某写字楼自动化及BEMS节能分析

1、前言
        2012年8月份，国务院办公厅印发了《节能减排“十二五”规划》，在十二五期间，不仅是工业领域，民用领域也纳入到了节能减排政策当中。我国政府大力推进节能减排技术 ，以前只是将大型工厂、大型楼宇作为节能减排对象，而现在，中小规模的工厂、楼宇也纳入到节能减排的范围之内。工业方面，《规划》提出提出单位工业增加值（规模以上）能耗下降21％左右，并对火电、钢铁、水泥、电解铝等主要高耗能产品的单位产品能耗提出了目标要求。建筑方面，《规划》提出北方采暖地区既有居住建筑供热计量和节能改造4亿平方米以上，新建建筑施工阶段节能标准执行率达到95％以上，绿色建筑标准执行率达到15％。
       在几年前，随着全球节能的趋势，中国很多企业已经开始加入“节能减排”的行列。一些老的建筑除了更换更加有效率的硬件设备，也有很多构建了自己的EMS能源管理系统。建设一个集中统一的能源管理系统可以实现对能源数据进行在线采集、计算、分析及处理，从而对能源物料平衡、调度与优化、能源设备运行与管理等方面发挥着重要的作用。
       下面以某写字楼改造项目进行自动化和BEMS讲解分析。
2、项目介绍
       该写字楼室内外面积一共35,000平米，针对该写字楼建立能源管理系统BEMS（Building Energy Management System），将建筑物的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水、消防、保安等众多分散设备的运行、安全状况、能源使用状况及节能管理实行集中监视、管理和分散控制的建筑物管理与控制系统。
业主对设备的运行成本、管理成本和管理效率十分重视，楼宇设备管理系统有效地控制设备能耗，完全能够降低运行成本和设备管理成本，提高管理效率；
       在满足舒适性的前提下，楼宇自控系统通过合理组织设备运行，使大楼的运行费用为最低。即以能耗值最低为控制目标，进行优化系统控制。
       通过各种控制器的各种模块达到节能控制，以达到降低能耗，配合自控系统的节能式操作，减少不必要的能源浪费。并在硬件上提供防范性保养，对可能发生的设备问题做出事先维修。

3、系统结构
       该写字楼智能控制系统分为设备层、监控层及管理层三层结构。设备层完成电梯、空调、照明等设备的现场控制；监控层完成状态监控、数据采集、故障报警处理及远程控制；管理层主要负责分析管理等工作。监控层的各工艺环节位置分散，位于中控室的控制中心将进行统一监控，同时本系统具有强大的WEB功能，能使用上网的PC、或者移动终端进行监控。因此本系统具有集中监控、远程控制的特点。控制中心通过亚控科技提供的一整套完整的软件平台体系实现所有信息的观察分析及联动控制。并在大厅配有电子屏幕进行显示。
系统拓扑图如下：

 
3.1数据采集
       末端监测系统的承载对象包括该写字楼变电所、各楼层配电箱、地源热泵空调系统主要用热回路、给水系统计量、光伏太阳能热水计量、室内外温湿度等。本方案的末端监测系统借助于建筑内部网络资源与智能网关可实现末端能耗数据的采集与传输。同时亚控科技的数据采集驱动程序支持LONWorks、BACnet、OPC、SNMP和MODBUS等协议，使各子系统无缝集成，这对该写字楼SCADA系统的集成性变得容易实现。
对该写字楼监测能耗进行分类。分类能耗数据采集为6项，包括电量、水耗量、燃气量（天然气量或煤气量）、集中供热耗热量、集中供冷耗热量、其它能源应用量（集中热水供应量、煤、油、可再生能源等）。建筑电力系统监测对象有空调动力、照明、办公、电梯及其它用电等，还包括热泵机组、暖通空调水泵、空调机组等大型耗电设备。建筑能耗监测系统分类计量如下图所示。

