到關注。清華大學建筑節能研究中心等機構的研究數據[1]顯示，我國城鄉建筑總能耗約占全國能源消費總量的31%，其中建筑運行階段約占21%，能耗總量非常突出。中國建筑科學研究院等編制的《建筑智能化應用現狀調研白皮書》顯示，現階段僅有約30%的系統實現了一定程度的集成，但數據并未實現互通，子系統各自獨立運行?，F階段我國建筑智能化應用水平參差不齊，系統高效節能、便捷使用等優勢未能充分發揮。

隨著5G 技術、物聯網技術、人工智能技術、大數據技術等新一代信息技術[2]成功落地應用，統籌信息化應用系統、智能化集成系統、信息設施系統、建筑設備管理系統、公共安全系統、機房工程等要素[3]，以節能降碳、提供健康舒適的空間環境為目的，打破建筑各系統的壁壘，實現互聯互通，并設計有效的策略、算法，使監測、控制融合，打造公共建筑節能降碳智慧管控系統，意在通過無感知的智慧手段提升建筑暖通、照明等設備的綜合運行能效。

1.主要技術內容

本系統以公共建筑能源精準化管理、能效最優化控制等目的，實現相關設備或系統整合、分析、柔性調度等方面融合，打造“云－邊－端”三體協同，使能耗流、控制流、運維流、設備流、數據流“五流合一”，以數字化手段提升建筑能效管理水平。重要功能的實現原理如下：

1.1 系統架構設計

本系統統籌設計智能化系統的整體系統功能架構，便于一套系統即可實現對各個功能硬件設備和子系統的統一融合管理。整體架構設計劃分為設備層、接入層、平臺層、業務層、決策層，并包含設備統一的規范數據轉發規范。

（1）展示層：可視化交互入口，主要包含運維端、管理后臺等WEB 應用，以及移動APP 和數據可視化大屏。

（2）決策層：通過能耗評價、故障與能耗診斷、運行策略優化、碳核算算法的引入，實現對人員組織管理、設備控制的智慧實現。

（3）業務層：主要是公共建筑節能、運維管理等功能，含統一授權、基礎信息、三維管理、文件管理、權限管理、日志管理、設備管理、場景管理、視頻管理、運維管理、能耗管理、用戶管理、報警管理、數據管理、組態管理。

圖1 系統架構設計

（4）服務層：作為整個云端功能的基礎能力提供規則引擎數據處理、設備管理等能力，引入人工智能技術、流媒體服務、大數據分析處理技術，同時建設業務管理平臺服務體系，為應用系統、駕駛艙提供基礎能力及服務，保證數據高度的穩定性。

（5）接入層：提供基于物聯網技術的設備連接。通過建筑節能邊緣計算網關，使用標準協議驅動及私有協議驅動接入各類設備和專業子系統，達到弱電施工建設和后期運維管理的統一、標準、可控。

（6）設備層：主要指面向建筑內的前端傳感器、邊緣網關及管理終端。主要負責對應用場景內部及周邊的機電、能耗、安防、門禁、停車、電梯等運行信息進行采集、編碼、傳輸及邊緣計算處理，及接收平臺的指令進行各種操作。按照設計點位部署方式、技術要求和安裝實施要求進行施工安裝、協議對接。

1.2 公共建筑能源智慧管控平臺

公共建筑能源智慧管控平臺是基于物聯網、云計算、大數據、人工智能等信息技術，結合公共建筑特有的能源應用特點，量身定制開發集監控展示、故障告警，診斷優化，能效評價，碳資產管理等功能于一身的“集成化”“數字化”“智能化”的綜合管理平臺。

全維度分析建筑的各種設備運行狀態及維護保養信息，重點設備的管理，對建筑設備進行定點數據融合，做到可察（物聯感知）、可視（遠程監控）、可管（管理到系統或者人）、可控（聯動控制或遠程操控）、可追溯（采集信息記錄和處理信息記錄）的精細化管理。

通過碳資產的統一管理功能，實現建筑能源設備碳臺賬可查、碳數據存儲、碳流程可視。同時實現能耗數據的大數據分析，能流分析、分項用能分析、分區用能分析、重點設備能耗分析、能耗報表、用能預警等。

圖2 平臺效果圖

通過設備運維功能，實現建筑各子系統的數據化運維，中間視圖二維/三維組態方式展示設備的分布、狀態，點擊可交互。同時以數據可視化方式展示設備情況、告警統計、配置場景及設備用能情況等信息。

一是統計各系統設備的情況，通過項目列表的可實時展示設備狀態、快速二三維視圖定位、設備控制調用等功能。通過點擊設備名稱可直接展示設備畫像，主要包含設備基本信息、設備實時狀態、設備歷史數據、維保巡檢數據、重點設備能耗數據等；二是通過此功能實現平臺智慧策略的手動執行，執行情況記錄等；三是可直接展示子系統的預警統計及實時預警信息，可快速生成工單進行維護作業；四是可直接展示各建筑子系統運行的關鍵指標數據統計分析。

通過沉浸式沙盤的交互方式實現建筑設備云端運維的集中管理，打通系統間孤島，將垂直化系統數據融合，提供動態化節能控制優化。

通過設備類型抽象、設備影子實現、節能策略低代碼開發、算法預制等產品模式，以具體公共建筑的規模、空間特點、用能需求等快速配置，大大提升能源管控平臺快速復制落地能力。

