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An Overview of the Key Technologies in International Building Energy Management System

AbstractIntroduces the basic technical framework of the international mainstream Building Automation Control System (BACS), summarizes the front key technologies in Building Energy Management System (BEMS), include advanced control strategy, automated fault detection and diagnostic (AFDD), energy forecasting, and system optimization.The current status and application of these technologies are discussed. The developing trend in our country in the future is also analyzed.

Keywordsbuilding energy management system，advanced control strategy，automated fault detection and diagnostic，energy forecasting，system optimization

0概述

一個完善的智能樓宇系統(tǒng)需要兩類供應(yīng)商的共同介入：樓宇自動控制和建筑能源管理。目前全球制造樓宇自控平臺的大公司主要有四家：Honeywell(霍尼韋爾)、Johnson Controls(江森自控)、Schneider Electric(施耐德電氣)、Siemens(西門子)。另外，一些很有規(guī)模的控制公司在歐美也比較常見，比如Automated Logic、ABB、Delta Controls、Distech Controls等。這些公司代表了當(dāng)今樓宇自控領(lǐng)域的市場主流，主要核心技術(shù)體現(xiàn)在基于物聯(lián)網(wǎng)的控制平臺、智能控制器和傳感器、對控制參數(shù)的自動調(diào)整、高效的信息傳輸、開放的通信協(xié)議等。在建筑能源管理方面，技術(shù)比較成熟的公司有Building IQ、C3 Energy、Ener NOC、Grid Point、Optimum Energy、Opower等，這些公司的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在對建筑能源系統(tǒng)的整體優(yōu)化、自動故障檢測診斷、對能耗的預(yù)測和需求響應(yīng)以及對大數(shù)據(jù)的分析學(xué)習(xí)。

圖1　樓宇控制和能源管理系統(tǒng)基本架構(gòu)和主要功能

建筑能源系統(tǒng)是個復(fù)雜的系統(tǒng)，暖通空調(diào)、照明、電梯、安防等各系統(tǒng)的運行都會影響整體能耗水平，而暖通空調(diào)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和能耗水平在各系統(tǒng)中都是最高的，所以無論是樓宇自控技術(shù)還是能源管理技術(shù)都把暖通空調(diào)系統(tǒng)放在最重要的位置。圖1所示是一個完善的樓宇自控和能源管理系統(tǒng)的總體架構(gòu)和應(yīng)該具備的功能。本文將介紹樓宇自控系統(tǒng)的基本技術(shù)架構(gòu)及建筑能源系統(tǒng)的一些前沿關(guān)鍵技術(shù)。

1樓宇自控基本架構(gòu)

目前的樓宇自控領(lǐng)域以直接數(shù)字控制方式(DDC)為主，相對于工業(yè)界常用的可編程邏輯控制方式(PLC)來說，DDC具有簡便、實用且成本低的特點，可滿足暖通空調(diào)控制的絕大部分要求。如圖1所示，控制網(wǎng)絡(luò)的最底層是傳感器、執(zhí)行器等，傳感器是控制系統(tǒng)信號輸入的媒介，用來測量環(huán)境中各種物理參量(如溫度、濕度、流量等)；執(zhí)行器是信號輸出的媒介，用來控制暖通空調(diào)設(shè)備的開關(guān)以及連續(xù)運轉(zhuǎn)。傳感器、執(zhí)行器連接到局域控制器上(局域控制器是收集信息、執(zhí)行控制命令的第一線)，傳感器的模擬輸入信號在局域控制器中轉(zhuǎn)為數(shù)字信號并向上傳遞。核心的DDC程序下載到局域控制器上，局域控制器根據(jù)程序的邏輯以及來自人機交互層面的指令做出控制反應(yīng)并傳遞給執(zhí)行器。一般來說，中央空調(diào)系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)或者設(shè)備都應(yīng)該配備一個局域控制器(如一個風(fēng)機盤管末端或一個制冷機組應(yīng)該配備一個獨立的局域控制器)。局域控制器之上為網(wǎng)絡(luò)控制器，是承上啟下的交通樞紐，向下連接多個局域控制器，向上連接人機交互層面，傳感器讀數(shù)以及控制中間參數(shù)都由網(wǎng)絡(luò)控制器向上傳遞到控制界面，操作者和程序員發(fā)出的指令也由網(wǎng)絡(luò)控制器向下傳遞到局域控制器。網(wǎng)絡(luò)控制器以下的設(shè)備組成基于樓宇自控通信協(xié)議的控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)控制器的人機交互層面一般為基于TCP/IP的互聯(lián)網(wǎng)連接模式?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的最頂層是人機交互層面，目前的流行模式是由一臺服務(wù)器裝載控制程序和存貯歷史數(shù)據(jù)，由多個網(wǎng)絡(luò)終端進行登錄管理。用戶和程序員只需要網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和互聯(lián)網(wǎng)就可以登錄并管理控制平臺(電腦和移動終端均可以使用)。

