数据驱动的故障分析助力可持续设施管理

设施能源优化的挑战

设施能源优化为组织的设施团队提供了降低成本和减少碳排放的便捷机会。数据驱动分析有助于识别故障检测并推动设施管理的能源效率提升。然而，建筑系统存在许多必须解决的复杂性。

主要设施管理挑战包括：

建筑寿命超过50年，设施系统传感器通常在建设初期安装。每年都有新的云原生传感器选项上市，但建筑管理系统（BMS）并不开放，难以现代化建筑基础设施的数据架构；
任何大型房地产组合中都存在广泛的技术、标准、建筑类型和设计，难以在整个生命周期内管理；
建筑管理和自动化系统需要第三方拥有和修改生产数据，许可费用不基于消费定价；
设施团队通常缺乏设计定制管理解决方案所需的云专业知识，其IT团队也往往没有产品级经验来替代满足建筑管理需求。

HVAC系统：能源消耗与排放的主要来源

HVAC单元是建筑的核心，约占建筑能源消耗的50%。因此，它们通常配备完善的仪器并遵循基于规则的方法。缺点是：这种方法可能导致许多误报，建筑经理依赖手动检查和住户沟通需要关注的重要故障。建筑经理和工程师在HVAC系统上投入大量时间和预算，但HVAC系统故障仍可能占能源浪费的5%至20%。

最常见的HVAC单元例子是空调。在BMS中，HVAC由提供加热或冷却、通风（空气处理单元、风扇）和空调（屋顶单元、可变制冷剂）等子组件组成。

数据模型与建筑管理架构

建筑的数据模型和更大的建筑管理架构在建筑首次开放时建立。警报、报警和性能数据通过BMS发布，经理会通知建筑服务团队根据需要采取行动。然而，随着建筑和基础设施老化，许多警报变得普遍且难以补救。警报疲劳是常用来描述 resulting BMS operator experience 的术语。

可变风量（VAV）单元是另一种重要资产，通过管理局部气流来维持温度。VAV单元通过修改气流来优化温度，而传统定风量（CAV）单元提供恒定风量，仅影响空气温度。

大型建筑中通常有数百个VAV单元，管理它们很繁琐。建筑工程师时间有限，无法根据建筑需求变化配置每个单元，VAV单元配置通常在建筑调试后保持不变。结果是：许多看不见或神秘的建筑故障，以及多年来隐藏的能源损失。

现代建筑的数据驱动配置

许多现代建筑设计旨在适应建筑规划者在调试时已知的内容。因此，HVAC系统配置不是数据驱动的过程，因为操作数据尚不存在。HVAC系统优化的唯一真正激励通常来自故障和住户投诉。为满足未来的可持续性目标，建筑必须配备可自动调整的数据驱动智能配置。

为实现这一目标，我们必须了解气流的基本原理，因为我们需要结合建筑工程师、物联网工程师和数据工程师的专业知识来解决一些复杂的气流挑战。这还需要了解设施目前通常如何管理，我们将在接下来 examine。

设施管理的解剖

下图显示空气处理单元（AHU）如何使用风扇通过管道分布空气。这些管道连接到AHU（一种VAV单元），控制流向特定房间的气流。

BMS软件提供工具帮助操作员定义逻辑“区域”，虚拟表示给定的物理空间。这种区域方法有助于操作员分析给定冷却设计相对于操作要求的有效性。

要更改给定区域（通常代表物理房间）的温度，传感器将通过建筑网关和控制器发送通知。该设备充当BMS服务器和给定HVAC单元之间的中介。

这些HVAC系统内置了一些自动化功能，如恒温器。自动化形式是给定冷却单元响应恒温器计算的温度读数。这些设定点提供一个温度范围，当遵循时，提供系统的最佳性能。

设定点通常指建筑系统设置为激活或停用的点，例如，如果内部温度低于20°C，加热系统可能设置为开启。

VAV单元中的控制器连接到房间恒温器。恒温器告诉VAV终端区域温度是否太热、太冷或刚好。VAV单元内部有几个关键组件：控制器、执行器、风门、轴和再热线圈。

AHU和VAV单元控制点由BMS软件管理。该软件由供应商管理，控制系统的配置在建筑开始时确定。配置可以根据几个因素建立：房间容量和占用情况、房间位置、房间冷却要求、区域要求等。

为说明反映HVAC系统操作的数据模型，让我们看看帮助分布空气的VAV以及大多数老化系统中明显的故障驱动警报。个性化这些配置很困难，因为它们不是数据驱动的，也不会自动更新。让我们使用通过给定建筑的气流作为用例，并假设其操作将对建筑的整体能源使用产生相当大的影响。

在左侧，风门完全打开，因为这是一个夏天，外面很热，房间里挤满了人。但在右侧，风门部分打开，因为这是一个冬天，房间里没有人，需要最小热负荷。

通常会有多个特定区域的故障，例如温度或流量故障、风门或风扇问题、可能导致单元短循环的软件配置错误，以及通信或控制器问题，这使得甚至难以远程识别问题。这些因素都导致低效冷却系统，增加排放，浪费能源和金钱。

故障对可持续建筑性能的启示

故障可能被长期忽视，在此过程中泄漏无形能源。

某机构的 researchers 对一栋145,000平方英尺的建筑进行了详细的数据分析（Bharathan是合著者）。在建筑工程师修复了他们能找到的所有问题后，他们识别出88个故障。该论文估计，修复这些故障每年可节省410.3兆瓦时，以典型的每千瓦时12美分的电力成本计算，第一年可节省492,360美元。