 
3.2 通讯方式
       末端监测系统的最底层为智能电表、智能热表、智能水表、智能温湿度采集模块等。底层的能耗数据采集任务均由智能网关通过485总线利用有线和无线通讯方式将采集数据通过网络上传至能耗监测数据中心。
①实现与末端建筑内安装的智能网关的通讯，即建立各安装采集点的网关与数据中心服务器的实时通讯，身份验证正确后，一直保持通讯链接；
②到采集周期时将网关主动上传的数据包、故障包、反馈包进行解析、接收；
③将正确的数据存入到原始数据库中，实现数据的采集；
④实现断点续传、数据包手工导入、xml数据包有效性检验。
4、智能自动化控制
       该写字楼的智能自动控制可以分成两部分：一是按照时间进行设备的自动启停，二是根据外界环境条件进行设备的启停。
4.1日程表控制
       日程表控制即是按照时间表进行能源设备的启停。此功能可以在用电高峰和用电低峰时期对某些设备进行自动启停控制、模拟量升降控制等达到计划节能目的。
       普通日程表：可以制定每日的预定执行计划时间表、每周的预订执行计划日程表、每年的预定日程表 、达到全天24小时无人自动控制。比如7点至18点上班时间进行公共设备开启，18点至6点进行关闭等自动控制。
       节假日日程表：该写字楼由多家企业租赁，按照每个企业的用户权限，企业可以按照公司的计划安排日程表。特别是节假日日程表。本项目的系统软件提供日历功能，可以标注一年中任何一天为节假日。如果标注为节假日日程，就优先于普通日程表执行设备的启停。该写字楼设定的节假日有：国家法定节假日的日程 、自定义假日日程表 、临时假日日程表

 
4.2事件触发控制
       客户根据自己的需求设定运行配方。比如发生温度降低触发空调关闭事件，某区域用电量触发报警界限值时，按照客户自定设置可能选择性关闭某些设备达到按需节能目的。同时加入紧急事件触发优先处理，比如火灾事件。
       普通事件触发：
          1、温度上下限触发空调的启停
          2、湿度上下限触发加湿机启停
          3、CO2浓度上限制触发换气机启停
          4、光照触发照明开启
          5、用电量累计值触发一些公共区域设备启停
       火灾事件触发：
          1、火灾报警触发重要设备关闭
          2、火灾报警恢复触发设备开启
4.3移动终端监控
       该产品中包含楼宇监控系统中，最常用的画面（C/S,B/S均有），用户无需在手动创建。
       只要将变量导入到系统中，就会自动创建需要的画面 ，比如：日程表，日历等调度功能，以及电力监控、监控点列表、监控盘等也作为标准画面提供给用户。
       该写字楼监控系统具有强大的WEB功能，可以对应任何平台的任何浏览器，而不只是局限于IE 。同时支持iPhone、iPad、以及安卓智能手机、平板电脑。有权限的用户随时使用手机就可以进行设备的启停，计划的制定。

 
4.4标准配置大屏幕展示

       在该写字楼大厅设置42寸的LED屏幕，电子显示屏功能可将楼宇的实时信息传达给更多的用户 。根据楼宇现场的需求，可自由编辑画面内容，显示在大屏幕上，将楼宇的信息实时共享给普通用户。如：正在检测的某个实时数据，某段时间内的数据总和等等
       不同的画面，也可以按照一定的时间间隔进行自动切换，给用户提供更加丰富的信息
4.5监控点维护
       在楼宇的能源管理中，明确掌握哪些设备、在哪些场所，具体消耗的能源是多少  这样的信息极其重要。所以本项目的能耗监控点均带有场所、硬件名称、设备名称等标签，方便用户统计查找。该项目中的监控点有以下四种维度分类：
- 分场所：楼层、办公区域 ……
- 分设备：照明、空调、电能表  ……
- 分硬件：PLC、DDC ……
- 监控点种类：AI、AO、DI、DO  ……

5、能源管理
       除了完成正常的状态监控、数据采集、火灾报警等工作，还要求计算机监控系统对于如何控制最节约成本，对能源的浪费最小。为了实现这些上层的能源管理及数据分析功能，需要SCADA系统能够汇总大量的能耗数据，针对这些数据结合优化算法实现专业的分析，最终作出指导性的决策。该项目中使用亚控科技的组态王楼宇版软件中能源分析工具也作为标准功能提供给用户，该工具有强大的分析功能和报表功能。
5.1 电量需求监测
       建筑用电分项计量是建筑能耗监测的重点。电能分项计量包括电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数等电量参数，采用监测功能的现场总线式智能电量变送器，实现对建筑照明用电、空调用电、办公用电、电梯用电及其它动力用电的分项计量。
       而电量需求分析是针对某以设备或某一区域设置一定时间周期进行统计分析。并可以设置报警屏蔽范围（黄色区域表示报警被屏蔽的时间带）。针对选定区域的用电状态，采用能源信息流模型或统计的方法，计算出能源预测结果，并给出能源消耗的发展趋势。

