持续质量控制过程建筑能源管理外文翻译资料

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持续质量控制过程建筑能源管理

By Gregor P. Henze

摘要：本文描述了一个建筑能源管理的宏分析方法。按惯例，能源改进措施的设计和部署在建筑上，期望从改变建筑维护结构或能源系统典型地实现节约能源，如照明系统改造。然而，可以确定额外的节省条件通过分析建筑系统和住户的影响之间的交互。能源会计系统可以提供大量所需的数据和信息，促进财富的分析设计和进一步优化改造措施。能源管理的问题是在经典的反馈控制回路框架中的开销:“传感器”（能源会计制度）监控实际的公用建筑设施消费，并且比较它与预定“定位点”（能源消耗目标）和分析综合报告系统中的偏差（“控制器”）。为了应对分析，包括居住者的动机等足够的措施，是由控制器定义并由“驱动器”应用于包含普遍条件下的建筑和居住者的“系统”。系统的输出是实际能源和与目标值相比的公用设施消费，并且回路是闭合的。本文探讨了一个在德国已经成功应用到节能绩效合同中的通用花销节省测量和验证的能源管理系统的实现。住户动机——经常被忽略的能源改造措施策，被提出来。伴随着住户动机措施和相关实施细则的建议，一系列表格和图形数据说明与分析技术也被提出来。

引言

三个参数符合建筑物居住者当前的工作环境。以气温、平均辐射温度、湿度、气流速度、室内空气质量和噪音为特征的小气候，展示了热、视觉、嗅觉、听觉适应的环境。建筑服务，如食堂、邮政和增值服务是工作场所中常见和重要的方面。基础设施问题，如建筑布局、停车场，公共交通，也影响我们上班的幸福感。考虑到每个人的独特生理性格，这种物理工作环境差异地评估每个人对于这些条件的感受。居住者对当前工作环境的看法是一个统计事件。根据舒适性先锋Fanger（1970）的工作，例如，表示出了特定环境下人们不满意的比例（PPD）与被称为预测热感指数（PMV）的热感知指数的函数，这是由上述热变量以及居住者的衣着和身体活动水平所驱动的。Fanger的发现最初仅仅适用于在备有空调环境下的年轻和健康的成年人。然而，后来的研究表明，偏好热环境的老年人与同样偏好热环境的年轻人没有什么差异（ASHRAE 1997）。

当前的工作环境反映了业主或者租户委托特定设施任务的约束和要求。办公大楼比肉类加工厂有不同的需求，也不同于半导体生产的洁净室的需求。更专业的产品和服务就是实际建筑中必须支持的，性能越高的建筑必须保证效率。在行业中，如信息技术和生物技术，劳动力成本代表着最重要的预算部分。一般来说，薪金和工资超过租赁成本一个数量级，租赁成本超过能源成本一个数量级。因此，对于雇主而言，员工的生产效率是至关重要的，并且，在工作环境中的负面影响是不能容忍的。图1展示了业主对居住者生产力的要求符合当前的物理工作环境。考虑到居住者个人对这种环境的反应，所需的生产力将获得不同程度的满意度。提供一个可接受的小气候的成本可分为通用成本和运营成本。公用设施成本包括水和污水处理费，电费、化石燃料费和过程能量费（冷水、热水、蒸汽）。运营成本的产生在建设能源系统中的技术人员薪资、维护合同，和更换投资。

图1 物理工作环境、居住者感受、生产力的相互依赖关系及相关成本

尽管事实上，建筑能耗相关的成本在过去仅仅扮演了一个很小的角色，在1999年和2000年发电量的不足的夏季，和原油的价格的飙升已经痛苦的提醒我们低能源价格不可能是无止境的 。

住宅存量和商业建筑占据美国年能源消费总量的三分之一；1999年，比例为35%，或者说超过96.6千兆英热单位（“quads”）的34.2千兆英热单位（EIA/DOE 2000）。商业建筑贡献了12.1千兆英热单位，即13%的美国主要能源消费总量（公元1999年）。能源消费加剧主要是由于巨大的电动和电子办公设备的使用激增，以及结合相关的冷却的能源需求，电力占据商业建筑最终用途能耗（9.65千兆英热单位），每年超过1.5亿吨的碳排放，和600亿美元的效用成本的80%。显然，商业建筑中的年度能源消耗是巨大的。

鉴于本质上是有限的自然资源的化石燃料，在当前和未来的建设中利用能源效率的潜力将有助于减弱能源消费的快速增长和国家对化石燃料的不间断供应的依赖。这也就构成了本文的动机。

本文强调能源消耗费用超过通用费用。大多数商业建筑服从于实用率（最大系统利用率）结构，还包括除了能源消耗外的需求和计量费用。在许多情况下，棘轮条款也被指控，即最高比例的需求在过去的一年（或更少）将在每个月的通用成本帐单上被用作最低有效需求。在下面的讨论中，通用成本将被提到，但图形分析将依赖于能源消耗的基础上。

