利用智能化技術為建筑減負提質
——北京工業大學教授張偉榮的“暖通”進化論

龐紅碩

走進一幢商用大樓，夏天通常會瞬感溫度驟降，被呼呼的冷氣包圍；冬天則被暖烘烘的熱潮直接“糊”一臉。在這類大型公用建筑中，制冷、制熱的設備往往帶著極端化情緒，靠一個設定溫度橫掃全場。這不僅讓空氣的舒適度大打折扣，還無疑增加了建筑能耗。

15年前，北京工業大學教授張偉榮還是清華大學的一名碩士研究生，開始在導師江億院士的指導下研究怎樣將建筑能耗降下來，如今，她又琢磨起如何利用智能技術和分布式技術來同時提升室內舒適度。她說，掌管建筑內熱環境，提供熱量、冷量的設備系統，坊間稱為“暖通”，含供熱、通風、空氣調節3項主要功能。而這個不外露、看不著，卻影響溫度、空氣流通的大家伙里邊卻藏著大學問。

從“修理工”到“海歸”

2000年，張偉榮初到清華大學建筑環境與設備工程專業報道，在師兄師姐的調侃中，差點兒以為自己要向一名修理工發展。

當時，在清華大學招生辦老師的介紹下，她報考了該專業。但又聽聞“暖通”，與修空調、燒鍋爐掛鉤，一度有些迷茫。“真正學起來，才知道原來它和熱學的關聯性很大，早年隸屬土木工程，后來并入熱能與動力工程系，現在又合并到建筑學院。”張偉榮回憶說，同學院的其他班級都在搞設計，他們則不一樣，一開始學純工科的知識，大學物理、微積分皆沒落下，等到基礎夯實了，才慢慢向專業靠攏。

專業了解越深，張偉榮越喜歡。后來，她被直推學校碩士，進入江億院士課題組。在建筑節能剛剛興起的那個年代，江院士主推從政府機關辦公建筑著手降能耗，認為這樣更有利于形成一些政策條文，指導更廣泛的建筑節能改造。于是，張偉榮碩士三年，有兩年多的時間都在往國務院機關事務管理局跑，從清華大學到府右街的路走了一遍又一遍，中央體系的大樓摸底了一小半。拿到一些數據后，她就去做橫向比較、數據分析，最終這些工作成果形成了一篇題為“政府機構建筑節能相關研究”的碩士畢業論文。

張偉榮

如果說搜集數據、進行分析、再提出政策建議的研究模式，可以稱作“軟性作業”，那么攻讀博士學位期間，張偉榮要啃下的就是塊硬骨頭。

她于2008年赴日本東京大學建筑系，2012年取得工學博士學位，并繼續留任東京大學生產技術研究所開展博士后研究工作。張偉榮說，初到日本的時候，導師加藤信介教授曾明確問她想研究什么。她對自己的博士研究方向有兩個明確的想法：一是要區別于碩士階段的偏軟研究，來點兒數值計算、模擬仿真等“硬貨”挑戰一下；二是希望可以與原來的能耗研究聯系到一起。“因為我的導師的研究方向是基于仿真模擬的室內通風，比如溫度如何分布、室內污染物怎樣分布……如果能夠把這些和建筑能耗結合，我覺得可以更好。”

巧合的是，加藤教授也有類似想法，以“考慮室內溫度分布的建筑能耗模擬方法”為題申請了日本學術振興會的重點項目。張偉榮順理成章地包攬下該項目的絕大部分工作，只不過，“開始決定的時候很愉快，做起來卻很是痛苦”。

“博士課題沒有輕松的，流淚過，迷惘過，也懷疑過，更不要說用非母語來溝通交流。”不過，張偉榮也在聊天中直言慶幸，語言天賦讓她很快地適應了環境，第二年已經開始講日語并嘗試用日語寫論文。當然，這個過程中該有的磨合、磕磕絆絆，一樣沒少。項目書最開始讀不懂，就一點點摳細節；儀器使用不熟練，自己動手外，用問來的經驗補充……在張偉榮看來，研究室為她提供了不少便利。“我們從正教授、副教授、研究員、碩博生到科研秘書，人員非常齊備，管理上也特別高效，有各式各樣的明文條例。”這種事無巨細的高效管理模式，和求學收獲一樣，成為張偉榮帶回國內的寶貴財富。現在，凡是她自己學生經手的事情，無論大小都會盡可能形成書面文檔，這讓實驗室管理更顯井井有條。

