3种构建控制的方法必须演进

随着数据分析、机器学习、网格集成、用户交互和可再生能源技术等领域的许多令人兴奋的进展进入建筑行业，人们很容易被高性能建筑的愿景和潜力所吸引。不幸的现实是，许多按照高性能标准设计的建筑都难以实现这一愿景。

事实上，英国的研究已经发现75%的高性能建筑没有达到他们的能源目标(PDF)而且实际上正在使用比他们的模型预测的能量多2到5倍(PDF)．许多业主并没有生活在舒适、高效和直观的建筑梦想中，而是面临着运营问题、过度能耗和用户投诉。

这其中有很多原因，从居住者参与到缺乏整体设计，但最根本的原因往往可以追溯到建筑控制。这个系统，通常由分包商负责，规定了建筑的性能，但对大多数业主和用户来说是不可见的。

高性能建筑需要更多的功能，系统集成和动态计算，而市场技术壁垒阻碍控制系统跟上建筑和能源系统创新的快速步伐。除非这些系统能够发展到支持现代建筑，否则它们仍将是破坏高性能建筑行业未来的缺失环节。

1.控制必须满足高性能建筑的需要

现代、高效的建筑——和净零建筑——不仅从根本上设计不同，而且必须在一个无限复杂的世界中运行，包括数据、天气和占用预测、网格交互和系统集成。然而，今天的大多数硬件和软件控制仍然依赖于起源于20世纪80年代的气动系统，由集中的加热和冷却设备主导。

这种传统方法阻碍了建筑提供现代化、高性能建筑所需的所有服务:提供最佳的乘员舒适度，跟踪和维护能源性能，与乘员和设施人员沟通以实现高效运行，提供网格服务，集成和管理所有能源系统，包括电动汽车和能源存储，使其能够灵活地适应建筑改造和增长- - - - - -最重要的是，要以一种易于管理、适应性强、易于实施和操作的方式来完成。

2.为严格的建筑性能目标支持系统集成

随着建筑变得更加被动，以满足能效目标，热舒适主要通过被动式元素提供，如太阳能控制、自然通风和预测热质量策略。与单一、大型暖通空调设备主导热控制策略不同，多个分布式被动系统在空间内相互作用，同时控制多个变量(如热舒适、照明、通风)。

这些复杂的相互作用有许多相互依赖的变量，需要每个子系统的集成。类似于智能电网控制的快速扩展，使公用事业电网从集中式化石燃料发电转向分布式供需资产，建筑控制必须不断发展，以满足这些根本不同的范例。事实上，碳信托研究了28座属于低碳建筑项目的建筑，发现没有一座融合了多种低碳技术的建筑达到了其设计能源目标。当将多种技术集成到一个系统(如加热)中时，偏差会更大。控制不再可以依赖简单的单个系统，因为单个系统可能会过大，以弥补糟糕的集成。

为了增加这种复杂性，建筑现在是更广泛的能源系统的组成部分，包括电动汽车、电池存储和下一代电网，后者正在开发交互速率结构，以管理分布式可再生能源的新需求。建筑的能耗是一个关键变量，需要与电池存储、电动汽车充电甚至双向充电相平衡。这些需求响应机制对发展智能电网至关重要。在过去的几年里，能源软件公司出现了，但每家公司都专注于这个更广泛系统的一个组件。例如，一个人可以控制来自太阳能光伏、电池和电动汽车的建筑能量流，但只能向现有的建筑管理系统或照明控制系统发出简单的指令来控制建筑负荷。为发展零净区综合需求方面的管理，需要一项包含所有这些因素的全面综合战略。

3.超越简单的基于规则的算法

除了这些集成挑战之外，控制策略范式正在从由大型暖通空调系统主导的反应性、即时响应空间转变为需要预测控制策略的滞后、高度可变的被动响应。

目前基于规则的控制序列主要是基于有限数量的变量对实时空间条件作出反应。新兴技术不再局限于固定的控制序列，而是基于当前条件、可能的输入和实时对所有可能的未来结果进行建模- - - - - -并利用这些信息来控制大楼。

劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)正在利用Modelica开发一种应用，但该项目还处于早期研究阶段。小型初创企业也在追求这种方法，但由于对硬件缺乏风险投资兴趣、根深蒂固的现有企业以及指定这些系统的工程师和承包商的风险厌恶性质，它们遇到了强烈的投资和市场阻力。

此外，还有许多其他集成的预测性建筑控制技术，如机器学习的使用，由于历史障碍和缺乏领域经验，该行业尚未充分探索。谷歌(PDF)甚至使用神经网络来优化其数据中心，结果是40%的储蓄在一个已经非常高效的系统中。然而，这些有前途的方法需要大量高质量的历史数据，尽管许多新建筑需要大量的分计量和趋势来提供这些数据，但数据质量和管理存在系统性问题。此外，新建筑没有一年的性能数据，无法在移交后立即控制该建筑。

