綠色節(jié)能技術(shù)在海洋裝備智能制造基地建筑設(shè)計中的應(yīng)用及探討

張維明

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 天津 300452

1 研究背景

面臨國際石油價格的低迷和國際社會的環(huán)保的重視，能源綠色低碳轉(zhuǎn)型是當今世界共同面臨的重大課題，在2021年政府工作報告中關(guān)于“碳達峰、碳中和”的相關(guān)要求背景下，傳統(tǒng)制造業(yè)朝著“高端化、智能化、綠色化”協(xié)同發(fā)展和轉(zhuǎn)型，已成為現(xiàn)階段重要方向信標。石油石化制造業(yè)企業(yè)開始在超低能耗建筑方面積極探索，在積極籌劃發(fā)展智能制造的同時，考慮建成一批近零碳排放樓宇、工業(yè)廠房、園區(qū)等示范項目，文章主要針對海洋裝備智能制造基地建筑設(shè)計展開綠色節(jié)能技術(shù)的研究，基地一般包括研發(fā)樓、工業(yè)廠房、降壓站、換熱站等建筑，鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房面、停車場車棚等頂適宜布設(shè)太陽能光伏，開展綠色節(jié)能技術(shù)研究有一定的優(yōu)勢[1]。

2 研究意義

2.1 研究的必要性

超低能耗建筑是建筑節(jié)能發(fā)展至零碳建筑、零碳工廠的必經(jīng)階段，通過采用多種技術(shù)手段，包括引進智能控制手段，主動或被動降低、優(yōu)化建筑能耗指標，提高耗能設(shè)備效率，降低產(chǎn)品生產(chǎn)陳本、提升建筑舒適度，是適應(yīng)國際形勢發(fā)展及我國當前經(jīng)濟發(fā)展水平的深度節(jié)能建筑形式，是落實我國建筑業(yè)、制造業(yè)雙碳目標的必然舉措。

2.2 超低能耗建筑優(yōu)勢

（1）室內(nèi)舒適度。包括最佳溫濕度范圍、新風系統(tǒng)最高效PM2.5過濾、健康的室內(nèi)空氣品質(zhì)、最高效隔音降噪圍護結(jié)構(gòu)保障了最寧靜的室內(nèi)空間等。健康舒適的室內(nèi)環(huán)境帶給使用者的健康收益、工作效率提高，滿足人民群眾對美好生活的向往。（2）超低能耗。其能耗可較國家現(xiàn)行節(jié)能標準再降低50%～90%，微排放公建：節(jié)能率82.5%以上；居建供暖節(jié)能率：可達90%以上供暖能耗大幅降低。（3）其他優(yōu)勢。更高水平建筑質(zhì)量，更長久的建筑使用壽命，提升大額不動產(chǎn)的保值增值性。助力清潔取暖順利實現(xiàn)。大幅降低使用端的能源需求，節(jié)約市政基礎(chǔ)設(shè)施及能源配套投資費等。展現(xiàn)開發(fā)商良好的企業(yè)形象、社會責任感及行業(yè)影響力。促進建筑行業(yè)向高質(zhì)量，精細化方向進行產(chǎn)業(yè)升級[2]。

3 設(shè)計措施

碳中和建筑采用的技術(shù)方法可總結(jié)為以下幾點：首先根據(jù)建筑環(huán)境、業(yè)主需求采用被動降能、節(jié)能技術(shù)；其次主要通過增加智能控制等手段主動優(yōu)化、節(jié)能；接著通過不斷挖掘適用的可再生能源替代技術(shù)，大幅降低化石能源的供給；最后，通過建筑屋面及周邊綠化進行碳中和，從而達到“建筑凈碳排放量為零”的目標。

3.1 被動節(jié)能

被動節(jié)能設(shè)計是最優(yōu)先考慮的因素，尤其是我國北方地區(qū)，主要表現(xiàn)在通過提升建筑保溫隔熱性能追求能耗需求的降低。如采用高性能圍護結(jié)構(gòu)，提升圍護結(jié)構(gòu)熱工性能，降低建筑熱負荷；外窗遮陽以降低建筑熱負荷；采用自然采光減少照明能耗；采用自然通風減少建筑空調(diào)的使用時間；氣密性提升；斷冷熱橋；屋頂綠化；地面保溫等。

