人工智能或自動(dòng)化能否解決建筑物低能效問(wèn)題？

如今，建筑自動(dòng)化和能源管理系統(tǒng)在設(shè)施管理中變得越來(lái)越必要，這對(duì)建筑運(yùn)營(yíng)會(huì)產(chǎn)生直接影響，因?yàn)閳D使得業(yè)主和運(yùn)營(yíng)商能夠在面對(duì)氣候變化時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的效率、靈活性和彈性。但伴隨這些復(fù)雜工具而來(lái)的是復(fù)雜性的增加和錯(cuò)誤的引入，而且通常是以犧牲這些技術(shù)提供的效率為代價(jià)的。

因此，樓宇故障檢測(cè)和診斷 (FDD) 技術(shù)越來(lái)越受歡迎，每年可為業(yè)主節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元的樓宇成本，而且投資回報(bào)期通常不到兩年。FDD工具可自動(dòng)執(zhí)行檢測(cè) HVAC 系統(tǒng)故障和次優(yōu)性能的過(guò)程，以幫助診斷潛在原因。根據(jù)位于加利福尼亞州伯克利的勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LBNL) 于2022 年 2 月發(fā)布的一份報(bào)告，F(xiàn)DD通常位于現(xiàn)有樓宇自動(dòng)化系統(tǒng) (BAS) 之上。

然而，盡管商業(yè)FDD工具似乎是提高能源效率并進(jìn)而減少碳排放的靈丹妙藥，但仍然存在一個(gè)小問(wèn)題：需要人為解決。LBNL報(bào)告指出，“一旦發(fā)現(xiàn)故障，需要人為干預(yù)來(lái)修復(fù)故障，這通常會(huì)導(dǎo)致延遲，甚至不作為，從而導(dǎo)致額外的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本以及影響建筑物內(nèi)的舒適條件?！?/p>

換句話說(shuō)，建筑物的效率、節(jié)能和碳排放量仍然在很大程度上取決于人。

據(jù)LBNL稱，商業(yè)FDD應(yīng)用的自動(dòng)故障糾正在關(guān)閉被動(dòng)診斷和主動(dòng)控制之間的循環(huán)方面顯示出巨大的前景。在某些情況下，這些工具可以集成人工智能 (AI) 以進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，為設(shè)施管理者提供比以往更大的靈活性和自由度。

問(wèn)題：控件容易出錯(cuò)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物使用了美國(guó)70%的電力，占全球燃料燃燒產(chǎn)生的碳排放量的近33%，約占溫室氣體排放總量的20%。因此，建筑物必須變得越來(lái)越高效，并在問(wèn)題發(fā)生之前預(yù)測(cè)其系統(tǒng)的問(wèn)題。

然而，F(xiàn)DD工具并非萬(wàn)無(wú)一失。事實(shí)上，根據(jù)LBNL和美國(guó)能源部 (DOE) 的數(shù)據(jù)，研究估計(jì)傳統(tǒng)設(shè)備故障和控制問(wèn)題會(huì)顯著增加溫室氣體排放和能源費(fèi)用，達(dá)到每年170億美元和9000萬(wàn)噸CO 2當(dāng)量。

“事實(shí)證明，我們最常遇到的對(duì)能源影響最大的機(jī)會(huì)可以通過(guò)自動(dòng)故障糾正和控制優(yōu)化來(lái)解決，”LBNL表示。

這些提高能源績(jī)效的機(jī)會(huì)包括：優(yōu)化節(jié)能器高鎖定溫度設(shè)定點(diǎn)。更正錯(cuò)誤編程的HVAC計(jì)劃。釋放不必要的控制覆蓋。偏置溫度傳感器的校正。自動(dòng)循環(huán)調(diào)整。實(shí)施最佳實(shí)踐重置策略。優(yōu)化區(qū)域溫度設(shè)定點(diǎn)設(shè)置。

“我們現(xiàn)在正在努力將我們的最佳無(wú)故障控制解決方案套件擴(kuò)展到更廣泛的FDD合作伙伴，并包括其他策略，例如自動(dòng)調(diào)試/功能測(cè)試和需求靈活性，”Granderson表示。

解決方案：自動(dòng)化如何改善 FDD 結(jié)果

2016 年，LBNL與美國(guó)能源部和各行業(yè)合作伙伴合作發(fā)起了智能能源分析運(yùn)動(dòng)，這是一項(xiàng)公私合作伙伴關(guān)系，產(chǎn)生了關(guān)于建筑分析、成本、收益和使用的最大數(shù)據(jù)集。從那以后的幾年里，LBNL還與美國(guó)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的FD 技術(shù)市場(chǎng)供應(yīng)商合作，將最先進(jìn)的技術(shù)擴(kuò)展到以前可用的技術(shù)之外。Granderson介紹說(shuō)，她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)并實(shí)施了額外的編程功能，一旦故障被現(xiàn)有的FDD軟件識(shí)別出來(lái)，就可以自動(dòng)糾正故障。

