绿色建筑节能智能化技术的应用与发展

2014-02-27解放军理工大学谢秉正

智能建筑与智慧城市 2014年2期

文│ 解放军理工大学谢秉正

1 引言

绿色建筑在节能减排上的建树，已为人们普遍关注。随着社会的不断进步，科学技术不断发展，人们充分认识到环境对人类发展的重要性。节能增效、治理污染、减少排放、保护环境已成为人们的共识。绿色是生态生命之色，就环保而言，没有节能就谈不上绿色，更做不到低碳。因此，绿色建筑就是一种节能建筑、低碳建筑。建筑节能涉及到设计施工、日常运行、使用管理等多个方面，然而，智能化为我们提供了科学手段，使节能降耗得以控制，可以量化，便于核查，还可以提供节能决策方案、融入低碳可再生能源的利用等。

2 建筑节能的意义和途径

节能就是采取技术上可行、经济上合理、环境和社会可接受的一切措施，有效地提高能源资源的利用率。社会能源供应和消费的大户在于冶金、矿业、交通、建筑、化工、机械等领域。据有关资料显示，我国建筑能耗占社会总能耗的27%，而且以每年一个百分点的速度增加，建设部门统计数据显示，我国城乡每年新建房屋面积近20亿平方米，其中80%以上是高能耗建筑，现有建筑400亿平方米，90%以上是高能耗建筑，如果不采取措施，“十二五”期间建筑能耗将占全国总能耗的33%以上，形势十分严峻。因此，笔者认为，在建筑节能上大致可分为三个层面。

（1）结构节能

结构节能广泛采用热缓冲层技术、自然采光通风技术、能量活性建筑系统、混凝土楼板辐射储热蓄冷系统、围护结构的保温隔热系统、光电幕墙与光电屋顶一体化技术等。通过智能化系统的调控和优化，分别达到保温、隔热、供电的节能效果。科技园区大片屋顶可建设大型光电系统，提高建筑物的科技含量；经济适用房若要达到国家规定的节能标准，必须认真研究结构的保温隔热问题，为了节省投资，外墙保温板曾采用保温型与防火保温型间隔使用的办法。

（2）开源节能

开源节能尽量减少常规能源的供应，加强绿色能源、可再生能源的开发利用，如采用太阳能、风能等发电、供热。通过智能化系统的调控和优化，达到蓄能、变换、稳压、稳频、联网、时控等要求。在建设高层住宅中，推广应用外墙挂壁式太阳能热水器和空气源热泵冷暖热三联供系统。这些系统都设有智能化调控的系统功能。

（3）用电节能

用电节能是通过对用电负载的合理调控，达到增效、降耗的作用，以节省能源。用电节能首先要改善供电质量，减少谐波成分，调整功率因数；照明系统采用感应器、可调照度装置，优化启停；动力系统及合理启动、最优化启停；电梯系统采用群控技术合理调控；空调系统采用热泵技术，其中包括太阳能热泵、地热源热泵、水环热泵等，把低位能提升为高位能，采用变风量（VAV）系统，以提高能源效率。用电节能通常采用智能化技术，设置楼宇设备监控系统加以调控，推广使用能源管理系统、智能用电信息交互系统等。

在结构节能方面，我国要求所有的新建建筑必须按照节能50%或60%的标准进行设计建造。据有关部门调查研究得出，城市大型建筑比普通住宅运行能耗高5～10倍，有的甚至高出10～20倍，通过对上海9栋商业楼调查统计，其全年一次耗能量为1.8GJ/（m2·a），超过日本同类建筑的43.3%；用电节能“大马拉小车”的现象普遍存在，造成极大的能源浪费；由于怕损坏屋顶防水层，而限制住户安装太阳能光电、光热器件。可见，节能减排还有很长的路要走，每建1m2房屋要排放0.8t的CO2，每消耗1kW·h由石化燃料供应的电能，就要排放1kg CO2，降低建筑能耗势在必行。

我国正处于城镇化的发展时期，在建筑的指导思想上，必须认真贯彻“资源节约、环境友好、低碳导向”的原则，深刻认识节能减排科学发展的意义，让智能化技术成为绿色建筑节能减排的有力支撑。