3.2 主動優(yōu)化

主動式能源系統(tǒng)優(yōu)化，提高建筑用能設(shè)備的用能效率，如使用高效LED照明系統(tǒng)，提高照明系統(tǒng)效率；使用光導(dǎo)管——減少人工照明；采用新風熱回收系統(tǒng)，降低建筑空調(diào)能耗，夏季室外空氣相對濕度較大，宜選用全熱回收裝置，具有更好的節(jié)能效果；采用智能化控制系統(tǒng)，提高建筑智能化水平；輸配系統(tǒng)變頻控制；溫濕度獨立調(diào)節(jié)等[3]。

3.3 能源替代

利用適宜的可再生能源替代常規(guī)能源，降低化石能源供給，使用太陽能光伏系統(tǒng)、風電系統(tǒng)、地源熱泵、空氣源熱泵、水源熱泵等為建筑提供能量，如空氣源熱泵系統(tǒng)適合于項目所在地所處的夏熱冬冷地區(qū)，能效高，無需機房，節(jié)約冷卻水資源，另外，經(jīng)過合理設(shè)計的輻射供冷供暖系統(tǒng)舒適性高，無吹風感，噪音低，空調(diào)季供水溫度16～19℃，進一步提升地源熱泵系統(tǒng)能效，降低運行能耗；采用雨水收集及回用、建筑材料再利用等綠色建筑技術(shù)。

3.4 植物碳匯

采用屋頂綠化、建筑周邊綠化等綠色建筑技術(shù)中和建筑碳排放。

4 實踐應(yīng)用

4.1 建筑專業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)

車間屋頂采用壓型鋼板屋面，屋頂采用有效的隔熱措施，在天氣晴朗的時候，車間的窗戶可以開啟，主要向陽面采用百葉遮陽，有效降低陽光直射導(dǎo)致室內(nèi)氣溫升高的同時可以保證良好的自然通風，達到降溫和防潮的效果。車間采用可開啟關(guān)閉的玻璃窗戶和防雨式的機械通風手段，在陰雨的天氣里既能保證室內(nèi)空氣的對流，也能防止雨水侵灌到室內(nèi)。

針對梁、柱結(jié)構(gòu)性熱橋部位，針對不同部位采用不同的保溫技術(shù)。比如針對窗臺板等懸挑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)滿足強度要的條件下采用導(dǎo)熱系數(shù)更小的緩凝土結(jié)構(gòu)材料，針對外門窗周圍涂抹型高效保溫材料；針對外墻樓板、屋面板增加保溫板等技術(shù)，提高熱橋等部位的熱阻；降低表面發(fā)霉、結(jié)露等的風險。

北方的車間以自然通風為主；研發(fā)樓外窗設(shè)置可開啟外窗。

研發(fā)樓充分利用天然光，保證室內(nèi)主要功能空間至少60%面積比例區(qū)域的采光照度值不低于采光要求的小時數(shù)平均不少于4h/d。

研發(fā)樓的西南東向外窗玻璃設(shè)置可調(diào)節(jié)遮陽措施，改善室內(nèi)熱舒適性。

采用高耐久混凝、耐久性好的外飾面材料、耐久性好的密封、防水材料，室內(nèi)涂料、壁紙、陶瓷磚、人造板、木地板、防水與密封材料等裝飾裝修材料的有害物質(zhì)限量符合綠色產(chǎn)品評價國家標準的規(guī)定。

研發(fā)樓采用隔聲性能好的外窗、外墻材料，地磚樓板設(shè)置減震墊，保證主要功能房間具有良好的隔聲環(huán)境。研發(fā)樓的辦公室、會議室之間采用通用開放、靈活可變的使用空間設(shè)計，具體措施包括開敞大辦公空間或輕質(zhì)可再利用隔斷墻。

選用低噪聲機電設(shè)備產(chǎn)品，設(shè)備安裝采取減震措施，管線安裝及孔洞處理采取密封隔聲措施。

4.2 結(jié)構(gòu)專業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)

研發(fā)樓采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；生產(chǎn)車間及庫房采用輕型鋼結(jié)構(gòu)，屋面和墻面采用帶保溫的壓型鋼板，充分利用了鋼材的可再循環(huán)利用性。

