綠色公共建筑的智能化

文｜江蘇達海科技發展有限公司 田曉峰 許笑

1 公共建筑的業態分類

公共建筑依據業態類型主要分為以下幾類：

◆ 辦公建筑：政府行政辦公樓、機構專用辦公樓、商務辦公樓等；

◆ 商業服務建筑：商場、超市、賓館、餐廳、銀行、郵政廳等；

◆ 教育建筑：托兒所、幼兒園、學校等；

◆ 文娛建筑：圖書館、博物館、音樂廳、影院、游樂場、歌舞廳等；

◆ 科研建筑：實驗室、研究院、天文臺等；

◆ 體育建筑：體育場、體育館、健身房等；

◆ 醫療建筑：醫院、社區醫療所、急救中心、療養院等；

◆ 交通建筑：交通客運站、航站樓、停車庫等；

◆ 政法建筑：公安局、檢察院、法院、派出所、監獄等；

◆ 園林建筑：公園、動物園、植物園等。

公共建筑和居住建筑同屬民用建筑，民用建筑和工業建筑合稱建筑。大型公共建筑一般指建筑面積2萬平方米以上的公共建筑。

隨著社會的穩步發展和經濟的快速增長，我國公共建筑的面積日趨擴大，目前既有公共建筑約40億平方米，每年城鎮新建公共建筑約3億～4億平方米，。據部分大中型城市的能耗實測資料顯示，特大型高檔公共建筑的單位面積能耗約為城鎮普通居住建筑能耗的10～15倍，一般公共建筑的能耗也為普通居住建筑能耗的5倍。公共建筑用能量巨大，浪費嚴重。

2 綠色公共建筑的設備及設施系統

從2005年我國開始編制綠色建筑標準發展至今，盡管當初相關細則還未出臺，但我國對于綠色建筑的概念已然明確，在建筑的全生命周期內，在適宜條件下最大限度的節約資源，保護環境和減少污染，為人們提供安全、健康和適用的使用空間，與自然和諧共生的建筑。結合公共建筑的特點，可見建設綠色公共建筑的目標主要集中體現在三個方面：

◆ 提供安全、舒適、快捷的優質服務；

◆ 低碳、節能和降低人工成本；

◆ 建立先進和科學的綜合管理機制。

針對這樣的目標，下文簡要介紹綠色公共建筑的設備和設施系統。

2.1 總體設計思路

針對公共建筑在綠色節能方面的需求和措施，營建綜合性的管理系統勢在必行，智能樓宇能源管理體系EMB（Energy-Saving Management For Public Buildings）便應運而生。

EMB的管理平臺可以將環境控制、照明節能、電（自動）扶梯節能、暖通循環水泵節能、暖通空調風機節能、電力需量控制等多功能整合在一起，通過統一的監控平臺和可靠的能量管理系統，實現對能源的綜合管理；通過分析、共享各種數據，加強對用能設備的監管，指導各項節能工作有效的展開，最終創造綠色、安全、舒適的居住環境，實現節能效益的最大化。

EMS能源管理系統可廣泛應用于綠色建筑能耗數據的實時采集、管理、監控及輔助決策中，如圖1所示。主要特點包括：

（1）解決能源分散管理，實現能源消耗的集中監控及管理。

（2）解決能源計量體系不完整、能耗統計機制不健全的狀態，提供從自動化采集、計量、統計核算的系列功能。

圖1

（3）解決節能方向不明確、節能措施不系統的問題，提供能耗分析功能和能耗異常預警提示。

（4）建立多部門協助下的能源平衡機制，使整體電機設備的日常運行管理處于受控狀態，實現工作成員有效溝通和高效協作，為能源管理與審計各方提供全局性的功能。

依據各企業不同的架構、組織，EMB主要分成SC（總控中心）、SS（區域中心）、SU（采集單元）三部分，三部分可依據各企業的實際運營模式和管理辦法，靈活選擇組成模塊。采用基于廣域網的Browse/Server（B/S）模式進行組網，形成樹狀階層分布式網絡結構。實時數據和歷史數據分開傳輸，解決了大容量數據傳輸的問題。

