建筑能耗在總能耗中的比例，反映了一個(gè)國家或地區的經(jīng)濟發(fā)展水平和生活質(zhì)量。目前主要發(fā)達國家的建筑能耗均已占社會(huì )總能耗的1/3左右。我國建筑能耗比例雖然不及發(fā)達國家，但由于建筑市場(chǎng)的飛速發(fā)展，建筑能耗占總能耗比例逐年上升。資料顯示，未來(lái)幾年內寫(xiě)字樓、公寓、飯店、會(huì )展中心等大型公共建筑會(huì )大幅度增加，在2020年前我國將新增約10億m2大型公共建筑。而我國約90%以上的大型公共建筑是典型的耗（電）能大戶(hù)，在能源需求日趨緊張的情況下，采用多種手段實(shí)現建筑節能是必然的選擇。如何進(jìn)行建筑能耗量化管理以及效果評估，降低建筑運行過(guò)程中所消耗的能量，包括空調、照明、采暖、電梯以及辦公設備等的能耗，從而降低運行成本，成為大樓業(yè)主最為關(guān)注的問(wèn)題。

　　要想降低能源消耗就必須采取有效的方式管理能源。對于一棟現代化的大樓而言，在沒(méi)有安裝BEMS的時(shí)候，由于很難了解大樓內空調、照明等耗能設備的運行情況，統計顯示有35%～50%的能源因此而浪費。另一方面，工業(yè)和商業(yè)用電付費時(shí)有一個(gè)參數是要加以考慮的：契約用電容量。耗能設備全部運行時(shí)會(huì )產(chǎn)生很強的用電需求，一個(gè)月中哪怕只有15～20分鐘的用電負荷超出契約容量，全月的基本電費仍基于最高負荷收費。統計顯示這些額外的費用通常占企業(yè)用電帳單的25%[2]。

　　BEMS就是將建筑物或者建筑群內的變配電、照明、電梯、空調、供熱、給排水等能源使用狀況，實(shí)行集中監視、管理和分散控制的管理與控制系統，是實(shí)現建筑能耗在線(xiàn)監測和動(dòng)態(tài)分析功能的硬件系統和軟件系統的統稱(chēng)。它由各計量裝置、數據采集器和能耗數據管理軟件系統組成。BEMS通過(guò)實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監控和分析管理實(shí)現以下效果：1）對設備能耗情況進(jìn)行監視，提高整體管理水平;2）找出低效率運轉的設備;3）找出能源消耗異常;4）降低峰值用電水平。BEMS的最終目的是降低能源消耗，節省費用。

    2 標準

　　在進(jìn)行BEMS產(chǎn)品設計和節能項目技術(shù)方案設計時(shí)，參考了目前國際上和國內現行的一些能源管理系統方面的相關(guān)標準，尤其在BEMS數據遠傳接口中符合了國家現行的相關(guān)標準規范的規定。

　　2.1國際標準

　　1）IEEE Std 739-1995, 《IEEE Recommended Practice for Energy Management in Industrial and Commercial Facilities》

　　由美國電氣電子工程師學(xué)會(huì )頒布，給出了工業(yè)和商業(yè)企業(yè)系統中各系統和設備能量消耗監控和管理的指導性建議。如何做能源審計，以考察各設備有無(wú)能源浪費現象。對于照明系統、空調系統、電機、空壓機等系統分別給出了能效判斷和提高能效的方法。

　　2）《IPMVP國際節能效果測量和認證規程》

　　由國際節能效果測量和認證規程委員會(huì )頒布，MVP為確認能效、節水和可再生能源項目實(shí)施效果提供了現有最佳技術(shù)的總體情況。

　　2.2國內標準

　　為能耗統計、能源審計、能效公示、用能定額和超定額加價(jià)等制度的建立準備條件，促使辦公建筑和大型公共建筑提高節能運行管理水平，住房和城鄉建設部在2008年6月正式頒布了一套國家機關(guān)辦公建筑及大型公共建筑能耗監測系統技術(shù)導則，共包括5個(gè)導則（以下統稱(chēng)《導則》）：《分項能耗數據采集技術(shù)導則》;《分項能耗數據傳輸技術(shù)導則》;《樓宇分項計量設計安裝技術(shù)導則》;《數據中心建設與維護技術(shù)導則》;《系統建設、驗收與運行管理規范》。

