基于標(biāo)準(zhǔn)體系的公共建筑智慧能源欄管控策略研究

　　摘要：公共建筑智慧能源管控系統(tǒng)將是公共建筑節(jié)能未來的發(fā)展方向。本文針對目前國內(nèi)公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)和設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)沒有很好融合，不能滿足設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化、能源智能管控需求的問題，通過調(diào)研國內(nèi)外智能管控相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建了系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)測指標(biāo)體系。在此基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)建立公共建筑能源智能管控方法，并提出了常規(guī)基礎(chǔ)運(yùn)行和智能優(yōu)化能源管控策略。

　　關(guān)鍵詞：智慧能源管控;指標(biāo)體系;智能優(yōu)化能源管控策略

　　0引言

　　鑒于公共建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及其用途的多樣化，其能耗水平普遍高于居住建筑。隨著城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，公共建筑的面積持續(xù)增加，其能耗也隨著人們對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求的提高以及建筑功能多樣性發(fā)展不斷增長。有數(shù)據(jù)表明，我國能源年消耗量巨大，其中建筑運(yùn)行能耗占終端能耗的20%左右，公共建筑的節(jié)能一直是城鎮(zhèn)化進(jìn)程中密切關(guān)注并致力于去解決的問題。隨著信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，公共建筑能耗相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息將更加豐富。隨著公共建筑及其機(jī)電能源系統(tǒng)的運(yùn)行，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析，可精確找到公共建筑中能源的需求和服務(wù)對象，并且通過系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)，準(zhǔn)確匹配暖通空調(diào)、照明、電梯、送排風(fēng)、給排水等系統(tǒng)的用能需求，從而大幅度提升傳統(tǒng)機(jī)電能源系統(tǒng)的效率。因此，研究公共建筑能耗等多維度數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)建筑智慧能源管控，將是公共建筑節(jié)能未來的發(fā)展方向。

　　1國內(nèi)外智慧能源管控技術(shù)研究進(jìn)展

　　1.1國內(nèi)

　　國內(nèi)建筑能源管控主要由樓宇自動化系統(tǒng)(BAS)來實(shí)現(xiàn)。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，90%以上的大型公共建筑安裝有BAS系統(tǒng)。但BAS系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)在控制室遠(yuǎn)程監(jiān)測建筑環(huán)境和系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，以及通過中控人機(jī)界面手動地啟?；蛘{(diào)節(jié)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，這樣的系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上仍嚴(yán)重依賴于運(yùn)行人員的手動操作，沒有實(shí)現(xiàn)自動化和智能化。朱津津[1]、湯新中[2]、姜子炎[3]等先后對北京、上海、深圳、香港等地大型公共建筑的自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)我國大部分建筑自控系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行水平較低，并沒有真正實(shí)現(xiàn)“自動化控制管理”的功能，只有約占7%的建筑能夠?qū)崿F(xiàn)樓宇層面的自動化控制和管理，包括各個子系統(tǒng)內(nèi)部的優(yōu)化控制和子系統(tǒng)之間的集成控制。此外，我國的公共建筑分項(xiàng)計(jì)量事業(yè)起步于2005-2006年，2007年在有關(guān)部門的大力支持下開始加速，至今已經(jīng)在多個城市的數(shù)百座公共建筑中實(shí)施了“分項(xiàng)計(jì)量工程”。分項(xiàng)計(jì)量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)入公共建筑能耗監(jiān)測平臺后，可以對建筑能耗實(shí)施分類分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)分析。雖然宏觀層面，分項(xiàng)計(jì)量對于城市公共建筑用能管理起到大的作用，但是它本身沒有優(yōu)化控制和管理功能，不能對建筑產(chǎn)生直接的節(jié)能效果。

　　1.2國外

　　2020年，美國在《2020年能源法案》(EnergyActof2020)中明確提出，將致力于通過運(yùn)用能效信息技術(shù)和加速智慧建筑發(fā)展，提升整體建筑能效水平。美國能源部2020年發(fā)布的《建筑能源管理中的傳感器與控制創(chuàng)新技術(shù)報告》中指出，傳感器、執(zhí)行器和控制器作為建筑能源管理的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的主干，是實(shí)現(xiàn)美國能源部建筑技術(shù)辦公室(BTO)的目標(biāo)的核心技術(shù)投資領(lǐng)域之一，該目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)國家建筑庫存(商業(yè)和住宅)的能源可負(fù)擔(dān)性。

