我国双碳背景下建筑智慧与低碳融合发展趋势分析

2022-02-17河南投资集团有限公司张亮薛鑫徐文皓王泽昆张帅

中国建设信息化 2022年2期

文｜河南投资集团有限公司张亮薛鑫徐文皓王泽昆张帅

目前我国建筑行业规模位居世界第一，每年建筑碳排放量约占全球的20%。2018年全国建筑全过程碳排放总量占全国碳排放的一半以上。其中：大型公共建筑占城市建筑总面积不到4%，却消耗了20%以上的城镇建筑用能。因此本文将论证在公共建筑运行阶段，如何融合建筑现代化信息手段与建筑节能技术，并探讨未来建筑降碳减排发展的方向。

1 公共建筑的碳排放概况

据中国建筑节能协会发布的《中国建筑能耗研究报告（2020）》[1]公开数据显示：“2018年全国建筑全过程碳排放总量占全国碳排放的51.3%，其中：建材生产阶段占比为28.3%，建筑施工阶段能耗占比为1.1%，建筑运行阶段能耗占比重21.9%。”《中国建筑能耗研究报告（2018）》[1]显示：“大型公共建筑占城市建筑总面积不到4%，却消耗了20%以上的城镇建筑用能，达到住宅能耗的10 到20 倍。”

公共建筑包含范围广泛，星级酒店、商业建筑、文教体卫建筑、政府机关、通信建筑以及交通运输类建筑等。在公共建筑中，商业建筑占比较大，运行阶段能耗突出，如图1所示。比较而言，商业建筑市场规模增速高于住宅，并且商业建筑单位面积能耗远高于民用住宅，节能空间更大，将成为建筑行业降碳减排切入点。

图1 典型高效商业建筑全周期碳排放比例图

2 公共建筑的现代智慧化管控

21世纪以来，在信息科技革命的时代背景下，物联网、大数据、云计算、人工智能、5G 通信等新兴技术的发展，正加速推动建筑行业的转型升级。随着信息技术的推动，楼宇智慧化发展已成为建筑行业的主要发展趋势。

2.1 智慧楼宇的概念

2015年《智能建筑设计标准》（GB50314-2015）中，将智能建筑定义为：“以建筑物为平台，基于对各类智能化信息的综合应用，集架构、系统、应用、管理及优化组合为一体，具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调的整合体，为人们提供安全、高效、便利及可持续发展功能环境的建筑。”2017年，《阿里巴巴智慧建筑白皮书》[2]指出：“智慧建筑应该是自学习、会思考，可以与人自然地沟通和交互，具有对各种场景的自适应能力，并且作为智慧城市的一部分，可以在更高的结构层次上高度互联。”，智慧建筑应是指以建筑本体的空间设计为框架，叠加运用传感、信息、通讯等技术手段，综合个体需求和社会需求以达到最大化满足，形成一个具有生命特征的自治体，这种拟人态的生命特征不仅是关于物联网、大数据和人工智能应用，乃是在人与物的联通上，又新造了一个人与空间之间的新交互场景。2015年的国标对智慧建筑的阐述可谓是超前，目前来看国内实现这种智慧建筑的项目或场景凤毛麟角，从发展阶段上目前的建筑的智慧化还处于理念超前、实现落后的局面。

2.2 建筑的智能化发展

（1）传统建筑智能化

“传统建筑智能化”是在建筑基础上配备的弱电系统，如建筑状态管理、网络系统、辅助办公、设备用能管理等，这种方式以所建设的智能化系统的数量多少来评价建筑智能化程度的高低，并且重点拓展每个系统的细节功能。

不足：这种叠加智能化子系统的方式并不能代表智能程度的高低。随着智能化子系统的不断增加以及专业化、细分化程度不断增强（例如：安防自动化细分为门禁控制、视频监控、入侵报警、周界报警、巡更等），一栋建筑中往往有20 个以上的智能化子系统，看似增加了技术感，但在运行阶段造成了烟囱式系统林立，给整体的运行增加了不便，往往在数年后，便会逐个被摒弃。

