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强弱电一体化在建筑规划与设计阶段的应用


摘要:从智能化建筑在运营维护阶段的问题着手,根据GB50314—2015《智能建筑设计标准》,提出强弱电一体化理念及相应架构,论述强弱电一体化在建筑规划与设计阶段的应用。

关键词:强弱电一体化;能源计量:能效监管;建筑全生命周期;业务流程交互;能源效用;能源使用效果:能源使用效率

中图分类号:TU855

文献标识码:A

作者:原鹏斌/丁晓炯/李敏

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0引言

随着经济、技术的发展,以及在国家政策的强力推进下,绿色建筑、能源管理、智能建筑等概念已经深入人心,并且取得了巨大的成就。以绿色建筑为例,"十二五"期间,我国绿色建筑实现跨越式发展,推广绿色建筑面积超过10亿㎡,累计有4071个项目获得绿色建筑评价标识(截止2015年底),建筑面积超过4.7亿㎡。而在诸多的建筑项目中,智能楼宇设备自控系统、智能照明控制系统、供配电监控系统以及能源管理系统等建筑设备的管理系统已经成为了标准的配套建设项目。并随着建筑项目的运营而投入使用。行业对建筑能耗的认识已不仅仅停留在简单的能耗统计和通过设备改造取得阶段性的节能上,而是更多在探索将能耗数据与行业业务特点相结合,把数据转化为有效的决策信息,并且真正落实为优化策略和得以实施的手段,将建筑能耗管理提升到"能效"管理的水平。对于建筑的服务对象——建筑用户来说,将更加关注自身活动空间的健康舒适度,以为其高效生产力提供保障,这也驱动了建筑的设计运营以更加健康舒适为导向。

尽管政府及行业都在从政策、标准、技术等各方面推动和引导建设节能低碳、绿色生态、集约高效的建筑用能体系,然而在实际操作过程中,各个专业及其设备系统可能独立设计、独立招标、独立建设。导致在运营阶段建筑设备监控和建筑能效监管无法数据互通,能效监管无法知晓设备输出的效果(健康舒适度是否达标或超标),设备监控也无从了解自身的能耗水平、导致无法落实对设备运行的管理和指导,这将可能使建筑能耗的浪费无法评估,限制建筑能效水平的提升。

笔者认为真正的"能效"应该从能源效用(能源可靠性及质量)、能源使用效果(各类建筑设备的运行效果及控制精度)以及能源使用效率(各设备、系统的能源利用率而非简单的能耗多少)3个层次予以评价和优化,从而实现能源供给侧和需求侧的双向管理。这意味着建筑设备的监控和建筑能效的监控应能跨越专业限制,在传统的"强电"和"弱电"系统之间建立紧密联系,实现"强弱电一体化"的协调设计、应用和发展。本文将结合项目经验,通过对设计标准的理解、建设过程中设计管理和工程管理的分析以及运营阶段的问题思考,对"强弱电一体化"在建筑中的应用进行探讨。

1智能化建筑在运营维护阶段的问题

1.1能耗数据庞大,数据价值有限

基于能效监管(有些建筑中称为能源管理)的建设要求,建筑中将设置大量的能耗监测计量表计,以实现电量、水量、燃气量、冷热量的分类统计。一个大型公共建筑中设置的计量表计数量将达到1000块甚至更多。而由此产生的数据记录量可达到每年数以亿计。

如此海量的数据理应用于建筑的运营管理.并通过数据分析为设备运营提供指导。然而,目前绝大多数的建筑能耗数据还未能充分发挥其价值。这其中的原因就包括能源计量表计由于安装、接线等原因导致的计量数据错误,在建筑运营阶段缺乏能效监管人员进行维护和校正,从而失去其计量价值:计量表计的设置与能效监管的需求有出入.导致能效监管所需要的数据缺失,例如1台变频的新风机组,通过环境健康参数调节其运行,它的运行效果也即体现为环境的健康度。由此可见,通过能效监管可对能效进行效用、效果、效率的综合评估和优化,并产生直接的经济价值,但现实中强电设计专业并不清楚弱电专业的设计点.可能也不会为其单独设置能源计量。没有计量.能效管理将是不完善甚至是不可能做到的。此外。如此众多的计量表计中,还可能包括大量的消防水泵、消防风机等消防设备的计量数据,这些设备的计量价值有限,也会增加系统的建设和运营成本,所以也存在一定的优化空间。

