分析和数字孪生揭示建筑隐藏的能源成本- MATLAB和Simulink

在一个周六的凌晨三点，MathWorks公司苹果山的园区发生了一件奇怪的事情。厨房的排气系统打开了。实际上，没有什么东西触发风扇和空气调节器，它们通常在白天为光线充足的自助餐厅准备饭菜时，清除该地区的炊烟。风帽开始把空调空气直接从空荡荡的现代建筑中抽出来，进入黑暗中。

“MathWorks正在对气候变化采取严肃的行动。我们承诺到2023年实现碳中和。”
杰夫•彼得森MathWorks

苹果山的供暖、通风和空调(HVAC)团队已经回家过周末了。当他们离开的时候，这家软件即服务公司，计时装置分析，正在MathWorks楼宇自动化系统的数字孪生系统上执行故障检测和诊断(FDD)，搜寻潜在的问题。该软件持续监控在MATLAB中创建的广泛的诊断库^®发现故障，设备不按其规格运行，或设备效率低下。

MathWorks工厂建筑管理系统图。

Clockworks Analytics的首席科学家、该公司的创始人之一Siân Kleindienst说:“实际上，每座建筑都有不同程度的损坏，但有些问题比其他问题更严重。”“如果你不监控它，有时你就不会注意到。”

MathWorks的高级能源工程师杰夫·彼得森(Jeff Petersen)说，在苹果山，Clockworks Analytics公司监控着来自供暖和制冷系统的3万个信息点。“我们有优秀的技术人员，但他们不能24小时、7天、24小时观察所有的事情。这在人力上是不可能的。”“FDD每五分钟查看一次所有数据，并为我们标记问题。”

如果不被发现，一个排气系统在每个周末毫无理由地运行，将成为数学计算软件公司的一个问题，造成过度磨损，浪费能源，并产生不必要的温室气体排放。

MathWorks校园的鸟瞰图。

“MathWorks正在采取严肃的行动应对气候变化，”彼得森说。“我们承诺到2023年实现碳中和。”有效地操作MathWorks建筑对于实现这一目标至关重要。彼得森指出，该公司还必须在节约环境与员工舒适度之间取得平衡。

MathWorks是一个不错的例子。Clockworks Analytics的企业客户遍布美国和世界各地，希望对他们运营的大型设施进行预测，在它们造成长期能源浪费或需要大修之前发现问题。发现问题的可能原因可以节省业主的时间、金钱和精力。

驯服的怪物

每座建筑都像弗兰肯斯坦博士的怪物，即使是全新的。克莱因丁斯特指出:“没有标准的空调系统、锅炉系统或空气处理系统。”“我们已经这样做了10年，仍然遇到了我们以前从未见过的新的空气处理器配置。这种系统是根据建筑物的大小和需求从零开始建造的。大型空气处理机通常都是定制的。”

Clockworks Analytics首先创建客户建筑的数字孪生体。较大的设施通常有计算机化的楼宇自动化系统，控制空气处理程序，冷水机，锅炉和其他设备。“这些系统必须测量温度和压力。它们有命令和设定值，”Kleindienst说。

Clockworks Analytics软件位于现有的楼宇自动化系统之上，并从中提取数据。该公司的工程师使用机器学习来自动分类其中的一些数据，简化了客户的入职过程，并正在投资开发以提高自动化程度。然后，数据定期发送到安全云。克莱因丁斯特说:“公司还会存储数据，这在楼宇自动化系统中通常不会发生。”

每天、每周和日历月，Clockworks Analytics都使用MATLAB进行故障检测和诊断。Kleindienst说:“我认识的许多人主要使用MATLAB编写脚本，但我们用它进行了很多面向对象的编程。”“我们拥有业内最广泛的信息模型，可以对独特的系统配置和运行进行可扩展的建模，包括大量的类、类型和属性:区域类、空气处理类、冷水机类、设备和机械之间的相互关系，以及决定其如何运行的控制参数。”

MathWorks暖通空调运行的Clockworks仪表盘。

Clockworks Analytics首先创建客户建筑的数字孪生体。较大的设施通常有计算机化的楼宇自动化系统，控制空气处理程序，冷水机，锅炉和其他设备。

该公司将这个广泛的诊断库、支持类和支持函数捆绑到部署在其网站上的动态链接库(DLL)中。每个诊断队列调用DLL。Clockworks Analytics主要依靠白盒建模——专家系统、工程方程和逻辑语句——来进行最好的诊断。