恒温器类比

图片的恒温控制室内空气温度作为反馈控制回路的一个简单的应用程序。温度设定值，即室内707华氏度与温度传感器的温度记录比较。控制器使用该偏差来确定一个控制信号（如电压信号），进而被驱动器来确定控制变量的值（如阻尼器的位置）。该控制变量作用于系统（房间及其外部扰动）和使输出（室温）接近目标设定值。图2展示了该过程。

图2 反馈控制回路框图

现在让我们把这个反馈回路的概念应用在建筑能源消耗中。能源消耗目标值，如50千瓦每平方米每年，与建筑能源会计系统的之后用于描述的能源消耗记录比较。在比较中，实际通用消费和目标通用消费之间的误差通过数据库报告系统很便利地显露出来。人工分析将得出如下建议:（1）技术补救措施，如锅炉或泵更换等；和（2）措施激励住户积极减少通用费用。丰富的文学可用与描述建筑系统改造措施的有效性降低能量消耗的照明、取暖、制冷和热水。然而，本文强调年度能源账单中住户和他或她的影响。为此，一个新的“驱动器”是居住者节能意识行为的动机，并且一系列特定的激励措施代表了这个控制变量。该控制变量作用于系统（住户行为）和使输出（能耗）更接近目标设定值。图3展示了这个过程。

图3 降低通用消耗的反馈控制回路框图

该强调的框架组件构成能量下面描述的能源会计系统。剩下的两个强调的组件指的是居住者动机和相关措施。建筑能源管理是一个在建筑工程、建筑能源系统、楼宇自动化控制中需要人力资源利用广泛的技术知识，和信息技术才能成功的过程。此外，它需要不仅可以识别和量化节能潜力，而且需要可以令人信服和委婉地沟通这些住户的专业人才。

能源会计系统架构

建筑能源会计系统可以被视为一个受限制特性集的分布式远程楼宇自动化系统。Jones等人（1993）已经开发出一种软件工具来帮助建筑经理跟踪设备、照明、通用消费，并且在一个特定建筑里进行房间调度，为锅炉和制冷机提供基于日期、天气信息和其他因素等的预测需求。这里所描述的用于监测通用消费的系统不是基于一个点而是一套分布式的建筑群。

公共事业电表能读出电力消费、化石燃料、加热和冷却、以及过程热等电子数据。此外，水表或者家庭热水表可以轻松安装使用。这些电表的数据接口是标准电压或电流信号或专有的总线协议如M-Bus（计量总线）。除此之外，每个监控设备将配备典型的允许的测量热度和冷却度，以及最小最大平均温度和湿度概要文件的天气测量传感器。所记录的数据将被存储在位于远程站点的直接数字控制单元的内存中。这些单元可以是现有建筑自动化系统的一部分或着安装在以计量能量为目的的系统上。在后一种情况下，如DDC控制器将使用传统的现代化的无线通讯去定期建立一个允许传送记录消费和气候数据到中心设备的控制网络连接。例如，一个大型国家零售连锁店的所有零售商店的通用消费可以被远程记录并且数据被传输到总部。图4提供了一个能源会计系统的体系结构的演示。当前的发展采用基于IP的通信取代了现代连接，从而提供一个基于web的管理方法的潜力去集中信息和计量过程。

图4 分布式设备能源会计系统的系统架构

分布式建筑控制系统中每一个点的数据点定义维持在网络控制的中心位置模块。在管理水平上，操作员工作站允许分布式系统的可视化，控制应用程序的定义及其安排调度，以及在网站或传感器无法响应数据收集请求的故障排除。最后，所描述的系统将提供原始监测数据到一个关系数据库管理系统。根据质量、稳定性和调整时期，通用电表经常错误，特别是天然气电表。这些假设是由准确的通用记录而作出来的。

从原始电表读数来看，每日每周每月每年的消费决定于数据库管理系统。一致性检查确保仪表故障、漂移和溢出是能正确地记录。消费数据绑定到一个电表，电表绑定到一所建筑，建筑绑定到一个建筑群，建筑群绑定到一个工程项目。例如，一所公司的所有生产地点可能被视为一个工程项目，所有办公大楼可以视为另一个工程项目。气候信息是用于开发包括冷却和加热天数的典型的气象数据。

设定目标

现在，允许远程监控消费数据和相关信息的系统和组件都很适当，因此必须设置适当的能源目标。最简单来减少设施通用成本的方法就是假设每个部门必须在每一个组织单元和在每个通用程序实现一定的百分比变化。如果一个公司三年里试图降低操作成本的15%，它就可以轻松达到规定目标值的95%、90%，并达到基线值的85%。以这种方式，一个组织的目标变成了一种由每个单位成比例的贡献到能源账单的负担。这种方法的优点是，这个内部基准测试不利用外部数据，这通常能保证有效性。

