董飛翔,季延清

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

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建筑設(shè)備管理與能耗分析的信息論研究

董飛翔,季延清

(長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院, 陜西 西安 710055)

建筑智能管理環(huán)境由建筑內(nèi)各種智能化系統(tǒng)的搭建所產(chǎn)生,包括對(duì)建筑設(shè)備管理、建筑內(nèi)各種能源管理以及對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的集成化管理。在對(duì)建筑智能管理環(huán)境的研究中,基于信息理論的基本原理,從信息流的角度出發(fā),分析了建筑設(shè)備管理、建筑能源管理、智能化集成系統(tǒng)管理信息過(guò)程模型的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn),反映出模型中各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)滿足的要求和各環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系。

建筑智能管理環(huán)境; 能耗分析; 建筑設(shè)備; 建筑能源

董飛翔(1993—),男,研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>

0 引 言

建筑智能管理環(huán)境是建筑智能環(huán)境要素中人工智能環(huán)境的一個(gè)重要組成部分,研究?jī)?nèi)容主要包括建筑設(shè)備管理、能源管理和智能化集成管理等方面。建筑設(shè)備管理和建筑能源管理均通過(guò)建筑設(shè)備管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),一方面對(duì)建筑物內(nèi)的空調(diào)與通風(fēng)、變配電、照明、給水排水、冷熱源與熱交換設(shè)備、電梯、停車庫(kù)等建筑設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理,以保證建筑物內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備處于高效、節(jié)能、安全、可靠的運(yùn)行狀態(tài);另一方面對(duì)建筑物內(nèi)各種能源(包括水、電、氣以及可再生能源)進(jìn)行智能化管理、建筑機(jī)電設(shè)施耗能采集及能效監(jiān)管,節(jié)能增效。集成化管理系統(tǒng)是建筑智能化系統(tǒng)最高層次的管理平臺(tái),集成了所有建筑智能管理系統(tǒng),是涉及建筑設(shè)備監(jiān)控、公共安全、信息設(shè)施、信息化應(yīng)用的綜合管理平臺(tái)。

在對(duì)建筑智能管理環(huán)境的研究中,基于信息理論基本原理(信息獲取、傳遞、認(rèn)知、處理、思維、施效、組織等),從信息流的角度出發(fā),建立信息模型。

2 建筑設(shè)備管理信息過(guò)程的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

建筑設(shè)備管理系統(tǒng)是對(duì)建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和公共完全系統(tǒng)等實(shí)施綜合管理的系統(tǒng),其中對(duì)照明設(shè)備的管理實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理環(huán)境智能要素中智能光環(huán)境的控制,對(duì)空調(diào)與通風(fēng)設(shè)備的管理則與智能空氣環(huán)境相關(guān)。設(shè)備管理只針對(duì)建筑設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、啟停次數(shù)、故障/維修的管理,其中各類設(shè)備信息的獲取、存儲(chǔ)、記錄以及在計(jì)算機(jī)上使用管理軟件對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)都與信息理論基本原理的各個(gè)環(huán)節(jié)相對(duì)應(yīng)。建筑設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 建筑設(shè)備管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建筑設(shè)備管理信息過(guò)程模型如圖2所示。

圖2 建筑設(shè)備管理信息過(guò)程模型

(1) 信息獲取。建筑設(shè)備管理中涉及的信息包括設(shè)備基本信息、運(yùn)行信息(累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行狀態(tài)、啟停次數(shù))、故障/維修信息(故障類型、故障時(shí)間、維修時(shí)間、累計(jì)維修次數(shù))等。

(2) 信息傳遞。傳感器、變送器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳遞輸入現(xiàn)場(chǎng)控制器中,每個(gè)輸入口對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)裝置。當(dāng)輸入口有信號(hào)輸入時(shí),就可以判定對(duì)應(yīng)檢測(cè)裝置動(dòng)作,獲取準(zhǔn)確的信息;現(xiàn)場(chǎng)控制器采用現(xiàn)場(chǎng)總線將通信適配器接入以太網(wǎng),將信息傳入管理計(jì)算機(jī)中。

(3) 信息處理。標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)送入現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備中,由預(yù)先在計(jì)算機(jī)上編好的程序進(jìn)行處理,產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的智能策略,輸入到設(shè)備上對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。另外，將輸入端口的信號(hào)狀態(tài)及變化傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,用于監(jiān)控管理。

(4) 信息施效。在計(jì)算機(jī)中利用管理軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行集中管理，包括對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、故障的報(bào)警,并將各種運(yùn)行狀態(tài)、維修狀態(tài)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(5) 信息組織。對(duì)整個(gè)設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,使其更加節(jié)能、高效和環(huán)保。

