如何运用楼宇管理系统促进建筑节能——浅述沪上生态家BMS的节能设计及能源管理系统

文｜施耐德电气楼宇事业部 孙 靖 刘 晔

如何运用楼宇管理系统促进建筑节能
——浅述沪上生态家BMS的节能设计及能源管理系统

文｜施耐德电气楼宇事业部 孙 靖 刘 晔

本文通过介绍施耐德电气的Vista系统在世博参展项目沪上生态家中的应用，阐述了运用楼宇管理系统（BMS）解决方案构建简单、高效的设备和能源管理平台，实现楼宇节能的方法。

楼宇管理系统（BMS） 节能增效 能源管理 世博 沪上生态家

1 沪上生态家BMS设计理念

沪上生态家的BMS设计首先需要体现BMS技术在未来上海家庭住宅中的应用，在世博期间向观众展示未来的高科技生活；此外，考虑到沪上生态家属于永久性建筑，世博结束后将作为创意办公楼使用，BMS系统设计需兼顾实用性，且便于日后根据具体使用方式进行灵活调整。

作为家庭住宅，沪上生态家不同于商用建筑，其建筑设备（暖通空调、给排水、送排风设备等）的控制相对简单；但是智能设备种类繁多，包括智能照明、智能遮阳、智能家居、安全防范、再生能源设备等。如何将这些智能设备集成在同一平台下进行协调运作，取得良好的节能效果是沪上生态家BMS设计的一大重点。此外，能源的管理与分析既有助于参观者掌握沪上生态家的能源来源与使用比例，了解沪上生态家中所应用的新能源和节能技术，也便于世博结束后沪上生态家作为创意办公楼的持续能源改进，因此这部分是沪上生态家BMS系统的另一重点。

2 施耐德电气Vista BMS系统平台

沪上生态家项目选用了施耐德电气的Vista系统作为其BMS产品平台。Vista系统以Building IT作为其产品理念，将IT的理念融入了产品的各个层面。作为BMS产品平台，它具有开放、友好、集成、安全的特点。它采用完全开放的网络结构，能确保用户可以自由选择产品。它的管理层软件运行于微软Windows操作系统，基于标准以太网或TCP/IP光纤网进行通信；现场层采用开放的LonWorks技术。在界面方面，Vista 5拥有基于XML可标记语言的矢量图形系统和组件重用技术；在安全方面，Vista可以选择使用微软Windows XP/7/2008 server的安全系统对用户进行管理，并且采用了HTTPS和128位编码的安全体制，安全性达到了FDA 21 CFR中第11部分的要求。

Vista能够提供从基本的环境监控到提高能源/成本效率的全方位服务，可以有效地提高用户对建筑物能耗的控制力。它可以通过数据采集与处理有效掌握建筑物能源分配及各类环境、设备因素对能耗的影响；还可以进行节能潜力分析，并在能源改造过程中随时跟踪投入、回报情况，预测投资回收期。此外，Vista能够利用楼宇自控系统的历史及实时数据，构建建筑设备全生命周期综合管理平台。通过此平台，用户可以跟踪所有设备运行数据、管理维护进程、从全生命周期角度制定设备管理计划并支持整个实施过程。不仅如此，Vista FM还可提供文件、合同和物业流程管理功能。

3 沪上生态家BMS系统集成设计

沪上生态家BMS系统包括楼宇自控系统、门禁与巡更系统、消防系统、红外报警系统、智能照明系统、风力发电系统、燃料电池、外围护结构遮阳系统、客流信息采集系统、能源监测计量系统等众多子系统，只有将这些子系统信息集成在同一平台上，通过系统信息交换和内部联动才能充分优化系统软、硬件配置和监控流程，并充分向观众展示各项新技术在生态、节能等方面的作用。