1.2建筑功能多元,缺乏效率指标

现代建筑的业态越来越多元化,设备和功能越来越丰富.从能源的需求侧来讲,影响能耗的输人因素也会越来越多,而不同业态、不同功能区域、不同设备的能耗水平、能耗模式也会存在差异。所以。建筑能效水平这一评价指标除了立足于建筑整体以外.还应落实到差异化的具体设备、功能应用、业务模块.这样才能做到可监测、可衡量、可管理。而建立针对于设备、应用的能效评价指标,就不能仅将单纯能耗量作为建筑管理的唯一经济指标.还需要对设备的运行效率进行一元评价;其次,也很有必要将能耗数据与设备的控制模式、运行状态,业务的运营模式,气候环境状况等信息结合。建立建筑能效的多元评价体系。

然而,正如本文开篇所讲.由于多方面的原因,当前的能效监管系统基本上还是一个单独设置的系统,与建筑设备监控系统未能建立有效的数据联系,甚至仍然停留在能源分项计量加部分统计信息面板的基本应用层面。缺乏具体的能效指标及其评价方法。这其中的原因包括:缺少能效指标的相关监测数据。如空调系统能效比所需要的冷热量计量,空调系统设备包括冷水机组、冷却水泵、冷却塔、空调系统末端设备.这些计量数据的完备性将决定空调系统能效比评价结果的有效性:能效监管系统厂家及人员不能深入了解建筑的功能设计及运营特点,导致能效监管系统的功能设计和实现脱离实际运营管理。缺乏必要的能效监管指标,如对会议室的能效监管指标除能耗外,还应包含温度、CO2浓度、人数统计、会议时长等信息,并能建立能耗的相关性分析。由于缺少有效的能效监管指标工具.这也导致了目前诸多建筑中能效监管系统仅仅作为分项计量抄表工具,甚至遭到弃用。

1.3节能措施众多,衡量方法不足

智能建筑有很多节能增效的措施.以降低建筑整体的能耗支出,例如楼控系统中的空调免费制冷、地源热泵、冷机群控等,智能照明中的占用状态控制、照度控制等。但这些节能手段缺乏监测手段,无法衡量其作用。免费制冷是否真的节能?地源热泵什么时候启动才能真正节能?冷机群控到底怎样组合才能做到最高能效比?这些信息靠单独的楼控系统、智能照明或能源管理系统是无法衡量的。

1.4控制脱离业务,缺乏供需互动

系统控制只负责保障业务的基本需求(如会议室的照明、空调等),而不会充分追踪业务过程(如会议开始时间、会议人数等),管理效率低下。业务流程作为需求方只负责业务需求的最大化满足,可能忽略对控制系统的有效使用,导致能耗浪费严重供需双方缺乏互动而导致的严重不同步,是制约建筑智能化与绿色高效节能发展的一大障碍。

1.5强电弱电子系统缺乏统一管理,效率较低,缺乏故障预警交互与及时处理能力

由于各弱电子系统与强电系统在各种项目中都是单独运行与管理.各系统的故障报警通知与推送都有独的机制,导致在报警发生时,不能进行统一报警与处理跟进,而有时这些报警其实郜是联动的如由于某条配电回路发生故障.导致整条同路的空洞设备平̈控制器郜离线,维护人员可能会接收到几条甚至几十条报警推送信息,而原因只有一个但如果强弱电系统能够整合,报警能够进行智能分析,就能快速找出系统最关键的问题,第一时间解决系统故障。

