智能控制系統在綠色建筑節能中的應用

【關鍵詞】智能控制系統；綠色建筑；節能

引言

隨著“雙碳”戰略的深入推進，建筑行業作為能源消耗和碳排放的重點領域，亟需通過技術手段實現節能降碳的目標。綠色建筑作為實現可持續發展路徑的重要承載體，強調在建筑全生命周期內實現資源的高效利用與環境的最小影響，其能效管理能力已成為衡量綠色建筑質量的核心指標。然而，傳統節能模式主要依賴建筑結構優化與被動材料手段，存在調節滯后、運行粗放、響應能力不足等問題，難以支撐復雜建筑環境下的精細化管理需求[1]。隨著物聯網、人工智能、大數據與邊緣計算等信息技術的發展，智能控制系統應運而生，為綠色建筑提供了主動感知、智能決策與閉環調控的一體化解決方案。智能控制系統通過感知設備、控制邏輯與管理平臺的深度協同，可動態調節建筑環境參數，實現照明、空調、遮陽、能耗監測等多系統間的融合調控，有效提升建筑能效與運行質量。

一、智能控制系統的技術架構

（一）感知層：多源環境數據的智能感知與動態采集機制

智能控制系統的感知層構成了整個建筑能效調控體系的數據基礎，其核心功能在于實現對建筑內外環境狀態的實時感知。該層級廣泛部署溫濕度傳感器、紅外感應器、光照強度計、空氣質量監測器、門窗狀態感知器以及人員識別設備等，通過物聯網技術構建高密度感知網絡。傳感設備通常采用RS485、ZigBee、遠距離無線電（Long Range Radio，LoRa）等通信協議，與控制中心或邊緣計算節點進行數據傳輸，構建動態的物理環境數字化映射。通過對這些數據進行高頻采樣，系統能夠精確判斷當前建筑運行狀態，如室內空置率、局部冷熱分布、光照充足度以及通風需求等。感知層的數據驅動不僅為后續控制策略提供精確依據，同時也避免傳統建筑在能源調控上存在的“盲目冗余”問題[2]。例如，當系統感知某區域人員流動稀少、光照充足時，便可自動關閉該區域照明與空調設備，從源頭降低能源浪費，實現動態、精細的節能控制目標。

（二）控制層：基于模型預測與邏輯推演的調節策略執行體系

控制層作為智能控制系統的核心部分，負責承擔對感知信息展開邏輯判斷以及生成能效調控指令的任務，此層一般是由可編程邏輯控制器、分布式控制系統、工業PC或者嵌入式芯片所構成，其內部嵌入了模型預測控制、模糊控制以及神經網絡算法等內容，可依據環境狀態和歷史運行規律來預測建筑能耗的趨勢，做出最優的控制決策。系統借助設定目標函數來進行實時優化，動態地調整HVAC系統的運行狀態、照明的開閉邏輯以及電動遮陽的角度等，控制層擁有自學習能力，可在運行期間持續修正控制參數，以此提高對建筑多變使用狀態的適應能力。在不同季節以及人員密度條件下，系統可自動調整空調送風頻率與冷負荷分配策略，在實現局部節能的同時保障舒適度。實際上在多系統協同控制里，控制層還可實現基于優先級的能耗調度，防止出現設備運行沖突、負載波動等問題，最終構建起穩定高效的節能調控體系[3]。

（三）管理層：基于數據融合與反饋優化的能效運維決策平臺

管理層作為智能控制系統里針對建筑管理者以及運維人員的策略反饋與決策支持平臺，主要依靠能源管理系統、建筑信息模型聯動平臺以及大數據可視化模塊搭建而成。該系統會把感知層和控制層采集與生成的數據做集成處理，生成囊括能耗趨勢分析、分區域能效評價、運行異常診斷、節能潛力識別等多維數據報表以及圖形可視化界面，以此支持多終端進行訪問。這一層級可實時呈現建筑各個用能單元的運行狀態，還可借助人工智能算法對歷史數據開展回歸建模、趨勢預測以及策略迭代更新，構建起“預測—評估—優化”這樣的節能閉環。比如說，當系統監測到某個區域的能耗異常升高且和歷史曲線出現偏離時，就可自動發出預警并且推薦調整策略，如降低送風頻率、關閉照明回路、開展設備檢修等。管理層的存在達成了建筑節能從“事后響應”朝著“主動預警”以及“智能演化”的轉變，切實提升了建筑能效管理的科學性、實時性與可控性，成為綠色建筑運營階段必不可少的核心部分。