　　在進(jìn)行產(chǎn)品設計時(shí)，主要參考了《分項能耗數據采集技術(shù)導則》、《分項能耗數據傳輸技術(shù)導則》和《樓宇分項計量設計安裝技術(shù)導則》?！斗猪椖芎臄祿杉夹g(shù)導則》規定了統一的能耗數據分類(lèi)、分項方法及編碼規則，為實(shí)現分項能耗數據的實(shí)時(shí)采集、準確傳輸、科學(xué)處理、有效儲存提供支持?！斗猪椖芎臄祿鬏敿夹g(shù)導則》規定了能耗監測系統中能耗計量裝置、數據采集器和各級數據中心之間的能耗數據傳輸過(guò)程和格式?！稑怯罘猪椨嬃吭O計安裝技術(shù)導則》統一了樓宇分項計量和冷熱量計量的方法。

　　根據建筑的使用功能和用能特點(diǎn)，《導則》將國家機關(guān)辦公建筑和大型公共建筑分為8類(lèi)：1）辦公建筑;2）商場(chǎng)建筑;3）賓館飯店建筑;4）文化教育建筑;5）醫療衛生建筑;6）體育建筑;7）綜合建筑;8）其它建筑（指除上述7種建筑類(lèi)型外的建筑）。

　　對于每一類(lèi)建筑，需要采集的數據指標分為建筑基本情況數據和能耗數據采集指標大兩類(lèi)。建筑基本情況數據包括建筑名稱(chēng)、建筑地址、建設年代、建筑層數、建筑功能、建筑總面積、空調面積、采暖面積、建筑空調系統形式等表征建筑規模、建筑功能、建筑用能特點(diǎn)的參數。能耗數據采集指標包括各分類(lèi)能耗和分項能耗的逐時(shí)、逐日、逐月和逐年數據，以及各類(lèi)相關(guān)能耗指標。各分類(lèi)能耗、分項能耗以及相關(guān)能耗指標的具體內容見(jiàn)下表。

　　《導則》中規定了能耗數據圖表展示方式應直觀(guān)反映和對比各項采集數據和統計數據的數值、趨勢和分布情況，并給出了多種數據圖表展示方式的建議，比如餅圖、柱狀圖、線(xiàn)圖、區域圖、分布圖、混合圖、甘特圖、儀表盤(pán)或動(dòng)畫(huà)等。

　　為保證能耗數據可進(jìn)行計算機或人工識別和處理，保證數據得到有效的管理和支持高效率的查詢(xún)服務(wù)，實(shí)現數據組織、存儲及交換的一致性，《導則》制定了能耗數據遠傳的編碼規則，并詳細制定了代碼結構。

    3 研華樓宇能源管理系統

　　研華樓宇能源管理系統BEMS的設計開(kāi)發(fā)基于第二節中所闡述的國際國內標準，同時(shí)借鑒了目前市場(chǎng)上主要廠(chǎng)家的產(chǎn)品。

　　研華BEMS由硬件設備和軟件系統組成。硬件設備中計量表和采集器的選型可參照《導則》中的規定，用于對用電設備的數據采集和存儲分析。軟件系統基于WebAccess組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，繼承了WebAccess可組態(tài)、可遠程維護等一系列的優(yōu)點(diǎn)。包括兩個(gè)子系統：能耗監測與管理子系統和需量控制子系統。能耗監測與管理子系統采集、監視、管理和控制樓宇中的各種分類(lèi)和分項能耗數據，提供豐富的數據圖表和報表展示方式以及數據統計分析功能，幫助用戶(hù)隨時(shí)隨地的掌握能源消耗情況，并找出能源使用異常、建立能源削減計劃。能耗監測與管理子系統嵌在WebAccess的工程節點(diǎn)和監控節點(diǎn)，能耗數據由WebAccess監控節點(diǎn)采集，工程節點(diǎn)可配置能源管理工程，存儲、統計、分析能耗數據，并提供Web服務(wù)進(jìn)行數據圖表展示。需量控制子系統運行在WebAccess的監控節點(diǎn)，通過(guò)對能耗數據的實(shí)時(shí)采集與計算，采用先進(jìn)的控制算法限制峰值用電需求，降低用電成本。需要特別指出的是，由于BEMS可組態(tài)的優(yōu)點(diǎn)使得BEMS的應用范圍不僅僅局限于樓宇行業(yè)。對于工業(yè)企業(yè)用電，比如鋼鐵、石油化工等企業(yè)，通過(guò)用戶(hù)的靈活組態(tài)，同樣可以實(shí)現這些企業(yè)的能源管理。

