绿色公共建筑的智能化

文｜江苏达海科技发展有限公司 田晓峰 许笑

1 公共建筑的业态分类

公共建筑依据业态类型主要分为以下几类：

◆ 办公建筑：政府行政办公楼、机构专用办公楼、商务办公楼等；

◆ 商业服务建筑：商场、超市、宾馆、餐厅、银行、邮政厅等；

◆ 教育建筑：托儿所、幼儿园、学校等；

◆ 文娱建筑：图书馆、博物馆、音乐厅、影院、游乐场、歌舞厅等；

◆ 科研建筑：实验室、研究院、天文台等；

◆ 体育建筑：体育场、体育馆、健身房等；

◆ 医疗建筑：医院、社区医疗所、急救中心、疗养院等；

◆ 交通建筑：交通客运站、航站楼、停车库等；

◆ 政法建筑：公安局、检察院、法院、派出所、监狱等；

◆ 园林建筑：公园、动物园、植物园等。

公共建筑和居住建筑同属民用建筑，民用建筑和工业建筑合称建筑。大型公共建筑一般指建筑面积2万平方米以上的公共建筑。

随着社会的稳步发展和经济的快速增长，我国公共建筑的面积日趋扩大，目前既有公共建筑约40亿平方米，每年城镇新建公共建筑约3亿～4亿平方米，。据部分大中型城市的能耗实测资料显示，特大型高档公共建筑的单位面积能耗约为城镇普通居住建筑能耗的10～15倍，一般公共建筑的能耗也为普通居住建筑能耗的5倍。公共建筑用能量巨大，浪费严重。

2 绿色公共建筑的设备及设施系统

从2005年我国开始编制绿色建筑标准发展至今，尽管当初相关细则还未出台，但我国对于绿色建筑的概念已然明确，在建筑的全生命周期内，在适宜条件下最大限度的节约资源，保护环境和减少污染，为人们提供安全、健康和适用的使用空间，与自然和谐共生的建筑。结合公共建筑的特点，可见建设绿色公共建筑的目标主要集中体现在三个方面：

◆ 提供安全、舒适、快捷的优质服务；

◆ 低碳、节能和降低人工成本；

◆ 建立先进和科学的综合管理机制。

针对这样的目标，下文简要介绍绿色公共建筑的设备和设施系统。

2.1 总体设计思路

针对公共建筑在绿色节能方面的需求和措施，营建综合性的管理系统势在必行，智能楼宇能源管理体系EMB（Energy-Saving Management For Public Buildings）便应运而生。

EMB的管理平台可以将环境控制、照明节能、电（自动）扶梯节能、暖通循环水泵节能、暖通空调风机节能、电力需量控制等多功能整合在一起，通过统一的监控平台和可靠的能量管理系统，实现对能源的综合管理；通过分析、共享各种数据，加强对用能设备的监管，指导各项节能工作有效的展开，最终创造绿色、安全、舒适的居住环境，实现节能效益的最大化。

EMS能源管理系统可广泛应用于绿色建筑能耗数据的实时采集、管理、监控及辅助决策中，如图1所示。主要特点包括：

（1）解决能源分散管理，实现能源消耗的集中监控及管理。

（2）解决能源计量体系不完整、能耗统计机制不健全的状态，提供从自动化采集、计量、统计核算的系列功能。

图1

（3）解决节能方向不明确、节能措施不系统的问题，提供能耗分析功能和能耗异常预警提示。

（4）建立多部门协助下的能源平衡机制，使整体电机设备的日常运行管理处于受控状态，实现工作成员有效沟通和高效协作，为能源管理与审计各方提供全局性的功能。

依据各企业不同的架构、组织，EMB主要分成SC（总控中心）、SS（区域中心）、SU（采集单元）三部分，三部分可依据各企业的实际运营模式和管理办法，灵活选择组成模块。采用基于广域网的Browse/Server（B/S）模式进行组网，形成树状阶层分布式网络结构。实时数据和历史数据分开传输，解决了大容量数据传输的问题。