2强弱电一体化打造高能效建筑运行与维护

2.1GB50314—2015对强弱电一体化的指导意义

国家标准GB50314—20l5《智能建筑设计标准》中明确在原GB503l4—2006标准"建筑设备管理系统"中单独加入"建筑能效:管系统"项,与"建筑设备监控系统"项并列。这表明政府和行业专家对于建筑设备运行精细化管理的重视,并且向着以能源和设备管理相结合的方向引导。

建筑设备控系统主要包括传统弱电设计中的楼宇自控系统、智能照明控制系统、客房控制系统、节水控制系统等弱电系统的设计目的主要是结合建筑设备的运行工艺,通过智能化的监控手段,保障高质量建筑环境的优先输出,并对建筑设备的管理方式、管理策略进行优化。建筑能效监管系统的能耗检测范围包括电、水、燃气、冷热量等各类能源信息,其中以用电量为主要监管环节.并且有DB33/1090—2013《国家机关办公建筑和大型公共建筑用电分项计最系统设计标准》进行规范指导,所以,能效监管系统电能计量表计通常是由强电专业设计,此外,建筑设备监控系统中还包括了供配电监控系统。这部分设备(如开关保护设备、测量仪表设备)也是传统强电专业的工程范文。在GB50314—2015的指导下。强电专业和弱电专业不再各自独立,而是需要根据设备应用以及能源流向进行交互设计以及数据互通。由此可见,GB50314—20l5的发布,进一步强化了弱电专业建筑设备监控系统和强电专业建筑能效监管系统的紧密联系,笔者认为。这就是建筑强弱电一体化应用的雏形。

2.2强弱电一体化对于建筑全生命周期的贡献

通过对当前建筑运营中的问题总结,笔者认为这些问题(如能效监管系统的价值有限导致弃用,楼宇自控系统的控制效果难以评估等)不会仅在建筑建设及管理的某一个节点或环节产生,而是需要将强弱电一体化为导向的建筑设备管理系统的应用贯穿建筑的全生命周期过程,如图1所示。

图1强弱电体化对于建筑全生命周期的贡献

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在项目的规划阶段,笔者建议引入系统架构师的角色,系统架构师将跨越专业的限制,结合建筑的最终业务流程.基于强弱电一体化进行建筑设备管理系统的顶层架构设计,比如建筑设备管理系统的管理范围应包括哪些必要的区域和设备、分关键及非关键域、不同区域采用何种环境控制策略、应包含哪些能效评价指标等。

在顶层架构的指导下,强电、弱电专业在各自的系统设计中会充分对功能需求进行响应。如强电计量表计如何设置,在保证能效监管效果的同时,可以取得更经济的配置方案;弱电系统环境临控点位的布置,应能确保人员舒适性的可视可控,对相应的设备及区域能能效进行评估,同时,强电和弱电专业的设计在统一顶层架构下还会互相进行设计沟通以确保对彼此关联设计意图的充分理解。

顶层架构的定义,还会充分考虑各个系统的数据负荷和安全特性,以搭建更加简洁易用的系统集成方式。如强电的能耗数据应该与环境参数、设备状态、控制模式等信息统一到一个实时监控界面和一个数据库中,以确保数据的时效一致。强电专业的分析功能如电能质量等,可以通过网页嵌入的方式集成,避免数据在不同系统中的重读,同时可以降低单一系统的数据负荷.提高系统安全、这将帮助强电、弱电的施工明确工作目标和工作方法,避免重复工作和数据丢失。

通过如上几个阶段,就可以基本保证建筑设备管理系统在实际的运行中有效集成强电系统和弱电系统的关联数据。能源效率摒弃单纯以能耗绝对值衡最节能降耗水平的粗放型考核指标,取而代之的足以设备、系统的运行效率为关键衡量指标,不牺牲舒适度和效果的前提下精细化管理能源。能效分析将全面覆盖能源效用、能源效果和能源效率,并且统一可视。海量能源数的信息分析将有的放矢,如针针对用电量和用水量、能耗和人数、能耗和温度可以建立相关性分析。

