程大章, 沈 曄

(同濟大學, 上海 200092)

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·照明技術·

綠色建筑與BA系統(tǒng)

程大章, 沈 曄

(同濟大學, 上海 200092)

對綠色建筑與建筑設備監(jiān)控(BA)系統(tǒng)的關系進行了研究,分析了BA系統(tǒng)對建筑節(jié)能的作用。提出通過公共建筑BA系統(tǒng)的再調試,建立建筑能源管理系統(tǒng)(BEMS)和建筑物故障預測與健康管理(B-PHM)功能,提升建筑物的能效。

綠色建筑; BA系統(tǒng); 建筑能源管理系統(tǒng); 建筑物故障預測與健康管理

程大章(1951—),男,教授,研究方向為智能建筑技術及城市信息化技術。

0 引 言

建筑物在其生命期內消耗了全球能源總量的40%,建筑垃圾占全球垃圾總量的40%。為改變這一狀況而興起的綠色建筑,能在生命期內最大限度地保護環(huán)境、節(jié)約資源(節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地、節(jié)材)和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間。綠色建筑將環(huán)保技術、節(jié)能技術、信息技術、控制技術滲入到人們的生活與工作中,用最新的理念和最先進的技術去解決生態(tài)節(jié)能與居住舒適度的問題。其中,建筑設備監(jiān)控(Building Automation,BA)系統(tǒng)是解決建筑生態(tài)節(jié)能與居住舒適度的主要且重要的技術措施[1-2]。

1 綠色建筑相關國家標準

為響應國家提出的發(fā)展生態(tài)文明要求,新建建筑一律按綠色建筑設計建設,既有建筑逐步改造為綠色建筑,通過地方立法在建設程序中實施綠色建筑。目前,江蘇、浙江等省已通過地方立法實行綠色建筑建設[3]。

1.1 綠色建筑相關標準

我國已經頒布并執(zhí)行的綠色建筑相關標準有GB/T 50378—2014《綠色建筑評價標準》、GB/T 50640—2010《建筑工程綠色施工評價標準》、JGJ/T 229—2010《民用建筑綠色設計規(guī)范》、GB/T 50878—2013《綠色工業(yè)建筑評價標準》、GB/T 50908—2013《綠色辦公建筑評價標準》、GB/T 51100—2015《綠色商店建筑評價標準》、GB/T 51153—2015《綠色醫(yī)院建筑評價標準》、GB/T 51141—2015《既有建筑改造綠色評價標準》、GB/T 51148—2016《綠色博覽建筑評價標準》、GB/T 51165—2016《綠色飯店建筑評價標準》、CSUS/GBC 04—2012《綠色超高層建筑評價技術細則》、CSUS/GBC 04—2013《綠色校園評價標準》,在編和即將頒布的有《綠色鐵路客站評價標準》、《綠色生態(tài)城區(qū)評價標準》、《綠色建筑運行維護技術規(guī)范》等。

各地出臺了地方綠色建筑評價標準,按照建筑功能、區(qū)域特點形成的新標準也很多,這些反映出綠色建筑的理念已得到社會的認同,綠色建筑技術成為工程建設的基本內容。所有綠色標準都是GB/T 50378—2014的補充。

1.2 綠色建筑標準中BA系統(tǒng)內容解讀

綠色建筑評價標準內容包括節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材、室內環(huán)境、綠色施工和運營管理。綠色建筑的建設目標要依靠建筑物的運營管理來保障,在運營過程中得到體現(xiàn)。綠色建筑的建設質量只能在建筑物的運營管理過程中得到反映。

GB/T 50378—2014中與BA系統(tǒng)工程緊密相關的有以下幾條:

(1) 第5.1.3條規(guī)定:“冷熱源、輸配系統(tǒng)和照明等各部分能耗應進行獨立分項計量”。第10.1.5條規(guī)定:“供暖、通風、空調、照明等設備的自動監(jiān)控系統(tǒng)應工作正常,且運行記錄完整”。這兩條均為控制項,相當于強制性條款。

對冷熱源、風機、水泵等設備必須進行有效監(jiān)測,實時采集并記錄能耗數(shù)據(jù)和運行狀態(tài),按照設計的工藝要求進行自動控制。只有BA系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)下,建筑物才能實現(xiàn)高效管理和有效節(jié)能。面積小于2萬m2的公共建筑和10萬m2以下的住宅區(qū),可不設BA系統(tǒng),但應有簡易的控制措施,如風機/水泵的變頻控制、不聯(lián)網就地控制器、單回路反饋控制等。因此,需要審閱能耗分項計量系統(tǒng)和BA系統(tǒng)的設計文件、運行分析報告,核對建筑設備監(jiān)控點數(shù)是否與現(xiàn)場設備系統(tǒng)一致,以便節(jié)能控制策略得到實施。在BA系統(tǒng)的中央控制站上檢查主要耗能設備監(jiān)控的實時工作情況,審查BA系統(tǒng)運行記錄的真實性和完整性。系統(tǒng)的運行記錄和檢測數(shù)據(jù)應保持1 a以上,允許有不超過1個月的自動記錄中斷,但主要能耗數(shù)據(jù)應在系統(tǒng)故障期實行人工記錄,并輸入系統(tǒng)。

