住宅运行阶段碳排放智能监测控制系统设计

苗泽惠， 韩光伟

（吉林建筑大学）

1 引言

《中国建筑能耗研究报告2020》发现建筑行业直接或间接产生的碳排放量占我国排放总量的51.2%，其中运行阶段的碳排放量占全寿命周期的42.8%[1]。作为高污染高耗能的建筑业是我国国民经济的重要一环，迫切需要朝着更加绿色、低碳的方向发展。

在我国城镇化水平和城市人口不断攀升的背景下，2021年我国房地产开发投资额累计为147602亿元，其中新建住宅投资总额为111173 亿元，占比75%，同比增长6.4%[2]。同时随着我国“双碳”目标的提出，对住宅的碳排放问题提出了更加严峻的挑战，其碳排放总量的高低将直接影响我国碳减排进程。

住宅运行阶段碳排放智能监测控制是指在住宅运行阶段通过对能耗数据以及系统相关参数等进行采集、传输、控制分析与执行，实时显示建筑物的能耗与碳排放状况并对其进行调整优化[3]，达到提高管理水平和效率，降低建筑能耗与碳排放量的目的。住宅运行阶段碳排放智能监测控制系统的应用将会在一定程度上推动建筑行业高耗能、高碳排放问题的解决。

2 碳排放智能监测控制系统现状

2.1 智能化程度较低

当前系统数据采集质量较差，智能分析处理能力不足，尤其是处理后数据的标识、归类分析能力较差，造成管理人员难以辨别和处理问题数据，导致实际能耗和碳排放监测数据与建筑真实情况相差甚远，干扰、误导节能减碳工作的正常进行[4-5]；控制方式较为原始，设备的智能化控制应用较少，缺乏对环境和使用需求改变后的自适应调节控制能力；控制策略调整技术落后，对使用场景更换的智能调整能力不足，造成系统运行过程中供需两端的不平衡。

2.2 集成化程度较低

数据分布较为分散，整个住宅区域不同系统数据的集成度较低，不能够发挥集群效应，很难发现不同系统间深层次的内在联系；当前系统架构不能做到分户监测与集中监管，不利于进行各区域、各系统间碳排放的协调控制，无法利用资源互补优势；管理模式较为单一粗放，对资源的整合、发掘再利用深度不够，发挥不出资源聚合放大、功能倍增的效果，应急状况下资源统一调配能力较差[6]。

2.3 精细化程度较低

数据采样量和采样密度不足以支撑系统的运行，影响整个系统的精细化监测控制；数据采集的精细度低，覆盖的范围较小，导致系统对能耗与碳排放的控制能力和控制精度受限；控制策略较为粗放，针对不同使用特征缺乏差异化控制手段及系统设备间的联合协调控制能力。

3 系统参数设计

系统参数的获取是建立住宅碳排放智能监测控制系统的基础，只有获取了一定数量的环境参数、系统内部参数及控制参数才能建立起行之有效的智能监测控制系统。

3.1 环境参数

环境参数包括室内外温湿度、光照强度，目标区域的门窗开合、遮阳设施状态、围护结构传热、采光系数，人员的数量及活动状态等参数。掌握区域自然状态下环境特征，依据目标区域的整体特性以及相关设施对环境的改变情况，有针对性地利用相关设备调节区域环境是降耗、减碳的关键。

3.2 系统内部参数

系统内部参数包括公共和私人设施两部分，主要涵盖电梯、暖通空调、电气、给排水、燃气及生活热水等设备的运行、传输状态以及终端需求情况。各系统供给端、传输端、需求端内部运转参数及直接能耗数据，是对运行阶段碳排放进行精准控制的重要依据。

3.3 系统控制参数

系统控制参数主要指能够改变碳排放量的外部环境、设备以及控制节点等元素的参数，主要包括外部环境调节、设备的启停、功率调节、阀门管路调节以及电子工单故障预警等。

4 系统控制模式与架构

4.1 系统控制模式

系统采取分级差异化控制模式，针对住宅的特点建立公区数据集中控制，私区分户控制，集成管理的控制体系，将整个住宅区的能耗数据集成于统一的控制中心，不断利用数据的积累挖掘系统间的联系，发现用能特点，发挥资源整合优势，不断建立和丰富的系统使用场景，在满足使用功能的前提下根据使用场景的变化最大限度降低碳排放量，并根据用能特点和住宅使用者的年龄结构、地域特点、气候特点等，有针对性地推送差异化使用建议。