Kleindienst说:“我们选择了MATLAB，因为我们有机械工程师编写诊断代码，而不是软件工程师。”“我们希望能够雇佣具有该领域知识的机械工程师。我们的工程师利用MATLAB计算工具的丰富基础，而不必成为传统的程序员。”

在过去的十年中，云存储刺激了建筑诊断行业的显著增长。新公司的出现试图填补空白。Kleindienst观察到，拥有全面而详细的诊断库让Clockworks Analytics在竞争对手中脱颖而出。

MathWorks苹果山校区就是一个很好的例子。一座新建的建筑最近通过了调试，这是一个系统的过程，以检查设施是否按业主的期望运行。FDD指出了多个问题，包括一些区域没有加热到合适的温度。

以减排为目标

可持续发展专业人士经常谈论容易摘到的果实，即立即产生显著差异的变化，通常是在环境和财务方面。克莱因丁斯特回忆说，Clockworks Analytics的一个早期客户有一个大型实验室大楼，在冬天冷却阀门被打开，迫使他们的加热阀门进行补偿。在Clockworks Analytics发现这个问题之前，同时加热和冷却每个月浪费大约2万美元。

他们的分析引擎仍然为客户识别主要的、浪费的问题，但Kleindienst已经看到，在过去10年里，建筑诊断行业对分析的价值有了更细微的认识。

“现在的方法是把大楼管理好，”她说。“业主们开始提出新的问题:‘我如何利用这项技术让我的设施团队更高效?我怎样才能少接几通电话?我怎样才能在东西坏掉或者我的一条生产线坏掉之前抓住它?这样能节省多少碳排放?’”

Clockworks Analytics主要与运营大型建筑的客户合作，如医院、实验室和大学。建筑占全球能源需求的36%，占能源相关CO的37%₂全球建筑与建设联盟是联合国的一个项目。

在美国建筑行业，大多数排放都是间接的，这意味着发电厂在场外燃烧化石燃料发电，用于供暖、空调、照明和其他操作。剩余的建筑排放来自现场直接的化石燃料燃烧。

MathWorks的目标是间接和直接排放。该公司在全球有33个办事处，包括位于纳蒂克的两个临近园区:苹果山和湖畔。这两个园区加起来占地约11.1万平方米(120万平方英尺)，可容纳4000名员工。

“总体而言，建筑占全球能源需求的36%，占能源相关CO的37%₂2020年排放。”
联合国全球建筑和建筑联盟

MathWorks的众多环保措施包括114个电动汽车充电点，一个减少电力消耗的湖畔校区新数据中心，以及将照明转换为LED。此外，纳蒂克校区的7个太阳能电池板每年产生近200万千瓦时的电能。

彼得森说:“作为业务的一部分，我们会排放碳，但我们正在尽我们所能减少碳排放。”

MathWorks是一个不断增长的业务，因此使用更少的资源和继续缩小公司的环境足迹变得越来越重要。故障检测和诊断已成为确定减少能源使用和碳排放机会的重要工具，同时确保员工有一个舒适的环境。

采取积极主动的方法

分析引擎使建筑管理人员能够在问题发生时立即解决问题，而不是等待发现问题。像MathWorks这样的组织采用了这种复杂的方法，称为连续调试，承认它的优点。

如果Clockworks Analytics的客户有一个独特的建筑系统，该公司以前没有遇到过，他们的团队可以编写一个扩展的诊断。该团队还与客户合作，为他们拨入FDD，将信息的火龙带转换为欢迎的饮水机。克莱因丁斯特说:“该软件将每个问题综合成一份报告，通常是针对单个设备。”

克莱因丁斯特补充说:“这些报告都是用简单的英文注释输出的。”“比如‘问题:空气处理器的供应温度没有遵循它的设定值。该报告还将说明我们认为这种情况发生的原因，它会浪费多少钱的能源，以及一些可能的原因。”

即使有了根本原因的诊断，客户仍然需要专业人员现场调查和纠正问题，比如MathWorks暖通空调团队收到一份报告，称厨房排气系统不必要地运行了整个周末。彼得森说:“这只是FDD多次揭露公司潜在的潜在问题之一。”接下来，MathWorks计划将Clockworks Analytics软件作为一种服务带到他们的湖畔校区。

彼得森说:“不管建筑物的年龄有多大，故障检测和诊断都派上了用场。”“你不需要等上5年或10年来实施它。FDD会马上找到的。这样你就可以把这些问题扼杀在萌芽状态。”

分析引擎和数字双胞胎揭示建筑隐藏的能源成本