張偉榮是在2018年舉家回國的，當時距離她離開國土恰好10年。“為什么要回來？這個問題，我被問了無數遍。”她笑著解釋，“在外界看來，自己和愛人都工作穩定，買了房子、車子，孩子也上了幼兒園”。更何況，她還擔任了4年東京工藝大學建筑系的副教授，有2012年日本學術振興會JSPS特別研究員資格認定、2014年日本暖通空調學會最高學術榮譽論文獎、功績獎，以及多個學術委員會委員等榮譽加持。

但這些，都沒能阻止她回國的步伐。張偉榮直言，待的時間久只是因為在猶豫什么時間回來。“我們從沒想過永遠留在日本”“我不希望我的女兒成為日本人”……言談間不難發現，她的思考充分、理性，可以清醒地例數異國發展的個人價值實現、子女教育、父母贍養等問題，“更重要的是，我想把在日本的所學所見帶回來，提高我們自己的學科發展”。順著這個思路，也就很容易理解，回國對這位科研工作者來說，一直是個必選項。

有價值的挑戰

從清華大學“走出去”，最終落腳北京工業大學。張偉榮對于這一舉動，毫不避諱自己的務實，坦言這是綜合考慮后的決定。不論是學校平臺、專業優勢還是留給自身的施展空間，她說，北京工業大學是最合適的選擇。

在那里，建筑環境與能源應用工程專業在劉加平院士的帶領下，正是風頭強勁。張偉榮看準機遇，準備大展拳腳，回國后迅速轉換角色、適應新的研究環境，先后參與到兩項科技部“十三五”國家重點研發計劃項目中，負責子課題研究。“從大方向來講，原來做通風也好，節能也好，實際上都是局限在建筑內部，是比較微觀級別的，甚至只是一個房間。”兩項課題打破這種慣例，尺度從室內躍升到城市住區，從住區擴展到國家級新區。

這種由小到大的跨尺度跳躍，挑戰雖大，但卻更符合國家需要、時代需求。2019年，《近零能耗建筑技術標準》作為我國首部引領性建筑節能國家標準問世，也讓“近零能耗建筑”這一概念置于聚光燈下。讓建筑節能成為大勢所趨，同時業內也發出討論：建筑物如何邁向更舒適、更節能、更高質量、更好環境？

既有住房的改造首當其沖。在“既有城市住區功能提升與改造技術”項目中，張偉榮指出，老舊小區的升級絕不止刷墻美化等“表面功夫”。“比如說，如何建設海綿城市？如何在有限的空間里加裝電梯？又或者是，如何為能源形式單一的城市住區提供更多的可再生能源利用……”在中國建研院王清勤院長牽頭的既有住區改造項目中，張偉榮負責住區能源負荷強度預測的研究。她指出：“住區的復雜性在于使用者的行為太多樣、太隨機，建筑的使用模式特別復雜。”她提出了像拼搭樂高玩具一樣，把不同人的行為模式包含在房間模塊上，通過簡單輸入小區人員結構、人口比例等信息，快速疊加出建筑負荷——基于模塊重構的建筑負荷預測方法，再進一步疊加改造給住區微氣候帶來的變化影響，從而準確預測住區負荷強度。

假如既有住區的研究是張偉榮向空間尺度拓展的一小步，城市新區低碳規劃設計就是又一大步。由同濟大學吳志強院士牽頭的“城市新區規劃設計優化技術”，共有15家單位參與。張偉榮負責的工作簡單來說就是，如何獲取碳排放監測數據，支撐規劃設計做得更扎實。