信息過(guò)程模型的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)LabVIEW軟件的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW編程的核心是數(shù)據(jù)流,程序可以通過(guò)數(shù)據(jù)的流動(dòng)直觀地反映信息流的傳遞。仿真界面相當(dāng)于上位機(jī)的監(jiān)控界面,可以檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),并記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中,也可以檢測(cè)到報(bào)警及故障,并遠(yuǎn)程控制設(shè)備。顯示設(shè)備概況界面如圖3所示。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面如圖4所示。

圖3 顯示設(shè)備概況界面

圖4 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)界面

顯示設(shè)備的運(yùn)行/故障/維修記錄界面如圖5所示。

圖5 顯示設(shè)備的運(yùn)行/故障/維修記錄界面

3 建筑能源管理信息過(guò)程模型的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

建筑能源管理主要指自動(dòng)對(duì)水、電、氣等的計(jì)量與收費(fèi),提供最佳能源控制策略,監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備的用電量,以節(jié)約電能,實(shí)現(xiàn)能源管理自動(dòng)化。能源管理主要通過(guò)建筑能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),通過(guò)對(duì)建筑安裝分類和分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置,采用遠(yuǎn)程傳輸?shù)仁侄尾杉芎臄?shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)建筑能耗數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析以及能效測(cè)評(píng)功能。

基于信息理論基本原理,構(gòu)建的建筑能源管理信息過(guò)程模型如圖6所示。

圖6 建筑能源管理信息過(guò)程模型

(1) 信息獲取。包括對(duì)建筑物基本信息和分類分項(xiàng)能耗信息的獲取。建筑物基本信息包括建筑名稱、建筑地址、建筑層數(shù)、建筑總面積、空調(diào)面積、建筑結(jié)構(gòu)形式、建筑外墻保溫形式;分類能耗數(shù)據(jù)包括電、水、燃?xì)?、集中供熱、集中供冷、其他能源?分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)包括照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電等。能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)部分主要將數(shù)據(jù)采集器和各計(jì)量設(shè)備、智能水表、智能電表通過(guò)RS-485接口相連,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)傳等功能。

在建筑能效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,前端的能耗數(shù)據(jù)采集是能效監(jiān)測(cè)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。為了了解建筑物各類負(fù)荷的能耗,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化管理,需對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分項(xiàng)計(jì)量。

分類能耗數(shù)據(jù)根據(jù)建筑用能類別的不同,分為電量、水耗量、燃?xì)饬?天然氣量或煤氣量)、集中供冷耗冷量、集中供熱耗熱量、其他能源使用量(如集中熱水供應(yīng)量、煤、油、可再生能源等)等6類。

分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)在分類能耗中對(duì)應(yīng)電量分類下的照明插座用電、空調(diào)用電、動(dòng)力用電和特殊用電4個(gè)用電分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)。4個(gè)分項(xiàng)是必分項(xiàng),各分項(xiàng)根據(jù)建筑用能系統(tǒng)的實(shí)際情況還可以再細(xì)分為一級(jí)子項(xiàng)(變配電室)和二級(jí)子項(xiàng)(二級(jí)配電)。分類分項(xiàng)能耗如圖7所示。

圖7 分類分項(xiàng)能耗

(2) 信息傳遞。通過(guò)綜合布線,將分散在各處的計(jì)量設(shè)備連接起來(lái),將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,并連接至以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表。

建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 建筑能耗數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)

(1) 信息處理。主要對(duì)建筑物能耗數(shù)據(jù)的分析,包括對(duì)數(shù)據(jù)的拆分、分類分項(xiàng)的計(jì)量、應(yīng)繳費(fèi)用、生成報(bào)表以及自動(dòng)計(jì)算水、電、天然氣等的用量,并通過(guò)對(duì)能耗數(shù)據(jù)的拆分和挖掘,找出建筑能耗不合理之處,為建筑的節(jié)能降耗提供依據(jù),同時(shí)包括能效測(cè)評(píng)、能耗預(yù)測(cè)等方面。建筑能效測(cè)評(píng)對(duì)反映建筑物能源消耗量及其用能系統(tǒng)效率等性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、計(jì)算,并給出其所處水平,反映建筑物能源消耗量及其用能系統(tǒng)效率等性能指標(biāo)。目前實(shí)際使用的能效測(cè)評(píng)方法很多,各個(gè)國(guó)家的方法也有區(qū)別,對(duì)于能耗基準(zhǔn)線的確定方法大體可以歸為兩類:基于單棟建筑的基準(zhǔn)線和基于多棟建筑的基準(zhǔn)線。基于單棟建筑的能耗基準(zhǔn)線的確定方法是通過(guò)人為設(shè)定某建筑的標(biāo)準(zhǔn)模型,計(jì)算得到其能耗作為基準(zhǔn)能耗,我國(guó)現(xiàn)階段就采用該方法。基于多棟建筑的基準(zhǔn)線以大量建筑能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),因此在確定基準(zhǔn)線時(shí)采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。美國(guó)“能源之星”基準(zhǔn)評(píng)價(jià)采用的線性回歸法和德國(guó)建筑能耗評(píng)價(jià)體系采用的四分位法都是這種方法。

