未来楼宇白皮书 -打造面向未来的楼宇.pdf

互联互通：智慧楼宇与物联网 2 前言：数字时代下的未来楼宇 建筑和楼宇行业是排碳大户，从前期建设到后期运营，楼宇的二氧化碳排放量占全球碳排放总量的40%，“双碳”目标下，楼宇脱碳是关键一环。施耐德电气认为，数字化技术是驱动楼宇脱碳的最佳实践路径，随着5G、物联网、大数据、云计算等技术的深入应用，建筑管理不断向可持续、智能化迈进。面对数字时代下楼宇转型的需求，施耐德电气定义了“未来楼宇”的理念，提出四个关键词：可持续、强韧性、超高效和以人为本。通过EcoStruxure三层架构：互联互通的产品层；边缘控制层；应用、分析与服务层，打造EcoStruxure楼宇解决方案，助力建筑完成转型，实现未来的楼宇。本书主要面向楼宇业主、设施经理、物业经理/能源经理、IT部门和系统集成商等，旨在通过本书为读者介绍建设智能楼宇的思路及实际应用方法，助力打造未来楼宇。全书囊括智能楼宇设计、建造、部署、运维全流程，从实际应用角度出发，第一章讲述物联网与智能楼宇，探讨物联网对楼宇管理和运营的影响；第二章从楼宇电气系统的设计出发，提供读者智能建筑建设的实用框架；第三章就智能建筑的建设和运维提供建议，助力楼宇走向新时代；第四章介绍施耐德电气完成的实际案例，以此论证EcoStruxure楼宇解决方案带来的成效。目录 CONTENTS 前言：数字时代下的未来楼宇 2 1 市场解读、趋势 4 1.1 互联互通：智慧楼宇与物联网 5 1.2 设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 11 2 架构与设计 18 2.1 面向未来高能效绿色楼宇的电气系统设计 19 2.2 智能建筑：楼宇管理系统（BMS）“开放性”评估框架 37 2.3 适用于网络安全和云连接智能建筑控制系统的实用框架 54 2.4 灵活性楼宇：五大要素助您打造未来办公空间 64 3 运维与管理 75 3.1 新一代楼宇管理系统（BMS）需要具备的三个基本要素 76 3.2 迈向设施管理2.0：数字化转型助力构建智能建筑 87 3.3 阀门及执行器：节能建筑运维的根基 107 3.4 全新时代的楼宇韧性 低使用率状态下的楼宇运营优化 115 4 客户案例 119 4.1 EcoStruxure楼宇解决方案为里斯本艾瓦卢森酒店的宾客带来 交互式体验 120 4.2 构建智慧后勤，打造明日医院的先行者 126 4.3 高效智能，绿色建筑的卓越典范 133 4 1 市场解读、趋势 互联互通：智慧楼宇与物联网 5 1.1 互联互通：智慧楼宇与物联网 摘要 随着楼宇变得更加互联互通，日益复杂和动态多样，人们越来越需要借助智慧楼宇技术，获取基于数据的洞察，从而最大限度地提高运营效率，减少能源浪费，并降低总体成本。本文探讨了智慧楼宇如何利用物联网技术为信息收集和共享创造新的机会，以及它对楼宇管理和运营的影响。楼宇管理的演变 随着时间的推移，楼宇内部所使用的设备和系统往往由多个厂商提供。品类繁杂，且标准也不甚相同，这使得楼宇变得日益复杂和多元化。这也导致楼宇管理和运营效率始终难以得到有效提升。楼宇内部的系统相互独立，彼此间缺乏必要的“交流”，这使得设施管理人员无法全面了解楼宇的性能和现状，而这也正是建筑能源管理系统（BEMS）应运而生的重要原因之一，这种系统的重要作用就是将楼宇内部各种系统及其功能有机整合为一体。然而，尽管这种系统能够帮助企业更全面地了解楼宇运营相关的各项性能，并有助于制定更好的能源使用战略，降低能源成本，但是这些早期系统并不具备预测功能，只能针对问题进行简单的判断，并在事后才发出预警。过去十年来，楼宇管理技术不断取得突破，并呈现出百花齐放的市场局面。对于日益老化的建筑和基础设施来说，这必然是一个好消息。如下图所示，根据美国能源部的数据显示，一栋建筑的使用寿命一般长达数十年，而在其整个生命周期内，高达 75%的成本支出都用于运营和维护阶段。举例来说，目前发达国家中超过一半的商业楼宇都是在 1970 年之前建成的，对于这些楼宇业主来说，找到既能在较长时间内优化楼宇运营成本，还能提升资产价值的技术和可扩展的解决方案已成为了当务之急。互联互通：智慧楼宇与物联网 6 楼宇技术的发展日新月异，想要时刻掌握最新技术趋势和信息并非易事。同时，为了能够物尽其用，楼宇业主和运营商还需要了解这些最新技术各自的优势和局限性。否则，可能将无法实现降低楼宇运营和能源成本、提升使用者舒适度和员工生产力等目标。