根据美国环境保护署的温室气体等价计算器，这相当于减少了38,244次 passenger car trips。某中心提供了另一个例子。该公司通过使用IP支持的能源管理解决方案，在全球建筑中实现了28%的电力使用减少。

传统故障修复侧重于集中式HVAC子系统，如AHU。这里我们关注经常被忽视的VAV单元。VAV单元中的一些关键问题是：供气流、温度设定点、恒温器调整、不适当的冷却或卡住的风门。

数据驱动故障识别方法

为识别这些故障，您可以执行数据分析，关键数据属性包括温度、加热和冷却设定点；基于星期几的上限和下限变化；再热线圈（开或关）；占用传感器和设置（占用、待机或未占用）；风门传感器和风门设置；以及压力流量。

使用这些参数，我们可以定义信息模型。例如，除了房间恒温器之外，您还可以创建基于季节性天气数据的设定点。您还可以针对已知占用时间执行温度数据分析。

数据分析起初并不容易；通常无法 readily loaded into a graph store。通常需要大量数据转换和物联网工作才能将数据送到数据科学家可以分析的地方。为解决这一挑战，您将需要数据专家、FM领域专家、云工程师以及能够将他们聚集在一起以推动正确关注点的人。

首先，最佳方法是设施和IT团队之间召开会议，开始检查您的建筑数据。一些团队可能授予您系统的只读访问权限。否则，从过去两到三年建筑数据的.CSV下载中，您可以执行分析。

对于设施数据中的数据驱动故障识别，您可以使用模型、聚类和比较（MCC方法）开始。MCC的主要目标是确定建筑内的区域聚类，然后使用这些聚类自动确定配置错误、异常或故障的区域控制器配置。

MCC方法的数据驱动分析

我们将使用大学建筑示例来解释MCC方法的好处。大学建筑包括个人办公室、共享办公室、厨房和休息室。

在典型房间中，HVAC在夏季提供冷空气。供气流被调制以在白天维持所需温度，并在夜间回落到最小值。在下图中，我们显示了一个由于配置错误故障而发生相反情况的房间。

VAV单元在夜间冷却房间，但在白天使用最小气流。冷却温度设定点从午夜到上午10点为80°F，然后如预期降至75°F。然而，从夜间直到上午11:30，持续有800立方英尺每分钟（CFM）的冷空气供应流。

建筑管理承包商推测这些错误是由于初始建筑调试时的误解造成的。这个故障在系统中隐藏了多年，并在进行MCC分析时被识别。

模型

当我们尝试用原始传感器数据识别故障时，通常会导致误导性结果。例如，简单故障检测规则可能在房间温度超过阈值时生成警报。由于任何 number of reasons，警报可能是错误的：可能是一个特别热的日子，或者房间内正在发生事件。我们需要寻找一致的、需要人工关注的故障。鉴于简单规则触发的警报数量众多，此类故障被 overlook。

我们的MCC算法寻找长时间跨度内行为与其他房间不同的房间。为了比较不同房间，我们创建一个模型，捕获数月或数年的使用通用模式。然后我们可以比较和聚类房间以剔除故障。

在我们的算法中，我们使用测量的房间温度和HVAC的气流来创建房间能量模型。HVAC系统在房间上花费的能量与其温度和根据热力学定律供应的气流的乘积成正比。我们使用两个传感器测量的乘积作为建模房间的参数，因为它指示使用的通用模式。如果我们发现能量模式显著不同的房间，我们可以进一步检查它们。

聚类

房间温度可能因自然原因波动，我们的故障检测算法不应标记它们。

MCC算法使用KMeans算法聚类彼此相似的房间。聚类自然对齐相似的房间，例如，西向房间、东向房间、小厨房和会议室。我们可以基于领域知识和使用类型手动创建这些聚类，或者聚类算法可以自动化此过程。

比较

定义了每个聚类的配置后，MCC算法然后比较房间以识别异常。此步骤确保自然波动被忽略，仅突出严重的房间，减少误报数量。

智能规则

MCC研究在手动分析异常后创建规则以检测新故障。规则是与现有系统集成的自然方式，并捕获未来发生的类似故障。规则也可由领域专家解释， enabling further tuning。

一个有趣的识别故障例子如下所示：

HVAC系统努力将房间温度维持在冷却设定点（此房间为78F）和加热设定点（74F）之间。如果温度超过这些设定点，它将根据需要冷却/加热房间。房间被高气流（800 CFM）过度冷却，导致房间温度低于加热设定点，然后触发加热。由于此故障，房间使用过多能量维持舒适。

同一楼层有五个房间有类似问题，建筑内总共有15个。故障原因：设计的空气流规格基于最大占用率。此类问题导致巨大的能源浪费，并且通常多年未被注意。

前进之路

在本文中，我们提供了一些基础概念，考虑如何更好地使用数据来提高设施性能和可用性。

无论您的目标是提高建筑性能以支持可持续性转型，还是改进故障检测，路径都始于现代化支持您设施的数据模型。遵循数据现代化路径将说明提供数据的建筑架构在哪里不符合期望。

作为下一步，设施和IT经理可以开始：

执行建筑的基本审计，并寻找收集上述关键参数数据的选项。
整合来自相关来源的数据，应用数据标准化，并利用上述故障检测方法。
利用某机构的数据分析和AI/ML服务执行数据分析并应用机器学习算法识别数据异常。

某机构使用这些服务管理数千个世界级设施，为我们的员工、客户和社区服务。了解更多关于我们的可持续建筑倡议。

这些步骤将帮助识别您设施中的能源热点和隐藏故障；设施经理然后可以利用这些信息修复相关故障并推动设施可持续性。最后，考虑使可持续性数据易于执行团队访问，以帮助推动有关有影响力的碳减排倡议的讨论和决策。