海洋裝備智能制造基地選址一般靠近或臨近海邊，在地基設(shè)計階段應(yīng)充分調(diào)研并考慮土質(zhì)的特殊性，在滿足質(zhì)量要求的前提下，在進行選材、安全、效率等方向的研究，堅持綠色化、節(jié)能化環(huán)保理念，對地基設(shè)計方案進行優(yōu)化。在保證結(jié)構(gòu)安全性與耐久性的前提下，對結(jié)構(gòu)體系和結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行優(yōu)化設(shè)計?；炷吝x型應(yīng)考慮高耐久性，鋼結(jié)構(gòu)的選型應(yīng)考慮耐候環(huán)境和防浮涂料要求。

在原材料選型階段，應(yīng)著重考慮綠色材料優(yōu)先，加大可循環(huán)利用資源的推廣，同時還應(yīng)考慮在運輸過程中對碳排放的控制。綠色生產(chǎn)不應(yīng)只關(guān)注結(jié)果數(shù)據(jù)，應(yīng)真實做到從源頭關(guān)注。

減少現(xiàn)場焊接工作，通過改變結(jié)構(gòu)、連接方式，以及場地預(yù)制等策略，減少現(xiàn)場施工工作量。

4.3 給排水專業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)

在泵設(shè)備選型階段，加大對功率參數(shù)的關(guān)注，充分利用變頻技術(shù)，通過增加穩(wěn)壓管來減少泵設(shè)備的布設(shè)或功率要求。變頻技術(shù)除傳統(tǒng)的固定模式+手動調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，可以增加人工智能（AI）算法和機器學習功能，結(jié)合能碳管理中樞，結(jié)合生產(chǎn)環(huán)境進行自動調(diào)優(yōu)。

采用節(jié)水器具，水嘴采用感應(yīng)式；坐便器采用雙檔；小便器采用感應(yīng)式；蹲便器采用腳踏式?jīng)_洗閥或感應(yīng)式?jīng)_洗閥。

在室外用水環(huán)境中，有效利用重力閥門原理，減少電能的輸入，增加給排水系統(tǒng)的能效價值。

庭院綠化采用微噴灌節(jié)水灌溉方式。

4.4 暖通專業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)

在建筑內(nèi)部預(yù)先布置多種傳感器獲取室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，包括室內(nèi)外溫度、相對濕度、風速特征和上一時刻用戶舒適度反饋特征等。結(jié)合熱平衡方程展開的二節(jié)點模型帶入回歸預(yù)測模型，預(yù)測下一時間段冷熱負荷。通過負荷優(yōu)化模型、運行策略優(yōu)化模型、管網(wǎng)優(yōu)化模型、經(jīng)濟分析模型，對多能互補冷熱源系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)控。匹配冷、熱源設(shè)備數(shù)量及裝機容量，避免冷、熱源設(shè)備長期低負荷運行現(xiàn)象，降低能耗。

選用低轉(zhuǎn)數(shù)的風機，減少風機溫升，調(diào)節(jié)閥門設(shè)置得當，降低風系統(tǒng)輸送能耗。

采用全空氣空調(diào)的區(qū)域均可實現(xiàn)過度季加大新風量或全新風運行。

選用高效節(jié)能設(shè)備，其各項技術(shù)性能滿足節(jié)能設(shè)計標準的相關(guān)要求。采用熱回收式新風處理機組，其額定熱回收效率＞60%，以期達到節(jié)能降耗的目的。

4.5 電氣專業(yè)節(jié)能降碳技術(shù)

硬件方面構(gòu)建數(shù)字化全場景數(shù)據(jù)物聯(lián)基礎(chǔ)功能，以數(shù)字化和信息化為導(dǎo)向，增加斷路器、空開設(shè)備的電量采集功能（包括瞬時電量和統(tǒng)計電量）。

軟件方面構(gòu)建分布式多場景智能照明系統(tǒng)，采用超六類屏蔽網(wǎng)線作為總線線纜，將所有開關(guān)驅(qū)動器、傳感器、智能照明控制模塊連接到一起，組成一套完整的控制系統(tǒng)；同時具有定時、聯(lián)動、場景、遠程控制等功能，利用AI結(jié)合智能算法給出最節(jié)能控制方案，智能利用自然光源以實現(xiàn)最優(yōu)的能源管理。

本工程公共區(qū)域、停車庫、大型研討室、大型實驗室設(shè)有智能照明自動控制系統(tǒng)。

4.6 電力節(jié)能降碳技術(shù)