Navigant Research 研究表明，整个楼宇能源管理系统市场正随着楼宇技术（如控制系统和无线技术）生态系统的发展而演变。虽然能源管理是该系统最核心的功能，但在此基础上，企业现在还需要借助能源管理解决方案来优化建筑的可持续性、提升空间利用率、运营效率和员工生产力。鉴于此，当前已开始利用物联网（IoT）技术和建筑信息模型（BIM）技术，将智慧楼宇内部各种系统和设备打通，并连接到统一的技术平台。基于建筑实时状态数据，结合建筑能源管理系统的分析，这类智慧楼宇可以实现主动识别可能出现的问题，从而提高设施经理的管理效率。随着楼宇对能源需求和效率要求的不断提升，这些新技术的重要性也与日俱增。根据美国能源情报署的数据，2040 年全球能源消费将增加56%。到 2050 年，世界人口预计将从 2010 年的 69 亿增加至 96 亿，增幅高达 38%。而在如今这个“时刻在线”（always-on）的数字经济时代，人类的电力需求也将急剧上升。预计到 2040 年，楼宇电力消耗总量占比将从目前的 53%提升至 80%。因此，企业需要分析能力更强，数据驱动型的方法来进一步优化楼宇运营和管理，以助力实现运营效率最大化，减少能源浪费，降低总体成本。与此同时，人们对建筑智能化的需求也在日益增加，因为智能建筑能够为人们提供更舒适、更现代化的环境，让人们更高效地工作。欧洲楼宇自动化协会（CABA）的一项研究显示，通过行使一些用于提升舒适度和生产力的举措（例如改善通风、照明条件，以及获得绿色建筑认证等，都能够对员工的健康和福祉带来积极影响，进而降低旷工率和离职率，提高工作绩效和满意度）不仅能够帮助建筑实现能源节约，还能带来其他方面的益处。智慧楼宇与物联网 这种更先进的技术和分析方法适用于各类规模的建筑：研究显示，到2025 年，中小型商业建筑市场的增幅将超过 60%，达到 380 亿美元。事实上，如果使用得当的能源监控措施，这些中小型建筑将能够节约20%的能耗费用。与此同时，借助集团级的物联网平台，大型商业建筑不仅能够提升运营效率，每年还能够削减 29%的能耗费用。那么，物联网究竟是什么？它与建筑能源管理有什么样的关系？在物联网的概念里，从智能手机、平板电脑及数字化协助工具，到各种类型的包括暖通空调（HVAC）、照明、安防等传感器或系统，一切可基于 IP 网络协议连接至互联网的设备都可以彼此连接。那么，物联网如何帮助楼宇变得更加智能？互联互通：智慧楼宇与物联网 7 通过连接电气、机械和机电系统与平台助力创建动态化、智能化的、以云端为基础的互操作网络。通过网络实现互联互通，这些系统能够实现监测彼此的状态，方便在必要时采取相应的措施（例如，在较少使用的区域调低空调或暖气温度等）。这样一来，系统将能够为设施经理提供所需的数据和分析结果，从而帮助他们以智能化方式优化楼宇性能，打造更加智慧的建筑。如今，促使这种竞争优势成为可能的技术已经出现。互联网的普及和无线传感器等 IT 组件的大幅降价使智能楼宇技术的价格更加亲民、更具商业化潜力，使业主和投资者能够投资购买更智能的技术，以实现楼宇性能的提升。据 Navigant Research 数据显示，先进智慧能源传感器市场的收入将从2016 年的 120 万美元增加至 2025 年的 320 万美元，增幅接近两倍。而先进的智慧能源传感器将在建筑能源管理系统中发挥关键作用。这些设备中包含“传感“技术，能够抓取数字化数据，并将这些数据发送至建筑能源管理系统进行分析，从中获得对决策有帮助的洞察。这些传感设备能够持续测量并实时反馈温度、二氧化碳浓度、湿度和气压等数据，为系统持续提供有价值的信息。此外，控制器、网关和传感器等设备还能够提升能源效率，助力削减各类建筑成本。所有这些设备、系统和平台可以同时连接至一个开放式中央 IP 中枢，以便呈现有关楼宇性能表现的整体视图。该中枢不仅能够集成设备生成的所有数据，而且能够借助强大的展示图表、数据丰富的报告以及可视化的趋势通过台式电脑、平板电脑或移动设备等用户友好型设备呈现出来。最重要的是，该中枢能够提供数据分析结果和可执行的洞察，以便运维经理制定战略决策，保障楼宇的智能化、高效运行。此外，该中枢还可以借助人工智能技术与机器学习算法进行数据分析，帮助楼宇进行自我诊断和优化。这样一来，楼宇系统变得更加舒适，员工的归属感和满意度得到提升，生产力也随之提高。互联互通：智慧楼宇与物联网 8 物联网平台的有效部署使楼宇能够轻松集成各项技术，为能源管理的改善创造条件。一个开放、安全、可扩展的平台能够提供深入且对决策有帮助的洞察，从而显著提高楼宇的运行效率。