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提升能源管理效益 BEMS与HEMS架构全面进化
[作者 王明德]   2020年05月27日 星期三 浏览人次: [4086]

智慧化能源管理系统是人类社会中少见可以兼顾经济发展与环保的作为,在诱因充足、技术齐备与政府政策的推动下,BEMS与HEMS架构已快速进化,全面提升其管理效益。


环保议题持续在全球发烧,节能成为各产业的重要议题,电力作为人类社会使用量最大的能源之一,自然也成为此议题的重点。根据台电的研究报告,台湾社会的总用电比例,工业仍占最多,大约50%,依次序下是民生用电(25%)、商业用电(20%)、其他类(5%),这四大区块中,工业与商业扮演国家经济发展的动能,其用电量欲小不易,但也就是因为电量使用高,只要降下些许比例,所换算的电费就极为惊人。


因此,一直以来无论是在设备端或企业,都积极采用各种方式进行节能,在减少营业成本的考量驱动下,此趋势会持续进行。至於第二高的民生领域,早期的作法大多是宣导随手关灯、不到一定的高温不开冷气等被动式节能做法,不过近年来智慧化概念兴起,透过各种新科技所建构的智慧能源系统,已开始被导入到建筑、住宅中。


如同前言所叙,建筑领域的节能意识起源相当早,早在民国六十年代政府就喊出「节约用电」囗号,後来全球城市化趋势加快,人囗大量汇集到各国的大型城市中,居住与商办需求大起,大楼建筑的数量越来越高,所耗费的能源也快速攀升,根据台电的统计,1998年住宅与商业的全年用电量约为300亿度,到2017年已有440亿度,成长将近50%,在此同时,全球城市化的逐渐加速,在此趋势下,能源管理在建筑物将越来越重要。


从架构来看,建筑楼宇的能源管理平台可分为两类,一是建筑能源管理系统(Building Energy Management System;BEMS),另一类则是建筑体再进一步内缩的家庭能源管理系统(Home Energy Management System;HEMS),这两类系统虽都用於建筑中,也都以节能为目的,不过系统所管理的面积、设备相异,其功能需求也大不相同。


系统整合让BEMS更强大

大约在20年前,建筑业开始导入IT系统,用以管理安全监控、空调、消防、照明、风机等系统,其中空调系统的能耗最大,对能源管理的需求最高,因此Rockwell、Honeywell等欧美大厂都推出管理系统,後来此系统的功能逐步进化,就成为现在的BEMS。


不过无论是空调或照明、监控,这些技术与应用在当时都刚起步,市场不但没有整合概念,就算真的有整合意愿,也难以克服各系统之间不同通讯协定的问题。而西门子区域解决方案与服务部门维护处??协理蔡忠信指出,随着技术与应用逐渐成熟,现在系统整合已成为大楼建置BEMS的基本要求。



图1 : 西门子区域解决方案与服务部门维护处??协理蔡忠信指出,随着技术与应用逐渐成熟,现在系统整合已成为大楼建置BEMS的基本要求。(摄影/王明德)
图1 : 西门子区域解决方案与服务部门维护处??协理蔡忠信指出,随着技术与应用逐渐成熟,现在系统整合已成为大楼建置BEMS的基本要求。(摄影/王明德)

蔡忠信进一步表示,系统整合的主要着眼点在於提升管理效益,在系统各自独立时代,管理者必须同时监看各系统的画面,如果同时发生状况,就容易顾此失彼造成财产损失,甚或危及生命,而经由整合过的系统,不仅会将所有系统的状态呈现在同一画面,而且画面都为直觉化设计,以利於人员管理、操作。


BEMS的系统整合工程会因建筑物的新旧而有差异,如果是新大楼,一般会在设计阶段就纳入BEMS,并在建筑体施工时同步开始作业,此一模式大多是由系统厂商与建商洽谈合作,其导入难度较低。至於旧大楼的导入难度就会较高,一般是由物业管理业者提出需求,系统厂商再因应调整管理平台功能,并介接大楼中原有的系统。


西门子区域解决方案与服务部门绿建筑与节能业务经理吴建德指出,BEMS目前需要整合的介面,会因为旧大楼中的系统而有不同,他以西门子的Desigo CC为例指出,该平台就可整合常见的包括工业控制器的Modbus与OPC、照明系统的DALI、电/水/瓦斯表的M-Bus、影像监控的ONVIF…等通讯协定,并透过易读、简易、流程化的介面,让建筑物内的IT系统讯息可以即时且精确的显示在介面上,藉此有效监控建筑物内的能源消耗,并在问题发生前提早因应。



