上海地區(qū)公共建筑能源智能管控技術(shù)的思考

顧麗韻

上海市建筑科學研究院有限公司

0 引言

近年來，隨著我國公共建筑規(guī)模及平均能耗強度的增長，公共建筑能耗已經(jīng)成為建筑運行消耗中占比最大的部分[1]。據(jù)《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2020》發(fā)布，2018 年全國公共建筑（不含北方地區(qū)供暖）能耗為3.32 億tce，在四個建筑用能分項中的占比約33%，而依據(jù)《2019 上海統(tǒng)計年鑒》粗略測算，由于上海經(jīng)濟發(fā)展水平在全國居領(lǐng)先地位，且不存在冬季采暖能耗，上海地區(qū)2018 年公共建筑能耗占民用建筑能耗比例不低于60%，公共建筑節(jié)能降耗的空間仍十分顯著。

在占據(jù)建筑物大部分生命期的運行階段，融合了信息、決策、控制等要素的智能化、信息化是確保建筑內(nèi)各系統(tǒng)相互匹配、協(xié)調(diào)運作，最終實現(xiàn)節(jié)能目標所不可或缺的技術(shù)手段，作為一種低消耗、高產(chǎn)出的“智力密集型”技術(shù)，其作用不可低估、無法替代。因此，充分應(yīng)用智能化技術(shù)提高公共建筑能源管理水平，滿足節(jié)能運行的做法勢在必行。

智能化技術(shù)在公共建筑內(nèi)的主要應(yīng)用形式有兩類：一類是能源分項計量系統(tǒng)；另一類是傳統(tǒng)的建筑設(shè)備控制系統(tǒng)。前者滿足能耗數(shù)據(jù)的分類分項采集傳輸與統(tǒng)計分析的要求，但缺乏對設(shè)備的優(yōu)化控制和管理功能，無法直接產(chǎn)生節(jié)能效果。后者主要管控建筑內(nèi)分散設(shè)備的運行質(zhì)量及安全狀況，并不能實現(xiàn)以建筑能源優(yōu)化利用為目的、對建筑用能系統(tǒng)的有效管理與控制。兩類系統(tǒng)似乎都無法解決智能化節(jié)能的問題。那么，建筑能源智能管控技術(shù)的最新發(fā)展狀況及趨勢如何、未來是否具備推廣應(yīng)用的可行性？本文以該問題為驅(qū)動，對國內(nèi)公共建筑設(shè)備控制系統(tǒng)及能源管理系統(tǒng)開展調(diào)研，以上海地區(qū)為例，走訪不同類型公共建筑，實地了解其能源智能管控技術(shù)的應(yīng)用情況，并在此基礎(chǔ)上，對技術(shù)的研究與發(fā)展提出對策與建議，以為相關(guān)標準及政策的研究制定提供依據(jù)。

1 公共建筑能源智能管控技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

1.1 標準規(guī)范

在近10～15 年內(nèi)，我國相繼發(fā)布了相關(guān)的國家標準及行業(yè)標準，以推廣公共建筑能源智能管控技術(shù)，并規(guī)范其設(shè)計、實施與驗收，包括《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》GB 50189-2005、《建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》JGJ/T334-2014、《建筑節(jié)能工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》GB 50411-2007 等。上海市建設(shè)和交通委員會也在2008 年發(fā)布了《關(guān)于進一步加強本市民用建筑設(shè)備專業(yè)節(jié)能設(shè)計技術(shù)管理的通知》（滬建交〔2008〕828 號）。本文通過對上述標準和文件進行調(diào)研分析后，將我國主要推廣應(yīng)用的能源智能管控技術(shù)進行了總結(jié)歸納(見表1)。

1.2 國內(nèi)外智控產(chǎn)品的研發(fā)成果

國內(nèi)外樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)廠商對新產(chǎn)品的研發(fā)，除實現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)庫整合功能之外，也開始注重引入節(jié)能、環(huán)保、舒適的綠色理念，持續(xù)加強設(shè)備能耗監(jiān)測情況、優(yōu)化各系統(tǒng)節(jié)能運行策略、設(shè)施設(shè)備生命期管理的功能設(shè)計，并針對不同建筑類型的用能需求和運行規(guī)律推出相應(yīng)的管控功能，例如美國Johnson Controls 針對商業(yè)建筑VAV 系統(tǒng)設(shè)計的“變靜壓控制”“變靜壓設(shè)定值控制”“定靜壓控制”以及“總風量控制”策略，加拿大Delta Controls 提供的醫(yī)療建筑節(jié)能解決方案，同方泰德科技公司針對城市綜合體推出的智能燈控、空調(diào)機房群控、空調(diào)輸配系統(tǒng)變頻控制功能等。