此外，将从前各自为政的系统互相连接后，通过数据关联与分析，将产生更多有价值的洞察。简而言之，物联网为信息收集和分享提供了更多可能，并将为楼宇的管理和运营方式带来深远的影响。借助具有协同性的智慧楼宇物联网平台，设备可以通过软件和服务的互联互通，使上述可能得以实现。实际案例：未来的楼宇 The Edge 大厦位于阿姆斯特丹祖达士区（Zuidas）商业区，占地面积4 万平方英尺。这座大楼生动地呈现了智慧楼宇如何借助物联网来改善企业工作空间如从楼宇管理到能源、照明和安全等方方面面。这栋建筑采用“New World of Work“原则进行设计，打破了传统集团式组织架构的固有模式。大楼玻璃外墙以玻璃外墙为主要特点，拥有广阔、开放、灵活的工作空间，15层楼高的玻璃中庭被露台环绕，充分保障了自然光照的充足。在英国绿色建筑研究机构（BRE）的绿色建筑评估中，这座大楼获得高达 98.36%好评，被誉为“全世界最具可持续性的办公楼”。这座大楼融合了多种集成式设施管理与能源解决方案，包括涵盖配电系统、IT 基础设施、控制设备的相关方案和电力监测软件等。此外，大楼的各层天花板内和技术室内还安装有各种传感器、阀门、执行器和其他与楼宇能源管理系统兼容并可互联互通的场地设备，以提升楼宇智能化水平，同时使物联网成为可能。The Edge 是德勤位于荷兰的总部大楼，The Edge 共计部署了约 2.8 万个物联网传感器，用于监控 LED 照明、温度、湿度、红外线水平和移动变化等，同时也可支持建筑内其他区域情况反馈。举例来说，传感器可以提醒清洁人员每天使用最频繁的工作区域，方便她们有针对性的打扫，并通过自动化的机器人安保员的夜间巡逻，获取建筑内安全情况。这些传感器以及其他系统还能够为员工日常工作提供帮助。借助德勤专有应用，员工可以找到可用的办公桌（没有被预定的办公室或隔间）、互联互通：智慧楼宇与物联网 9 自行车及汽车停车位、公司健身房，还可以调节办公空间内部供热系统，以及获取同事的具体位置等。作为一座零碳建筑，The Edge 通过屋顶和南墙的太阳能电池板收集其本身能耗 102%的能源。这栋大楼还支持其他环保特性，例如蓄水层热能储存、运动传感器激活的通风系统和雨水收集系统等。楼内所有传感器和系统均连接到单一 IP 中枢，能够实现对关键楼宇数据的实时监控。这栋大楼使用的是施耐德电气的开放式、协作型基于物联网 EcoStruxure 楼宇（曾用名 SmartStruxure）解决方案，该解决方案能够将建筑能源管理系统与各种楼宇控制系统、设备和服务相连接，使设施经理能够通过本地或远程方式，主动监控、测量和控制来自楼宇和IT 系统的数据。EcoStruxure 楼宇能够连接建筑内所有设备、传感器和系统，支持楼宇管理、电力供应和流程管理功能，实现建筑运维系统的全面互联互通。此外，EcoStruxure 楼宇还可以借助微软 Azure 云平台来改进分析结果、软件性能和全局服务水平。智慧楼宇物联网最佳实践 智能建筑技术将从物联网中受益良多。然而，无论是大型跨国企业还是中小型企业，如何才能最好地整合物联网，从而实现重大转型？企业在部署物联网的过程中应着重考虑以下智慧楼宇物联网最佳实践：1.开始物联网应用试点项目。在改造建筑管理系统之前，企业可以秉持审慎态度，从小处着手。例如，企业可以从建筑的照明需求或其他需求着手，开展试点项目。在此过程中请注意，试点系统及其他系统需要具备端到端的可配置性。2.首先制定可行的规划。企业想要实现哪些具体且可衡量的目标？初期的精心规划非常重要。企业应经过深思熟虑，制定出一份稳健详实的计划，其中明确硬件、软件、安全和基础设施等方面的关键需求。3.将所有关键利益相关方纳入考量。这份计划应涵盖设施的所有利益相关方，包括但不限于运营、财务、IT和安全等部门。利益相关方应基于企业的价值观和使命，制定相应的运营、生产力和可持续发展目标，并在扩大应用规模之前审慎评估投资回报率。随后，这些利益相关方可以提出一项统一的计划，并与主要承包商和供应商合作，共同制定高效的部署战略。项目初期的全面翔实规划能够助力避免突发状况带来的高昂成本，避免出现多个软件系统冗余和并行网络等问题。举例来说，利益相关方可以事先确定“必须达成的目标”，并就如何有效应用物联网和其他智能楼宇技术达成共识。互联互通：智慧楼宇与物联网 10 企业管理者在提升建筑智能化水平和效率的过程中，应着重考虑以下三个关键的规划方面：1.技术集成和互操作性：从整体需求着手添加系统，组成网络中枢，避免出现“各自为政“的局面。