(2) 第8.2.12條規(guī)定:“主要功能房間中人員密度較高且隨時間變化大的區(qū)域設置室內空氣質量監(jiān)控系統(tǒng)”。第10.2.5條規(guī)定:“定期檢查、調試公共設施設備,并根據(jù)運行檢測數(shù)據(jù)進行設備系統(tǒng)的運行優(yōu)化”。這兩條均為評分項。

保持建筑物與居住區(qū)的公共設施設備系統(tǒng)運行正常,是保證綠色建筑實現(xiàn)各項目標的基礎。對室內的污染物進行檢測、分析、報警,并與通風設備聯(lián)動,是綠色建筑BA系統(tǒng)的基本功能。物業(yè)管理機構必須定期檢查、調試設備系統(tǒng),維持設計的性能指標;進一步根據(jù)運行數(shù)據(jù)或第三方檢測的數(shù)據(jù)進行設備改造,不斷提升設備系統(tǒng)的性能,提高建筑物的能效管理水平。

《綠色建筑運行維護技術規(guī)范》要求,必須進行綜合能效調適,使暖通空調系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電氣與控制系統(tǒng)、可再生能源系統(tǒng)、建筑室內外環(huán)境、監(jiān)測與能源管理都處于良好的工作狀態(tài)。

2 公共建筑能耗和BA系統(tǒng)

2.1 公共建筑生命周期的建設和運行成本分析

根據(jù)工程統(tǒng)計,公共建筑的生命周期一般為60～70 a,建設和運行的成本如圖1所示。

圖1 公共建筑建設和運行成本

由圖1可見,公共建筑的能耗費和設施更新費占建筑整個生命周期成本的50%。如果實行有效的節(jié)能控制和預防性的設施維護管理,可以延長設備的正常使用期限,降低建筑物的運營能耗。

2.2 建筑設備系統(tǒng)與負荷的不適配

在建筑設備工程設計時,總考慮以最大的負荷、最不利的氣候等條件來選用設備。實際建筑物建成投用后,往往需要2～5年后才能達到設計時的負荷量。因此,設備系統(tǒng)的供應能力長期與實際負荷處于一種不匹配的狀態(tài),能源浪費和低能效為常態(tài)。建筑物的功能在生命周期中常會改變,負荷因氣候與人流量是隨機過程,設備系統(tǒng)性能漸進老化,故存在大量的低效問題。在建筑物生命周期中節(jié)能是一項持續(xù)的工作,是PDCA工作循環(huán)。建筑物節(jié)能的工作循環(huán)如圖2所示。

圖2 建筑物節(jié)能的工作循環(huán)

PDCA以人工智能驅動,使建筑物的運營以螺旋式上升地向良性方向發(fā)展。需要強調的是,大型建筑物的綜合目標Plan是由空間、結構、設施、環(huán)境、服務質量、經營狀況、能源成本等構成的多目標矢量,其運營Do、尋找的缺陷Check和調整對策Action都是由相關系統(tǒng)狀態(tài)構成的多維空間。在每一次循環(huán)中,總會發(fā)現(xiàn)各類情況和問題,故需要進行優(yōu)化改善,不斷提升建筑物與設備系統(tǒng)的性能。通過運營過程和運營系統(tǒng)來提高綠色建筑的質量,降低運營成本和管理成本,節(jié)省建筑運行中的各項消耗(資源和人力)。

2.3 公共建筑的節(jié)能減排空間

截止至2013年底,我國(城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村)既有建筑面積已達500億m2,公共建筑約占40%,即200億m2。按年單位面積耗電量100 kWh低估,則每年公共建筑耗電量高達2萬億kWh。如公共建筑降低10%的能耗,則相當于3個三峽電站的發(fā)電量,可減少CO2排放16億t。

