绿色建筑与BA系统

程大章, 沈 晔

(同济大学, 上海 200092)



·照明技术·

绿色建筑与BA系统

程大章, 沈 晔

(同济大学, 上海 200092)

对绿色建筑与建筑设备监控(BA)系统的关系进行了研究,分析了BA系统对建筑节能的作用。提出通过公共建筑BA系统的再调试,建立建筑能源管理系统(BEMS)和建筑物故障预测与健康管理(B-PHM)功能,提升建筑物的能效。

绿色建筑; BA系统; 建筑能源管理系统; 建筑物故障预测与健康管理

程大章(1951—),男,教授,研究方向为智能建筑技术及城市信息化技术。

0 引 言

建筑物在其生命期内消耗了全球能源总量的40%,建筑垃圾占全球垃圾总量的40%。为改变这一状况而兴起的绿色建筑,能在生命期内最大限度地保护环境、节约资源(节能、节水、节地、节材)和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间。绿色建筑将环保技术、节能技术、信息技术、控制技术渗入到人们的生活与工作中,用最新的理念和最先进的技术去解决生态节能与居住舒适度的问题。其中,建筑设备监控(Building Automation,BA)系统是解决建筑生态节能与居住舒适度的主要且重要的技术措施[1-2]。

1 绿色建筑相关国家标准

为响应国家提出的发展生态文明要求,新建建筑一律按绿色建筑设计建设,既有建筑逐步改造为绿色建筑,通过地方立法在建设程序中实施绿色建筑。目前,江苏、浙江等省已通过地方立法实行绿色建筑建设[3]。

1.1 绿色建筑相关标准

我国已经颁布并执行的绿色建筑相关标准有GB/T 50378—2014《绿色建筑评价标准》、GB/T 50640—2010《建筑工程绿色施工评价标准》、JGJ/T 229—2010《民用建筑绿色设计规范》、GB/T 50878—2013《绿色工业建筑评价标准》、GB/T 50908—2013《绿色办公建筑评价标准》、GB/T 51100—2015《绿色商店建筑评价标准》、GB/T 51153—2015《绿色医院建筑评价标准》、GB/T 51141—2015《既有建筑改造绿色评价标准》、GB/T 51148—2016《绿色博览建筑评价标准》、GB/T 51165—2016《绿色饭店建筑评价标准》、CSUS/GBC 04—2012《绿色超高层建筑评价技术细则》、CSUS/GBC 04—2013《绿色校园评价标准》,在编和即将颁布的有《绿色铁路客站评价标准》、《绿色生态城区评价标准》、《绿色建筑运行维护技术规范》等。

各地出台了地方绿色建筑评价标准,按照建筑功能、区域特点形成的新标准也很多,这些反映出绿色建筑的理念已得到社会的认同,绿色建筑技术成为工程建设的基本内容。所有绿色标准都是GB/T 50378—2014的补充。

1.2 绿色建筑标准中BA系统内容解读

绿色建筑评价标准内容包括节地、节能、节水、节材、室内环境、绿色施工和运营管理。绿色建筑的建设目标要依靠建筑物的运营管理来保障,在运营过程中得到体现。绿色建筑的建设质量只能在建筑物的运营管理过程中得到反映。

GB/T 50378—2014中与BA系统工程紧密相关的有以下几条:

(1) 第5.1.3条规定:“冷热源、输配系统和照明等各部分能耗应进行独立分项计量”。第10.1.5条规定:“供暖、通风、空调、照明等设备的自动监控系统应工作正常,且运行记录完整”。这两条均为控制项,相当于强制性条款。

对冷热源、风机、水泵等设备必须进行有效监测,实时采集并记录能耗数据和运行状态,按照设计的工艺要求进行自动控制。只有BA系统处于正常工作状态下,建筑物才能实现高效管理和有效节能。面积小于2万m2的公共建筑和10万m2以下的住宅区,可不设BA系统,但应有简易的控制措施,如风机/水泵的变频控制、不联网就地控制器、单回路反馈控制等。因此,需要审阅能耗分项计量系统和BA系统的设计文件、运行分析报告,核对建筑设备监控点数是否与现场设备系统一致,以便节能控制策略得到实施。在BA系统的中央控制站上检查主要耗能设备监控的实时工作情况,审查BA系统运行记录的真实性和完整性。系统的运行记录和检测数据应保持1 a以上,允许有不超过1个月的自动记录中断,但主要能耗数据应在系统故障期实行人工记录,并输入系统。

(2) 第8.2.12条规定:“主要功能房间中人员密度较高且随时间变化大的区域设置室内空气质量监控系统”。第10.2.5条规定:“定期检查、调试公共设施设备,并根据运行检测数据进行设备系统的运行优化”。这两条均为评分项。

