我國雙碳背景下建筑智慧與低碳融合發(fā)展趨勢分析

文｜河南投資集團(tuán)有限公司 張亮 薛鑫 徐文皓 王澤昆 張帥

目前我國建筑行業(yè)規(guī)模位居世界第一，每年建筑碳排放量約占全球的20%。2018年全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放的一半以上。其中：大型公共建筑占城市建筑總面積不到4%，卻消耗了20%以上的城鎮(zhèn)建筑用能。因此本文將論證在公共建筑運(yùn)行階段，如何融合建筑現(xiàn)代化信息手段與建筑節(jié)能技術(shù)，并探討未來建筑降碳減排發(fā)展的方向。

1 公共建筑的碳排放概況

據(jù)中國建筑節(jié)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國建筑能耗研究報(bào)告（2020）》[1]公開數(shù)據(jù)顯示：“2018年全國建筑全過程碳排放總量占全國碳排放的51.3%，其中：建材生產(chǎn)階段占比為28.3%，建筑施工階段能耗占比為1.1%，建筑運(yùn)行階段能耗占比重21.9%?！薄吨袊ㄖ芎难芯繄?bào)告（2018）》[1]顯示：“大型公共建筑占城市建筑總面積不到4%，卻消耗了20%以上的城鎮(zhèn)建筑用能，達(dá)到住宅能耗的10 到20 倍?！?/p>

公共建筑包含范圍廣泛，星級(jí)酒店、商業(yè)建筑、文教體衛(wèi)建筑、政府機(jī)關(guān)、通信建筑以及交通運(yùn)輸類建筑等。在公共建筑中，商業(yè)建筑占比較大，運(yùn)行階段能耗突出，如圖1所示。比較而言，商業(yè)建筑市場規(guī)模增速高于住宅，并且商業(yè)建筑單位面積能耗遠(yuǎn)高于民用住宅，節(jié)能空間更大，將成為建筑行業(yè)降碳減排切入點(diǎn)。

圖1 典型高效商業(yè)建筑全周期碳排放比例圖

2 公共建筑的現(xiàn)代智慧化管控

21世紀(jì)以來，在信息科技革命的時(shí)代背景下，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、5G 通信等新興技術(shù)的發(fā)展，正加速推動(dòng)建筑行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。隨著信息技術(shù)的推動(dòng)，樓宇智慧化發(fā)展已成為建筑行業(yè)的主要發(fā)展趨勢。

2.1 智慧樓宇的概念

2015年《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50314-2015）中，將智能建筑定義為：“以建筑物為平臺(tái)，基于對(duì)各類智能化信息的綜合應(yīng)用，集架構(gòu)、系統(tǒng)、應(yīng)用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑?！?017年，《阿里巴巴智慧建筑白皮書》[2]指出：“智慧建筑應(yīng)該是自學(xué)習(xí)、會(huì)思考，可以與人自然地溝通和交互，具有對(duì)各種場景的自適應(yīng)能力，并且作為智慧城市的一部分，可以在更高的結(jié)構(gòu)層次上高度互聯(lián)?！?，智慧建筑應(yīng)是指以建筑本體的空間設(shè)計(jì)為框架，疊加運(yùn)用傳感、信息、通訊等技術(shù)手段，綜合個(gè)體需求和社會(huì)需求以達(dá)到最大化滿足，形成一個(gè)具有生命特征的自治體，這種擬人態(tài)的生命特征不僅是關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能應(yīng)用，乃是在人與物的聯(lián)通上，又新造了一個(gè)人與空間之間的新交互場景。2015年的國標(biāo)對(duì)智慧建筑的闡述可謂是超前，目前來看國內(nèi)實(shí)現(xiàn)這種智慧建筑的項(xiàng)目或場景鳳毛麟角，從發(fā)展階段上目前的建筑的智慧化還處于理念超前、實(shí)現(xiàn)落后的局面。

