“雙碳”背景下數(shù)字賦能體育場館可持續(xù)發(fā)展

摘"要：體育場館因其獨特的需求狀況和運營要求而消耗大量能源，為了解決場館的可持續(xù)性和效率問題，需要智能有效的解決方案，提倡高效且可持續(xù)的體育場館對于環(huán)境友好型和社會彈性城市至關重要。與其他類型建筑相比，體育場館在建筑運營管理和優(yōu)化方面存在諸多差距，同一體育場館在寒冷氣候區(qū)與炎熱地區(qū)同樣存在較大差異。本文對現(xiàn)有解決方案進行了全面的調(diào)研和深入討論，介紹了這些研究的局限性以及體育場館在能源和操作優(yōu)化方面的前景，并討論了體育場館在能源市場中的積極作用。

關鍵詞：碳中和；建筑能耗；系統(tǒng)優(yōu)化；綠色設計；可持續(xù)性

1"概述

在世界人口增加、經(jīng)濟增長以及技術革命推動下，世界能源消費大幅增長。到2050年，人口增長和工業(yè)生產(chǎn)的增長使能源需求迅速增加約80%［1］。然而工業(yè)化和城鎮(zhèn)化發(fā)展產(chǎn)生的二氧化碳，加劇全球溫室化問題。根據(jù)國際能源機構技術估算，建筑部門能耗占全球總能源消耗的1/3，其二氧化碳排放量占世界總量的近40%［2］。由于全球變暖以及惡劣天氣天數(shù)增加，建筑物中供暖和制冷的能源需求不斷增長［3］。建筑物的主要能源消耗來源是供暖、通風和空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)的使用，約占建筑物總能源的40%；其余的是內(nèi)部設備和電子產(chǎn)品等雜項領域的消費［4］。據(jù)美國能源信息管理局預計，到2050年建筑用電占總能耗的比例將翻倍［5］。

1.1"體育設施與其他類型建筑

建筑、工程和建設部門在能源使用方面存在效率低下的問題［6］。體育場館在運營過程中消耗大量能源，在體育賽事相對較少的淡季場館使用率低，而在體育賽事期間場館使用率迅速提高。考慮體育賽事期間大量人群活動產(chǎn)生的舒適性和通風要求，體育場館的設施服務運行更為頻繁，也會消耗更多的能源來滿足用戶的舒適性、健康和安全要求以及體育賽事/活動的要求。

1.2"研究目標

為了應對體育場館運行的安全性和可持續(xù)性方面的新挑戰(zhàn)，采用更加高效的管理措施越來越重要。目前體育場館低能耗管理的研究已經(jīng)比較豐富，不同學者提出了多種可持續(xù)管理解決方案［79］。因此，本研究的目標是：

（1）闡述能源管理和體育場館優(yōu)化的重要性和意義；

（2）研究體育場館在節(jié)能和運營管理方面的現(xiàn)狀；

（3）總結體育場館能源和運營管理及優(yōu)化的解決方案；

（4）展望體育場館的能源效率和操作優(yōu)化方面的發(fā)展前景。

2"體育場館的類型和特點

與其他類型的建筑相比，體育場館具有特殊的能源需求特點［10］。體育活動類型、場館設施運行時間、體育賽事舉辦地的地理位置和氣候是影響體育場館能源的幾個重要因素，本節(jié)介紹了目前體育場館的幾個主要元素。

2.1"體育場館類型

2.1.1"體育場

體育場館占地面積大，運行產(chǎn)生大量的能源消耗。因此，體育場館在設計、建設和運營階段采取節(jié)能措施對于提高體育場館能源使用效率至關重要。體育場內(nèi)的主要功能空間是運動場、大廳和辦公室，照明和廣播系統(tǒng)也會消耗大量的能源。

2.1.2"游泳館

水上運動會在游泳館舉行，舉辦水上賽事包括游泳比賽、跳水競技和水球比賽。游泳館功能空間包括更衣室、衛(wèi)生間和淋浴間、辦公室等功能區(qū)。在正常運行情況下，空調(diào)和通風占游泳館總能耗的55%，泳池水加熱占33%，室外游泳池會提升熱水使用需求，消耗能源增加［11］。