建筑设备管理系统的最终目的是提升建筑设备协凋运行,优化建筑综合性能。所以,过建筑设备管理系统的管理积累,根据建筑能源效果管理的要求,可根据区域特点优化控制策略,在保证控制效果的前提下避免能源浪费:所有优化管理措施的效果,都最终可以追踪和评估,以取得持续的优化效果。

2.3强弱电一体化架构搭建

如前所述,智能建筑建筑设备管理系统的搭建,应该从建筑的生命周期角度考虑,协同强电专业和弱电专业的强弱电一体化设计,以实现建筑设备监控系统和能效监管系统的数据和流程的互通。

为避免多个系统之间数据互相整合的复杂性,从总体架构的角度,建议各子系统的设备系统保持独立,并将各个子系统整合入设备监控和能效监管系统,然后在TCP/1P网络层面进行设备监控和能效管理系统的集成,以形成强弱电一体化的建筑设备管理系统。

需要注意的是,系统的集成并不是数据的简单重复互联,而是根据业务流程、功能区域、设备运行能效分析的应用需求,定义特定的实施数据点,而历史数据也可通过特定的数据库读写工具完成。对于特定的系统功能,在确保系统监管有效性和便捷性的前提下,还可以通过网页嵌入的方式进行集成。这将在系统之间优化分配系统运行负荷,提高系统安全性。

强弱电一体化在建筑设备管理系统中应用的典型架构如图2所示。

图2强弱电一体化架构在医疗行业中的应用

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3强弱电一体化在建筑规划与设计阶段的应用

3.1建立能效考核指标

综上所述,基于强弱电一体化的建筑设备管理系统的能效监管,首先需要建立能效考核指标体系。而能效考核的指标,应该从能源效用、能源使用效果以及能源使用效率3个层次予以评价和优化。建筑设备管理系统的能效监管,应包括但不限于表1所示能效指标。

表1建筑能效指标

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3.2完善能源计量体系

大型建筑的能效监管,必然需要庞大的能源计量体系提供数据支撑。然而能源计量如何设置?应设置什么样的功能?应满足什么样的能效监管需求?如何能使成本最优化?强弱电一体化的协同规划和设计将首先明确能效监管的具体需求,并指导计量表计的优化设计,以确保能效监管功能的完整可用,并且取得最大的经济效益。

以电能计量表计为例,虽然部分国家及地方分项计量系统设计标准已经对总能耗、分项能耗、一级能耗节点、二级能耗节点,以及当末端能耗大于多少时宜单独计量进行了定义。然而,在实际的项目设计中,由于资金和投入产出的原因,往往只能做到一级能耗节点的覆盖。此时,就有必要根据设备的功率、使用情况进行细化设计,如对于空调机组,通过弱电系统的设计说明,分辨它们的服务区域和负荷变化特点,对于服务区域负荷变化较大的设备建议进行变频控制和重点计量。计量范围不仅包括风机电量计量,同时还应该包括热计量。从而可以用单位服务单元能源消耗量、空调末端能效比等能效指标真正衡量空调末端控制和管理的优劣,实现关键指标导向型的精细化闭环管理。

对于供配电系统.通常会设置不加区分的多功能电力计量表计,这样做.一方面并不能节约建设成本.另一方面也无法真正全面细致地了解电力系统的运行状况,如谐波、电压扰动等问题,难以完全做到能源的效用监管和分析。因此.有必要对供配电环节的位置、重要性、负载特点进行分类,并设置差异化的监测计量仪表。在主进线、大型负载(如空调主机)、重要负载(如医疗设备)可以装设具备全面电能质量分析功能的仪表,电能质量的监测功能将不仅限于谐波分析、电压扰动、骤升骤降、闪变瞬变等典型的电能质量问题,而对于一般的馈电回路,只需要装设一般的电力计量仪表即可。

