摘 要： 介绍了楼宇节能的相关国内和国际标准，以及研华BEMS楼宇能源管理系统的架构和功能，并给出相关应用说明。研华BEMS楼宇能源管理系统一方面可以应用于大型楼宇或工厂企业的日常能源管理中；另一方面，BEMS通讯接口可以将数据远传至国家省市级能耗数据中心，参与国家建筑能耗统计平台建设，未来市场空间不可估量。
关键字：BEMS，楼宇节能，能耗统计，能耗监测，分项能耗，需量控制
1 引言
建筑能耗在总能耗中的比例，反映了一个国家或地区的经济发展水平和生活质量。目前主要发达国家的建筑能耗均已占社会总能耗的1/3左右。我国建筑能耗比例虽然不及发达国家，但由于建筑市场的飞速发展，建筑能耗占总能耗比例逐年上升。资料显示，未来几年内写字楼、公寓、饭店、会展中心等大型公共建筑会大幅度增加，在2020年前我国将新增约10亿m2大型公共建筑。而我国约90%以上的大型公共建筑是典型的耗（电）能大户，在能源需求日趋紧张的情况下，采用多种手段实现建筑节能是必然的选择。如何进行建筑能耗量化管理以及效果评估，降低建筑运行过程中所消耗的能量，包括空调、照明、采暖、电梯以及办公设备等的能耗，从而降低运行成本，成为大楼业主最为关注的问题。
要想降低能源消耗就必须采取有效的方式管理能源。对于一栋现代化的大楼而言，在没有安装BEMS的时候，由于很难了解大楼内空调、照明等耗能设备的运行情况，统计显示有35%~50%的能源因此而浪费。另一方面，工业和商业用电付费时有一个参数是要加以考虑的：契约用电容量。耗能设备全部运行时会产生很强的用电需求，一个月中哪怕只有15~20分钟的用电负荷超出契约容量，全月的基本电费仍基于最高负荷收费。统计显示这些额外的费用通常占企业用电帐单的25%[2]。
BEMS就是将建筑物或者建筑群内的变配电、照明、电梯、空调、供热、给排水等能源使用状况，实行集中监视、管理和分散控制的管理与控制系统，是实现建筑能耗在线监测和动态分析功能的硬件系统和软件系统的统称。它由各计量装置、数据采集器和能耗数据管理软件系统组成。BEMS通过实时的在线监控和分析管理实现以下效果：1）对设备能耗情况进行监视，提高整体管理水平；2）找出低效率运转的设备；3）找出能源消耗异常；4）降低峰值用电水平。BEMS的最终目的是降低能源消耗，节省费用。
2 标准
在进行BEMS产品设计和节能项目技术方案设计时，参考了目前国际上和国内现行的一些能源管理系统方面的相关标准，尤其在BEMS数据远传接口中符合了国家现行的相关标准规范的规定。
2.1国际标准
1）IEEE Std 739-1995, 《IEEE Recommended Practice for Energy Management in Industrial and Commercial Facilities》
由美国电气电子工程师学会颁布，给出了工业和商业企业系统中各系统和设备能量消耗监控和管理的指导性建议。如何做能源审计，以考察各设备有无能源浪费现象。对于照明系统、空调系统、电机、空压机等系统分别给出了能效判断和提高能效的方法。
2）《IPMVP国际节能效果测量和认证规程》
由国际节能效果测量和认证规程委员会颁布，MVP为确认能效、节水和可再生能源项目实施效果提供了现有最佳技术的总体情况。
2.2国内标准
为能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度的建立准备条件，促使办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，住房和城乡建设部在2008年6月正式颁布了一套国家机关办公建筑及大型公共建筑能耗监测系统技术导则，共包括5个导则（以下统称《导则》）：《分项能耗数据采集技术导则》；《分项能耗数据传输技术导则》；《楼宇分项计量设计安装技术导则》；《数据中心建设与维护技术导则》；《系统建设、验收与运行管理规范》。