保持建筑物与居住区的公共设施设备系统运行正常,是保证绿色建筑实现各项目标的基础。对室内的污染物进行检测、分析、报警,并与通风设备联动,是绿色建筑BA系统的基本功能。物业管理机构必须定期检查、调试设备系统,维持设计的性能指标;进一步根据运行数据或第三方检测的数据进行设备改造,不断提升设备系统的性能,提高建筑物的能效管理水平。

《绿色建筑运行维护技术规范》要求,必须进行综合能效调适,使暖通空调系统、给排水系统、电气与控制系统、可再生能源系统、建筑室内外环境、监测与能源管理都处于良好的工作状态。

2 公共建筑能耗和BA系统

2.1 公共建筑生命周期的建设和运行成本分析

根据工程统计,公共建筑的生命周期一般为60～70 a,建设和运行的成本如图1所示。

图1 公共建筑建设和运行成本

由图1可见,公共建筑的能耗费和设施更新费占建筑整个生命周期成本的50%。如果实行有效的节能控制和预防性的设施维护管理,可以延长设备的正常使用期限,降低建筑物的运营能耗。

2.2 建筑设备系统与负荷的不适配

在建筑设备工程设计时,总考虑以最大的负荷、最不利的气候等条件来选用设备。实际建筑物建成投用后,往往需要2～5年后才能达到设计时的负荷量。因此,设备系统的供应能力长期与实际负荷处于一种不匹配的状态,能源浪费和低能效为常态。建筑物的功能在生命周期中常会改变,负荷因气候与人流量是随机过程,设备系统性能渐进老化,故存在大量的低效问题。在建筑物生命周期中节能是一项持续的工作,是PDCA工作循环。建筑物节能的工作循环如图2所示。

图2 建筑物节能的工作循环

PDCA以人工智能驱动,使建筑物的运营以螺旋式上升地向良性方向发展。需要强调的是,大型建筑物的综合目标Plan是由空间、结构、设施、环境、服务质量、经营状况、能源成本等构成的多目标矢量,其运营Do、寻找的缺陷Check和调整对策Action都是由相关系统状态构成的多维空间。在每一次循环中,总会发现各类情况和问题,故需要进行优化改善,不断提升建筑物与设备系统的性能。通过运营过程和运营系统来提高绿色建筑的质量,降低运营成本和管理成本,节省建筑运行中的各项消耗(资源和人力)。

2.3 公共建筑的节能减排空间

截止至2013年底,我国(城镇和乡村)既有建筑面积已达500亿m2,公共建筑约占40%,即200亿m2。按年单位面积耗电量100 kWh低估,则每年公共建筑耗电量高达2万亿kWh。如公共建筑降低10%的能耗,则相当于3个三峡电站的发电量,可减少CO2排放16亿t。

公共建筑依靠包括智能化监控的主动节能技术,可以取得显著的节能效果。

2.4 公共建筑中BA系统的功效

BA系统对建筑设备系统(变配电、照明、冷热源、空调、给排水、交通等)和可再生能源系统(风力、太阳能利用、地源等)的运行进行全面监测与控制,使设施处于最佳运行状态,实现节能与管理。同时,对中水与污水进行处理、回用,实现自动控制,在恶劣的工作条件下保证水资源的有效利用,把水资源的污染降低到最小。在BA系统的基础上可以建立物业信息管理系统,全面监测能耗,对建筑运行维护与管理等业务建立档案及记录,进行常态管理与应急指挥,有效应用BA系统,使绿色建筑和建筑节能用真实的数据反映实际效果。

根据工程实践统计,公共建筑在不改变围护结构和能源设备的情况下,仅对建筑设备系统实行有效监控控制后,可降低能耗20%～30%。建筑物能耗与BA系统作用如图3所示。

图3 建筑物能耗与BA系统作用

图3中,建筑设备没有控制时的建筑能耗为100%,应用BA系统实行有效的监控后能减少30%的能耗,如果进一步实行能耗分项计量,实现设备系统的优化控制并进行精细化管理,则还能减少25%的能耗。

3 公共建筑BA系统运行质量

目前,大型公共建筑基本都建有BA系统,投资多达上千万元。在工程设计内容和工程施工验收中均有BA系统,但实际运行中的BA系统情况却很不理想。BA系统的工程质量调研结果表明,约有50%的项目没有投入使用,30%的项目部分在运行使用,仅有20%的项目运行情况良好。原因是多方面的,如设计缺陷、设备性能问题、低价恶意竞争、施工水平低等。虽然近年来因建筑节能和绿色建筑的政策和要求,情况有所改善,但大量的大型公共建筑BA系统运行水平低下。