　　研華BEMS能源管理系統幫助用戶(hù)實(shí)現以下需求：

　　1）建立實(shí)時(shí)能耗數據采集系統

　　實(shí)時(shí)能耗數據采集系統包括各計量裝置、數據采集器和數據采集軟件。實(shí)時(shí)數據保存到能源管理系統的能耗數據庫中，各級管理人員在自己的辦公室里就可以利用瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)能源管理系統，根據權限瀏覽全部或部分相關(guān)能源計量信息。

　　2）建立能耗數據統計與分析系統

　　能耗數據統計與分析功能提供各分類(lèi)分項能耗數據的逐時(shí)、逐日、逐月、逐年的統計圖表和文本報表，以及各類(lèi)相關(guān)能耗指標的圖表，各級管理人員可以對能源的班用量、日用量、月用量進(jìn)行比對，分析能源使用過(guò)程中的漏洞和不合理情況，調整能源分配策略，減少能源使用過(guò)程中的浪費，達到節能降耗之目的。

　　3）建立能源使用計劃

　　根據目前的能源使用情況，做出能源使用計劃。根據能源使用需求，制訂能源采購、生產(chǎn)、供應計劃，做到生產(chǎn)有目的，使用有計劃，在能源方面保障生產(chǎn)平穩且能源使用合理、節儉，避免浪費現象發(fā)生。

　　4）建立能源折標系統

　　對于不同種類(lèi)能源的使用情況，必須折合成標準單位才能進(jìn)行比較和綜合，建立能源折標系統，以便能對不同的能源進(jìn)行合并比較。

　　5）建立需量控制系統

　　用戶(hù)通過(guò)組態(tài)的方式確定負荷組、負荷和契約容量信息。需量控制系統自動(dòng)預測下一個(gè)時(shí)刻需量，根據負荷卸載優(yōu)先級別卸載或恢復負荷，確保系統需量不超過(guò)峰值契約容量，免受罰款或停電。

　　3.1能耗監測與管理子系統

　　能耗監測與管理子系統由各計量裝置、數據采集器、管理系統（Web服務(wù)器）組成，它幫助用戶(hù)建立實(shí)時(shí)能耗數據采集系統、能耗數據統計與分析系統、能源使用計劃和能源折標系統。

　　3.1.1系統架構

　　下圖給出了能耗監測與管理子系統的系統架構圖。系統采用三層的分布式結構。

　　各種計量裝置用來(lái)度量各種分類(lèi)分項能耗，包括電能表（含單相電能表、三相電能表、多功能電能表）、水表、燃氣表、熱（冷）量表等。計量裝置具有數據遠傳功能，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與數據采集器連接，可以采用多種通訊協(xié)議（如MODBUS標準開(kāi)放協(xié)議）將數據輸出。WebAccess的監控節點(diǎn)為能耗監測與管理子系統的數據采集器。管理系統設在WebAccess的工程節點(diǎn)，數據采集器通過(guò)以太網(wǎng)將數據傳至管理系統的數據庫中。用戶(hù)在WebAccess的工程節點(diǎn)可以對能源管理工程進(jìn)行組態(tài)和瀏覽能耗數據。管理系統的通訊接口可以將能耗數據按照《國家機關(guān)辦公建筑及大型公共建筑分項能耗數據傳輸技術(shù)導則》遠傳至上層的數據中轉站或省部級數據中心。

　　3.1.2數據的組織方式

　　能耗監測與管理子系統提供靈活的組態(tài)功能，用戶(hù)可以根據實(shí)際需要配置能源管理工程。能源管理工程下可包含多個(gè)能源管理組，能源管理組包含多個(gè)能源管理成員，也可包含能源管理組。以某大樓為例，配置好的能源管理組表示了該大樓的各分類(lèi)和分項能耗。