所有设备和系统必须具备互联互通的能力，并且能够与建筑能源管理系统集成。鉴于未来会涌现出更多的新技术，而且可能出现对其他功能和能力的需求，企业应该为未来的系统升级做好准备。2.智慧楼宇数据分析：虽然先进的建筑能源管理系统能够收集、筛选和转换大量数据，为人们提供可执行的洞察，但是，设施经理和其他员工仍然应该接受必要的数据分析培训，以便制定更明智的决策。3.网络安全和数据隐私：随着互联互通水平和数据获取能力的提升，数据泄露风险也随之增加。鉴于此，企业应在部署智慧楼宇平台的同时，引入网络安全防火墙。此外，企业还应确立数据收集、存储和使用体系和制度，并落实和实施其他网络安全策略，全力确保数据安全。虽然物联网整体上仍属于全新概念范畴，且目前仅有小部分企业利用物联网进行楼宇管理，但是，越来越多的建筑正在借助技术的力量提升智能化管理水平，进而提升楼宇运营效率、员工生产力和整体满意度。设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 11 1.2 设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 摘要 尽管往往不为人知，但从很多方面而言，设备级控制，或者说现场设备，是使楼宇管理系统（BMS）发挥诸多优势的基础要素。虽然不同建筑中，这些默默发挥作用的耐用设备工作方式相近，但教育界很多机构往往率先采用最新技术和应用，借以减少能源开销，优化楼宇内的学习环境。本文将探讨现场设备的作用及相关趋势，以及创新机构当前和未来应如何从中受益。简介 智能化从BMS根基开始 很多大学校园和 K-12（涵盖幼儿园和中小学阶段）学区暖通空调（HVAC）相关成本占运营费用的比例可高达 40%；对大多数而言，暖通空调相关成本可能是人员成本之外最大的开销。如今，很多机构从战略角度着眼，投资于楼宇管理系统（也称“楼宇自动化系统”），运用精密技术控制供暖和制冷，提升舒适性，减少能源浪费，降低此类费用，节约的资金可以重新分配用于教学及优化学生培养。相比楼宇管理系统解决方案中的图形仪表板、控制软件等显眼的集中部件，以及 HVAC 系统中冷却器和热泵等大型昂贵部件，布设在单独房间和建筑内、远程操控的 BMS 小部件，即设备级控制却很少受到关注。但正是因为这些“默默无闻”的小部件，其他一切才能高效运转。幕后耐用设备包括：阀门，其开关可精确控制水、新风、气体或其他空间影响要素的流动；执行器，采用电气或机械方式调节阀门；传感器，测量环境指标，如气温、水温、二氧化碳浓度和相对湿度，指示执行器调节阀门进行补偿，使变量回到预设的舒适范围内。在有多栋建筑的校园或学区内，可能有数千个这样的现场级设备与风阀、风机盘管、空气调节机组、冷却器、锅炉等设备和基础设施相关联。这些基础现场设备在各个楼宇或教室里面安静运行。总的说来，有了这些现场设备，楼宇管理系统的诸多优势才能发挥出来。现场设备向集中控制器反馈重要信息，减少用能，提高教室舒适性，因此学生和教职工会更专心，效率更高，教学效果也会更好。经验表明，有效的楼宇管理系统能提升学生的出勤率、测试分数、课堂表现。例如，伊利诺伊州一所学校发现，教室内空气质量传感器 温控器/开关 电流监测 计量表 现场设备 阀门和执行器 现场服务 设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 12 的改善使得学生出勤率提高了 5%1。另一项研究中，芝加哥和华盛顿特区的几所学校楼宇改进以后，分数比标准化测试分数上升了 34 个百分点2。尽管阀门、执行器和传感器在多种楼宇环境中的操作方式类似，如零售商店、医院和办公大楼等，但在教育界，尤其是大学及 K-12 学区，往往率先采用最新相关技术和应用软件，从而改善学习环境。本文将探讨现场级设备和楼宇管理系统当前和未来趋势，以及如何让更多的创新大学和学校受益。今日课程：学校如何采用智能控制设备节省能源，将更多资金用于教学 能效=减少旷课 绿色校园=提高学生测验分数 智能控制设备=精密控制 更优控制=更安全的学习环境 更优控制=最舒适 最舒适=学生表现更好 智能化从BMS根基开始。控制设备帮助优化用能，检测关键系统状况。底线：控制设备不正常，则建筑也不正常。教育成本持续增加。BMS因帮助管理该成本而获得了“A+”评级。此外，大学和 K-12 学校日程安排多样化，且可能随时调整，与其他行业大不相同。例如，商建楼宇除了偶尔的节假日以外，每周五天（朝八晚五或者其他基本工作时间）的人流量相当稳定。