文｜施耐德電氣樓宇事業(yè)部 孫 靖 劉 曄

如何運(yùn)用樓宇管理系統(tǒng)促進(jìn)建筑節(jié)能
——淺述滬上生態(tài)家BMS的節(jié)能設(shè)計及能源管理系統(tǒng)

文｜施耐德電氣樓宇事業(yè)部 孫 靖 劉 曄

本文通過介紹施耐德電氣的Vista系統(tǒng)在世博參展項(xiàng)目滬上生態(tài)家中的應(yīng)用，闡述了運(yùn)用樓宇管理系統(tǒng)（BMS）解決方案構(gòu)建簡單、高效的設(shè)備和能源管理平臺，實(shí)現(xiàn)樓宇節(jié)能的方法。

樓宇管理系統(tǒng)（BMS） 節(jié)能增效 能源管理 世博 滬上生態(tài)家

1 滬上生態(tài)家BMS設(shè)計理念

滬上生態(tài)家的BMS設(shè)計首先需要體現(xiàn)BMS技術(shù)在未來上海家庭住宅中的應(yīng)用，在世博期間向觀眾展示未來的高科技生活；此外，考慮到滬上生態(tài)家屬于永久性建筑，世博結(jié)束后將作為創(chuàng)意辦公樓使用，BMS系統(tǒng)設(shè)計需兼顧實(shí)用性，且便于日后根據(jù)具體使用方式進(jìn)行靈活調(diào)整。

作為家庭住宅，滬上生態(tài)家不同于商用建筑，其建筑設(shè)備（暖通空調(diào)、給排水、送排風(fēng)設(shè)備等）的控制相對簡單；但是智能設(shè)備種類繁多，包括智能照明、智能遮陽、智能家居、安全防范、再生能源設(shè)備等。如何將這些智能設(shè)備集成在同一平臺下進(jìn)行協(xié)調(diào)運(yùn)作，取得良好的節(jié)能效果是滬上生態(tài)家BMS設(shè)計的一大重點(diǎn)。此外，能源的管理與分析既有助于參觀者掌握滬上生態(tài)家的能源來源與使用比例，了解滬上生態(tài)家中所應(yīng)用的新能源和節(jié)能技術(shù)，也便于世博結(jié)束后滬上生態(tài)家作為創(chuàng)意辦公樓的持續(xù)能源改進(jìn)，因此這部分是滬上生態(tài)家BMS系統(tǒng)的另一重點(diǎn)。

2 施耐德電氣Vista BMS系統(tǒng)平臺

滬上生態(tài)家項(xiàng)目選用了施耐德電氣的Vista系統(tǒng)作為其BMS產(chǎn)品平臺。Vista系統(tǒng)以Building IT作為其產(chǎn)品理念，將IT的理念融入了產(chǎn)品的各個層面。作為BMS產(chǎn)品平臺，它具有開放、友好、集成、安全的特點(diǎn)。它采用完全開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能確保用戶可以自由選擇產(chǎn)品。它的管理層軟件運(yùn)行于微軟Windows操作系統(tǒng)，基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)或TCP/IP光纖網(wǎng)進(jìn)行通信；現(xiàn)場層采用開放的LonWorks技術(shù)。在界面方面，Vista 5擁有基于XML可標(biāo)記語言的矢量圖形系統(tǒng)和組件重用技術(shù)；在安全方面，Vista可以選擇使用微軟Windows XP/7/2008 server的安全系統(tǒng)對用戶進(jìn)行管理，并且采用了HTTPS和128位編碼的安全體制，安全性達(dá)到了FDA 21 CFR中第11部分的要求。

Vista能夠提供從基本的環(huán)境監(jiān)控到提高能源/成本效率的全方位服務(wù)，可以有效地提高用戶對建筑物能耗的控制力。它可以通過數(shù)據(jù)采集與處理有效掌握建筑物能源分配及各類環(huán)境、設(shè)備因素對能耗的影響；還可以進(jìn)行節(jié)能潛力分析，并在能源改造過程中隨時跟蹤投入、回報情況，預(yù)測投資回收期。此外，Vista能夠利用樓宇自控系統(tǒng)的歷史及實(shí)時數(shù)據(jù)，構(gòu)建建筑設(shè)備全生命周期綜合管理平臺。通過此平臺，用戶可以跟蹤所有設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、管理維護(hù)進(jìn)程、從全生命周期角度制定設(shè)備管理計劃并支持整個實(shí)施過程。不僅如此，Vista FM還可提供文件、合同和物業(yè)流程管理功能。

