文／呂大海、王鵬飛、王帥、劉宇、王志朋 中建八局第二建設(shè)有限公司 山東濟(jì)南 250000

引言：

在“雙碳”目標(biāo)的背景下，通過新技術(shù)手段優(yōu)化能源消耗，達(dá)到節(jié)能降碳目的的相關(guān)研究和設(shè)計(jì)越來越受到關(guān)注。清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心等機(jī)構(gòu)的研究數(shù)據(jù)[1]顯示，我國城鄉(xiāng)建筑總能耗約占全國能源消費(fèi)總量的31%，其中建筑運(yùn)行階段約占21%，能耗總量非常突出。中國建筑科學(xué)研究院等編制的《建筑智能化應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研白皮書》顯示，現(xiàn)階段僅有約30%的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一定程度的集成，但數(shù)據(jù)并未實(shí)現(xiàn)互通，子系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行?，F(xiàn)階段我國建筑智能化應(yīng)用水平參差不齊，系統(tǒng)高效節(jié)能、便捷使用等優(yōu)勢(shì)未能充分發(fā)揮。

隨著5G 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新一代信息技術(shù)[2]成功落地應(yīng)用，統(tǒng)籌信息化應(yīng)用系統(tǒng)、智能化集成系統(tǒng)、信息設(shè)施系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)、機(jī)房工程等要素[3]，以節(jié)能降碳、提供健康舒適的空間環(huán)境為目的，打破建筑各系統(tǒng)的壁壘，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并設(shè)計(jì)有效的策略、算法，使監(jiān)測(cè)、控制融合，打造公共建筑節(jié)能降碳智慧管控系統(tǒng)，意在通過無感知的智慧手段提升建筑暖通、照明等設(shè)備的綜合運(yùn)行能效。

1.主要技術(shù)內(nèi)容

本系統(tǒng)以公共建筑能源精準(zhǔn)化管理、能效最優(yōu)化控制等目的，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備或系統(tǒng)整合、分析、柔性調(diào)度等方面融合，打造“云－邊－端”三體協(xié)同，使能耗流、控制流、運(yùn)維流、設(shè)備流、數(shù)據(jù)流“五流合一”，以數(shù)字化手段提升建筑能效管理水平。重要功能的實(shí)現(xiàn)原理如下：

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)統(tǒng)籌設(shè)計(jì)智能化系統(tǒng)的整體系統(tǒng)功能架構(gòu)，便于一套系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)功能硬件設(shè)備和子系統(tǒng)的統(tǒng)一融合管理。整體架構(gòu)設(shè)計(jì)劃分為設(shè)備層、接入層、平臺(tái)層、業(yè)務(wù)層、決策層，并包含設(shè)備統(tǒng)一的規(guī)范數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)范。

（1）展示層：可視化交互入口，主要包含運(yùn)維端、管理后臺(tái)等WEB 應(yīng)用，以及移動(dòng)APP 和數(shù)據(jù)可視化大屏。

（2）決策層：通過能耗評(píng)價(jià)、故障與能耗診斷、運(yùn)行策略優(yōu)化、碳核算算法的引入，實(shí)現(xiàn)對(duì)人員組織管理、設(shè)備控制的智慧實(shí)現(xiàn)。

（3）業(yè)務(wù)層：主要是公共建筑節(jié)能、運(yùn)維管理等功能，含統(tǒng)一授權(quán)、基礎(chǔ)信息、三維管理、文件管理、權(quán)限管理、日志管理、設(shè)備管理、場(chǎng)景管理、視頻管理、運(yùn)維管理、能耗管理、用戶管理、報(bào)警管理、數(shù)據(jù)管理、組態(tài)管理。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（4）服務(wù)層：作為整個(gè)云端功能的基礎(chǔ)能力提供規(guī)則引擎數(shù)據(jù)處理、設(shè)備管理等能力，引入人工智能技術(shù)、流媒體服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，同時(shí)建設(shè)業(yè)務(wù)管理平臺(tái)服務(wù)體系，為應(yīng)用系統(tǒng)、駕駛艙提供基礎(chǔ)能力及服務(wù)，保證數(shù)據(jù)高度的穩(wěn)定性。

