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BEMS落實建築節能願景
聰明掌握能源數據
[作者 王明德]   2017年11月17日 星期五 瀏覽人次: [1697]

一棟建築物究竟該具備哪些功能,才能符合智慧化的定義?基本的四大指標為安全監控、健康照護、便利舒適及永續節能,過往,智慧建築在發展上,以前三項指標為主,不過,在能源價格節節上漲,及全球暖化危機的雙重因素影響下,永續節能的重要性將日益升高,能源管理平台也成為智慧建築未來的發展主力。


傳統的永續節能建築,偏重於再生能源(如:太陽能、風力、水力)的運用,最常見的例子就是在建物外牆或屋頂上架設太陽能電池板,將陽光轉換成日常生活所需的電力,然而落實節能減碳目標,不該只是採用再生能源,而要有更積極的作為才是,亦即從能源管理開始做起,了解日常生活中能源使用狀況,降低不必要的能源支出,最後才是搭配再生能源的使用。


積極管理 方能落實節能效益


圖1 : BEMS整合建築自動化系統資訊系統、及能源監視系統,達到設備耗能的最有效系統化控制。(Source: Terra Firma Ssoftware)
圖1 : BEMS整合建築自動化系統資訊系統、及能源監視系統,達到設備耗能的最有效系統化控制。(Source: Terra Firma Ssoftware)

建築物節能的方法有很多種,包括選擇採光通風俱佳的地點、採用不易聚熱建材、良好室內空間設計、高能源效率家電(如:變頻冷氣、LED燈泡)等。


無論上述哪一種方式,最終都得朝能源管理系統(Building Energy Management System, BEMS)的方向發展,BEMS整合建築自動化系統、保全系統、資訊系統及能源監視系統,再搭配環境感測器與人工智慧技術,達到設備耗能的最有效系統化控制,及能源的最佳化調配管理,一來可避免發生無效耗能的情況,二來則是讓現有能源與再生能源互相調配運用。


BEMS終極目標就是讓能源可以自給自足,未來,每一棟建築(或家庭)都將設置風力或太陽能發電機,建構出專屬的智慧型電網,也就是一套獨立的電力供應系統,不需仰仗電力公司的能源,在行有餘力之際,還可將多餘電力轉賣回電力公司。


而人工智慧則是這套系統的關鍵技術,人工智慧系統負責分析環境感測器所搜集到的能源使用資料,從中模擬出居住者生活型態及未來的耗能需求,再搭配氣象預報估計出能源供給量,當能源供給量低於需求量時,由系統自動控制能源使用狀況,反之則可將多餘電力賣給台電公司。


自動化設備 能源管理最佳幫手

自動化系統是BEMS架構中的基本配備,目前全球樓宇自動化系統的市場規模約215億美元,其中55.1%為DDC-HVAC控制器,而節能議題恰好是DDC-HVAC控制器成長的驅動力。


就目前發展趨勢來看,中央監控系統主要用來控制大樓內不同的機電設備,隨著應用模式與控制器不同而分成三種架構:數位邏輯控制器(Direct Digital Control, DDC)、可程式邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)及遠端控制器(Remote Terminal Unit, RTU)。


DDC適合以空調設備為主、控制多個房間溫溼度的環境,PLC多應用於各種機電設備、且面積大的環境,RTU則適用在控制區域分散或有通訊穩定性考量的環境,其中,DDC與PLC雖然具有相互替代性,但研華工業自動化事業群協理蕭錫堂表示,DDC的使用方便性遠勝於PLC。


樓宇建築的電力消耗主要來自空調與照明設備,其中又以空調耗電量為最多,而DDC主要目的就是控制空調設備,空調系統較工廠機器單純,其控制方式變化不大且容易被歸類,因此許多DDC皆內建一些控制程式,使用者只要設定資料即可,縮減施工導入的時間。


中央監控系統透過軟體,將大樓內所有設備的電能消耗資料彙整後,進行統計、分析與判斷,從而達到能源管控的目的,這些資料可以幫助使用者分析哪一種設備或哪一個部門的耗能量最高?如何讓電力負載更平均?再從分析結果去規劃改善方式,才能享受節能與省電的效益。


舉例來說,尖、離或半尖峰時間的電力價差很大,如果將尖峰時間用電量挪移至離峰或半尖峰時間,例如:控制空調設備儲冰系統只能在晚上運作,經過挪移設計來讓電力平均負載,不僅節省電費,也可以降低契約容量數字。



圖2 : 節能永續已是現在大樓的設計重點。(Source: Advanced Control)
圖2 : 節能永續已是現在大樓的設計重點。(Source: Advanced Control)

目前,部份國家已開始透過政策來推動建築節能管理,例如日本政府透過獎勵措施及補助,鼓勵舊建築在既有自動化系統下,強化能源管理控制功能,但是面對新建築,則強制要求符合節能規範,才准許發放執照。


因此,對於新舊建物比例約為3:97的台灣來說,蕭錫堂認為需要政府的利多政策,才能加速發展節能控制,否則這些既有建物大概會等到翻修時機到了,才會思考要不要引進節能管理系統。


先進通訊技術 串連建築每一角落

在網路通訊架構部分,傳統DDC控制器多走封閉式網路架構,必需花費很多時間進行系統整合工作,隨著工業乙太網路成熟發展,在許多控制器上都能看到Ethernet蹤影,市場調查研究機構ARC Advisory Group的資料指出,附有乙太網路功能的控制器,乙太網路具備開放、單價較低、連網速度快及節點佈建容易等優勢,故能成為DDC控制器的通訊新寵兒。


呼應整體市場趨勢,目前市場上的BEMS除了支援傳統通訊標準Modbus、BACnet外,同時也會納入Ethernet標準,方便讓管理者透過網路遠端監控設備運作狀況,以及登錄圖控軟體(或人機介面),檢閱各類能源統計報表,包括能耗使用狀況、耗能分析、二氧化碳排放量等,從中歸劃節能省電的方法,例如:將尖峰時間非必要的耗電設備挪至離峰或半尖峰時間再啟動。


除了Ethernet外,新一代DDC控制器的另一個特色是已先預設簡單PID控制邏輯,並提供離線模擬及線上除錯功能,有效簡化BA系統導入工作。


從大樓往下延伸至室內空間來看,住家或企業辦公室該如何做好能源管理?業者指出,WSN無線感測網路是現在BEMS的主要架構,目前應用在WSN的無線技術以ZigBee為主,經由ZigBee感測設備(如:數位電表、環境感知設備等)將訊號傳輸至嵌入式系統,也就是主機端,匯總呈現居家環境品質與能源使用狀況,甚至可進一步結合煙霧偵測器,發揮節能與安全防護的雙重效益。


**刊頭圖片(Source: Asia Green Buildings)


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