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基于標準體系的公共建筑智慧能源管控策略研究

來源:華盛論文網 發表時間:2021-12-10 09:34 隸屬于:工業論文 瀏覽次數:

摘要 鑒于公共建筑的結構特點以及其用途的多樣化,其能耗水平普遍高于居住建筑。隨著城鎮化的推進,公共建筑的面積持續增加,其能耗也隨著人們對室內環境質量要求的提高以及建筑功能多樣

  鑒于公共建筑的結構特點以及其用途的多樣化,其能耗水平普遍高于居住建筑。隨著城鎮化的推進,公共建筑的面積持續增加,其能耗也隨著人們對室內環境質量要求的提高以及建筑功能多樣性發展不斷增長。有數據表明,我國能源年消耗量巨大,其中建筑運行能耗占終端能耗的20%左右,公共建筑的節能一直是國家城鎮化進程中密切關注并致力于去解決的問題。

基于標準體系的公共建筑智慧能源管控策略研究

  隨著信息技術、物聯網技術以及傳感器技術的發展,公共建筑能耗相關的數據和信息將更加豐富。隨著公共建筑及其機電能源系統的運行,產生大量的數據,通過數據分析,可精確找到公共建筑中能源的需求和服務對象,并且通過系統控制調節,準確匹配暖通空調、照明、電梯、送排風、給排水等系統的用能需求,從而大幅度提升傳統機電能源系統的效率。因此,研究公共建筑能耗等多維度數據分析應用,實現建筑智慧能源管控,將是公共建筑節能未來的發展方向。

  1 、國內外智慧能源管控技術研究進展

  1.1、 國內

  國內建筑能源管控主要由樓宇自動化系統(BAS)來實現。調研發現,90%以上的大型公共建筑安裝有BAS系統。但BAS系統只能實現在中央控制室遠程監測建筑環境和系統設備的運行參數,以及通過中控人機界面手動地啟停或調節機電設備運行狀態,這樣的系統實質上仍嚴重依賴于運行人員的手動操作,沒有實現自動化和智能化。朱津津[1]、湯新中[2]、姜子炎[3]等先后對北京、上海、深圳、香港等地大型公共建筑的自動控制系統進行了調查,發現我國大部分建筑自控系統的實際運行水平較低,并沒有真正實現“自動化控制管理”的功能,只有約占7%的建筑能夠實現樓宇層面的自動化控制和管理,包括各個子系統內部的優化控制和子系統之間的集成控制。

  此外,我國的公共建筑分項計量事業起步于2005-2006年,2007年在國家有關部門的大力支持下開始加速,至今已經在多個城市的數百座公共建筑中實施了“分項計量工程”。分項計量采集的數據進入公共建筑能耗監測平臺后,可以對建筑能耗實施分類分項統計分析。雖然宏觀層面,分項計量對于城市公共建筑用能管理起到大的作用,但是它本身沒有優化控制和管理功能,不能對建筑產生直接的節能效果。

  1.2、 國外

  2020年,美國在《2020年能源法案》(Energy Act of 2020)中明確提出,將致力于通過運用能效信息技術和加速智慧建筑發展,提升整體建筑能效水平。美國能源部2020年發布的《建筑能源管理中的傳感器與控制創新技術報告》中指出,傳感器、執行器和控制器作為建筑能源管理的網絡物理系統的主干,是實現美國能源部建筑技術辦公室(BTO)的目標的核心技術投資領域之一,該目標是為了實現國家建筑庫存(商業和住宅)的能源可負擔性。

  歐盟是當今世界僅次于美國的能源消耗大戶,其中建筑能耗占有相當大的比重。歐盟的建筑能耗已占歐盟總能耗的40%,是歐盟最大單一能源消耗來源,其中居住建筑能耗占建筑總能耗的2/3,公共建筑能耗占建筑總能耗的1/3。新歐盟標準EN15232:“建筑自控與建筑管理系統對建筑能效的影響”于2007年4月15日成功通過了正式投票。EN15232規定了用于評價建筑自控系統(BACS)與建筑技術管理系統(TBM)功能對于建筑能效影響的方法,以及對不同等級建筑此類功能最低要求的制定框架。

  EN15232認為建筑自控系統(BACS)和建筑技術管理系統(TBM)對建筑的能耗性能有重要的影響。BACS為建筑的暖通空調、熱水供應系統、照明系統等提供有效的控制,提高設備的運行能效。復雜的綜合節能功能與程序還可以根據建筑的實際使用情況進行設置,減少不必要的能耗和CO2排放。TBM為建筑的運行、維護、管理,特別是能源管理提供信息:包括趨勢分析,故障報警,以及對不必要的能源消耗進行監測。

  1.3、 調研結論

  針對目前國內公共建筑能耗監測系統和設備監控系統沒有很好融合,不能滿足設備運行優化、能源智能管控需求的問題,可借鑒國內外標準等經驗,提出我國建筑能源智能管控的運行參數指標體系,在此基礎上,利用物聯網、人工智能等技術建立公共建筑能源智能管控方法,實現設備節能運行、環境健康舒適、建筑能效指標最優化的目標。