　　3.1.3系統功能

　　1）能耗報告（Energy Profile）

　　各能源管理組逐時(shí)、逐日、逐月、逐年能耗值報告，幫助用戶(hù)掌握自己的能源消耗情況，找出能源消耗異常值。單位面積能耗（EUI）等多種相關(guān)能耗指標報告為能耗統計、能源審計提供數據支持。溫度、濕度參考功能幫助分析能耗數據與環(huán)境數據的相關(guān)性。

 

　　2）能耗排名（Energy Ranking）

　　不同時(shí)間范圍下能源管理組的能耗值排序，幫助找出能效最低和最高的設備單位。

　　3）能耗比較（Energy Comparison）

　　不同時(shí)間范圍內能源管理組能耗值的比較。

　　4）日平均報告（Average Daily Profile）

　　任何一天每15分鐘平均能耗需求的報告。幫助用戶(hù)了解自己的能耗模式并找出超出預期的峰值需求，為與電力公司簽訂合同時(shí)提供參考。
 

　　5）偏差分析（Deviation Report）

　　任何一天不同時(shí)段能耗值與管理設定值的偏差表示。紅色偏差值表示實(shí)際能耗值超出了能耗使用計劃值，指出能源消耗的增加傾向。

　　6）最大值/最小值分析（Max/Min Value Analysis）

　　不同時(shí)間范圍內能耗值的最大值/最小值分析?？梢苑治龈飨到y和設備能源消耗與時(shí)間的相關(guān)關(guān)系。

　　7）一次能源折算（Primary Energy Profile）

　　將企業(yè)能耗值折算為熱量（MJ）、標準煤以及原油、原煤等一次能源消耗量和相對的CO2釋放量。

　　8）成本報告（Cost Profile）

　　各能源管理組逐日、逐月、逐年能耗費用報告。根據能量表的數據和費率結構計算能耗費用，幫助管理能源成本。用戶(hù)可以設定能耗成本基準，根據與實(shí)際成本偏差去設定預算，有助于減少能源采購中的風(fēng)險。

　　9）成本排名（Cost Ranking）

　　不同時(shí)間范圍下能源管理組的成本值排序。幫助找出能源消費最低和最高的設備單位。

　　10）統計報表（Statistical Report）

　　分類(lèi)和分項能耗數據的年/月/日統計報表。讓用戶(hù)對企業(yè)能源消耗情況一目了然，并能幫助用戶(hù)合理分配能源使用結構。

　　3.2 需量控制子系統

　　需量控制子系統（Demand Limiting，以下簡(jiǎn)稱(chēng)DL）通過(guò)調整負載的使用降低高峰時(shí)的用電需量，來(lái)減少額外的付費，從而減少企業(yè)長(cháng)期的能源花費。在用電負荷功率曲線(xiàn)圖中，若當前用電需量趨近峰值契約容量時(shí)，就應該采取措施來(lái)降低用電需量，這個(gè)過(guò)程如下圖所示。

　　DL將負荷分組。一個(gè)監控節點(diǎn)可以有多個(gè)負荷組，但每個(gè)負荷組必須對應一個(gè)或一組契約。每個(gè)負荷組的控制運算獨立進(jìn)行，DL將負荷按照6個(gè)卸載級別分類(lèi)。DL每分鐘處理以下過(guò)程：

　　1）DL讀取計量表輸入;

　　2）DL預測需量周期內的功率需求。當功率需求超過(guò)峰值契約容量設定，DL計算需要調整的功率值，這個(gè)功率值就是DL需要卸載的量。

　　3）當預測功率需求超過(guò)峰值契約容量設定，DL首先選擇卸載級別為6的負荷進(jìn)行卸載，直到達到卸載目標。DL循環(huán)卸載可卸載的設備。

　　以下條件下的負荷不能卸載：

　　a） 負荷被鎖;

　　b） 負荷不在線(xiàn)，或處于報警狀態(tài)