医院建筑主要区域全天有人，包括患者、各个班次的医生、护士及保障人员。而学校建筑平时人满为患，但每年寒假、秋假、春假和暑假时，会有数周或数月时间在校人数寥寥可数。各个房间或建筑的常规使用者可能会因为一次校外考察旅行、大雪停课或其他学校活动而离开这些空间，造成空置。占用传感器 由于日程安排过于复杂多变，因此很多学校总是率先主动采用占用传感器技术也就不足为奇了。HVAC 占用传感器前几年才面市，将其用于楼宇管理系统也才不久。有了这些设备，建筑和单独房间无需人为干预和严格的时间预设便可以快速响应，根据实际情况，而非死板地依照“预期”人员情况，进行动态调整制冷、供暖。显然，这种功能大幅提高了能效，提升了使用者舒适性，不仅可以在短期休假期间实现优化，而且可以调整每天每节课上的设置。这样一来，就不会只是机械地将空气调节到“合适”的温度和湿度，遵循规定的每小时换气次数，提供的舒适环境只有桌椅在享受；也不会因为预期会有 200 人进入阶梯教室，而将温度调节至 13，但最后却无人走进阶梯教室。实际上，有了这种功能，即使有人提前进入教室，无需提前过度制冷，也能确保短期在场人的舒适性；与此同时，即使听课人数没有预期的那么多，也能更稳定地保持舒适性。注1伊利诺伊州健康学校运动，“显然，学校规模并不重要：伊利诺伊州两个学区证明了室内空气质量管理的效果。”学校健康观察，2003年夏季 注2Schneider,Mark.“公立学校设施与教学：华盛顿特区和芝加哥”，2002年11月 教学类相关建筑的需求 虽然教学类相关建筑和综合体与其他类型园区（如企业和医院）有很多相同的需求，但由于教学环境的独特功用，诸多大学、较大的学区和类似机构认为，教育机构更迫切的需要满足以上很多需求。以课堂、学生会议和相关房间安排为例。众所周知，很多企业工作日期间会议不断，但与喧闹的校园相比，即使是最忙碌的企业，其对会议室的需求还是不值一提。校园环境下，班级、阶梯教室、实验室、食堂、图书馆、院系会议、运动训练、俱乐部、测验、学生宿舍活动和其他聚会像是日夜不停，占用时间表并排满了各种会议。高效控制设备助力学校节省能源 集中资金于教学 阀门和执行器是BMS的幕后无名英雄。它们控制HVAC系统所用35%能源的一大部分。K-12 教育需求增长 80亿美元 K-12学校每年能源花费 HVAC 成本持续增加 12美元 提高能效，每英尺可节省 居住空间 用户接口 软件 移动应用程序和工程 显示设备 自动化服务器 多功能控制器 技术空间 阀门和执行器 现场设备 传感器 电流监测 温控器/开关 计量表 智能建筑结构剖析 设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 13 现今大多数占用传感器都基于选定的跟踪变量，检测室温波动或者抽测空气二氧化碳浓度，估算出房间人数，然后指示执行器调节阀门按要求调高或调低冷却或加热元件。根据读数，二氧化碳检测仪还能应要求更准确地调整风量，缓解环境憋闷感，提升在场人员的舒适性和注意力。占用传感器的前景 “HVAC 可以占据建筑能源成本的 40%。智能建筑利用设备级控制，减少用能，提高效率。”许多专家认为这一技术只是起点，高瞻远瞩的公司正在考虑更多的传感器可读取变量，房间可以根据人员的进入情况，实现更快的响应和交互。通过温度和二氧化碳测量值，能够实现相当快的响应。但如果开始上课时就可以测量座位占用情况，并发送给系统，或将 Wi-Fi 或其他移动设备相关信号算作进入空间的占用人，以快速估算人数，这会达到什么样的效果呢？这样就能在教师开讲前完成调整，进一步提升舒适性，应需求更精确地调整能源输出。一个校园或学区可能有数以百计甚至数以千计的房间，日积月累，节约的能源量将颇为可观。移动设备层面的实时占用信息还能带来其他好处，比如改进繁忙校园中的实时房间安排信息。例如，假设校园排课系统在阶梯教室 A 重复排了课，却误将原本空置的阶梯教室 B 列为占用状态。若楼宇管理系统和排课系统采用了占用传感器，则传感器可将阶梯教室 B 标记为空置状态或其他类别，并及时发布这一信息，以便老师及时将学生安排到备用教室，解决课堂安排问题。这几个例子已经清楚表明，占用传感器和其所驱动的其他现场设备日益精巧，未来将成为有效楼宇管理系统至关重要的一部分。设备更智能，信息更丰富 执行器设计日趋智能，同时搭载更先进的软件。能够采集更多系统行动实时细节，并反馈给楼宇管理系统，为设施经理以及服务的最终用户（如学生和教师）带来诸多好处。