2.2 建筑的智能化發(fā)展

（1）傳統(tǒng)建筑智能化

“傳統(tǒng)建筑智能化”是在建筑基礎(chǔ)上配備的弱電系統(tǒng)，如建筑狀態(tài)管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助辦公、設(shè)備用能管理等，這種方式以所建設(shè)的智能化系統(tǒng)的數(shù)量多少來評(píng)價(jià)建筑智能化程度的高低，并且重點(diǎn)拓展每個(gè)系統(tǒng)的細(xì)節(jié)功能。

不足：這種疊加智能化子系統(tǒng)的方式并不能代表智能程度的高低。隨著智能化子系統(tǒng)的不斷增加以及專業(yè)化、細(xì)分化程度不斷增強(qiáng)（例如：安防自動(dòng)化細(xì)分為門禁控制、視頻監(jiān)控、入侵報(bào)警、周界報(bào)警、巡更等），一棟建筑中往往有20 個(gè)以上的智能化子系統(tǒng)，看似增加了技術(shù)感，但在運(yùn)行階段造成了煙囪式系統(tǒng)林立，給整體的運(yùn)行增加了不便，往往在數(shù)年后，便會(huì)逐個(gè)被摒棄。

（2）“帽子式”智能建筑

“帽子式”智能建筑是指在“傳統(tǒng)建筑智能化”的基礎(chǔ)上，將各垂直、獨(dú)立的子系統(tǒng)，主要包含如建筑自動(dòng)化控制、安防自動(dòng)化控制、消防自動(dòng)化控制、通訊自動(dòng)化控制、照明自動(dòng)控制、辦公自動(dòng)化控制等系統(tǒng)，通過搭建一套集成化建筑管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，行業(yè)中稱之為IBMS，并進(jìn)行有限的不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)聯(lián)接、處理、展示或后期加工。這種方式類似于在系統(tǒng)之上搭建一個(gè)數(shù)據(jù)庫，將建筑設(shè)備、子系統(tǒng)、人的數(shù)據(jù)集成展示在同一個(gè)平臺(tái)上，在一定程度上解決了各子系統(tǒng)之間信息孤島的現(xiàn)象，緩解了獨(dú)立系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用不便的情況。

不足：IBMS 只是將數(shù)據(jù)在同一平臺(tái)進(jìn)行整合、呈現(xiàn)，平臺(tái)無論是基于云還是本地服務(wù)器，系統(tǒng)和系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、交互與場景化程度都非常有限，并且存在重復(fù)建設(shè)，集成難度大的問題。

2.3 建筑的智慧化發(fā)展

“建筑智慧化”指通過物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)智能技術(shù)，匯聚建筑物的歷史與實(shí)時(shí)、靜態(tài)與動(dòng)態(tài)信息，包括了建筑結(jié)構(gòu)、空間、設(shè)施、環(huán)境、交通、衛(wèi)生、服務(wù)質(zhì)量、經(jīng)營狀況、能源消耗及成本等數(shù)據(jù)[3]，形成人機(jī)物深度融合交互系統(tǒng)。這種交互能夠及時(shí)捕捉在建筑內(nèi)人、事、物三類信息，并主動(dòng)將其融入編織形成的信息網(wǎng)絡(luò)之中，帶動(dòng)終端設(shè)備形成聯(lián)動(dòng)。這種技術(shù)原理來源于AI（人工智能）的雛形神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體對(duì)比展示圖如圖2所示。

圖2 智慧建筑管理系統(tǒng)架構(gòu)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)比展示圖

智慧建筑將AI（人工智能）+IoT（物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)建筑全量系統(tǒng)、設(shè)備、傳感器的互聯(lián)互通，消除傳統(tǒng)智能化子系統(tǒng)，促進(jìn)各類數(shù)據(jù)的無縫集成，通過建筑數(shù)據(jù)全維度的融合與處理，形成智慧化響應(yīng)與決策，通過多樣化的應(yīng)用服務(wù)，形成建筑即服務(wù)的創(chuàng)新模式。未來智慧建筑將超越建筑的物理邊界，將智慧建筑的范疇拓展至建筑群、社區(qū)乃至城市，打造出無限可能的數(shù)字世界。