表1 我國相關(guān)國家標準對能源智能管控技術(shù)的設(shè)計要求[2]

1.3 新一代信息技術(shù)驅(qū)動下的樓宇智控技術(shù)應(yīng)用新模式

近5年來，隨著新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)和思維模式逐漸被運用至樓宇智能化節(jié)能技術(shù)的研究中。肖建平提出了采用搜索與規(guī)劃技術(shù)而不依靠人類工程師設(shè)計的控制邏輯和策略對中央空調(diào)的冷熱源進行控制的方法，從而能自主靈活地應(yīng)對日常使用需求，并在該方法基礎(chǔ)上使用機器學習手段根據(jù)各種數(shù)據(jù)預(yù)測建筑物空調(diào)負荷需求，以減少空調(diào)的過量供應(yīng)、降低空調(diào)能耗[3]。王宏等人以AIoT（人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)）在實際綠色智能建筑樓宇自控中的融合應(yīng)用為目標，研究了基于AIoT 的智能建筑樓宇自控系統(tǒng)總體層級架構(gòu)、智能自動照明系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化控制及其故障診斷與預(yù)測方法[4]。姜子炎從自然界生態(tài)系統(tǒng)和人體神經(jīng)系統(tǒng)的運行規(guī)律中得到啟發(fā)，提出了在智能建筑中構(gòu)建“無中心控制系統(tǒng)”的設(shè)想，將智能群落的基本空間看作一個單元，然后思考它們之間怎么相互協(xié)作，實現(xiàn)整個建筑的節(jié)能降本運維。

2 上海地區(qū)公共建筑能源智能管控技術(shù)的應(yīng)用狀況

為掌握公共建筑能源智能管控技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，本文以上海地區(qū)為例，選取了不同建設(shè)年代、建筑功能、建筑體量及運營模式的7 棟公共建筑、1 個辦公園區(qū)、1 個醫(yī)院園區(qū)和1 個科研實驗園區(qū)的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)及能源管理系統(tǒng)開展實地調(diào)研，并對調(diào)研結(jié)果進行匯總分析如下。

1）被調(diào)研建筑（園區(qū)）的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)使用率為100%，且系統(tǒng)對用能設(shè)備控制基礎(chǔ)功能的涵蓋范圍比較完整、開通運行率也很高，除某學校外，其它被調(diào)研對象均實現(xiàn)了包括冷熱源、空調(diào)機組、新風機組、照明等在內(nèi)的全部用能系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測、手動、遠程控制和故障報警功能。

2）就能源智能管控技術(shù)的應(yīng)用深度而言，各調(diào)研對象的狀況參差不齊，其采用的控制技術(shù)措施分布情況如表2所示。

其中，電分項計量技術(shù)、空調(diào)機組或新風機組控制，被運用得最多，這與政府部門近年內(nèi)大力推動公共建筑能耗監(jiān)測以及人流量變化較大的綜合、商場、醫(yī)療類建筑對室內(nèi)環(huán)境舒適度、健康性能的要求較高有關(guān)。調(diào)研同時發(fā)現(xiàn)樓宇內(nèi)的電分項計量系統(tǒng)大都為獨立運行，未與建筑設(shè)備控制系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)同運行，傳統(tǒng)的樓宇自控系統(tǒng)需要人工干預(yù)，未實現(xiàn)根據(jù)既定輸入?yún)?shù)的自控（見圖1）。

3）就設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用模式而言，本次調(diào)研對象的情況可分為三類，如表3所示。

表3 各調(diào)研對象設(shè)備控制系統(tǒng)應(yīng)用模式分類

其中，采用模式 II 的 B 綜合體、I 醫(yī)院園區(qū)、J 科研實驗園區(qū)，建立了獨立的中央空調(diào)管控平臺，對設(shè)備采用主動式、集成尋優(yōu)控制，最終實現(xiàn)綜合能耗最低的目標。采用模式III 的C 商場，擁有1 套智能化管理平臺和1 套樓宇自控系統(tǒng)，前者主動對接后者，實現(xiàn)樓宇設(shè)備運行數(shù)據(jù)的集成以及對各機電系統(tǒng)的遠程操控。