控制系統(tǒng)的操作用戶需要通過定制的操作界面對暖通空調(diào)系統(tǒng)進行監(jiān)視與控制。界面中顯示各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的傳感器讀數(shù)(如溫度、濕度、風(fēng)量等)以及被控制設(shè)備的參數(shù)(如風(fēng)機開關(guān)狀態(tài)和水閥開度等)，用戶可以讀取數(shù)值也可以發(fā)出指令，且控制界面也可以鏈接到其他控制系統(tǒng)或設(shè)備。另外，系統(tǒng)故障報警、設(shè)置用戶權(quán)限、查找歷史數(shù)據(jù)等操作也在用戶操作界面中完成。編寫DDC程序、將邏輯運算法則植入控制系統(tǒng)則需要編程工具，目前多數(shù)暖通空調(diào)控制公司采用的都是圖形化的編程語言，它可將各種邏輯、數(shù)學(xué)運算以及PID控制工具等進行模塊化設(shè)計，程序員根據(jù)需要將各個模塊進行組合連接即可，這類編程語言簡單易用，為現(xiàn)場排查故障節(jié)省大量時間。有些控制公司采用C語言編程，這種模式雖可使控制更為靈活，但對程序員的要求較高，現(xiàn)場調(diào)試的時間也較長，因此各大控制公司都有將用戶操作界面與DDC編程界面統(tǒng)一整合的趨勢，這將整合操作、編程、管理和故障排查糾錯的一系列流程，且對控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性有很高的要求。

2高等控制策略

暖通空調(diào)系統(tǒng)中一個重要的節(jié)能措施是高等控制策略，控制策略是根據(jù)供熱、供冷負(fù)荷的變化合理調(diào)整風(fēng)閥/水閥開度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速以及各類設(shè)備的運轉(zhuǎn)與停滯以達到節(jié)能的目的，而高等控制策略就是將中央空調(diào)各組成部分聯(lián)動起來進行整體控制、相互配合，按需實時調(diào)整各組成部分的壓強、溫度等參數(shù)的設(shè)定點，以實現(xiàn)樓宇系統(tǒng)的深度節(jié)能。下面以變風(fēng)量VAV中央空調(diào)系統(tǒng)為例，具體闡述高等控制策略在VAV系統(tǒng)中各組成部分的應(yīng)用。

VAV系統(tǒng)主要由三部分組成，即VAV空調(diào)末端、空氣處理機組AHU及供冷供熱設(shè)備(制冷機組、冷卻塔、鍋爐)(如圖2所示)。制冷機組和鍋爐根據(jù)需要向AHU提供冷凍水或熱水，AHU對新風(fēng)回風(fēng)量進行調(diào)配并對供風(fēng)進行制冷或加熱處理(一般AHU以制冷為主)，然后送風(fēng)至各個VAV末端。VAV末端跟據(jù)負(fù)荷進行風(fēng)閥和水閥調(diào)節(jié)以實現(xiàn)每個房間的制冷或加熱。房間的回風(fēng)返回AHU進行排出與內(nèi)循環(huán)的配比。

