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上海银欣高新技术发展有限公司

0 背景与概述

自上世纪末美国诞生第一座智能化建筑以来，建筑在智能化技术应用方面得到高速发展。在系统集成方面，从早期的单一子系统应用结构发展到如今的各子系统集成应用架构。随着大型集成系统的出现，智能化建筑内的系统已从原来的各自为战，进入了通过统一的集成平台，实现各系统数据共享、各系统之间协同工作的模式，产生的各系统相应的数据可以协同分析和处理，从而以更合理的角度优化建筑各系统的运行方式，在设备管理、节能减排等方面获得更好的社会效益和经济效益。

在国内，智能化建筑集成管理系统IBMS（Intelligent Building Management System）在早期智能化楼宇主要实现的是五个自动化系统，即楼宇自动控制BA（Building Automation）、通讯自动化CA（Communication Automation）、消防自动化 FA（Fire Automation）、安保自动化SA（Security Automation）、物业办公自动化OA（Office Automation）。随着技术的发展，建筑内的智能化系统层出不穷，现在的建筑若仍用5A系统已不能表达智能化建筑的应用水平。IBMS系统作为总的集成管理平台，其相应的集成内容，已随着技术的发展不断扩大。近年来，随着能源问题的日趋严峻，智能化建筑中相应的能源检测技术、设备节能技术等相关应用不断涌入，许多建筑在能耗检测上已做到了设备级能耗回路检测（分项计量），同时以控制技术为基础的冷热源群控技术、全变频二次泵系统等节能控制系统已不断地在智能化建筑中得到相关应用，IBMS系统也将这些能耗检测系统、各种节能控制系统及其它各种新型智能化系统纳入集成管理系统中。由于IBMS系统原有的功能核心是集中管理，即在一个统一的平台上实现对各子系统的统一管理，实现各子系统间的智能协同工作，同时集各子系统的大量设备运行数据，实现各种分析和统计报表功能，以指导建筑管理者更高效的管理建筑运营。因此，在早期IBMS系统上利用其集成管控能力而实现相应的系统级节能控制技术并未实现相应的应用。

本文介绍的楼宇节能集控方法以现行IBMS系统上利用其集成管控能力，实现从系统能耗测量、历史模式保存、工作模式优化、模式数据分析、节能模式设定、节能率测算、节能模式优化到最终的节能报表生成等功能，从而充分发挥智能化建筑集成平台的价值。

自上世纪末美国诞生第一座智能化建筑以来，建筑在智能化技术应用方面得到了高速发展。在系统集成方面，从早期的单一子系统应用结构发展到如今的各子系统集成应用架构。随着大型集成系统的出现，智能化建筑内的系统已不是各自为战，而是通过统一的集成平台，实现各系统数据共享，各系统之间协同工作。同时，各系统产生的相应数据，可协同分析和处理，从而以更合理的角度优化建筑各系统的运行方式，在设备管理、节能减排等方面获得更好的社会效益和经济效益。

在国内，智能化建筑集成管理系统被统称IBMS，即（Intelligent Building Management System），早期智能化楼宇主要实现的是五个自动化系统，即楼宇自动控制、通讯自动化、消防自动化、安保自动化和物业办公自动化。而IBMS系统作为总的集成管理平台，其相应的集成内容，也随着技术的发展不断扩大。近年来，智能化建筑中相应的能源检测技术、设备节能技术等相关应用不断涌入，在许多建筑能耗检测上已做到了设备级能耗回路检测（分项计量），同时以控制技术为基础的如冷热源群控技术、全变频二次泵系统等节能控制系统不断地在智能化建筑中得到相关应用，而IBMS系统也将这些能耗检测系统、各种节能控制系统以及其它各种新型智能化系统纳入了集成管理系统中。由于IBMS系统原有的功能核心是集中管理，即在一个统一的平台上实现对各子系统的统一管理，实现各子系统间的智能协同工作，同时集各子系统的大量设备运行数据，实现各种分析和统计报表功能，以指导建筑管理者更高效的管理建筑运营，因此，在早期IBMS系统上利用其集成管控能力而实现相应的系统级节能控制技术并未实现相应的应用。