在进行产品设计时，主要参考了《分项能耗数据采集技术导则》、《分项能耗数据传输技术导则》和《楼宇分项计量设计安装技术导则》。《分项能耗数据采集技术导则》规定了统一的能耗数据分类、分项方法及编码规则，为实现分项能耗数据的实时采集、准确传输、科学处理、有效储存提供支持。《分项能耗数据传输技术导则》规定了能耗监测系统中能耗计量装置、数据采集器和各级数据中心之间的能耗数据传输过程和格式。《楼宇分项计量设计安装技术导则》统一了楼宇分项计量和冷热量计量的方法。
根据建筑的使用功能和用能特点，《导则》将国家机关办公建筑和大型公共建筑分为8类：1）办公建筑；2）商场建筑；3）宾馆饭店建筑；4）文化教育建筑；5）医疗卫生建筑；6）体育建筑；7）综合建筑；8）其它建筑（指除上述7种建筑类型外的建筑）。
对于每一类建筑，需要采集的数据指标分为建筑基本情况数据和能耗数据采集指标大两类。建筑基本情况数据包括建筑名称、建筑地址、建设年代、建筑层数、建筑功能、建筑总面积、空调面积、采暖面积、建筑空调系统形式等表征建筑规模、建筑功能、建筑用能特点的参数。能耗数据采集指标包括各分类能耗和分项能耗的逐时、逐日、逐月和逐年数据，以及各类相关能耗指标。各分类能耗、分项能耗以及相关能耗指标的具体内容见下表。
《导则》中规定了能耗数据图表展示方式应直观反映和对比各项采集数据和统计数据的数值、趋势和分布情况，并给出了多种数据图表展示方式的建议，比如饼图、柱状图、线图、区域图、分布图、混合图、甘特图、仪表盘或动画等。
为保证能耗数据可进行计算机或人工识别和处理，保证数据得到有效的管理和支持高效率的查询服务，实现数据组织、存储及交换的一致性，《导则》制定了能耗数据远传的编码规则，并详细制定了代码结构。
3 研华楼宇能源管理系统
研华楼宇能源管理系统BEMS的设计开发基于第二节中所阐述的国际国内标准，同时借鉴了目前市场上主要厂家的产品。
研华BEMS由硬件设备和软件系统组成。硬件设备中计量表和采集器的选型可参照《导则》中的规定，用于对用电设备的数据采集和存储分析。软件系统基于WebAccess组态软件开发，继承了WebAccess可组态、可远程维护等一系列的优点。包括两个子系统：能耗监测与管理子系统和需量控制子系统。能耗监测与管理子系统采集、监视、管理和控制楼宇中的各种分类和分项能耗数据，提供丰富的数据图表和报表展示方式以及数据统计分析功能，帮助用户随时随地的掌握能源消耗情况，并找出能源使用异常、建立能源削减计划。能耗监测与管理子系统嵌在WebAccess的工程节点和监控节点，能耗数据由WebAccess监控节点采集，工程节点可配置能源管理工程，存储、统计、分析能耗数据，并提供Web服务进行数据图表展示。需量控制子系统运行在WebAccess的监控节点，通过对能耗数据的实时采集与计算，采用先进的控制算法限制峰值用电需求，降低用电成本。需要特别指出的是，由于BEMS可组态的优点使得BEMS的应用范围不仅仅局限于楼宇行业。对于工业企业用电，比如钢铁、石油化工等企业，通过用户的灵活组态，同样可以实现这些企业的能源管理。
研华BEMS能源管理系统帮助用户实现以下需求：
1）建立实时能耗数据采集系统
实时能耗数据采集系统包括各计量装置、数据采集器和数据采集软件。实时数据保存到能源管理系统的能耗数据库中，各级管理人员在自己的办公室里就可以利用浏览器访问能源管理系统，根据权限浏览全部或部分相关能源计量信息。
2）建立能耗数据统计与分析系统