圖2　VAV系統(tǒng)的基本組成

傳統(tǒng)的AHU運行策略是設(shè)定固定的風(fēng)壓和溫度設(shè)定點，當(dāng)VAV末端風(fēng)閥變化時，AHU調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速使風(fēng)壓保持在設(shè)定點。調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速雖是一種節(jié)能措施，但固定的風(fēng)壓設(shè)定點往往是根據(jù)VAV末端最大風(fēng)量設(shè)計的，在低負(fù)荷條件下末端風(fēng)量遠(yuǎn)不及設(shè)計最大風(fēng)量，因為保持較高的風(fēng)壓就是對風(fēng)機電能的浪費。同理，供風(fēng)溫度設(shè)定點也是按最大制冷負(fù)荷設(shè)計的，在低制冷負(fù)荷條件下保持較低的供風(fēng)溫度會增大制冷機和VAV末端再熱的能耗。在高等控制策略下，供風(fēng)溫度和風(fēng)壓設(shè)定點可根據(jù)末端負(fù)荷進行實時調(diào)整(目前比較新興而實用的控制方式是修剪與相應(yīng))。以風(fēng)壓控制為例，風(fēng)壓設(shè)定點根據(jù)末端的需求信號不斷做出調(diào)整，當(dāng)末端風(fēng)閥開到某一個位置時(比如80% 打開)就會發(fā)出需求信號，當(dāng)風(fēng)閥位置更高或其他VAV末端也有制冷要求時，便會向AHU發(fā)出更多需求信號，AHU根據(jù)需求數(shù)量不斷向上增大風(fēng)壓設(shè)定點，增長速度也隨著需求數(shù)量的增長而加強，當(dāng)需求信號降低時，風(fēng)壓設(shè)定點不斷降低直到需求的再次出現(xiàn)，如此往復(fù)便可節(jié)省大量的風(fēng)機能耗?？刂葡到y(tǒng)需要對一定范圍內(nèi)的需求數(shù)量忽略不計，這樣可避免對設(shè)備控制的頻繁變化。在這個控制邏輯中，每次調(diào)整的時間、范圍、單次調(diào)整數(shù)量、忽略數(shù)量均可以做出調(diào)整優(yōu)化。此種方法可以節(jié)約30%～50%的風(fēng)機能耗，同樣的方法也可以用于對溫度設(shè)定點的控制以及其他的空調(diào)系統(tǒng)中(如風(fēng)機盤管系統(tǒng))。

對于供風(fēng)溫度的調(diào)整，可根據(jù)室外溫度的變化設(shè)定大致的控制范圍，再根據(jù)實際需要進行實時調(diào)整。一般情況下，室外溫度在20℃以上時，可將供風(fēng)溫度設(shè)在最低值12℃左右；當(dāng)室外溫度降低到16℃后，供風(fēng)溫度可根據(jù)需求在13～18℃之間調(diào)整，修剪與響應(yīng)的方法同樣適用。這樣的調(diào)整可減少大量制冷機和VAV末端的再熱能耗。

當(dāng)外界溫度足夠低(一般15℃以下)且室內(nèi)仍有制冷負(fù)荷時，也可以關(guān)閉制冷機組同時引入新風(fēng)進行供冷。具體的控制順序是：隨著制冷需求信號的加強，控制系統(tǒng)先將熱水閥門關(guān)至最小，然后逐漸打開新風(fēng)閥，當(dāng)新風(fēng)量達到最大時，開始調(diào)低回風(fēng)閥以降低回風(fēng)在供風(fēng)中的比例，最后在新風(fēng)全開和回風(fēng)全關(guān)的情況下若仍不能滿足要求再打開冷凍水閥，制冷機組運轉(zhuǎn)。

對于VAV空調(diào)末端，可以將傳統(tǒng)模式的單一最大風(fēng)量改為雙高風(fēng)量設(shè)定點控制。VAV末端需根據(jù)制冷的需要調(diào)整風(fēng)量以達到最大風(fēng)量設(shè)定點，而在低風(fēng)量區(qū)，VAV要保持一個最低風(fēng)量設(shè)定點以滿足新風(fēng)量和再熱的要求。為保證最大加熱負(fù)荷的需要，最低風(fēng)量一般比新風(fēng)量的要求高很多，而在無需加熱和制冷的停滯區(qū)間內(nèi)，這樣的高風(fēng)量會耗費額外的風(fēng)機能耗，因此在高等控制策略中，要設(shè)定一個最大制冷風(fēng)量與最大加熱風(fēng)量，在停滯區(qū)間只需保證新風(fēng)的要求而把風(fēng)量設(shè)定點降低即可；在制熱的情況下根據(jù)負(fù)荷逐漸升高風(fēng)量設(shè)定點，這樣就可減少大量風(fēng)機和再加熱的能耗。