2.2 暖通空調節能

暖通空調能耗占公共建筑總能耗的40%～60%，因此暖通空調節能是公共建筑節能的重要手段，是打造綠色公共建筑的一個必不可少的環節。從目前暖通空調運行情況來看，普遍存在“大馬拉小車”的情況，造成大量的能源浪費。目前針對暖通空調節能改造的主要技術手段有：

（1）冷凍機組的智能控制

采用末端控制優先的原理，其主要策略是：根據供回水溫差來判斷末端能量的需求，通過自動切投冷機的運行臺數，以使冷機工作在最佳能效比曲線段，減少冷機低效運行造成無謂的能耗，提高冷機能效比，可實現主機設備節能10%～15%。

（2）水泵變頻

運用變頻和PID控制技術，通過對冷凍水流量的模糊預期控制、冷卻水的自適應模糊優化控制和冷凍主機系統的間接控制，實現空調冷媒流量跟隨負荷的變化而動態調節，確保整個空調系統始終保持高效運行，從而最大限度地降低空調系統能耗。

（3）變風量（VAV）系統

大型公共建筑為人群極為密集的場所，空調運行時除裙房外其他樓層門窗較為密閉，從而使室內自然換氣次數極小。需要依靠空調系統輸送新風到室內，同時排風系統需要將與新風量相同的室內空氣排出到室外，以滿足人群衛生的要求。由于夏季排風溫度較低而新風溫度較高，讓新風與排風進行熱交換，以降低新風的進風溫度，可以節省制冷機大量的冷量，同時，加強了室內外的通風換氣，是改善室內空氣品質的最有效方法。

2.3 照明節能設計

公共建筑中照明能耗通常僅次于中央空調，但是照明的節能改造必須在保證建筑內照度要求的基礎上進行，否則會造成建筑內人員不舒適。針對綠色建筑對照明的要求，主要的解決方案有：更換高效節能燈具、使用LED燈、安裝照明省電器及照明自動控制系統。

（1）更換高效節能燈具

目前公共建筑中使用的燈多數是T8型熒光燈、緊湊型熒光燈或者用于突出商品和建筑特點而使用的金鹵燈、鹵鎢燈等。大型商場由于實際使用需求和安裝特點，燈具更換難度較大，但是在大型超市、寫字樓、醫院以及商業建筑大型的地下停車場內普遍使用的是T8熒光燈，照明時間也很長。專業數據顯示，節能燈如稀土三基色節能燈比白熾燈節電80%，壽命是白熾燈的5倍，光效是白熾燈的3.5倍。盡管成本要高出幾倍，但價格的差距可以在隨后的使用中節省出來。

實踐證明，在不影響照明效果的前提下，更換節能光源和燈具是最行之有效的照明節能措施。但是目前節能燈具產品質量良莠不齊，選擇更換時要選取優質的產品。

（2）使用LED節能燈

使用LED燈是今后綠色建筑的發展趨勢，LED燈相比較其他類型的燈具，具有以下顯著的特點，如表1所示。

表1

是白熾燈的1/8，日光燈的1/3；

◆ LED燈的壽命至少是白熾燈的12倍，節能燈的4倍，日光燈的5倍，光衰到70%的標準壽命可達50000小時；

◆ LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻率，效率可達80%～90%，白熾燈的可見光效率僅為10%～20%；

◆ LED燈的響應時間是納秒級，可以頻繁開關，無級調節照度。

（3）安裝照明省電器

省電裝置是根據照明燈具及電器最佳工況的特點，利用電壓自耦信息的反饋和疊加原理，采用高新技術制作的高磁導材料和專利的繞線技術研發而成的自耦式節電裝置，使二次測的功率（視在功率kVA，有功功率kW，功率因數PF）得到改善，從而提供用電設備最穩定、最經濟的工作電壓，實現節電和節能的目的。節能效率可達10%（降低5V），同時亦有效延長燈管及電器壽命1.5～2.8倍。

