近零能耗與近零碳智慧園區建設方案探索

劉宇， 王學興， 王建平， 曾憲坤， 王偉

（中建三局第一建設安裝有限公司）

1 引言

近年來，全球環境問題愈發嚴峻，各國領導人就共同維護地球生態問題召開了多次國際會談，我國作為全球第二大經濟體，積極承擔大國責任，給出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的承諾。2022年3月也確定了十四五規劃節能與綠色建筑目標：到2025年，建設超低能耗、近零耗建筑0.5億㎡以上。同年6月印發的《城鄉建設領域碳達峰實施方案》也進一步明確了2030年、2060年的階段目標。

從《中國建筑能耗研究報告（2020）》[1]的統計數據來看，建筑行業碳排放和能耗總量巨大，2018年全國建筑行業僅運營階段能耗就占全國能源消費總量的21.7%，而碳排放也同樣占到了全國碳排放總量的21.9%。因此，只有探索新的管理模式，盡可能降低運營階段的能耗和碳排放，才能實現建筑行業的“碳達峰、碳中和”目標。而有著人口集中，能源消耗大等特點的園區則是建筑行業運營階段中不可忽視的部分，同時建設低碳低能耗智慧園區也是打造智慧城市繞不開的話題，本文主要對園區運營階段的智能化管理展開闡述。

2 項目背景

此項目總部大樓地上建筑面積約50000㎡，塔樓辦公面積26700㎡，裙樓配套辦公面積23300㎡，初步規劃建設21層，包括總部辦公區域、生活區、檔案中心、會議中心等多個功能區域。

本方案堅持目標導向和問題導向，以先進信息技術為支撐，以“物、云、大、BIM”為主要技術路線，圍繞總部大樓數字運維需求，建設包括物聯網平臺、三維可視化平臺、數據支撐平臺在內的三大業務支撐平臺，配合接入集成多個弱電智能化系統，實現包括能源管理、碳排放管理、環境監測管理等十大業務應用，并通過三維可視化智慧運維駕駛艙實現大樓全面綜合態勢查看，以這樣一套智慧高效的數字運維平臺助力園區近零能耗與近零碳的實現。

3 行業現狀分析

3.1 園區建筑設計方案落后，難以進行高效能源利用

國內很多承建方一味追求建造速度和成本，忽略了技術創新的重要性，也沒有貫徹低碳綠色理念，在建筑材料、耗能設備等方面選用不合理，自然資源利用不到位，尤其是對整個園區全局統一管理意識不到位，諸多因素雜糅在一起形成了能源低效使用、高碳排放的現狀。

3.2 系統間形成信息孤島，難以進行統一調度管理

園區面積廣闊，按照使用場景劃分了多個不同的功能區域，為不同部門或人群提供基礎服務，而各場所區域的信息化管理系統大多由不同業務團隊負責開發，彼此獨立，數據不互通，形成信息孤島[2]，難以進行全局統一的能源調度管理和優化調配，容易造成資源的浪費，導致不必要的碳排放和能源浪費。

3.3 缺乏全方面數據支撐，難以進行結果測算評估

在建造初期因為方案設計、發展意識或成本考慮等諸多因素，園區運營階段所需參數不能及時采集，例如溫度、濕度、PM2.5含量等空氣質量情況，用電、用水、燃氣使用等能耗情況，因為沒有諸如上述統計數據作為支撐[3]，后期園區管理決策缺乏依據，很難及時做出策略調整或模式改變，也無法對策略優劣進行有效的測算評估。

4 方案設計

項目設計路徑是在綠建三星基礎上，聚焦建筑用能側減碳和需求側節能，通過進一步增加可再生能源利用、提高建筑本體節能率、提高圍護結構熱工性能、降低空調運行能耗和全電氣化設計等技術措施，如圖1所示，逐步完成從綠建三星到近零能耗再到近零碳建筑的遞進，達成“近零碳建筑、近零能耗建筑、健康建筑、智慧建筑、綠色建筑三星級”五大目標。本文著重從數字化轉型，智能化管理的角度對建筑運營階段的節能減排方案進行了探索。

圖1 零能耗及近零碳建筑方案的技術措施與五大目標

4.1 框架設計

項目數字運維平臺的建設將基于信息與建筑各方面業務的融合和不同角色用戶的實際需求，充分考慮新技術的應用，確保系統的先進性與實用性。結合當前信息技術的發展趨勢，本方案以“物聯網+云計算+大數據+BIM”為主要技術路線進行系統設計，助力建筑運維的事后處理向事前預警預防進行轉變，實現精細化、高效化、可視化管理。整體框架共分為基礎設施層、數據層、支撐平臺、展示層四層，囊括了從底層數據收集到頂層數據展示，再到用戶指令下達的所有系統界面，如圖2所示。

圖2 零能耗及近零碳數字運維平臺系統框架設計圖

基礎設施層：將智能終端同數字平臺層相關的信息系統進行連接，如智能變配電系統、智能冷熱源系統、智能照明系統、智能環境系統等，實現弱電智能化系統集成，為數字運維平臺提供原始數據和底層控制能力，包括終端原始信息識別、信息采集、監測和控制等，使總部大樓萬物具有感知信息和執行指令的基本能力。

數據層：將各類數據庫中的基礎數據，以增量的方式，通過數據網關轉換成統一格式進行傳輸，組成各部門基礎數據庫，結合業務決策模型對數據進行深度加工，為領導決策支持、部門之間的綜合查詢等功能提供數據共享和分析服務。