對于制冷機組和水系統(tǒng)的控制，可采用水壓和水溫控制相結(jié)合的控制方式。當(dāng)需求信號增強時，可先增大冷凍水壓差設(shè)定點以加大流量，此時只增大水泵能耗：如不能滿足要求再調(diào)低出水溫度使制冷機加大運轉(zhuǎn)。當(dāng)制冷需求降低時先增大水溫設(shè)定點以減少制冷機的運轉(zhuǎn)，隨后再降低壓差設(shè)定。如果制冷機采用水冷制冷方式，也可以對冷卻塔關(guān)閉制冷機組加以控制出水溫度、水壓等參數(shù)。當(dāng)外界溫度足夠低時也可以采用冷卻塔供冷的方式，即關(guān)閉制冷機組，讓冷卻水和冷凍水在獨立的換熱器中直接進行熱交換，以此降低制冷機組能耗。

綜上所述，在中央空調(diào)系統(tǒng)中每個設(shè)備、每個環(huán)節(jié)都施加節(jié)能控制策略后，再將整個系統(tǒng)聯(lián)動起來相互配合，就可以在保證舒適度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)深度節(jié)能。細(xì)化控制策略將是暖通空調(diào)控制的未來發(fā)展方向。

3自動故障檢測與診斷

圖3　雙管VAV在故障中的溫度數(shù)據(jù)

樓宇能源系統(tǒng)是一個復(fù)雜系統(tǒng)，在長期運行過程中難免出現(xiàn)問題，各種問題的積累可能會造成能源浪費、舒適度下降以及設(shè)備損壞。自動故障檢測與診斷(AFDD)就是要在問題出現(xiàn)的第一時間及時發(fā)現(xiàn)問題并分析問題的起因，讓運維人員及早介入并全方位協(xié)助解決問題，將損失降低到最小。對于暖通空調(diào)系統(tǒng)來說，常見的故障一般有四種：設(shè)備故障、傳感器故障、電動閥門故障、控制故障。對于各種故障而言，發(fā)現(xiàn)問題并進行故障報警相對比較容易，而正確診斷問題的來源則需要智能的模型和對大數(shù)據(jù)的分析。初級的AFDD模型是基于一般控制規(guī)則的，如室內(nèi)溫度在過去的1h內(nèi)一直高于溫度設(shè)定點5℃，則判定為一個故障問題，起因可能是末端風(fēng)機、水系統(tǒng)壓強控制或制冷機組啟/停的問題；而更智能的AFDD模型是基于對大數(shù)據(jù)的分析，實時對系統(tǒng)各數(shù)據(jù)走勢進行判斷，動態(tài)分析故障原因，甚至在故障出現(xiàn)以前就做出報警。

下面舉例說明AFDD的實際應(yīng)用。圖3是雙管VAV故障中的溫度走勢。雙管VAV由兩個獨立管道分別供應(yīng)冷風(fēng)和熱風(fēng)，在末端混合后吹入房間以維持室內(nèi)溫度。在上午10:30左右，除熱風(fēng)管供風(fēng)溫度外，其他溫度均上升，室內(nèi)溫度已經(jīng)超出制冷與制熱設(shè)定點的范圍區(qū)間，從而出現(xiàn)問題。進一步分析，冷風(fēng)管供風(fēng)出現(xiàn)故障、末端冷管風(fēng)閥關(guān)閉或處理冷風(fēng)的AHU風(fēng)機停滯、水系統(tǒng)流量不夠或制冷機組不制冷等都可能是問題出現(xiàn)的原因，具體診斷就需要對其他的數(shù)據(jù)進行分析以確定問題的來源。如果這樣的問題長期存在，室內(nèi)一直保持30℃的高溫，會對人體造成不利影響，自動檢測與診斷則可以及早發(fā)現(xiàn)并協(xié)助解決問題。

