建筑设备管理与能耗分析的信息论研究

董飞翔,季延清

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710055)



建筑设备管理与能耗分析的信息论研究

董飞翔,季延清

(长安大学 电子与控制工程学院, 陕西 西安 710055)

建筑智能管理环境由建筑内各种智能化系统的搭建所产生,包括对建筑设备管理、建筑内各种能源管理以及对各个子系统的集成化管理。在对建筑智能管理环境的研究中,基于信息理论的基本原理,从信息流的角度出发,分析了建筑设备管理、建筑能源管理、智能化集成系统管理信息过程模型的构建与实现,反映出模型中各个环节应满足的要求和各环节之间的逻辑关系。

建筑智能管理环境; 能耗分析; 建筑设备; 建筑能源

董飞翔(1993—),男,研究方向为建筑智能化。

0 引 言

建筑智能管理环境是建筑智能环境要素中人工智能环境的一个重要组成部分,研究内容主要包括建筑设备管理、能源管理和智能化集成管理等方面。建筑设备管理和建筑能源管理均通过建筑设备管理系统实现,一方面对建筑物内的空调与通风、变配电、照明、给水排水、冷热源与热交换设备、电梯、停车库等建筑设备进行集中监视、控制和管理,以保证建筑物内所有机电设备处于高效、节能、安全、可靠的运行状态;另一方面对建筑物内各种能源(包括水、电、气以及可再生能源)进行智能化管理、建筑机电设施耗能采集及能效监管,节能增效。集成化管理系统是建筑智能化系统最高层次的管理平台,集成了所有建筑智能管理系统,是涉及建筑设备监控、公共安全、信息设施、信息化应用的综合管理平台。

在对建筑智能管理环境的研究中,基于信息理论基本原理(信息获取、传递、认知、处理、思维、施效、组织等),从信息流的角度出发,建立信息模型。

2 建筑设备管理信息过程的构建与实现

建筑设备管理系统是对建筑设备监控系统和公共完全系统等实施综合管理的系统,其中对照明设备的管理实现了对物理环境智能要素中智能光环境的控制,对空调与通风设备的管理则与智能空气环境相关。设备管理只针对建筑设备运行状态、启停次数、故障/维修的管理,其中各类设备信息的获取、存储、记录以及在计算机上使用管理软件对设备状态进行监测都与信息理论基本原理的各个环节相对应。建筑设备管理系统结构如图1所示。

图1 建筑设备管理系统结构

建筑设备管理信息过程模型如图2所示。

图2 建筑设备管理信息过程模型

(1) 信息获取。建筑设备管理中涉及的信息包括设备基本信息、运行信息(累计运行时间、运行状态、启停次数)、故障/维修信息(故障类型、故障时间、维修时间、累计维修次数)等。

(2) 信息传递。传感器、变送器产生标准的电信号通过点对点的传递输入现场控制器中,每个输入口对应不同的检测装置。当输入口有信号输入时,就可以判定对应检测装置动作,获取准确的信息;现场控制器采用现场总线将通信适配器接入以太网,将信息传入管理计算机中。

(3) 信息处理。标准的电信号送入现场控制设备中,由预先在计算机上编好的程序进行处理,产生对应的智能策略,输入到设备上对设备进行控制。另外，将输入端口的信号状态及变化传输到计算机中,用于监控管理。

(4) 信息施效。在计算机中利用管理软件对设备进行集中管理，包括对设备运行状态的监测、故障的报警,并将各种运行状态、维修状态记录到数据库中。

(5) 信息组织。对整个设备管理系统进行优化,使其更加节能、高效和环保。

信息过程模型的实现是通过LabVIEW软件的模拟来实现的。LabVIEW编程的核心是数据流,程序可以通过数据的流动直观地反映信息流的传递。仿真界面相当于上位机的监控界面,可以检测系统的运行状态,并记录到数据库中,也可以检测到报警及故障,并远程控制设备。显示设备概况界面如图3所示。设备运行状态界面如图4所示。

图3 显示设备概况界面

图4 设备运行状态界面

显示设备的运行/故障/维修记录界面如图5所示。

图5 显示设备的运行/故障/维修记录界面

3 建筑能源管理信息过程模型的构建与实现

建筑能源管理主要指自动对水、电、气等的计量与收费,提供最佳能源控制策略,监测、控制设备的用电量,以节约电能,实现能源管理自动化。能源管理主要通过建筑能耗监测管理系统实现,通过对建筑安装分类和分项能耗计量装置,采用远程传输等手段采集能耗数据,实现建筑能耗数据的在线实时监测、动态分析以及能效测评功能。

基于信息理论基本原理,构建的建筑能源管理信息过程模型如图6所示。

图6 建筑能源管理信息过程模型

(1) 信息获取。包括对建筑物基本信息和分类分项能耗信息的获取。建筑物基本信息包括建筑名称、建筑地址、建筑层数、建筑总面积、空调面积、建筑结构形式、建筑外墙保温形式;分类能耗数据包括电、水、燃气、集中供热、集中供冷、其他能源等;分项能耗数据包括照明插座用电、空调用电、动力用电等。能耗监测系统的现场部分主要将数据采集器和各计量设备、智能水表、智能电表通过RS-485接口相连,实现数据采集、存储、远传等功能。

在建筑能效监测系统中,前端的能耗数据采集是能效监测功能实现的基础。为了了解建筑物各类负荷的能耗,实现目标化管理,需对能耗数据进行分类分项计量。

分类能耗数据根据建筑用能类别的不同,分为电量、水耗量、燃气量(天然气量或煤气量)、集中供冷耗冷量、集中供热耗热量、其他能源使用量(如集中热水供应量、煤、油、可再生能源等)等6类。