能耗数据统计与分析功能提供各分类分项能耗数据的逐时、逐日、逐月、逐年的统计图表和文本报表，以及各类相关能耗指标的图表，各级管理人员可以对能源的班用量、日用量、月用量进行比对，分析能源使用过程中的漏洞和不合理情况，调整能源分配策略，减少能源使用过程中的浪费，达到节能降耗之目的。
3）建立能源使用计划
根据目前的能源使用情况，做出能源使用计划。根据能源使用需求，制订能源采购、生产、供应计划，做到生产有目的，使用有计划，在能源方面保障生产平稳且能源使用合理、节俭，避免浪费现象发生。
4）建立能源折标系统
对于不同种类能源的使用情况，必须折合成标准单位才能进行比较和综合，建立能源折标系统，以便能对不同的能源进行合并比较。
5）建立需量控制系统
用户通过组态的方式确定负荷组、负荷和契约容量信息。需量控制系统自动预测下一个时刻需量，根据负荷卸载优先级别卸载或恢复负荷，确保系统需量不超过峰值契约容量，免受罚款或停电。
3.1能耗监测与管理子系统
能耗监测与管理子系统由各计量装置、数据采集器、管理系统（Web服务器）组成，它帮助用户建立实时能耗数据采集系统、能耗数据统计与分析系统、能源使用计划和能源折标系统。
3.1.1系统架构
下图给出了能耗监测与管理子系统的系统架构图。系统采用三层的分布式结构。
各种计量装置用来度量各种分类分项能耗，包括电能表（含单相电能表、三相电能表、多功能电能表）、水表、燃气表、热（冷）量表等。计量装置具有数据远传功能，通过现场总线与数据采集器连接，可以采用多种通讯协议（如MODBUS标准开放协议）将数据输出。WebAccess的监控节点为能耗监测与管理子系统的数据采集器。管理系统设在WebAccess的工程节点，数据采集器通过以太网将数据传至管理系统的数据库中。用户在WebAccess的工程节点可以对能源管理工程进行组态和浏览能耗数据。管理系统的通讯接口可以将能耗数据按照《国家机关办公建筑及大型公共建筑分项能耗数据传输技术导则》远传至上层的数据中转站或省部级数据中心。
3.1.2数据的组织方式
能耗监测与管理子系统提供灵活的组态功能，用户可以根据实际需要配置能源管理工程。能源管理工程下可包含多个能源管理组，能源管理组包含多个能源管理成员，也可包含能源管理组。以某大楼为例，配置好的能源管理组表示了该大楼的各分类和分项能耗。
3.1.3系统功能
能耗报告（Energy Profile）
各能源管理组逐时、逐日、逐月、逐年能耗值报告，帮助用户掌握自己的能源消耗情况，找出能源消耗异常值。单位面积能耗（EUI）等多种相关能耗指标报告为能耗统计、能源审计提供数据支持。温度、湿度参考功能帮助分析能耗数据与环境数据的相关性。
能耗排名（Energy Ranking）
不同时间范围下能源管理组的能耗值排序，帮助找出能效最低和最高的设备单位。
能耗比较（Energy Comparison）
不同时间范围内能源管理组能耗值的比较。
日平均报告（Average Daily Profile）
任何一天每15分钟平均能耗需求的报告。帮助用户了解自己的能耗模式并找出超出预期的峰值需求，为与电力公司签订合同时提供参考。
偏差分析（Deviation Report）
任何一天不同时段能耗值与管理设定值的偏差表示。红色偏差值表示实际能耗值超出了能耗使用计划值，指出能源消耗的增加倾向。
最大值/最小值分析（Max/Min Value Analysis）
不同时间范围内能耗值的最大值/最小值分析。可以分析各系统和设备能源消耗与时间的相关关系。
一次能源折算（Primary Energy Profile）
将企业能耗值折算为热量(MJ)、标准煤以及原油、原煤等一次能源消耗量和相对的CO2释放量。
