研究团队开发出创新的楼宇自控和智能评估的交互式工具IBACSA

   理工小二        

在未来的智能社区中,建筑必须拥有节能系统,提供绝对的舒适性,使居住者能够获得信息,适应能源网的情况,促进战略维护。实现这些可交付成果的一个关键条件,是一个设计合理、装备精良的楼宇自动化和控制系统(BACS)。


因此,长期解决方案需要能够基于多种影响来评估和评估楼宇自动化系统性能的多标准方法。以马士基麦肯尼莫勒研究所为首的团队,展开了对BACS的探索,并以“IBACSA: An interactive tool for building automation and control systems auditing and smartness evaluation”为题,于北京时间2020年9月1日发表于Building and Environment旨为创新一个整体工具“IBACSA”,用于BACS评估和智能评估,使用基于质量的多标准方法。





对IBACSA在一个案例研究大学建筑中的演示进行了报道和评价,该建筑在能源效率方面的得分为79%,在维修和故障预测方面的得分为64%,在能源灵活性和存储方面的得分为24%,在舒适度方面的得分为70%,在居住者信息方面的得分为84%。建议的工具是一个系统的楼宇初步及复古调试平台的全面及方便易用的工具,确保新建及翻新的节能楼宇顺利启动。


由于欧盟的建筑约占总能源消耗的40%,相当于总二氧化碳排放的36%,以一种智能而经济的方式引入新的建筑技术和服务的环境效益是至关重要的。能耗的很大一部分用于满足建筑的取暖、制冷、通风和照明需求。在新的和经过改造的节能建筑中,系统和服务的实际性能通常由先进的系统监测和控制,从而为理解能源和信息流动提供了坚实的基础。建筑管理系统(BMS),又称建筑自动化控制系统(BACS),是对系统运行进行控制、优化和持续监控的平台。


预计到2025年,BACS的实施将会增加,因为欧盟《建筑能源性能指令》(EPBD)的修订版要求在一定规模和系统容量的非住宅建筑中强制安装或改造此类系统。最终,该倡议可将欧盟服务构件的总能耗降低20%。但是,在换位和实施方面,出现了一些重大问题;考虑到功能的不同,什么是可接受的和令人满意的BACS设计?一个节能建筑最佳运行所需的主要特征是什么?在考虑到各种规格和影响的情况下,如何评估和评价建筑物中的BACS ?要解决这些问题并完全支持建筑管理者未来的决策,就需要意识到智能建筑技术的好处和附加价值。


基于上述挑战和提出的问题,许多研究从可实现的节能和减少二氧化碳排放的角度考察了实施BACS对能源性能的影响。此外,大量工作致力于改善建筑中单一能源系统的设计、质量和运行,以及确保良好的热围护结构。然而,在控制和整合建筑内的各种组件和系统方面,关于整体建筑自动化系统的规格和质量的介绍很少。就作者所知,在价值链的任何部分都没有一个公开的整体方法和工具,包括审计和建筑自动化系统的智能评估。因此,无法获得有价值的信息来进行决策。这篇论文旨在解决未来政策目标之间的缺失环节,即建立有效的、设计良好的和集成的建筑管理系统,以及现有的建筑审计和评估工具。因此,本研究开发了一套完整的工具,将为BACS的审计和评估,以及构建智能度评估提供一个前所未有的工具。建议的工具是有系统的楼宇初步及复古调试平台的重要组成部分,可确保新建及翻新的节能楼宇顺利启动。这项工作是在“大厦通讯”计划下进行的,目的是发展和示范一套创新及新颖的软件,用于自动楼宇管理系统审核及楼宇连续启用。该项目的可交付成果和解决办法将允许进行连续和自动化的整个建筑性能测试,此外还将建立有系统的审计程序,协助设计下一代建筑管理系统。


修订后的欧盟法规正推动建筑存量成为更智能建筑]趋势的一部分。欧洲标准EN15232定义的程序和指南是评估使用楼宇自动化和控制系统对能源性能影响的基础。该标准定义了不同功能复杂性的特定自动化和控制功能,这些功能被划分为效率类。功能的效率类定义了住宅和非住宅建筑。这些系统从最高等级的A级到最低等级的D级。分配到A级的BACS安装和运行效率很高,而分配到D级的系统在能源效率方面表现不佳。因此,D型系统需要进行实质性的翻新,以提高其性能水平。其中的B级和C级分别定义了具有先进标准的BACS和满足可接受标准水平的体系。在详细计算和仿真的基础上,导出了函数的效率类。


欧洲委员会目前正在开发一种定性的、可公开使用的多标准点类型评估框架,称为智能准备指标(SRI)。SRI评估的得分在0到100%之间,这表明了建筑在满足用户需求、保持能源高效运行和提高电网灵活性方面的表现。评估的依据是楼宇设备的清单,这些设备分为不同的技术范畴,即:供暖、家用热水、冷却、通风、照明、电力、电动汽车、动态围护结构和监测及控制。在每个技术领域中,服务都有一定程度的智能(功能级别),它对应于每个标准的权衡影响评分。如图1所示,评估标准为节能、维修和故障预测、舒适度、便捷性、居住者信息、健康福祉和能源灵活性。


图1 欧盟SRI框架(影响标准的显式权重用分数表示)