BA系统的有效运行是有一定的技术和机制难度。调查60栋商业建筑的运营情况后,统计数据表明:50%以上的建筑有控制问题;40%建筑的暖通空调设备存在问题;超过30%的建筑的空调传感器无法正常测量;25%建筑的能源管理系统、节能装置或变速驱动装置未正常运行;甚至有15%建筑的BA系统专用设备失踪。

上海市公共建筑耗电量统计分析如表1所示。

表1 上海市公共建筑耗电量统计分析

建筑类型样本数量年单位面积耗电量/[kWh/(m2·a)]均值最小值最大值商务办公楼334121.9737.32356.97宾馆 69135.5653.10251.73商场 167167.6435.99445.36

由表1可见,同类型建筑的能耗差异很大,但是排除服务质量等级之类的因素后,所得到的年单位面积耗电量则提供了一个基准,说明节能的空间很大。对于在同一气候区的同类型公共建筑,能效的评价是单位面积的能耗,应在平均值以下。由此可知,使大型公共建筑已有的BA系统功能激活,以较低的代价来实现建筑节能和提高管理效率极为重要。

4 公共建筑BA系统的再调试

4.1 再调试问题的提出

目前80%的既有公共建筑存在室内环境品质不良、设备系统能耗高、一次建设缺陷、建筑功能变更、设备系统故障或老化等各种问题,而恢复与提升BA系统的功能则能有效改善这些状况,因此提出了公共建筑BA系统的再调试。GB/T 50378—2014就体现了这样的要求,LEED-EB的相关条文也提出了楼宇自动化系统的再调试。

在建筑物已经投运后,根据建筑物实际的使用功能和设备负荷,对设备系统的运行状态进行精确调整,在保证室内空间舒适要求下实现节能运行。通过调试、记录设施的功能,完全达到业主的需求设想,是一个综合、系统的质量控制过程。

4.2 再调试工作的前提

BA系统的再调试工作的前提如下:

(1) 建筑物的使用功能确定,入驻人员数量基本稳定。

(2) 建筑设备和BA系统工程已投入使用1 a以上,至少有1 a运行数据的积累。

(3) 建筑物能耗远高于当地同类型建筑。

如果这些前提不存在,BA系统的再调试工作将难以推进或者毫无意义。

4.3 再调试工作的流程

BA系统再调试工作的流程如图4所示。其中熟悉建筑的设计资料(建筑功能区、设备系统原理和布局、变更情况、竣工情况、控制工艺等)和了解建筑物运行情况(功能、物业管理、设备系统的维护等)是基础的准备工作。

图4 BA系统再调试工作的流程

对运行数据进行分析,寻找可能导致异常情况的原因,但是必须通过现场检查来验证造成异常情况的原因及结论的准确性。

由于室内的错误装修隔断、机电设备安装质量问题和设备故障等都会影响已有BA系统的运行,因此必须由装修工程、机电安装工程、设备提供商等相关方先行整改。同时,还需要对BA系统的现场控制器进行检查,对各类传感器进行标定,以使监测得到的数据能准确反映现场的状态。

需要特别指出的是综合效能调适问题,对公共建筑的各个系统在调试、验收和季节性工况验证的整个体系过程进行管理,查证设备的型号和性能参数符合设计要求、设备和系统的安装位置正确和安装质量符合规范,确认设备和系统的实际运行状态符合设计使用要求,并能根据实际负荷进行调节。

在综合效能调适工作的基础上,根据建筑物的负荷和设备系统的构成,确定BA系统对各类设备系统的控制方法和节能控制策略,制定并实施调试方案,并投入运行。通过运行,得到设备系统的状态、效果(室内环境、能源消耗等),分析、验证控制方法和控制策略的有效性。如仍有不足,则修改控制方法和节能控制策略,再实施调试,并分析投入运行后的数据。

5 从BEMS走向智慧运营

5.1 建筑能源管理系统

楼宇自动化系统的功能在近十年得到了很大提升,并增加了管理功能,称为建筑管理系统(Building Management System,BMS)。目前,又把设备监控、设备管理、能耗监测和能源管理的功能组合成一个系统,称为建筑能源管理系统(Building Energy Management System,BEMS)。BEMS功能如图5所示。

图5 BEMS功能

BEMS以能源管理和节能决策为目标,实时采集设备系统的运行信息与能耗相关的数据,通过分析、控制和管理等手段,优化用能和消除能源浪费,提高运营管理的效率与服务质量。BEMS以准确的运行状态数据监测、精确优化的运行控制、全局合理的管理调度和友好便捷的交互界面,达到设备的最优运行(能效最大化)、能量的最低消耗(能耗最小化)、管理的最高效率和成本的有效控制。

在BEMS的运行中以能源成本最低为目标,实行能源的调度控制;也可以环境代价最低为目标,在成本的约束下实行能源的调度控制;甚至可以实行负荷响应,根据电网的负荷态势和电价调整信息,调控建筑物的用电负荷。