此外,当前的设计中,可能还会为消防设备装设电力计量。并且数量很大。由于消防设备的使用率较低,其能耗统计的价值不高,并且其电力参数监测还可能与消防监测保护设备有重复,可以进行优化设计。

3.3追踪节能策略效果

以空调机组免费制冷的应用为例,当室外焓值低于室内焓值时,可将新风阀开到最大,引入室外新风直接冷却.从而降低空调风机频率或水阀开度,实现空调节能在这种应用场景下,楼控系统只能监控系统的运行模式,无法追踪每种模式下到底耗能情况如何、免费制冷模式是否真的比常规模式节能,此时就需要引入能源管理的相关能耗数据,与运行状态数据进行交叉对比,从而分析出每种模式的工作效率。

从图3可以看到,引入免费制冷后,其单位时间的能耗比常规模式还要高,此时就可以发现,免费制冷并未正常工作,有可能是由于控制策略不对,也有可能是由于阀门、变频器等设备的故障,而这些往往在常规的单系统运行中无法发现。只有实现了强弱电一体化,实现了设备监控与能源计量的互联互通,才能使节能策略真正发挥作用。

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3.4建立业务流程交互

不同的建筑,有不同的业务形态和流程。建筑设备管理系统与能耗管理系统只有与不同的业务流程互通,才能真正实现节能增效与精细化控制。例如,商业建筑能耗管理系统与会议预定系统、客流统计系统的集成:酒店能耗管理系统与酒店管理系统的集成:医院能耗管理系统与HIS系统等的互通等。以商业建筑为例,有些商业建筑部署了客流统计系统,客流统计系统体现了这栋建筑的负荷,将负荷与大楼的环境参数、能耗参数进行横向对比,从而发现系统中存在的问题

从图4、图5的对比数据可以看出,在下午15点、16点,以及晚上19点、20点时,人流人数和室外温度都有明显的下降,但空调能耗却没有显著的下降,有两种可能:空调控制的策略有问题。或是能耗计量的回路有问题,空调和其它回路混用了。沿着这两个方向去查找系统存在的问题,基于强弱电的数据互通,才使真正找到降低建筑能耗的目标。

图4商建大楼人流负荷与能耗对比

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图5商建大楼能耗与室外温度对比

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4强弱电一体化架构

施耐德电气强弱电一体化架构EcoStruxureTM可为楼字、电网、工业和数据中心领域的用户提供规模化的、基于物联网的解决方案。该架构与平台具有开放性、可扩展性和互操作性。

EcoStruxureTM可提供围绕3个技术创新层面的产品组合。这3个层面包括:①智能设备层,具有嵌入式智能的互联互通的产品,如智能断路器、智能配电柜、智能电表、DDC控制器、智能照明终端机、智能配电架等。②前沿控制(系统平台)层,具有按需从现场或云端对其运营进行管理的能力:包括弱电建筑设备管理系统和强电能源与电力管理平台,强弱电软件在此架构横向互通,为综合能效分析提供数据。③应用、分析与服务层,具有远程在线能源管理和暖通空调设备分析等平台。为了能够与任何硬件、系统或控制配合使用,EeoStruxureTM对于基于开放的IP协议的不可知厂商应用、分析与服务具备宽泛的容纳能力。

5结语

强弱电一体化管理平台可以有效地实现能源供应与需求双向管理,结合不同流程,保障不同类型建筑能源使用的效用、效果和效率。本文基于智能化建筑在运营维护阶段的问题,以及相关的国家规范,阐述了强弱电一体化在建筑规划与设计阶段的应用,包括建立能效考核指标、完善能源计量体系、追踪节能策略效果以及建立业务流程交互等。借助EcoStruxureTM强弱电一体化架构平台能在整个项目过程中将设计与执行流程进行整合,为用户提供高能效和可持续性的解决方案。

参考文献

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