文｜江蘇省建筑設計研究院有限公司 周海新

建筑能源管理系統(tǒng)（即“Energy Management System”，以下簡稱EMS）是針對現代樓宇能源管理的需要，利用現場控制器/傳感器將建筑物中設備的運行數據、計量數據、環(huán)境數據、物理空間數據，以及建筑材料性能等信息采集到上位管理系統(tǒng)，利用計算機對樓宇的水、電力、蒸汽、燃料等能源的用量集中處理，并根據這些能耗數據實現諸如能效評估、最優(yōu)化控制、節(jié)能運行控制等一系列功能的智能應用系統(tǒng)，可在不降低人體舒適度的前提下最大限度地提高能源的利用率。

1 建筑能源管理現狀分析

隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，能源問題已經成為制約經濟和社會發(fā)展的重要因素。有關資料顯示，我國建筑能耗占全社會總能耗的30%～35%。其中政府辦公建筑和大型公共建筑的總能耗約占建筑總能耗的50%，而其建筑面積只占建筑面積總量的6%～10%。就單位面積能耗而言，公共建筑是住宅建筑的5～10倍。

中華人民共和國《節(jié)約能源法》對建筑節(jié)能做出了規(guī)定，要求建筑物提高保溫隔熱性能，減少采暖、制冷、照明的能耗；住房和城鄉(xiāng)建設部陸續(xù)頒布了一系列建筑節(jié)能方面的規(guī)定和標準，節(jié)約能源已經被列入基本國策。

如何進行建筑能耗可視化監(jiān)測和績效考核、如何建立能耗成本分析和能效指標分析體系、如何制定節(jié)能改造計劃并進行效果評估、如何為管理者提供能源決策和能耗分配支持......這些已成為現代化建筑管理者最為關注的問題，也是全行業(yè)、乃至全社會共同關心的問題。

EMS應對建筑能源消耗進行管理的需求而生。該系統(tǒng)針對公共建筑的能耗特點，建立每個被管理建筑的能源消耗模型，對能源消耗過程的所有因素進行分析，對建筑物內所有機電設備實行監(jiān)控、監(jiān)測，使建筑物的能源利用得到科學的監(jiān)控管理，從而推動全社會節(jié)能。

2 EMS的設計目標

建筑能源管理的目的是最大限度地、合理地降低建筑內部的能源消耗。建筑的能源消耗主要包括中央空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和動力設備運行的能耗和熱能消耗等幾項；因此，建筑的節(jié)能只有依靠建筑內各個專業(yè)、各個子系統(tǒng)的共同作用才能實現。

在實際應用中，樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）是建筑機電設備的監(jiān)控中心，且具備暖通空調和智能照明監(jiān)控的能力，具有非常重要的作用。EMS能執(zhí)行對BAS各子系統(tǒng)、設備的全方位的能源管理，實現系統(tǒng)、設備運行數據采集、能耗統(tǒng)計分析、能效評估分析、控制策略優(yōu)選等全面的管理功能；同時，EMS還可以接入BAS以外的其他弱電系統(tǒng)，執(zhí)行系統(tǒng)運行數據的采集和能耗分析，實現更廣泛程度上的能源管理。

加強建筑的能源管理，就是需要通過有效的軟件分析手段，實現以下目標：

◆ 建立建筑各個空間的數學能耗模型，根據模型進行圖表化監(jiān)測；

◆ 針對各系統(tǒng)，利用軟件平臺進行設備運行效能分析考核；

◆ 利用軟件平臺進行科學的建筑能耗成本分析；

◆ 利用軟件平臺綜合各類因素，分析建筑能耗的變化規(guī)律；

◆ 自動篩選、匹配最佳的節(jié)能控制策略；

◆ 應用新的控制策略，實現系統(tǒng)、設備的高能效運行。

EMS利用新的科技手段和軟件技術，通過科學的管理和數據分析，能夠使建筑的各個系統(tǒng)在能效達到預期的同時，能耗保持在較低的水平，從而有效降低建筑的運行成本，構建節(jié)能型現代化建筑。

3 EMS的結構及工作流程

EMS的大部分數據來源于BAS平臺，同時EMS在應用層面上又高于BAS，是建筑智能化管理系統(tǒng)IBMS（Intelligent Building Management System）的重要組成部分（當然EMS也可以作為獨立應用軟件使用）。

EMS的結構及工作流程如圖1所示。

EMS采用C/S主體架構模式，客戶端采用B/S模式，以便實現較大范圍的管理應用。根據數據流程，EMS可分為三個結構層面。

（1）數據采集層

圖1 EMS結構及工作流程示意圖

數據采集層實現與BAS及其他弱電系統(tǒng)的數據通信，或通過加裝現場表計，完成電、水、蒸汽、燃油等各類能源介質的相關數據的實時采集，并通過通信接口與能源管理計算機通信。