安裝照明省電器可以起到穩壓、濾波、提高功率因數的作用，達到節能與延長燈具使用壽命的結果。

（4）建設照明智能控制系統

照明自動控制系統可以實現對建筑照明的自動化控制和管理，可以和BA自控系統的聯網，實現遠程監視、設備自動控制、自動抄表和計費以及自動報表。

照明自動控制系統可以靈活地進行場景控制，根據照度或人員進入情況控制照明；可以計算機統一控制管理，提高效率；可以遙控控制。但系統復雜，需要較高水平的運行維護人員；該系統以提高管理效率為主，節能為輔，節能量有限。

2.4 電扶梯節能

電扶梯作為公共建筑物的主要耗電設備，存在著較大的節能空間。可采用變頻技術，在動力具有富余量的情況下，降低電動機的運行頻率而達到節電的目的，并具備可雙向轉換、自動起停、緩停緩起、流量統計等功能。主要特點有：

（1）在不影響對負載的前提下，調整供應電壓，使耗電量減少。

（2）對負載提供相對較穩定的工作電壓，提升供電品質。

（3）減少機器設備發熱，降低設備故障率，延長使用壽命。

（4）對大部分設備可提升功率因數（約4%～6%），節省電費。

2.5 新能源的利用

在建筑中，綠色能源已被廣泛采用，光伏發電已成為綠色建筑的應用太陽能的重要手段。

光伏建筑（BMPV，即 Building Mounted PV）是指“將太陽能發電產品集成到建筑上的技術”，我國把光伏建筑分為安裝型（BAPV）和構件型（BIPV）。相對于較狹義的BIPV來說，光伏系統附在建筑上的BAPV則更多的被使用在目前的綠色建筑中，其中在屋頂上建設光伏發電系統則是比較常見的一種形式。

（1）光伏建筑一體化設計

光伏建筑一體化（BIPV，即Building Integrated PV）就是將光伏發電系統和建筑幕墻、屋頂等維護結構系統有機地結合成一個整體結構，不但具有維護結構的功能，同時又能產生電能，供建筑使用。

光伏建筑一體化具有以下特點：

◆ 一體化設計，光伏電池成為建筑物的的組成部分，節省了光伏電池的建設成本；

◆ 有效地利用了陽光照射的空間，高效地利用太陽輻射，這對于人口密集、土地昂貴的城市建筑尤為重要；

◆ 一體化設計的光伏發電量首先為本建筑物使用，即可原地發電、原地使用，省去了電網建設的投資，減少輸電、分電的損耗（5%～10%）；

◆ 在夏季用電高峰時，BIPV正好吸收夏季強烈的太陽輻射，并轉換成制冷設備所需的電能，從而舒緩電力需求高峰時期的供需矛盾，具有良好的社會效益；

◆ 使用新型建筑圍護材料，降低了建筑物的整體造價，使建筑物的外觀更具魅力；

◆ 減少了由燃料發電所帶來的污染量，對于環保要求更高的今天和未來極為重要；

◆ 光伏建筑一體化產生的電力可用于建筑物內公共設施，降低建筑運行能耗費。

（2）屋頂光伏發電設計

BAPV系統可按照最佳或接近最佳角度設計，可采用性能好、成本低的標準光伏組件，系統安裝簡單高效，可獲得最好的投資效益，成為光伏投資商的最佳選擇。而且新建筑的增長速度遠沒有光伏發展快，因此現有建筑成為最主要的選擇對象，從而使BAPV成為當前的主要市場。

屋頂太陽能發電系統通常采用并網型AC供電系統。太陽能發出的電能與市電供電線路并聯，給負載供電。當市電停電時，直/交流電力轉換器會自動停止輸出，以防止太陽能供電系統過載損壞。當負載需要的電能少于太陽能發電系統輸出的電能時，太陽能系統在給負載供電的同時，將多余的電力送往市電。當太陽能系統電能不足以給負載供電時，太陽能電能全部提供給負載，不足部分由市電補充。

對于屋頂太陽能發電系統，當建設空間受限或場地成本較高時，優先選用標準的、效率高的、單晶硅或多晶硅太陽能電池板。

3 綠色公共建筑中的智能化應用

最近美國的研究報告顯示，高質量的辦公環境可使工作效率提高18%，為公司帶來巨大效益。目前在美國一般水平的空調設備花費約10～15美元/ft2，而高級空調的花費約只增加10美元/ft2。然而，因環境不良引起的職員怠工所造成的損失約為5%，相當于每年損失15美元/ft2。因此優良空調、優良工作環境的設計，不但具有良好的投資回報，對人們的工作、健康及節約能源也有莫大好處。