3 能源管理系统

在上海世博建筑的引领和启发下，鉴于大型建筑用电量巨大，住房和城乡建设部、上海市、江苏省建设厅等部门均印发相关政策文件，以加强公共建筑节能运行管理，将节能减排目标和任务逐级分解落实，建立节能监管体系和长效用能检查、考核机制，完善用能计量设计，真正实现绿色环保、节能减排和可持续发展的目标。同时重申建筑奖项评审、绿色建筑的认定，如果达不到节能效率，将被一票否定。基于这种形势，加强能源管理已是当务之急。

能源管理系统能够从“历史、实时、未来优化”多个层面应用信息技术、智能化技术提供建筑的用能信息；通过能源监测、能源统计、能源消费分析、重点能耗设备管理、能源计量设备管理等，使领导者对建筑物的各项能耗的比重、发展趋势、不合理的消费以及能源的浪费等问题，能够及时调整，及时解决。在某科技园中心大楼建设中，我们对能源管理系统有如下认识。

3.1 对系统的要求

（1）采用主流技术

系统要经得起时代的考验。采用先进的主流技术，同时该技术要成熟可靠，且在操作功能上简单实用。

（2）管理的集中统一性

根据实际的管理体制，系统应具有集中统一的管理能力，建立统一的管理中心，并进行科学管理，使监控技术发挥更高的效能。

（3）开放性、可扩性、兼容性和灵活性

开放性：能有机地与其他系统联接，融合成一个整体。

可扩性：能随时适应对系统的扩容要求。

兼容性和灵活性：能适应产品的升级换代，是系统设计的一个重要思想。

（4）安全性、可靠性、容错性

系统设备的安全性、可靠性较为重要。为避免操作人员失误，致使系统工作不正常，要求系统具有较强的容错性和自检功能。

（5）系统设计的标准化与规范化

系统的设计应符合国家规范及相关的技术要求；构建系统的产品应选择标准化、规范化的产品。

3.2 系统功能

（1）给出能耗报告。能源管理分组统计分析，对各组的能耗值提供逐时、逐日、逐月、逐年报告，帮助用户掌握自己的能耗情况，找出异常的问题。

（2）提供能耗排名。在不同时间范围内，对组内的能耗值进行排序，帮助找出能耗最高和最低的设备单位。

（3）给出能耗比较。在不同时间范围内，对各组的能耗值进行比较。

（4）提供日平均报告。定时给出平均能耗需求报告，帮助用户了解自己的能耗模式，找出超出预期的峰值需求。

（5）给出偏差分析。分析任意一天不同时段能耗值与管理设定值的偏差，指出能耗的不良倾向。

（6）提供最大值或最小值分析。以分析各系统和设备能耗与时间的关系。

（7）给出一次能源折算。将能耗值折算成热量（MJ）、标准煤、原油、原煤等一次能源消耗量和相对的CO2释放量。

（8）提供成本报告。根据能源表的数据和费率结构，计算各组逐日、逐月、逐年能耗费用报告，以了解能源使用成本。

（9）给出成本排名。在不同时间范围内，对各组的成本值进行排序，找出能源消费最低和最高的设备单位。

（10）提供统计表报。让用户对能耗情况一目了然，并能帮助用户合理分配能源使用结构。

3.3 系统结构

能源管理系统是一个复杂且庞大的计算机信息系统，一般可由建筑物内部局域网作为支撑，它是建立在内部局域网系统中的一种应用系统。通常采用三层结构，即现场层、自动化层和管理层。现场层采集原始计量数据，计量装置具有数据远传功能，通过现场总线与数据采集器相连接；自动化层对采集的数据进行汇总，同时将汇总的数据发往管理层；管理层对数据进行综合分析，并将结果提交决策层用以参考。

能源管理系统一般设置数据录入子系统、数据采集子系统和数据应用子系统。

（1）数据录入子系统

该系统主要功能有以下两部分，一是给企业内网Web发布实时能源数据，并生成各种报表、曲线、图表等，为各个相关部门、企业决策层提供科学的依据；二是能源数据手工录入，对于一些未设置自动化采集的监测点，需要该仪表的抄表员设置固定时间从该系统录入仪表数据，必要时可以通过计算机安全管理网络对外网（Internet）发布实时能源数据，供有权限的人员进行远程浏览。为了保证数据安全，一般情况下能源数据不允许外网人员进行数据录入和修改。

