摘要：大楼选用BAS系统的主要目的在于实现节能，但目前绝大多数项目都没采用具体的参数指标来评估及量化节能效果。
本文通过能量特征预算的定义、能量需求限制应用等方面阐述了BAS/BMS系统的节能控制策略及节能效果的量化方式。
关键词：SINGNATURE（能量特征）、DEMAND LIMITING（需求限制）、BACNET
1、 概述
由于中国经济的高速发展，对能源需求（尤其是电能）日趋紧迫，能源的合理节约使用已不仅是经济问题，更是国家战略性的问题。目前在中国，90%以上的大型建筑楼是高耗能建筑，尤其是大型商业综合楼是比较典型的耗（电）能大户，采用多种控制方式及手段实现建筑物节能是必然选择。
目前，BAS/BMS系统作为大型建筑物主要采用的节能手段已被绝大多数业主接受，BAS/BMS系统通过对大型建筑物的主要耗能设备（如空调、照明、给排水等设备）的监视和控制，并通过BACNET协议将众多第三方监控设备集成在统一平台上，并辅以丰富的控制（如PID）策略使受控设备运行在用户所设定的要求以及波动范围下，将能量负荷冗余保持在最佳边际成本状态下，实现节能目标。
本文以美国HONEYWELL（霍尼韦尔）公司的HONEYWELL/ALERTON ENVISION FOR BACTALK系统的能源管理软件具体应用为参考，从能量特征预算定义分析量化指标、节能效果平估；从能量需求限制应用分析阐述了BAS/BMS系统实现建筑节能的主要控制策略及方法。
2、能量特征预算分析
2．1特征预算定义
BA/BMS系统的能源管理目标在于确保没有能源浪费以及将能源成本控制在预算范围之内。典型的能源管理系统分为三个部分，如图所示：
其中：
REGISTRATION（注册）：
其主要目标在于为实现量化分析所定义的相关数据（DATA）。
能源管理系统将它定义为不同时间段的能耗基数值（Basis）。
这种数据是量化参考基数（METERS），用户可通过配置可以手工直接输入，如果该数据直接是BA/BMS系统的POINT（实际输入/输出物理点信号），能源管理系统直接自动调用该点的值。
BUDGETING（预算）：
在现代BA/BMS能源管理系统中，能源预算（BUDGETING）采用了能量特征（SINGNATURE）预算的这一全新的概念。
在传统的能源管理系统中，能源预算是设定一段时期总的能源消费量作为参考基数，通过与实际的消费量进行比较，实现能源成本的控制。由于其选定的参考基数值本身就具有较大的偏差值，导致能源预算冗余量偏大，很难达到好的节能效果。
能量特征（SINGNATURE）预算的这一全新的预算方式，它以负荷（LOAD）这一特征参数作为能量消费的计算参考指标及节能量化指标：
如果负荷（LOAD）比较高，则能源预算（BUDGETING）相应提高；反之，能源预算（BUDGETING）降低。
所以，能量特征（SINGNATURE）预算也被称之为正确的、科学的预算方式，它不直接以能量消费的多少来作为负荷，以避免不必要的负荷冗余。例如，在典型的空气调节系统（AHU）中，我们将室外温度（OUTDOOR TEMPERATURE）定义为特征预算中的负荷。
实现传统能源预算与现代能量特征预算两种算法相关连的联系点就是所定义的负荷值。在标准年份里，这两种预算必须是相同的。在气候偏冷的年份里，用能量特征预算方法所做的热量预算应当高于传统能源预算方法所做的热量预算。
CONTROL（控制）：
一旦能源预算（BUDGETING）定义好后并且相关基数数据注册（REGISTRATION）完成后，能源管理系统就开始启动了。
能源管理系统的目标在于确保能量消费不能超离预算所允许的范围内，否则便视为问题（PROBLEM），并标识出所有可能导致该问题的原因。
ENERGY ALARMS（能量报警）
当能量消费值超过确定标准值时，BA/BMS的能源管理软件就会自动触发报警，HONEYWELL/ALERTON ENVISION FOR BACTALK（EBT）系统自动就会在隔天产生报警值，这些标准为：
- 当所计量的能耗大于用能量特征预算所算出的预算15%或者最近时段每天至少超过预算值0，1W/M2
-前一个月能耗经济成本超过固定预算的5%
-有4周没有输入计量参考基数