连续监测与临时监测 大约十年前，通过笔记本电脑远程监测 HVAC 系统运行状况的功能在首次推出时，引得无数人啧啧称奇。这种实时监测功能极富价值，以此为基础构建的现场设备更智能，提供的信息越来越多，可以自动发现问题，不会再有因房间太热而收到用户的呼叫，甚至也无需操作员在屏幕上主动发现问题并动手解决。设备可以检测到控制信号丢失或阀门堵塞等问题，无论操作员在该时间点是否及时登录了系统，设备都能自动提醒该操作员。此外，设备还能提供远程“维修”功能，而无需出动卡车或派遣技术人员。例如，断电后，智能传感器控制器可以发送电子信号，启动安全重置，而无需物理干预。对于高度机械化系统，可能不会需要只会操控各种按钮的维修人员。智能设备供应商将继续努力以满足新一代维修技术人员的期望。在出现故障时，以前的维修人员需要用到工具敲敲打打，而这些新一代的技术人员更喜欢通过笔记本电脑进行维修。设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 14 发现隐蔽却代价高昂的问题 此外，运用现今的现场设备，在使用者甚至操作员意识到问题之前，问题就能被发现并解决。比如这样一套系统，阶梯教室的热水阀一直处于开启位置，冷却器不停工作，以使房间保持理想的舒适温度 21，这样就不会有人打来投诉电话，也不会出现温度超标的警告标志。然而，这种维持温度的方式低效且代价高昂，故障原因也未查明，可能与其他对 HVAC 系统有害的问题相关。现在的现场设备，即使在没有外部证据的情况下，也可以借助楼宇数据分析软件和类似工具发现这些低效的异常工作模式，并相应地提醒操作员。被动式维护、预防性维护与预测性维护 与楼宇数据分析软件相结合，现场设备产生的数据可以带来更丰厚的回报，让人们深入了解目前的不当或不完美之处，同时发现更长远的节能机会。例如，被动式维护或灭火式维护方案在世界各地的建筑中仍普遍存在。这样做代价高昂，也推升了维修成本，而且问题不解决，还会造成楼宇和教室无法使用等更大威胁。积极主动、具有价值意识的操作员早已采用预防性维护方案。这种方案需要对成套的现场设备及其他 BMS 部件和设备开展定期检查检修，提前发现问题，解决问题，节省维修成本，减少导致空间无法使用的突发故障。一份精心构思的预防性维护方案的投资回报率，估计是被动式维护方案投资回报率的五倍3。不过，校园内可能有数千台独立的现场设备，现场设备往往耐用且“持续工作”，为此落实一份高效的预防性维护方案极具挑战性。新兴的现场设备和其他 BMS 技术已经演进到了下一阶段预测性维护（也称为连续或监测式调试）。这一方式可能更为有效，帮助各机构优先考虑并找到罕见的“大海捞针”式故障，而这些故障恰恰是维护工作的重中之重。现在，利用建筑数据分析软件传递来的数据，可对预设的“常规”预防性维护方案进行排序。这样工程师就能把主要精力投入到最能改善成本、舒适度和其他能源管理目标的任务中。例如，我们现在可以看到，1038 号配对执行器/阀门尽管一个月前刚检修过，但是相比去年，开启和关闭可能仍然需要多花几分之一秒的时间。因此，即使预防性维护方案中并未安排针对它们的再次维护，但在下次检修时仍然可以关注这一问题可再次评估该阀门是否存在过度堆积，是否妥善润滑和密封，是否有未发现的损坏或其他问题，以解决低效运行的问题，或者避免出现故障。这时，可降低其他正常运行设备的维护优先级。据说预测性维护方案可以获得 10 倍于标准被动式维护方案的投资回报率，也就不足为奇了4。注3运行和维护最佳实践美国能源部 注4运行和维护最佳实践美国能源部 性能最佳设施采用的维护方案类型 被动式10%预测性 45 55%预防性 25-35%设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 15 建筑数据分析，长期持续改进 当今最智能的 BMS 和设备级控制最大的亮点，可能是它们提供的长期数据所发挥的功效。搭配楼宇数据分析软件，详尽的趋势信息可与每千瓦电力成本等输入信息相结合，提出非常具体的建议，实现最有效的调整，持续逐步提升整个校园的能效。这些建议有多具体呢？比如你可以这样设置，“将 301 房间的控制器设定值改为可变状态，每周额外节省 30 美元的能源费用。”凭借这种技术，“维护”这一概念可能有一天会从“修理东西”重新定义为“节省能源”。能源管理助力招生？通过提高能效节约资金对企业、医院和机构组织等每个经济领域都很重要，而能效对于教学环境而言具有尤其独特的意义。