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峰会实录:于军琪——大型公建能耗监测与智慧节能管理

2017年11月10日     千家网

[导读]今后十年,中国将新增10亿平方米的大型公建,预计2020年我国建筑能耗增加2.5亿吨标煤……

由千家智客联合陕西省土木建筑学会智能建筑专业委员会共同举办的,第十八届中国国际建筑智能化峰会于11月9日在西安绿地假日酒店隆重举办,活动活动吸引了来自西安及周边地区系统集成商、渠道商、厂商、终端用户以及建筑智能化知名专家等近400余人齐聚一堂,共同探讨智慧建筑新时代的最新技术发展与应用,现场高朋满座,热闹非凡。

陕西省土木建筑学会智能建筑专委会副主任,西安建筑科技大学教授于军琪出席本次活动,并做了关于“大型公建能耗监测与智慧节能管理”的主题演讲。

陕西省土木建筑学会智能建筑专委会副主任,西安建筑科技大学 于军琪 教授

以下是于军琪教授的现场演讲实录:

(现场实录,错误之处在所难免,千家网做了不改变原意的优化修改。特此说明)

各位同行,我把我们做的相关的工作给各位做一下汇报,希望得到指导和批评,促进我们的工作,我们主要是围绕大型公公建筑,能耗的监测和智慧节能的管理做的一些工作。我的报告内容分为如下五个方面,第一个是背景,刚才赵总和胡总都提出了和智慧城市相关的内容。昨天我们看到了一个报道,说史帝芬·霍金把人类终点领域,时间结点划出来,2600年的时候,史帝芬霍金得出的结论是地球要灭亡,意思是现在让我们赶紧找其他的空间,主要的一个原因,他为什么这么说,他就说能源,现在能源的消耗,环境的污染,2600年地球就要毁灭,今天早上开会的时候,我们还在想,我们还有五百多年。

今天这个题目,针对智慧城市中的智慧能源,因为一说到建筑能源,建筑的分类很多,我们主要的是针对大型公建,搞建筑的朋友都知道,指的是单体建筑在两万平米以上,如大型的机场,火车站和商业综合体这些类型的建筑,它有什么特点呢?目前国家有一个城镇化的战略,大型公建占的面积并不多,但是它的能耗非常高,我们统计做了一下,它的能耗是它所占面积的4到5倍以上,所以我们也就关注围绕大型公建进行一些能耗的检测和智能智慧节能。

我们国家每年有一个《中国建筑节能年度发展研究报告》,这是由清华大学姜院士牵头,是中国工程院的一个自评项目,这个数据出自这份报告,比较权威,今后十年,中国将新增10亿平方米的大型公建,预计2020年我国建筑能耗增加2.5亿吨标煤,所以耗电量约为5800—6300亿度/年,大型公建的能耗是一般公公建筑能耗的10倍,所以节能降耗的任务非常严峻,包括住建部专门针对大型公建节能的要求,和这个数据的格式,它都有这样类似的图。

针对这样的背景,我们提出了我们的研究,我们研究接近10年,我们有一个研究的思路,主要围绕三个方面,一是现场计量网络;二是智慧节能管理,我们做的动态模型,建立大型公建能耗的动态模型;三是节能管理,把模型建好以后的目的还是为这个管理,所以我们做了这么多。所以这个主要的针对能耗的种类,就是水、电、气、热,供热,不同形式的供,这个是主要针对的目的,但实际上这个暖,这个热,有的学能源,热也包括,夏天制冷它也是热,它这个热不是我们说的热量高,热是一种能量,热也包括了冷,它只是一种能源,是热转换的基础。

我们用到一些计量的仪表,我们研究的一些采集器,一些品牌软件,国家有一个机关办公建筑和大型公公建筑能耗导则,我们在这个导则下研究,这是我们做的一个实际的项目,后面我会说到,今天不知道有没有陕西建筑设计院到场,当初做了一个他们的公寓楼,办公楼,对里面的能耗进行了一下检测,首先对办公楼顶的热力表进行了检测,对电进行检测,对水也进行了检测。检测完之后我们用的阴走线,然后用能耗采集器,建了自己的能源管理中心,能源管理中心又和西安市的公公建筑能耗连在一起,西安市的又和省一级的连接上。咱们省上有大型公建的平台,省上又和住建部的连在一起,这样整个是互通的,只要在有一个IP接入的地方时看到某一个大型公建能耗的动态情况。