-当一计量仪表的能耗大于另外计量仪表的能耗
GRAPHICAL PRESENTATIONS（图形显示）
能源预算中所涉及的注册数据（REGISTRATION）可以用多种方式表示：
- 柱形图
上述柱形图中：能耗指数用柱形（COLUMNS）来显示，将实际的能源消费与特征预算（SIGNATURE BUDGETING）进行比较，如实际的能源消费值在特征预算（SIGNATURE BUDGETING）值所允许的波动范围内，则表示设备工作在正常范围内；通过固定成本预算（FIXED BUDGETING）与实际的能源消费进行比较，如超出固定成本预算（FIXED BUDGETING）所允许的范围，则视为问题，并以成本形式表示出来。
-年份比较（COMPARING YEAR TO YEAR）
在上图中，我们曲线来表示一年的能源消费总量，其中：
-绿色曲线表示年度能量消费预算值（FIXED BUDGETING）
-红色曲线表示上年度的实际能量消费累积总值
-紫色曲线表示本年度的实际能量消费累积总值
尽管有5个月间隔，但当本年度实际能量消费累积总值的显示曲线仍能显示整个年度的能量消费累积总值，并根据所期望的消费值进行估算。
表格表示法（TABLE PRESENTATIONS）
这张表格显示了与固定成本预算比较，实际的能源消费成本。
2．2、能量特征预算（ENERGY SIGNATURE）方法描述
在能量特征预算方法中，对所取的相关特征值定义如下：
-参考年份（REFERENCE YEAR）
在BA/BMS的能源管理系统中，参考年份（REFERENCE YEAR）是非常重要的概念，与标准年份（STANDARD YEAR）是同一概念。
在参考年份里，取365天里任何一天的温度值作为负荷（LOAD）都是可行的；对于不同气候特征的地区 ，HONEYWELL/ALERTON ENVISION FOR BACTALK（EBT）能源管理系统选用的就是标准参考年份。
-标准消费值
在能源管理系统中，将注册数据（REGISTRATION）作为标准的能量消费值。
能量特征预算法主要有以下部分组成：
特征预算（SIGNATURE BUDGET）
本质上讲，特征预算（SIGNATURE BUDGET）是基于预定的室外温度所做的每日能量消费预算。通过特征曲线图，特征预算（SIGNATURE BUDGET）值可以计算出，它跟室外温度相关。有时，也把它称之为正确预算。
修正消费量（CORRECTED CONSUMPTION）
修正消费量所表示的是标准消费量的转换，从实际的室外温度转换为参考年度的室外温度。
修正消费量可顺着特征曲线在标准消费曲线上水平线计算出来。
固定成本预算（FIXED BUDGET）
固定成本预算表示的是年度内任何时期所预期的绝对能量消费值。固定成本预算理论上是不变的，除非用户修改。它非常接近我们通常所理解的传统预算。
在BA/BMS能源管理系统中，固定成本预算可根据用户经济能力进行自我调整。
上图的X轴所显示的是标准温度以及参考年份的温度，参考年份的温度低于标准年份的温度。
标准能量消费值表示
注册（REGISTRATION）可以在图形上以参数点形式标识，从参数点到能源消费曲线的垂直距离所显示的是实际能源消费量与预期消费量的偏差值。
由于在能量特征预算法中，消费量是转换为标准年份的能量消费值；如果参数点越靠近能源消费曲线，则建筑大楼选用BAS系统所带来的效果越接近要求。
下图中，是用修正的室外温度值作为负荷（LOAD）做预算曲线图。修正的室外温度值用来表示大楼的实际环境负荷。美国HONEYWELL/ALERTON公司的EBT能源管理系统可用其自带的计算工具以极限逼近的算法算出修正温度值。当参数点越接近的预算曲线，则意味着负荷计算越精确。
3、能量需求限制（DEMAND LIMITING）
能量需求限制（DEMAND LIMITING）是BA/BMS系统实现节能的重要手段。
BA/BMS系统的能量需求限制功能模块通过能源需求监测并自动调节设备运行数量来限制能源需求和降低成本。
通过特征预算中的负荷（LOAD）的选定，能量需求限制功能模块对实际的能源需求进行计量，当需求量接近负荷值时（我们也称该需求量为需求阀值），能量需求限制功能程序开始自动调节设备运行数量以限制能源消费，称之为LOAD SHEDING（卸载）。
