从节能的视点看基于IT的楼宇生命周期管理技术

近年来，中国的经济增长显著，以远远超过世界平均水平的势头长期持续增长。但是，满足这种经济增长所必需的能源供给和需求之间存在着明显的失衡现象，必须尽快采取措施。本文对在民生部门的办公大楼中应用基于IT的楼宇生命周期管理技术，以实现节能的方法进行了说明。
松下电工株式会社 黄吉文 十河知也 寺野真明 福永雅一
近年来，中国经济以远远超过世界平均发展水平的势头长期持续增长。但是，满足这种经济增长所必需的能源，却在其供求方面存在着严重失衡的现象，应尽快采取有效措施。
日本也存在着这种状况，已构成严重的社会问题。本文将结合实际实验数据，介绍在建筑设备（特别是民生部门的办公大楼等）中，应用基于IT的节能管理技术，提高节能效果的方法。即
（1）对于有旧设备的建筑物，采取推进实际能耗的可视化，减少浪费、提高效率及整修老化设备等措施。
（2）对于节能型新设备，通过初始调整和最佳的使用，从而充分发挥设计性能或取得超过设计性能的效果。
关键词/Keywords
信息技术（IT）•
楼宇能源管理系统（BEMS）•
节能•
生命周期管理•
生命周期管理•
楼层统一控制系统•
协调控制•
相关背景介绍
1．GDP与能源消耗量
近年来，中国经济以令人震惊的速度持续增长，2005年上半年的经济增长率达9.5%，远远超过了世界的实际经济增长率（3.5%）。从能源供求的角度看，与1980年相比，经济规模是彼时的8倍，而能源供给仅增长到彼时的3.3倍，实际上满足不了经济增长的需求。表1显示了世界国民生产总值与能源需求总量之间的关系，中国生产每一单位GDP所需的能源消耗是日本的10倍。另外，由于中国大量利用以丰富的煤炭资源为中心的火力发电，所以实际排放的CO2将达到日本的11倍。
无论对于今后的中国还是对于全球环境，上述状况都是亟需应对的课题。特别是需求方必须在抑制能源使用量的同时提高生产率。特别是关于节能，不仅在工厂的生产现场，而且在商业大楼等民生建筑物内，也必须掌握能源消耗的实际状况，通过采取改善建筑结构、进行节能控制及应用管理系统等措施，不断地进行节约能耗的尝试。


2．旧本的节能工作
世界各国以京都议定书（COP3）为目标推进节能工作。在此，对日本的节能工作予以介绍。
COP3中，将与1990年相比6%的节能目标的实现规定为日本的义务。如表1所示，日本与其他国家相比，GDP相对应的能耗量抑制在很小的水平，迄今为止的实际节能成绩相当好。虽然如此积极地推进节能工作，但与1990年度相比，2002年度的能耗量实际上增加了7.6%，与规定的削减目标之间的差距反而扩大到13.6%。为改善这样的现状，必须采取从单一设备到设施、从某一地区（或城市）到全社会范围的全面节能和CO2排放削减措施，见表2。特别是对于与产业部门相比，还未采取充分措施的民生部门（如办公大楼、店铺、学校、医院等），必须从提高设备的效率、支援高效设备普及、利用削减待机耗电量等设备的节能促进开始，进一步提高到彻底的管理、性能的提高、BEMS的普及等设施总体的节能促进工作。
但是，即使在日本，也仅仅在节能法所规定规模的建筑物或在楼宇管理中节能意识较高的建筑物才实施这样彻底的节能工作，除此之外的建筑物节能工作也并不充分。


节能的尝试
1．利用PDCA周期进行管理
在对楼宇的能耗和环境进行管理和改善之外，在设计、施工、使用、维修和更新这样的楼宇生命周期中，必须配合PDCA周期来考虑节能工作。如图1所示，利用PDCA的楼宇节能管理是指：构思可实现节能和环境改善的建筑结构及节能设备的引进计划（Plan），并实际建设和施工（Do），在使用中确认（Check）建筑物的实际状况的同时，研究（Action）进一步的改善措施，以上这一连串的周期，到建筑物废弃为止，连续进行循环。
2．信息技术的应用与节能
如上所述，通过PDCA周期的循环，可实现节能和成本节约，但为使之周期循环，必须在取得建筑物信息并进行正确的分析的基础上，提出改善措施并进一步


