能源管理系統(tǒng)與NEC

馬克·拉蒙多拉

近年來(lái)，許多業(yè)主一直在被勸說(shuō)采用一些節(jié)能措施，甚至是一些低成本的簡(jiǎn)單節(jié)能措施，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間、多方面的努力終于達(dá)到了現(xiàn)有的成果：在新建或改建項(xiàng)目中，能源管理系統(tǒng)(EMS)幾乎成為不可缺少的一部分。借助于EMS，只需進(jìn)行幾個(gè)簡(jiǎn)單的操作就可以減少能源浪費(fèi)。

以HGA公司為例，HGA的建筑師和工程師不僅設(shè)計(jì)EMS應(yīng)用軟件，而且將它們應(yīng)用在自己的辦公室中。例如，HGA在密爾沃基市的辦公室使用自動(dòng)控制策略來(lái)控制空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和日光采集系統(tǒng)(圖1)。

圖1　HGA公司辦公環(huán)境

新的2014 NEC第750章節(jié)對(duì)這些系統(tǒng)在電氣方面的要求降到了最低，只包括5個(gè)小節(jié)，內(nèi)容不足一頁(yè)半。其中的條款屈指可數(shù)，給將來(lái)規(guī)范的修訂預(yù)留了大量的空間。

1關(guān)于EMS

NEC中提供了一個(gè)非常靈活的定義：EMS是監(jiān)控或監(jiān)測(cè)電氣負(fù)載、發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能設(shè)備的系統(tǒng)。定義中列出了部分符合該定義的設(shè)備，例如定時(shí)器、控制器和通信設(shè)備。

并非所有與節(jié)能相關(guān)的設(shè)備都屬于EMS的范疇。例如百葉窗可以在夏季的午后遮擋陽(yáng)光、降低室溫，從而達(dá)到節(jié)能的目的，但它們并沒(méi)有檢測(cè)或監(jiān)控空調(diào)的實(shí)際負(fù)荷，所以并不符合EMS的定義。

圖2所示是第750章節(jié)規(guī)范制定小組的候補(bǔ)人員、HGA的高級(jí)電氣工程師克里斯塔·麥當(dāng)娜·貝爾森，為客戶講解操作EMS的一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。

圖2　操作EMS的過(guò)程

應(yīng)該從感官和技術(shù)兩方面正確認(rèn)識(shí)EMS。例如，一排燈可以根據(jù)從窗戶透進(jìn)來(lái)的光線自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度，這確實(shí)做到了控制負(fù)載并達(dá)到了節(jié)能的目的，但通常認(rèn)為這只是一個(gè)工程化的產(chǎn)品，并非EMS。EMS的共同點(diǎn)包括：

1)安裝費(fèi)用少

它們可以模塊化或封裝成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，與每一個(gè)系統(tǒng)都是獨(dú)立的、新設(shè)計(jì)的相比，這確實(shí)降低了成本，這只是低價(jià)位的入門級(jí)系統(tǒng)。

2)業(yè)主投入少

EMS中已經(jīng)包含了監(jiān)控管理和其他的一些服務(wù)，所以每月其他的基礎(chǔ)服務(wù)費(fèi)用較低。這種模式類似于防侵入報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)。

3)可定制

控制元件、通信設(shè)備、控制面板以及其他的組件可以隨意組合。

4)遠(yuǎn)程控制功能

如果有足夠的資源對(duì)現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)督，那現(xiàn)場(chǎng)控制是最優(yōu)的選擇。但通常情況下，項(xiàng)目經(jīng)理都沒(méi)有專業(yè)技術(shù)背景，并且可以使用的技術(shù)人員也很有限，特別是在商業(yè)建筑中，這種情況很普遍。當(dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制時(shí)，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控進(jìn)行外包以及與承包商進(jìn)行溝通就顯得格外重要。

