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2023年4月18日发(作者：slice是什么意思)一个建筑自动化和控制系统性能优化的分析框架
关键字
建筑控制；楼宇自动化；性能优化；性能差距；性能跟踪；数据分析；物联网
摘要
紧迫的全球环境问题正在促进建筑环境的能源和可持续发展政策的快速变化。新模式不
断涌现，如“近零能耗建筑”（NZEB），和资源效率逐渐成为建筑领域的一个重要话题，这
意味着在整个生命周期中对性能的一个适当的考虑。然而，实证表明，很多时候，由于在建
筑生命周期的所有阶段期间犯下的错误，预测的结果之间的差距（设计阶段）和测量（运
行阶段）性能往往是非常大的。这一性能差距决定在建筑行业的可靠性问题，和更多一般
情况下，以可持续发展为导向的实践。因此，设计和操作的做法应该演变，以便能够应付确
定的性能不确定性，例如，通过演变的气候条件、变异性的行为模式以及性能退化的技术
组件。
基于这些原因，提出了建筑自动化和控制系统的性能优化的潜力的分析框架。这个框架
的目的在于强调，特别是建立一个有效的包含当前不能立即识别的建筑性能仿真、控制和
数据分析的连续性的方法。进一步讲，它旨在设想创建一个统一的方法论方法的可能性，这
个方法能够保证多个反馈有用的演变，首先，设计和操作可实践，而且对建筑行业的整个价
值链更具普遍性。
1.介绍
由建筑技术和服务对环境减少今天是影响的全球可持续发展的根本。事实上，住宅和商
业建筑占目前全球层面上一次能源消耗的30%以上，在在欧盟和美国约占总能源的40%。与
供暖，制冷和通风有关的能源需求往往是主要的部分，然而也不应该低估照明和照明设备使
用能源的影响范围，特别是在商业楼宇，在某些情况下，即使是住宅。
为了应对能源效率和可再生能源生产的问题，一个新的建筑模式已经被设想，那就是“近
零能耗建筑”或称“NZEB”。在欧盟层面，可持续发展评价、产品、实践和能源政策、能源
效率、到更普遍的资源效率概念，重要举措正在建筑业中实行，这意味着对整个建筑生命周
期性能的一个适当的考虑。NZEB 模式包括全新或翻新的建筑物，以促进建筑环境彻底翻新。
深改造策略代表着建筑业可持续发展的一个重要机遇，并能与新兴经济、循环经济和工
业4.0各自的生产范式起到协同作用。无论从监管，还是从市场的角度来，这种潜在的协同
作用都构成了一个问题。
欧盟国家已经制定了几种不同的监管定义。在一般情况下，几乎零能源建筑应结合非常
低的能源需求与现场可再生能源生产的相关配额，并应尽可能减少需求和生产之间的不匹配。
NZEBs 的设计选择应从技术性和经济性角度仔细考虑，不仅仅是初始投资成本，而且包括与
能源有关的运行成本，在生命周期成本核算的角度优化。当前，对模拟和测量的能源性能之
间的不匹配的关注越老越多。从根本上讲，这个问题一般是从“性能差距”这方面解决，这
个差距可以由设计阶段误差、施工阶段误差、调试和运行阶段误差确定。这些错误可以直接
反映能源的性能，达到运行成本和全球成本最优。因此，在深改造实践的情况下，因为在投
1

