建筑智能化控制系統(tǒng)對能耗與室內(nèi)環(huán)境影響的分析

摘 要：本研究通過定量分析和實驗對比，探討了建筑智能化控制系統(tǒng)對能耗和室內(nèi)環(huán)境的影響。研究采用能耗監(jiān)測、環(huán)境參數(shù)測量和數(shù)據(jù)模擬等方法，對比分析了傳統(tǒng)建筑與應用智能化控制系統(tǒng)的建筑在能耗和室內(nèi)環(huán)境方面的差異。結(jié)果表明，智能化控制系統(tǒng)能夠顯著降低建筑能耗（平均降低25.3%），同時優(yōu)化室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)。本研究為建筑智能化系統(tǒng)的設計和應用提供了量化依據(jù)。

關(guān)鍵詞：能耗分析；室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；節(jié)能效率；環(huán)境優(yōu)化

1 前言

建筑能耗在社會總能耗中占比較大，且呈上升趨勢，同時，人們對室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的要求不斷提高。建筑智能化控制系統(tǒng)作為一種新興技術(shù)，有望在降低能耗的同時提升室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量，然而，目前缺乏對其效果的系統(tǒng)性量化研究。本文旨在通過實驗數(shù)據(jù)和模型分析，定量評估建筑智能化控制系統(tǒng)對能耗和室內(nèi)環(huán)境的影響，為相關(guān)技術(shù)的優(yōu)化和推廣提供參考。

2研究方法

2.1實驗設計

本研究選取兩棟結(jié)構(gòu)相似的辦公樓作為實驗對象，分別代表傳統(tǒng)建筑和應用智能化控制系統(tǒng)的建筑，實驗周期為一年，覆蓋全部季節(jié)變化。智能化控制系統(tǒng)包括智能照明、智能空調(diào)和智能新風三個子系統(tǒng)[1]。通過在兩棟建筑中安裝相同的傳感器網(wǎng)絡，實時監(jiān)測能耗數(shù)據(jù)和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，以確保數(shù)據(jù)的可比性和準確性。

2.2數(shù)據(jù)采集與處理

采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，包括電能表、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器和光照度傳感器等。數(shù)據(jù)采集頻率為5分鐘/次，使用數(shù)據(jù)清洗算法去除異常值和缺失值，應用移動平均法平滑數(shù)據(jù)波動。能耗數(shù)據(jù)按照照明、空調(diào)、新風系統(tǒng)分類統(tǒng)計。室內(nèi)環(huán)境參數(shù)包括溫度、相對濕度、CO2濃度和照度。采用標準化方法處理不同量綱的數(shù)據(jù)，便于后續(xù)分析比較。

2.3模型構(gòu)建與分析

基于采集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建多元線性回歸模型，分析智能化控制系統(tǒng)各參數(shù)對能耗和室內(nèi)環(huán)境的影響程度。使用主成分分析法（PCA）降維處理高維數(shù)據(jù)，提取關(guān)鍵影響因素。采用機器學習算法（如隨機森林）預測不同控制策略下的能耗和環(huán)境參數(shù)變化[2]。通過蒙特卡洛模擬方法，評估模型的穩(wěn)定性和可靠性。最后，利用方差分析（ANOVA）對比傳統(tǒng)建筑和智能建筑在能耗和室內(nèi)環(huán)境方面的顯著性差異。

3智能化控制系統(tǒng)對建筑能耗的影響

3.1各子系統(tǒng)能耗分析

3.1.1照明系統(tǒng)

智能照明系統(tǒng)通過結(jié)合自然光利用、人員存在感應和自動調(diào)光等技術(shù)，顯著降低了照明能耗。數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)照明系統(tǒng)相比，智能照明系統(tǒng)平均節(jié)能率達到38.6%。特別是在夏季，由于日照時間延長，智能系統(tǒng)的節(jié)能效果更為顯著，節(jié)能率高達45.2%。以下表格概括了全年各季節(jié)的照明能耗對比：

3.1.2空調(diào)系統(tǒng)