（2）數據處理層

各類能源使用數據通過可靠的通信網絡（以太網、LonWorks、BACnet、Modbus等）被送入計算機后，EMS執(zhí)行對數據的合理性分析，并對數據進行分配與分類存儲，在保障實現實時圖形化監(jiān)控的基礎上，將數據接入商業(yè)數據庫，以供更充分地利用。

（3）分析應用層

分析應用層是能源管理系統(tǒng)的最高管理層。通過C/S管理端，可執(zhí)行建筑各系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)視、故障報警、遠程控制等；通過B/S客戶端，可進行各類能源介質的數據查詢和統(tǒng)計、能耗數據圖形化分析、單位部門能源使用情況評估、節(jié)能控制策略優(yōu)選等。

EMS利用先進成熟的開發(fā)技術和集成平臺，實現了從基于現場總線的數據采集、能源數據的關聯(lián)存儲，到建筑能效分析與控制策略優(yōu)選的工作流程，并支持網絡環(huán)境下的分布式應用，支持局域網、互聯(lián)網范圍內的各類分析功能與分析數據的共享。

4 EMS的功能設計

要解決建筑節(jié)能和應用的問題，EMS需通過能源管理中央監(jiān)控平臺收集和統(tǒng)計運行數據，找出建筑內用能不合理的節(jié)點，從而制定有效的節(jié)能策略；調動系統(tǒng)中的各類傳感器和執(zhí)行機構，使策略通過現場控制器得到實施；并不斷地調整和優(yōu)化有關參數，使整個系統(tǒng)按照設定的策略運行。

（1）圖形化實時監(jiān)測

系統(tǒng)通過與其他系統(tǒng)、設備、傳感裝置的接口或物理連接，能夠實現對各系統(tǒng)、各主要設備（如冷水機組、循環(huán)水泵、各建筑單元的VRV系統(tǒng)等）能耗狀態(tài)（包括電量、電壓、電流、功率因素等主要參數）的監(jiān)測，實現能耗數據采集以及設備/系統(tǒng)能效（COP）的在線計算。

數據采集的方式包括通過BAS和IBMS平臺的數據交互接口采集，通過與現場設備、傳感裝置的物理連接采集，通過空調末端聯(lián)網型計量裝置采集等。

建筑所有的能耗數據以多樣式圖形和數據報表等形式，直觀展現各個設備的當前運行及能耗狀況。

（2）能耗報警管理

在實現各類數據采集、圖形化實時監(jiān)測的基礎上，EMS能自動分析數據，自動判斷現場故障，對建筑的能源狀況和環(huán)境條件進行后臺實時監(jiān)測，及時發(fā)現故障；并能提供多種報警方式，包括軟件平臺報警、電子裝置報警、手機短信報警等。

借助報警管理模塊，建筑的管理者能通過報警信息及時發(fā)現現場故障并采取補救措施，保障系統(tǒng)穩(wěn)定。

（3）歷史數據處理與存儲

EMS自動根據所采集的實時運行數據判斷影響設備能耗的因素，計算設備（或系統(tǒng)）能耗；同時進行采集數據、計算數據的數據庫存儲。在存儲各類能耗數據的同時，EMS還可記錄相關的環(huán)境數據，如天氣、風力、風向、溫度、濕度等氣象數據；這些氣象數據在系統(tǒng)進行能效圖表分析和控制策略優(yōu)選的過程中可作為科學的環(huán)境參照。

系統(tǒng)存儲的歷史運行數據即系統(tǒng)的經驗數據庫；數據存儲越合理、存儲量越大，系統(tǒng)的運行經驗就越豐富；海量、合理的經驗數據庫將為建筑控制策略的優(yōu)選提供科學、堅實的數據基礎。

（4）建筑能耗統(tǒng)計分析

充分應用大量的歷史數據，EMS可實現多種分析角度、多種圖形方式的能耗統(tǒng)計與對比分析，并能夠自動判斷能耗曲線的極點，顯示極點產生時刻的設備/系統(tǒng)的詳細控制參數和運行數據。

能耗統(tǒng)計分析模塊具有靈活、多角度的自定義數據查詢、統(tǒng)計功能，可以按設備名稱、所屬系統(tǒng)、時間段、能耗類別（電、水、油、汽等）統(tǒng)計能耗；可自動輸出統(tǒng)計報表，報表打印功能靈活、全面、細致。

EMS可實現對建筑內各系統(tǒng)（水系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等）、特定設備某段時間內運行數據的圖形化回溯，執(zhí)行能源數據的綜合查詢和匯總統(tǒng)計。查詢統(tǒng)計的結果可以以表格的形式顯示，也可以用多種圖形化圖表直觀地展示，圖表形式可以包括曲線圖、柱狀圖、平滑曲線圖等。

