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技術原理

1.  BEMS之通訊協定與網路架構 

早期之BEMS多為封閉式通訊協定，各家設備廠商通訊協定不同，造成建築設備系統整合困難，並造成日後維修與擴增之困擾。由於BEMS整合了所有建築物之控制及管理功能，擔任資訊溝通之重要角色，因此建議採用開放架構式的通訊協定。而目前之開放式網路通訊架構如TCP/IP(Transport Control Protocol/Internet Protocol)、BACnet(Building Automation and Control Networks)等。其中BACnet係由美國ASHRAE（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers）針對建築自動化網路控制，所建立之開放式架構通訊協定標準，可提供一個共通的通訊平台並整合不同建築物自動化數位控制產品。自1987年開始，由製造商、用戶、政府機關、學術團體成立計劃委員會研擬後，於1995年公佈成為美國國家標準ANSI/ASHRAE Standard 135-1995，並於2003年成為ISO編號 16484-5的國際標準通訊協定。

此協定主要應用於監測和控制建築物內之冷、暖空調（HVAC）系統以及其它的各項數位控制設備，例如，照明、門禁管理、消防、保全等，並透過開放式的資料通訊架構完成系統整合的工作。由於建築節能工作必須由許多的控制或監測設備相互配合，藉由各設備量測之資訊來進行節能之控制策略。

ANSI/ASHRAE Standard 135-1995所提供的資料顯示，BACnet是符合國際標準組織ISO的OSI（Open System Interconnection）－七層參考模型中的四層架構的簡化模型（如圖2.2所示），BACnet四層通訊架構中除了應用層之外其它三層都是做為網路連結之用，因此網路層的作用為有關網路定址，資料鏈結層負責網路存取管理及錯誤檢查等工作，實體層則負責實體網路之連線，而應用層則提供各種控制指令及訊息交換的功能以取得BACnet網路上所流通的各種資訊。

圖2.2 BBACnet簡化模型對應OSI模型示意圖

圖2.2說明BACnet由資料鏈結層與實體層的組合提供了四種區域網路選擇及一個點對點（PTP）的網路連線方式，以上所述之資料鏈結層與實體層構成了BACnet五種網路型式，說明如表2.1，其中以乙太網路(Ethernet, ISO 8802-3)及點對點之網路連線方式應用最廣，本方針即利用此兩種網路連線方式應用在建築能源監測系統中，其餘網路連線方式可與現有網路系統架構搭配使用。

表2.1 BACnet所支援之五種底層傳輸協定

 2.  BEMS之功能與效益

 一般而言，BEMS應具有以下之功能：

（1）  設備自動開關或自動起停控制。

（2）  設備系統運轉最佳化控制，例如：冰水主機可根據建築熱負荷進行自動加   卸載與台數控制、鍋爐加熱設備定時自動控制。

（3）  設備系統運轉及建築環境等狀況之監測與紀錄。

（4）  提供能源管理資訊。

（5）  電力負載管理。

（6）  遠端監測及控制。

 此外，建築物採用BEMS後將具有如下之效益 

（1）  可最佳化系統運轉現況並增加能源使用效率。

（2）  提升建築環境之健康與舒適條件。

（3）  提升建築設備之驗收、確效及設計之標準。

（4）  提升能源管理及設備維修水準，例如：提供能源流向、耗能及建築性能資料，以作為節能改善措施應用之評估與決策判斷。

（5）  改善消防、保全及其他緊急設備之運作機制。

（6）  更有效率之集中化管理。

3.  BEMS之能源監測介紹

對原無電力監測之建築電力系統，建議使用數位式電錶（如圖2.3所示）作監測與連線。數位式電錶為一種可拆式比流器（Split-core CTs）之裝置，優點為便於安裝於已架設完成之電力系統中，且可用RS-485網路標準連線，以工業上常用之Modbus通訊協定進行資料傳輸。其中電力監測資料輸出方面應包含三相電壓值(V)、三相電流值(A)、耗電量(kW)、伏安數(VA)、虛功量(VAR)及功率因數(PF)。

圖2.3可拆式比流器（Split-core CTs）型數位式電錶

 

4.  BEMS之能源監測系統與能源監測中心之架構設計

 為了取得各項耗能資料，以數位式電錶裝置於建築物內各耗能項目之分電盤上，並以RS-485的連線方式串接所有電錶形成一個網路，數位式電錶最終端的雙絞線再與BACnet閘道器的Modbus連接埠連線，BACnet閘道器再透過集線器（Hub）與監測電腦的網路卡連線，如此一來就可以將監測系統的硬體架構完成，如圖2.4、圖2.5所示。

各監測點都具有開放式架構之BACnet網路系統，故遠端之能源監測中心即可利用BACnet強大之網路整合之能力，將分散各地的監測點之資料匯集至能源監測中心，若監測的建築物本身沒有網路系統，則選擇使用BACnet 之PTP連線方式，透過數據機的撥接來完成遠端連線的工作，如圖2.4所示。若建築物內已具有一般泛用型之對外連線網路系統，則可以利用BACnet網路廣播管理裝置（BACnet Broadcast Management Device, BBMD）與遠端能源監測中心進行連線工作，如圖2.5所示。

圖2.4以BACnet之PTP進行遠端連線

圖2.5以BACnet之BBMD進行遠端連線

 

(1)   BACnet閘道器說明

 能源監測工作必須要配合數位式電錶的使用才得以完成，但由於大多數之數位式電錶都沒有支援BACnet通訊協定，基於以開放式架構之通訊協定做為整合之前題，因此必須配合BACnet閘道器之使用，將數位式電錶整合至開放式架構之通訊網路系統中。數位式電錶通常採Modbus通訊協定，而 Modbus 是由Modicon公司所推出的一種通訊協定，由於協定內容相當簡單，因此在業界之數位式電錶或是其他控制設備都經常使用。

圖2.6說明BACnet閘道器中BACnet與Modbus通訊協定相互轉譯之傳遞流程，由於有關電錶的相關數值都包裹在Modbus應用層中，所以BACnet閘道器應用層會將包裹在Modbus通訊協定中的電錶相關資料分解出來再包裹成BACnet通訊格式的封包再透過網路的連線連結至BACnet的網路上。

圖2.6兩組通訊協定的傳遞流程圖

圖2.7說明BACnet閘道器中BACnet及Modbus兩種通訊協定之網路架構相互對應之關係，透過應用層將Modbus網路與BACnet網路加以整合，因此，若是電力系統監測站已裝設其它通訊型態（非BACnet及Modbus）之數位式電錶，亦可透過其數位式電錶與BACnet之網路通訊架構之比較設計其專屬之BACnet閘道器與BACnet系統整合。

圖2.7兩種通訊協定之網路架構相互對應之關係

 

(2)   能源監測資料庫之規劃設計 

能源監測工作必須長期且詳細地收集建築物內各項耗能資料，監測記錄建議以1～5分鐘紀錄一筆資料，並必須使用資料庫管理系統加以儲存才能有效管理監測所得之龐大資料，使其變成可分析利用的資訊。例如利用具資料庫管理功能之Access資料庫系統來彙整日積月累的數據，透過資料庫管理系統的查詢及計算功能，將所有耗能資料整理成有用之圖表資訊，圖2.8為各項設備耗能資料經資料庫管理系統彙整流程之範例。

圖2.8 Access資料庫系統彙整耗能資料之流程圖範例