4.2 系统架构

系统围绕碳排放构建以感知层、传输层、控制层和应用层为基础的智能监测控制系统架构（见图1），构筑更智慧的住宅运行阶段碳减排控制系统，提供更加可靠的用能保障，实现低成本、低能耗和低碳排放状态运行，从而达到住宅运行阶段碳减排目标。

图1 智能监测控制系统架构

4.2.1 感知层设计

感知层分为环境感知和设备感知两部分。环境感知主要通过传感器等手段对公区以及私区耗能系统中各目标区域的环境变化量，人员的活动状态等进行感知，采集目标区域中环境变动参数；设备感知主要是从供、输、需三方面对提供热量、光照、水、燃气等资源转化耗能设备的运行、能量的传输以及终端需求状态进行感知，采集目标区域中系统内部的运转参数。

感知层可运用模块化编码技术，解决数据采集端的信号源不明确问题。将数量众多，类型复杂的传感器按类别和数据类型进行分类编码，每台设备或控制点在系统中拥有唯一确定的且与之位置相对应的编码地址，采用兼容性更强的通讯协议，避免传感器设备品牌多样性导致各传感器生成信号不兼容的问题。

4.2.2 传输层设计

传输层主要负责不同层次间数据的输送，主要分为传入与传出两部分，利用光纤、电缆、无线网络等将感知层采集数据传入控制层，再将经控制层处理后的指令信号传出至相应的应用层执行器。传输层将重点解决各级信号传输过程中能量损耗，信号衰减，电磁干扰等问题。

4.2.3 控制层设计

控制层则是采用一定的算法和控制原理，对感知层采集到的数据进行处理和反馈，重点解决数据的集成、智能分析、自主控制功能。通过建立建筑物中内部各类设备性能、环境变量参数及标准数据阈值参数的数据库，将采集的数据参数上传至控制层进行逻辑运算，与数据库内环境、设备标准数据阈值参数进行比对，根据检测到的实际使用需求，采集数据与标准值的偏离程度[7]，按照改变区域环境因素为主，耗能设备主动增效为辅的策略，排列出需要进行调整的设备及环境因素的优先级，并结合单位影响因素改变量与目标调整量的相关度，确定相关参数调整量或进行使用场景的切换，向应用层对应执行器下达指令信号，同时由内部数据管理系统执行存储等操作；若采集的数据中某一影响因素偏离程度较大，超出设定好的偏离阈值，控制层会在发出指令信号的同时，发出预警信号，打印故障明细及电子检修工单。

4.2.4 应用层设计

应用层主要包括碳排放数据显示、控制执行器和电子工单管理，重点解决设备等控制端的协调和控制整个设备动作的技术问题。碳排放数据显示部分是对建筑物实时碳排放量、累计碳排放量、节约碳排放量以及其他碳排放相关信息的直观展现[8]，后续可以将该数据接入政府相应的监管平台进行监督或碳交易市场进行碳交易；控制执行器通过获得控制中心的指令，调整各型设备的运行、运转参数，切换设备的使用场景和控制策略等，负责执行具体的相关控制指令；电子工单管理则是对异常数据进行预警后，通过电子工单及时告知相关人员检修诸如设备老化降效、管路拥堵、墙体保温失效，更新异常设备等情况以及向相关使用者推送差异化使用策略。

5 结语

绿色低碳是未来建筑业发展的主题和重要目标，通过对住宅运行阶段碳排放智能监测控制系统的设计能够很好地实现运行阶段能耗与碳排放水平的降低，运行过程中能耗与碳排放监测与控制的智能化、管理的精细化和数据的可视化，提升了运行阶段的管理效率，达到住宅在运行阶段碳排放量降低的目的，加速推动我国“双碳”目标的实现。