成本报告（Cost Profile）
各能源管理组逐日、逐月、逐年能耗费用报告。根据能量表的数据和费率结构计算能耗费用，帮助管理能源成本。用户可以设定能耗成本基准，根据与实际成本偏差去设定预算，有助于减少能源采购中的风险。
成本排名（Cost Ranking）
不同时间范围下能源管理组的成本值排序。帮助找出能源消费最低和最高的设备单位。
10）统计报表（Statistical Report）
分类和分项能耗数据的年/月/日统计报表。让用户对企业能源消耗情况一目了然，并能帮助用户合理分配能源使用结构。
3.2 需量控制子系统
需量控制子系统（Demand Limiting，以下简称DL）通过调整负载的使用降低高峰时的用电需量，来减少额外的付费，从而减少企业长期的能源花费。在用电负荷功率曲线图中，若当前用电需量趋近峰值契约容量时，就应该采取措施来降低用电需量，这个过程如下图所示。
DL将负荷分组。一个监控节点可以有多个负荷组，但每个负荷组必须对应一个或一组契约。每个负荷组的控制运算独立进行，DL将负荷按照6个卸载级别分类。DL每分钟处理以下过程：
DL读取计量表输入；
DL预测需量周期内的功率需求。当功率需求超过峰值契约容量设定，DL计算需要调整的功率值，这个功率值就是DL需要卸载的量。
当预测功率需求超过峰值契约容量设定，DL首先选择卸载级别为6的负荷进行卸载，直到达到卸载目标。DL循环卸载可卸载的设备。
以下条件下的负荷不能卸载：
a) 负荷被锁；
b) 负荷不在线，或处于报警状态
c) 负荷已经处于卸载状态或低于卸载级别
d) 负荷运行时间小于最小运行时间
e) 负荷刚刚被DL卸载并恢复，但恢复时间小于最小恢复时间。
如果卸载级别为6的负荷全部被卸载，DL开始卸载级别为4的负荷，直到满足要求。
如果卸载级别为4的负荷全部被卸载，DL开始卸载级别为3的负荷，直到满足要求。直到卸载级别为1的负荷。
如果卸载全部可卸载的负荷仍不能满足要求，DL产生报警通知。
每个负荷属性中有最短卸载时间，DL比较每一个负荷被卸载的时间，满足要求时，DL可以恢复负荷，恢复负荷的顺序与卸载相反。
DL在运行态下负荷组图和负荷明细图如下所示。点击负荷组可以查看该负荷组的运行数据显示和需量周期内的功率曲线。负荷明细图中可以查看各负荷状态，也可对负荷进行控制。
4 BEMS在建筑节能中的应用
楼宇中安装BEMS系统后，就如同有了“眼睛”、“神经系统”、“大脑”和“四肢”，通过“眼睛”可以了解能源消耗状况，现场总线、通讯网络组成“神经系统”收集数据，通过“大脑”判断能耗浪费和异常，通过“四肢”来执行“大脑”发出的指示。不过能源管理系统只是节能工作中的一个重要手段，在日常的能源管理事务中，能源管理师更多地扮演了“大脑”的角色，他使用BEMS这个工具获得数据，对数据进行分析，并做出决策，最终达到节省能源，节省成本的目的。节能不是一簇而就的，它是一个不断循环、不断反馈、不断优化的过程。
如前所述，不同类型的楼宇有不同的能耗特点，本节分别选取办公建筑和商场建筑为例来简要说明BEMS在建筑节能中的应用。
4.1 办公建筑
1）了解建筑概况
某办公大楼共13层，工作时间为周一至周五的8：00-18：00（午间休息 1小时），周末及节假日休息。1楼为店面，2-13楼全部为办公用标准层。总建筑面积8625 m2 ，空调建筑面积7300 m2 。采用新风机组加风机盘管系统。冷源为2台杆式冷水机组，热源为中央热水机组。每台冷水机组分别配2台冷冻水泵和2台冷却水泵。记录大楼内主要耗能设备的额定功率值。
2）建筑能耗结构分析
下图是由BEMS得到的统计图表，显示了某年度该办公楼空调系统、照明系统、办公及其它设备的耗电比例。从图中可以看出空调系统所占能耗比例很大，因而进一步分析空调能耗。