资回报方面的限制，或当能源性能承包（EPC）应用于目前的建筑服务时，这种差距可以创
建相关问题。为了保持这些可接受的和可量化的性能范围的误差影响，适当的指标和基准策
略应适用于建设生命周期和整个部门的整个价值链。为了测量性能分析的起点以缩小差距，
旨在监测能源和信息流的应用程序是必不可少的。楼宇自动化和控制系统 (BACS)，考虑其
技术建设管理 (TBM) 能力，本质上是使平台在这一方向发展。事实上，一个好的能源和环
境设计，其本身而言，不能在一个没有适当调试和技术管理的生命周期中保证适当的性能水
平。虽然监测策略主要是针对异常检测，但其他基本的见解可以从数据中学习，采用逆建模
技术和校准能源仿真模型，可以告知设计过程（例如通过比较测量的数据与最初的假设）。
事实上，一个统一的方法论方法可能会保证多个反馈有用的演变，首先，设计和操作可实践，
而且对建筑行业的整个价值链更具普遍性。
然而，直到近年来，在建筑能源性能的控制方面的关注与其他应用领域相比较少，例如
航空航天、石油化工、电子或汽车行业，由于控制性能差，建筑浪费大量能源，因此，在改
进方面具有很大的潜力。最后，先进的控制系统将促进在智能建筑集成的关键能源基础设施
（如智能电网），周南关雎原文拼音特别是关于操作的灵活性和现场资源优化调度（生成、存储、网格交换等）。
针对这些原因，本文阐述了最相关的BACS 性能优化问题。
2.楼宇自动化和控制系统︰动机的研究
正如之前的介绍，课题研究的范围是为楼宇自动化和控制系统 (BACS)性能优化的潜力
分析提供一个总体框架。一般来说，配备 BACS和技术建设管理 (TBM) 的建筑是“智能”
或“聪明”的。虽然这些条款是比较通用的，我们可以说，一个建筑的智能在于提供建筑服
务的能力（热舒适，室内空气质量、照明等）的同时达到效率最大化和节约成本，以减少对
环境的影响。有关建筑自动化的更精确的定义存在于文献中，特别是有关楼宇自动化和控制
的定义（BAC），BACS和TBM。BAC是产品，软件，自动控制工程服务、监控和优化，
人类的干预和管理来实现能源高效和建筑服长安一片月出自哪位诗人务设备的安全经济运行。BACS 包括所有产品、
与 BAC 相关的工程服务和术语交替使用的建筑管理系统（BMS）。TBM涉及所有与建筑和
技术系统的操作和管理有关的过程和服务。TBM代表设施管理的一部分。TBM不仅涉及自
动化控制系统的存在，而且具有有效整合所有这些操作定义明确的自动化和控制的综合作用，
涉及硬件和软件。
BACS 功能一般主要有以下几个方面：
1、供暖、通风和空调系统 (HVAC)；
2、家用热水 (DHW)；
3、照明系统控制；
4、遮阳控制系统；
5、能源转换和存储（加热和冷却）；
6、现场发电；
7、监测和数据采集；
8、通信和安全管理。
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前面的定义已经明确，BACS系统针对建筑节能运行，因此，控制和能量管理功能部分
重叠。作为一个成果，BACS还作为能源管理和控制系统（EMCS）。
下面概述了这些系统的演化路径，通过以下步骤：
1、专用系统（1980-85，所有子系统的特点是个别功能）；
2、集成多功能系统 (1985-90，各个子系统划分为功能区)；
3、建筑级集成系统（1990 - 95，第一阶段集成在楼宇自动化，BAS，和通信，集成电路）；
4、计算机集成建筑（1995 - 2002，利用网络技术的能力）；
5、企业网络集成系统（埃尼斯）（2002后，整合了在更高层次上连接更多的建筑）。
这一演进路径决定了组件、设备、系统和服务之间的集成水平越来越高。
目前，数字革命促使我们的行为习惯发生了重大变化，并开始重塑我们接近我们的“物
理”对象的方式，带来了一个新的概念，“物青山入我怀联网”（物联网）。物联网实际上是连接设备，
在设备本身（由嵌入式计算机）或在云服务中通过应用程序获取数据和执行计算的过程。利
用 web 技术的可能性，ICT解决方abac式词语大全案在经济上具有竞争力，易于在市场上实行并有效支持
清洁技术和可持续行为通过。新兴产业 4.0生产模式正是以物联网概念为中心。
在这个意义上，物联网可以有效支持BACS和TBM的未来发展。此外，在资源约束的范
围内，我们的基础设施系统（互联网、智能电网等）将一定能够积极与用户和建成环境互动，
以最大限度地提高效率和降低成本以及故障和中断的风险。
在计算智能和自动化的综述中可以发现，在建筑中的应用和服务的先进的算法的发展不
是刚开始的，学习和适应的能力已经存在于几个产品。然而，在能源效率和整合建筑物内的
智能基础设施方面所面临的挑战，决定了一个更大范围的研究需求。
在这个意义上，本文旨在构建一个用于建筑性能优化的BACS系统分析框架，在规划总体
目标之前，要考虑到在建筑设计、施工、调试和运行实践中必要的改进，以弥补“性能差距”。
首先，我们回顾一下和设计选择和措施的性能优化最相关的建筑物（无论是新建的还是翻新
的），总结在表1，特别是与控制相关的基本要素。在那之后，从建模角度总结了设计评估
阶段因素的变化性，总结在表2。这些元素很多与调试、运行和控制密切相关。最后，是
控制基本的传感器及仪表数据和建筑性能，总结在表3。
这些交叉学科方面的数据，显示了改进建筑性能时应考虑的彼此间最相关的联系。因此，
它们是建立绩效模拟，控制和数据分析方法的连续性所必需的元素识别的基础。在下面的章
节中，对随后的主题进行调查：
1、建筑性能仿真和控制（建筑物优化设计与运行）；
2、数据分析和性能跟踪(调试、连续调试、性能基准测试)；
3、传感器和执行器（适当的控制方案设计、与乘员交互、内部空气质量、内部环境质量）。
介绍这些基本的入门的话题后，在第3节中，介绍BACS 最相关的元素，如设备、网络、
策略和模式。最后，在第4节中介绍BACS系统在能源管理方面的应用，特别是倜傥是什么意思解释潜在的能源
节约方面的现行做法。