EMS可在當前分析圖表中，疊加其他設備/系統(tǒng)的能耗數據曲線，實現對多個設備相關數據的集中比較、曲線分析與趨勢判斷；還可自動計算當前圖表中的能耗累計量和單位平均量。

（5）能效評估與能源考核

在對建筑的能耗情況進行數據處理與圖形分析的基礎上，EMS還可借助計算機的自動處理，根據所采集、記錄的設備能耗數據，執(zhí)行對能效指標的多角度計算和分析、判斷；使得用戶可以通過管理、科學的分析處理，運用合適的節(jié)能策略，達到降低能耗、提高效率、控制成本的目的。

借助能效評估與考核模塊，EMS可綜合各類能源分析和管理信息，包括能源的流動情況，能耗消費情況、趨勢，以及總體建筑性能等信息。

EMS可在其評估模型中執(zhí)行能耗數據與往年同期數據的比較，結合不同時期的環(huán)境因素，根據不同時期、不同對象的能耗分析能效變化的狀況、建筑能源消耗的詳細組成及其差異變動是否合理，對能源消耗數據作出初步的科學評價，找出能源過度消耗之處，以便制定優(yōu)化用能的策略。

（6）節(jié)能控制策略優(yōu)選

建筑能源管理，就是通過各種運行信息的匯集和策略，實現對能耗的總體控制，達到節(jié)能的目的。

EMS系統(tǒng)在對設備/系統(tǒng)的能耗和能效狀況進行分析的基礎上，綜合建筑能評估的結果，可實現能耗、能效數據與每日氣象條件等物理因素的關聯(lián)，自動匹配、優(yōu)選最佳能效的產生條件，從而優(yōu)選出最符合實際情況和用戶需要的控制策略參數，對當前控制策略進行合理的調整和優(yōu)化。

這些控制策略的優(yōu)化主要包括設備之間的權衡和優(yōu)化、不同系統(tǒng)之間的權衡和優(yōu)化，如設備經濟運行控制、靈活的溫度設置、負荷分析與平衡優(yōu)化、負荷預測和合理調度，以及運行策略的優(yōu)化控制等。

系統(tǒng)能兼顧舒適度和節(jié)能的平衡關系，在不降低舒適度的前提下，提高建筑的能源利用率，降低消耗。作為實用、先進的管理和輔助決策工具，為管理者提供更為科學、有效的節(jié)能運行參考，幫助管理者提高管理的精確度和科學性，保障建筑耗能系統(tǒng)的合理、經濟化運作。

5 EMS的特點

EMS針對建筑能源管理實際需要的總體設計，對建筑用能進行全面監(jiān)控和管理，有效降低建筑物能耗，提高建筑整體的運行效率。其強大性能主要源于其以下特點：

◆ 高度開放，支持 OPC、BACnet、NETAPI、LonWorks、DDE等多種數據交換標準和接口協(xié)議；

◆ 支持OLE DB和ODBC，可與大型數據庫系統(tǒng)（DB2、Oracle、MS-SQL Server等）進行數據交互與共享；

◆ 集 成 COM/DCOM、Remoting、OPC、VBA、ActiveX、實時數據庫等最先進的現代軟件技術；

◆ 兼?zhèn)銫/S、B/S模式，實現了“實時監(jiān)控+能源管理”的應用功能架構，支持Web瀏覽方式，支持遠程訪問；

◆ 針對現代建筑能源管理的特點而設計，可準確分析建筑的能源使用結構，更好地滿足建筑行業(yè)的需求；

◆ 采用按照建筑能源管理運行模式設計的專業(yè)能耗數據管理和分析軟件，擁有豐富的管理、分析功能模塊；

◆ 擁有完善的權限管理體系，不僅注重系統(tǒng)模塊界面的操作控制，更注重系統(tǒng)經驗數據的安全控制；

◆ 采用靈活多樣的圖形化界面展現方式，貼近用戶的使用習慣；模塊化設計充分保障了軟件的靈活性。

6 結束語

EMS通過現場總線及通信網絡，廣泛獲取建筑的能源消耗數據，科學分析能源消耗結構與趨勢，優(yōu)選節(jié)能策略以輔助執(zhí)行建筑節(jié)能控制，是現代建筑智能管理平臺不可缺少的重要組成部分。

EMS對于完善建筑能源數據的采集、存儲、管理和利用，優(yōu)化能源管理流程，建立客觀的能源消耗評價體系，減少用能系統(tǒng)運行管理成本，有效降低建筑能耗，具有充分的管理價值和應用意義；并已在多個國家級“建筑節(jié)能應用示范項目”中得到了有效應用。

EMS是實現建筑節(jié)能的重要工具之一，而建筑的管理者才是建筑節(jié)能的核心力量。借助EMS實現建筑節(jié)能不是一蹴而就的，它是針對不同建筑的特點，不斷調整、不斷反饋、不斷優(yōu)化的過程。