以智能制造基地35kV降壓站作為主站，以各生產(chǎn)車間和研發(fā)樓為從站，設(shè)立電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，并在傳統(tǒng)的電力監(jiān)測功能上增加智能斷路器（輸出信號）、極早期火災(zāi)預(yù)警（輸入信號）、光伏監(jiān)測（輸入信號）、電能模型曲線（輸出信號）等功能。電力監(jiān)測系統(tǒng)作為端側(cè)的電力實施監(jiān)控軟件，最終將統(tǒng)計電量、曲線、模型等傳輸給智能制造基地指揮中心的能碳管理系統(tǒng)。

4.7 光伏發(fā)電節(jié)能降碳技術(shù)

能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整是節(jié)能降碳的重點。針對分布式多場景照明系統(tǒng)、冷熱源系統(tǒng)、多場景分布式“光伏+”系統(tǒng)進行合理設(shè)計；依據(jù)能耗雙控目標，分級設(shè)定各子系統(tǒng)及環(huán)節(jié)節(jié)能及減排目標，通過智能控制裝置和5G技術(shù)實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)能調(diào)控，實現(xiàn)以綠標產(chǎn)品為導(dǎo)向的能源系統(tǒng)逆向控制。本次智能制造基地建設(shè)項目旨在先試先行，在多種發(fā)電應(yīng)用模式中篩選出最適合基地生產(chǎn)和運維的智慧模式，甚至搭建多模式可切換的智慧用能系統(tǒng)。

（1）項目地光照資源。根據(jù)瑞士Meteonorm氣象研究所的氣象數(shù)據(jù)，天津市年均太陽輻射量為1334.5kWh/m2。根據(jù)GB/T37526—2019太陽能資源評估方法，該地區(qū)屬于III類地區(qū)，適合進行光伏電站的建設(shè)。（2）光伏發(fā)電設(shè)計原理。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要設(shè)備包括太陽能組件、光伏支架、逆變器、箱變、并網(wǎng)柜、供電系統(tǒng)監(jiān)控等。（3）智能光伏管理系統(tǒng)。能源集中化管理呈現(xiàn)必然趨勢，其主要特點為：統(tǒng)一管理，避免不同系統(tǒng)之間的切換與二次人工數(shù)據(jù)處理；基于5G技術(shù)，高速傳輸；不存在光纖故障定位問題；通過智能光伏終端、無人機、遠程專家協(xié)同高效運維。（4）光伏系統(tǒng)應(yīng)用。以某車間為例，采用光伏建筑一體化（BIPV）光伏形式，組件規(guī)格300Wp，組件數(shù)量1092塊，裝機容量327.6kWp，需預(yù)留13kg/㎡光伏荷載（不含屋面板）。整個基地光伏裝機總?cè)萘?008kWp，峰值日照小時數(shù)1334.5h，系統(tǒng)效率設(shè)計理論值約80.5%，第1年，光伏系統(tǒng)發(fā)電量430.5684萬度，組件衰減系數(shù)98.00%；第2～25年，平均每年衰減0.45%。25年總發(fā)電量10171.0804萬度，25年年均發(fā)電量406.8432萬度。

5 結(jié)束語

隨著“雙碳”戰(zhàn)略逐步深化，海洋裝備智能制造基地綠色協(xié)同生產(chǎn)已轉(zhuǎn)變?yōu)樾袠I(yè)發(fā)展趨勢。在推廣綠色建筑的實施過程中，不僅要關(guān)注綠建指標要求，還應(yīng)關(guān)注軟件管理系統(tǒng)配套。一方面，海洋裝備智能制造基地要建立綠色建筑、綠色供應(yīng)鏈，要求上游零部件、原材料供應(yīng)商提供低碳、綠色材料；另一方面，海洋裝備智能制造基地本身要進行減量化等綠色設(shè)計，通過建立能源與碳排放追蹤體系和監(jiān)控平臺，實施相應(yīng)的節(jié)能降碳措施。企業(yè)“綠色生產(chǎn)”轉(zhuǎn)型不是一蹴而就的結(jié)果輸出，需要管理層在管理思路中進行同步轉(zhuǎn)化，總體來說企業(yè)的綠色節(jié)能轉(zhuǎn)型需要以硬件場景為支撐，以軟件模型為核心，以增加能效價值為目標，以體系規(guī)范為保障。相信在國家政策的扶持和試點項目的推動作用下，大多數(shù)企業(yè)能夠真實有效的實現(xiàn)綠色生產(chǎn)目標。