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表1建筑物不同系统的设计选择与节能措施
系统设计/效率措施
建筑结构提高不透明建筑组件性能
（热透射率、导纳等）
提高透明的建筑组件性能
（热透射率、增益系数等）
减少入渗
优化透明/不透明表面的比率
提高遮阳系统（太阳能增益控制，视觉
舒适，整合自然照明等）
电器减少插头负载，提高效率
照明系统减少照明负荷，提高效率
利用自然采光
技术系统提高冷却系统效率
提高加热系统效率
提高通风系统效率
增加 DHW 系统效率
减小辅助系统尺寸
使用热回收
使用省煤器
使用热存储（主动/被动）
分布式的发电安装光伏发电
安装风力发电系统
安装热电联产，结合加热、冷却和电源
自动控制提高冷却设定点
减少加热设定点
减少 DHW 设定点
调整操作规程（加热、冷却、通风、DHW、照明等）
调整室外新风量入住率和室内空气质量
调整省煤器设置
优化部分负荷运行的加热/冷却/ DHW 系统
优化部分负荷运行的辅助系统
优化热存储操作（负荷转移，峰值剃须等）
优化自然和人工照明一体化系统
优化遮阳系统照明和热增益（加热/冷却）

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表2建筑能耗建模中的不确定参数与边界条件

系统设计/效率措施
建筑结构建筑材料
组件和组件（热透射率、热桥等）
入渗和自然通风换气次数
遮阳系统读书网免费阅读操作
电器设备安装功率和效率
电器操作时间表-每日/每周
照明系统安装功率和效率
照明操作安排-每日/每周
技术系统加热温度设定点
加热操作安排-每日/每周
供热系统的效率
冷却温度设定点
冷却操作安排-每日/每周
冷却系统效率
机械通风换气量
通风操作时间表-每日/每周
DHW温度设定点
DHW操作计划-每日/每周
DHW 系统效率
通风系统效率
辅助系统的效率
热回收系统效率
省煤器设置
热存储效率
分布式发电光伏发电功率输出
风系统功率输出
热电联产，结合加热、冷却和电源操作

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表3 传感器及仪表的数据控制和性能跟踪
元素数量单位描述
消费总燃料消耗 Wh，kwh，累计值
MWh，m，l，kg 从抄表
总能量消耗 Wh，kwh，MWh
(加热和冷却）
全社会用电量消耗 Wh，kwh，MWh
总水消耗 m，l
天气户外温度 C 从当地气象站
或气象资料提供者
室外相对湿度 %
全球水平面辐射 W/m

室内条件 C 从选择参照区室内温度
% 室内相对湿度
ppm CO浓度
Lx 照度
系统 C 从系统所选的参照区供应/回风
温度-水
电路庭中有奇树朗读拼音版
C 供应/回风
温度-AHU
% 供应/回风
相对湿度- AHU
l/s、 m/h 流量仪表
KPa，Pa 压力仪表
0-100% 泵与风机的控制
0-1、ON/OFF 信号
0/1
0-100% 在场传感器的控制
0-1、ON/OFF 信号
0/1
0-100% CO传感器控制的
0-1、ON/OFF 信号
0/1
采样分析数据分析区间 s，min，h，day 价值取决于
时间间隔数据分析的类型
数据采集周期 day、month、year