設備類型抽象，用于配置設備類型的關聯參數及屬性，通過參數列表管理當前設備類型的參數，其中參數取值類型，目前包含當前值、最小值、最大值，根據需要選擇，常規而言大多為當前值；讀寫屬性確定了此參數是否含有控制下發，例如針對空調模式設定，讀寫即可讀出當前運行中模式，也可對模式進行切換，而只讀可以理解為只能知道當前空調運行中的模式不可以對模式切換進行控制；取值范圍，即參數可取的最小值和最大值；步進值，舉例說明比如設定為“1”，通過控制面板設定增加/降低溫度時，單次點擊遞增/遞減“1”；顯示方式，是自定義交互的特色設計，選擇可配置右側預覽區控制面板樣式，自定義實時調節，可選擇數值顯示、圖標顯示、文本/枚舉顯示等模式。

通過策略、算法調用，實現建筑能效診斷、能效評價，并實現圖形展示、及時通知。節能策略的可視化配置支持設備觸發、定時觸發、算法觸發，在觸發后需判定執行條件，滿足條件時進行動作執行，可執行設備的單控、群控、發出提醒等。

1.3 建筑節能邊緣計算網關

基于嵌入式技術研發具有強可靠、低時延、高帶寬的邊緣計算網關，作為整個體系的核心硬件之一，是與建筑能源智慧管控平臺能力的有效延伸，兼具數據交互及邊緣計算能力，提供設備接入、協議解析、數據緩存、現場計算、遠程控制、云端配置等一體化功能。

設備支持云平臺配置、設備自動同步配置，提供可視化配置工具輔助配置過程，同時創新設計多設備融合標準化接口，實現多源異構數據接入。

圖3 建筑節能邊緣計算網關功能

1.4 數據采集終端

以簡單易用、成本低廉、穩定可靠為目的，設計研發數據采集終端，作為整個能源管控網絡的末端通信設備，主要將RS485、CAN 總線等物理接口透傳為RJ45 接口，將設備數據接入到設備專網，即插即用，輔以云平臺、邊緣網關等算法策略的執行，實現實時監測、智能化控制。

圖4 數據采集終端功能

1.5 建筑節能降碳策略

1.5.1 建筑機電系統運行策略優化

分析導致暖通空調，照明，給排水，電梯等建筑主要機電系統能耗較高的主要問題，分析各子系統，子設備的分項計量數據所呈現的強度及時間分布特點，設計節能控制策略并訓練計算機算法植入本平臺，以提升建筑機電系統在實際項目中的運行水平，三種策略根據不同的運行階段不同場景參與到具體調優過程中，同時大數據的調控可反向優化無數據和小數據策略。

前期部署時，通過手動設置控制策略和系統內置算法運行，不斷采集環境數據及機電系統運行數據，通過策略和算法的加持增加系統運行能效。

同時，所有監測和控制數據實時傳輸到云平臺，形成運行數據、能耗數據、用戶偏好數據的匯聚，形成大數據積累，平臺根據數據的量級完成數據分析及算法訓練，通過數據的分析實現輔助決策和指導手動設置策略的調整，通過云端算法的訓練和完善，實現系統本地算法的優化。

圖5 建筑績點系統運行策略優化

1.5.2 建筑能效評價

根據本建筑智慧能源管控平臺所收集到的耗電量、耗氣量、可再生能源發電量、實際出冷/熱量等數據，結合項目建筑特點、所在氣候區，以及通過大數據技術獲取的人員流量等參數，參考相關建筑能耗標準規范中給出的建筑能耗引導值及約束值，對建筑能效水平進行量化評價，評價數據可回溯應用到策略調整和控制實現中。

1.5.3 故障及能耗診斷

對既有的建筑故障及能耗診斷領域專家系統算法[4]進行整理，篩選其中適用于本平臺的算法進行開發植入。同時，以本系統所收集的大量分項計量數據為基礎，建立基于數據驅動應用于暖通空調、智能照明等各類建筑子系統的故障識別算法，及時發現系統中存在的故障點或能耗異常單元，以實現針對性優化，提升系統的整體運行質量。

1.5.4 建筑碳排放核算

利用該能源智慧管控系統所收集到的各類能源消耗量以及可再生能源利用量，結合當地電網碳排放因子等數據，設計公正高效的建筑碳核算方法，對建筑進行前置的碳資產管理[5]。

2.效益分析

2.1 經濟效益

公共建筑節能降碳智慧管控，構建基于數據循證的建筑綠色低碳運營管理決策支持體系和“一站式”服務體系，全面提升能源管理的精細化和信息化水平，有效降低能耗支出。實現以系統串聯建筑節能規建管整體升級、統籌建筑低碳場景智慧化，推動建筑運營數字化轉型和升級，提升建筑運營效益。

2.2 社會效益

本系統利用運行過程中產生的實際數據，基于平臺所搭載的自研算法庫對建筑進行運行策略優化，實現建筑節能減排的同時，改善建筑的服務水平。是踐行國家城鄉建設領域碳達峰實施方案和“十四五”公共機構節約能源資源工作規劃的重要舉措，有利于全面推進建設數字化、智能化、低碳化建筑，社會效益和經濟效益顯著，具備廣闊的應用前景。

結語：

本系統是建筑智慧能源管控創新應用，以能源管控平臺及配套硬件為載體，以評價、優化等算法為核心，集建筑用能系統優化、智慧能源管理信息集成與智能調控、建筑碳減排優化路徑研究等于一體，適用于醫院、學校、場館等多場景，有效提高建筑重點能耗設備自動化、數字化、智能化管理水平，為建筑能源規范化、流程化、精細化運營管理提供有力支撐。信息技術的創新和進步使能源的智慧管控得以實現，反過來，能源需求的不斷增加和清潔能源的獲取對信息技術提出更高的要求，推動著信息技術的不斷發展與成熟。公共建筑節能降碳智慧管控能夠創造良好的社會效益、經濟效益和環境效益。