这个是我们系统的特点,这个首先完成的是数据采集,我们的数据要进行处理,对它的完整性可靠性进行处理。第三是系统的兼容性好,因为在这个实际不同的大型公建中,它的设备厂家是非常多的,所以我们就要考虑到这个技术,要考虑它的兼容性,前面有一些专家提到搞标准化,标准统一,但是现在目前对于这个既有的大型公公建筑进行改造的时候,这个设备已经买好了,甚至有些设备是几年前买的,所以这时候你如果给它讲标准,让他换设备是不现实的,所以就要考虑系统的兼容性,你要把它的协议兼容进来。第四是系统的扩展性要好,因为在这个始终过程中,我的设备可能增加,设备可能减少。五是系统稳定性高,六是数据的安全性好。因为有些能耗数据,能源使用数据不想让别人知道,因为在有些单位,这个能耗的数据它是具有一定的保密性,所以数据的安全性我们也是考虑了。

第三个内容就是我们为什么说这是智慧节能的管理?可能有的同行说这个为什么叫智慧?智慧体现在什么地方?赵总和中控他们提到了智慧,你的智慧体现在什么地方?我就是这么说,智慧就体现在我的第三部分,我为什么把它叫智慧节能管理,第三部分的核心就是体现出了我为什么叫智慧。

首先,我们分析了大型公建这些能耗数据,或者能耗的变化,和哪些因素有关。因为我们做建筑节能的都知道,对大型公建耗能的多少,有三类子标,就是KPI,关键的有三类指标影响了它的耗能,一是建筑物本体,包括建筑的朝向,设计的时候,它的朝向,它的窗墙比,它的结构,屋面和墙的结构,包括建筑的材料,建筑的类别,这些说的就是它的本体。

这个是目前一些做建筑节能的人,大家会发现,有的在做建筑学的人,也在说建筑节能,做建筑学的人也在做绿色建筑的研究,他和我们做智能建筑的人有什么不同?这类技术,我们给它分了一个类,他们采取的技术都是被动式的技术,他们采取的包括绿建的技术,包括节能的技术,都是被动式的,所以这一种被动式的技术,有的通过设计,对它的通风,有一个课题,是北方夜间通风,提高夜间的通风。主动式耗能的减少,所以它是被动式的。

第二个是人为因素,同样的建筑物和室内的温度,人员,和它的照度,标准,开灯的时间和灯具的类型,包括系统,新风的指标等等要求,比如说酒店和商场就是一个要求,机场和火车站又是一个要求,该有什么样的空气质量的标准都是不一样的。前面中控提到医院,医院病房里面的新风要求,环境温度的要求又不一样,最后我们考虑到了外界的影响因素,这个是我们做的气候布场,你处于什么气候分区,现在做被动式节能的时候,对国家七类气候分区重新分,你处在什么地方,要根据你的经纬度和气候分区来,所以出现了一些教条主义,所谓的从国外留学回来的一些人,把一些高纬度的节能的措施,拿到深圳去用,把一些国外的水土不服,本来深圳那地方已经很热了,他还搞保温,哈尔滨很冷他还给你弄遮阳,水土不服,必须要从实际出发。

我们能耗模型与节能策略的智能优化方法,根据能耗的数据,建了一些模型,这个模型本身就是模型的功能具有智能性,什么叫智能?刚才说到人工智能,我们这个模型是具有推理,判断,而且是能根据实际的情况,进行科学决策,我认为它具有了推理,判断和决策的功能,就是智能。所以我们建这个模型,当然不能说这个模型包治百病,不同的模型不管解决什么问题,它都具有共性的功能,就是推理、判断和决策,决策的推理判断的时候你当然就具有学习的能力,有的具有迭代学习,有的具有机器学习中的深度学习,那都是属于它的一个功能。