LOAD SHEDING（卸载）可将能量需求控制在低成本，在许多情况下，可通过峰值/峰谷的有效调配（削峰填谷）使大楼设备尽量在峰谷运行，避免业主支付峰值费用。当能量需求逐渐减弱到下限并且远离能量需求阀值时，能量需求限制模块重新启动负载设备回到正常负荷运行状态。
HONEYWELL/ALERTON ENVISION FOR BACTALK（EBT）系统的能源需求限制模块主要有以下部分组成：
-峰值需求（PEAK DEMAND）计算
-梯度值（RAMP VALUE）计算
3．1、峰值需求计算（PEAK DEMAND）计算
能源需求控制模块是通过采样一个相对时间段的最高峰值并经过加权平均计算出需求峰值。
假设采样时间设定为15分钟，则该时间定义为加权平均时间。则需求峰值
则取该采样时间段加权平均峰值，如下图所示的采样时间段从6：00到6：15；6：01到6：16等等来取加全平均峰值：
3．2、梯度值（RAMP VALUE）计算
在能源需求限制功能模块中，设备的卸载和再启动（LOAD SHEDDING AND RESTORE）是以百分比表示，当梯度值（RAMP VALUE）为零时（RAMP VALUE=0%）表示没有设备卸载，当梯度值（RAMP VALUE）为100时（RAMP VALUE=100%）表示所有设备卸载。
能源需求限制模块含有两种梯度计算模块：卸载梯度和再启动梯度。
卸载梯度值是基于启动和停止卸载负荷（SHEDDING LOADS）之间的平均需求量。
对于卸载梯度曲线，可以选择能量需求量作为卸载启动负荷，或者也可以选择参考数据点。卸载启动负荷则基于峰值需求量的加权平均值，在常规算法中，卸载启动负荷取峰值需求量下限的20%，也就是说设备负载到峰值需求量的80%时，设备开始进行卸载；到100%时，所有设备进行卸载。
同样，对于再启动梯度曲线，可以选择再启动起始点值已及全负载重启动点值。在常规算法中，负载重启动值取卸载启动负荷值的5%-10%。
对于卸载梯度和再启动梯度曲线的设定，我们可以归纳为：
START SHEDDING LOADS（卸载启动负荷）=峰值需求加权平均值（APD）*0.8
ALL LOADS SHED（全负荷卸载）=APD
START RESTORED（再启动负荷）=APD*0.9
如下图例所示，设定APD值为2000KW，则：
START SHEDDING LOADS（卸载启动负荷）=1600KW
ALL LOADS SHED（全负荷卸载）=2000KW
START RESTORED（再启动负荷）=1800KW
ALL LOADS RESTORE（全负荷再启动）=1450KW
在6：05时，，峰值需求加权平均值APD为1630KW，则负荷开始卸载；随着APD值不停上升，在6：12时，APD值为1680KW，则20%的负荷进行卸载；到7：00时，APD值达到1920KW，基于需求限制程序模块定义，80%的负荷进行卸载。
到7：20时，APD值降低至1790KW，则负荷重启动程序启动，到8：00时，APD值降至1400KW，则所有负荷重启动。
4、BACNET协议
BACNET标准是专门用于楼宇自控网络的数据通信协议，其作用是将各厂商的楼宇自控设备以及其他楼宇自控子系统如照明、消防、安全防范（CCTV）等系统集成在一个高效、统一的BMS自控平台上，通过降低管理成本实现节能。
BACNET采用先进的面向对象分析和设计方法，用对象（OBJECT）来模型化表示具体楼宇自控设备的基本元素。通过对象间的交换互操作信息的命令实现互操作。
5、小结
HONEYWELL/ALERTON ENVISION FOR BACTALK（EBT）系统内嵌了BACNET技术与能源管理技术，简化了系统集成与能源管理环节，为智能建筑提供了丰富的管理手段。
6、参考文献
[1]郑文波，控制网络技术，清华大学出版社，2001.8
[2]董春桥，智能楼宇BACNET原理与应用，电子工业出版社，2003.3
[3]美国HONEYWELL公司 EBT Engineering Guide，2000.5