基线消费值可以根据线性回归模型来确定，获得消费的气候函数，入住率和其他相关数据。更简单的不过是过去1 - 3年的平均消费。对于受气候影响大的设备，如加热和冷却天数，通过归一化在过去长期使用加热和冷却天数的参考气候的每1 - 3年的消费，然后平均个人消费数据，就可以找到基线值。结果是参考气候的平均消费；未来受气候影响大的消费数据将再次被归一化到参考气候，并且可以用于比较。

然而，通常这是需要通过使用所建议的典范目标价值来“学习”其他来源。这个外部基准测试提供了整体组织或选定的组织单元的相对性能的见解和选择所最具改善潜力的领域的指导。通常，这些基准目标表达出单位面积和度数天数或单位能源服务交付的年度能源消耗。几个组织发布的能源基准和建议，包括

·瑞士工程师和建筑师协会（SIA）

·德国工程师协会（VDI）

此外，能源部如俄勒冈州能源部和区域能源办公室利用用于能源改造项目的通用基准数据维护数据库。拥有很大设施和建筑组合的大公司逐渐收敛操作和维护其分布式站点的成本，允许基准从数据库中提取出来。统计分析应用于寻找按照气候和国家地区或其他适用的类别进行排序的办公空间和制造场所的能源消费指导。

目标值可用在各种时间尺度，以作为一个有意义的管理工具。如果只有年度目标是可用的，过度使用或不寻常的模式将不会被探测到。因此，能源目标如果不是按周设定，也必须至少是按月设定。不幸的是，所需的时间分辨率水平并不总是可以达到要求的，并代理数据必须按每周和季节性模式使用假设方式生成。

报告

修正

报告可被视为工具去可视化实际的能源消费和被选择的目标值中的通用消费的偏离值。通常情况下，只有在“纠正措施”已被应用的情况下，原始计量消费数据才能与相应的目标值对比。原始值被修正为:

1.实际气候与参考气候的偏差。通常，加热天数用于加热应用，而冷却天用于冷却相关的能源消耗。通用消费，例如照明用电，只有对气候条件敏感性很小的将被排除在天气修正之外。分表安装允许让天气敏感和天气不敏感的电力消费分离开，如单独测量冷冻的水生植物。

2.操作时间与参考安排时间的偏差。如果设备能正常工作2000小时每年，也就适用于大多数的办公大楼，工作时间也相应的会变为3000 小时每年，通用消费的相应的增长也将占据更大的比例。然而，它是一项不容易的任务来确定依赖于年度营运时间的通用消费的比例，并且大量的猜测通常是不可以避免的。当年度营运时间增加50%，能源消耗也增加50%吗？通常不会。在能源密集型服务的设施中，如数据中心，住户的操作时间可能只贡献总体通用消费的10%。反过来，由建设居住者和工作时间改变所导致的办公建筑的能源消耗已经有一个更为强大的影响。

3.在气候和运行时间之后，改变建筑的方式也会影响能源消耗。大多数时候，这些变化是渐变的并且难以量化，即这些影响不能被统计。然而，也有一些实例，设施使用的变化是显著的并且必须统计的。假设，如实施了一年的设备改造，需要的很大一部分被安置在临时设施的员工。假设参考年气候和营业时间不变，设施将减少能源消耗。考虑到典型能源性能的设施的信贷，这将是毫无根据的。

由于气候、操作时间和设施使用的变化，原始计量消费数据将被修正，以得到一个对目标和实际使用之间的偏差更有意义的解释。很明显，有很多不同的方式去修正数值。一个可能的方法是将修正的通用消费表达为原始值和三个描述这种变化的因素的产物。气候系数可能只是参考天数与实际值的比例。例如，用于建筑加热（制冷）的高天然气（电力）消费在更冷（更热）时比正常情况下个月将通过乘以一个小于1的系数而减少，在相反的情况下，由于实际天数超过参考值，系数大于1也会出现。同样，运行时间系数可以通过操作时间除以实际值的比例来确定。由于延长运营时间所增加得消费将通过一个小于1的系数来减少，或者在相反的情况下，通过一个大于1的系数来增大。正如上面提到的，这个一对一的比例假设是一个粗略的简化和应该用更好的正变得可用的设备知识来改进。

为进一步的信息，Claridge（1998）提供了一个历史意义的用于分析测量商业建筑中实用能源的方法的观点。它总结了现今用于大部分的测量和验证（Mamp;V）以及用于Mamp;V的仿真校准方法、调试和最终用途的隔离的回归方法的功能和不确定性。在分析程序PRISM（普林斯顿业务记录方法）的发展期间，归一化的年消费量（NAC）值被定义为在一个典型的天气年份的消费。Ruch和Claridge（1993）指出，提供每天或者每小时可用的数据，则由改造所导致的能源消耗能通过四个参数的变量或者线性回

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