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以先进技术强化系统效益 智慧能源管理兼具舒适与节能
 

【作者: 王明德】2021年02月25日 星期四

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在各种新技术的导入下,现在能源系统已从过去的被动管理转化为主动掌握能耗数据、改变用电行为,目前市场上已有各种的解决方案,物业管理业者或家庭用户都可视本身的需求来选择最适合的方案,以智慧化管理机制,落实环境永续愿景。


地球环境的异常变化加剧,极高与极低温不断出现在不该出现的地方,近期最明显的就是德州大停电事件。2021年2月15日开始,数波不寻常的北极暴风雪侵袭德州,气温骤降导致民众大量使用暖气,在电网不堪负荷的态势下,该州出现大规模停电,有400万户家庭无电可用。德州停电的原因众多,除了气候异常外,电力公司的设备无法在极端气温下稳定运作也是其一,而要避免类似情况再发生,短期作法是强化能源设备的稳定度,长期作法则是精准聪明的使用、管理能源,此作法不仅能降低地球的负担,节能效益也可以直接体现在能源费用的支出。


在所有的能源中,电能是用量最高者,而在电量使用上,又以工业最大,一般工业国家都有50%左右,接下来依序是占25%的民生用电与20%的商业用电,就此比例分配来看,工业与商业就占了一个国家70%的电能使用量,因此其电源管理的效益也最隹,只要下降一定比例,就能减少大量的电能消耗,这也是近期智慧工厂、智慧建筑都将能源管理列为旗下IT系统重点功能的主因。



图1 : 旧大楼的能源管理系统的主要导入困境,在於既有系统之间的整合与软硬体链接。(source:Queen's College Mississauga)
图1 : 旧大楼的能源管理系统的主要导入困境,在於既有系统之间的整合与软硬体链接。(source:Queen's College Mississauga)

至於民生用电,过去多靠政府的政令宣导,提醒民众随手关灯、尽量减少开冷气…等,近年来智慧住宅概念启动,节能已经从被动改为主动,民众可经由系统掌握家中各电器的用电数据,并透过自动化机制聪明制定家中的用电模式,让节能与舒适可以兼具。


整合各端设备状态 精准掌握用电资讯

再从系统架构面来看,现在建筑能源管理主要为BEM(Building Energy Management System),此系统负责监控大楼公共空间的电能使用,如果是商用办公大楼,如果是家庭用电管理,则是进一步内缩为HEMS(Home Energy Management System),无论是BEMS或HEMS,能源管理系统的主要运作方式都是先撷取各端点设备的用电量,将数据透明化後,再藉由自动化技术控制设备,达到用电最隹化的目标。


建筑业能源管理概念启动相当早,早期西门子、洛克威尔、Honeywell等全球大厂都有推出类似的系统,不过一座建筑所需的资讯不仅仅是能源,安全监控、消防、照明…等也都有各自的系统,建筑IT刚起步时市场技术并未成熟,各类系统的功能也较为简单,因此彼此之间并未整合,而且即便有整合需求,不同系统之间各异的通讯协定问题也难以克服,因此当时多为独立运作。


建筑IT系统的整合一直到技术成熟、终端市场的导入意愿也提升时才出现,系统整合的主要效益在於管理层面。过去各自独立运作时,所有系统的介面同时呈现,如有事故发生,管理者难免会顾此失彼,整合後此一问题将获得解决,透过智慧化设计,管理者只会看到有状况的设备或环境讯息,例如设备用电状况只有在异常时,系统才会发出警讯通知管理者,并在画面上显示设备所处的环境状态与用电数值。


观察目前市场发展,系统整合已成为各自动化大厂BEMS的基本设计之一,如果导入对象是新大楼,其问题相对简单,这类工程在建筑设计阶段就会纳入,并於大楼建造时一并完成。导入困难较高者则是旧建筑,虽然难度高,不过此市场也最大,因此多数自动化业者与系统整合厂商也都有提出服务方案。


至於旧大楼的能源管理系统的主要导入困境,在於既有系统之间的整合与软硬体链接,目前大楼常见的系统通讯协定,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,业者必须先将这些协定整合到软体平台,再将数据以数位化方式呈现於系统介面。


打造智慧云端架构 全面提升系统效益

至於呈现方式,现在的BEMS已从过去的纯地端架构走向云端化。云端化最大的好处是降低系统建置成本、提升管理弹性。BEMS与一般企业IT系统一样,初期都需投入巨额建置成本,用以储存、运算终端设备所传来的数据,在云端概念出现後,业者不必耗费大量时间与金钱建置系统,采用公有云业者的平台就可让系统上线使用,未来也不必编制维护人员,对资源有限的物业管理者而言,是较隹的选择。


而如果是制造业、金融业、政府机关等建筑资讯敏感度较高的业者,则可考虑自建私有云,虽然初期需投入大量成本,不过云端平台可集中管理资讯,系统也可将手机、平板等手持式通讯装置纳入,提供远端管理功能,强化系统效益。



图2 : 精准聪明的使用、管理能源不仅能降低地球的负担,节能效益也可以直接体现在能源费用的支出。(source:Wall Street Journal)
图2 : 精准聪明的使用、管理能源不仅能降低地球的负担,节能效益也可以直接体现在能源费用的支出。(source:Wall Street Journal)

除了云端之外,BEMS的另一趋势是AI。AI被物联网应用的最後一块拼图,早期物联网仍停留在感测网路架构时代时,其系统仅与自动化控制设备整合,当设定的环境或设备叁数被触发後,才会启动後续的动作,AI应用於BEMS时,则会化被动为主动。


AI在BEMS的应用可分为两部分,高阶决策者可透过AI分析建筑物内的各种数据,除了找出异常数据外,也可以进一步提供用电的建议,优化用电行为;至於终端系统部分,现在AI已走向边缘运算,让终端节点具备一定程度的运算能力,侦测到异常时,不必等到後端下指令,前端就会自动判别其状态属性,并即时做出对应动作,以精准控制灾害范围。


除了整体建筑物外,家庭也是能源管理的重点之一。HEMS与BEMS相同都属於物联网架构,不同之处则是前者的使用族群是一般家庭,因此系统强调的是易用性,使用者需要的是电器买回家後不须设定,只要接上电源,系统就会自动将之纳入电能管理项目中。要达到此目标的前提是电气通讯标准必须统一,各电器大厂已开始筹组联盟订立规范,不过目前仍未普及。


随着环保议题的加温,业界对能源管理的重视程度也不断升高,在各种新技术的导入下,现在系统已从过去的被动管理转化为主动掌握能耗数据、改变用电行为,目前市场上已有各种解决方案,物业管理业者或家庭用户都可视本身需求,选择最适合方案,以智慧化管理机制,落实环境永续愿景。


**刊头图(source:Iota Communications, Inc.)


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