在2020年與兩個(gè)最終用戶合作伙伴進(jìn)行的實(shí)地研究中，LBNL為HVAC系統(tǒng)開發(fā)并部署了一組七種故障校正算法，這些算法使用現(xiàn)有的BAS供應(yīng)商平臺(tái)在真實(shí)建筑中進(jìn)行了測(cè)試。算法校正的變量涵蓋時(shí)間表、設(shè)定點(diǎn)、傳感器讀數(shù)、命令、加熱/冷卻請(qǐng)求以及比例、積分、微分 (PID) 參數(shù)。

從歷史上看，F(xiàn)DD 技術(shù)已與樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)集成，以“只讀”格式獲取系統(tǒng)和設(shè)備操作的操作數(shù)據(jù)?！拔覀冏龅牡谝患率窃鰪?qiáng)該接口，使FDD系統(tǒng)也能夠?qū)⒚睢畬憽?BAS，”Granderson 解釋道。

該團(tuán)隊(duì)隨后開發(fā)了一個(gè)工程邏輯庫(kù)，該庫(kù)定義了如何通過(guò)修改通常可通過(guò) BACnet 協(xié)議訪問(wèn)的控制系統(tǒng)參數(shù)來(lái)解決各種與控制相關(guān)的問(wèn)題。

最后，該團(tuán)隊(duì)將糾正邏輯集成到 FDD 平臺(tái)和面向操作員的用戶界面中?，F(xiàn)在，一旦 FDD 系統(tǒng)檢測(cè)并診斷出故障，操作員就會(huì)收到問(wèn)題通知以及建議的糾正措施。在操作員批準(zhǔn)后，將執(zhí)行糾正措施并解決故障。

Granderson 提供了以下示例：區(qū)域溫度設(shè)置點(diǎn)過(guò)于激進(jìn)可能會(huì)被標(biāo)記為引起操作員的注意和糾正，并顯示消息“該區(qū)域的冷卻設(shè)置點(diǎn)為66度，低于推薦值。您想將設(shè)定點(diǎn)恢復(fù)到建議的68度嗎？”經(jīng)操作員批準(zhǔn)，F(xiàn)DD系統(tǒng)能夠通過(guò)其與 BAS 的接口將修正后的68華氏度設(shè)定值寫回區(qū)域控制器。一旦這個(gè)動(dòng)作完成，故障就解決了，F(xiàn)DD系統(tǒng)返回到問(wèn)題檢測(cè)和診斷。

除了故障糾正，LBNL 還將FDD系統(tǒng)功能擴(kuò)展到控制優(yōu)化。首先，它根據(jù)ASHRAE 指南 36：HVAC 系統(tǒng)的高性能操作順序，開發(fā)并測(cè)試了針對(duì)空氣處理機(jī)組靜壓和送風(fēng)溫度實(shí)施最佳實(shí)踐調(diào)整和響應(yīng)重置策略的方法。在這些解決方案中，LBNL的技術(shù)正在抑制“特殊”區(qū)域，這些區(qū)域會(huì)因無(wú)法滿足的供暖或制冷需求而增加能源使用。

Granderson 指出，雖然 LBNL 目前沒(méi)有在其開發(fā)的故障糾正方法中使用人工智能，但一些FDD供應(yīng)商正在其技術(shù)堆棧的某些部分使用人工智能。

總部位于悉尼和北達(dá)科他州法戈的 Building IQ 推出了所謂的基于結(jié)果的故障檢測(cè) (OFD) 服務(wù)，該服務(wù)結(jié)合了人工智能、能源分析和人類專業(yè)知識(shí)，以克服許多 FDD 服務(wù)的缺點(diǎn)?！盎诮Y(jié)果的故障檢測(cè)是一種全面的解決方案，可以將故障檢測(cè)帶向更好、更廣泛的方向，”該公司時(shí)任總裁兼首席執(zhí)行官 Michael Nark 在 2018 年 6 月的新聞發(fā)布會(huì)上表示。

“它通過(guò)接受設(shè)施專家發(fā)揮的關(guān)鍵作用并通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和尖端人工智能來(lái)增強(qiáng)它來(lái)做到這一點(diǎn)。無(wú)論數(shù)據(jù)是好是壞，OFD 都能正常工作，并利用機(jī)器學(xué)習(xí)將數(shù)據(jù)分析的負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)移到云端。結(jié)果是建筑運(yùn)營(yíng)商不必浪費(fèi)寶貴的時(shí)間和資源來(lái)搜索數(shù)百個(gè)日常故障表。相反，有了OFD，運(yùn)營(yíng)商可以專注于真正需要修復(fù)的東西、他們的租戶和底線。”