楼宇节能集控方法是以闭环控制系统为设计基础，结合智能化建筑集成管理平台的集成范围，深化智能化楼宇集成管理系统对各节能管控环节的控制设计，从而形成具有分析、控制、测量、反馈、持续优化等功能的系统化管理方法。

此外，楼宇节能集控方法为智能化建筑的节能工程而设计。节能工程有诸多工程模式，目前比较流行的一个节能工程模式是EMC即合同能源管理，这一工程模式的核心思想是节约用户投入，通过节能产生的价值分期支付相应的工程费用，与诸多其它节能工程模式相似，这一方式的焦点问题是如何生成甲乙双方均认可的节能价值报表，本文所述的楼宇节能集控方法通过针对性专利方法予以解决。

楼宇节能集控方法中的核心思想提出了智能化建筑运行模式概念，这一概念在目前较为成熟的IBMS系统中得以体现。由于IBMS的集控功能，其可以实时监控智能化建筑中所有已集成智能化设备的运行参数，因此对这些数据的存储和时间轴上的数据分析即生成了相应的智能化建筑的运行模式，此模式可通过大数据进行保存，这也是楼宇节能集控方法的核心技术之一。

除此之外，楼宇节能集控方法是立足于各种建筑内的机电设备运行控制系统，相应的节能方式和方法均需要各设备专业技术进行相应的节能控制业务支撑，如冷源系统、热源系统、变频控制系统、稳压节能供电系统、智能灯光调控系统等。同时，各子系统的关键节能检测数据和运行参数均需通过自控系统反映到平台，对集成管理系统的设计及相应的子系统的设计提出了更高的技术要求。

1 核心技术

楼宇节能集控方法是一项发明专利，其中主要涉及二项核心技术，即模式概念和交叉比对算法，这二个核心技术均是围绕建筑节能工作展开，是为解决建筑集成控制系统中的三个主要问题而设计。首先是记录和表达当前控制系统运行情况，其次是让控制系统按已记录的运行状况运行，第三是如何在线对不同运行情况下节能效果进行分析和比对，以选出最优运行方案。

1.1 模式概念

模式概念是记录和表达当前控制系统运行情况的一种方法。即：控制系统在运行中，由大量的可设定运行参数组成了相应的运行环境，利用IBMS系统的数据采集能力，把这些参数通过快照生成相应的模式库，并按照时间先后进行排序和保存，由此可记录控制系统的运行状况，同时，在生成的模式库中，利用IBMS系统的指令下发功能，可在不同的系统运行模式间进行有计划的模式切换，由此可用最佳的运行参数和计划策略管理控制系统。

1.2 交叉比对算法

交叉比对算法是在线进行控制系统节能效果比对的一种算法，在现有技术中，对于节能效率的测试，目前采用的方法是进行同比比对，采用前一年的能耗数据和当年的能耗数据进行比较，得出节能效率。然而，此方法周期过长，得出的结果受外界不确定因素的影响较大，例如某年出现金融危机，楼宇空置率高，大部分用电设备几乎没有使用。此方法也无法随时进行能效测试，导致无法有效、直观的体现节能效果，以致降低了用户设备节能改造的积极性。现有技术存在如下缺点：

(1)不能随时对楼宇用电设备的节能状况进行监控和检测。因此，不能根据检测结果及时发现节能效果差的用电设备，从而导致长时间的能源浪费；

(2)用年能耗量评价用电设备的节能性，其评价结果不准确，容易受到不确定性因素的影响。

交叉比对算法可以解决上述问题，此方法是以控制系统的运行模式为基础，其核心思想是在近似同等环境下，尽可能对控制系统不同模式的运行效果进行比对，以选出更优的模式（即参数集合）。它采用周期性的系统运行模式切换，在一定的时间段内，通过总测算周期的长度来消化大量的不确定因素，最终得出相对稳定的测算结果。目前一般采用二周的测算周期，以每晚零点为模式切换点，一次对两个模式进行交叉比对，以选出更优模式进行保存，再通过计划调度予以运行，以获得更好的运行效率和节能效果。