2.2 暖通空调节能

暖通空调能耗占公共建筑总能耗的40%～60%，因此暖通空调节能是公共建筑节能的重要手段，是打造绿色公共建筑的一个必不可少的环节。从目前暖通空调运行情况来看，普遍存在“大马拉小车”的情况，造成大量的能源浪费。目前针对暖通空调节能改造的主要技术手段有：

（1）冷冻机组的智能控制

采用末端控制优先的原理，其主要策略是：根据供回水温差来判断末端能量的需求，通过自动切投冷机的运行台数，以使冷机工作在最佳能效比曲线段，减少冷机低效运行造成无谓的能耗，提高冷机能效比，可实现主机设备节能10%～15%。

（2）水泵变频

运用变频和PID控制技术，通过对冷冻水流量的模糊预期控制、冷却水的自适应模糊优化控制和冷冻主机系统的间接控制，实现空调冷媒流量跟随负荷的变化而动态调节，确保整个空调系统始终保持高效运行，从而最大限度地降低空调系统能耗。

（3）变风量（VAV）系统

大型公共建筑为人群极为密集的场所，空调运行时除裙房外其他楼层门窗较为密闭，从而使室内自然换气次数极小。需要依靠空调系统输送新风到室内，同时排风系统需要将与新风量相同的室内空气排出到室外，以满足人群卫生的要求。由于夏季排风温度较低而新风温度较高，让新风与排风进行热交换，以降低新风的进风温度，可以节省制冷机大量的冷量，同时，加强了室内外的通风换气，是改善室内空气品质的最有效方法。

2.3 照明节能设计

公共建筑中照明能耗通常仅次于中央空调，但是照明的节能改造必须在保证建筑内照度要求的基础上进行，否则会造成建筑内人员不舒适。针对绿色建筑对照明的要求，主要的解决方案有：更换高效节能灯具、使用LED灯、安装照明省电器及照明自动控制系统。

（1）更换高效节能灯具

目前公共建筑中使用的灯多数是T8型荧光灯、紧凑型荧光灯或者用于突出商品和建筑特点而使用的金卤灯、卤钨灯等。大型商场由于实际使用需求和安装特点，灯具更换难度较大，但是在大型超市、写字楼、医院以及商业建筑大型的地下停车场内普遍使用的是T8荧光灯，照明时间也很长。专业数据显示，节能灯如稀土三基色节能灯比白炽灯节电80%，寿命是白炽灯的5倍，光效是白炽灯的3.5倍。尽管成本要高出几倍，但价格的差距可以在随后的使用中节省出来。

实践证明，在不影响照明效果的前提下，更换节能光源和灯具是最行之有效的照明节能措施。但是目前节能灯具产品质量良莠不齐，选择更换时要选取优质的产品。

（2）使用LED节能灯

使用LED灯是今后绿色建筑的发展趋势，LED灯相比较其他类型的灯具，具有以下显著的特点，如表1所示。

表1

是白炽灯的1/8，日光灯的1/3；

◆ LED灯的寿命至少是白炽灯的12倍，节能灯的4倍，日光灯的5倍，光衰到70%的标准寿命可达50000小时；

◆ LED的光谱几乎全部集中于可见光频率，效率可达80%～90%，白炽灯的可见光效率仅为10%～20%；

◆ LED灯的响应时间是纳秒级，可以频繁开关，无级调节照度。

（3）安装照明省电器

省电装置是根据照明灯具及电器最佳工况的特点，利用电压自耦信息的反馈和叠加原理，采用高新技术制作的高磁导材料和专利的绕线技术研发而成的自耦式节电装置，使二次测的功率（视在功率kVA，有功功率kW，功率因数PF）得到改善，从而提供用电设备最稳定、最经济的工作电压，实现节电和节能的目的。节能效率可达10%（降低5V），同时亦有效延长灯管及电器寿命1.5～2.8倍。