比如说，建筑体的外界气象环境是一个看起来相对独立的子系统，但如果通过软件对外界气象环境参数加以计算和分析，就可以确定空调机组新风门的最优开度，在保证建筑内空气品质的前提下尽可能利用外界免费的冷量或热量，减少通过冷水机组或锅炉等冷、热源对室内空气进行冷却或加热处理，从而减少电能及天然气等能源的消耗。又比如，在夏季午夜通过室内外直接换气方式，利用室外较冷的空气冷却室内由于白天日光辐射、人员设备发热而产生的热空气。这样既能减少使用空调冷却室内空气所需的冷量或电能，也能提高室内空气的含氧量和品质。再比如，可以利用客流信息采集系统，根据客流量多少预测空调负荷，以实现优化控制。此外，可以根据室外照度传感器的读值，决定靠近窗户的照明灯具的开闭、对照明灯具的亮度进行调节，或使用遮阳帘阻止过强的光线进入室内。这样可以减少灯具的开启，节省电能，同时还能减少由于过量的灯具使用而造成的空调制冷浪费，从而节省电能。类似这样的，看似毫不相关的众多子系统，通过BMS进行集成后，可以实现相互提供控制依据，从而让各个子系统在稳定可靠运行的前提下使用最少的能源。

此外，除了上面提及的各个子系统之间的潜在关系，就对能源的有效利用及分配方面来说，一个检测系统也是非常必要的。通过监测和记录能源，例如电能的使用情况，同时对比室外气象参数、参观人流量、室内二氧化碳参数、室内温湿度等参数的历史记录，可以分析出电能的利用效率。若利用效率偏低，可通过调整某些参数的设定、更换老化的机电设备等手段提升对电能的利用效率。

4 沪上生态家对节能增效的考虑及其能源管理系统选型

针对沪上生态家的住宅特征，为充分体现未来对能源效率的重视，保证建筑设备高效运行，避免无效能耗，应在BMS中融入比普通项目更多的对能源优化的考虑。

（1）所有风机、水泵设备加装变频器。变频器不仅能够根据实际需求调整设备负荷以节约能源，还可直接反馈设备的实时运行状态、能耗数据等，以便进行设备和能源管理。

（2）室内部分区域安装温/湿度及CO2传感器，根据空气状态动态调整设备运行状态，兼顾舒适与节能，并通过温/湿度与CO2参数记录体现沪上生态家建筑自然通风的设计效果。

（3）建筑物部分区域安装照度传感器，根据日照对遮阳及照明系统进行动态控制。

（4）建立空调系统与门窗及占用状态的联动控制。空调系统根据门窗及占用状态进行模式切换。例如当房间窗户打开时空调系统自动停止工作以节约能源，当房间处于非占用状态时空调系统自动转入节能运行模式等。

（5）对冷热源总管及各新风机组、空调机组进行热能计量。通过输出热能、消耗电量等的比较分析直接获得单位冷热量的能源消耗数据，以评判控制策略优劣。

（6）根据空调区域人流量状况建立模型，预测区域冷热量需求，并与实际需求进行比较，分析预测进一步优化控制的可行性。

除通过各种集成控制手段直接进行节能增效外，沪上生态家还能够通过施耐德电气的Vista能源管理模块，对所有能源消耗以及再生能源设备进行管理。

电、水、气等的使用情况由第三方设备进行采集，然后通过通信网关传入Vista BMS系统。Vista的能源管理模块与BMS无缝集成，直接从BMS中提取实时数据进行记录、分析和管理。

