绿色节能技术在海洋装备智能制造基地建筑设计中的应用及探讨

张维明

中海油能源发展装备技术有限公司 天津 300452

1 研究背景

面临国际石油价格的低迷和国际社会的环保的重视，能源绿色低碳转型是当今世界共同面临的重大课题，在2021年政府工作报告中关于“碳达峰、碳中和”的相关要求背景下，传统制造业朝着“高端化、智能化、绿色化”协同发展和转型，已成为现阶段重要方向信标。石油石化制造业企业开始在超低能耗建筑方面积极探索，在积极筹划发展智能制造的同时，考虑建成一批近零碳排放楼宇、工业厂房、园区等示范项目，文章主要针对海洋装备智能制造基地建筑设计展开绿色节能技术的研究，基地一般包括研发楼、工业厂房、降压站、换热站等建筑，钢结构工业厂房面、停车场车棚等顶适宜布设太阳能光伏，开展绿色节能技术研究有一定的优势[1]。

2 研究意义

2.1 研究的必要性

超低能耗建筑是建筑节能发展至零碳建筑、零碳工厂的必经阶段，通过采用多种技术手段，包括引进智能控制手段，主动或被动降低、优化建筑能耗指标，提高耗能设备效率，降低产品生产陈本、提升建筑舒适度，是适应国际形势发展及我国当前经济发展水平的深度节能建筑形式，是落实我国建筑业、制造业双碳目标的必然举措。

2.2 超低能耗建筑优势

（1）室内舒适度。包括最佳温湿度范围、新风系统最高效PM2.5过滤、健康的室内空气品质、最高效隔音降噪围护结构保障了最宁静的室内空间等。健康舒适的室内环境带给使用者的健康收益、工作效率提高，满足人民群众对美好生活的向往。（2）超低能耗。其能耗可较国家现行节能标准再降低50%～90%，微排放公建：节能率82.5%以上；居建供暖节能率：可达90%以上供暖能耗大幅降低。（3）其他优势。更高水平建筑质量，更长久的建筑使用寿命，提升大额不动产的保值增值性。助力清洁取暖顺利实现。大幅降低使用端的能源需求，节约市政基础设施及能源配套投资费等。展现开发商良好的企业形象、社会责任感及行业影响力。促进建筑行业向高质量，精细化方向进行产业升级[2]。

3 设计措施

碳中和建筑采用的技术方法可总结为以下几点：首先根据建筑环境、业主需求采用被动降能、节能技术；其次主要通过增加智能控制等手段主动优化、节能；接着通过不断挖掘适用的可再生能源替代技术，大幅降低化石能源的供给；最后，通过建筑屋面及周边绿化进行碳中和，从而达到“建筑净碳排放量为零”的目标。

3.1 被动节能

被动节能设计是最优先考虑的因素，尤其是我国北方地区，主要表现在通过提升建筑保温隔热性能追求能耗需求的降低。如采用高性能围护结构，提升围护结构热工性能，降低建筑热负荷；外窗遮阳以降低建筑热负荷；采用自然采光减少照明能耗；采用自然通风减少建筑空调的使用时间；气密性提升；断冷热桥；屋顶绿化；地面保温等。

3.2 主动优化

主动式能源系统优化，提高建筑用能设备的用能效率，如使用高效LED照明系统，提高照明系统效率；使用光导管——减少人工照明；采用新风热回收系统，降低建筑空调能耗，夏季室外空气相对湿度较大，宜选用全热回收装置，具有更好的节能效果；采用智能化控制系统，提高建筑智能化水平；输配系统变频控制；温湿度独立调节等[3]。

3.3 能源替代

利用适宜的可再生能源替代常规能源，降低化石能源供给，使用太阳能光伏系统、风电系统、地源热泵、空气源热泵、水源热泵等为建筑提供能量，如空气源热泵系统适合于项目所在地所处的夏热冬冷地区，能效高，无需机房，节约冷却水资源，另外，经过合理设计的辐射供冷供暖系统舒适性高，无吹风感，噪音低，空调季供水温度16～19℃，进一步提升地源热泵系统能效，降低运行能耗；采用雨水收集及回用、建筑材料再利用等绿色建筑技术。