（5）接入層：提供基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的設(shè)備連接。通過建筑節(jié)能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議驅(qū)動(dòng)及私有協(xié)議驅(qū)動(dòng)接入各類設(shè)備和專業(yè)子系統(tǒng)，達(dá)到弱電施工建設(shè)和后期運(yùn)維管理的統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)、可控。

（6）設(shè)備層：主要指面向建筑內(nèi)的前端傳感器、邊緣網(wǎng)關(guān)及管理終端。主要負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景內(nèi)部及周邊的機(jī)電、能耗、安防、門禁、停車、電梯等運(yùn)行信息進(jìn)行采集、編碼、傳輸及邊緣計(jì)算處理，及接收平臺(tái)的指令進(jìn)行各種操作。按照設(shè)計(jì)點(diǎn)位部署方式、技術(shù)要求和安裝實(shí)施要求進(jìn)行施工安裝、協(xié)議對(duì)接。

1.2 公共建筑能源智慧管控平臺(tái)

公共建筑能源智慧管控平臺(tái)是基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，結(jié)合公共建筑特有的能源應(yīng)用特點(diǎn)，量身定制開發(fā)集監(jiān)控展示、故障告警，診斷優(yōu)化，能效評(píng)價(jià)，碳資產(chǎn)管理等功能于一身的“集成化”“數(shù)字化”“智能化”的綜合管理平臺(tái)。

全維度分析建筑的各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及維護(hù)保養(yǎng)信息，重點(diǎn)設(shè)備的管理，對(duì)建筑設(shè)備進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)融合，做到可察（物聯(lián)感知）、可視（遠(yuǎn)程監(jiān)控）、可管（管理到系統(tǒng)或者人）、可控（聯(lián)動(dòng)控制或遠(yuǎn)程操控）、可追溯（采集信息記錄和處理信息記錄）的精細(xì)化管理。

通過碳資產(chǎn)的統(tǒng)一管理功能，實(shí)現(xiàn)建筑能源設(shè)備碳臺(tái)賬可查、碳數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、碳流程可視。同時(shí)實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析，能流分析、分項(xiàng)用能分析、分區(qū)用能分析、重點(diǎn)設(shè)備能耗分析、能耗報(bào)表、用能預(yù)警等。

圖2 平臺(tái)效果圖

通過設(shè)備運(yùn)維功能，實(shí)現(xiàn)建筑各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)化運(yùn)維，中間視圖二維/三維組態(tài)方式展示設(shè)備的分布、狀態(tài)，點(diǎn)擊可交互。同時(shí)以數(shù)據(jù)可視化方式展示設(shè)備情況、告警統(tǒng)計(jì)、配置場(chǎng)景及設(shè)備用能情況等信息。

一是統(tǒng)計(jì)各系統(tǒng)設(shè)備的情況，通過項(xiàng)目列表的可實(shí)時(shí)展示設(shè)備狀態(tài)、快速二三維視圖定位、設(shè)備控制調(diào)用等功能。通過點(diǎn)擊設(shè)備名稱可直接展示設(shè)備畫像，主要包含設(shè)備基本信息、設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、維保巡檢數(shù)據(jù)、重點(diǎn)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)等；二是通過此功能實(shí)現(xiàn)平臺(tái)智慧策略的手動(dòng)執(zhí)行，執(zhí)行情況記錄等；三是可直接展示子系統(tǒng)的預(yù)警統(tǒng)計(jì)及實(shí)時(shí)預(yù)警信息，可快速生成工單進(jìn)行維護(hù)作業(yè)；四是可直接展示各建筑子系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

通過沉浸式沙盤的交互方式實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)備云端運(yùn)維的集中管理，打通系統(tǒng)間孤島，將垂直化系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，提供動(dòng)態(tài)化節(jié)能控制優(yōu)化。

通過設(shè)備類型抽象、設(shè)備影子實(shí)現(xiàn)、節(jié)能策略低代碼開發(fā)、算法預(yù)制等產(chǎn)品模式，以具體公共建筑的規(guī)模、空間特點(diǎn)、用能需求等快速配置，大大提升能源管控平臺(tái)快速復(fù)制落地能力。