举例来说，虽然环境影响可能在某种程度上对所有组织都很重要，但不太可能有公司员工在首席执行官的办公室里静坐示威，要求公司减少碳足迹或者为缓解气候变化做更多工作。相比更年长的千禧一代，今天的新生和未来的学生环保意识更强。幸运的是，随着BMS 数据更加细化，有价值的信息可以与教育利益相关者共享，而这些信息可能与其他类型的组织关联不大。例如，可以分析和传播现场级设备发送的信息，每天或每周向学生群体公示能源利用情况，保持信息透明度，提升节约燃料、积极行动的意识。人均用能信息可用于相互竞争的高中之间，或各宿舍楼、部门等小群体之间的友好绿色竞赛。提升“用户”体验 当然，良好的 BMS 关注用户需求，此处“用户”通常指设施经理和涉及 HVAC运行的人员。随着现场级设备驱动的可用信息更加细化，教育机构可能率先运用一种全新功能将部分受控的个性化信息直接传递给最终用户，如学生。例如，学生可能可以像在家一样，早上离开宿舍时把暖气调低，放学回宿舍的前几分钟使用应用程序把暖气再调高，从而节约能源。如果成百上千的用户都这么做，那么就可以节省大量能源。另外也在机构利益相关方的眼中树立“技术更先进、更注重环保”的形象。连通性、标准化和网络安全 现场级设备收集和发送的数据日益增加，这与设备快速准确转移数据的能力，也就是即时连通的能力相辅相成。无论设备变得多么复杂，制造商都会冒着风险，无视标准化，力推专有的通信协议。用户希望所有设备都是连通的，可以在任何网络环境下随时工作。因而教育机构或其他环境的 BMS 通常更倾向于BACnet、LonWorks 和 KNX 等开放协议。物联网 出色的连通性是物联网技术的“必杀技”。物联网将帮助创新现场设备和 BMS制造商拓展系统功能、增强性能。设备可以通过云基础设施连接在一起，充分利用互联网连接的可靠性、冗余性和稳健性。无论特定设备启用单独 IP 或者仅为系统的一部分，“单跳”信息传输都可以更加直接，几乎可以瞬间完成。设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 16 网络安全 当然，扩大连通性不利的一面是大家日益关注的网络安全问题。一直以来，像BMS 这样操作技术相关的数据库，其关键在于可用性，而非保密性，这些数据库对黑客的吸引力远不及信息技术相关数据库。黑客的目标是直接获取信用卡或银行账号等机密的财务信息。尽管如此，BMS 以及其他行业中有一些志存高远的公司，他们的网络安全专家正努力工作，未雨绸缪，主动防范威胁。例如，在教学环境中，黑客是否有办法因为恶作剧把教师办公室的温度调高至49？或者是否能采取更恶意的行动，完全控制楼宇系统，并造成实际的损失？或者甚至找到漏洞，利用漏洞获取私密的招生数据或财务科的支付信息？所以，网络安全以前可能并非 BMS 行业的头等大事，但现在越来越受到最具远见卓识 BMS 技术制造商的重视，而且未来会愈加重要。通常，一流的公司在网络安全方面采取的是整体方法，贯穿于整个产品开发周期的。他们努力确保，无论是独立产品，还是作为联网/解决方案中的一环，都不存在开放空间。另外，这些公司还持续提供咨询或者监测服务，确保产品安全。现场设备实际是寿命最长、最可靠的 HVAC 设备，往往早就过了预期寿命，依然能高性能工作。事实上，大多数现场级设备通常随着整套系统更换或者建筑大修而被更换，而不是因为设备自身存在重大问题，而且更换的时候，设备可能在“预期”使用寿命之后又超期使用了至少十年。极端耐用性的“负面效果”这其实对用户不利，因为用户无法从新技术中受益，新技术带来的回报可能会远超出用户购买新技术的支出。这点就不再赘述了。另一个值得注意的点是，近年来二氧化碳传感器的重大改进。不同于十年前，如今二氧化碳传感器不再需要进行耗费大量人工的定期校准了，因此传感器所报告的信息更加可靠以前基于这些信息的空气处理十分昂贵，但现在变得更加划算，也让人感觉更舒适。现在还有数以百万计的老式传感器在工作。毫无疑问，其中很大一部分传感器提供的信息并不准确。同样，还有数以百万计、用了数十年、轻微卡涩的阀门，但这些卡涩不够明显，使用时注意不到，或者预防性维护方案也发现不了。此类情景给教育领域带来了高昂的成本，不仅有直接成本，还有用于改善教学环境质量的成本。BMS 投资 在资本项目中，楼宇管理系统，以及最新现场设备和其他尖端组件的升级项目因能够持续节能，快速收回成本，可以说十分“畅销”。以上优势对于高端学校或大学环境更具吸引力，因为在招生和留住最优秀的学生和教师方面，学校形象和前沿科技运用能力至关重要。尽管如此，如果投资资金不到位，无论最终回报多么丰厚，都只能望洋兴叹。