作者：Chris McClurg 落基山研究所高级咨询师
James Mandel 落基山研究所电力组董事

随着数据分析、机器学习、电网集成、用户交互和可再生能源等振奋人心的技术应用到建筑领域，高性能建筑的愿景与潜能顺理成章地成为了时下的热门话题。但不幸的是，现实中许多按照高性能建筑标准设计的建筑很难达到设计预期。事实上，来自英国的研究发现，75%的高性能建筑无法达到它们的能耗目标，其实际能耗甚至超出预期值的2到5倍。虽然设计初衷是舒适、超高能效，和人性化，但实际上许多业主都面临着运行问题、能耗过大和用户投诉等等困扰。

造成这一结果的原因有很多，从缺乏用户参与到缺乏一体化设计，但其中最根本的原因往往都可以归结于建筑控制系统。建筑控制系统一般由一家分包商负责，它控制着整个建筑的性能表现，但目前常被大多数用户和业主忽视。

建筑控制系统必须改进的三个方面

高性能建筑需要更高水平的功能性、系统集成度和动态计算能力，但市场和技术的种种障碍使得控制系统无法跟上建筑和能源系统的创新节奏。除非控制系统能够得到改进以支持现代建筑的运行，否则它们将成为持续制约高性能建筑产业未来发展的短板。

1. 建筑控制系统必须满足高性能建筑的发展需求。

现代的高能效建筑以及净零能耗建筑不仅在设计上采用了与普通建筑完全不同的理念，在运行层面也要面对数据分析、天气和入住率预测、电网交互以及系统集成等极其复杂的操作问题。然而当今大多数建筑的软硬件控制系统却依然沿用着上世纪80年代的以集中式供热和制冷设备为核心的老式气动系统控制方式。

这种过时的控制系统阻碍了现代高性能建筑所应具备的各种服务和功能的实现，包括提供最舒适的用户体验、追踪和维持能效表现、与用户和物业人员交互从而保证建筑的高效运行、提供电网服务、集成并管理电动汽车（EVs）和能源存储等所有能源系统、提高建筑韧性以适应建筑的改造和优化等，最重要的是要以一种易于管理的、适应力强的、易于执行和操作的方法提供以上服务。

2. 随着建筑能耗目标更趋严格，建筑控制系统应当支持各种系统的整合。

现代建筑更多地使用被动方式满足能耗目标，热舒适度主要通过被动技术提供，例如日光控制、自然通风和预测式热质量策略等。不同于过去仅采用大型暖通空调（HVAC）主导热力控制的策略，现代建筑会同时使用多种分布式被动系统在建筑中通过交互方式来控制多个变量（包括热舒适度、照明、通风等）。这些复杂的交互方式涉及许多互相独立的变量，需要将各个次级系统有机整合。智能电网控制系统的快速普及使得公用电网能够将主要发电形式从集中式化石燃料模式向分布式供应与需求设施转化，与此类似，建筑控制系统也必须进行升级以满足这些根本性需求的变化。事实上，在研究了低碳建筑计划中的28个建筑项目后，英国碳信托组织发现没有一栋应用了多重低碳技术的建筑能够达到它们的设计能效目标。当多种技术被集成到同一个系统,如供热系统后，各种技术的设计值与实际值的差距都会加大。而为了弥补糟糕的集成效果，单一系统常被过量建设，建筑控制系统的发展不能再继续依赖这种方式。

问题的复杂性并不仅限于此。现代建筑已成为了更广义能源系统中的一个重要组成部分，这一系统还包括电动汽车、电池储能以及新一代电网（通过发展交互式电费结构从而更好地管理分布式可再生能源新需求的电网）。与电池储能、电动汽车充电，甚至是双向充电技术一样，建筑能耗是该系统需要平衡的一个关键变量。这些需求响应机制对发展智能电网至关重要。一些能源软件公司在过去的几年中不断涌现，但他们都只专注于这一庞大系统的某一部分。例如，某公司能够控制建筑来自太阳能光伏、电池和电动汽车的能源流，但对现有建筑管理系统或照明控制系统只能通过简单的命令来控制建筑负荷。要发展净零能耗社区中的一体化需求侧管理，我们需要一套能够控制所有这些元素的整体策略。

3. 控制系统必须摆脱基于既定规则的简单算法

除了以上这些整合变量的挑战之外，控制系统策略模式也在发生变化。过去以大型暖通空调系统为主的主动式即时响应模式正在向滞后的多变量的被动式响应模式转变，而后者需要采取预测控制策略。

当前基于规则的控制序列主要是根据有限的变量对实时空间状态做出反应。但是这种闭合式的控制序列已经被逐渐摒弃，新兴的算法技术能够根据当前的条件、可能的输入和实时情况来模拟所有可能出现的结果，并运用这些信息实现对建筑的控制。劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）目前正在利用Modelica语言开发这种算法的应用，但该项目目前仍在处初步研究阶段。一些小型初创企业也在开发这一技术，但由于风险投资者对硬件项目缺乏投资兴趣，当前产业中的既得利益者也缺乏改革意愿，并且系统工程师与承包商不愿承担开发风险等原因，这些企业目前正面临着严重的融资和市场难题。