　　歐盟是當(dāng)今世界僅次于美國的能源消耗大戶，其中建筑能耗占有相當(dāng)大的比重。歐盟的建筑能耗已占?xì)W盟總能耗的40%，是歐盟最大單一能源消耗來源，其中居住建筑能耗占建筑總能耗的2/3，公共建筑能耗占建筑總能耗的1/3。新歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN15232：“建筑自控與建筑管理系統(tǒng)對建筑能效的影響”于2007年4月15日成功通過了正式投票。EN15232規(guī)定了用于評價建筑自控系統(tǒng)(BACS)與建筑技術(shù)管理系統(tǒng)(TBM)功能對于建筑能效影響的方法，以及對不同等級建筑此類功能最低要求的制定框架。

　　2智慧能源管控的指標(biāo)體系

　　目前國內(nèi)外關(guān)于公共建筑的能效指標(biāo)的研究較為豐富。李灝如[4]等人針對空調(diào)系統(tǒng)建立了包含供冷量和能效比運(yùn)行能耗評價指標(biāo)體系。苑登闊[5]等人基于國內(nèi)外的研究，將能效指標(biāo)分為系統(tǒng)層和全樓宇層兩大類。姜新佩[6]等人綜合考慮建筑設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、采暖空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、運(yùn)行管理五大層面因素，逐層分析，建立了一套評價建筑能耗的綜合評價體系。結(jié)合調(diào)研，智慧能源管控的運(yùn)行參數(shù)指標(biāo)主要由建筑層、系統(tǒng)層系統(tǒng)設(shè)備效率和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)三類組成(見圖1)。

　　3能源優(yōu)化管控策略

　　3.1常規(guī)能源管控策略

　　針對建筑設(shè)備的節(jié)能管控，國內(nèi)研究人員也做了大量研究，形成了有效的管控策略和方法。目前常規(guī)的能源管控還主要依賴規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)。常見管控措施見表1。針對基于規(guī)則的能源管控，美國也制定了較為完善的制度和標(biāo)準(zhǔn)，如2010年美國能源部就推出了《操作和維護(hù)最佳實(shí)踐——實(shí)現(xiàn)可操作性效率的指導(dǎo)》，同時ASHRAE不斷更新其建筑設(shè)備運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)，ASHRAE節(jié)能運(yùn)行的相關(guān)要求見表2。

　　3.2智能優(yōu)化能源管控策略

　　1)能耗特征分析

　　目前，公共建筑用能系統(tǒng)節(jié)能診斷的數(shù)據(jù)分析方法主要分為常規(guī)數(shù)據(jù)分析方法和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)兩大類。在建筑領(lǐng)域，常規(guī)數(shù)據(jù)分析方法主要針對建筑運(yùn)行故障的診斷和運(yùn)行策略的優(yōu)化，一般在分析時，主要依賴診斷人員的專業(yè)知識，結(jié)合建筑本身的物理定律，對建筑運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，對建筑按照分項(xiàng)、分時、分區(qū)以及分系統(tǒng)進(jìn)行橫向縱向分析對比，從而總結(jié)建筑用能的規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)的運(yùn)行優(yōu)化。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要有監(jiān)督和無監(jiān)督學(xué)習(xí)，通過數(shù)據(jù)清理、集成、變形、挖掘、評估，形成知識。相比常規(guī)數(shù)據(jù)的分析方法，數(shù)據(jù)挖掘分析方法能夠有效處理海量大數(shù)據(jù)。

　　2)冷凍站智能群控

　　冷凍站控制運(yùn)行能效的高低對大型公共建筑能耗影響較大，是節(jié)能工作的有力切入點(diǎn)。大型建筑中為了提高空調(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷條件下的靈活性，往往會采用多臺冷水機(jī)組。在這種情況下，多臺冷水機(jī)組的運(yùn)行控制策略十分重要。然而目前采用機(jī)房群控的公共建筑比例還很低。有調(diào)查顯示，在上海將近500幢智能建筑中采取冷源群控策略的不足1%，其中成功應(yīng)用冷源群控的更是微乎其微。

　　目前對于冷水機(jī)組運(yùn)行策略的研究集中于最優(yōu)冷機(jī)序列和最優(yōu)冷機(jī)負(fù)荷。最優(yōu)冷機(jī)序列(OCS，optimalchillersequencing)，即在建筑空調(diào)負(fù)荷變動時，通過合理地開關(guān)冷機(jī)，使機(jī)組整體能效維持在較高水平，以節(jié)約能耗。例如ASHAREHandbook中的一種簡化方法：當(dāng)需要增加機(jī)組時，開啟處于待機(jī)狀態(tài)下峰值COP最大的機(jī)組。該方法稱作最大峰值COP法(MPCOPmethod，maximalpeakCOPmethod)。

