智能楼宇 知冷知热知我心

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美国旧金山公用事业委员会（SFPUC）的新总部共有13层，华丽的玻璃外墙面后面是世界上最节能的办公楼之一，IT则是其秘密武器。

这幢办公楼是今年6月刚刚入住的一幢智能楼宇，它采用了许多最先进的节能技术，包括太阳能电池板和风电机组，用来满足7%的办公楼用电。项目经理Masoud Vafaei说：“我们的目标是，为纳税人省钱，并教他们如何提高能效。”

这幢楼宇是能源与环境设计先锋白金奖（LEED Platinum）的候选者，其能耗比采用传统设计的同类建筑少32%。与许多智能楼宇一样，SFPUC的总部也是使用计算机技术来管理、优化和控制该楼宇运营的方方面面。但平日能效的提升主要得益于从该楼宇所有管理和控制系统获取数据的中央数据库，以及使用分析工具来研究这些数据，从而确保所有系统配合运行，尽量减少能耗、优化楼宇运营。

像旧金山公用事业委员会总部这样的智能楼宇在全球越来越多。实际上，绿色、节能正在成为越来越多的新建楼宇的重要目标，为了实现节能，IT正在发挥日益关键的作用。不仅如此，专家们表示，这种IT驱动的设计方式同样还可以应用于已建成的楼宇，只需优化现有系统的运行方式，至少可以将能耗节省5%～10%。

IT融入楼宇管理

美国的设计、工程和咨询公司Smart Buildings LLC的执行负责人Jim Sinopoli说：“楼宇业主面临大好的机会，可以像其他行业多年来所做的那样进行数据挖掘。只要使用分析工具，楼宇管理者就能预测何时会出现故障、何时需要进行预防性维护。”

实际上，过去的几年来，楼宇管理和控制系统一直在与传统的IT基础设施逐步融合。如今在硬件层面，开放标准是主流：基于行业标准的通信协议让传感器和阀门等数据采集点的数据得以通过企业的IP主干网，传送到基于服务器的楼宇管理系统，这些管理系统又控制着从暖通空调到照明、电力、消防、安全、电梯以及楼宇门禁的各个方面。

江森自控公司（Johnson Controls）提供SFPUC楼宇所使用的自动化系统，该公司营销副总裁James Dagley说：“楼宇所使用的传感器变得更好、体积更小，最重要的是变得更便宜。”

这家厂商正在测试使用以太网为LED灯供电的一种技术，每只LED灯里面有12个不同的环境传感器，可以测量灯光、湿度、温度和运动等物理参数。Dagley说：“每个传感器的成本仅为2美分左右。”所有这些数据都可以传送到位于旧金山办公楼里面的江森自控楼宇自动化系统。

主攻智能楼宇领域的工程设计公司Hartman 公司负责人Tom Hartman说：“从硬件的角度来看，业界已实现了集成这个目标。但是从软件的角度来看，还没有取得太大的进展。”

Vafaei说：“要将所有这些数据汇集到一个平台中，以简化楼宇管理，这些目前还做不到。”不得已，旧金山公用事业委员会开发了一套集成楼宇管理系统（IBMS），这个定制的SQL Server数据库可以从每一个监测和控制系统获取数据，包括负责调控供暖和照明设备、电梯、发电机、太阳能电池板，调节自然光的内部遮光帘及外部百叶窗，以及控制装在屋顶上的气象站的那些系统。Vafaei说：“IBMS在传统的控制机制上提供了一个管理层。”该系统还在数据整合的基础上提供了一个信息仪表板：通过装在主大厅40英尺宽的媒体墙，信息仪表板可为楼宇管理员、主管、员工以及公众全方位地显示所有系统。

Smart Buildings公司的Sinopoli负责开发IBMS。他说：“现阶段，我们可以集成楼宇中的这些子系统，而IT基础设施实际上遍及所有楼宇系统。”一旦数据被整合起来，那些系统的所有功能都可以联系起来，那样一个系统出现的事件可以触发另一个系统，使其有所响应。

比如，在SFPUC办公楼，IBMS将实时分析结果与来自百叶窗、照明设备、暖通空调、气象站和占位传感器的数据进行关联分析，以确定百叶窗的位置对冷却和照明系统的负载会有怎样的影响，从而可以自动调整百叶窗。

不只是适用于新建筑

微软房产与设施部门的运营主管Darrell Smith表示，现有楼宇也能得益于类似IBMS这样的系统。微软的节能智慧楼宇（Energy Smart Buildings）项目现正在华盛顿州雷德蒙园区的118幢楼宇中开展，它使用了IBMS和分析工具，针对7个楼宇管理系统，优化运营和能效。IBMS从负责跟踪暖通空调、照明设备、功率监测仪、发电机、配电装置和电路监测器的那些系统中获取数据。

Smith表示，由于很复杂，与IT部门进行合作至关重要。“IT部门与我们一起查看了协议以及我们如何从这些系统获取数据。”

微软的公园园区共有200万个机械和电气数据点（SFPUC楼宇有1.35万个数据点），每天生成5亿个事务，即每天数据要更新5亿次。如果更换从功率监测、照明到暖通空调的所有管理系统，虽然有望提高能效，但那要投入5000万～6000万美元的成本。房产与设施部门决定从现有系统获取数据，并传送到公用的SQL Server数据库，然后在这里对数据加以分析，并使用关键绩效指标（如每个人的用电需求和每平方英尺的平均用电需求）以及每种楼宇类型（比如实验室或办公室）的楼宇效率指标，来评估每幢楼宇的运营效率。

微软为设施工作人员生成了运营仪表板，很快将为其“可持续发展冠军（Sustainability Champion）”计划提供直接来自插座的用电数据，这让员工可以看清每个人的节能工作收到了怎样的成效。

