公共建筑节能降碳智慧管控系统

文／吕大海、王鹏飞、王帅、刘宇、王志朋 中建八局第二建设有限公司 山东济南 250000

引言：

在“双碳”目标的背景下，通过新技术手段优化能源消耗，达到节能降碳目的的相关研究和设计越来越受到关注。清华大学建筑节能研究中心等机构的研究数据[1]显示，我国城乡建筑总能耗约占全国能源消费总量的31%，其中建筑运行阶段约占21%，能耗总量非常突出。中国建筑科学研究院等编制的《建筑智能化应用现状调研白皮书》显示，现阶段仅有约30%的系统实现了一定程度的集成，但数据并未实现互通，子系统各自独立运行。现阶段我国建筑智能化应用水平参差不齐，系统高效节能、便捷使用等优势未能充分发挥。

随着5G 技术、物联网技术、人工智能技术、大数据技术等新一代信息技术[2]成功落地应用，统筹信息化应用系统、智能化集成系统、信息设施系统、建筑设备管理系统、公共安全系统、机房工程等要素[3]，以节能降碳、提供健康舒适的空间环境为目的，打破建筑各系统的壁垒，实现互联互通，并设计有效的策略、算法，使监测、控制融合，打造公共建筑节能降碳智慧管控系统，意在通过无感知的智慧手段提升建筑暖通、照明等设备的综合运行能效。

1.主要技术内容

本系统以公共建筑能源精准化管理、能效最优化控制等目的，实现相关设备或系统整合、分析、柔性调度等方面融合，打造“云－边－端”三体协同，使能耗流、控制流、运维流、设备流、数据流“五流合一”，以数字化手段提升建筑能效管理水平。重要功能的实现原理如下：

1.1 系统架构设计

本系统统筹设计智能化系统的整体系统功能架构，便于一套系统即可实现对各个功能硬件设备和子系统的统一融合管理。整体架构设计划分为设备层、接入层、平台层、业务层、决策层，并包含设备统一的规范数据转发规范。

（1）展示层：可视化交互入口，主要包含运维端、管理后台等WEB 应用，以及移动APP 和数据可视化大屏。

（2）决策层：通过能耗评价、故障与能耗诊断、运行策略优化、碳核算算法的引入，实现对人员组织管理、设备控制的智慧实现。

（3）业务层：主要是公共建筑节能、运维管理等功能，含统一授权、基础信息、三维管理、文件管理、权限管理、日志管理、设备管理、场景管理、视频管理、运维管理、能耗管理、用户管理、报警管理、数据管理、组态管理。

图1 系统架构设计

（4）服务层：作为整个云端功能的基础能力提供规则引擎数据处理、设备管理等能力，引入人工智能技术、流媒体服务、大数据分析处理技术，同时建设业务管理平台服务体系，为应用系统、驾驶舱提供基础能力及服务，保证数据高度的稳定性。

（5）接入层：提供基于物联网技术的设备连接。通过建筑节能边缘计算网关，使用标准协议驱动及私有协议驱动接入各类设备和专业子系统，达到弱电施工建设和后期运维管理的统一、标准、可控。

（6）设备层：主要指面向建筑内的前端传感器、边缘网关及管理终端。主要负责对应用场景内部及周边的机电、能耗、安防、门禁、停车、电梯等运行信息进行采集、编码、传输及边缘计算处理，及接收平台的指令进行各种操作。按照设计点位部署方式、技术要求和安装实施要求进行施工安装、协议对接。

1.2 公共建筑能源智慧管控平台

公共建筑能源智慧管控平台是基于物联网、云计算、大数据、人工智能等信息技术，结合公共建筑特有的能源应用特点，量身定制开发集监控展示、故障告警，诊断优化，能效评价，碳资产管理等功能于一身的“集成化”“数字化”“智能化”的综合管理平台。

全维度分析建筑的各种设备运行状态及维护保养信息，重点设备的管理，对建筑设备进行定点数据融合，做到可察（物联感知）、可视（远程监控）、可管（管理到系统或者人）、可控（联动控制或远程操控）、可追溯（采集信息记录和处理信息记录）的精细化管理。

通过碳资产的统一管理功能，实现建筑能源设备碳台账可查、碳数据存储、碳流程可视。同时实现能耗数据的大数据分析，能流分析、分项用能分析、分区用能分析、重点设备能耗分析、能耗报表、用能预警等。

图2 平台效果图

通过设备运维功能，实现建筑各子系统的数据化运维，中间视图二维/三维组态方式展示设备的分布、状态，点击可交互。同时以数据可视化方式展示设备情况、告警统计、配置场景及设备用能情况等信息。

一是统计各系统设备的情况，通过项目列表的可实时展示设备状态、快速二三维视图定位、设备控制调用等功能。通过点击设备名称可直接展示设备画像，主要包含设备基本信息、设备实时状态、设备历史数据、维保巡检数据、重点设备能耗数据等；二是通过此功能实现平台智慧策略的手动执行，执行情况记录等；三是可直接展示子系统的预警统计及实时预警信息，可快速生成工单进行维护作业；四是可直接展示各建筑子系统运行的关键指标数据统计分析。

通过沉浸式沙盘的交互方式实现建筑设备云端运维的集中管理，打通系统间孤岛，将垂直化系统数据融合，提供动态化节能控制优化。

通过设备类型抽象、设备影子实现、节能策略低代码开发、算法预制等产品模式，以具体公共建筑的规模、空间特点、用能需求等快速配置，大大提升能源管控平台快速复制落地能力。