幸运的是，即使是资源匮乏的机构也仍有办法开始从更新更好的楼宇管理系统中受益。设备级控制在楼宇管理系统中的作用：教学类建筑的市场趋势 17 一些学校在预算允许的情况下，一次仅在个别房间加装一些自动化现场级设备，便可节约大笔资金，且房间舒适度明显提升。并能收获立竿见影的效果，比如可以在房间无人时调低供暖和制冷水平，或采用更精细的阀门和执行器优化热水和冷水流量。而且最好的系统可以无限扩展，因此机构可在资金允许的情况下改进更多的房间，节约的资金累计起来可用于“下一轮”升级。最终，机构如果愿意，可以将所有房间互联，集中控制，获得一整套 BMS 解决方案，这样可能几年内就能收回成本。结论 阀门、执行器和传感器等设备级控制是楼宇管理系统的支柱，它们在独立楼宇和房间里工作，控制大型设备，提供原始机械和操作数据，让 BMS 得以实现节能和提高舒适度。智能化应从 BMS 的根基设备级阀门、执行器和传感器开始。如果这些设备级控制没有以最佳效率运行，那么 BMS 也会如此。技术和应用软件的新发展有望提升这些设备和 BMS 对各类用户的价值，所以在建的新建筑或正在翻新的建筑都可以考虑引入这些新技术。作为这些技术的早期采用者，各种教育机构可能特别有兴趣研究可能适用的新增益处，以节约更多资金用于关键项目，进一步提高学习环境的有效性。18 2 架构与设计 面向未来高能效绿色楼宇的电气系统设计 19 2.1 面向未来高能效绿色楼宇的电气系统设计 摘要 本文旨在为电气设计工程师提供最新、最重要的标准和技术指导，帮助他们理解并设计面向未来的，且能够在楼宇的全楼宇生命周期发挥最佳能效水平的电气系统。纵观全球，楼宇随着为应对气候变化而制定的国际公约、各个国家相关标准和法规的不断趋严，以及楼宇业主需求的持续增长，绿色节能的楼宇设计理念和运营方式被更多关注，并正在日益普及。对此，电气设计工程师们唯有做好万全的准备，才能设计出符合最新楼宇规范的电气系统方案，从而助力楼宇获得绿色认证，并为符合全球最佳实践的“主动式”能源管理计划提供支持。引言 图1 绿色楼宇已不再“小众”，而正在成为一种被更广泛接受的概念。而高能效楼宇设计正在迅速成为建筑设计师和工程师为达成此目标所普遍采用的方法，而对于楼宇运营和维保团队来说，“主动式”能源管理也楼宇正在成为他们更经常采用的方式。这种演变趋势的背后交织着多重影响因素：全球性指令。巴黎协定旨在通过减少全球温室气体排放、增加可再生能源利用和提高能源使用效率，以工业化之前的世界气温为基准，将全球平均温度升幅控制在1.5%以内。在第21届联合国气候变化大会上，各缔约国政府纷纷表态将出台并落实“国家自主贡献（NDC）“合作模式，以共同应对全球气候问题。政府行动。目前，部分国家正在积极采取行动，旨在达成各自的自主贡献目标。例如，欧盟承诺到2050年之前将二氧化碳排放量减少80%，而荷兰的二氧化碳减排目标是95%。5绿色环保趋势也正在影响城市的发展。从2024年开始，纽约市内楼宇面积超过2.5万平方英尺（约合2323平方米）的楼宇必须接受升级改造，从而推动达成到2030年减少40%温室气体排放量的目标。6对于新建楼宇项目，纽约市政府正在通过一系列激励措施和指导方针楼宇并对现有的相关规范、法规和许可进行升级，以鼓励高能效的方案设计。注5“Nederland zet zelf stok achter de deur.”,de Volkskrant,2018 注6“New York City Passes Sweeping Climate Legislation”,CityLab,2019 绿色楼宇占比项目水平（根据全球受访者回答得出）绿色楼宇项目占比超过60%绿色楼宇项目占比31%60%绿色楼宇项目占比16%30%绿色楼宇项目占比1%15%尚在探索中（无绿色楼宇项目）Dodge Data&Analytics,2018 面向未来高能效绿色楼宇的电气系统设计 20 能效投资回报率（ROI）。无论是否需要满足最新的环保法规要求，绿色楼宇都是一项具有高回报率的投资选择。应用绿色楼宇方案，不但能够降低楼宇使用的能源成本，而且一经获得绿色楼宇认证，更可以提升资产的价值。高能效同时，高能效的设计还可以优化楼宇内部供热、制冷、通风和照明系统的运行，从而改善使用者的舒适度、健康水平和生产力。此外，绿色环保的企业形象有助于企业吸引更多优秀人才，同时也会让消费者产生偏好。得益于这些好处许多公司也更加积极地制定和实施可持续发展目标。图 2 鉴于全球各个国家对降低碳