2.1.3"體育中心

體育中心包括室內(nèi)外網(wǎng)球場、壁球場、室內(nèi)足球館、排球場、籃球場、訓練館、體育館、體育文化中心等功能區(qū)。體育中心的能源需求相對低于體育場和游泳館。典型的運動場將68%的能源用于空調(diào)和通風，30%用于照明和電氣設備［12］。

2.2"體育場館的樓宇自動化管理系統(tǒng)（BAMS）

體育場館自動化管理系統(tǒng)如典型BAMS，根據(jù)不同體育場館的規(guī)模、位置、活動類型，具有不同的配置。組件協(xié)同可提高體育設施的整體管理效率、可持續(xù)性、可操作性，降低購買能源費用。

2.2.1"暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)

HVAC系統(tǒng)負責調(diào)節(jié)空間和控制空氣質(zhì)量，以保持用戶的熱舒適性和安全性。空調(diào)系統(tǒng)在辦公室、更衣室、室內(nèi)和室外訓練區(qū)安裝。優(yōu)質(zhì)的空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可提升運動員的舒適度，也可提升觀眾觀賽體驗。暖通空調(diào)系統(tǒng)是體育場館耗能最多的系統(tǒng)。

2.2.2"照明系統(tǒng)

由于體育場館通常具有高天花板、開放區(qū)域或巨大玻璃區(qū)域，這與普通的樓宇建筑形成了顯著的差異，體育場館的照明系統(tǒng)需要進行特殊設計。除了需要為運動員和使用者提供充足的空間光線，還應盡可能使場館照明系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗降至最低。

2.2.3"生活熱水（DHW）系統(tǒng)

生活熱水系統(tǒng)為廁所水龍頭、淋浴器和其他需要熱水的用戶設備的固定裝置提供用途的熱水。它通常由鍋爐、儲水箱、控制系統(tǒng)以及水泵和管道系統(tǒng)等部分組成。

2.2.4"可再生能源系統(tǒng)（RES）

RES"旨在為體育場館提供清潔能源，其光伏系統(tǒng)等有助于減少化石燃料發(fā)生的電力依賴，提高體育場館可持續(xù)發(fā)展。

2.2.5"電動汽車停車場

隨著電動汽車的普及率持續(xù)增長，目前體育場館的充電站已經(jīng)成為重要基礎設施中的一部分。使用電動汽車將有助于減少化石燃料的燃燒，運動員和觀眾使用電動汽車出行是順應“雙碳”發(fā)展趨勢的有效措施，建設電動汽車充電能源管理系統(tǒng)將減少電動出行工具充電過程中的耗電量。

2.2.6"廣播系統(tǒng)

大型體育賽事需要播報新聞和廣播宣傳。廣播系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)攝像機和機器人系統(tǒng)、發(fā)射機和接收機、廣播和制作系統(tǒng)等組成部分。

2.2.7"火災報警系統(tǒng)

大型體育賽事會聚集大量觀眾，消防安全在體育場館使用中至關重要。消防安全工作包括觀眾的健康安全和設施的使用安全，建立火災報警系統(tǒng)預防機制有助于提升體育場館的安全性。

2.2.8"安全監(jiān)視系統(tǒng)

由于體育賽事過程中有特殊情況發(fā)生的可能，體育場館的安全監(jiān)控系統(tǒng)可保存重要的視頻資料。

3"體育場館管理調(diào)研方法

遵循圖2所示的方法，本研究資料從學術電子數(shù)據(jù)庫收集，保證數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。使用學術搜索引擎包括ScienceDirect、Scopus和Google"Scholar，文獻檢索使用關鍵字主要有體育場館類型、HVAC系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、應用目標、氣候、能源節(jié)約、使用效率，文獻的研究步驟，如圖2所示。