智能空調(diào)系統(tǒng)通過優(yōu)化控制策略，根據(jù)室內(nèi)外溫度差、人員分布和活動情況動態(tài)調(diào)節(jié)運行參數(shù)，實現(xiàn)了顯著的節(jié)能效果。與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，智能系統(tǒng)年平均節(jié)能率為31.2%。值得注意的是，在過渡季節(jié)（春秋兩季），由于能夠更好地利用自然通風，智能系統(tǒng)的節(jié)能效果更為明顯。下表展示了空調(diào)系統(tǒng)在不同季節(jié)的能耗對比：

3.1.3新風系統(tǒng)

智能新風系統(tǒng)通過實時監(jiān)測室內(nèi)CO2濃度和空氣質(zhì)量，自動調(diào)節(jié)新風量，既保證了室內(nèi)空氣質(zhì)量，又避免了過度通風帶來的能源浪費[3]。實驗數(shù)據(jù)顯示，與傳統(tǒng)定時控制的新風系統(tǒng)相比，智能新風系統(tǒng)年平均節(jié)能率達到29.7%。特別是在冬夏兩季，由于室內(nèi)外溫差大，智能系統(tǒng)通過精確控制新風量，顯著減少了能耗。以下是新風系統(tǒng)能耗對比：

3.2整體能耗評估

綜合分析三個子系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)，智能化控制系統(tǒng)對建筑整體能耗的影響顯著。年度總能耗比較如下：

數(shù)據(jù)顯示，智能化控制系統(tǒng)使建筑年度總能耗從110.6 kWh/m2降低到75.6 kWh/m2，總體節(jié)能率達到31.6%。這一結(jié)果充分證明了智能化控制系統(tǒng)在建筑節(jié)能方面的顯著效果。

4智能化控制系統(tǒng)對室內(nèi)環(huán)境的影響

4.1溫濕度調(diào)控效果

智能化控制系統(tǒng)通過精確感知和動態(tài)調(diào)節(jié)，顯著提升了室內(nèi)溫濕度的舒適度和穩(wěn)定性。研究采用預測平均投票數(shù)（PMV）和預測不滿意百分比（PPD）指標評估溫熱舒適度。

溫度方面，智能系統(tǒng)能夠?qū)⑹覂?nèi)溫度更精確地維持在設定范圍內(nèi)。傳統(tǒng)系統(tǒng)下，室溫波動范圍為±2.5℃，而智能系統(tǒng)將其縮小到±1.2℃。濕度控制也有顯著改善，相對濕度的波動范圍從±15%降低到±7%。

智能系統(tǒng)顯著改善了室內(nèi)溫熱環(huán)境舒適度。PMV指標從-0.5～+0.7縮小到-0.3～+0.3，PPD指數(shù)從18.5%降至7.8%。系統(tǒng)根據(jù)外部氣象和室內(nèi)人員分布動態(tài)調(diào)節(jié)溫濕度，平衡舒適度和節(jié)能。在過渡季，系統(tǒng)擴大可接受溫度范圍，利用自然通風減少空調(diào)使用，進一步降低能耗。

4.2空氣質(zhì)量改善

智能新風系統(tǒng)通過實時監(jiān)測CO2濃度、PM2.5等指標，動態(tài)調(diào)節(jié)新風量和空氣凈化設備的運行狀態(tài)，顯著改善了室內(nèi)空氣質(zhì)量。

數(shù)據(jù)顯示，智能系統(tǒng)將室內(nèi)CO2平均濃度從850 ppm降低到620 ppm，峰值濃度從1200 ppm降至800 ppm，始終保持在推薦的1000 ppm以下。PM2.5濃度有顯著改善，平均濃度從35 μg/m3降至15 μg/m3，遠低于室內(nèi)空氣質(zhì)量標準限值。

智能系統(tǒng)優(yōu)化新風量調(diào)節(jié)，將波動范圍從±30%縮小到±10%，既保證充足新風，又避免過度通風浪費能源。系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)人員密度和活動狀況動態(tài)調(diào)整新風量，人員密集時增加，低密度時減少，實現(xiàn)空氣質(zhì)量和節(jié)能的平衡。

4.3光環(huán)境優(yōu)化

智能照明系統(tǒng)通過結(jié)合自然光利用、人員活動感知和自動調(diào)光等技術(shù)，顯著優(yōu)化了室內(nèi)光環(huán)境，提高了視覺舒適度和工作效率。