“國家的19個新區，像浦東、濱海、雄安等承載著不同的功能和戰略需要。在整體規劃上，推動城市新區綠色發展是我國集約、智能、綠色、低碳新型城鎮化的應有之義。”為了能夠圓滿完成城市新區碳排放監測核算方法與模擬分析技術研究，張偉榮在現場調研、數據獲取、統計分析等方面下足功夫。由于碳排放數據不同于人口、G D P等常規統計數據容易獲取，張偉榮只能另想辦法。“相對成熟的新區，數據公開做得比較好的，統計年鑒或者公報中會有數據記載，可以直接取用。沒有統計年鑒的，我們就先借用所屬城市的數據。又或者數據時間不統一，就按照GDP發展去推算碳排放量變化，畢竟碳排放一般跟著GDP走勢。反正，各種各樣的方法都用了。”這份用心得到了吳志強院士的肯定。用數據說話，也為未來更多有價值的分析提供了科學化的地基。

二度創業，忙是常態

除了兩項“十三五”子課題，張偉榮回國兩年多，還接連拿下了國家自然科學基金青年項目1項、面上項目1項、日本文部科學省合作研究1項。她目的明確，想趁年輕多拼出些成績。

她坦言，作為女性科研人員，總會有一段時期必須將更多注意力轉移到家庭，陪伴孩子成長。但家庭和事業并不絕對是對立的，也不應該成為阻擋女性追求事業發展的壁壘。“所以現在更要拼盡全力，回國的高起點是國家給我的二次創業的機會”，她說道。

對張偉榮來說，科研更像是一種樂趣，一個有趣的發現問題、解決問題的過程。特別是近年來，綠色建筑節能技術不斷發展，張偉榮深感，機會在大環境中涌出。降低建筑能耗、提升建筑能效已經是產業發展的必然要求，也即將成為應對全球能源危機和實現綠色低碳與可持續發展的重要手段。

面對溫濕度獨立控制空調、新式風機盤管、輻射末端等各種新型環境調控形式層出不窮，她認識到新技術、新產品的利弊共存。一方面，這些末端設備促進了由傳統的空氣調節方式向分布式末端調節的轉化，提高了舒適性和建筑能效；另一方面，它們也帶來了負荷分配、調控復雜等挑戰。這種情況下，在建筑內部的細微控制上便大有文章可做。于是，張偉榮重拾建筑內部能源研究的老本行，引入大數據、人工智能等火熱技術，定下了為建筑物“提供全空間熱環境信息”的目標。

團隊合影

在國家自然科學基金的支持下，她主導了青年項目“基于移動傳感器信息的建筑熱環境預測方法研究”，利用移動傳感器采集系統收集的使用者高度內的時間、空間不連續數據，開發出可以實時、快速、高準確度預測室內溫度分布的智能算法。在她主導的面上項目“需求導向型可變動態通風系統研究”中，她進一步創新性地將動態可變通風系統引入室內環境控制，打破傳統的固定風口、送回風模式固定，通過合并分析需求側的特征，開發可變、動態通風優化策略和評價指標，充分探討需求導向型可變動態通風的應用可能，為室內環境的調控提供全新的手段。

一項一項課題研究有條不紊地進行，忙碌是常態。不過即便再忙，有一項活動，張偉榮始終沒放下，那就是運動。在她看來，瑜伽、普拉提，以及適當的力量訓練，這些都是保持精力充沛的法門。

張偉榮的工作態度和生活狀態也極大地影響著她的團隊。在人才培養上，她慣用粗放型管理，但十分看重素質的養成。她認為，學生階段最重要的是形成自主學習的習慣、發現問題的能力。“我培養出來的學生，無論以后是在高校繼續深造，還是進入企業，我希望他們始終要保持一個能夠學習的狀態。”

除此之外，責任心也是張偉榮特別提到的。她強調待人接物中，換位思考的重要性，“一件事情做不到自己覺得滿意，交出去時，要想想別人的感受”。既做得了嚴師，也當得起益友，張偉榮恰到好處地拿捏著這兩種角色。學生們將她視作榜樣，但這并不妨礙他們也喜歡找這位年輕的老師聊天，聊工作、聊戀愛煩惱，聽她“短平快”的觀點。如今，張偉榮的團隊雖然規模不大，但人員各司其職，任務多、機會也多。在進一步的規劃中，這個年輕的隊伍要踏踏實實做項目，追求更高產，拼出亮眼的成績。