支撐平臺：包括數據支撐平臺、物聯網平臺、三維可視化平臺以及相關應用支撐平臺，為上層應用以及展示呈現提供平臺支撐。

展示層：面向大樓運營層面管理人員，實現大樓集中的運營管理功能，尤其是能源消耗和碳排放模塊，提供了如按日、月、年不同時間維度及多種圖表方式展示的建筑能耗狀況、對項目總碳排放統計分析、室內外空氣質量檢測等，對業務的關鍵能耗指標和碳管理指標進行量化呈現，以便及時做出管理策略調整。

4.2 平臺設計

4.2.1 物聯網平臺

物聯網IoT是對大樓各個物聯子系統及應用子系統進行信息集成與數據集成的平臺，以“分散控制、集中管理”為指導思想，采用面向服務編程，達到高內聚低耦合的設計目的，實現信息資源的共享與管理，提高工作效率，及時對全局事件做出反應和處理，提供高效、便利、可靠的管理手段。

物聯網IoT的建設，除綜合考慮安防、碳管理、能耗等設備設施的數據采集、日志和安全傳輸外，還進一步考慮了設備管理，鑒權認證，故障診斷和告警分析過濾等，同時將區域的環境指標、碳管理、能效設備以及其他傳感器的數據、狀態和告警及時上報給IOC上的各個應用，全面激活智慧園區的感知能力。

4.2.2 基于BIM的三維可視化平臺

基于BIM的三維可視化平臺是一個二三維一體化的服務組件，實現對空間靜態數據的采集、儲存、管理、運算、分析、顯示，并支持與位置服務系統集成，實現室內的人員定位與導航基本功能，供上層應用集成，實現可視化的統一管理，包括建筑基礎信息，水電管網等設施基礎BIM信息，空調、水暖、消防等樓控信息，資產、人員、車輛管理等物業信息，以及碳管理信息等，同時提供了VR智能巡檢、AR智能保養、AR遠程協助等服務。

打破以人工管理為主的常規模式，解決傳統模式中信息孤立、缺乏綜合分析、應對突發事件反應遲緩、安全隱患較大等問題，實現園區信息數字化，讓園區管理更加智能和便捷。

4.2.3 數據支撐平臺

數據支撐平臺作為數字運維平臺的數據底座，主要負責完成各異構子系統（綜合安防、碳管理、能耗管理等）的數據集中管理和使用，實現數據的結構整合，統一規劃數據格式，向下通過已接入子系統應用的數據集成接口，把對應的源數據轉換成為結構化數據，保存在數據使用組件的對應主題庫中；線上為智慧應用系統提供數據服務，以便運維平臺、BIM、物聯網等調用數據接口，獲取相關數據。

4.3 應用系統設計

4.3.1 三維可視化智慧運維駕駛艙

三維可視化智慧運維駕駛艙作為報告中心和指揮中心，具備運營狀態可視化、業務分析、事件預警、輔助決策、指令下達等能力，并整合各類應用，提供用戶統一入口，可自主切換勢態詳情頁，共提供了綜合勢態、能源勢態、碳管理勢態、安防態勢、環境勢態、設施設備勢態、車輛勢態七大勢態大屏，展示實時及過往數據統計情況，實現大樓的可視、可管、可控等能力，為智慧園區運營提供決策分析依據。

4.3.2 能源管理系統

平臺對接智慧水表、智能電能表等設備，集成太陽能發電幕墻、瓦楞及地下熱源泵的能源管理系統，在平臺統一管理，并進行統計分析，以結構化、圖像化方式實時展示能效數據，分項、分類、分區域計量能耗數據。通過對能耗數據進行算法分析和規劃處理，輔助管理人員加強用能管理，提供節能策略。如水溫尋優，將根據末端實時負載量，動態調整冷凍站水溫目標值，結合天氣預報，控制冷凍站運行在最佳制冷模式；制冷系統功率尋優，根據相等邊際效能原則，找出制冷系統內各個部件功率的最佳組合。

4.3.3 碳排放管理系統

針對“雙碳”應用，對各個涉碳單位建立根據數據流入流出核算單元的碳源以確定碳排放源，提供排放源核算方法、計算公式，支持監測任務調度，提供數據核查與驗證功能，匯總、歸納排放量過程和結果，形成排放清單、報告及表單，支持碳盤點，并為后續碳交易提供憑證。

通過碳排放管理系統，實現對園區整體、子區域、主要設備系統的碳排放統計分析，提供了如按日、月、年不同時間維度及多種圖表方式展示不同場所區域的碳排放情況，實時掌控現階段碳排放量與指標值的差距，以便及時做出策略調整。

5 優勢分析

本項目數字運維平臺方案具有“一體集成互聯、智慧節能低碳、應急輔助決策、數據融合共享、管理高效有序、態勢全景可視”六大亮點，而在項目全過程中采用45項低碳建筑技術，其中引領技術11項、示范技術34項，每年減少二氧化碳排放約6200噸。經測算，本項目節能大于85%，降碳大于50%，滿足近零能耗、近零碳建筑的節能標準要求，達到國內領先水平。

值得一提的是，文中所提的“近零能耗”指標定義參考《近零能耗建筑技術標準》[4]，“近零碳”指標定義為《建筑節能與可再生能源利用通用規范》[5]基礎上降低50%。

6 結語

傳統辦公樓到智慧園區的轉變是個持久的探索過程，但在“雙碳”戰略目標的大背景下，這是未來園區發展的必然趨勢。本文以數字運維平臺為背景，進行了近零能耗與近零碳智慧園區建設方案的探索和分析，以“物聯網+云計算+大數據+BIM”為技術路線進行設計，以三大支撐平臺為基礎，實現園區智能管理所需的十大業務應用，以數據為支撐，讓決策有依據、測評有參考、結果有證明，為園區的雙碳管理、能源管理及智能管理提供了可行性的參考方案。