建筑智能化设计在节能与可持续发展中的应用

凌玲

（广西壮族自治区建筑科学研究设计院）

1 引言

建筑节能与可持续发展是现代工程建设的重要方向，有利于提高城市建设质量，降低人类活动产生的负面影响，促进经济建设与生态建设的和谐统一。在全球资源紧张、环境持续恶化的时代背景下，可持续发展理念更加注重节能降耗，提倡绿色建筑设计，提高资源循环利用率，注重新能源的推广和应用。随着智能化技术的发展和普及，建筑的节能措施和节能技术的日益完善，构建的空间环境将更为舒适、健康、和谐。

2 建筑智能化设计在节能与可持续发展中的应用原则

建筑智能化设计在节能与可持续发展中的应用主要体现在通过智能化控制系统实现资源节约、提高资源利用率的目的，构建建筑与环境、人与环境健康良好的互动关系。建筑集成化设计是一种多专业配合的设计理念，能够从整体出发将各种专业因素统筹协调，结合多种技术和形式进行针对性设计，更好地满足节能与可持续设计需求。建筑智能化设计将智能与绿色有效结合，在提高建筑智能化水平的同时，符合可持续发展要求，体现了集成化设计理念。在设计时，着重从资源节约、高效集成、环境舒适等基本应用原则出发，最大程度地利用自然资源与周围环境，协调建筑单体与环境的关系，将各专业系统设计与建筑结构设计深度融合，降低施工安装难度，突出建筑全寿命周期的节能性、环保性、可持续性。高效集成应用原则主要依赖于智能化控制技术、信息化技术、计算机网络技术、自动化集成处理技术等的发展，通过模块化、标准化设计，为管理者提供界面友好的操作系统和个性化服务，实现智能化集成管理，从而降低建筑运营成本。建筑智能化设计体现出以人为本的理念，创造更为便捷、舒适、健康的活动空间，主要体现在室内采光环境、室内热环境、室内声环境等方面，需要采用智能化技术，根据相关标准规范进行量化控制，做到精细化的舒适度调节[1]。

3 建筑智能化设计的具体应用

3.1 自然采光智能化设计

3.1.1 采光节能智能化设计

采光设计是满足建筑使用功能的基础设计，对建筑节能与可持续发展影响较大。建筑采用智能化的采光设计，应该在条件允许的情况下，尽可能合理控制利用自然采光，并结合人工照明方式，满足总体需求，创造健康舒适的光环境。它采用能够自动跟踪太阳的采光设备，可以利用光导管系统，将自然光引入到建筑中，该系统主要包括采光装置、防雨装置、调光装置、标准管、漫射器等部分组成，其中，调光装置可以自动跟踪太阳，实现主动性的阳光采集，根据光线情况进行适当调节，在系统应用过程中，可以通过设置照度值或照度时间，自动启动电力、调光装置、照明系统等设备设施，实现采光智能控制的效果。光伏光导一体化系统有效将光导管系统和光伏系统结合运用，在日间可以利用光导照明系统实现采光照明，在夜间可以使用光伏系统提供电源的照明系统，从而取代传统的电力照明系统。除了自动跟踪采集利用太阳光，还可以进行智能化反光系统设计，通过计算机系统程序设计，自动控制调整反光装置旋转角度，保持阳光反射效率，改善室内照明的情况，新型日光偏转百叶系统不但能够改善室内光环境，而且还可以调整室内热环境，在普通百叶遮光原理的基础上，将普通百叶分为反复反射器和光纤支架两个部分，通过智能化控制能够随着光线射入角度变化随意转动。

3.1.2 遮阳节能智能化设计

遮阳设计能够调整太阳对建筑采光和热环境的影响，主要针对墙体外立面和屋顶结构进行设计。传统的遮阳处理方式有内部遮阳和外部遮阳两种，内部遮阳通过安装窗帘、百叶窗等装置实现，外部遮阳则可以通过设置遮阳板、遮阳棚等设施实现。这些设计策略虽然能从一定程度上避免阳光直射，但是适应性和灵活性较差，不能根据太阳高度、角度进行自动调整。采用智能化遮阳设计则可以更好的适应环境变化。百叶式光伏幕墙系统设计应用打破了以往的幕墙设计形式，不但具有遮阳功能，还具备了发电功能和美学性能，在减少建筑对太阳能吸收量的同时，实现了太阳能资源的充分利用。它将具有较高透光性能的晶硅光伏组件作为百叶使用，不仅不会影响室内采光，而且根据内层采用热反射镀膜钢化玻璃，外层为透光率较高的钢化玻璃的特点，利用设备监控系统进行相关数据的采集和其运行的控制。同样，建筑屋顶的遮阳智能化设计，采用屋顶太阳能遮阳系统，将屋顶和立面幕墙的光伏组件整合起来，实现建筑围护结构的集成节能处理，通过共同作用调节室内微气候[2]。

