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以先進技術強化系統效益 智慧能源管理兼具舒適與節能
 

【作者: 王明德】   2021年02月25日 星期四

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在各種新技術的導入下,現在能源系統已從過去的被動管理轉化為主動掌握能耗數據、改變用電行為,目前市場上已有各種的解決方案,物業管理業者或家庭用戶都可視本身的需求來選擇最適合的方案,以智慧化管理機制,落實環境永續願景。


地球環境的異常變化加劇,極高與極低溫不斷出現在不該出現的地方,近期最明顯的就是德州大停電事件。2021年2月15日開始,數波不尋常的北極暴風雪侵襲德州,氣溫驟降導致民眾大量使用暖氣,在電網不堪負荷的態勢下,該州出現大規模停電,有400萬戶家庭無電可用。德州停電的原因眾多,除了氣候異常外,電力公司的設備無法在極端氣溫下穩定運作也是其一,而要避免類似情況再發生,短期作法是強化能源設備的穩定度,長期作法則是精準聰明的使用、管理能源,此作法不僅能降低地球的負擔,節能效益也可以直接體現在能源費用的支出。


在所有的能源中,電能是用量最高者,而在電量使用上,又以工業最大,一般工業國家都有50%左右,接下來依序是佔25%的民生用電與20%的商業用電,就此比例分配來看,工業與商業就佔了一個國家70%的電能使用量,因此其電源管理的效益也最佳,只要下降一定比例,就能減少大量的電能消耗,這也是近期智慧工廠、智慧建築都將能源管理列為旗下IT系統重點功能的主因。



圖1 : 舊大樓的能源管理系統的主要導入困境,在於既有系統之間的整合與軟硬體鏈接。(source:Queen's College Mississauga)
圖1 : 舊大樓的能源管理系統的主要導入困境,在於既有系統之間的整合與軟硬體鏈接。(source:Queen's College Mississauga)

至於民生用電,過去多靠政府的政令宣導,提醒民眾隨手關燈、盡量減少開冷氣…等,近年來智慧住宅概念啟動,節能已經從被動改為主動,民眾可經由系統掌握家中各電器的用電數據,並透過自動化機制聰明制定家中的用電模式,讓節能與舒適可以兼具。


整合各端設備狀態 精準掌握用電資訊

再從系統架構面來看,現在建築能源管理主要為BEM(Building Energy Management System),此系統負責監控大樓公共空間的電能使用,如果是商用辦公大樓,如果是家庭用電管理,則是進一步內縮為HEMS(Home Energy Management System),無論是BEMS或HEMS,能源管理系統的主要運作方式都是先擷取各端點設備的用電量,將數據透明化後,再藉由自動化技術控制設備,達到用電最佳化的目標。


建築業能源管理概念啟動相當早,早期西門子、洛克威爾、Honeywell等全球大廠都有推出類似的系統,不過一座建築所需的資訊不僅僅是能源,安全監控、消防、照明…等也都有各自的系統,建築IT剛起步時市場技術並未成熟,各類系統的功能也較為簡單,因此彼此之間並未整合,而且即便有整合需求,不同系統之間各異的通訊協定問題也難以克服,因此當時多為獨立運作。


建築IT系統的整合一直到技術成熟、終端市場的導入意願也提升時才出現,系統整合的主要效益在於管理層面。過去各自獨立運作時,所有系統的介面同時呈現,如有事故發生,管理者難免會顧此失彼,整合後此一問題將獲得解決,透過智慧化設計,管理者只會看到有狀況的設備或環境訊息,例如設備用電狀況只有在異常時,系統才會發出警訊通知管理者,並在畫面上顯示設備所處的環境狀態與用電數值。


觀察目前市場發展,系統整合已成為各自動化大廠BEMS的基本設計之一,如果導入對象是新大樓,其問題相對簡單,這類工程在建築設計階段就會納入,並於大樓建造時一併完成。導入困難較高者則是舊建築,雖然難度高,不過此市場也最大,因此多數自動化業者與系統整合廠商也都有提出服務方案。


至於舊大樓的能源管理系統的主要導入困境,在於既有系統之間的整合與軟硬體鏈接,目前大樓常見的系統通訊協定,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,業者必須先將這些協定整合到軟體平台,再將數據以數位化方式呈現於系統介面。


打造智慧雲端架構 全面提升系統效益

至於呈現方式,現在的BEMS已從過去的純地端架構走向雲端化。雲端化最大的好處是降低系統建置成本、提升管理彈性。BEMS與一般企業IT系統一樣,初期都需投入巨額建置成本,用以儲存、運算終端設備所傳來的數據,在雲端概念出現後,業者不必耗費大量時間與金錢建置系統,採用公有雲業者的平台就可讓系統上線使用,未來也不必編制維護人員,對資源有限的物業管理者而言,是較佳的選擇。


而如果是製造業、金融業、政府機關等建築資訊敏感度較高的業者,則可考慮自建私有雲,雖然初期需投入大量成本,不過雲端平台可集中管理資訊,系統也可將手機、平板等手持式通訊裝置納入,提供遠端管理功能,強化系統效益。



圖2 : 精準聰明的使用、管理能源不僅能降低地球的負擔,節能效益也可以直接體現在能源費用的支出。(source:Wall Street Journal)
圖2 : 精準聰明的使用、管理能源不僅能降低地球的負擔,節能效益也可以直接體現在能源費用的支出。(source:Wall Street Journal)

除了雲端之外,BEMS的另一趨勢是AI。AI被物聯網應用的最後一塊拼圖,早期物聯網仍停留在感測網路架構時代時,其系統僅與自動化控制設備整合,當設定的環境或設備參數被觸發後,才會啟動後續的動作,AI應用於BEMS時,則會化被動為主動。


AI在BEMS的應用可分為兩部分,高階決策者可透過AI分析建築物內的各種數據,除了找出異常數據外,也可以進一步提供用電的建議,優化用電行為;至於終端系統部分,現在AI已走向邊緣運算,讓終端節點具備一定程度的運算能力,偵測到異常時,不必等到後端下指令,前端就會自動判別其狀態屬性,並即時做出對應動作,以精準控制災害範圍。


除了整體建築物外,家庭也是能源管理的重點之一。HEMS與BEMS相同都屬於物聯網架構,不同之處則是前者的使用族群是一般家庭,因此系統強調的是易用性,使用者需要的是電器買回家後不須設定,只要接上電源,系統就會自動將之納入電能管理項目中。要達到此目標的前提是電氣通訊標準必須統一,各電器大廠已開始籌組聯盟訂立規範,不過目前仍未普及。


隨著環保議題的加溫,業界對能源管理的重視程度也不斷升高,在各種新技術的導入下,現在系統已從過去的被動管理轉化為主動掌握能耗數據、改變用電行為,目前市場上已有各種解決方案,物業管理業者或家庭用戶都可視本身需求,選擇最適合方案,以智慧化管理機制,落實環境永續願景。


**刊頭圖(source:Iota Communications, Inc.)


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