6

3
3
2
3
2
2

2.1建筑性能仿真与控制
一般来说，在早期设计过程中的决策对总设施成本和能源需求的影响是最大的，它没有
理解对建筑生命周期性能的整体影响。考虑到假设输入数据的不确定性，这个问题主要是由
于缺乏软件来快速准确地模拟建筑能源的性能。事实上，在建筑、工程和施工 (AEC) 的部
门，几个计算工具都用在设计阶段，但它们缺乏整合，虽然都在运转，包括建筑信息模型 (BIM)励志小品《梦想》剧本
等更多高级的功能，但仍然存在缺乏一个概念性的观点。特别是，尽管建筑能耗建模 (BEM)
工具目前不应用于控制与诊断系统的设计，但仍存在着这方面的研究活动。此外，由于模型
校准的难度，建筑仿真工具一般不用于整个生命周期的建筑性能基准测试。因此，在整个生
命周期阶段的性能优化和监测模型中缺少一个合适的连接。
此外，往往建筑物由一个实体建造，另一个操作，创造一个激励，以减少初始投资成本。
合同能源管理可能是一个可以克服这些限制的方法，但对于末端用户行为数据的透明化技术，
和对天气数据的标准化技术的互动过程仍存在障碍。
桥接模拟和真实的能量性能之间的差距，需要嵌入式的控制和故障检测应用程序，它必
须是自适应的，能够自我校准并构建一个以设想为基准的目的，基于实测数据的解释的模型。
目前，应用于其他部门的最先进的方法和模型，如优化技术的设计和先进的控制，在
AEC部门并没有被广泛使用。更具体地说，在设计方面，快速评估不同的配置的能力一般决
定了业务解决方案的首选。在控制方面，具体的知识可以被添加到建筑设计过程，包括一些
能够适应建筑操作不断变化的环境，对保持所要求的性能水平有用的原则和方法。如果我们
认为与“性能差距”有关的根本问题之一是“气候变化证明”和“用户证明”建筑的设计，
这些因素就特别相关。此外，随着建筑物与能源基础设施和社区的互动，一些主题出现，如
负载匹配，负载转移，存储管理和建筑灵活性。一个建筑物或集群的建筑物动态操作的优化
需要识别一个合适的，可以实时解决高性能需求的模型。当然，特定领域的模型减少技术是
必需的。在模型验证、验证和校准中，还应考虑不确定度和灵敏度分析问题。最后，虽然统
一架构的例子层出不穷，数据驱动的故障诊断模型，但诊断和预测一般不考虑多尺度应用集
成和协同行动与优化模型。相关的数据分析和性能跟踪问题将在下一节中描述。
2.2数据分析和性能跟踪
在建筑性能模拟和监测中，分析能源消耗和异常检测的趋势是一个经常性的问题。模拟
可以用来确定与现实相比不同的运行轨迹。换句话说，从参数化仿真数据中的提取的信息有
助于操作故障识别和能源性能模型校准。能量模型的性能基准测试对于检测系统、子系统和
设备级的性能水平是至关重要的。因此，为确保在整个生命周期的高效的建筑操作，数据分
析的发展必不可少。此外，针对多尺度应用的先进的数据分析可以从根本上有助于向可持续
发展的建筑环境的演变，以及更有效地集成智能基础设施。
如之前所述，数据分析的作用表现在两方面，建筑物的设计和操作。首先，操作可以提
高性能跟踪（即减少调试和操作错误），之后，用一种通过分析揭开典型的和经常性的设计
和施工错误的更透明的方式从错误中学习，以提高设计实践。目前，很少有人关注已经在设
计阶段的系统级诊断的定义，当前做法主要集中在组件和子系统，采用传统的故障检测与诊
断 (FDD)。低能耗建筑的系统、子系统和设备性能水平之间呈现了更紧密耦合和依赖关系。
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因此，在当前主要是在子系统级别性能控制的情况下，用于诊断和预测瞄准全球有效信息的
提取工具必须开发。性能跟踪的基本步骤如下：
1、获取数据并在系统、子系统和组件级（多级视图）上跟踪性能指标；
2、通过诊断识别异常、故障、故障等；
3、确定解决方案；
4、应用解决方案解决问题并验证结果。
从方法论的角度来看，必须聚集三个基本要素，以促进性能跟踪：
1、公用事业帐单数据分析；
2、测量和数据采集系统；
3、性能基准方法。
这些时间应使用集中式的数据采集和分析系统，以实现无缝集成与调试。
2.3传感器和执行器
传感器是测量物理量并将其转换为数字或模拟信号的装置。它们用于在控制系统中，与
能够将控制信号连接到被控装置的执行器一起将信号从传感器传输到被控设备。执行器以不
同的方式作用在基础或高级控制系统中。在第一种情况下，他们必须管理传感器信息，并直
接启动控制功能。在第二种情况下，监视控制层（从传感器获取数据）控制执行器，因此，
他们不采取直接的方式。一个典型的传感器和执行器的概述被提出。BACS系统中有几个有
用的信息传感器，可以将基础数据映射用于建筑物模型校准。详细的逆建筑建模设计的适当
的控制和监测方案（传感器类型，位置，整体布局等）本身是一个研究的元素，在这个意义
上，不能单独的从追求的建筑策略来考虑它。
事实上，如果我们考虑之前介绍的物联网范式，这个主题是目前与它特别相关的。鉴于
能量有效的建筑中的“性能差距”、“居住证明”和“气候变化的证据”的解决方案的必要
性问题，我们将集中在与建筑实时操作相联系的和能源建模方面的几个假设这两个基本方面：
1、入住率检测和行为建模；
2、内部环境质量 (IEQ) 分析与控制 (温度、湿度、风速、空气质量等)。

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