設(shè)備類型抽象，用于配置設(shè)備類型的關(guān)聯(lián)參數(shù)及屬性，通過參數(shù)列表管理當(dāng)前設(shè)備類型的參數(shù)，其中參數(shù)取值類型，目前包含當(dāng)前值、最小值、最大值，根據(jù)需要選擇，常規(guī)而言大多為當(dāng)前值；讀寫屬性確定了此參數(shù)是否含有控制下發(fā)，例如針對(duì)空調(diào)模式設(shè)定，讀寫即可讀出當(dāng)前運(yùn)行中模式，也可對(duì)模式進(jìn)行切換，而只讀可以理解為只能知道當(dāng)前空調(diào)運(yùn)行中的模式不可以對(duì)模式切換進(jìn)行控制；取值范圍，即參數(shù)可取的最小值和最大值；步進(jìn)值，舉例說明比如設(shè)定為“1”，通過控制面板設(shè)定增加/降低溫度時(shí)，單次點(diǎn)擊遞增/遞減“1”；顯示方式，是自定義交互的特色設(shè)計(jì)，選擇可配置右側(cè)預(yù)覽區(qū)控制面板樣式，自定義實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，可選擇數(shù)值顯示、圖標(biāo)顯示、文本/枚舉顯示等模式。

通過策略、算法調(diào)用，實(shí)現(xiàn)建筑能效診斷、能效評(píng)價(jià)，并實(shí)現(xiàn)圖形展示、及時(shí)通知。節(jié)能策略的可視化配置支持設(shè)備觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)、算法觸發(fā)，在觸發(fā)后需判定執(zhí)行條件，滿足條件時(shí)進(jìn)行動(dòng)作執(zhí)行，可執(zhí)行設(shè)備的單控、群控、發(fā)出提醒等。

1.3 建筑節(jié)能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)

基于嵌入式技術(shù)研發(fā)具有強(qiáng)可靠、低時(shí)延、高帶寬的邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，作為整個(gè)體系的核心硬件之一，是與建筑能源智慧管控平臺(tái)能力的有效延伸，兼具數(shù)據(jù)交互及邊緣計(jì)算能力，提供設(shè)備接入、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)緩存、現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算、遠(yuǎn)程控制、云端配置等一體化功能。

設(shè)備支持云平臺(tái)配置、設(shè)備自動(dòng)同步配置，提供可視化配置工具輔助配置過程，同時(shí)創(chuàng)新設(shè)計(jì)多設(shè)備融合標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接入。

圖3 建筑節(jié)能邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)功能

1.4 數(shù)據(jù)采集終端

以簡單易用、成本低廉、穩(wěn)定可靠為目的，設(shè)計(jì)研發(fā)數(shù)據(jù)采集終端，作為整個(gè)能源管控網(wǎng)絡(luò)的末端通信設(shè)備，主要將RS485、CAN 總線等物理接口透?jìng)鳛镽J45 接口，將設(shè)備數(shù)據(jù)接入到設(shè)備專網(wǎng)，即插即用，輔以云平臺(tái)、邊緣網(wǎng)關(guān)等算法策略的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能化控制。

圖4 數(shù)據(jù)采集終端功能

1.5 建筑節(jié)能降碳策略

1.5.1 建筑機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化

分析導(dǎo)致暖通空調(diào)，照明，給排水，電梯等建筑主要機(jī)電系統(tǒng)能耗較高的主要問題，分析各子系統(tǒng)，子設(shè)備的分項(xiàng)計(jì)量數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的強(qiáng)度及時(shí)間分布特點(diǎn)，設(shè)計(jì)節(jié)能控制策略并訓(xùn)練計(jì)算機(jī)算法植入本平臺(tái)，以提升建筑機(jī)電系統(tǒng)在實(shí)際項(xiàng)目中的運(yùn)行水平，三種策略根據(jù)不同的運(yùn)行階段不同場(chǎng)景參與到具體調(diào)優(yōu)過程中，同時(shí)大數(shù)據(jù)的調(diào)控可反向優(yōu)化無數(shù)據(jù)和小數(shù)據(jù)策略。

前期部署時(shí)，通過手動(dòng)設(shè)置控制策略和系統(tǒng)內(nèi)置算法運(yùn)行，不斷采集環(huán)境數(shù)據(jù)及機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過策略和算法的加持增加系統(tǒng)運(yùn)行能效。