设备类型抽象，用于配置设备类型的关联参数及属性，通过参数列表管理当前设备类型的参数，其中参数取值类型，目前包含当前值、最小值、最大值，根据需要选择，常规而言大多为当前值；读写属性确定了此参数是否含有控制下发，例如针对空调模式设定，读写即可读出当前运行中模式，也可对模式进行切换，而只读可以理解为只能知道当前空调运行中的模式不可以对模式切换进行控制；取值范围，即参数可取的最小值和最大值；步进值，举例说明比如设定为“1”，通过控制面板设定增加/降低温度时，单次点击递增/递减“1”；显示方式，是自定义交互的特色设计，选择可配置右侧预览区控制面板样式，自定义实时调节，可选择数值显示、图标显示、文本/枚举显示等模式。

通过策略、算法调用，实现建筑能效诊断、能效评价，并实现图形展示、及时通知。节能策略的可视化配置支持设备触发、定时触发、算法触发，在触发后需判定执行条件，满足条件时进行动作执行，可执行设备的单控、群控、发出提醒等。

1.3 建筑节能边缘计算网关

基于嵌入式技术研发具有强可靠、低时延、高带宽的边缘计算网关，作为整个体系的核心硬件之一，是与建筑能源智慧管控平台能力的有效延伸，兼具数据交互及边缘计算能力，提供设备接入、协议解析、数据缓存、现场计算、远程控制、云端配置等一体化功能。

设备支持云平台配置、设备自动同步配置，提供可视化配置工具辅助配置过程，同时创新设计多设备融合标准化接口，实现多源异构数据接入。

图3 建筑节能边缘计算网关功能

1.4 数据采集终端

以简单易用、成本低廉、稳定可靠为目的，设计研发数据采集终端，作为整个能源管控网络的末端通信设备，主要将RS485、CAN 总线等物理接口透传为RJ45 接口，将设备数据接入到设备专网，即插即用，辅以云平台、边缘网关等算法策略的执行，实现实时监测、智能化控制。

图4 数据采集终端功能

1.5 建筑节能降碳策略

1.5.1 建筑机电系统运行策略优化

分析导致暖通空调，照明，给排水，电梯等建筑主要机电系统能耗较高的主要问题，分析各子系统，子设备的分项计量数据所呈现的强度及时间分布特点，设计节能控制策略并训练计算机算法植入本平台，以提升建筑机电系统在实际项目中的运行水平，三种策略根据不同的运行阶段不同场景参与到具体调优过程中，同时大数据的调控可反向优化无数据和小数据策略。

前期部署时，通过手动设置控制策略和系统内置算法运行，不断采集环境数据及机电系统运行数据，通过策略和算法的加持增加系统运行能效。

同时，所有监测和控制数据实时传输到云平台，形成运行数据、能耗数据、用户偏好数据的汇聚，形成大数据积累，平台根据数据的量级完成数据分析及算法训练，通过数据的分析实现辅助决策和指导手动设置策略的调整，通过云端算法的训练和完善，实现系统本地算法的优化。

图5 建筑绩点系统运行策略优化

1.5.2 建筑能效评价

根据本建筑智慧能源管控平台所收集到的耗电量、耗气量、可再生能源发电量、实际出冷/热量等数据，结合项目建筑特点、所在气候区，以及通过大数据技术获取的人员流量等参数，参考相关建筑能耗标准规范中给出的建筑能耗引导值及约束值，对建筑能效水平进行量化评价，评价数据可回溯应用到策略调整和控制实现中。

1.5.3 故障及能耗诊断

对既有的建筑故障及能耗诊断领域专家系统算法[4]进行整理，筛选其中适用于本平台的算法进行开发植入。同时，以本系统所收集的大量分项计量数据为基础，建立基于数据驱动应用于暖通空调、智能照明等各类建筑子系统的故障识别算法，及时发现系统中存在的故障点或能耗异常单元，以实现针对性优化，提升系统的整体运行质量。

1.5.4 建筑碳排放核算

利用该能源智慧管控系统所收集到的各类能源消耗量以及可再生能源利用量，结合当地电网碳排放因子等数据，设计公正高效的建筑碳核算方法，对建筑进行前置的碳资产管理[5]。

2.效益分析

2.1 经济效益

公共建筑节能降碳智慧管控，构建基于数据循证的建筑绿色低碳运营管理决策支持体系和“一站式”服务体系，全面提升能源管理的精细化和信息化水平，有效降低能耗支出。实现以系统串联建筑节能规建管整体升级、统筹建筑低碳场景智慧化，推动建筑运营数字化转型和升级，提升建筑运营效益。

2.2 社会效益

本系统利用运行过程中产生的实际数据，基于平台所搭载的自研算法库对建筑进行运行策略优化，实现建筑节能减排的同时，改善建筑的服务水平。是践行国家城乡建设领域碳达峰实施方案和“十四五”公共机构节约能源资源工作规划的重要举措，有利于全面推进建设数字化、智能化、低碳化建筑，社会效益和经济效益显著，具备广阔的应用前景。

结语：

本系统是建筑智慧能源管控创新应用，以能源管控平台及配套硬件为载体，以评价、优化等算法为核心，集建筑用能系统优化、智慧能源管理信息集成与智能调控、建筑碳减排优化路径研究等于一体，适用于医院、学校、场馆等多场景，有效提高建筑重点能耗设备自动化、数字化、智能化管理水平，为建筑能源规范化、流程化、精细化运营管理提供有力支撑。信息技术的创新和进步使能源的智慧管控得以实现，反过来，能源需求的不断增加和清洁能源的获取对信息技术提出更高的要求，推动着信息技术的不断发展与成熟。公共建筑节能降碳智慧管控能够创造良好的社会效益、经济效益和环境效益。