5)觸摸面板接口

這種類型的用戶界面包含儀表盤、需求報(bào)告、歷史數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)趨勢(shì)以及可配置的報(bào)警功能，無(wú)論是在餐廳還是銀行分支結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)都是由固定的人員操作。只要?jiǎng)觿?dòng)手指，用戶就可以實(shí)時(shí)地查看能耗情況。這有利于用戶做實(shí)時(shí)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)最大化節(jié)能。

EMS系統(tǒng)通過(guò)如下方式進(jìn)行節(jié)能：

1)低電壓緩解：在低電壓的情況下關(guān)閉選定的負(fù)載。

2)功率因數(shù)補(bǔ)償最小化：控制(監(jiān)視/報(bào)警)感性負(fù)載在任何給定的時(shí)間都可以運(yùn)行，以使功率因數(shù)控制在既定數(shù)值之內(nèi)。

3)調(diào)峰：控制某些負(fù)載在非高峰時(shí)間使用。例如，EMS系統(tǒng)可在高峰負(fù)荷時(shí)段進(jìn)行如下調(diào)整：調(diào)暗倉(cāng)庫(kù)照明、不使用廢料磨床、禁用垃圾壓實(shí)機(jī)、調(diào)整溫控器以及關(guān)閉指定的冷水機(jī)組?；蚩梢宰约哼\(yùn)行發(fā)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)所有的負(fù)載(圖3)。

圖3　調(diào)峰策略

如圖3(圖片由HGA公司提供)所示，使用EMS來(lái)減少負(fù)載是調(diào)峰的方式之一，但這會(huì)影響業(yè)務(wù)運(yùn)行。另一種方式是啟動(dòng)發(fā)電機(jī)，這樣會(huì)減少依賴電網(wǎng)輸送電的負(fù)載的數(shù)量，也不會(huì)影響各系統(tǒng)在高峰時(shí)段的運(yùn)行。

4)廢棄物監(jiān)測(cè)：當(dāng)你努力查找為什么上個(gè)月的電費(fèi)賬單如此昂貴時(shí)，通過(guò)廢棄物監(jiān)測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)冷水機(jī)組B(空氣壓縮機(jī)或其他大型負(fù)載)在上個(gè)月一直沒(méi)有關(guān)閉。

上述只是EMS如何對(duì)一個(gè)既有項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能管理的部分例子，EMS同樣可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)行能源管理。這里所介紹的EMS并不是通過(guò)感應(yīng)器關(guān)閉浴室內(nèi)的燈來(lái)減少幾塊錢的電費(fèi)，它可以做更多節(jié)能項(xiàng)目。

如果一個(gè)設(shè)計(jì)師非常注重降低能源費(fèi)用，那可以使用EMS控制斷路器，使其可以隨時(shí)關(guān)閉工廠中的任何負(fù)載。這也是NEC第750章節(jié)規(guī)定出現(xiàn)的原因之一。

2如何使用

選定一個(gè)特定類型的負(fù)載(瞬時(shí)的)，這個(gè)負(fù)載啟動(dòng)時(shí)所有指標(biāo)都在規(guī)定的限值之下，運(yùn)行后會(huì)超過(guò)規(guī)定限值，這就意味著它需要一個(gè)瞬間的巨大電流。該負(fù)載是暫時(shí)性的，在低壓下運(yùn)行，并且所有其他負(fù)載在電流需求方面也會(huì)隨之上升。

這種情況會(huì)給電費(fèi)賬單增加不少壓力。使用EMS對(duì)該負(fù)載進(jìn)行管理，至少不會(huì)出現(xiàn)毫無(wú)理由的高峰負(fù)荷。另外，當(dāng)功率因數(shù)接近規(guī)定限值時(shí)，適當(dāng)?shù)叵拗圃撠?fù)載也許會(huì)更有利。工廠中所有的員工都認(rèn)為正常工作時(shí)不需要運(yùn)行該負(fù)載，通過(guò)查閱運(yùn)行日志可知，該負(fù)載在最近三個(gè)星期內(nèi)并沒(méi)有運(yùn)行過(guò)。