3.4 植物碳汇

采用屋顶绿化、建筑周边绿化等绿色建筑技术中和建筑碳排放。

4 实践应用

4.1 建筑专业节能降碳技术

车间屋顶采用压型钢板屋面，屋顶采用有效的隔热措施，在天气晴朗的时候，车间的窗户可以开启，主要向阳面采用百叶遮阳，有效降低阳光直射导致室内气温升高的同时可以保证良好的自然通风，达到降温和防潮的效果。车间采用可开启关闭的玻璃窗户和防雨式的机械通风手段，在阴雨的天气里既能保证室内空气的对流，也能防止雨水侵灌到室内。

针对梁、柱结构性热桥部位，针对不同部位采用不同的保温技术。比如针对窗台板等悬挑钢筋混凝土结构满足强度要的条件下采用导热系数更小的缓凝土结构材料，针对外门窗周围涂抹型高效保温材料；针对外墙楼板、屋面板增加保温板等技术，提高热桥等部位的热阻；降低表面发霉、结露等的风险。

北方的车间以自然通风为主；研发楼外窗设置可开启外窗。

研发楼充分利用天然光，保证室内主要功能空间至少60%面积比例区域的采光照度值不低于采光要求的小时数平均不少于4h/d。

研发楼的西南东向外窗玻璃设置可调节遮阳措施，改善室内热舒适性。

采用高耐久混凝、耐久性好的外饰面材料、耐久性好的密封、防水材料，室内涂料、壁纸、陶瓷砖、人造板、木地板、防水与密封材料等装饰装修材料的有害物质限量符合绿色产品评价国家标准的规定。

研发楼采用隔声性能好的外窗、外墙材料，地砖楼板设置减震垫，保证主要功能房间具有良好的隔声环境。研发楼的办公室、会议室之间采用通用开放、灵活可变的使用空间设计，具体措施包括开敞大办公空间或轻质可再利用隔断墙。

选用低噪声机电设备产品，设备安装采取减震措施，管线安装及孔洞处理采取密封隔声措施。

4.2 结构专业节能降碳技术

研发楼采用框架-剪力墙结构；生产车间及库房采用轻型钢结构，屋面和墙面采用带保温的压型钢板，充分利用了钢材的可再循环利用性。

海洋装备智能制造基地选址一般靠近或临近海边，在地基设计阶段应充分调研并考虑土质的特殊性，在满足质量要求的前提下，在进行选材、安全、效率等方向的研究，坚持绿色化、节能化环保理念，对地基设计方案进行优化。在保证结构安全性与耐久性的前提下，对结构体系和结构构件进行优化设计。混凝土选型应考虑高耐久性，钢结构的选型应考虑耐候环境和防浮涂料要求。

在原材料选型阶段，应着重考虑绿色材料优先，加大可循环利用资源的推广，同时还应考虑在运输过程中对碳排放的控制。绿色生产不应只关注结果数据，应真实做到从源头关注。

减少现场焊接工作，通过改变结构、连接方式，以及场地预制等策略，减少现场施工工作量。

4.3 给排水专业节能降碳技术

在泵设备选型阶段，加大对功率参数的关注，充分利用变频技术，通过增加稳压管来减少泵设备的布设或功率要求。变频技术除传统的固定模式+手动调节功能的基础上，可以增加人工智能（AI）算法和机器学习功能，结合能碳管理中枢，结合生产环境进行自动调优。

采用节水器具，水嘴采用感应式；坐便器采用双档；小便器采用感应式；蹲便器采用脚踏式冲洗阀或感应式冲洗阀。

在室外用水环境中，有效利用重力阀门原理，减少电能的输入，增加给排水系统的能效价值。

庭院绿化采用微喷灌节水灌溉方式。

4.4 暖通专业节能降碳技术

在建筑内部预先布置多种传感器获取室内环境数据，包括室内外温度、相对湿度、风速特征和上一时刻用户舒适度反馈特征等。结合热平衡方程展开的二节点模型带入回归预测模型，预测下一时间段冷热负荷。通过负荷优化模型、运行策略优化模型、管网优化模型、经济分析模型，对多能互补冷热源系统进行优化调控。匹配冷、热源设备数量及装机容量，避免冷、热源设备长期低负荷运行现象，降低能耗。