能源管理软件对所有能源消耗及产生数据进行记录，并可按照日/星期/月生成相应报表和图形，如图1所示。

能源管理软件对电能质量进行监测，在出现问题时进行报警。报警信息可通过Email方式发送给相关工作人员。

能源管理软件根据历史规律分析设备运行过程中的异常情况（如图2所示），并进行报警。报警信息可通过Email方式发送给相关工作人员。

能源管理软件将能源数据与设备运行状态、当时气象条件等进行比较，发现设备无效运行时间，改善设备运行策略。

能源管理软件通过能源数据发现建筑设备中存在的能源改善空间，如改善墙窗材料保温性能、提高灯具发光效率、提高冷热源能效比等，并评估各种改善措施的投入产出效益。

5 沪上生态家BMS系统的运行/管理模式

沪上生态家BMS系统在调试及试运行结束后，即进入正常的运行模式。利用BMS，用户可以通过精美的图形操作界面，方便地实现对系统中各设备的时间表控制、系统报警及事件管理、能源管理、趋势/操作记录管理等功能。同时，系统管理员也可利用BMS的用户管理功能，创建和修改用户，令每个用户只能按其权限浏览或修改部分设备参数，确保任何越权操作都将被禁止，以保证系统的安全性。

5.1 时间表控制

BMS控制软件可以依据使用者的要求，对不同的楼宇机电设备制定启动和停止运行时间表，令相应设备的控制器严格按照使用者预先排定的时间表控制机电设备的启停。此外，BMS控制软件还可以将不同的设备放在一起作为一个群组安排统一的时间表，如在夜间换气模式下，可以将多个送风机和排风机放在一个时间表群组中进行管理，由统一时间表进行控制。这样就不必对每个送风机或排风机分别编制时间表，既利于管理，又提高了工作效率。

5.2 系统报警及事件管理

BMS控制软件的报警处理功能使日常管理变得非常简单。报警信号可自动驱动一台或多台打印机打印出报警信息，并同时显示在屏幕上，如图3所示。

报警信号还可被传递到远程操作设备，例如寻呼设备、传真机、电子邮箱、手机或紧急服务中心，从而保证无论白天还是夜晚、工作日还是节假日，也不论操作员是否在终端前工作，整个系统都在操作人员的掌握之中。

操作员可运用彩色图像工具或指定功能键随时查看报警情况，包括报警的发生、消除和确认。为便于区分，每种不同优先级的报警都用不同的颜色表示，并可以按时间顺序或优先顺序排列。优先级表示报警的紧急程度，可选择声音报警或视频报警。

此外还有一些其他的报警功能，如在检修期间停止的报警会在另一区域中显示出来；报警锁定功能可以避免短时间内的重复报警；每个报警信号都带有相关的统计资料，包括产生的次数、最近一次的日期和具体时间等，对于安排设备维护大有帮助。

5.3 能源管理

Vista能源管理模式是基于Microsoft Excel的独立Windows程序，有很强的分析能源消耗记录和预算未来能耗状况的能力，另外也可对其他参数进行统计分析，如时间及其与各参数之间的关系，各参数彼此之间的关系的统计分析等。

Vista可通过自动或人工收集数据。各种参数，如温度、天气情况、能源消耗、运行时间、建筑占用情况等都能自动记录下来，并按每天、每星期、每月或每年进行分析。

由于具有动态数据交换（DDE）功能，Vista的数据交换简单易行，可从网络或ASCII文件中读入信息，有些信息或预算值也可人工输入。

Vista可以建立起基于气候变化的能源消耗表，从而依据全年能耗曲线控制供热、制冷的能源消耗，当消耗过高或过低时产生报警，以保证控制的精确性和连续性。

5.4 记录功能

（1）趋势记录

系统可在指定时间间隔内收集、存储测量值，为以后的分析和生成报表做准备，既可用小间隔记录控制设定等短过程，也可用大间隔记录能量消耗等长过程。

（2）操作记录

系统可以收集、存储系统发生事件的信息，包括报警发生后进行相应处理的日期、时间、维护人员等。其报表参数范围十分广泛，可以自由选择所需输出的信息。

6 结束语

沪上生态家项目中的BMS系统的应用，不仅将所有弱电系统集成在同一个平台上，简化了使用者的日常设备和能源管理，体现了先进性、开放性、集成性和高效性的系统设计理念，同时也为世博参观者提供了一次近距离接触和深入体验BMS系统的良好机会，是运用楼宇自控系统促进建筑节能的典范。