3 智慧與低碳在現(xiàn)代建筑中的融合發(fā)展

3.1 智慧管控在建筑降碳中發(fā)揮的效用

在現(xiàn)代智慧建筑中，以智慧化手段做好建筑節(jié)能降碳主要有四大部分：

（1）在建設(shè)之初對(duì)整個(gè)建筑的用能設(shè)施進(jìn)行分系統(tǒng)、分區(qū)域、分類別的規(guī)劃，安裝分類、分項(xiàng)能耗計(jì)量儀表、控制器，通過信息傳輸網(wǎng)絡(luò)及時(shí)上傳能耗數(shù)據(jù)。

（2）設(shè)置建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗使用的全過程的監(jiān)測和管理功能，可對(duì)建筑能耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和跟蹤，實(shí)現(xiàn)能耗精細(xì)化管理與控制。

（3）通過樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)（BA）管理建筑物內(nèi)的空調(diào)、照明、水泵、新風(fēng)等機(jī)電設(shè)備，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)將關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌，發(fā)揮設(shè)備群組的整體優(yōu)勢和節(jié)能潛力，既能夠提高設(shè)備利用率，優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和時(shí)間，又能夠反饋應(yīng)用層的節(jié)能策略，從而可降低能源消耗和成本。

（4）既定樓宇節(jié)能關(guān)聯(lián)策略，在管理端設(shè)定主動(dòng)干預(yù)的節(jié)能策略，如利用季節(jié)的變化、室內(nèi)外溫差進(jìn)行新風(fēng)換氣策略，利用上下班高峰與人流潮汐制定電梯運(yùn)行與懸停策略，利用室內(nèi)傳感裝置既定有無人的設(shè)備喚醒功能等。

在建筑運(yùn)行期間，在保證“舒適”、“高效”的前提下，做好建筑能耗的計(jì)量、監(jiān)測、分析、預(yù)判的智慧管控，運(yùn)用傳感、數(shù)據(jù)分析、智能干預(yù)等手段，通過設(shè)定的策略對(duì)整體建筑用能設(shè)備進(jìn)行主動(dòng)優(yōu)化。

3.2 智慧與低碳融合發(fā)展

雙碳時(shí)代來臨，公共建筑作為一項(xiàng)整體產(chǎn)品向社會(huì)提供服務(wù)，不但要美觀和舒適，節(jié)能綠色更是其重要功能。建筑低碳和節(jié)能側(cè)重建筑領(lǐng)域，智慧樓宇則以信息技術(shù)和傳感技術(shù)為主導(dǎo)，兩者在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、管理模式、工程實(shí)施、技術(shù)實(shí)現(xiàn)等均存在差異。將智慧+雙碳融合，需要從建筑規(guī)劃開始，將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營緊密結(jié)合，自上而下從整個(gè)生命周期進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，在遵循建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)要求下，綜合打造“智慧+低碳”的一體化解決方案，實(shí)現(xiàn)智慧加低碳的雙驅(qū)動(dòng)發(fā)展模式和融合發(fā)展。

在雙碳目標(biāo)要求下，未來建筑的“智慧”和“低碳”建設(shè)需要全過程的緊密融合，如同DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)一樣，它們既是獨(dú)立的，又相互促進(jìn)。在融合發(fā)展的理念引領(lǐng)下，亟待形成新的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)體系，需要相關(guān)政府部門、高校研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)通力合作，使建筑、人、環(huán)境三者能夠共同健康發(fā)展，助力雙碳目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

4 結(jié)語

雙碳時(shí)代來臨，未來建筑將加速走向智慧與低碳化，鑒于建筑的智慧和低碳領(lǐng)域涉及的前沿技術(shù)多、學(xué)科跨度大，市場上未形成“智慧+低碳”的綜合解決方案，是我們所面臨的重大挑戰(zhàn)，只有轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的發(fā)展思路，借助數(shù)字信息技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)建筑的智慧與低碳融合發(fā)展。