建筑能源管理的模型构建与系统设计

文｜江苏省建筑设计研究院有限公司 周海新

建筑能源管理系统（即“Energy Management System”，以下简称EMS）是针对现代楼宇能源管理的需要，利用现场控制器/传感器将建筑物中设备的运行数据、计量数据、环境数据、物理空间数据，以及建筑材料性能等信息采集到上位管理系统，利用计算机对楼宇的水、电力、蒸汽、燃料等能源的用量集中处理，并根据这些能耗数据实现诸如能效评估、最优化控制、节能运行控制等一系列功能的智能应用系统，可在不降低人体舒适度的前提下最大限度地提高能源的利用率。

1 建筑能源管理现状分析

随着我国社会经济的快速发展，能源问题已经成为制约经济和社会发展的重要因素。有关资料显示，我国建筑能耗占全社会总能耗的30%～35%。其中政府办公建筑和大型公共建筑的总能耗约占建筑总能耗的50%，而其建筑面积只占建筑面积总量的6%～10%。就单位面积能耗而言，公共建筑是住宅建筑的5～10倍。

中华人民共和国《节约能源法》对建筑节能做出了规定，要求建筑物提高保温隔热性能，减少采暖、制冷、照明的能耗；住房和城乡建设部陆续颁布了一系列建筑节能方面的规定和标准，节约能源已经被列入基本国策。

如何进行建筑能耗可视化监测和绩效考核、如何建立能耗成本分析和能效指标分析体系、如何制定节能改造计划并进行效果评估、如何为管理者提供能源决策和能耗分配支持......这些已成为现代化建筑管理者最为关注的问题，也是全行业、乃至全社会共同关心的问题。

EMS应对建筑能源消耗进行管理的需求而生。该系统针对公共建筑的能耗特点，建立每个被管理建筑的能源消耗模型，对能源消耗过程的所有因素进行分析，对建筑物内所有机电设备实行监控、监测，使建筑物的能源利用得到科学的监控管理，从而推动全社会节能。

2 EMS的设计目标

建筑能源管理的目的是最大限度地、合理地降低建筑内部的能源消耗。建筑的能源消耗主要包括中央空调系统、照明系统和动力设备运行的能耗和热能消耗等几项；因此，建筑的节能只有依靠建筑内各个专业、各个子系统的共同作用才能实现。

在实际应用中，楼宇自动化系统（BAS）是建筑机电设备的监控中心，且具备暖通空调和智能照明监控的能力，具有非常重要的作用。EMS能执行对BAS各子系统、设备的全方位的能源管理，实现系统、设备运行数据采集、能耗统计分析、能效评估分析、控制策略优选等全面的管理功能；同时，EMS还可以接入BAS以外的其他弱电系统，执行系统运行数据的采集和能耗分析，实现更广泛程度上的能源管理。

加强建筑的能源管理，就是需要通过有效的软件分析手段，实现以下目标：

◆ 建立建筑各个空间的数学能耗模型，根据模型进行图表化监测；

◆ 针对各系统，利用软件平台进行设备运行效能分析考核；

◆ 利用软件平台进行科学的建筑能耗成本分析；

◆ 利用软件平台综合各类因素，分析建筑能耗的变化规律；

◆ 自动筛选、匹配最佳的节能控制策略；

◆ 应用新的控制策略，实现系统、设备的高能效运行。

EMS利用新的科技手段和软件技术，通过科学的管理和数据分析，能够使建筑的各个系统在能效达到预期的同时，能耗保持在较低的水平，从而有效降低建筑的运行成本，构建节能型现代化建筑。

3 EMS的结构及工作流程

EMS的大部分数据来源于BAS平台，同时EMS在应用层面上又高于BAS，是建筑智能化管理系统IBMS（Intelligent Building Management System）的重要组成部分（当然EMS也可以作为独立应用软件使用）。

EMS的结构及工作流程如图1所示。

EMS采用C/S主体架构模式，客户端采用B/S模式，以便实现较大范围的管理应用。根据数据流程，EMS可分为三个结构层面。

（1）数据采集层

图1 EMS结构及工作流程示意图

数据采集层实现与BAS及其他弱电系统的数据通信，或通过加装现场表计，完成电、水、蒸汽、燃油等各类能源介质的相关数据的实时采集，并通过通信接口与能源管理计算机通信。