（2）数据采集子系统

主要完成能源数据的实时采集、上报的功能，该系统是能源管理数据的主要来源。能源管理所需的各种重要状态数据都要依靠数据采集终端完成。采集系统主要由中心接收服务器、下位采集终端两部分组成。数据采集终端由RS232/485与计量仪表相连，获取实时数据，然后通过网络把实时数据发送给中心数据接收服务器。数据采集终端采用嵌入式操作系统，具备较强的运算能力与开放性，并且内置了信息自动采集组件，能根据信息变化主动向网络上报信息，取代传统的数据库轮循，可在保证数据实时传递的同时，大幅度减少网络数据通信量和中心服务器的负担，确保了中心服务器的稳定可靠。另外，数据采集终端内置存储模块，可以根据用户在一定时间段内存储的数据信息，在发生通信链路故障时，数据不会遗失，最大限度地确保数据的完整性，连续性。

一些能量管理系统还设置了数据中间件，该中间件主要完成从其他的MIS系统或监控系统获取所需数据，并导入能源管理系统数据库，供能源管理系统使用。该数据中间件不会影响现有的其他系统，只能从现有系统中读取能源管理系统所需的信息，并不影响该系统编写任何信息。因此，该系统的数据流向是单向的，可以充分保证现有其他系统的安全。根据不同用户的特殊需要，可开发不同的数据中间件。同时，不同应用系统所能提供数据获取方式也不尽相同，需要区别对待，分别处理。

（3）数据应用子系统

该系统由应用出版服务器、能源管理客户端两部分组成。应用出版服务器主要把能源管理的各种数据发送到企业其他的应用系统，例如财务管理系统等。其他应用主要根据其订阅的不同获取不同的数据。能源管理客户端主要完成各种器件系统的初始化及采集点的添加或移除，以及各个单位的数据统计、核算各个采集点的数据监测、报警、Web发布数据的增减，各种人员权限的管理、分配，各种日常报表的生成。

能源管理系统的结构多种多样，如图1所示，以电能管理系统为例，给出其拓扑结构。

3.4 工程应用

节能降耗已成为大型建筑的必然选择。能源管理系统在办公建筑、商业建筑、城市公共建筑等方面的应用都取得了明显的效果。

（1）图书大厦应用实例

图1 电能管理系统网络拓扑结构

上海浦东某图书馆是一个高能耗的大型公共建筑，总建筑面积为60885m2，大厦设置柴油发动机作为应急电源，变配电系统采用中压微机保护装置和多功能电力仪表来实现保护线路和采集电参量数据，并通过现场总线进行组网。监控室能源管理主机通过现场设备和通信系统提供的传输通道，完成对各用电回路的数据采集，所收集的信息经分析、处理，以报表、图形等形式供值班人员参考，使值班人员能够便捷地了解和掌握系统运行及电能使用情况，及时发现用电浪费现象，并采取相应措施从而节约电能。

（2）办公大楼应用实例

南京某科技园中心大楼共13层，总建筑面积为8625m2，空调建筑面积为7300m2。为了合理用电，专门配置能源管理系统，经过运行统计得出：年度的照明系统能耗占19%，空调系统能耗占55%，办公及其他设备为26%。其中空调系统冷热水机组能耗所占的比例较大，达到54%，末端设备为25%，水输送系统（冷却水泵、冷冻水泵）的能耗比例也较大，达到18%，冷却塔能耗为3%。通过电能管理系统反映的数据和问题，物业上采取的节能措施是：在照明方面须更换节能灯，加强人走灯关的管理。对于耗能主体空调系统，分析认为主机配备容量过大，无需全开，只需开1台主机，配1台冷冻水泵、1台冷却水泵就能满足需求；空调水系统运行中存在大流量、小温差的问题，应增大送回水温差，减小水流量，同时采用变流量技术；夏季、冬季温度设定，需加以调整。该大楼还有1个网络中心机房，为了节能增效，引进了虚拟技术。通过以上整改，每年节约能耗达到43%。

4 低碳能源利用

低碳能源包括太阳能、风能、地热能、生物质能等，这些能源又叫可再生能源、清洁能源、绿色能源。在使用中，会有少量或无温室气体和污染物排放。低碳能源的利用与生态环境和谐共生，是经济社会可持续发展的必然选择。