綠色建筑不但可以減少對地球環境50%以上的傷害，也可以使其中的人員少生病，具有更長壽、更健康的人生。

但如何有效的提供健康、舒適、環保、節能的工作環境，不但需要使用各種不同的設備和設施系統，還需要搭建智能化的控制平臺，將智能化的控制應用于綠色建筑中，依據實際負荷情況，通過組合不同的自動控制策略調節系統，以達到最佳化運行，實現建筑物節能、延長系統使用壽命。通過對綠色建筑內各類設備進行實時監測、控制及自動化管理，達到環保、節能、安全、可靠和集中管理的目的。

3.1 智能化控制應用范圍

（1）根據綠色建筑實時的負荷調整冷熱源主機和其他空調設備，在保證室內溫度和濕度的前提下，盡可能地節約能源。暖通空調自動控制系統包含冷熱源（制冷主機、鍋爐等）的控制、水泵（冷凍泵、冷卻泵、熱水泵、補水泵等）控制、冷卻設備（冷卻塔、冷卻井）控制、末端設備（新風機組、組合式空調機組、風機盤管等）的控制，以及各種風機、閥門等的控制。

（2）實現對照明系統的智能控制。可以對大型綠色建筑燈光系統進行智能化的、靈活的啟停控制及調光，在保證照度的同時盡可能地使燈光系統更節能以及具有更為藝術化的表現能力。具體包括：自動定時開閉燈光、根據照度自動開閉、根據照度自動調光、變換預設的場景亮燈模式。

（3）實現對電氣設備的智能控制。包括改善電力品質、自動扶梯節能控制等。

3.2 自動控制策略

溫度控制策略：《公共建筑節能設計標準》（GB 50189-2005）中規定：空氣調節室內計算參數，一般房間溫度為25℃，相對濕度為40%～65%，為了提倡節能，國家發改委要求公共建筑夏季溫度設計為27℃。根據《采暖通風與空氣調節設計規范》要求，冬季民用建筑的主要房間宜采用16℃～20℃，夏季采用24℃～27℃。依據以上要求，采用的溫度控制模式有：溫度跟蹤模式，根據室外溫度智能調節室內溫度的目標值，實現室內目標溫度隨室外溫度變化的動態調整，選擇最佳運行參數，達到最佳控溫效果；溫度固定模式，依據用戶設定的溫度作為控制目標來進行室內溫度控制。

新風控制策略：新風控制類似于過渡季節溫度控制。設立空調新風系統主要是為建筑物內的使用人群提供舒適的環境，但在追求舒適的同時也消耗了大量的能源。夏季，人們感到最舒適的氣溫是19℃～24℃，冬季是17℃～22℃。人體感覺舒適的濕度，一般在20%～60%RH。因此在室外溫濕度良好的情況下，大量引進新風不僅可以改善空氣質量，對空調主機的節能效果也相當顯著。但在室外溫度低于5℃和高于32℃時不建議引進新風調節。

預冷預熱策略：夏季在凌晨2點開啟空調機組半個小時，實現新鮮空氣與建筑內內污濁空氣置換。

CO2控制策略：CO2是衡量空氣質量的重要指標，為了在節能的同時提供健康的環境，需對CO2進行監測與調節。人類生活的大氣中的O2含量為21%，CO2含量為0.03%（300ppm）。當空氣中CO2含量大于1000ppm時，人們就會感覺疲倦、注意力低下；當室內CO2含量在1000～1500ppm時，人們就會胸悶不適。要提供一個溫度適宜、空氣清新的環境，就要求中央空調對室內溫度、CO2含量進行準確、合理控制。通過公共建筑不同區域布置的CO2傳感器采集的CO2濃度值調整新風閥門開度引進不同新風量，將室內CO2濃度控制在設定標準內（1000ppm）。

綜上所述，顯然智能化系統是綠色公共建筑不可缺失的重要組成部分。