2 应用环境要求

楼宇节能集控方法在实际工程的使用中，对相应的控制系统有一定的技术要求，主要的技术要求如下：

1)智能化建筑集成管理系统中，必须集成相应的有能耗计量功能的子系统，如分项计量系统、能耗管理系统、能源管理系统等。

2)能耗计量功能应精确到需要进行节能管理控制的相应设备用能回路，这一要求将决定所进行的节能目标的准确度，对于没有相应节能回路的能耗计量，我们在系统设计中应加入相应的计量点以完善相应的系统设计。

3)相应控制系统中的关键参数必须以可控点的方式集成到IBMS平台，平台对这些节能关键参数点有读写管理的能力。由于传统的控制系统设计中，特别是BA（楼宇自控系统），一些设备控制运行的参数经常被实施人员以固定参数的方式写入相应的程序中，这样的设计无法实现管理控制要求，这将要求通过修改相应控制程序以动态参数的方式来实现对这些参数的可控，以此实现相应的节能调控。

4)建立基于模式应用的软件系统。由于控制系统的模式需要用大数据的方式进行管理，分时以及模式点数据量很大，无法通过人工的方式进行管理，相应的历史模式库以及模式之间的快速设定和切换是无法通过人工实现。因此，必须建立相应的软件系统进行，

建立有交叉比对算法相应的数据分析工具，大量的业务数据和分时数据无法通过人工进行工作，因此IBMS平台要有相应的数据分析报表工具支持。

以上所述是本方法使用的系统环境所必须的条件，对于设计方案而言，部分可节能的设备回路具有以上相应要求，都可以对局部的设备节能采用本方法进行相应的设计和应用。

3 方案设计应用

楼宇节能集控方法是一套系统的管理方法，针对用户在节能减排上的要求，解决用户和施工单位在节能问题上的三个主要问题。一是如何找到智能化建筑的主要能耗设备；二是这些能耗设备如何节能是否可以通过控制管理实现相应的效果；三是能耗设备通过控制节能产生的效果如何得到双方认可。为此，在方案设计时要针对性的解决以上问题，才能使方案有可行性。因此，IBMS系统的方案设计除传统的功能设计以外，增加的主要功能模块有三级能源管理、节能模式系统、模式分析比对工具、系统模式计划管理模块、节能报表模块以及细化设计后的能耗计量系统。

3.1 三级能源管理

三级能源管理模块其核心是按照一般企业的树状管理架构，由自上而下的管理思想实现对能源从企业级分析管控开始，到分区域分部门的能源指标分解，最终落实到具体用能设备的三级管理。因此，三级能源管理模块主要分为企业级能源管理、部门级（区域级）能源管理、设备级能源管理和为保证以上功能而要求实现的相关定义功能部分模块。

3.1.1 三级能源管理信息设置

主要功能有：1)回路信息设置

2)企业级能源管理设置

3)部门级（区域级）能源管理设置

3.1.2 企业级能源分析

主要功能如下：

1)企业级能源明细表

2)企业级能源汇总月报表

3)企业级能源汇总日报表

4)企业级能源趋势分析报表

5)企业级能源分时图

6)企业级能源日分析

3.1.3 部门级（区域级）能源分析

1)部门级能源汇总月报

2)部门级能源汇总日报

3)部门级能源明细报表

4)部门级能源分时图

5)部门级能源日分析

3.1.4 设备级能源分析

1)设备能源汇总日报

2)设备能源汇总月报

3)设备能源汇总明细表

4)设备能源分时图

5)设备能源日分析

6)设备能源汇总明细表

3.2 节能模式系统

节能模式系统主要实现对IBMS集控系统的运行状态以模式的方式进行运行模式的定义、保存、查询、运行切换等，它实现了通过一个动态运行中的控制系统的可视化操作，是楼宇节能集控方法的核心应用。其主要功能模块设计如下：