　　最優(yōu)冷機(jī)負(fù)荷(OCL，optimalchillerloading)，即通過給各臺冷機(jī)合理地分配負(fù)荷，使機(jī)組整體效率最高，能耗最低。

　　現(xiàn)有的優(yōu)化方法一般以當(dāng)前能耗費(fèi)用最低為優(yōu)化目標(biāo)，往往忽略對于機(jī)組運(yùn)行時間的均勻分布，此類優(yōu)化策略會造成機(jī)組的磨損程度不一，導(dǎo)致部分機(jī)組提前報廢，影響機(jī)組整體服役年限。因此，在優(yōu)化策略中有必要考慮各臺主機(jī)運(yùn)行時間的均勻性，以盡可能延長機(jī)組整體的服役年限。

　　3)負(fù)荷預(yù)測

　　及時準(zhǔn)確的冷負(fù)荷預(yù)測是建筑空調(diào)系統(tǒng)自動控制的有效依據(jù)，也是系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化和高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵所在?？照{(diào)冷負(fù)荷預(yù)測的作用不僅在于保證系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定，而且也有利于實(shí)現(xiàn)不同品種冷源設(shè)備的合理調(diào)配，便于采用更先進(jìn)的節(jié)能控制方法。

　　負(fù)荷預(yù)測對于蓄冷空調(diào)高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)行尤為關(guān)鍵。采用預(yù)測控制方法，是對次日逐時負(fù)荷分布進(jìn)行預(yù)測，從而根據(jù)負(fù)荷分布對制冷機(jī)的運(yùn)行和冰槽的釋冷進(jìn)行合理的優(yōu)化運(yùn)行控制，使制冷機(jī)在用電高峰時期盡可能地減少運(yùn)行，以使運(yùn)行費(fèi)用降到最低。這種控制方式是基于對未來24h的逐時負(fù)荷預(yù)測來優(yōu)化控制制冷機(jī)的運(yùn)行。在預(yù)測到負(fù)荷小的日子，電力低谷時間只儲存供下一天使用的足夠的蓄冷量，而不是全儲滿，第二天采用融冰單供冷運(yùn)行。在預(yù)測到負(fù)荷大的日子，夜間把蓄冰槽全部蓄滿，白天通過優(yōu)化運(yùn)行合理地調(diào)整各小時主機(jī)和蓄冰槽的分別供冷量，使供冷結(jié)束時蓄冰槽的冷量不但全部用完，而且全天的運(yùn)行費(fèi)用最低。日間供冷時，每隔0.5h槽內(nèi)的余冰量與該時刻到供冷結(jié)束時所需的總冷量作一次比較。這樣，既能保證供冷高峰時期槽內(nèi)有足夠的冰，也能在供冷結(jié)束時蓄冷量全部釋放。

　　4結(jié)束語

　　目前，我國在智慧能源管控領(lǐng)域技術(shù)還存在信息孤島，尤其是能耗監(jiān)測和BAS還分屬于不同的智能化系統(tǒng)，使得建筑能源管控系統(tǒng)的指標(biāo)無法實(shí)現(xiàn)監(jiān)測，節(jié)能控制策略無法得到執(zhí)行，無法實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。隨著智慧樓宇系統(tǒng)的不斷普及和節(jié)能需求的不斷提高，智慧能源管理相關(guān)技術(shù)將在我國建筑節(jié)能領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間，通過對建筑物的關(guān)鍵能效指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測、分析和管理，建立建筑物能耗管控策略，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的高質(zhì)量發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]朱津津，賈福偉.我國智能建筑的發(fā)展趨勢及對策.工程設(shè)計(jì)CAD與智能建筑，1998,4:20-22.

　　[2]湯新中，胡英哲.我國智能建筑現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.科技成果縱橫，2008,3:44-45.

　　[3]姜子炎.建筑自動化系統(tǒng)的信息流研究[博士學(xué)位論文].北京：清華大學(xué)建筑學(xué)院，2008.4.

　　[4]李灝如，李曉鋒，王瑩.公共建筑空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗評價方法研究[J].暖通空調(diào)，2017，47(7):15-20.

　　[5]苑登闊，許鵬.公共建筑能效指標(biāo)及評價方法現(xiàn)狀分析[J].建筑節(jié)能，2014，42(4):76-80.

　　[6]姜新佩，郭肖娟，孟祥東.公共建筑節(jié)能評價指標(biāo)體系研究[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2013，34(2):78-82.

　　何曉燕陸勇顧麗韻

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