但在限制該負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)了一些問(wèn)題，在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，需要使用消防泵為滅火系統(tǒng)提供足夠的水量，消防泵是四種不能控制的負(fù)載之一，其他三種

包括：應(yīng)急系統(tǒng)、法律規(guī)定的備用系統(tǒng)和電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵業(yè)務(wù)。

事實(shí)上，消防泵是非常重要的，不能用EMS來(lái)代替任何必要的控制措施，以保證其供電的連續(xù)性。上述的其他三類重要負(fù)荷也是如此。

可使用EMS監(jiān)視這些負(fù)載，只是不能對(duì)其進(jìn)行控制。下面以消防泵為例，闡述對(duì)不能進(jìn)行控制的負(fù)載進(jìn)行監(jiān)測(cè)的原因。

一個(gè)消防泵系統(tǒng)由至少兩個(gè)泵組成，包括一個(gè)大型的主泵和一個(gè)小型的穩(wěn)壓泵，穩(wěn)壓泵可以隨意開關(guān)，對(duì)配電系統(tǒng)幾乎不產(chǎn)生影響，但如果進(jìn)行頻繁的開關(guān)切換就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，該泵的主要用途是在滅火系統(tǒng)管道中維持壓力平衡，為什么系統(tǒng)會(huì)壓力失衡？穩(wěn)壓泵的作用到底有多大？

從一個(gè)角度講，假設(shè)主泵需要開啟，EMS監(jiān)測(cè)到該情況后，可以將臨界負(fù)荷調(diào)高。這樣處理有一些好處，如當(dāng)防火泵啟動(dòng)時(shí)可以減少對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)變措施。試想，如果EMS在火災(zāi)發(fā)生前關(guān)閉了所有的負(fù)載系統(tǒng)，第一反應(yīng)是處理火災(zāi)時(shí)不用再浪費(fèi)時(shí)間去關(guān)閉其他負(fù)載，而且斷路器也不會(huì)斷開。

EMS不能斷開如下五類負(fù)載的電源：1)載有人的電梯；2)危險(xiǎn)場(chǎng)所的通風(fēng)系統(tǒng)；3)有毒氣體的通風(fēng)系統(tǒng)；4)應(yīng)急照明；5)衛(wèi)生保健設(shè)施的必要系統(tǒng)。

除了禁止EMS進(jìn)行控制的系統(tǒng)外，還規(guī)定了其他的一些規(guī)則：

1)EMS不能致使任何分支電路、饋線及服務(wù)器過(guò)載；

2)雖然EMS可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，但工作人員必須列出控制裝置和電路的列表。

其中第一條規(guī)定是符合“常規(guī)”的，而第二條是與NEC規(guī)范相呼應(yīng)的，NEC正在對(duì)EMS的使用范疇進(jìn)行規(guī)定。

3將EMS進(jìn)一步發(fā)展

EMS可以使承包商和業(yè)主/租客同時(shí)獲益，安裝EMS系統(tǒng)的一般目的都是為了節(jié)省能源，但是根據(jù)EMS的運(yùn)行過(guò)程，使用者可以使用EMS實(shí)現(xiàn)更多的功能。

若在新建建筑中安裝EMS系統(tǒng)，可以列出所有負(fù)載(創(chuàng)建一個(gè)負(fù)載配置文件)，然后除去NEC中規(guī)定的不能對(duì)其進(jìn)行控制的負(fù)載類型，對(duì)其他負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控設(shè)置。

于娟翻譯自http://ecmweb.com/nec/energy-management-systems-and-nec，肖昕宇校對(duì)。

KNX Technology Organization, Standards and Application Solutions

Li Yumin

Harmonic Analysis of Modern Architecture and Harmonic Control Method in Low-voltage Distribution Systems

Li Cong / li Zhi