公共建筑依靠包括智能化監(jiān)控的主動節(jié)能技術,可以取得顯著的節(jié)能效果。

2.4 公共建筑中BA系統(tǒng)的功效

BA系統(tǒng)對建筑設備系統(tǒng)(變配電、照明、冷熱源、空調、給排水、交通等)和可再生能源系統(tǒng)(風力、太陽能利用、地源等)的運行進行全面監(jiān)測與控制,使設施處于最佳運行狀態(tài),實現(xiàn)節(jié)能與管理。同時,對中水與污水進行處理、回用,實現(xiàn)自動控制,在惡劣的工作條件下保證水資源的有效利用,把水資源的污染降低到最小。在BA系統(tǒng)的基礎上可以建立物業(yè)信息管理系統(tǒng),全面監(jiān)測能耗,對建筑運行維護與管理等業(yè)務建立檔案及記錄,進行常態(tài)管理與應急指揮,有效應用BA系統(tǒng),使綠色建筑和建筑節(jié)能用真實的數(shù)據(jù)反映實際效果。

根據(jù)工程實踐統(tǒng)計,公共建筑在不改變圍護結構和能源設備的情況下,僅對建筑設備系統(tǒng)實行有效監(jiān)控控制后,可降低能耗20%～30%。建筑物能耗與BA系統(tǒng)作用如圖3所示。

圖3 建筑物能耗與BA系統(tǒng)作用

圖3中,建筑設備沒有控制時的建筑能耗為100%,應用BA系統(tǒng)實行有效的監(jiān)控后能減少30%的能耗,如果進一步實行能耗分項計量,實現(xiàn)設備系統(tǒng)的優(yōu)化控制并進行精細化管理,則還能減少25%的能耗。

3 公共建筑BA系統(tǒng)運行質量

目前,大型公共建筑基本都建有BA系統(tǒng),投資多達上千萬元。在工程設計內容和工程施工驗收中均有BA系統(tǒng),但實際運行中的BA系統(tǒng)情況卻很不理想。BA系統(tǒng)的工程質量調研結果表明,約有50%的項目沒有投入使用,30%的項目部分在運行使用,僅有20%的項目運行情況良好。原因是多方面的,如設計缺陷、設備性能問題、低價惡意競爭、施工水平低等。雖然近年來因建筑節(jié)能和綠色建筑的政策和要求,情況有所改善,但大量的大型公共建筑BA系統(tǒng)運行水平低下。

BA系統(tǒng)的有效運行是有一定的技術和機制難度。調查60棟商業(yè)建筑的運營情況后,統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明:50%以上的建筑有控制問題;40%建筑的暖通空調設備存在問題;超過30%的建筑的空調傳感器無法正常測量;25%建筑的能源管理系統(tǒng)、節(jié)能裝置或變速驅動裝置未正常運行;甚至有15%建筑的BA系統(tǒng)專用設備失蹤。

上海市公共建筑耗電量統(tǒng)計分析如表1所示。

表1 上海市公共建筑耗電量統(tǒng)計分析

建筑類型樣本數(shù)量年單位面積耗電量/[kWh/(m2·a)]均值最小值最大值商務辦公樓334121.9737.32356.97賓館 69135.5653.10251.73商場 167167.6435.99445.36

由表1可見,同類型建筑的能耗差異很大,但是排除服務質量等級之類的因素后,所得到的年單位面積耗電量則提供了一個基準,說明節(jié)能的空間很大。對于在同一氣候區(qū)的同類型公共建筑,能效的評價是單位面積的能耗,應在平均值以下。由此可知,使大型公共建筑已有的BA系統(tǒng)功能激活,以較低的代價來實現(xiàn)建筑節(jié)能和提高管理效率極為重要。

4 公共建筑BA系統(tǒng)的再調試

4.1 再調試問題的提出

目前80%的既有公共建筑存在室內環(huán)境品質不良、設備系統(tǒng)能耗高、一次建設缺陷、建筑功能變更、設備系統(tǒng)故障或老化等各種問題,而恢復與提升BA系統(tǒng)的功能則能有效改善這些狀況,因此提出了公共建筑BA系統(tǒng)的再調試。GB/T 50378—2014就體現(xiàn)了這樣的要求,LEED-EB的相關條文也提出了樓宇自動化系統(tǒng)的再調試。

在建筑物已經投運后,根據(jù)建筑物實際的使用功能和設備負荷,對設備系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行精確調整,在保證室內空間舒適要求下實現(xiàn)節(jié)能運行。通過調試、記錄設施的功能,完全達到業(yè)主的需求設想,是一個綜合、系統(tǒng)的質量控制過程。

4.2 再調試工作的前提

BA系統(tǒng)的再調試工作的前提如下:

(1) 建筑物的使用功能確定,入駐人員數(shù)量基本穩(wěn)定。

(2) 建筑設備和BA系統(tǒng)工程已投入使用1 a以上,至少有1 a運行數(shù)據(jù)的積累。

(3) 建筑物能耗遠高于當?shù)赝愋徒ㄖ?/p>

如果這些前提不存在,BA系統(tǒng)的再調試工作將難以推進或者毫無意義。

4.3 再調試工作的流程

BA系統(tǒng)再調試工作的流程如圖4所示。其中熟悉建筑的設計資料(建筑功能區(qū)、設備系統(tǒng)原理和布局、變更情況、竣工情況、控制工藝等)和了解建筑物運行情況(功能、物業(yè)管理、設備系統(tǒng)的維護等)是基礎的準備工作。

圖4 BA系統(tǒng)再調試工作的流程

對運行數(shù)據(jù)進行分析,尋找可能導致異常情況的原因,但是必須通過現(xiàn)場檢查來驗證造成異常情況的原因及結論的準確性。

由于室內的錯誤裝修隔斷、機電設備安裝質量問題和設備故障等都會影響已有BA系統(tǒng)的運行,因此必須由裝修工程、機電安裝工程、設備提供商等相關方先行整改。同時,還需要對BA系統(tǒng)的現(xiàn)場控制器進行檢查,對各類傳感器進行標定,以使監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)能準確反映現(xiàn)場的狀態(tài)。

需要特別指出的是綜合效能調適問題,對公共建筑的各個系統(tǒng)在調試、驗收和季節(jié)性工況驗證的整個體系過程進行管理,查證設備的型號和性能參數(shù)符合設計要求、設備和系統(tǒng)的安裝位置正確和安裝質量符合規(guī)范,確認設備和系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)符合設計使用要求,并能根據(jù)實際負荷進行調節(jié)。

在綜合效能調適工作的基礎上,根據(jù)建筑物的負荷和設備系統(tǒng)的構成,確定BA系統(tǒng)對各類設備系統(tǒng)的控制方法和節(jié)能控制策略,制定并實施調試方案,并投入運行。通過運行,得到設備系統(tǒng)的狀態(tài)、效果(室內環(huán)境、能源消耗等),分析、驗證控制方法和控制策略的有效性。如仍有不足,則修改控制方法和節(jié)能控制策略,再實施調試,并分析投入運行后的數(shù)據(jù)。

5 從BEMS走向智慧運營

5.1 建筑能源管理系統(tǒng)

樓宇自動化系統(tǒng)的功能在近十年得到了很大提升,并增加了管理功能,稱為建筑管理系統(tǒng)(Building Management System,BMS)。目前,又把設備監(jiān)控、設備管理、能耗監(jiān)測和能源管理的功能組合成一個系統(tǒng),稱為建筑能源管理系統(tǒng)(Building Energy Management System,BEMS)。BEMS功能如圖5所示。

圖5 BEMS功能

BEMS以能源管理和節(jié)能決策為目標,實時采集設備系統(tǒng)的運行信息與能耗相關的數(shù)據(jù),通過分析、控制和管理等手段,優(yōu)化用能和消除能源浪費,提高運營管理的效率與服務質量。BEMS以準確的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測、精確優(yōu)化的運行控制、全局合理的管理調度和友好便捷的交互界面,達到設備的最優(yōu)運行(能效最大化)、能量的最低消耗(能耗最小化)、管理的最高效率和成本的有效控制。

在BEMS的運行中以能源成本最低為目標,實行能源的調度控制;也可以環(huán)境代價最低為目標,在成本的約束下實行能源的調度控制;甚至可以實行負荷響應,根據(jù)電網的負荷態(tài)勢和電價調整信息,調控建筑物的用電負荷。

5.2 智慧運營

大型公共建筑對于運營的要求不斷提升,其基本目標是安全、舒適、高效、綠色,功能目標則為運行管理、經營管理和防災管理,以達到智慧運營。一棟建筑面積30萬m2以上的大型公共建筑,有30個以上的功能系統(tǒng),數(shù)萬個運行信息發(fā)生點,在平穩(wěn)運行態(tài)下每分鐘至少產生5 000多條信息。如果實現(xiàn)精細化管理且保證服務質量,人工難以應對,若再有突發(fā)事件,協(xié)調各相關系統(tǒng)運行及采取最優(yōu)的應急預案快速處置,更是一般人員不能完成的。

大型公共建筑的智慧運營需要做到以下幾點:

(1) 進行空間管理。

(2) 設置消防報警、視頻監(jiān)控、通道控制系統(tǒng),進行安全管理。

(3) 建立電梯、停車庫與標識的監(jiān)控系統(tǒng),進行交通管理。

(4) 設置照明、通風、空調等的控制系統(tǒng)與環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng),實行環(huán)境管理。