能效优化和故障检测及诊断都基于通常针对每个项目定制的规则集，这些规则确定了设备是否在高效运营。一旦发现问题，系统就进行测试，查找根源。

SFPUC的规则集用一款名为eQuest、基于电子表格的能源分析工具来制定，它还可以计算运行不符合规范的系统所带来的更高成本。Sinopoli表示，出现重大事件时，IBMS可以在设施管理系统里面自动生成工作单。

微软的工程师共制定了195条规则，使用SQL Server的Stream Insight事件引擎和爱康诺（Iconics）的分析软件，执行识别故障、监测效率的计算工作。Smith说：“我们不仅可以发现故障，还可以节省成本。”比如说，可变风量（VAV）设备控制空调系统里面的气流。如果两万个VAV设备中有一个没有调好，系统就会向设施部门发出警报，从而为员工提供更为舒适的工作环境。利用规则还可计算出，出现问题得到解决后可以省下多少能源成本，从而让设施部门得以确定工作的优先级。Smith说：“以前我们巡视、弄清楚什么设备有异常，现在我们不仅能弄清楚什么设备有异常，还能知道谁所消耗的成本最高。仅此一项，我们就省下了100多万美元。”

该系统还让微软得以开始采用适时维护和调整时间表，这一趋势被称为连续调试（continuous commissioning）。按照传统的维护时间表，每个季度就要更换2.6万多个过滤器，800余套楼宇空调系统每套都要在5年内轮流予以调整。Smith表示，采用新系统后，他们能够极其深入地分析数据，调整所有3万笔资产，而不仅仅是大型楼宇系统。另外，每年调整20%还要考虑一个问题：与汽车一样，楼宇系统的效率和性能也会随着时间逐渐下降。现在，微软可以使用分析工具，根据实际使用情况来更换每个过滤器。

Smith说：“不是按时间表来更换，而是在必要时更换过滤器。这就是我们所谈论的智能化——楼宇自行生成工作单。而通过确定维护需求的优先级，设施部门就能持续调整公司园区。”他补充说：“通过这种办法总共省下了100万美元。”

雷德蒙园区项目目前完成了约20%，这已经让微软得以降低用电高峰时期的能源需求。Smith说：“现在总部楼宇的运营方式使得能源需求量峰值得到降低，因为新投入的楼宇系统缓解了用电需求。”在试点阶段，微软迄今为止已把能源成本减少了6%～10%，预计应用分析工具来发现和诊断故障每年有望省下100多万美元。他说：“我们在这方面的投资见效期大概是18个月。”不过，这个投资见效期比在其他州来得短，因为华盛顿州的电价在全美各州排名倒数第三。

获得领先优势

让智能楼宇实现较高级别的数据集成被认为是一个大趋势。爱康诺公司专业开发及销售工厂和楼宇自动化管理软件，其总裁兼首席执行官Russell Agrusa说：“发现故障的分析工具在市面上相当新，微软率先大规模运用了诊断和故障发现技术。”他表示，楼宇需要至少占地10万平方英尺才能收回成本，它还应该在每一层楼起码有监测系统，才能充分利用这项技术。

加拿大安大略省渥太华大陆自动化楼宇协会的发言人Rawlson King表示，包括IBM、微软和Tridium在内的几家厂商提供的工具有助于数据驱动的集成设计，从而全方位地显示楼宇控制系统的情况。但是，要在新建筑实现这种级别的集成并非易事。他说：“你可能仍与集成商签有合同，却还是无法让系统按照你的规范来运行，尽管对方是专家。”

一个原因是，传统的施工方法并不是为这种级别的集成而优化的，参与方往往各行其事，包括建筑师、工程师、总承包商和分承包商等。建筑师、设计工程师和总承包商与从事实际工作的人并不沟通，彼此也不沟通。Hartman表示，每个人都是向楼宇业主报告，各自眼里的工作优先级都不一样。

他说，如今美国几乎每一家冷却水工厂都是由一批完全不同的人来设计、规划、调试和运营的，他们很少彼此交流。结果是，大多数冷却水工厂的能耗量是合理值的两倍。Hartman补充说：“正由于如此，不应该提高控制系统的复杂程度。问题倒不是没有更好的技术或产品，而是没有合理的流程。”

SFPUC打破了这个传统，采取了更加注重团队协同的方法。Vafaei说：“幸运的是，我们的设计团队和施工团队协同工作，这是取得成功的关键。”但是他也承认，让大家都进入到这个阶段需要时间。

Vafaei还建议让厂商签署一份合规声明，表明他们支持开放的通信和数据库协议。这确保了旧金山公用事业委员会得以顺利地从每个系统获取它所需要的数据。

Smith说：“说到控制和自动化，一切都应该是开放的。那样我们更换系统时，就不需要担心兼容问题。”

微软和SFPUC还为所有控制系统上的数据点采用了统一的命名约定，目的是为了将数据导入到IBMS时，避免名称转换这一步。微软颇有先见之明，多年前就要求厂商采用其32进制的命名约定，同样，旧金山公用事业委员会也要求每家厂商都使用它的命名约定。

不过，实际情况不尽如人意。微软仍需要实现报告自动化。比如说，读取1000多只计量表的数值，规范这些数据，然后输送到数据库，这仍然是个手动过程，整体管理智能楼宇的工具仍在完善之中。不过，业内人士认为现在可能终于处在了一个转折点。

Smith表示，10年前，楼宇自动化包括使用拨号连接接入个人电脑，每个系统都有一条拨号连接。而近几年，已跨过了这条鸿沟。现在可以充分利用IT来优化智能楼宇。不过他补充说，这种“个性化控制”至少需要3到5年才会进入主流应用。