集成化预测式建筑控制系统的开发也可以应用许多其他技术手段，例如机器学习技术。但由于历史遗留障碍和专业经验的缺乏，这一领域尚未得到全面的开发。谷歌甚至利用了神经式网络系统来优化其数据中心，在已经达到极高效率的系统中又实现了40%的节能。然而，实现类似的技术手段需要大量的优质历史数据，虽然许多新建建筑已安装了大量可提供这些数据所需的辅助计量表，但数据质量和数据管理仍存在系统性的问题。此外，新建建筑在刚刚交付之后并不具备相当于一年时间跨度的能效数据，无法在上线后立即控制建筑的能源系统。

落基山研究所创新中心的经验

落基山研究所创新中心于2016年投入使用，在设计过程中，我们希望进一步提升顶级净零能效建筑的最佳能效表现，同时了解在实际运行过程中实现这一目标所需的控制技术。要实现净零能耗，我们需要建筑以被动方式为用户取暖而非直接加热空气。因此，我们使用了一种分布式方式，结合了自动室外遮蔽物、地板辐射采暖、自动化自然通风、手动屋顶风扇和专用室外空调机组等被动方式。创新中心的储热材料具有良好的蓄热性，能够根据预测的气温在夜间通风并冷却混凝土地板，或在白天利用室外百叶窗控制的南向大窗加热混凝土地板，以减小室内冷（或热）负荷。

基于对以上提到的各种控制系统产业所面对挑战的充分了解，作为业主，我们竭尽所能确保这一集成系统能够发挥作用。我们在早期设计阶段就利用一体化项目交付流程引入了控制系统承包商和调试机构。我们与设计团队为所有设计规格配备了正确的控制协议，并与负责百叶窗、蓄电池控制等项目的每一家次级系统制造商深度合作，确保集成系统不仅在理论上具有可行性，同时能够真正得以实现。

虽然我们在工作中保证了如此高水平的规划、预测工作和各参与方之间的深度合作，但我们仍然遇到了许多业内同行常常遇到的问题。以我们的经验来看，这些问题清楚地反映了当今这一产业所面临的技术差距和真实的行业现状。

举例来说，大量安装的能源辅助计量系统不断出现协同运行和可靠性方面的问题。虽然我们的许多系统都与Modbus网络兼容，但我们发现有少数几个节点处在暴露状态，能够被中央控制系统接入，因此造成了功效缩减。配有内部独立控制算法的次级系统会在系统行为源头造成操作混乱并给控制序列检修造成困难。

虽然我们最终利用内部技术资源找到了大部分问题的解决方案，但一般来说业主并不具备这样的资源或时间来解决这些问题。一个建筑项目不应该需要一整个工程组织来了解其控制系统并维护它们的正常运行。我们用了一年的时间来优化创新中心的控制系统，而这还仅仅是一个建筑面积1.54万平方英尺的相对小型的商业建筑。这种精力和时间投入并不应成为常态。我们运用了我们能够找到的最佳技术和最高水平的合作伙伴；事实上，创新中心的能效表现已经超出了其最初设计的目标。然而，我们的经验也证明，当今建筑控制产业在系统集成方面依然面临着很大的挑战。

控制系统产业正朝正确的方向发展

过去十年中建筑控制产业已取得巨大进展，出现了利用Modbus和BACnet等网络协议和Tridium等开源软件的开放式控制集成平台。这些技术在促进集成系统市场需求方面实现了长足进步，使客户不再依赖于特定供应商。然而，这些技术并不能提供无缝衔接的开放式集成系统，原因在于产业中的许多既得利益者为了保护自身利益不愿真正开放它们的系统，而是仅仅象征性地透露部分节点信息。由于这些系统仅仅提供开/关等的最简单的输入，而将大多数专门的控制算法隐藏了起来，所以多数使用此类协议的系统都需要大量资源来集成硬件。

许多初创企业和研究机构都在挑战当前产业中的既得利益者，推动着革新的进行。除劳伦斯伯克利国家实验室的工作外，西北太平洋国家实验室（PNNL）开发了开源的Volttron平台，这一平台能够“独立管理一系列各种应用，如暖通空调系统、电动汽车、分布式能源或整个建筑负荷等”。此外，许多新兴的初创企业都在引入先进的数据分析、基于机器学习的控制技术以及平台的开放集成。事实上，许多此类技术的进步最初都不是出于提高建筑控制系统性能的目的被开发，而是为了在这一迅速发展的高级电力公司费率结构世界中捕捉集成建筑负荷、能源存储、太阳能电力生产、以及电动汽车充电等技术的价值。这些技术有着极大的发展潜力，但也面临着来自产业中的大型既得利益者企业和当前系统带来的巨大市场障碍。

革新即将来临

根据落基山研究所在创新中心项目中积累的经验，我们坚定地认为这些控制集成和运行问题是影响建筑产业发展和实现21世纪“智能”建筑愿景的最大障碍之一。许多初创企业和创新软件解决方案能够配合电网集成提供先进的分析和优化方案，但所有这些技术都基于一个最基本的假设，即基础建筑控制和数据管理系统能够确保这些方案有效地发挥作用。许多此类初创企业发现他们的解决方案无法得到完全应用或面临完全失败的可能，这都是因为建筑本身无法发挥出足够高的功能性来提供这些系统所需的数据与稳定性。

控制系统有可能成为决定建筑运行性能的唯一最重要的影响因素，但前提是该产业能够提供完全集成化的适用于业主和用户的价值定位，包括预测式模拟、数据分析和能源系统整合。落基山研究所相信，当这些新兴技术能够提供这一完全集成化的价值定位后，它们将带动市场需求。但在此之前，建筑控制系统仍将是建筑性能的短板，限制着高性能建筑的进一步发展。