5.2 智慧运营

大型公共建筑对于运营的要求不断提升,其基本目标是安全、舒适、高效、绿色,功能目标则为运行管理、经营管理和防灾管理,以达到智慧运营。一栋建筑面积30万m2以上的大型公共建筑,有30个以上的功能系统,数万个运行信息发生点,在平稳运行态下每分钟至少产生5 000多条信息。如果实现精细化管理且保证服务质量,人工难以应对,若再有突发事件,协调各相关系统运行及采取最优的应急预案快速处置,更是一般人员不能完成的。

大型公共建筑的智慧运营需要做到以下几点:

(1) 进行空间管理。

(2) 设置消防报警、视频监控、通道控制系统,进行安全管理。

(3) 建立电梯、停车库与标识的监控系统,进行交通管理。

(4) 设置照明、通风、空调等的控制系统与环境参数监测系统,实行环境管理。

(5) 设置建筑设施与能源的自动监控系统,进行设施管理。

(6) 建筑物设置商业管理系统和资产管理系统,进行经营管理。

(7) 建立信息发布系统和自助查询,为进入建筑物的人员服务。

智慧运营不单是技术问题,而是能运用既有规则来调整、改变现存的事物,以获得符合特定目标结果的“执行智慧”。信息化、智能化的技术都是实现智慧运营的支撑手段,根据运营的组织结构和业务流程对运营系统进行顶层设计,建立运营的体制与机制,协调各类人员利益关系,承担经营和管理的责任。

大型公共建筑的BEMS集成管理众多的智能化系统,汇聚建筑物内的历史与实时、静态与动态等信息,构成大数据库,共享信息资源和协同运行。在建筑物各智能化系统正常运行的基础上,可以利用BEMS数据库进一步进行建筑物的健康管理。

建筑物健康管理的完整描述是建筑物故障预测与健康管理(Building Prognostic and Health Management,B-PHM),是对复杂装备的全生命周期进行故障预测、健康状态评估和健康管理。B-PHM功能模块如图6所示。

图6 B-PHM功能模块

B-PHM针对空间、结构、设施、环境、服务质量、经营状况、能源成本等运行状态,根据特定的数学模型进行故障预测和健康诊断,除了判断该专项为“健康”、“亚健康”、“病态”、“严重病态”外,还按照诊断结果给出对策建议。当健康诊断专项具有自动控制功能时,立即反馈调整,采取相应措施。

在物业管理业务中,维护工作量大,有效的维护需要“基于状态的维修(Condition Based Maintenance,CBM)”的思路,把传统的对故障、异常事件的被动反应(事后维修)、主动预防(定期维修)模式,提升为事先预测(视情维修),达到维护规划管理(健康管理决策)。

因此,大型公共建筑的BEMS增加了B-PHM功能,可以充分利用运营的海量数据,是实现智慧运营、防范各类风险、提高运营效率和服务质量水平、保护环境与节约资源的重要途径,通过能耗、水耗、材耗、环境、使用人的舒适度、成本等数据,掌握建筑设施的实时运行状态,及时发现问题,调整设备参数;根据数据积累的统计值,进行比对,找出设施的故障和资源消耗的异常,改进运行,提升建筑物的能效。

6 结 语

BA系统是BEMS的工作基础,其正常运行可以有效监控建筑设备的运行状态。大型公共建筑的BA系统再调试,能够节省建筑能耗20%～40%。在我国大力推行节能减排,建立建筑能耗定额的管理机制,扭转大型公共建筑高能耗的情况下,BA系统的再调试是一项最有效的技术工作。

大型公共建筑的BEMS+B-PHM综合应用大数据技术、人工智能技术和系统工程方法,提升智能应用水平,是今后智能建筑领域技术发展的方向。同时,BEMS+B-PHM与智慧城市对接,实现技术和智慧相结合,更能使我国的智慧城市运营获得智慧基础,促进社会、生态与经济的可持续发展。

[1] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2015[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[2] 程大章.智能建筑楼宇自控系统[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3] 程大章.智能建筑理论与工程实践[M].北京:机械工业出版社,2009.

Green Building and BA System

CHENG Dazhang, SHEN Ye

(Tongji University, Shanghai 200092, China)

This paper researched the relationship between green building and building automation(BA) system.The high value of BA system was analyzed in energy saving of building.It is pointed out that the building energy management system(BEMS) and the function of building prognostic and health management(B-PHM) are built by means of BA system debugging in public building,in order to improve the energy efficiency of builiding.

green building; building automation(BA) system; building energy management system(BEMS); building prognostic and health management(B-PHM)

TU 201.5

B

1674-8417(2016)09-0038-06

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.09.009

2016-05-25

沈 晔(1964—),男,教授,研究方向为建筑智能化、校园信息化。