3 滬上生態(tài)家BMS系統(tǒng)集成設(shè)計

滬上生態(tài)家BMS系統(tǒng)包括樓宇自控系統(tǒng)、門禁與巡更系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、紅外報警系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)遮陽系統(tǒng)、客流信息采集系統(tǒng)、能源監(jiān)測計量系統(tǒng)等眾多子系統(tǒng)，只有將這些子系統(tǒng)信息集成在同一平臺上，通過系統(tǒng)信息交換和內(nèi)部聯(lián)動才能充分優(yōu)化系統(tǒng)軟、硬件配置和監(jiān)控流程，并充分向觀眾展示各項(xiàng)新技術(shù)在生態(tài)、節(jié)能等方面的作用。

比如說，建筑體的外界氣象環(huán)境是一個看起來相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，但如果通過軟件對外界氣象環(huán)境參數(shù)加以計算和分析，就可以確定空調(diào)機(jī)組新風(fēng)門的最優(yōu)開度，在保證建筑內(nèi)空氣品質(zhì)的前提下盡可能利用外界免費(fèi)的冷量或熱量，減少通過冷水機(jī)組或鍋爐等冷、熱源對室內(nèi)空氣進(jìn)行冷卻或加熱處理，從而減少電能及天然氣等能源的消耗。又比如，在夏季午夜通過室內(nèi)外直接換氣方式，利用室外較冷的空氣冷卻室內(nèi)由于白天日光輻射、人員設(shè)備發(fā)熱而產(chǎn)生的熱空氣。這樣既能減少使用空調(diào)冷卻室內(nèi)空氣所需的冷量或電能，也能提高室內(nèi)空氣的含氧量和品質(zhì)。再比如，可以利用客流信息采集系統(tǒng)，根據(jù)客流量多少預(yù)測空調(diào)負(fù)荷，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。此外，可以根據(jù)室外照度傳感器的讀值，決定靠近窗戶的照明燈具的開閉、對照明燈具的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，或使用遮陽簾阻止過強(qiáng)的光線進(jìn)入室內(nèi)。這樣可以減少燈具的開啟，節(jié)省電能，同時還能減少由于過量的燈具使用而造成的空調(diào)制冷浪費(fèi)，從而節(jié)省電能。類似這樣的，看似毫不相關(guān)的眾多子系統(tǒng)，通過BMS進(jìn)行集成后，可以實(shí)現(xiàn)相互提供控制依據(jù)，從而讓各個子系統(tǒng)在穩(wěn)定可靠運(yùn)行的前提下使用最少的能源。

此外，除了上面提及的各個子系統(tǒng)之間的潛在關(guān)系，就對能源的有效利用及分配方面來說，一個檢測系統(tǒng)也是非常必要的。通過監(jiān)測和記錄能源，例如電能的使用情況，同時對比室外氣象參數(shù)、參觀人流量、室內(nèi)二氧化碳參數(shù)、室內(nèi)溫濕度等參數(shù)的歷史記錄，可以分析出電能的利用效率。若利用效率偏低，可通過調(diào)整某些參數(shù)的設(shè)定、更換老化的機(jī)電設(shè)備等手段提升對電能的利用效率。

4 滬上生態(tài)家對節(jié)能增效的考慮及其能源管理系統(tǒng)選型

針對滬上生態(tài)家的住宅特征，為充分體現(xiàn)未來對能源效率的重視，保證建筑設(shè)備高效運(yùn)行，避免無效能耗，應(yīng)在BMS中融入比普通項(xiàng)目更多的對能源優(yōu)化的考慮。

（1）所有風(fēng)機(jī)、水泵設(shè)備加裝變頻器。變頻器不僅能夠根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整設(shè)備負(fù)荷以節(jié)約能源，還可直接反饋設(shè)備的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)、能耗數(shù)據(jù)等，以便進(jìn)行設(shè)備和能源管理。