（2）数据处理层

各类能源使用数据通过可靠的通信网络（以太网、LonWorks、BACnet、Modbus等）被送入计算机后，EMS执行对数据的合理性分析，并对数据进行分配与分类存储，在保障实现实时图形化监控的基础上，将数据接入商业数据库，以供更充分地利用。

（3）分析应用层

分析应用层是能源管理系统的最高管理层。通过C/S管理端，可执行建筑各系统的运行状态监视、故障报警、远程控制等；通过B/S客户端，可进行各类能源介质的数据查询和统计、能耗数据图形化分析、单位部门能源使用情况评估、节能控制策略优选等。

EMS利用先进成熟的开发技术和集成平台，实现了从基于现场总线的数据采集、能源数据的关联存储，到建筑能效分析与控制策略优选的工作流程，并支持网络环境下的分布式应用，支持局域网、互联网范围内的各类分析功能与分析数据的共享。

4 EMS的功能设计

要解决建筑节能和应用的问题，EMS需通过能源管理中央监控平台收集和统计运行数据，找出建筑内用能不合理的节点，从而制定有效的节能策略；调动系统中的各类传感器和执行机构，使策略通过现场控制器得到实施；并不断地调整和优化有关参数，使整个系统按照设定的策略运行。

（1）图形化实时监测

系统通过与其他系统、设备、传感装置的接口或物理连接，能够实现对各系统、各主要设备（如冷水机组、循环水泵、各建筑单元的VRV系统等）能耗状态（包括电量、电压、电流、功率因素等主要参数）的监测，实现能耗数据采集以及设备/系统能效（COP）的在线计算。

数据采集的方式包括通过BAS和IBMS平台的数据交互接口采集，通过与现场设备、传感装置的物理连接采集，通过空调末端联网型计量装置采集等。

建筑所有的能耗数据以多样式图形和数据报表等形式，直观展现各个设备的当前运行及能耗状况。

（2）能耗报警管理

在实现各类数据采集、图形化实时监测的基础上，EMS能自动分析数据，自动判断现场故障，对建筑的能源状况和环境条件进行后台实时监测，及时发现故障；并能提供多种报警方式，包括软件平台报警、电子装置报警、手机短信报警等。

借助报警管理模块，建筑的管理者能通过报警信息及时发现现场故障并采取补救措施，保障系统稳定。

（3）历史数据处理与存储

EMS自动根据所采集的实时运行数据判断影响设备能耗的因素，计算设备（或系统）能耗；同时进行采集数据、计算数据的数据库存储。在存储各类能耗数据的同时，EMS还可记录相关的环境数据，如天气、风力、风向、温度、湿度等气象数据；这些气象数据在系统进行能效图表分析和控制策略优选的过程中可作为科学的环境参照。

系统存储的历史运行数据即系统的经验数据库；数据存储越合理、存储量越大，系统的运行经验就越丰富；海量、合理的经验数据库将为建筑控制策略的优选提供科学、坚实的数据基础。

（4）建筑能耗统计分析

充分应用大量的历史数据，EMS可实现多种分析角度、多种图形方式的能耗统计与对比分析，并能够自动判断能耗曲线的极点，显示极点产生时刻的设备/系统的详细控制参数和运行数据。

能耗统计分析模块具有灵活、多角度的自定义数据查询、统计功能，可以按设备名称、所属系统、时间段、能耗类别（电、水、油、汽等）统计能耗；可自动输出统计报表，报表打印功能灵活、全面、细致。

EMS可实现对建筑内各系统（水系统、空调系统、智能照明系统、配电系统等）、特定设备某段时间内运行数据的图形化回溯，执行能源数据的综合查询和汇总统计。查询统计的结果可以以表格的形式显示，也可以用多种图形化图表直观地展示，图表形式可以包括曲线图、柱状图、平滑曲线图等。