 
5.2能耗分析
1.将采集到的设备数据可以进行不同形式的分组显示
2.还可以将采集到的数据进行各种运算
3.并且将数据的显示方式进行保存，再下次启动时，仍可以看到相同时数据显示方式
        这是能源分析的几钟显示方式
        包括：方框图，饼图，棒状图、等等
        各种显示方式可以自由组合，共同显示在某一个画图区

        可以显示不同时间范围内的数据，当然，时间范围与周期可以自由设置

 
       那么，我们也可以将某一区域的数据进行“局部细化”显示，比如：将某些感兴趣，或者需要详细分析的数据，进行更加具体的划分显示

5.3报表功能
       下面是报表功能， 为了持续进行能源分析，报表功能非常重要
1.本项目中，客户可将日报、周报、月报进行自由下载
2.下载数据可以根据批处理文件来生成
3.可自由编辑日报、周报、月报
4.提供原始数据与分析后的数据
5.4写字楼能耗统计（按设备）
       根据能耗数据的采集统计分析，该写字楼设备能耗分析统计如下：
下图是将该写字楼产生能源消耗的设备群所占比例分析。

 
下图详细列出了基于各种用途能耗数据的设备：

 
5.5写字楼能耗统计（按时间段）
       在该写字楼的能源管理中，按照1天不同时间段的耗能曲线图中，可以获取很多有关节能的有效信息。 （这里的能源是指电力、燃料以及其各种换算的统计，能够把握消费构造分类。由于楼宇内最主要的能源是电力，所以电量的使用状况，基本上可以反映能源的使用状况，所以本文主要针对电力进行分析 ）

       针对该写字楼，一天24小时分为上述4个时间带，从4个时间带的耗能特征中，可以获取到以下几点信息
（1）临工作前时间带
       该时间带处于正式开始办公之前的时间段，所以空调等各种设备的预热，电梯的开启成为了主要耗能点。 尤其是在冬天，这个时间段的耗能量是最大的。而且，随着员工进入大楼开始上班，启动电脑、照明等各种设备的数量陆续增加，导致能源使用量急剧上升。
（2）工作时间带
        第二个时间带，也就是“正式办公”的这段时间，这个时间带处于一天内耗能量最大的时间带，尤其在夏天，电力使用高峰也会出现在这个时间带，因此，每位用户的节能意识将起到非常重要的作用。并且，随着季节的变化，空调的负担也会有所改变，因此设备的定期检查与维护，使其处于最高效运转状态，也非常重要。
（3）加班时间带
        第三个时间带，也就是正常工作时间结束之后的“加班时间带” ，相对于正式的办公时间，这段时间的耗能量将缓慢减少。这段时间内，只有部分设备还处于运转状态，所以区域性的设备管理与使用限制的规定将成为节能的重要手段之一。 该项目中采用的亚控科技楼宇版组态王软件提供区域性设备管理，能搞高效快速的进行计划设定。
（４）非工作时间带（夜间?假日）
        第四个时间带，也就是“非工作时间带” ，这个时间带内，几乎所有设备都处于关闭状态，电力使用量也非常少。那么，在这段时间里，处于“待机状态”的设备需及时关闭，比如电梯等；这些待机状态的设备虽然用电量比较少，但是将一年内的这些额外用电量累加起来，也是一个不小的数字。
6、闭环控制
        一个完整的节能方案，总结起来可以分为4个步骤：
①“分析现状、找出问题”、
②“指定改进计划”、
③“实施计划”、
④“验证改进效果”
        也就是英文的“Plan”“Do”“Check”“Action”，简称PDCA；

 
        利用上述能源管理系统的分析、报表功能，可进行持续的能源分析 
        也就是PDCA中的C部分（Check） ，基于上述的“Check、分析”的结果进行改进，就是Action，计划下一步的节能对策，就是P（Plan），实施计划，就是D（Do）
        通过这种4阶段的不断循环，来实现持续的实施节能方案 。
        随着楼宇工厂的能源管理系统的建设，以及物联网、云平台的应用发展，越来越多的智能建筑能够实时上报能源使用量，国家相关部门根据能源的使用情况，能更加精准的制定能源资源分布计划，能更加准确的调控应急电厂的发电输电情况。