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提升能源管理效益 BEMS與HEMS架構全面進化
 

【作者: 王明德】   2020年05月27日 星期三

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智慧化能源管理系統是人類社會中少見可以兼顧經濟發展與環保的作為,在誘因充足、技術齊備與政府政策的推動下,BEMS與HEMS架構已快速進化,全面提升其管理效益。


環保議題持續在全球發燒,節能成為各產業的重要議題,電力作為人類社會使用量最大的能源之一,自然也成為此議題的重點。根據台電的研究報告,台灣社會的總用電比例,工業仍佔最多,大約50%,依次序下是民生用電(25%)、商業用電(20%)、其他類(5%),這四大區塊中,工業與商業扮演國家經濟發展的動能,其用電量欲小不易,但也就是因為電量使用高,只要降下些許比例,所換算的電費就極為驚人。


因此,一直以來無論是在設備端或企業,都積極採用各種方式進行節能,在減少營業成本的考量驅動下,此趨勢會持續進行。至於第二高的民生領域,早期的作法大多是宣導隨手關燈、不到一定的高溫不開冷氣等被動式節能做法,不過近年來智慧化概念興起,透過各種新科技所建構的智慧能源系統,已開始被導入到建築、住宅中。


如同前言所敘,建築領域的節能意識起源相當早,早在民國六十年代政府就喊出「節約用電」口號,後來全球城市化趨勢加快,人口大量匯集到各國的大型城市中,居住與商辦需求大起,大樓建築的數量越來越高,所耗費的能源也快速攀升,根據台電的統計,1998年住宅與商業的全年用電量約為300億度,到2017年已有440億度,成長將近50%,在此同時,全球城市化的逐漸加速,在此趨勢下,能源管理在建築物將越來越重要。


從架構來看,建築樓宇的能源管理平台可分為兩類,一是建築能源管理系統(Building Energy Management System;BEMS),另一類則是建築體再進一步內縮的家庭能源管理系統(Home Energy Management System;HEMS),這兩類系統雖都用於建築中,也都以節能為目的,不過系統所管理的面積、設備相異,其功能需求也大不相同。


系統整合讓BEMS更強大

大約在20年前,建築業開始導入IT系統,用以管理安全監控、空調、消防、照明、風機等系統,其中空調系統的能耗最大,對能源管理的需求最高,因此Rockwell、Honeywell等歐美大廠都推出管理系統,後來此系統的功能逐步進化,就成為現在的BEMS。


不過無論是空調或照明、監控,這些技術與應用在當時都剛起步,市場不但沒有整合概念,就算真的有整合意願,也難以克服各系統之間不同通訊協定的問題。而西門子區域解決方案與服務部門維護處副協理蔡忠信指出,隨著技術與應用逐漸成熟,現在系統整合已成為大樓建置BEMS的基本要求。



圖1 : 西門子區域解決方案與服務部門維護處副協理蔡忠信指出,隨著技術與應用逐漸成熟,現在系統整合已成為大樓建置BEMS的基本要求。(攝影/王明德)
圖1 : 西門子區域解決方案與服務部門維護處副協理蔡忠信指出,隨著技術與應用逐漸成熟,現在系統整合已成為大樓建置BEMS的基本要求。(攝影/王明德)

蔡忠信進一步表示,系統整合的主要著眼點在於提升管理效益,在系統各自獨立時代,管理者必須同時監看各系統的畫面,如果同時發生狀況,就容易顧此失彼造成財產損失,甚或危及生命,而經由整合過的系統,不僅會將所有系統的狀態呈現在同一畫面,而且畫面都為直覺化設計,以利於人員管理、操作。


BEMS的系統整合工程會因建築物的新舊而有差異,如果是新大樓,一般會在設計階段就納入BEMS,並在建築體施工時同步開始作業,此一模式大多是由系統廠商與建商洽談合作,其導入難度較低。至於舊大樓的導入難度就會較高,一般是由物業管理業者提出需求,系統廠商再因應調整管理平台功能,並介接大樓中原有的系統。


西門子區域解決方案與服務部門綠建築與節能業務經理吳建德指出,BEMS目前需要整合的介面,會因為舊大樓中的系統而有不同,他以西門子的Desigo CC為例指出,該平台就可整合常見的包括工業控制器的Modbus與OPC、照明系統的DALI、電/水/瓦斯錶的M-Bus、影像監控的ONVIF…等通訊協定,並透過易讀、簡易、流程化的介面,讓建築物內的IT系統訊息可以即時且精確的顯示在介面上,藉此有效監控建築物內的能源消耗,並在問題發生前提早因應。



圖2 : 西門子區域解決方案與服務部門綠建築與節能業務經理吳建德表示,雲端化與智慧化是BEMS近年的重要趨勢。(攝影/王明德)
圖2 : 西門子區域解決方案與服務部門綠建築與節能業務經理吳建德表示,雲端化與智慧化是BEMS近年的重要趨勢。(攝影/王明德)