　　c） 負荷已經(jīng)處于卸載狀態(tài)或低于卸載級別

　　d） 負荷運行時(shí)間小于最小運行時(shí)間

　　e） 負荷剛剛被DL卸載并恢復，但恢復時(shí)間小于最小恢復時(shí)間。

　　4）如果卸載級別為6的負荷全部被卸載，DL開(kāi)始卸載級別為4的負荷，直到滿(mǎn)足要求。

　　5）如果卸載級別為4的負荷全部被卸載，DL開(kāi)始卸載級別為3的負荷，直到滿(mǎn)足要求。直到卸載級別為1的負荷。

　　6）如果卸載全部可卸載的負荷仍不能滿(mǎn)足要求，DL產(chǎn)生報警通知。

　　7）每個(gè)負荷屬性中有最短卸載時(shí)間，DL比較每一個(gè)負荷被卸載的時(shí)間，滿(mǎn)足要求時(shí)，DL可以恢復負荷，恢復負荷的順序與卸載相反。

　　DL在運行態(tài)下負荷組圖和負荷明細圖如下所示。點(diǎn)擊負荷組可以查看該負荷組的運行數據顯示和需量周期內的功率曲線(xiàn)。負荷明細圖中可以查看各負荷狀態(tài)，也可對負荷進(jìn)行控制。

    4 BEMS在建筑節能中的應用

　　樓宇中安裝BEMS系統后，就如同有了“眼睛”、“神經(jīng)系統”、“大腦”和“四肢”，通過(guò)“眼睛”可以了解能源消耗狀況，現場(chǎng)總線(xiàn)、通訊網(wǎng)絡(luò )組成“神經(jīng)系統”收集數據，通過(guò)“大腦”判斷能耗浪費和異常，通過(guò)“四肢”來(lái)執行“大腦”發(fā)出的指示。不過(guò)能源管理系統只是節能工作中的一個(gè)重要手段，在日常的能源管理事務(wù)中，能源管理師更多地扮演了“大腦”的角色，他使用BEMS這個(gè)工具獲得數據，對數據進(jìn)行分析，并做出決策，最終達到節省能源，節省成本的目的。節能不是一簇而就的，它是一個(gè)不斷循環(huán)、不斷反饋、不斷優(yōu)化的過(guò)程。

　　如前所述，不同類(lèi)型的樓宇有不同的能耗特點(diǎn)，本節分別選取辦公建筑和商場(chǎng)建筑為例來(lái)簡(jiǎn)要說(shuō)明BEMS在建筑節能中的應用。

　　4.1 辦公建筑

　　1）了解建筑概況

　　某辦公大樓共13層，工作時(shí)間為周一至周五的8：00-18：00（午間休息 1小時(shí)），周末及節假日休息。1樓為店面，2-13樓全部為辦公用標準層?？偨ㄖ娣e8625 m2 ，空調建筑面積7300 m2 。采用新風(fēng)機組加風(fēng)機盤(pán)管系統。冷源為2臺桿式冷水機組，熱源為中央熱水機組。每臺冷水機組分別配2臺冷凍水泵和2臺冷卻水泵。記錄大樓內主要耗能設備的額定功率值。

　　2）建筑能耗結構分析

　　下圖是由BEMS得到的統計圖表，顯示了某年度該辦公樓空調系統、照明系統、辦公及其它設備的耗電比例。從圖中可以看出空調系統所占能耗比例很大，因而進(jìn)一步分析空調能耗。

　　下圖給出了空調系統內各部分能耗比例。從圖中可發(fā)現，冷熱水機組所占的比例最大，達到54%。除此之外，末端設備全年耗電比例達25%。水輸送系統（冷卻水泵、冷凍水泵）的能耗比例也相當大，達18%。

　　3）建筑能耗逐時(shí)/日/月/年分析

　　逐時(shí)、逐日、逐月、逐年能耗圖幫助了解分析建筑能耗模式，并能找出能耗異常。下圖中顯示了該辦公樓夏季一典型日內各設備的逐時(shí)耗電量。各部分的耗電量從上午7時(shí)開(kāi)始上升，下午18時(shí)開(kāi)始下降，其間中午出現小幅回落。上午7時(shí)到9時(shí)期間出現電梯使用的高峰，同時(shí)空調能耗也開(kāi)始增加。中午休息使得空調、照明、辦公設備的能耗出現回落，但幅度不大。晚上20時(shí)到22時(shí)照明、通風(fēng)等仍有部分能耗。