安装照明省电器可以起到稳压、滤波、提高功率因数的作用，达到节能与延长灯具使用寿命的结果。

（4）建设照明智能控制系统

照明自动控制系统可以实现对建筑照明的自动化控制和管理，可以和BA自控系统的联网，实现远程监视、设备自动控制、自动抄表和计费以及自动报表。

照明自动控制系统可以灵活地进行场景控制，根据照度或人员进入情况控制照明；可以计算机统一控制管理，提高效率；可以遥控控制。但系统复杂，需要较高水平的运行维护人员；该系统以提高管理效率为主，节能为辅，节能量有限。

2.4 电扶梯节能

电扶梯作为公共建筑物的主要耗电设备，存在着较大的节能空间。可采用变频技术，在动力具有富余量的情况下，降低电动机的运行频率而达到节电的目的，并具备可双向转换、自动起停、缓停缓起、流量统计等功能。主要特点有：

（1）在不影响对负载的前提下，调整供应电压，使耗电量减少。

（2）对负载提供相对较稳定的工作电压，提升供电品质。

（3）减少机器设备发热，降低设备故障率，延长使用寿命。

（4）对大部分设备可提升功率因数（约4%～6%），节省电费。

2.5 新能源的利用

在建筑中，绿色能源已被广泛采用，光伏发电已成为绿色建筑的应用太阳能的重要手段。

光伏建筑（BMPV，即 Building Mounted PV）是指“将太阳能发电产品集成到建筑上的技术”，我国把光伏建筑分为安装型（BAPV）和构件型（BIPV）。相对于较狭义的BIPV来说，光伏系统附在建筑上的BAPV则更多的被使用在目前的绿色建筑中，其中在屋顶上建设光伏发电系统则是比较常见的一种形式。

（1）光伏建筑一体化设计

光伏建筑一体化（BIPV，即Building Integrated PV）就是将光伏发电系统和建筑幕墙、屋顶等维护结构系统有机地结合成一个整体结构，不但具有维护结构的功能，同时又能产生电能，供建筑使用。

光伏建筑一体化具有以下特点：

◆ 一体化设计，光伏电池成为建筑物的的组成部分，节省了光伏电池的建设成本；

◆ 有效地利用了阳光照射的空间，高效地利用太阳辐射，这对于人口密集、土地昂贵的城市建筑尤为重要；

◆ 一体化设计的光伏发电量首先为本建筑物使用，即可原地发电、原地使用，省去了电网建设的投资，减少输电、分电的损耗（5%～10%）；

◆ 在夏季用电高峰时，BIPV正好吸收夏季强烈的太阳辐射，并转换成制冷设备所需的电能，从而舒缓电力需求高峰时期的供需矛盾，具有良好的社会效益；

◆ 使用新型建筑围护材料，降低了建筑物的整体造价，使建筑物的外观更具魅力；

◆ 减少了由燃料发电所带来的污染量，对于环保要求更高的今天和未来极为重要；

◆ 光伏建筑一体化产生的电力可用于建筑物内公共设施，降低建筑运行能耗费。

（2）屋顶光伏发电设计

BAPV系统可按照最佳或接近最佳角度设计，可采用性能好、成本低的标准光伏组件，系统安装简单高效，可获得最好的投资效益，成为光伏投资商的最佳选择。而且新建筑的增长速度远没有光伏发展快，因此现有建筑成为最主要的选择对象，从而使BAPV成为当前的主要市场。

屋顶太阳能发电系统通常采用并网型AC供电系统。太阳能发出的电能与市电供电线路并联，给负载供电。当市电停电时，直/交流电力转换器会自动停止输出，以防止太阳能供电系统过载损坏。当负载需要的电能少于太阳能发电系统输出的电能时，太阳能系统在给负载供电的同时，将多余的电力送往市电。当太阳能系统电能不足以给负载供电时，太阳能电能全部提供给负载，不足部分由市电补充。