（2）“帽子式”智能建筑

“帽子式”智能建筑是指在“传统建筑智能化”的基础上，将各垂直、独立的子系统，主要包含如建筑自动化控制、安防自动化控制、消防自动化控制、通讯自动化控制、照明自动控制、办公自动化控制等系统，通过搭建一套集成化建筑管理系统进行数据整合，行业中称之为IBMS，并进行有限的不同系统数据联接、处理、展示或后期加工。这种方式类似于在系统之上搭建一个数据库，将建筑设备、子系统、人的数据集成展示在同一个平台上，在一定程度上解决了各子系统之间信息孤岛的现象，缓解了独立系统数据使用不便的情况。

不足：IBMS 只是将数据在同一平台进行整合、呈现，平台无论是基于云还是本地服务器，系统和系统之间的数据关联、交互与场景化程度都非常有限，并且存在重复建设，集成难度大的问题。

2.3 建筑的智慧化发展

“建筑智慧化”指通过物联网和数据智能技术，汇聚建筑物的历史与实时、静态与动态信息，包括了建筑结构、空间、设施、环境、交通、卫生、服务质量、经营状况、能源消耗及成本等数据[3]，形成人机物深度融合交互系统。这种交互能够及时捕捉在建筑内人、事、物三类信息，并主动将其融入编织形成的信息网络之中，带动终端设备形成联动。这种技术原理来源于AI（人工智能）的雏形神经网络，具体对比展示图如图2所示。

图2 智慧建筑管理系统架构与神经网络模型对比展示图

智慧建筑将AI（人工智能）+IoT（物联网）技术实现建筑全量系统、设备、传感器的互联互通，消除传统智能化子系统，促进各类数据的无缝集成，通过建筑数据全维度的融合与处理，形成智慧化响应与决策，通过多样化的应用服务，形成建筑即服务的创新模式。未来智慧建筑将超越建筑的物理边界，将智慧建筑的范畴拓展至建筑群、社区乃至城市，打造出无限可能的数字世界。

3 智慧与低碳在现代建筑中的融合发展

3.1 智慧管控在建筑降碳中发挥的效用

在现代智慧建筑中，以智慧化手段做好建筑节能降碳主要有四大部分：

（1）在建设之初对整个建筑的用能设施进行分系统、分区域、分类别的规划，安装分类、分项能耗计量仪表、控制器，通过信息传输网络及时上传能耗数据。

（2）设置建筑能耗监测系统，该系统实现对能耗使用的全过程的监测和管理功能，可对建筑能耗进行动态分析和跟踪，实现能耗精细化管理与控制。

（3）通过楼宇自动控制系统（BA）管理建筑物内的空调、照明、水泵、新风等机电设备，通过自动控制系统将关联设备进行统筹，发挥设备群组的整体优势和节能潜力，既能够提高设备利用率，优化设备的运行状态和时间，又能够反馈应用层的节能策略，从而可降低能源消耗和成本。

（4）既定楼宇节能关联策略，在管理端设定主动干预的节能策略，如利用季节的变化、室内外温差进行新风换气策略，利用上下班高峰与人流潮汐制定电梯运行与悬停策略，利用室内传感装置既定有无人的设备唤醒功能等。

在建筑运行期间，在保证“舒适”、“高效”的前提下，做好建筑能耗的计量、监测、分析、预判的智慧管控，运用传感、数据分析、智能干预等手段，通过设定的策略对整体建筑用能设备进行主动优化。

3.2 智慧与低碳融合发展

双碳时代来临，公共建筑作为一项整体产品向社会提供服务，不但要美观和舒适，节能绿色更是其重要功能。建筑低碳和节能侧重建筑领域，智慧楼宇则以信息技术和传感技术为主导，两者在行业标准规范、管理模式、工程实施、技术实现等均存在差异。将智慧+双碳融合，需要从建筑规划开始，将设计、施工、运营紧密结合，自上而下从整个生命周期进行统筹规划，在遵循建设标准要求下，综合打造“智慧+低碳”的一体化解决方案，实现智慧加低碳的双驱动发展模式和融合发展。

在双碳目标要求下，未来建筑的“智慧”和“低碳”建设需要全过程的紧密融合，如同DNA 双螺旋结构一样，它们既是独立的，又相互促进。在融合发展的理念引领下，亟待形成新的技术规范、标准体系，需要相关政府部门、高校研究机构和企业通力合作，使建筑、人、环境三者能够共同健康发展，助力双碳目标实现。