（2）室內(nèi)部分區(qū)域安裝溫/濕度及CO2傳感器，根據(jù)空氣狀態(tài)動態(tài)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，兼顧舒適與節(jié)能，并通過溫/濕度與CO2參數(shù)記錄體現(xiàn)滬上生態(tài)家建筑自然通風(fēng)的設(shè)計效果。

（3）建筑物部分區(qū)域安裝照度傳感器，根據(jù)日照對遮陽及照明系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)控制。

（4）建立空調(diào)系統(tǒng)與門窗及占用狀態(tài)的聯(lián)動控制?？照{(diào)系統(tǒng)根據(jù)門窗及占用狀態(tài)進(jìn)行模式切換。例如當(dāng)房間窗戶打開時空調(diào)系統(tǒng)自動停止工作以節(jié)約能源，當(dāng)房間處于非占用狀態(tài)時空調(diào)系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入節(jié)能運(yùn)行模式等。

（5）對冷熱源總管及各新風(fēng)機(jī)組、空調(diào)機(jī)組進(jìn)行熱能計量。通過輸出熱能、消耗電量等的比較分析直接獲得單位冷熱量的能源消耗數(shù)據(jù)，以評判控制策略優(yōu)劣。

（6）根據(jù)空調(diào)區(qū)域人流量狀況建立模型，預(yù)測區(qū)域冷熱量需求，并與實(shí)際需求進(jìn)行比較，分析預(yù)測進(jìn)一步優(yōu)化控制的可行性。

除通過各種集成控制手段直接進(jìn)行節(jié)能增效外，滬上生態(tài)家還能夠通過施耐德電氣的Vista能源管理模塊，對所有能源消耗以及再生能源設(shè)備進(jìn)行管理。

電、水、氣等的使用情況由第三方設(shè)備進(jìn)行采集，然后通過通信網(wǎng)關(guān)傳入Vista BMS系統(tǒng)。Vista的能源管理模塊與BMS無縫集成，直接從BMS中提取實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和管理。

能源管理軟件對所有能源消耗及產(chǎn)生數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并可按照日/星期/月生成相應(yīng)報表和圖形，如圖1所示。

能源管理軟件對電能質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測，在出現(xiàn)問題時進(jìn)行報警。報警信息可通過Email方式發(fā)送給相關(guān)工作人員。

能源管理軟件根據(jù)歷史規(guī)律分析設(shè)備運(yùn)行過程中的異常情況（如圖2所示），并進(jìn)行報警。報警信息可通過Email方式發(fā)送給相關(guān)工作人員。

能源管理軟件將能源數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)時氣象條件等進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)設(shè)備無效運(yùn)行時間，改善設(shè)備運(yùn)行策略。

能源管理軟件通過能源數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)建筑設(shè)備中存在的能源改善空間，如改善墻窗材料保溫性能、提高燈具發(fā)光效率、提高冷熱源能效比等，并評估各種改善措施的投入產(chǎn)出效益。

5 滬上生態(tài)家BMS系統(tǒng)的運(yùn)行/管理模式

滬上生態(tài)家BMS系統(tǒng)在調(diào)試及試運(yùn)行結(jié)束后，即進(jìn)入正常的運(yùn)行模式。利用BMS，用戶可以通過精美的圖形操作界面，方便地實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)中各設(shè)備的時間表控制、系統(tǒng)報警及事件管理、能源管理、趨勢/操作記錄管理等功能。同時，系統(tǒng)管理員也可利用BMS的用戶管理功能，創(chuàng)建和修改用戶，令每個用戶只能按其權(quán)限瀏覽或修改部分設(shè)備參數(shù)，確保任何越權(quán)操作都將被禁止，以保證系統(tǒng)的安全性。