创新中心

当落基山研究所接近其创新中心的设计时(该中心已于2016年投入使用)，它希望推动超越净零能源的最先进建筑的边界，并了解随着时间的推移实现目标所需的控制。为了实现净零能源，我们需要一个被动式建筑，为居住者供暖，而不是空气。我们使用一个分布式的方法配备自动遮阳板、地板辐射供暖、自动自然通风、手动吊扇和专用室外空气装置。创新中心的高热质量利用天气预报在夜间预冷板冲洗并通过外部百叶窗控制的朝南的大窗户来温暖楼板。

了解上述控制行业面临的挑战后，我们做了所有业主能做的事情，以确保我们能够得到一个有效的集成系统。在早期设计中，我们使用了一个综合项目交付流程．我们与设计团队合作，确保所有设计规范都有正确的控制协议，并与每个子系统制造商广泛合作，从百叶窗到电池控制，以确保集成不仅在技术上可行，而且将得到充分的资源和支持。

尽管这种级别的规划、远见和协作各方负责系统中,我们遇到了许多相同的问题从行业的同事听到一次又一次,-在我们的经验是一个明确的说明今天的技术差距和行业的状态。

控制有机会成为决定建筑运营绩效的最重要的方面。

例如，广泛的能源分计量系统一直存在集成和可靠性问题。虽然我们的许多系统都是Modbus兼容的，但我们发现中央控制系统只暴露和访问了有限的点，导致功能减少。带有内部控制算法的子系统导致了围绕系统动作源的操作混乱，以及在排除控制序列故障方面的困难。

我们已经能够利用我们内部的技术资源来寻找这些问题的解决方案，但建筑业主通常没有资源或时间来做这件事。建筑不应该要求整个工程组织理解控制并确保它们良好运行。我们花了一年的时间来优化创新中心的控制，这是一个相对较小的商业建筑，只有15400平方英尺。我们利用了最好的技术和我们能找到的最好的合作伙伴;事实上，创新中心的能耗超过了设计的能耗。相反，我们的经验说明了当前控制行业所面临的系统集成挑战。

朝着正确的方向前进

在过去的10年里，我们取得了巨大的进步，实现了一个利用Modbus和BACnet等协议以及Tridium等开放软件的开放控制集成平台。这些方法在证明市场对不将客户与特定供应商绑定的集成系统的需求方面已经迈出了一大步。然而，这些方法还不能实现无缝的开放集成，因为许多现有的厂商除了公开几个标记点之外，没有动机真正开放他们的系统。大多数系统需要大量的资源来使用这些协议集成硬件，因为它们只提供简单的输入，比如开/关和隐藏很大程度上专有的控制算法。

许多初创企业和研究机构正在敲开现有企业的大门，推动这场革命。除了LBNL的工作之外，Pacifica Northwest National Labs (PNNL)还开发了这个开源软件Volttron平台，通过面向对象的软件环境“可以独立地管理广泛的应用，如暖通空调系统、电动汽车、分布式能源或整个建筑负载”，允许轻松的应用程序开发，而不需要知道编程语言和控制协议。

此外，许多新的初创公司正在引入先进的数据分析、基于机器学习的控制和平台的开放集成。这些进步中的许多不是由加强建筑控制的价值驱动的，而是由在快速发展的先进公用事业费率结构世界中整合建筑负荷、能源储存、太阳能生产和电动汽车充电的价值驱动的。这些方法有很大的前景，但由于大型现有系统和所有投资组合中遗留系统的存在，它们面临着巨大的市场障碍。

即将到来的革命

鉴于RMI在创新中心的经验，我们坚信这些控制集成和运营问题是建筑业发展和加入21世纪“智能”建筑的最大障碍之一。许多初创公司和新的软件解决方案提供了先进的分析和优化方法以及网格集成，但所有这些都是建立在基本的假设之上的，即支持这些方法的基本构建控制和数据管理系统是有效的。许多初创公司发现，他们的解决方案无法完全应用，或者正在失败，因为建筑的功能没有达到足够高的水平，无法提供这些系统所需的数据和稳定性。

控制有机会成为决定建筑运营性能的最重要的方面，但只有当行业能够提供一个完全集成的价值主张，包括预测建模，数据分析和能源系统集成这也从根本上为建筑业主和居住者服务。RMI相信，当这些新方法能够提供完全整合的价值主张时，它们将推动市场需求。但在那之前，建筑控制将继续是一个缺失的环节，限制高性能建筑的前进。