　　4）節能潛力分析

　　由于辦公建筑的使用功能決定了建筑內照明系統和辦公設備能耗基本是穩定的，對全年建筑能耗的變化影響不大。照明系統節能體現在日常的管理中，比如人走關(guān)燈，更換節能燈等。

　　對于耗能主體——空調系統，根據其運行記錄，找出主要節能措施如下：

　　a）主機配備容量偏大。大部分時(shí)間只開(kāi)1臺主機，配1臺冷凍水泵、1臺冷卻水泵就能滿(mǎn)足需求。

　　b）空調水系統運行存在大流量、小溫差的問(wèn)題。應增大送回水溫差，減小水流量，同時(shí)采用變流量技術(shù)。

　　c）室內溫度設定偏低，增加了能耗。應將室內溫度和相對濕度設定分別提高。

　　4.2 商場(chǎng)建筑

　　1）了解建筑概況

　　某大型商場(chǎng)建筑面積約51萬(wàn)m2，空調建筑面積約38萬(wàn)m2，冬季燃氣鍋爐供暖，夏季以離心式制冷機為冷源，采用定風(fēng)量全空氣系統，共有不同型號的空調箱530臺。

　　2）建筑能耗結構分析

　　下圖顯示了某年度該商場(chǎng)空調系統、照明系統、電梯系統的耗電比例。從圖中可以看出空調系統和照明系統所占能耗比例很大。

　　商場(chǎng)空調系統能耗大主要由其負荷狀況決定。比如，一些商場(chǎng)建筑的維護結構采用玻璃幕墻等熱量易穿透材料構建，圍護結構冷負荷十分巨大。由于商品展示等需求，室內照明負荷大。此外，商場(chǎng)人員密集，來(lái)自人體的熱負荷成為商場(chǎng)空調系統負荷的一個(gè)很重要部分。因此商場(chǎng)空調系統能耗比重較大。

　　空調系統各設備能耗比例如下圖所示。其中，制冷機耗電占23%，冷凍水泵、冷卻水泵和冷卻塔等水系統合計占11.6%。由于該商場(chǎng)采用全空氣空調系統，空調箱風(fēng)機全年運行，因此空調箱風(fēng)機耗電比例65.4%，浪費最嚴重，節能潛力最大。

　　3）建筑能耗逐時(shí)/日/月/年分析

　　整個(gè)商場(chǎng)某年全年用電情況如下圖。

　　4）節能潛力分析

　　對于空調系統，可參考得主要節能策略有：

　　a）空調箱風(fēng)機的變頻調節

　　b）充分利用新風(fēng)自然冷源

　　c）通過(guò)風(fēng)壓控制避免冷熱不均

    5 總結

　　2008年4月1日起我國開(kāi)始施行《節約能源法》，使節約能源成為了一項基本國策?！妒晃寰V要》中提出了“建設資源節約型、環(huán)境友好型社會(huì )”的號召。在建筑節能方面，國家推出了一系列政策，2020年我國用于節能建筑項目的投資至少是1.5萬(wàn)億，BEMS的市場(chǎng)前景是很廣闊的。

    研華自動(dòng)化樓宇事業(yè)部

　　研華科技自1983年創(chuàng )立以來(lái)，致力于為客戶(hù)提供高品質(zhì)、高性能的產(chǎn)品和服務(wù)。研華自動(dòng)化作為研華科技第一個(gè)業(yè)務(wù)集團，重點(diǎn)關(guān)注四大垂直行業(yè)：樓宇節能、機械制造、電力能源及智能交通。研華自動(dòng)化為樓宇節能客戶(hù)提供先進(jìn)的系統產(chǎn)品和專(zhuān)業(yè)及時(shí)的技術(shù)服務(wù)，針對樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)自主研發(fā)基于Web的iBAS樓宇自動(dòng)控制系統和BEMS建筑能源管理系統。整個(gè)系統以Web技術(shù)為核心，通過(guò)BEMS豐富的圖形報告和數據解析的功能，幫助用戶(hù)掌握和分析能源消耗情況，并做出決策，通過(guò)iBAS系統對用電設備進(jìn)行有序加載或者減載動(dòng)作，達到節約能源的目的。

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