下图给出了空调系统内各部分能耗比例。从图中可发现，冷热水机组所占的比例最大，达到54%。除此之外，末端设备全年耗电比例达25%。水输送系统（冷却水泵、冷冻水泵）的能耗比例也相当大，达18%。
3）建筑能耗逐时/日/月/年分析
逐时、逐日、逐月、逐年能耗图帮助了解分析建筑能耗模式，并能找出能耗异常。下图中显示了该办公楼夏季一典型日内各设备的逐时耗电量。各部分的耗电量从上午7时开始上升，下午18时开始下降，其间中午出现小幅回落。上午7时到9时期间出现电梯使用的高峰，同时空调能耗也开始增加。中午休息使得空调、照明、办公设备的能耗出现回落，但幅度不大。晚上20时到22时照明、通风等仍有部分能耗。
4）节能潜力分析
由于办公建筑的使用功能决定了建筑内照明系统和办公设备能耗基本是稳定的，对全年建筑能耗的变化影响不大。照明系统节能体现在日常的管理中，比如人走关灯，更换节能灯等。
对于耗能主体——空调系统，根据其运行记录，找出主要节能措施如下：
a)主机配备容量偏大。大部分时间只开1台主机，配1台冷冻水泵、1台冷却水泵就能满足需求。
b)空调水系统运行存在大流量、小温差的问题。应增大送回水温差，减小水流量，同时采用变流量技术。
c)室内温度设定偏低，增加了能耗。应将室内温度和相对湿度设定分别提高。
4.2 商场建筑
1）了解建筑概况
某大型商场建筑面积约51万m2，空调建筑面积约38万m2，冬季燃气锅炉供暖，夏季以离心式制冷机为冷源，采用定风量全空气系统，共有不同型号的空调箱530台。
2）建筑能耗结构分析
下图显示了某年度该商场空调系统、照明系统、电梯系统的耗电比例。从图中可以看出空调系统和照明系统所占能耗比例很大。
商场空调系统能耗大主要由其负荷状况决定。比如，一些商场建筑的维护结构采用玻璃幕墙等热量易穿透材料构建，围护结构冷负荷十分巨大。由于商品展示等需求，室内照明负荷大。此外，商场人员密集，来自人体的热负荷成为商场空调系统负荷的一个很重要部分。因此商场空调系统能耗比重较大。
空调系统各设备能耗比例如下图所示。其中，制冷机耗电占23%，冷冻水泵、冷却水泵和冷却塔等水系统合计占11.6%。由于该商场采用全空气空调系统，空调箱风机全年运行，因此空调箱风机耗电比例65.4%，浪费最严重，节能潜力最大。
3）建筑能耗逐时/日/月/年分析
整个商场某年全年用电情况如下图。
4）节能潜力分析
对于空调系统，可参考得主要节能策略有：
a)空调箱风机的变频调节
b)充分利用新风自然冷源
c)通过风压控制避免冷热不均
5 总结
2008年4月1日起我国开始施行《节约能源法》，使节约能源成为了一项基本国策。《十一五纲要》中提出了“建设资源节约型、环境友好型社会”的号召。在建筑节能方面，国家推出了一系列政策，2020年我国用于节能建筑项目的投资至少是1.5万亿，BEMS的市场前景是很广阔的。
研华自动化 楼宇事业部
研华科技自1983年创立以来，致力于为客户提供高品质、高性能的产品和服务。研华自动化作为研华科技第一个业务集团，重点关注四大垂直行业：楼宇节能、机械制造、电力能源及智能交通。研华自动化为楼宇节能客户提供先进的系统产品和专业及时的技术服务，针对楼宇自动化市场自主研发基于Web的iBAS楼宇自动控制系统和BEMS建筑能源管理系统。整个系统以Web技术为核心，通过BEMS丰富的图形报告和数据解析的功能，帮助用户掌握和分析能源消耗情况，并做出决策，通过iBAS系统对用电设备进行有序加载或者减载动作，达到节约能源的目的。
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