太阳能在绿色建筑上的应用，包括光电和光热应用等方面。小型设备都自备单片机的控制系统，大型太阳能并网发电系统结构复杂，在智能调控上需要给出专门的解决方案。

4.1 并网发电系统的特点

（1）所发电能馈入电网，以电网为储能装置，减少蓄电池的使用，比独立光电系统的建设投资减少25%～30%，从而使发电成本大为降低。减少蓄电池可以提高系统的平均无故障时间，同时还可避免蓄电池的二次污染。

（2）光伏电池与建筑物有效结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料，使物资充分利用。

（3）分布式建设，就近分散供电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抗风险的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，降低线路损耗。

（4）在出现高峰用电时，并网系统可以起到调峰作用。

4.2 并网发电智能化系统功能

（1）数据监测功能。检测系统中各个单元的状态和参数，为判断、保护提供依据，需要检测的物理量有输入电压、电流，输出电压、电流，并网系统的逆变器参数等。

（2）监控并网系统的工作状况及各项参数，防止单独（孤岛）运行。

（3）监控多组光伏电池运行状态，如片区性能变化，个别组件损坏或受到异物、灰尘覆盖等。

（4）设备保护功能。防止逆变器故障而出现的过压、过流现象，防止备用发电机空载等。

（5）故障诊断功能。超值报警、故障报警、故障类型判别显示等。

（6）运行状态显示功能。显示系统运行状态的信息。

4.3 工程应用

某经济开发区建设一座2MW太阳能并网系统，2009年11月建成并投入使用。系统设100个支路，每支路配1个配电箱，每5个配电箱并入1台逆变器。光伏电池板总面积16318.4m2，最大输出功率为2MW，最大输出电压0.4kV，最大输出电流5kA，系统与市电网之间设2台1000kVA电压为0.4/35kV的变压器，由此并入35kV高压线。系统设智能监测控制系统，对太阳能电池组件、多台逆变器、联网配电柜进行监控，还专门设置了摄像机。2MW太阳能并网系统结构如图2所示，智能控制网络结构如图3所示。

图2 太阳能并网发电系统结构

图3 智能监测控制网络结构

智能监测控制系统的主要特点：

（1）该系统为大功率光电并网系统。要求每个子阵列具有相同的功率和电压的组件串、并联，多个逆变器并联运行。智能监测控制系统根据昼夜不同时段进行运停切换，从而可以延长逆变器的使用寿命。

（2）采用交流电源跟踪技术。当公共电网供电端的电压和频率等参数在正常范围内变化时，光电系统的输出可跟踪公共电网的电压、频率、相位等变化，随时调整其交流输出功率、电流、频率和相位，控制高次谐波分量，使之与电网相匹配。

（3）系统设置三级短路开关，实施过压、欠压保护，保证设备和人身安全，防止事故范围的扩大。特别在发生光伏发电系统电网失压时，自控装置将在1s内将光伏系统与电网断开。

（4）智能监测控制系统还设置了开关机的自动化程序，具备数据实时显示、超值报警、数据记录、图像显示等功能。摄像机的图像还可切换到主控显示屏上。

该工程是国家支持的示范项目，根据设计计算，年产电可达3387.78MW·h，建设投资5万元/kWp，政府资助36%。

利用太阳能供电，是低碳能源的重要发展方向，是国家大力提倡的事业，也是绿色建筑发展开发的标志。上海世博园区建设了大面积的光伏屋顶，给各地做出了示范。由于我国对太阳能发电给予政策资助，各省、市、自治区的积极性很高。浙江省去年就完成了28MW光电项目的建设，江苏省2010-2013年规划建设光电工程500MW的规模，我国的发展目标是，到2020年累计容量将达20000MW。可见，光电系统的智能化将大有所为。

利用太阳能也是节能领域的一项重要举措，一般情况下家居热水耗能将是照明耗能的6～8倍，如果使用低温取暖地板，其能耗将成倍增长。当前，光热技术已有很大发展，有直热、间热式，屋顶、挂壁式，单机、联网式等多种类型和结构。在智能控制方面，完全可以达到自动调控、智能运行。太阳能是绿色智能建设值得重视的一个方面。