雲端與AI已成既定趨勢

除了整合各系統之外,BEMS近年的另一個趨勢是雲端化與智慧化。雲端概念在IT領域推動已超過10年,此概念落實在BEMS的作法是將大樓裡的能源數據傳送到雲端,管理人員透過聯網設備就可以上雲取得經過即時能源數據。雲端化的好處是物業管理者不必花錢、花時間建立實體的IT基礎架構,更不須編制IT人員負責維修升級。


至於缺點則是有資安疑慮,而這也正是過去一段時間物業管理者對雲端抱持保留態度的主因。不過吳建德指出,今年COVID-19疫情充斥全球產業,包括建築管理在內的業者都被迫採用雲端機制,從遠端控管各地設備,雲端需求因此上升,近期西門子就有多起導入雲端的相關詢問。


至於智慧化則是拜AI啟動所賜。近年來AI與物聯網整合而成的AIoT成為業界趨勢,在BEMS中,AI的主要作用是透過數據的運算分析,提前預估、偵測、診斷建築物中的能源潛在問題,這類系統也屬於BEMS的一部分,其使用者非現場管理者,而是更高階的決策者。


以西門子的產品為例,就是其Navigator系統。此系統可分析建築物的內外資料,並協助分析水電帳單,藉以找出潛在的數據錯誤,提高資料品質,改善大樓運作以及預估營運預算,另外這類系統也都會上雲,讓使用者可經由行動應用程式,隨時隨地稽核能源,並製作稽核報告。


HEMS需要軟硬兼具

能源管理在建築空間的另一個重點應用是家庭,也就是近幾年市場常聽到的HEMS。HEMS與BEMS一樣,都是以IoT為主要架構,不過聯齊科技產品總監小長井教宏指出,IoT的應用多元,其架構與功能會因應導入場景有所調整,因此聯齊科技將能源所用的IoT更名為IoE(Internet of Energy),以與其他領域的IoT作區隔。



圖3 : 聯齊科技產品總監小長井教宏認為,家庭並非HEMS的唯一應用,其架構也可橫向複製到辦公室、醫療院所等其他室內場域。(攝影/王明德)
圖3 : 聯齊科技產品總監小長井教宏認為,家庭並非HEMS的唯一應用,其架構也可橫向複製到辦公室、醫療院所等其他室內場域。(攝影/王明德)

HEMS所用的IoE架構與BEMS類似,其系統都需要與閘道器、邊緣設備介接,不同的是HEMS因使用族群為一般家庭,此族群大多不具備IT、電器等專業,因此廠商所推出的解決方案必須易於安裝,最好是買回去接上電源,使用者不須作其他設定,設備就會自動與家中的其他電器設備連結並且上線運作。


不過要做到上述功能並不簡單,為了推動智慧家庭,近年來各國電器廠商紛紛籌組聯盟,透過聯盟制定共通的電器通訊標準,不過各國之間的規範並未統一,因此有意投入的廠商必須強化目標市場的標準認知。


至於在運作方面,HEMS主要訴求是偵測各節點的耗電數據,再以後端軟體分析,藉此改變用電行為,達到省電目標。要達此目標,就必須妥善規畫系統的架構運作。


在能耗偵測方面,系統必須取得每個節點的數據,建立起完善的資料庫後,後續的分析結果才會準確有意義。取得數據並分析後所地的結果,則必須經過可視化設計,以直覺方式呈現在使用者眼前,藉此降低管理難度。


另外,為求便利,HEMS現也走向雲端化,小長井教宏表示,聯齊科技的主力產品-智慧能源閘道器CUBE,其角色就是家庭中的能源閘道器,將數據傳到上層的雲端平台,並搭配該公司的Ecogenie APP,讓使用者可透過聯網設備上線查看家中的用電資訊。


橫向複製擴大應用市場

目前HEMS多使用於家庭,不過小長井教宏認為這並非唯一市場,醫療、企業辦公室等室內空間也會是目標場域,近期聯齊科技與成功大學資訊工程系及醫學院護理學系研發的「智慧手環體溫預警系統」,就已正式導入成大醫院內科病房,此案例的系統架構與HEMS相同,都是由感測器、閘道器與雲端平台等三大要素所組成,再經過調整後,還可橫向複製到其他領域。


觀察整體市場可以看出,無論是BEMS或HEMS的功能設計,都讓能源管理從過去的被動節能,轉化為積極掌握能耗數據、改變用電行為的主動作為,而此作為不但可減輕地球的環境負擔,企業與家庭更可因此降低電費,在誘因充足、技術齊備且政府單位的政策支援下,建築與家庭的智慧能源管理市場預期將快速加溫,成為下一個具發展潛力的市場。


*刊頭圖(Source:Laplace Solutions)


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