自動(dòng)化FDD系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

Granderson 說(shuō)：“我們的建筑物中隱藏著令人驚訝的低效水平。”“自動(dòng)控制系統(tǒng)保持溫度和濕度水平，并保持系統(tǒng)運(yùn)行以提高乘員舒適度。但它們通常會(huì)失調(diào)，下班后可能無(wú)法關(guān)閉，或者可能使用會(huì)浪費(fèi)能源并推高成本和溫室氣體排放的設(shè)置?！?/p>

她說(shuō)，自動(dòng)化FDD技術(shù)可以持續(xù)分析運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，為建筑運(yùn)營(yíng)商和能源管理人員發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并指出“好處是巨大的。我們的工作表明，在其產(chǎn)品組合中使用FDD系統(tǒng)的組織平均可節(jié)省 9%，投資回收期為兩年?！碧砑幼詣?dòng)故障糾正功能可以進(jìn)一步擴(kuò)展優(yōu)勢(shì)，她繼續(xù)說(shuō)道。無(wú)需等待數(shù)周或數(shù)月才能解決問(wèn)題，而是可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)解決問(wèn)題，并且可以將寶貴的員工專業(yè)知識(shí)用于解決最棘手的問(wèn)題。

“此外，將控制命令寫回 BAS 的能力也使我們能夠?qū)嵤┍O(jiān)督控制優(yōu)化，”她說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)FDD系統(tǒng)提供監(jiān)督優(yōu)化控制，可以跨不同年份和品牌的 BAS 進(jìn)行可擴(kuò)展實(shí)施，而無(wú)需昂貴的升級(jí)，而更傳統(tǒng)的方法可能需要直接修改 BAS 編程?！?/p>

基于自動(dòng)化和人工智能的BAS和BEMS解決方案已在全球商業(yè)建筑領(lǐng)域得到采用。例如，ABB 的 Ability BE Sustainable with Efficiency AI目前管理著超過(guò) 275 座建筑，總面積超過(guò)1億平方英尺?？偟膩?lái)說(shuō)，這些裝置每年可減少超過(guò)100萬(wàn)公噸的二氧化碳排放，所有這些都是通過(guò)利用已經(jīng)進(jìn)行的樓宇自動(dòng)化投資實(shí)現(xiàn)的。

智能建筑的未來(lái)是持續(xù)改進(jìn)

良好的數(shù)據(jù)是樓宇自動(dòng)化和管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，輸入能源管理和信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)越多越好。隨著FDD工具和自動(dòng)化軟件的發(fā)展，智能建筑的實(shí)施、可擴(kuò)展性和可靠性將不斷提高——希望開始這一旅程的建筑業(yè)主和設(shè)施經(jīng)理將擁有可供使用的工具。

2020 年 10 月，LBNL發(fā)布了一個(gè)應(yīng)用程序展示，幫助利益相關(guān)者了解如何開始，重點(diǎn)介紹智能能源分析活動(dòng)參與者的最佳實(shí)踐，并提供行業(yè)中發(fā)生的創(chuàng)新示例。

“我們已經(jīng)在許多建筑物和BAS產(chǎn)品中測(cè)試了這些新功能，”Granderson 說(shuō)?！捌駷橹沟慕Y(jié)果表明，它們可以在不同的控制器之間進(jìn)行擴(kuò)展，F(xiàn)DD供應(yīng)商提供適度的額外開發(fā)和實(shí)施提升。由于這些新興技術(shù)功能由其合作伙伴通過(guò)我們的產(chǎn)品功能或模塊提供，LBNL將能夠跟蹤相對(duì)于傳統(tǒng)FDD系統(tǒng)的增量成本。

“這一切都很新，而且還在成熟，但這項(xiàng)工作的令人興奮之處在于它向我們展示了智能建筑的未來(lái)。我們?cè)絹?lái)越多地要求我們的建筑——它們成為凈零溫室氣體排放者，整合越來(lái)越多的分布式能源，并提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境，同時(shí)與可再生電網(wǎng)相協(xié)調(diào)。

“大規(guī)模實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的唯一方法是利用FDD和其他智能建筑軟件提供的基于現(xiàn)代軟件的基礎(chǔ)設(shè)施。它為我們提供了不斷‘推動(dòng)’改進(jìn)控制和分析解決方案的渠道?！?/p>

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