3 問題分析與對策建議

通過一系列文獻及案例調(diào)研，本文對上海地區(qū)該項技術(shù)應(yīng)用過程中存在的問題進行了分析，并提出對策和建議。

表2 各調(diào)研對象能源智能管控技術(shù)措施應(yīng)用狀況分布表

圖1 各調(diào)研對象能源智能管控技術(shù)措施應(yīng)用狀況

3.1 問題分析

1）建筑能源智能管控新技術(shù)與實際應(yīng)用間存在脫節(jié)

當前，建筑能源智能管控技術(shù)的新理念、新產(chǎn)品層出不窮，但與樓宇的實際應(yīng)用之間仍存在脫節(jié)的現(xiàn)象。分析原因，一方面由于新技術(shù)、新產(chǎn)品從研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化需要一個逐步成熟、完善、普及的過程。另一方面建筑節(jié)能目前仍以采用多少最先進的技術(shù)和設(shè)備為導向，全社會對于利用智能管控手段促進建筑節(jié)能仍未引起足夠重視，缺少相關(guān)政策扶持和管理制度推動。

2）公共建筑已安裝上線的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用不充分

本次調(diào)研的公共建筑都具備設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，但系統(tǒng)主要發(fā)揮了數(shù)據(jù)監(jiān)視及統(tǒng)計的作用，如以促進節(jié)能降耗的標準去衡量，大部分系統(tǒng)無法實現(xiàn)用能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制與節(jié)能運行。部分公共建筑業(yè)主受節(jié)能降耗目標的激勵，另行斥資構(gòu)建中央空調(diào)智控系統(tǒng)或樓宇綜合性能源管理平臺，雖然發(fā)揮了一定作用，但也造成了樓宇內(nèi)不必要的數(shù)據(jù)資源冗余及經(jīng)濟資源浪費。

3）建筑能源智能管控技術(shù)的應(yīng)用缺乏有效的行業(yè)引導

建筑能源智能管控是一項多專業(yè)融合的工作，涉及自動控制、計算機、通信、暖通空調(diào)、建筑設(shè)備設(shè)施管理等多專業(yè)學科，在綠色可持續(xù)發(fā)展目標的牽引下，建筑運營管理部門面臨的任務(wù)、挑戰(zhàn)相較于傳統(tǒng)物業(yè)行業(yè)愈加重大。但是，目前關(guān)于以節(jié)能為導向的建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用方法缺少權(quán)威有效、能夠直接指導操作的行業(yè)標準或管理程序文件，建筑行業(yè)對該項工作的技術(shù)支撐力度不足。

3.2 對策和建議

上海作為國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)跑城市和公共建筑能耗占比較高的地區(qū)，應(yīng)當在智能化節(jié)能技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用方面為全國提供示范經(jīng)驗。為此，本文對本市建筑能源智能管控技術(shù)的發(fā)展提出三項建議。

1）建立健全智能化節(jié)能領(lǐng)域新技術(shù)、新產(chǎn)品的激勵政策

應(yīng)加大對智能化節(jié)能技術(shù)的激勵力度，包括對節(jié)能服務(wù)企業(yè)給予稅收優(yōu)惠，以產(chǎn)業(yè)化項目或技術(shù)服務(wù)平臺的形式對智能化節(jié)能產(chǎn)品研發(fā)給予資金補貼，設(shè)立專門獎項獎勵智能化技術(shù)研發(fā)成果、咨詢成果及工程應(yīng)用等，在行業(yè)內(nèi)建立示范效應(yīng)，更好地推動本領(lǐng)域科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2）加強公共建筑運營管理人才隊伍建設(shè)

在全社會節(jié)能減排的背景下，公共建筑運營團隊的認知度、專業(yè)能力甚至工作責任心是實現(xiàn)建筑能源資源節(jié)約的重要保障，面向建筑智能化的高科技屬性和運營管理的關(guān)鍵任務(wù)，應(yīng)著力打造高素質(zhì)人才隊伍，讓了解建筑運行規(guī)律、熟悉用能設(shè)備特征、具備智能化運營能力的人員充分發(fā)揮崗位關(guān)鍵作用。

3）加快制訂公共建筑能源智能管控技術(shù)應(yīng)用規(guī)范性文件

應(yīng)構(gòu)建涵蓋數(shù)據(jù)采集指標、分析評價指標的建筑能源智能管控指標體系，提出建筑設(shè)備控制系統(tǒng)內(nèi)各層級的適用技術(shù)、制訂優(yōu)化提高建筑能源使用效率的優(yōu)化管控策略，最終形成目標清晰、兼容性強、易理解、可操作的技術(shù)應(yīng)用規(guī)范性文件，為工程實施及建筑長期運營管理提供有效的指導與支撐。