分项能耗数据在分类能耗中对应电量分类下的照明插座用电、空调用电、动力用电和特殊用电4个用电分项能耗数据。4个分项是必分项,各分项根据建筑用能系统的实际情况还可以再细分为一级子项(变配电室)和二级子项(二级配电)。分类分项能耗如图7所示。

图7 分类分项能耗

(2) 信息传递。通过综合布线,将分散在各处的计量设备连接起来,将数据传输到计算机中,并连接至以太网,实现远程抄表。

建筑能耗数据传输结构如图8所示。

图8 建筑能耗数据传输结构

(1) 信息处理。主要对建筑物能耗数据的分析,包括对数据的拆分、分类分项的计量、应缴费用、生成报表以及自动计算水、电、天然气等的用量,并通过对能耗数据的拆分和挖掘,找出建筑能耗不合理之处,为建筑的节能降耗提供依据,同时包括能效测评、能耗预测等方面。建筑能效测评对反映建筑物能源消耗量及其用能系统效率等性能指标进行检测、计算,并给出其所处水平,反映建筑物能源消耗量及其用能系统效率等性能指标。目前实际使用的能效测评方法很多,各个国家的方法也有区别,对于能耗基准线的确定方法大体可以归为两类:基于单栋建筑的基准线和基于多栋建筑的基准线。基于单栋建筑的能耗基准线的确定方法是通过人为设定某建筑的标准模型,计算得到其能耗作为基准能耗,我国现阶段就采用该方法。基于多栋建筑的基准线以大量建筑能耗数据为基础,因此在确定基准线时采用统计学方法进行数据分析。美国“能源之星”基准评价采用的线性回归法和德国建筑能耗评价体系采用的四分位法都是这种方法。

(2) 信息施效。在建筑能耗监测管理系统中主要表现在监测管理软件设计,对建筑能耗实施实时监测、能耗展示以及能效评测、能耗预警和报警等,使业主和管理人员能够实时了解能源的使用状况。

4 智能化集成系统管理信息过程的构建与实现

系统集成是将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起,以实现信息综合、资源共享。智能化集成系统不仅要满足建筑物的使用功能,更要在实现子系统功能的基础上优化各子系统的运行,实现子系统与子系统之间高效的联动。采用计算机管理软件与上位机服务器,实现对各子系统集中监视和管理,将各子系统的信息统一存储、显示和管理在同一平台上,使管理人员便于获取建筑的各类信息,及时做出正确的判断和决策。集成管理是通过智能建筑综合管理系统来实现的。IBMS是一个一体化的集成监控和管理的实时系统,通过统一的信息平台将不同功能的建筑智能化系统集成。

建立智能化集成管理信息过程模型如图9所示。

图9 智能化集成管理信息过程模型

(1) 信息获取。获取子系统的信息,如空调、电梯等设备的运行状态,大楼的用电、用水、通风和照明情况,安保、巡更的布防状况,消防系统的烟感、温感状态,停车场的车位数量。这些信息大多由前端探测器通过敏感元件和变换元件将非电量的信号装换为标准电信号来获取。

(2) 信息传递。通过现场智能控制器获取各类设备的信息,通过综合布线系统将各类信息传递到现场控制器、报警控制器中,并通过网络共享,实现远距离传输。

(3) 信息处理。对信息进行识别、分类,提取信息特征,识别报警信号的类型、ID、传输网关等信息,确认报警是否发生。

(4) 信息施效。在智能化集成系统中,在界面上集中监视和管理各子系统的运行状态,用颜色、声音等方式标记各种异常情况,同时记录当时状况,对子系统设备的使用记录、故障记录、维修记录形成相应的报表,对设备进行联动控制和优化管理。

(5) 信息组织。系统集成把相互独立的系统有机地集成到统一环境中,将相对独立的资源、功能和信息等集合到相互关联、协调、统一的集成系统中,从更高的层次协调、管理各子系统之间的关系,提高服务、管理的效率以及对突发事件的响应能力。

5 结 语

本文将信息理论与建筑智能管理环境相结合,基于信息理论的基本原理,分析了建筑智能管理环境的复杂工作机制,建立了总体以及各子系统的信息过程模型,并应用软件对模型进行了演示信息过程,反映出模型中各个环节应满足的要求和各环节之间的逻辑关系,对智能建筑以及智慧城市的发展具有重要意义。

[1] 王向宏.智能建筑节能工程[M].南京:东南大学出版社,2010.

[2] 钟义信.信息科学与技术导论[M].2版.北京:北京邮电大学出版社,2010.

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Research of Information Theory in Building Equipment Management and Energy Consumption Analysis

DONG Feixiang,JI Yanqing

(School of Electronic & Control Engineering, Chang’an University, Xi’an 710055, China)

Building intelligent management environment is produced by all kinds of intelligent systems,including building equipment management,all kinds of energy management within the construction,and integration management of each subsystem.In the research of building intelligent management environment,based on the basic principle of information theory,this paper analyzed the establishment and implementation of information models from the perspective of information flow,which include building equipment management,building energy management and intelligent integrated system management.It reflects that each link in the information model should meet the requirements and the logical relationship between each other.

building intelligent management environment; energy consumption analysis; building equipment; building energy

TU 201.5

B

1674-8417(2016)10-0057-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.10.016

2016-10-09

季延清(1990—),男,研究方向为建筑智能化。