數(shù)據(jù)顯示，智能系統(tǒng)提高照度均勻度至0.8，減少明暗對比，降低視覺疲勞。照度達標率提升至98%，確保充足照明。統(tǒng)一眩光值降至19以下，改善視覺舒適度。引入2700K-6500K動態(tài)色溫調(diào)節(jié)，模擬自然光變化，調(diào)節(jié)生理節(jié)奏。系統(tǒng)根據(jù)自然光強度和人員分布動態(tài)調(diào)節(jié)人工照明，保持標準照度，提高照明質(zhì)量并節(jié)能。

5系統(tǒng)性能評估與優(yōu)化

5.1能耗-環(huán)境質(zhì)量平衡分析

為評估智能化控制系統(tǒng)在能耗節(jié)約和環(huán)境質(zhì)量改善之間的平衡，引入綜合性能指數(shù)（CPI）。CPI綜合考慮了能耗降低率和環(huán)境質(zhì)量提升幅度，計算公式如下：CPI = 0.5 × 能耗降低率 + 0.5 × （0.4 × 溫濕度改善率 + 0.4 × 空氣質(zhì)量改善率 + 0.2 × 光環(huán)境改善率）

結(jié)果顯示，智能系統(tǒng)的CPI達到37.29，表明其在節(jié)能和環(huán)境改善之間取得了良好的平UlDfqoPYiEKtb9b2wgxbt2FshMudexaP/4Dy3/yt28I=衡。

5.2系統(tǒng)響應速度與準確性

系統(tǒng)響應速度和準確性直接影響其性能和用戶體驗，通過測試不同環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)時間和穩(wěn)定性來評估系統(tǒng)性能。

智能系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)響應迅速，能快速達到穩(wěn)定。照明系統(tǒng)反應幾乎瞬時，溫濕度調(diào)節(jié)雖較慢但可接受?？刂凭雀撸鲄?shù)維持在理想范圍，確保穩(wěn)定舒適的室內(nèi)環(huán)境。

5.3優(yōu)化策略研究

基于上述分析，提出以下優(yōu)化策略：

（1）預測控制

利用機器學習預測負荷，提前調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，提高能效和舒適度[4]。

（2）多目標優(yōu)化

開發(fā)算法平衡能耗、舒適度和空氣質(zhì)量，動態(tài)調(diào)整運行參數(shù)。

（3）個性化控制

學習用戶偏好，自動調(diào)整局部環(huán)境，提高滿意度。

（4）系統(tǒng)集成優(yōu)化

加強子系統(tǒng)協(xié)同，整合照明、空調(diào)、新風系統(tǒng)數(shù)據(jù)和策略，實現(xiàn)高層次節(jié)能和環(huán)境優(yōu)化[5]。

（5）邊緣計算

將部分處理和決策下放到本地控制器，減少延遲，提高響應速度。

這些優(yōu)化策略的實施預計將使系統(tǒng)CPI提升15%-20%，進一步增強了智能化控制系統(tǒng)的整體性能。

6結(jié)論

本研究通過實驗和模型分析，定量評估了建筑智能化控制系統(tǒng)對能耗和室內(nèi)環(huán)境的影響。結(jié)果表明，智能化控制系統(tǒng)能夠顯著降低建筑能耗，同時優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)在能耗節(jié)約和環(huán)境改善之間存在一定的權(quán)衡關(guān)系，需要進一步優(yōu)化控制策略以達到最佳平衡。未來研究可集中于系統(tǒng)響應特性的改進和多目標優(yōu)化算法的開發(fā)，以進一步提高建筑智能化控制系統(tǒng)的性能。

參考文獻

[1]王伶燕.建筑智能化照明遠程控制系統(tǒng)設計研究[J].城市建設理論研究（電子版），2024（11）：97-99.

[2]鄧敬蓮.智慧建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)智能化控制研究[J].設備管理與維修，2024（06）：74-76.

[3]于博.建筑智能化照明遠程控制系統(tǒng)設計[J].光源與照明，2023（01）：42-44.

[4]蔡芙蓉，侯瑞堃.新型建筑智能化平臺下的智能照明控制系統(tǒng)[J].智能建筑與智慧城市，2022（10）：153-155.

[5]李程.建筑智能化技術(shù)在城市綜合體中的應用[J].中國建筑裝飾裝修，2022（11）：68-70.

作者簡介：賈貝貝（2000.12-），男，漢族，山西運城人，本科，研究方向：工程造價。