4能耗預(yù)測

建筑能源系統(tǒng)正在向著越來越智能化的方向發(fā)展，一項重要的技術(shù)就是對建筑能耗的預(yù)測并做出需求響應(yīng)。根據(jù)樓宇系統(tǒng)中各系統(tǒng)包括暖通空調(diào)、照明等歷史數(shù)據(jù)的分析，可以對能耗未來的發(fā)展趨勢做出預(yù)測，這樣可以根據(jù)需要提前做出規(guī)劃和調(diào)整。一個典型的市場應(yīng)用是在供電高峰時段發(fā)電廠根據(jù)樓宇的用電功率征收費用，而樓宇的突然增容會造成電廠發(fā)電機組的額外運轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生高額的罰款。通過對能耗的預(yù)測便可以在增容之前做出調(diào)整，降低空調(diào)系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)以避免增容，或利用智能電網(wǎng)切換到更便宜的供電來源。能耗預(yù)測也可以對樓宇系統(tǒng)進行“超前控制”以減少傳統(tǒng)“跟隨控制”中各設(shè)備的滯后效應(yīng)。

對能耗預(yù)測的技術(shù)核心是機器學(xué)習(xí)，常用技術(shù)是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即模仿人的神經(jīng)元節(jié)點互相交互信息并學(xué)習(xí)問題的一種智能控制模型。無數(shù)個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間相互建立聯(lián)系、傳遞信息并學(xué)習(xí)規(guī)律，經(jīng)過一定數(shù)據(jù)量的機器學(xué)習(xí)后便可對發(fā)展趨勢做出預(yù)測。將樓宇系統(tǒng)的各個歷史數(shù)據(jù)(如室內(nèi)溫濕度、冷凍水流量、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、室外溫濕度、太陽輻射等數(shù)據(jù))代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，經(jīng)過學(xué)習(xí)分析便可以找到能耗與各參量之間的變化規(guī)律，從而預(yù)測在未來的時間段內(nèi)樓宇系統(tǒng)的能耗水平。

5系統(tǒng)優(yōu)化

建筑能源系統(tǒng)中除了對單一設(shè)備、環(huán)節(jié)上進行節(jié)能控制外，還應(yīng)該在整個系統(tǒng)層面通盤考慮，找到最優(yōu)化的節(jié)能方案。例如，當(dāng)某一房間制冷負(fù)荷提高后，可有多種控制案擇可選：增大風(fēng)機盤管末端風(fēng)機轉(zhuǎn)速、增大冷凍水流量、降低冷機供水溫度。而系統(tǒng)優(yōu)化則是計算各種方案的能耗水平，智能選擇最節(jié)能的解決方案，并且不間斷地對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)整。目前實際應(yīng)用的優(yōu)化算法有很多，涉及面也很廣，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人工智能理念也引入智能樓宇領(lǐng)域中，將系統(tǒng)優(yōu)化提升到新的高度，智能主體就是其中之一。智能主體是人工智能技術(shù)中強化學(xué)習(xí)的概念，它假設(shè)一個復(fù)雜的大系統(tǒng)由若干個相對獨立的智能主體組成，每個智能主體都可以感知環(huán)境變化對自己的影響，也可以判斷自己的變化對環(huán)境的影響，再根據(jù)需要將不同主體相互組合便可以做出智能的控制。對于一個樓宇系統(tǒng)來說，一個水泵、一個空調(diào)末端、一個控制器、甚至一個人都可以是一個智能主體，將不同主體根據(jù)制定的規(guī)則進行組合便可以實現(xiàn)對節(jié)能的控制、對室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化以及對人的行為習(xí)慣的監(jiān)控。

6結(jié)束語

本文主要介紹了國外建筑能源管理系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括高等控制策略、自動故障檢測診斷、能耗預(yù)測和系統(tǒng)優(yōu)化。目前，我國在這些領(lǐng)域技術(shù)還相對落后，尤其是自動故障檢測診斷、能耗預(yù)測和系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用還比較少，隨著智能樓宇系統(tǒng)的不斷普及和節(jié)能需求的不斷提高，這些技術(shù)將在我國建筑節(jié)能領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展空間。

國際建筑能源管理關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀概論

劉然

(中國建筑設(shè)計咨詢有限公司，北京 100120)

摘要介紹了國際主流樓宇自動控制系統(tǒng)的基本技術(shù)架構(gòu)，著重講解在建筑能源管理方面一些前沿的關(guān)鍵技術(shù)，包括高等控制策略、自動故障檢測與診斷、能耗預(yù)測以及系統(tǒng)優(yōu)化。分析了幾項技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和具體應(yīng)用，并提出了我國在相關(guān)領(lǐng)域的不足之處。

關(guān)鍵詞建筑能源管理高等控制策略自動故障檢測診斷能耗預(yù)測系統(tǒng)優(yōu)化