单一评分的计算基于每个领域中标准和相关服务的明确权重,如图1所示。在所有领域的影响标准的总分数是以加权和的形式计算的,例如,供暖和家用热水在节能方面的相对重要性并不相同。EU提出了三种类型的个体域权重,包括等权重、居住权重和非居住权重。大量研究支持进一步发展SRI的方法。Vigna等人研究了与能源灵活性相关的定量方法和指标,这些方法可能最终被纳入SRI评估方法。这项工作侧重于回顾数学指标,这些指标适用于构建集群,在未来的概念和实践中都将非常重要。Marzinger和Osterreicher的工作也考虑了与SRI相关的灵活性和网格交互作用。他们通过提出一种定量和简化的方法来评估建筑层面上的负荷转移潜力,从而对发展做出了贡献。他们还表示,他们开发的方法涵盖了建筑适应用户需求的能力,以及隐含的节能操作,因为任何类型的网格交互都需要在高水平上实现BMS集成。显然,Crosbie等人提出的可扩展的建筑单元需求响应ICT解决方案与SRI方法之间的研究可以得出相似之处。类似的,Crosbie等人制定并使用功能等级来评估建筑参与需求响应项目的能力,从而起到很大的启发作用。Janhunen et al.的结果显示,由于缺乏先进的区域供暖特征,寒冷气候国家的SRI适用性有限。此外,作者强调了在功能层面上包括热电网的重要性,这涉及到需求侧管理。此外,通过对不同案例建筑的适用服务选择过程(即分流过程)进行评价,考察了SRI的整体可比性。结果表明,为了达到最大的可比性,所有的服务都应该进行评估。在他们的工作中,Markoska等人提出了一个伪代码算法,可以完全自动化SRI分流过程和计算。然而,这依赖于性能测试框架和数据驱动的系统架构,而非智能建筑不受青睐。


拟议的SRI评估方法与欧盟有共同之处。bac系统审核是指这两种方法都建立在EN15232的指导原则和计算原则之上。然而,虽然欧盟。bac评估当前BACS对建筑能源效率的影响,SRI评估建筑的整体智能准备度,考虑更多的影响标准。


在领域加权方面,Rastogi等人已经证明了隐式加权方法是持久的,并且在不确定性和简单性方面具有多重优势。此外,已经确定了对特定领域评分的需要,因为评估楼宇自动化系统的领域级别包含了允许更有针对性的改造工作的关键信息。如图2所示,该方法旨在以矩阵启发的格式单独报告每个领域,以便在所有影响标准下快速识别性能较差的建筑领域。这些分数被称为领域评估分数(DAS)。每个DAS的计算方法是在最大可用点数中所获得的总影响点数的数量,用百分比表示。因此,可以将特定域的DAS视为服务影响点的累积评估分数。例如,供热领域的DAS包括供热服务对能源效率、维护和故障预测、能源灵活性和存储、舒适度和对居住者的信息的影响。


图2 性能矩阵显示每个影响标准和总分数的单个领域分数


不同的评估分数可以为技术改进提供一个平稳的决策过程,因为建筑管理者能够区分性能良好和性能不佳的系统。此外,矩阵格式从系统级性能的角度提供了BACS的详细概述。然而,为了让建筑顾问、管理人员和最终用户充分受益于该方法的特点和质量,我们使用MATLAB开发和设计了一个工具。使用MATLAB App Designer应用程序进行开发,因为它允许在工具中轻松实现预期的功能。IBACSA工具被编译成一个独立的桌面可执行应用程序,允许广泛分发和灵活使用。


IBACSA工具由一个带有图形元素的用户界面和一组回调函数组成。底层可编程回调函数,通过执行用户输入处理所有的功能分数。如图3所示,图形用户界面(GUI)是围绕主选项卡布局开发的,该布局由11个带有直观图标的选项卡组成,每个选项卡包含不同的信息和功能。


图3 IBACSA工具的通用信息界面。


General information选项卡要求用户输入一般评估和建筑特性,以及建筑系统的存在和不存在。这包括评估日期,建筑物名称,地点,评估人的名字和公司。该选项卡包括一系列需要回答的问题,这些问题包括考虑的大楼中是否存在某些系统和服务。


为了实现动态自学习控制系统的未来优化运行,必须将多重影响作为评估和性能评估的一部分。许多研究都集中在量化单一影响或优化单一能源系统的设计和操作上。本研究旨在建立一个全面的评估框架,提出一种全新的互动及用户友好的工具,以提升楼宇自动化及控制系统审核及智能评估的方法。IBACSA使用基于质量的多标准方法,评估多种影响标准,如能源效率和灵活性,并根据从A到E的单个评分报告每一个技术建筑系统。


为了保证广泛使用和实际应用,在MATLAB App Designer中开发了该交互工具。该工具被设计为简单易用,并编译成一个独立的桌面可执行应用程序,允许建筑顾问、管理人员和其他预期的最终用户灵活使用。该工具可作为复古调试平台,通过对建筑中当前和升级后的BACS进行直接并排比较,分析BACS的翻新工作,从而为有针对性的翻新提供有价值的信息。


以丹麦为例,对该工具的性能进行了评估和讨论。该工具在覆盖BACS的各个详细方面、评价当前BACS性能、指出性能不佳的系统以及突出显示建议的修改和升级方面显示了强大的能力。


对现代化、先进的受控OU44大楼的评估结果表明,BACS在各领域的表现均达到C级或以上的评估级别。此外,该建筑在能源效率方面的得分为79%,在维修和故障预测方面的得分为64%,在能源灵活性和能源储存方面的得分为24%,在舒适度方面的得分为70%,在居住者信息方面的得分为84%。


对IBACSA当前版本的进一步改进可以考虑并在未来的版本中实现。下一个版本中要做的主要工作之一是实施BACS措施的经济影响。这些增加的设施最终会改善建筑业主、管理人员和顾问的改造决策。



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