同時(shí)，所有監(jiān)測(cè)和控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，形成運(yùn)行數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、用戶偏好數(shù)據(jù)的匯聚，形成大數(shù)據(jù)積累，平臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)的量級(jí)完成數(shù)據(jù)分析及算法訓(xùn)練，通過數(shù)據(jù)的分析實(shí)現(xiàn)輔助決策和指導(dǎo)手動(dòng)設(shè)置策略的調(diào)整，通過云端算法的訓(xùn)練和完善，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地算法的優(yōu)化。

圖5 建筑績點(diǎn)系統(tǒng)運(yùn)行策略優(yōu)化

1.5.2 建筑能效評(píng)價(jià)

根據(jù)本建筑智慧能源管控平臺(tái)所收集到的耗電量、耗氣量、可再生能源發(fā)電量、實(shí)際出冷/熱量等數(shù)據(jù)，結(jié)合項(xiàng)目建筑特點(diǎn)、所在氣候區(qū)，以及通過大數(shù)據(jù)技術(shù)獲取的人員流量等參數(shù)，參考相關(guān)建筑能耗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中給出的建筑能耗引導(dǎo)值及約束值，對(duì)建筑能效水平進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)可回溯應(yīng)用到策略調(diào)整和控制實(shí)現(xiàn)中。

1.5.3 故障及能耗診斷

對(duì)既有的建筑故障及能耗診斷領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)算法[4]進(jìn)行整理，篩選其中適用于本平臺(tái)的算法進(jìn)行開發(fā)植入。同時(shí)，以本系統(tǒng)所收集的大量分項(xiàng)計(jì)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于暖通空調(diào)、智能照明等各類建筑子系統(tǒng)的故障識(shí)別算法，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的故障點(diǎn)或能耗異常單元，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)性優(yōu)化，提升系統(tǒng)的整體運(yùn)行質(zhì)量。

1.5.4 建筑碳排放核算

利用該能源智慧管控系統(tǒng)所收集到的各類能源消耗量以及可再生能源利用量，結(jié)合當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)碳排放因子等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)公正高效的建筑碳核算方法，對(duì)建筑進(jìn)行前置的碳資產(chǎn)管理[5]。

2.效益分析

2.1 經(jīng)濟(jì)效益

公共建筑節(jié)能降碳智慧管控，構(gòu)建基于數(shù)據(jù)循證的建筑綠色低碳運(yùn)營管理決策支持體系和“一站式”服務(wù)體系，全面提升能源管理的精細(xì)化和信息化水平，有效降低能耗支出。實(shí)現(xiàn)以系統(tǒng)串聯(lián)建筑節(jié)能規(guī)建管整體升級(jí)、統(tǒng)籌建筑低碳場(chǎng)景智慧化，推動(dòng)建筑運(yùn)營數(shù)字化轉(zhuǎn)型和升級(jí)，提升建筑運(yùn)營效益。

2.2 社會(huì)效益

本系統(tǒng)利用運(yùn)行過程中產(chǎn)生的實(shí)際數(shù)據(jù)，基于平臺(tái)所搭載的自研算法庫對(duì)建筑進(jìn)行運(yùn)行策略優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能減排的同時(shí)，改善建筑的服務(wù)水平。是踐行國家城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域碳達(dá)峰實(shí)施方案和“十四五”公共機(jī)構(gòu)節(jié)約能源資源工作規(guī)劃的重要舉措，有利于全面推進(jìn)建設(shè)數(shù)字化、智能化、低碳化建筑，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，具備廣闊的應(yīng)用前景。

結(jié)語：

本系統(tǒng)是建筑智慧能源管控創(chuàng)新應(yīng)用，以能源管控平臺(tái)及配套硬件為載體，以評(píng)價(jià)、優(yōu)化等算法為核心，集建筑用能系統(tǒng)優(yōu)化、智慧能源管理信息集成與智能調(diào)控、建筑碳減排優(yōu)化路徑研究等于一體，適用于醫(yī)院、學(xué)校、場(chǎng)館等多場(chǎng)景，有效提高建筑重點(diǎn)能耗設(shè)備自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化管理水平，為建筑能源規(guī)范化、流程化、精細(xì)化運(yùn)營管理提供有力支撐。信息技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步使能源的智慧管控得以實(shí)現(xiàn)，反過來，能源需求的不斷增加和清潔能源的獲取對(duì)信息技術(shù)提出更高的要求，推動(dòng)著信息技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟。公共建筑節(jié)能降碳智慧管控能夠創(chuàng)造良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。