图2 : 西门子区域解决方案与服务部门绿建筑与节能业务经理吴建德表示,云端化与智慧化是BEMS近年的重要趋势。(摄影/王明德)
图2 : 西门子区域解决方案与服务部门绿建筑与节能业务经理吴建德表示,云端化与智慧化是BEMS近年的重要趋势。(摄影/王明德)

云端与AI已成既定趋势

除了整合各系统之外,BEMS近年的另一个趋势是云端化与智慧化。云端概念在IT领域推动已超过10年,此概念落实在BEMS的作法是将大楼里的能源数据传送到云端,管理人员透过联网设备就可以上云取得经过即时能源数据。云端化的好处是物业管理者不必花钱、花时间建立实体的IT基础架构,更不须编制IT人员负责维修升级。


至於缺点则是有资安疑虑,而这也正是过去一段时间物业管理者对云端抱持保留态度的主因。不过吴建德指出,今年COVID-19疫情充斥全球产业,包括建筑管理在内的业者都被迫采用云端机制,从远端控管各地设备,云端需求因此上升,近期西门子就有多起导入云端的相关询问。


至於智慧化则是拜AI启动所赐。近年来AI与物联网整合而成的AIoT成为业界趋势,在BEMS中,AI的主要作用是透过数据的运算分析,提前预估、侦测、诊断建筑物中的能源潜在问题,这类系统也属於BEMS的一部分,其使用者非现场管理者,而是更高阶的决策者。


以西门子的产品为例,就是其Navigator系统。此系统可分析建筑物的内外资料,并协助分析水电帐单,藉以找出潜在的数据错误,提高资料品质,改善大楼运作以及预估营运预算,另外这类系统也都会上云,让使用者可经由行动应用程式,随时随地稽核能源,并制作稽核报告。


HEMS需要软硬兼具

能源管理在建筑空间的另一个重点应用是家庭,也就是近几年市场常听到的HEMS。HEMS与BEMS一样,都是以IoT为主要架构,不过联齐科技产品总监小长井教宏指出,IoT的应用多元,其架构与功能会因应导入场景有所调整,因此联齐科技将能源所用的IoT更名为IoE(Internet of Energy),以与其他领域的IoT作区隔。



图3 : 联齐科技产品总监小长井教宏认为,家庭并非HEMS的唯一应用,其架构也可横向复制到办公室、医疗院所等其他室内场域。(摄影/王明德)
图3 : 联齐科技产品总监小长井教宏认为,家庭并非HEMS的唯一应用,其架构也可横向复制到办公室、医疗院所等其他室内场域。(摄影/王明德)

HEMS所用的IoE架构与BEMS类似,其系统都需要与闸道器、边缘设备介接,不同的是HEMS因使用族群为一般家庭,此族群大多不具备IT、电器等专业,因此厂商所推出的解决方案必须易於安装,最好是买回去接上电源,使用者不须作其他设定,设备就会自动与家中的其他电器设备连结并且上线运作。


不过要做到上述功能并不简单,为了推动智慧家庭,近年来各国电器厂商纷纷筹组联盟,透过联盟制定共通的电器通讯标准,不过各国之间的规范并未统一,因此有意投入的厂商必须强化目标市场的标准认知。


至於在运作方面,HEMS主要诉求是侦测各节点的耗电数据,再以後端软体分析,藉此改变用电行为,达到省电目标。要达此目标,就必须妥善规画系统的架构运作。


在能耗侦测方面,系统必须取得每个节点的数据,建立起完善的资料库後,後续的分析结果才会准确有意义。取得数据并分析後所地的结果,则必须经过可视化设计,以直觉方式呈现在使用者眼前,藉此降低管理难度。


另外,为求便利,HEMS现也走向云端化,小长井教宏表示,联齐科技的主力产品━智慧能源闸道器CUBE,其角色就是家庭中的能源闸道器,将数据传到上层的云端平台,并搭配该公司的Ecogenie APP,让使用者可透过联网设备上线查看家中的用电资讯。


横向复制扩大应用市场

目前HEMS多使用於家庭,不过小长井教宏认为这并非唯一市场,医疗、企业办公室等室内空间也会是目标场域,近期联齐科技与成功大学资讯工程系及医学院护理学系研发的「智慧手环体温预警系统」,就已正式导入成大医院内科病房,此案例的系统架构与HEMS相同,都是由感测器、闸道器与云端平台等三大要素所组成,再经过调整後,还可横向复制到其他领域。


观察整体市场可以看出,无论是BEMS或HEMS的功能设计,都让能源管理从过去的被动节能,转化为积极掌握能耗数据、改变用电行为的主动作为,而此作为不但可减轻地球的环境负担,企业与家庭更可因此降低电费,在诱因充足、技术齐备且政府单位的政策支援下,建筑与家庭的智慧能源管理市场预期将快速加温,成为下一个具发展潜力的市场。


*刊头图(Source:Laplace Solutions)


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