我简要汇报一下,我们建的一个能耗的评估模型,这个模型主要对大型公公建筑具有多变量、非线性、强耦合的这样一些特点。比如说小寨有一个赛格购物中心,那个能耗怎么建?那里面的能耗我们建这样的模型,具有实施性好,容错性好和抗感染能力强。今天是星期天,去的人多耗能就多,今天是工作日去的人少,把随机性的因素,多边性的因素,我们把它提取出来,变成一个知识系统,知识系统本身具有判断的能力,有了判断的能力我们支持相量级结合起来,输入几个简单的参数,基本上可以给你预测出今天的用能。

大家都去过小寨赛格,夏天用冰蓄的空调,下面有三个冰槽,这时候指导明天制多少冰,几台机组做,因为都是晚上制冰,削峰填谷,科学的制冰,前一天制的冰第二天用完,如果用不完,工艺上有一个词叫万年冰,用不完那个冰留在槽里面对设备不好。具有预测和分析的功能,第二天我知道冰可以用完,体现了智能又实现了节能。

这个是对它的预测,这一个是两条线,红颜色是实际的值,蓝颜色是预测值,大家发现这个图它并不好看,而且误差还挺大,我们用什么建的?用最小二乘法建的预测,它的预测趋势是对了,它上升我们也上升,它下降我们也下降,但是幅值不对,正幅不对,这个是GA-BP的能耗预测模型,GA是遗传算法,BP是神经网络的一种,GA,一类叫非数值的算法,一类叫数值的算法,遗传算法叫非数值的算法,现在人工智能水平很高,很多例子,现在很多都是用非数值的方法处理,我们用非数值的遗传算法对模型进行优化,所以刚才出现的弊端就去掉了,它能更准确预测大型公公建筑的能耗,这时候它跟踪的就比刚才哪个好,最后我们跟踪的好,幅值的大小用它的方差表示。

第三,大家又发现,任何事物都是相对的,没有绝对的好,说这个算法就到顶了,没有改进的空间,就是刚才那个算法,仍然有不尽人意之处,误差达到万分之一,千分之一,十亿分之一,多的是,是无穷的,目前我们还在研究,把洪洞和径向基的神经网络合起来做了对大型公建的能耗预测。里面有一个吸引子,大家知道洪洞世界,把非线性的东西,最厉害的莫过于湍流,如飞机飞行时的发动机,空中空气运动,最复杂,我们研究数据的紊乱性,数据乱的就像气流,把它的规律抽取出来,最后提高能耗预测的收敛性与非线性的逼近能力,建筑的耗能是不一样的,我们这里的建筑针对非线性特别强的,有的是收敛性不好的算法,我们研究的是这样,这都是我们的研究成果。

高校课程做的好,你说产品,要设计,这有设计院的人,高校主要就是研究怎么样把算法研究出来,我们不是自卖自夸,假设一个智能建筑,或者一个智能体称作一个人,这个算法就是大佬,你手脚要灵活,身心要健康,第三步主要把算法研究好,和实际的产品结合起来,它的节能效率就提高。

第四是智慧节能的管理。很多同行一看这个东西,做软件公司做的比这个复杂的多。所以我们根据标准,有一个省市能耗数据结构文档,把算法写出来,这个就是结构图,这个是体系架构,第一个是感知层,现在讲物联网,计量也是感知层。第二个是数据采集的处理,第三个是数据的预处理层,第四个是网络层,互联网。所以我们主要是第一个是感知层,我们信息的可靠性,可靠的信息采集过来。第二个,虽然叫采集,更重要的是处理,做信息处理的人知道,任何数据有一个SN的比,没有100%纯的数据,任何数据都是有噪声,你要处理,处理完了才能建这个模型是准确的。所以现在有这样的问题,如果对一些假设给的数据很微小的时候,因为计算机本身是有自偿的,计算机误差是2N/1,如果这个误差一直累积,大于你的有效值系统是崩溃的,你给的值是错的,有一个计算机的自偿误差在里面。

这个是陕西省设计院工程,大型公建,面积超过24000,用了空调采暖的面积很多,它的结构地上21层,地下是2层,我们知道建筑能耗的采集,国家要求是风向剂量,是定额用,首先对它的照明等,科研楼有一套太阳能集热器,他们这个比较好,已经把可再生能源都用了,这个都是目前非常鼓励的绿色能源。