5 智能电网的建设和发展

智能电网也被称为“电网2.0”，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、设备技术、控制方法以及决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征可满足21世纪用户需求的电能质量、容许各种不同发电形式共存，其中包括太阳能、风能以及各种自然能源发电的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。时任总理温家宝在2010年3月召开的全国“两会”的《政府工作报告》中强调：“大力发展低碳经济，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设。”这标志着智能电网建设已成为国家的基本发展战略。智能电网建设对绿色建筑节能智能化起着有力的推动作用。

5.1 发展智能电网的意义

近年来，通信、计算机、自动化等技术在电网中得到广泛深入的应用，并与传统电力技术有机融合，极大地提升了电网的智能化水平。传感器技术与信息技术在电网中的应用，为系统状态分析和辅助决策提供了技术支持，使电网自愈成为可能。调度技术、自动化技术和柔性输电技术的成熟发展，为可再生能源和分布式电源的开发利用提供了基本保障。通信网络的完善和用户信息采集技术的推广应用，促进了电网与用户的双向互动。随着各种新技术的进一步发展、应用并与物理电网高度集成，智能电网应运而生。

发展智能电网是社会经济发展的必然选择。为实现清洁能源的开发、输送和使用，电网必须提高其灵活性和兼容性。为抵御日益频繁的自然灾害和外界干扰，电网必须依靠智能化手段不断提高其安全防御能力和自愈能力。为降低运营成本，促进节能减排，电网运行必须更为经济高效，同时须对用电设备进行智能控制，尽可能减少用电消耗。分布式发电、储能技术和电动汽车的快速发展，改变了传统的供用电模式，使电力流、信息流、业务流不断融合，以满足日益多样化的用户需求。

5.2 用户智能网络

智能电网在惠及电能用户上，主要表现在建立用户智能网络。用户智能网络又称用户用电信息采集系统。应用这一系统，将为用户实施节能管理，提供方便的用电节能条件。用户智能网络系统结构如图4所示。

图4 用户智能网络系统结构

用户智能网络中设置了智能型电表（智能用电信息交互终端）和智能插座。智能型电表是一种新型全电子式电能表，具有电能计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能，支持双向计量、阶梯电价、分时电价、峰谷电价等需要，也是实现分布式电源计量、双向互动服务、智能家居、智能小区的技术基础。用电设备插在智能插座上，通过用户用电信息采集系统，显示在信息交互终端屏幕上，使该设备的用电情况可一目了然。显示器还可以反映出大量的用电信息。

有了用户用电信息采集系统，只要安装上智能电表就能实现对系统覆盖区域内用电情况的实时监测，居民在家里的每天甚至每小时的用电情况在系统里都有记录。如居民想要了解用电情况，可随时通过网络查询截至任何一天及某一个时间段的用电量。

许多用户不知什么电器耗电量大，智能电表能帮助用户查询分时段用电量，发现电器在通电却不使用时间段消耗了多少电，从而“对症下药”，达到节约用电的目的。同时通过电量的实时查询，还能帮助居民测算出用电设备的耗电量，养成良好的用电习惯。

智能电表还具备双向计量的功能，除了可以记录用户的电量外，还可以记录用户向电网提供的电量。如果用户自建有风能、太阳能等分布式清洁能源发电设施，当所发电力自己用不完时，能实现多余电量向电网输送，从而达到节能环保和提高用户经济效益的目的。

5.3 智能电网的发展

智能电网的建设将提升人们的生活品质。家庭智能用电系统既可以实现对空调、热水器等智能家电的实时控制和远程控制，又可以为电信网、互联网、广播电视网等提供接入服务，还能够通过智能电能表实现自动抄表和自动转账、交费等功能。智能电网可以接入小型家庭风力发电和屋顶光伏发电等装置，并推动电动汽车的大规模应用，从而提高清洁能源消费比重，减少城市污染。智能电网还可以促进电力用户角色转变，使其兼有用电和售电两重属性；能够为用户搭建一个家庭用电综合服务平台，帮助用户合理选择用电方式，节约用能，有效降低用能费用支出。

智能电网建设对于应对全球气候变化，促进经济社会可持续发展具有重要作用。主要表现在促进清洁能源的开发利用，减少温室气体排放，推动低碳经济发展；优化能源结构，实现多种能源形式的互补，确保能源供应的安全稳定；有效提高能源输送和使用效率，增强电网运行的安全性、可靠性和灵活性；带动相关领域的技术创新，促使装备制造和信息通信等行业的技术升级，促进社会经济可持续发展。