(2) 信息施效。在建筑能耗監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)中主要表現(xiàn)在監(jiān)測(cè)管理軟件設(shè)計(jì),對(duì)建筑能耗實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、能耗展示以及能效評(píng)測(cè)、能耗預(yù)警和報(bào)警等,使業(yè)主和管理人員能夠?qū)崟r(shí)了解能源的使用狀況。

4 智能化集成系統(tǒng)管理信息過(guò)程的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)集成是將智能建筑內(nèi)不同功能的智能化子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上連接在一起,以實(shí)現(xiàn)信息綜合、資源共享。智能化集成系統(tǒng)不僅要滿足建筑物的使用功能,更要在實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上優(yōu)化各子系統(tǒng)的運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間高效的聯(lián)動(dòng)。采用計(jì)算機(jī)管理軟件與上位機(jī)服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)集中監(jiān)視和管理,將各子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一存儲(chǔ)、顯示和管理在同一平臺(tái)上,使管理人員便于獲取建筑的各類信息,及時(shí)做出正確的判斷和決策。集成管理是通過(guò)智能建筑綜合管理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。IBMS是一個(gè)一體化的集成監(jiān)控和管理的實(shí)時(shí)系統(tǒng),通過(guò)統(tǒng)一的信息平臺(tái)將不同功能的建筑智能化系統(tǒng)集成。

建立智能化集成管理信息過(guò)程模型如圖9所示。

圖9 智能化集成管理信息過(guò)程模型

(1) 信息獲取。獲取子系統(tǒng)的信息,如空調(diào)、電梯等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),大樓的用電、用水、通風(fēng)和照明情況,安保、巡更的布防狀況,消防系統(tǒng)的煙感、溫感狀態(tài),停車場(chǎng)的車位數(shù)量。這些信息大多由前端探測(cè)器通過(guò)敏感元件和變換元件將非電量的信號(hào)裝換為標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)來(lái)獲取。

(2) 信息傳遞。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)智能控制器獲取各類設(shè)備的信息,通過(guò)綜合布線系統(tǒng)將各類信息傳遞到現(xiàn)場(chǎng)控制器、報(bào)警控制器中,并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。

(3) 信息處理。對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別、分類,提取信息特征,識(shí)別報(bào)警信號(hào)的類型、ID、傳輸網(wǎng)關(guān)等信息,確認(rèn)報(bào)警是否發(fā)生。

(4) 信息施效。在智能化集成系統(tǒng)中,在界面上集中監(jiān)視和管理各子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),用顏色、聲音等方式標(biāo)記各種異常情況,同時(shí)記錄當(dāng)時(shí)狀況,對(duì)子系統(tǒng)設(shè)備的使用記錄、故障記錄、維修記錄形成相應(yīng)的報(bào)表,對(duì)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制和優(yōu)化管理。

(5) 信息組織。系統(tǒng)集成把相互獨(dú)立的系統(tǒng)有機(jī)地集成到統(tǒng)一環(huán)境中,將相對(duì)獨(dú)立的資源、功能和信息等集合到相互關(guān)聯(lián)、協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的集成系統(tǒng)中,從更高的層次協(xié)調(diào)、管理各子系統(tǒng)之間的關(guān)系,提高服務(wù)、管理的效率以及對(duì)突發(fā)事件的響應(yīng)能力。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文將信息理論與建筑智能管理環(huán)境相結(jié)合,基于信息理論的基本原理,分析了建筑智能管理環(huán)境的復(fù)雜工作機(jī)制,建立了總體以及各子系統(tǒng)的信息過(guò)程模型,并應(yīng)用軟件對(duì)模型進(jìn)行了演示信息過(guò)程,反映出模型中各個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)滿足的要求和各環(huán)節(jié)之間的邏輯關(guān)系,對(duì)智能建筑以及智慧城市的發(fā)展具有重要意義。

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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?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>