本研究采用文獻研究法，對采用關鍵字篩選的文獻進行研究，通過查閱相關出版物的研究方法、實驗以及結果和討論部分，進行資料的收集總結；使用表格和圖形展現(xiàn)數(shù)據(jù)和研究結果，給出結論和建議。

4"碳中和及智能化背景下的體育場館調(diào)研

本研究旨在管理和優(yōu)化體育場館的運行和性能，開發(fā)BAMS系統(tǒng)的先進設計方案，提高BAMS運行和性能的估算和預測模型，根據(jù)系統(tǒng)功能和運行參數(shù)進行可靠性、有效性分析，提高可再生能源在體育場館設施能源的使用效率和持續(xù)性。

5"趨勢分析及討論

5.1"不同區(qū)域背景下的體育場館的能源消耗

在寒冷地區(qū)，體育場館能源消耗主要產(chǎn)生于加熱過程。由于氣候條件適宜，一年使用不超過六個月，使用經(jīng)濟性的空調(diào)系統(tǒng)更具性價比［13］。而在炎熱地區(qū)，空調(diào)的主要使用模式多采用冷風降濕，需要能源密集型空調(diào)，以滿足冷卻需求并保持空氣通風要求。

5.2"體育場館的能源消耗和區(qū)域背景

體育場館所需電力可以依賴太陽能、水力發(fā)電、風力發(fā)電、化石燃料等不同能源。對于海灣等一些地區(qū)，石油和天然氣是主要的發(fā)電來源，而清潔能源技術仍在發(fā)展中，尚未充分開發(fā)［14］。隨著體育賽事民眾關注度不斷增加，體育場館的可持續(xù)發(fā)展研究變得至關重要。

5.3"體育場館運行的管理和優(yōu)化方法

目前，體育場館管理的研究熱點是基于模擬的優(yōu)化，大約40%的研究工作都采用這類研究方法。此類研究方向側(cè)重于優(yōu)化設施或其子系統(tǒng)的設計、優(yōu)化設施運行在控制、監(jiān)管和管理方面的績效等。通過建立仿真模型，得出解決方案的可行性，制定最佳設計方案或控制策略。

優(yōu)化算法主要用于系統(tǒng)設計優(yōu)化以降低成本，而基于人工智能和ML的研究中，超過60%的目標是優(yōu)化BAMS的運行，如故障診斷、控制策略和系統(tǒng)設置等。大約44%的仿真優(yōu)化研究是用于體育場館BAMS的性能改進上。對于過時的體育場館，大多數(shù)研究側(cè)重于實現(xiàn)性能改進和優(yōu)化實施，其中約75%的文獻是針對體育場館中的游泳池進行論述，具體包括實施節(jié)能措施和優(yōu)化BAMS（供暖系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)）組件的開發(fā)。大約22%的研究工作旨在建立游泳池和體育中心能源需求、熱舒適性和熱過程的預測和估算模型，以推動管理和優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)。

6"未來發(fā)展展望

大量的大型體育賽事為主辦城市帶來了良好的知名度和經(jīng)濟收入，吸引了大量資金用于新的基礎設施建設項目，并帶動城市旅游業(yè)發(fā)展。然而過去相關案例表明，舉辦重大的體育賽事可能會產(chǎn)生不可預見的環(huán)境問題，從全球范圍來看，體育賽事更需要減少碳排放，而不僅僅是通過購買碳匯抵消活動產(chǎn)生的額外碳排放，這并不是本質(zhì)上解決問題的方案。

利用人工智能可幫助人們高效完成熱動力學建模，在AI技術方面，體育場館BAMS技術旨在為體育建筑管理人員提供控制功能，以管理室內(nèi)條件、能源消耗、安全和安保等服務。在BAMS中應用人工智能技術可制訂更加科學有效的能源管理方案，但標準BAMS缺乏充分的洞察力和集成系統(tǒng)的調(diào)度能力，未來需要開發(fā)更高級BAMS應對體育場館的可持續(xù)發(fā)展。

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