3.2 自然通风智能化设计

在建筑节能与可持续发展中，自然通风设计与采光设计同样重要。根据集成化设计理念，可以将采光设计与通风设计共同考虑，以建筑围护结构设计为基础，通过呼吸式玻璃幕墙系统，实现采光控制与通风控制的有效结合。建筑设计中的自然通风利用需要根据气候条件，充分利用风压、热压原理，并结合机械辅助手段，为建筑室内提供新鲜空气，实现释放热量、物理降温的目的。所以，在设计时除了要考虑自然环境、朝向布局、细部构造、室外绿化等主要因素外，还要针对太阳能强化自然通风以及计算机模拟自然通风方面着重研究，构建一个有组织的自然通风系统，能够得到可视化的通风设计效果，为室内风环境设置提供数据参考。智能化建筑自然通风系统在自然通风设计的基础上加入智能控制环节实现，主要包括通风装置、控制系统以及各种传感器。电动翻板是典型的智能通风装置之一。其传感器负责采集阳光、温度、雨量、风速等方面信息，在当相关数据超过设定允许值时，传感器会将信息传递给控制中心，控制中心发出操作指令，调整通风装置工作状态。通过合理设置通风控制优先级，保证在不同气候条件下的设施安全。此外，还通过合理控制通风系统创造舒适健康的室内环境，比如，在风力或降雨过大时，强行控制通风装置关闭；当雨过天晴后，根据室内外传感器采集到的数据，调整通风装置开启状态，利用风压和热压进行空气自主交换，满足室内温度和空气流通调整的需求。因为影响自然通风的因素比较多，在进行智能化节能设计时，需要结合气候条件、总图设计、建筑设计、结构设计等多学科多专业进行。如果要实现风压通风，就应该着重考虑整体建筑布局，并且对建筑外形、风向等方面加强研究，科学计算压力差，通过巧妙设计，将穿堂风合理应用。这主要是利用了室内外存在高度差、温度差、密度差，造成室内外气压不同，从而产生热压效果的热压通风的主要原理。

3.3 电气系统智能化设计

3.3.1 人工照明智能化设计

除了利用自然采光进行室内照明，人工照明系统也是主要的建筑照明手段，尤其在自然采光比较困难的情况下，可以创造良好的光环境。采用智能化设计方法，能够提高电能的利用率，起到节能降耗的效果。智能照明控制系统是一种数字化、模块化的分布式控制系统，主要由探测模块、控制模块、操作模块等部分组成。根据不同区域不同时间不同照明需求，灵活采用分区控制、分时控制、分回路控制等多种策略，实现照明资源利用率的有效提升。在使用情况规律的地方，应用预测控制策略，可以通过设定的时间控制照明系统，配备亮度传感器；当室内照度低于设定照度时，自动启动控制计划，反之则会自动关闭照明设备，避免出现能源浪费情况。在使用情况经常变化的场所，可以采用红外线控制策略，配备红外感应探测器。当检测到有人进入空间范围时，能够自动开启照明设备；人走后自动关闭。智能化节能照明设计也可以采用恒照度控制方式，利用亮度传感器采集亮度信息，通过调光模块自动控制亮度值，使其保持在合适范围内。无论采用哪种控制方式，都需要与自然采光设计有效结合，选择优质高效的照明设备，借助计算机、传感器、网络通讯等信息技术，将多种光源共同构成的照明系统作为控制对象，实现人机交互智能操控[3]。

3.3.2 空调系统智能化设计

空调系统是一种典型的人工通风设计，在充分利用自然风进行通风调节的同时，通过暖通专业设计调整室内温湿度。空调系统在建筑设计中是能耗大户，已经成为建筑节能设计的重点研究对象，而空调系统的智能化节能设计相对复杂，需要在以往的设计过程中融入智能化设计理念和技术。在空调系统的智能化设计中，可利用二氧化碳传感器，与新风阀、回风阀相互联动，更好地调节空气质量，利用温度传感器检测室内温度，并将数据与上位机设定值进行比较分析，调整冷热水阀的具体开度，实现室内温度调节的目的；在过滤网两端部位安装压力开关，当灰尘累积到一定程度堵塞过滤网时，就会自动报警，提示更换或清洗过滤网；在北方地区，可在冷热水盘管部位安装防冻开关，可以有效防止冷热水盘产生冻坏问题。在降低能耗方面，采用智能化控制策略，保证空调机组运行质量和效率，逐步降低能源消耗，尤其是在安装中央空调系统的办公大楼中，空调能耗几乎达到整体能耗的一半，设计智能化楼宇自控系统，加强软硬件开发应用，大约能够节约1/4的能源消耗；在设备反馈情况方面，系统可根据自动报警信息，及时精准定位运行故障，达到智能化管理的目的。

3.4 关于太阳能利用的智能化设计

太阳能是人类应用相对成熟的清洁能源，在建筑设计中纳入太阳能系统能够增强清洁能源利用率，实现主动式和被动式的建筑节能。太阳能光伏利用系统可以将太阳能转化为电能，主要由太阳能光伏阵列、蓄电池组、逆变器、配电柜、整流器等部分组成，利用智能控制系统对各组成部件进行运行状态监测，可以提升太阳能利用率，合理分配电能。当蓄电池组充电达到上限电压后，自动断开开关，停止充电作业，当电压回落到某一数值时恢复充电，如果下降到下限电压则会停止供电，防止蓄电池过度放电，起到一定的保护作用。在城市电网监测方面，实时采集城市电网各项参数，在蓄电池电压过低时，可以通过城市电网进行充电，如果城市电网出现断电情况，自动启动柴油发电机给蓄电池组充电，当蓄电池深度放电接近放电下限时，系统会自动切断负载，当光照恢复后自动恢复设备运行，实现蓄电池组的高效利用和保护[4]。

4 结语

综上所述，智能化设计和节能设计是建筑设计的主要发展方向，有利于解决建筑行业高能耗、高污染的现实问题，降低人类活动对资源环境产生的负面影响，为人们提供便捷、舒适、健康的活动空间，对实现“碳中和、碳达峰”起到重要的作用。所以，必须在实际工作中践行可持续发展理念，以信息采集、分析、处理为核心，运用现代化、智能化以及绿色节能的技术手段，提升建筑工程全寿命周期的综合效益。