5.1 時間表控制

BMS控制軟件可以依據(jù)使用者的要求，對不同的樓宇機(jī)電設(shè)備制定啟動和停止運(yùn)行時間表，令相應(yīng)設(shè)備的控制器嚴(yán)格按照使用者預(yù)先排定的時間表控制機(jī)電設(shè)備的啟停。此外，BMS控制軟件還可以將不同的設(shè)備放在一起作為一個群組安排統(tǒng)一的時間表，如在夜間換氣模式下，可以將多個送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)放在一個時間表群組中進(jìn)行管理，由統(tǒng)一時間表進(jìn)行控制。這樣就不必對每個送風(fēng)機(jī)或排風(fēng)機(jī)分別編制時間表，既利于管理，又提高了工作效率。

5.2 系統(tǒng)報警及事件管理

BMS控制軟件的報警處理功能使日常管理變得非常簡單。報警信號可自動驅(qū)動一臺或多臺打印機(jī)打印出報警信息，并同時顯示在屏幕上，如圖3所示。

報警信號還可被傳遞到遠(yuǎn)程操作設(shè)備，例如尋呼設(shè)備、傳真機(jī)、電子郵箱、手機(jī)或緊急服務(wù)中心，從而保證無論白天還是夜晚、工作日還是節(jié)假日，也不論操作員是否在終端前工作，整個系統(tǒng)都在操作人員的掌握之中。

操作員可運(yùn)用彩色圖像工具或指定功能鍵隨時查看報警情況，包括報警的發(fā)生、消除和確認(rèn)。為便于區(qū)分，每種不同優(yōu)先級的報警都用不同的顏色表示，并可以按時間順序或優(yōu)先順序排列。優(yōu)先級表示報警的緊急程度，可選擇聲音報警或視頻報警。

此外還有一些其他的報警功能，如在檢修期間停止的報警會在另一區(qū)域中顯示出來；報警鎖定功能可以避免短時間內(nèi)的重復(fù)報警；每個報警信號都帶有相關(guān)的統(tǒng)計資料，包括產(chǎn)生的次數(shù)、最近一次的日期和具體時間等，對于安排設(shè)備維護(hù)大有幫助。

5.3 能源管理

Vista能源管理模式是基于Microsoft Excel的獨(dú)立Windows程序，有很強(qiáng)的分析能源消耗記錄和預(yù)算未來能耗狀況的能力，另外也可對其他參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，如時間及其與各參數(shù)之間的關(guān)系，各參數(shù)彼此之間的關(guān)系的統(tǒng)計分析等。

Vista可通過自動或人工收集數(shù)據(jù)。各種參數(shù)，如溫度、天氣情況、能源消耗、運(yùn)行時間、建筑占用情況等都能自動記錄下來，并按每天、每星期、每月或每年進(jìn)行分析。

由于具有動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）功能，Vista的數(shù)據(jù)交換簡單易行，可從網(wǎng)絡(luò)或ASCII文件中讀入信息，有些信息或預(yù)算值也可人工輸入。

Vista可以建立起基于氣候變化的能源消耗表，從而依據(jù)全年能耗曲線控制供熱、制冷的能源消耗，當(dāng)消耗過高或過低時產(chǎn)生報警，以保證控制的精確性和連續(xù)性。

5.4 記錄功能

（1）趨勢記錄

系統(tǒng)可在指定時間間隔內(nèi)收集、存儲測量值，為以后的分析和生成報表做準(zhǔn)備，既可用小間隔記錄控制設(shè)定等短過程，也可用大間隔記錄能量消耗等長過程。

（2）操作記錄

系統(tǒng)可以收集、存儲系統(tǒng)發(fā)生事件的信息，包括報警發(fā)生后進(jìn)行相應(yīng)處理的日期、時間、維護(hù)人員等。其報表參數(shù)范圍十分廣泛，可以自由選擇所需輸出的信息。

6 結(jié)束語

滬上生態(tài)家項(xiàng)目中的BMS系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅將所有弱電系統(tǒng)集成在同一個平臺上，簡化了使用者的日常設(shè)備和能源管理，體現(xiàn)了先進(jìn)性、開放性、集成性和高效性的系統(tǒng)設(shè)計理念，同時也為世博參觀者提供了一次近距離接觸和深入體驗(yàn)BMS系統(tǒng)的良好機(jī)會，是運(yùn)用樓宇自控系統(tǒng)促進(jìn)建筑節(jié)能的典范。