  2 、智慧能源管控的指標體系

  目前國內外關于公共建筑的能效指標的研究較為豐富。李灝如[4]等人針對空調系統建立了包含供冷量和能效比運行能耗評價指標體系。苑登闊[5]等人基于國內外的研究,將能效指標分為系統層和全樓宇層兩大類。姜新佩[6]等人綜合考慮建筑設計、圍護結構、采暖空調系統、照明系統、運行管理五大層面因素,逐層分析,建立了一套評價建筑能耗的綜合評價體系。結合調研,智慧能源管控的運行參數指標主要由建筑層、系統層系統設備效率和室內環境品質三類組成(見圖1)。

  3 、能源優化管控策略

  3.1 、常規能源管控策略

  針對建筑設備的節能管控,國內研究人員也做了大量研究,形成了有效的管控策略和方法。目前常規的能源管控還主要依賴規則和經驗。常見管控措施見表1。

  針對基于規則的能源管控,美國也制定了較為完善的制度和標準,如2010年美國能源部就推出了《操作和維護最佳實踐——實現可操作性效率的指導》,同時ASHRAE不斷更新其建筑設備運維標準,ASHRAE節能運行的相關要求見表2。

  3.2 、智能優化能源管控策略

  1)能耗特征分析

  目前,公共建筑用能系統節能診斷的數據分析方法主要分為常規數據分析方法和數據挖掘技術兩大類。在建筑領域,常規數據分析方法主要針對建筑運行故障的診斷和運行策略的優化,一般在分析時,主要依賴診斷人員的專業知識,結合建筑本身的物理定律,對建筑運維數據進行綜合分析,對建筑按照分項、分時、分區以及分系統進行橫向縱向分析對比,從而總結建筑用能的規律,指導后續的運行優化。數據挖掘技術主要有監督和無監督學習,通過數據清理、集成、變形、挖掘、評估,形成知識。相比常規數據的分析方法,數據挖掘分析方法能夠有效處理海量大數據。

  2)冷凍站智能群控

  冷凍站控制運行能效的高低對大型公共建筑能耗影響較大,是節能工作的有力切入點。大型建筑中為了提高空調系統在不同負荷條件下的靈活性,往往會采用多臺冷水機組。在這種情況下,多臺冷水機組的運行控制策略十分重要。然而目前采用機房群控的公共建筑比例還很低。有調查顯示,在上海將近500幢智能建筑中采取冷源群控策略的不足1%,其中成功應用冷源群控的更是微乎其微。

  目前對于冷水機組運行策略的研究集中于最優冷機序列和最優冷機負荷。

  最優冷機序列(OCS,optimal chiller sequencing),即在建筑空調負荷變動時,通過合理地開關冷機,使機組整體能效維持在較高水平,以節約能耗。例如ASHARE Handbook中的一種簡化方法:當需要增加機組時,開啟處于待機狀態下峰值COP最大的機組。該方法稱作最大峰值COP法(MPCOP method,maximal peak COP method)。最優冷機負荷(OCL,optimal chiller loading),即通過給各臺冷機合理地分配負荷,使機組整體效率最高,能耗最低。

  3)負荷預測

  及時準確的冷負荷預測是建筑空調系統自動控制的有效依據,也是系統節能優化和高效經濟運行的關鍵所在。空調冷負荷預測的作用不僅在于保證系統運行參數的穩定,而且也有利于實現不同品種冷源設備的合理調配,便于采用更先進的節能控制方法。

  負荷預測對于蓄冷空調高效經濟運行尤為關鍵。采用預測控制方法,是對次日逐時負荷分布進行預測,從而根據負荷分布對制冷機的運行和冰槽的釋冷進行合理的優化運行控制,使制冷機在用電高峰時期盡可能地減少運行,以使運行費用降到最低。這種控制方式是基于對未來24 h的逐時負荷預測來優化控制制冷機的運行。在預測到負荷小的日子,電力低谷時間只儲存供下一天使用的足夠的蓄冷量,而不是全儲滿,第二天采用融冰單供冷運行。在預測到負荷大的日子,夜間把蓄冰槽全部蓄滿,白天通過優化運行合理地調整各小時主機和蓄冰槽的分別供冷量,使供冷結束時蓄冰槽的冷量不但全部用完,而且全天的運行費用最低。日間供冷時,每隔0.5 h槽內的余冰量與該時刻到供冷結束時所需的總冷量作一次比較。這樣,既能保證供冷高峰時期槽內有足夠的冰,也能在供冷結束時蓄冷量全部釋放。

  4 、結束語

  目前,我國在智慧能源管控領域技術還存在信息孤島,尤其是能耗監測和BAS還分屬于不同的智能化系統,使得建筑能源管控系統的指標無法實現監測,節能控制策略無法得到執行,無法實現優化控制。隨著智慧樓宇系統的不斷普及和節能需求的不斷提高,智慧能源管理相關技術將在我國建筑節能領域有著廣闊的發展空間,通過對建筑物的關鍵能效指標進行監測、分析和管理,建立建筑物能耗管控策略,實現可持續的高質量發展。

  參考文獻

  [1]朱津津,賈福偉我國智能建筑的發展趨勢及對策. I程設計CAD與智能建筑, 1998 ,4:20-22.

  [2]湯新中,胡英哲我國智能建筑現狀及發展趨勢科技成果縱橫, 2008,3:44-45.

  《基于標準體系的公共建筑智慧能源管控策略研究》來源:《上海節能》,作者:何曉燕,陸勇,顧麗韻

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聲明:《基于標準體系的公共建筑智慧能源管控策略研究》
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