系统的建设目标,降能耗,节省人力,延长设备寿命,建期安全,环境舒适,建设目标要实现一个是按国家的标准要求实现剂量,同时在这个基础上,还要实现这个节能,把它节能的潜力挖出来,同时还得把这个数据送到西安市建委,刚才中控讲他们也在搞楼宇,政府对口管理部门就是建委,住建厅,住建部。

这都是我们依据的一些标准,国家专门针对大型公建的能耗,数据采集的技术导则,西安市有一个公​公建筑的标准。这是我们用的设备的材料的清单,这是现场设备的安装,他们有一个物业公司专门配合安装,这是热力表,水表等等。这是刚才看的能耗数据的格式,这个里面的数据首先是行政,把行政区划,西安是哪个区的,二是建筑类别,建筑识别,分类能耗,分项能耗,一级子项编码,分项能耗,子项编码,能耗二级和分项,经过解析以后,马上对这个建筑的能耗清清楚楚,它在哪个区什么地方,属于第几能耗,清清楚楚就知道,这个是做的软件,这个是省建筑设计院的楼。这个是配置的软件的,界面我们配置服务器,这是项目的系统布线图,这是系统本地数据,这是我对它在线监控,对空调各回路的电可以实时监控,曲线绘出来。这个是对它的用水量,取图的时候,这是建筑总电,用总电能耗的分析,各种各样的分析,什么是用电的高峰,这是分项计量,病人统计和分析,然后抽取出这个单位主要的用电的最大的电老虎是谁,就能找到了。

这是建筑能耗趋势分析,单日环比,我们可以把它环比出来。建筑能耗可以设置超限指标,还有报警,快到的时候亮黄牌,最后就给你拉闸了,我就给你红牌,这个和年度考核联系起来,设计院内部也是承包,看你谁用的多。单日测点分析。这是可以生成能耗的报表,按日,按周,按年都可以,可以灵活设置,生成报表。

改造的特色,因为这个项目属于节能改造项目,它已经建好了属于改造项目,首先把它的功能要实现了,所有按照国家的要求功能实现,而且还要低成本,不能花很多的钱,这个钱花的是不多的。第二,我们要把刚才智能优化的算法用进去,要预测和判断。我在这个过程中也发现了,把设备的故障都发现了,当时发现一个流量计得出来一个负值,最后发现是它的阀门坏了,我们有这个系统之后,对设备的正常运行也是有好处的。第三是网络化通信。四是对不同区域不同对象的评估都可以进行,而且这个技术可以推广,不仅仅是一个单位,咱们可以推广到一个区,推广到一个城市都可以。

为什么前面讲的智慧城市、智慧能源有关的。目前总线式的结构,任何技术都是有生命期的,总线式的,这种以总线连接的东西,已经有了一种替代品,无中心扁平化的系统架构国家也在研究,是国家的重点研发项目,就是研究建筑智能化的新平台,叫无中心扁平化,也就是它的结构上是颠覆性的,不用总线,甚至把我刚才讲的颠覆的,一概不要,它是一种无中心扁平化,这个还处于研究阶段,也就是说这个新技术不断地在相互促进,相互砥砺,相互发展。这个项目经过鉴定,是西安市首批能耗动态监测示范项目,我们这个项目是第三家,西安市当时要做一百多家,西安市政府建委的领导组织专家来验证,这个对咱们的鉴定结果,得出的节冷,一是成本低,二是亮点比较多。我在他们已有的办公网络上进行数据的阐述,我不额外的增加它的,你硬件也好,但是他们在我之前有两家验收的,他说我这个项目是最经济的,最低成本。前面的公司,花了很多钱,我的钱不到它的十分之一,功能一模一样的,有的公司为了贵东西,把什么东西都是另搞一套,忽悠你,说的假话也不懂,说你必须弄,其实不是那么一回事,已有的平台,在上面经过技术上的一些改造,用已有的平台可以实现你这个能耗监测,所以当时专家评价比较好。

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编辑:nicle

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