EMS可在当前分析图表中，叠加其他设备/系统的能耗数据曲线，实现对多个设备相关数据的集中比较、曲线分析与趋势判断；还可自动计算当前图表中的能耗累计量和单位平均量。

（5）能效评估与能源考核

在对建筑的能耗情况进行数据处理与图形分析的基础上，EMS还可借助计算机的自动处理，根据所采集、记录的设备能耗数据，执行对能效指标的多角度计算和分析、判断；使得用户可以通过管理、科学的分析处理，运用合适的节能策略，达到降低能耗、提高效率、控制成本的目的。

借助能效评估与考核模块，EMS可综合各类能源分析和管理信息，包括能源的流动情况，能耗消费情况、趋势，以及总体建筑性能等信息。

EMS可在其评估模型中执行能耗数据与往年同期数据的比较，结合不同时期的环境因素，根据不同时期、不同对象的能耗分析能效变化的状况、建筑能源消耗的详细组成及其差异变动是否合理，对能源消耗数据作出初步的科学评价，找出能源过度消耗之处，以便制定优化用能的策略。

（6）节能控制策略优选

建筑能源管理，就是通过各种运行信息的汇集和策略，实现对能耗的总体控制，达到节能的目的。

EMS系统在对设备/系统的能耗和能效状况进行分析的基础上，综合建筑能评估的结果，可实现能耗、能效数据与每日气象条件等物理因素的关联，自动匹配、优选最佳能效的产生条件，从而优选出最符合实际情况和用户需要的控制策略参数，对当前控制策略进行合理的调整和优化。

这些控制策略的优化主要包括设备之间的权衡和优化、不同系统之间的权衡和优化，如设备经济运行控制、灵活的温度设置、负荷分析与平衡优化、负荷预测和合理调度，以及运行策略的优化控制等。

系统能兼顾舒适度和节能的平衡关系，在不降低舒适度的前提下，提高建筑的能源利用率，降低消耗。作为实用、先进的管理和辅助决策工具，为管理者提供更为科学、有效的节能运行参考，帮助管理者提高管理的精确度和科学性，保障建筑耗能系统的合理、经济化运作。

5 EMS的特点

EMS针对建筑能源管理实际需要的总体设计，对建筑用能进行全面监控和管理，有效降低建筑物能耗，提高建筑整体的运行效率。其强大性能主要源于其以下特点：

◆ 高度开放，支持 OPC、BACnet、NETAPI、LonWorks、DDE等多种数据交换标准和接口协议；

◆ 支持OLE DB和ODBC，可与大型数据库系统（DB2、Oracle、MS-SQL Server等）进行数据交互与共享；

◆ 集 成 COM/DCOM、Remoting、OPC、VBA、ActiveX、实时数据库等最先进的现代软件技术；

◆ 兼备C/S、B/S模式，实现了“实时监控+能源管理”的应用功能架构，支持Web浏览方式，支持远程访问；

◆ 针对现代建筑能源管理的特点而设计，可准确分析建筑的能源使用结构，更好地满足建筑行业的需求；

◆ 采用按照建筑能源管理运行模式设计的专业能耗数据管理和分析软件，拥有丰富的管理、分析功能模块；

◆ 拥有完善的权限管理体系，不仅注重系统模块界面的操作控制，更注重系统经验数据的安全控制；

◆ 采用灵活多样的图形化界面展现方式，贴近用户的使用习惯；模块化设计充分保障了软件的灵活性。

6 结束语

EMS通过现场总线及通信网络，广泛获取建筑的能源消耗数据，科学分析能源消耗结构与趋势，优选节能策略以辅助执行建筑节能控制，是现代建筑智能管理平台不可缺少的重要组成部分。

EMS对于完善建筑能源数据的采集、存储、管理和利用，优化能源管理流程，建立客观的能源消耗评价体系，减少用能系统运行管理成本，有效降低建筑能耗，具有充分的管理价值和应用意义；并已在多个国家级“建筑节能应用示范项目”中得到了有效应用。

EMS是实现建筑节能的重要工具之一，而建筑的管理者才是建筑节能的核心力量。借助EMS实现建筑节能不是一蹴而就的，它是针对不同建筑的特点，不断调整、不断反馈、不断优化的过程。