进行确认。因此，为高效地收集积累大量的数据，采取应用信息技术的措施已越来越普遍了。
近年来，以大规模楼宇为中心，引进了应用IT的楼宇能源管理系统（BEMS，Building and Energy Management System），大幅提高了节能效果。如图2所示，BEMS具备可节能的自动控制功能、中央监视功能、机器间的通信功能、数据积累和分析功能（包括可视化功能）、报告功能等能量管理和设备管理所必需的功能。现在的民生部门的建筑物，由于没有进行精细的管理，多数能耗很高而且不够环保。通过应用网络收集和积累各种设备的使用数据和环境数据，并对此加以分析和诊断，可简单并迅速地发现建筑物内存在的能量的浪费与设备的故障和老化信息，从而对节能作出巨大贡献。


3．楼层统一型控制系统和协调控制
20世纪90年代前半期，以自动控制为中心的楼宇自动化（BA）系统中，为遵循控制盘制造商的专用通信方式，在各子系统装载通信界面是当时的主流。如图3所示，这样的系统存在：（1）数据的通信量不太大，（2）没有统一的通信规格，（3）子系统处于纵向联系状态，没有进行子系统之间相互协调的高度复杂的控制等问题。
在这些问题之中，关于（1）和（2），随着以Lon Works协议和BA Cnet协议为代表的开放式网络的开发，制造商之间已可以共同对大量数据进行处理。但对于（3）的问题，由于其纵向联系的结构，系统间的通信非常困难。


随着节能技术的发展，由于单个系统的节能变得越来越困难，以楼层和区域进行划分，以1台控制器对空调、照明等各种设备进行管理的楼层统一型控制系统诞生了。这种系统的特点是通过用楼层统一控制器对空调、照明、电力等设备机器的数据进行统一管理和综合利用，把到目前为止所采取的实现个别控制的最优化变为实现整个系统的最优化。
全部系统按楼层与区域进行结合，因此必须具备与所管理的全部子系统相关的知识和能使全部系统统一动作的系统综合技术。另外，为使在综合型系统中所引进的节能控制充分发挥作用，对系统进行性能检证（调整试验）、将其调整到最佳状态也很重要。不进行充分的系统调整，有时不论怎样引进节能设备、控制，也不能显示出效果，因此，性能检证在今后的节能推进中是必不可少的。
其次，如果实现了楼层统一型控制系统，为使连接的设备机器统一动作，必须具备协调控制技术。以建筑物内的设备各自具有的信息为本，通过与其它系统进行协调运行，可使迄今为止未能实现的节能得以实现。其中一例如图4所示，是百叶窗、照明和空调的最优化协调控制。积极活用百叶窗，通过向空调和照明反馈其数据，在维持舒适的视觉环境的同时，可决定使空调的能耗量最小化的百叶窗角度和照明输出，使比单体更高效的节能得以实现。


办公大楼的节能事例介绍
在此，对办公大楼的节能实例予以介绍。如表3所示，目标建筑物位于大阪，面积约20,000m2，地上8层，顶部有2层小屋、已建成15年，属于中等规模的办公楼。


在此建筑物内，对各种有关节能的方法进行了研究，如表4所示，以通过更新BEMS而得到的热源、空调、照明的相关数据为基础，正在推进以下3种节能手法（见图5）：①通过合理使用来减少浪费。②通过最优化调整来改善性能。③修理节能设备。以下通过各种各样的事例对这些节能手法予以说明。
1．通过找出浪费和改善使用来节能
图6表示目标大楼7层东侧的照明用电量随时间而推移。在通常的使用状况下，夜间的照明用电量约为0，但从图上可看出第二天夜间的照明耗电量却为24kW•h。这相当于一天的能耗量的6%，能量的浪费情况相当严重。这个问题虽然可通过随时巡视现场来解决，但这样做很费劳力。因此，以前对这样的浪费都得过且过，置之不理。但是，通过活用BEMS，收集并分析数据，就可以找出能量的浪费，




从而能简单地实现节能。
2．通过最优化调整来节能
其次，通过最优化调整实现节能的事例，对与送水系统设备的送水压力和变频器控制相关的最优化调整予以说明。
在目标大楼内，设有4台运送冷水用的二次泵，全部都采用变频运转。但是，在本建筑物没有进行充分的调整，


因此实际送水温度比设计的要高，运送所消耗的能量过多。这与以下两个问题有很大关系：①送水压力设定问题。②二次泵的增减段时机问题。
因此进行调整，对在确保末端压力的同时可充分送水的压力进行调查，将送水压力设定变更为0.20MPa，将增段时机提前10%（以流量计约为12m3/h），使变频器不在高频状态下运转。调整的结果，如图7所示，耗电量减少了约48%，通过改善送水温度（8℃）、