选用低转数的风机，减少风机温升，调节阀门设置得当，降低风系统输送能耗。

采用全空气空调的区域均可实现过度季加大新风量或全新风运行。

选用高效节能设备，其各项技术性能满足节能设计标准的相关要求。采用热回收式新风处理机组，其额定热回收效率＞60%，以期达到节能降耗的目的。

4.5 电气专业节能降碳技术

硬件方面构建数字化全场景数据物联基础功能，以数字化和信息化为导向，增加断路器、空开设备的电量采集功能（包括瞬时电量和统计电量）。

软件方面构建分布式多场景智能照明系统，采用超六类屏蔽网线作为总线线缆，将所有开关驱动器、传感器、智能照明控制模块连接到一起，组成一套完整的控制系统；同时具有定时、联动、场景、远程控制等功能，利用AI结合智能算法给出最节能控制方案，智能利用自然光源以实现最优的能源管理。

本工程公共区域、停车库、大型研讨室、大型实验室设有智能照明自动控制系统。

4.6 电力节能降碳技术

以智能制造基地35kV降压站作为主站，以各生产车间和研发楼为从站，设立电能质量监测系统，并在传统的电力监测功能上增加智能断路器（输出信号）、极早期火灾预警（输入信号）、光伏监测（输入信号）、电能模型曲线（输出信号）等功能。电力监测系统作为端侧的电力实施监控软件，最终将统计电量、曲线、模型等传输给智能制造基地指挥中心的能碳管理系统。

4.7 光伏发电节能降碳技术

能源结构的优化调整是节能降碳的重点。针对分布式多场景照明系统、冷热源系统、多场景分布式“光伏+”系统进行合理设计；依据能耗双控目标，分级设定各子系统及环节节能及减排目标，通过智能控制装置和5G技术实现最优节能调控，实现以绿标产品为导向的能源系统逆向控制。本次智能制造基地建设项目旨在先试先行，在多种发电应用模式中筛选出最适合基地生产和运维的智慧模式，甚至搭建多模式可切换的智慧用能系统。

（1）项目地光照资源。根据瑞士Meteonorm气象研究所的气象数据，天津市年均太阳辐射量为1334.5kWh/m2。根据GB/T37526—2019太阳能资源评估方法，该地区属于III类地区，适合进行光伏电站的建设。（2）光伏发电设计原理。分布式光伏发电系统的主要设备包括太阳能组件、光伏支架、逆变器、箱变、并网柜、供电系统监控等。（3）智能光伏管理系统。能源集中化管理呈现必然趋势，其主要特点为：统一管理，避免不同系统之间的切换与二次人工数据处理；基于5G技术，高速传输；不存在光纤故障定位问题；通过智能光伏终端、无人机、远程专家协同高效运维。（4）光伏系统应用。以某车间为例，采用光伏建筑一体化（BIPV）光伏形式，组件规格300Wp，组件数量1092块，装机容量327.6kWp，需预留13kg/㎡光伏荷载（不含屋面板）。整个基地光伏装机总容量4008kWp，峰值日照小时数1334.5h，系统效率设计理论值约80.5%，第1年，光伏系统发电量430.5684万度，组件衰减系数98.00%；第2～25年，平均每年衰减0.45%。25年总发电量10171.0804万度，25年年均发电量406.8432万度。

5 结束语

随着“双碳”战略逐步深化，海洋装备智能制造基地绿色协同生产已转变为行业发展趋势。在推广绿色建筑的实施过程中，不仅要关注绿建指标要求，还应关注软件管理系统配套。一方面，海洋装备智能制造基地要建立绿色建筑、绿色供应链，要求上游零部件、原材料供应商提供低碳、绿色材料；另一方面，海洋装备智能制造基地本身要进行减量化等绿色设计，通过建立能源与碳排放追踪体系和监控平台，实施相应的节能降碳措施。企业“绿色生产”转型不是一蹴而就的结果输出，需要管理层在管理思路中进行同步转化，总体来说企业的绿色节能转型需要以硬件场景为支撑，以软件模型为核心，以增加能效价值为目标，以体系规范为保障。相信在国家政策的扶持和试点项目的推动作用下，大多数企业能够真实有效的实现绿色生产目标。