对于屋顶太阳能发电系统，当建设空间受限或场地成本较高时，优先选用标准的、效率高的、单晶硅或多晶硅太阳能电池板。

3 绿色公共建筑中的智能化应用

最近美国的研究报告显示，高质量的办公环境可使工作效率提高18%，为公司带来巨大效益。目前在美国一般水平的空调设备花费约10～15美元/ft2，而高级空调的花费约只增加10美元/ft2。然而，因环境不良引起的职员怠工所造成的损失约为5%，相当于每年损失15美元/ft2。因此优良空调、优良工作环境的设计，不但具有良好的投资回报，对人们的工作、健康及节约能源也有莫大好处。

绿色建筑不但可以减少对地球环境50%以上的伤害，也可以使其中的人员少生病，具有更长寿、更健康的人生。

但如何有效的提供健康、舒适、环保、节能的工作环境，不但需要使用各种不同的设备和设施系统，还需要搭建智能化的控制平台，将智能化的控制应用于绿色建筑中，依据实际负荷情况，通过组合不同的自动控制策略调节系统，以达到最佳化运行，实现建筑物节能、延长系统使用寿命。通过对绿色建筑内各类设备进行实时监测、控制及自动化管理，达到环保、节能、安全、可靠和集中管理的目的。

3.1 智能化控制应用范围

（1）根据绿色建筑实时的负荷调整冷热源主机和其他空调设备，在保证室内温度和湿度的前提下，尽可能地节约能源。暖通空调自动控制系统包含冷热源（制冷主机、锅炉等）的控制、水泵（冷冻泵、冷却泵、热水泵、补水泵等）控制、冷却设备（冷却塔、冷却井）控制、末端设备（新风机组、组合式空调机组、风机盘管等）的控制，以及各种风机、阀门等的控制。

（2）实现对照明系统的智能控制。可以对大型绿色建筑灯光系统进行智能化的、灵活的启停控制及调光，在保证照度的同时尽可能地使灯光系统更节能以及具有更为艺术化的表现能力。具体包括：自动定时开闭灯光、根据照度自动开闭、根据照度自动调光、变换预设的场景亮灯模式。

（3）实现对电气设备的智能控制。包括改善电力品质、自动扶梯节能控制等。

3.2 自动控制策略

温度控制策略：《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）中规定：空气调节室内计算参数，一般房间温度为25℃，相对湿度为40%～65%，为了提倡节能，国家发改委要求公共建筑夏季温度设计为27℃。根据《采暖通风与空气调节设计规范》要求，冬季民用建筑的主要房间宜采用16℃～20℃，夏季采用24℃～27℃。依据以上要求，采用的温度控制模式有：温度跟踪模式，根据室外温度智能调节室内温度的目标值，实现室内目标温度随室外温度变化的动态调整，选择最佳运行参数，达到最佳控温效果；温度固定模式，依据用户设定的温度作为控制目标来进行室内温度控制。

新风控制策略：新风控制类似于过渡季节温度控制。设立空调新风系统主要是为建筑物内的使用人群提供舒适的环境，但在追求舒适的同时也消耗了大量的能源。夏季，人们感到最舒适的气温是19℃～24℃，冬季是17℃～22℃。人体感觉舒适的湿度，一般在20%～60%RH。因此在室外温湿度良好的情况下，大量引进新风不仅可以改善空气质量，对空调主机的节能效果也相当显著。但在室外温度低于5℃和高于32℃时不建议引进新风调节。

预冷预热策略：夏季在凌晨2点开启空调机组半个小时，实现新鲜空气与建筑内内污浊空气置换。

CO2控制策略：CO2是衡量空气质量的重要指标，为了在节能的同时提供健康的环境，需对CO2进行监测与调节。人类生活的大气中的O2含量为21%，CO2含量为0.03%（300ppm）。当空气中CO2含量大于1000ppm时，人们就会感觉疲倦、注意力低下；当室内CO2含量在1000～1500ppm时，人们就会胸闷不适。要提供一个温度适宜、空气清新的环境，就要求中央空调对室内温度、CO2含量进行准确、合理控制。通过公共建筑不同区域布置的CO2传感器采集的CO2浓度值调整新风阀门开度引进不同新风量，将室内CO2浓度控制在设定标准内（1000ppm）。

综上所述，显然智能化系统是绿色公共建筑不可缺失的重要组成部分。