(5) 設置建筑設施與能源的自動監(jiān)控系統(tǒng),進行設施管理。

(6) 建筑物設置商業(yè)管理系統(tǒng)和資產管理系統(tǒng),進行經營管理。

(7) 建立信息發(fā)布系統(tǒng)和自助查詢,為進入建筑物的人員服務。

智慧運營不單是技術問題,而是能運用既有規(guī)則來調整、改變現(xiàn)存的事物,以獲得符合特定目標結果的“執(zhí)行智慧”。信息化、智能化的技術都是實現(xiàn)智慧運營的支撐手段,根據(jù)運營的組織結構和業(yè)務流程對運營系統(tǒng)進行頂層設計,建立運營的體制與機制,協(xié)調各類人員利益關系,承擔經營和管理的責任。

大型公共建筑的BEMS集成管理眾多的智能化系統(tǒng),匯聚建筑物內的歷史與實時、靜態(tài)與動態(tài)等信息,構成大數(shù)據(jù)庫,共享信息資源和協(xié)同運行。在建筑物各智能化系統(tǒng)正常運行的基礎上,可以利用BEMS數(shù)據(jù)庫進一步進行建筑物的健康管理。

建筑物健康管理的完整描述是建筑物故障預測與健康管理(Building Prognostic and Health Management,B-PHM),是對復雜裝備的全生命周期進行故障預測、健康狀態(tài)評估和健康管理。B-PHM功能模塊如圖6所示。

圖6 B-PHM功能模塊

B-PHM針對空間、結構、設施、環(huán)境、服務質量、經營狀況、能源成本等運行狀態(tài),根據(jù)特定的數(shù)學模型進行故障預測和健康診斷,除了判斷該專項為“健康”、“亞健康”、“病態(tài)”、“嚴重病態(tài)”外,還按照診斷結果給出對策建議。當健康診斷專項具有自動控制功能時,立即反饋調整,采取相應措施。

在物業(yè)管理業(yè)務中,維護工作量大,有效的維護需要“基于狀態(tài)的維修(Condition Based Maintenance,CBM)”的思路,把傳統(tǒng)的對故障、異常事件的被動反應(事后維修)、主動預防(定期維修)模式,提升為事先預測(視情維修),達到維護規(guī)劃管理(健康管理決策)。

因此,大型公共建筑的BEMS增加了B-PHM功能,可以充分利用運營的海量數(shù)據(jù),是實現(xiàn)智慧運營、防范各類風險、提高運營效率和服務質量水平、保護環(huán)境與節(jié)約資源的重要途徑,通過能耗、水耗、材耗、環(huán)境、使用人的舒適度、成本等數(shù)據(jù),掌握建筑設施的實時運行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)問題,調整設備參數(shù);根據(jù)數(shù)據(jù)積累的統(tǒng)計值,進行比對,找出設施的故障和資源消耗的異常,改進運行,提升建筑物的能效。

6 結 語

BA系統(tǒng)是BEMS的工作基礎,其正常運行可以有效監(jiān)控建筑設備的運行狀態(tài)。大型公共建筑的BA系統(tǒng)再調試,能夠節(jié)省建筑能耗20%～40%。在我國大力推行節(jié)能減排,建立建筑能耗定額的管理機制,扭轉大型公共建筑高能耗的情況下,BA系統(tǒng)的再調試是一項最有效的技術工作。

大型公共建筑的BEMS+B-PHM綜合應用大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術和系統(tǒng)工程方法,提升智能應用水平,是今后智能建筑領域技術發(fā)展的方向。同時,BEMS+B-PHM與智慧城市對接,實現(xiàn)技術和智慧相結合,更能使我國的智慧城市運營獲得智慧基礎,促進社會、生態(tài)與經濟的可持續(xù)發(fā)展。

[1] 清華大學建筑節(jié)能研究中心.中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2015[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2015.

[2] 程大章.智能建筑樓宇自控系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3] 程大章.智能建筑理論與工程實踐[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

Green Building and BA System

CHENG Dazhang, SHEN Ye

(Tongji University, Shanghai 200092, China)

This paper researched the relationship between green building and building automation(BA) system.The high value of BA system was analyzed in energy saving of building.It is pointed out that the building energy management system(BEMS) and the function of building prognostic and health management(B-PHM) are built by means of BA system debugging in public building,in order to improve the energy efficiency of builiding.

green building; building automation(BA) system; building energy management system(BEMS); building prognostic and health management(B-PHM)

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0038-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.009

2016-05-25

沈 曄(1964—),男,教授,研究方向為建筑智能化、校園信息化。