3.2.1 节能基本信息定义模块

1)节能模式定义

2)回路信息定义

3)回路耗能点定义

4)节能回路定义

5)节能回路项目定义

3.2.2 节能控制逻辑管理模块

1)控制模式定义

2)控制逻辑类型

3)系统控制逻辑系数定义

4)系统控制逻辑信息管理

实际现场界面见图1。

图1 节能控制逻辑管理模块

3.2.3 节能模式库管理模块

1)生成BA模式库

2)查询修改模式库管理

3)运行模式历史信息管理

4)模式切换

节能模式库管理模块见图2。

图2 节能模式库管理模块

3.3 模式分析比对工具

模式分析比对工具主要实现对运行的各种模式运行的效果进行数据的比对和分析，发现最优的模式，在这一比对过程中，一般用分时数据精确分析每种模式的运行效果，并通过日线的方式对不同的模式运行效果进行比对，但由于同期环境的不同，因此，在确定好相应的节能模式后，必须采用交叉测算法通过不少于二周的交叉运行数据，对模式效果进行检验，见图3。因此，相应的节能率分析模块应按照这一算法进行设计。

图3

1)节能率分析

节能率分析模块是采用交叉比对法对单节能回路进行数据采集和分析。主要通过这一回路的节能模式控制点来识别回路的运行模式，并通过这一回路对应设置的能耗点进行能耗值的测算。测算过程中，相应的运行模式必须在每日零点至零点十分间完成节能和非节能模式间的切换，如失败，则测算从头开始计算，最少二周的模式切换要按要求进行，这样就可以产生相应的节能率分析数据报表，从而生成相应的节能结果，实际应用数据见图4。

2)节能率报表历史查询

3)回路节能月报表

图4 冷源用电回路节能率实侧数据报表

3.4 系统模式计划管理模块

系统模式计划管理模块主要实现运行模式切换自动化操作功能，其按照一定的时间，定时批量下发相应的海量模式运行参数，同时，对下发指令进行反馈核对，对未成功下发的指令采用重置的方式进行多次尝试，从而保证指令集的成功率，同时，对未成功下发的指令，系统产生相应的报警，以人工干预的方式进行操作，从而保证模式计划的正确运行，这一模块主要由计划模板信息定义、计划信息定义和相应的模式计划服务三个功能组成，见图5。

图5

3.5 节能报表模块

节能报表模块主要实现对各节能回路的节能效果进行数据显示，除各回路报表以外其功能还包括对各回路的节能效果以汇总的方式进行统计，以提供系统通过相应的控制模式优化所产生的总体经济效益。

4 应用案例

北京宏源证券办公大楼位于北京市市辖区西城区太平桥大街19号，大楼地上七层地下二层，本项目我们在节能的功能设计中针对中央空调和稳压照明进行了相应的专利方法的应用，主要数据测算趋势见图6，实测数据见图7。

5 总结

综上所述，楼宇节能集控方法是为解决建筑集成控制系统中的三个主要问题而设计，这一方法采用模式概念对控制系统的运行状况进行记录。同时，采用交叉比对算法可实现对不同模式下系统的运行情况进行分析，从而实现对控制系统的持续优化。

图6 冷源用电回路节能率实测数据趋势图

图7

在现有的智能化建筑控制系统中，可控制节能的环节主要有：冷热源系统可采用输出水温设定的方式，通过修改COP指标进行节能。其中，节能率的测算可通过本文中的专利方法进行；稳压节能照明回路中，可采用设定输出的电压系数，通过微量降低照度，从而实现节能，在实际工程应用中，这一方法节能效果比较优秀；在中央空调控制策略中，楼宇空调机组的输出空气温度的控制常采用PID控制策略，可以通过调整P即比例系数减缓到达目标的时间，从而通过降低系统整体的反应实现节能，这一策略可在实际中通过交叉测算，得到较好的应用效果。由于许多工程中，这三个参数自控开发人员常常将参数固化在系统程序中，因此，许多工程很难实现相应的节能应用。当然，IBMS系统中的节能控制环节还有许多，通过这一专利方法，我们可以有效针对这些环节，实现在线的节能效果测算，从而使智能化建筑的管理更上一层楼。