二、基于綠色建筑節能的智能控制系統設計

（一）空調與新風系統的多維感知協同控制設計

綠色建筑中空調與新風系統存在高能耗特性，智能控制系統設計需構建“空間-時間-需求”三維耦合的空調調節邏輯。具體做法是在各主要功能區域布置環境感知節點，如溫濕度傳感器、CO2濃度檢測器、紅外人體感應器等，借助LoRa無線通訊把數據實時傳到控制中心，搭建細粒度的氣候感知網絡。控制系統運用模型預測控制方法，依據室內舒適參數設定值和實際檢測值的偏差算出最優送風量與冷熱負載分配，在人員密度變化大的空間，例如會議室或共享辦公區，系統依靠歷史數據回歸模型與日程應用程序編程接口接入預測使用強度，提前調整送風頻率或新風置換量，以此降低瞬時峰值能耗[4]。該控制系統還應支持按需送風策略，也就是對空置空間實行能耗壓縮機制，達成能源的動態調度與精準釋放，并且所有控制指令與調節結果都記錄在能耗數據庫里，供后期調優與策略迭代使用，形成系統級的自適應節能邏輯閉環。

（二）基于晝夜周期與光照強度的智能照明系統設計

綠色建筑智能照明系統的設計把“自然光優先+動態調節”當作核心準則，搭建一個將環境采集、時序控制以及行為識別整合在一起的精細照明調節架構。在照明區域布置光照傳感器和人體紅外感應器，然后把它們和智能照明主控模塊相連，依據數字可尋址照明接口（Digital Addressable Lighting Interface，DALI）協議或者KNX總線標準達成多節點互聯控制。白天的時候，系統實時檢測自然光的強度，要是外部光照高于設定的閾值，就會自動把照明設備調暗或者關閉，同時開啟遮陽系統來避免眩光。到了夜間，就根據人員活動強度以及工作時段來激活局部照明，系統可支持照度分區控制和場景設定，像是設置“工作模式”“節能模式”“休息模式”等，用戶可以借助觸控面板或者手機APP進行遠程切換。每一次照明控制動作都會被記錄并且分析，然后在系統后臺生成能耗對比曲線，在試點項目里，這種設計已經達成了超過30%的照明能耗節省，非常適合辦公樓宇以及教育建筑的節能升級改造。

（三）能源監測與分項計量系統的結構化集成設計

綠色建筑節能控制的關鍵，不只是“控”，更在于“看”。系統設計要搭建能源監測與分項計量系統，覆蓋全部用能單元、所有時段以及整個空間，具體的實施辦法是：在建筑主配電室、各樓層配電箱以及關鍵用能設備處，安裝多功能智能電表、水表、燃氣表和數據采集模塊，然后接入能耗采集網關，形成邊緣級數據匯聚層。全部采集到的數據會實時上傳到云端能效管理平臺，借助分項能耗分析、用能趨勢分析以及能效基準對比等功能，達成建筑能源行為的透明化與數據化[5]。平臺應有異常能耗識別功能，比如當某個區域能耗突然增大或者設備連續運行超過限定時間時，系統可自動觸發報警，并定位到具體的樓層與回路。這種設計為節能策略奠定了數據基礎，也為建筑運維人員提供了精準的管理依據，憑借與建筑信息系統集成，可以在3D模型中標出能耗熱點區域，幫助進行節能改造和策略調整。

（四）智能運維與策略迭代反饋機制的閉環設計

要達成系統的長效運行以及持續優化這一目標，需要在智能控制系統設計里引入智能運維以及策略自學習反饋機制，具體的實施辦法包含三個模塊。第一個是運維中心集控平臺，它會集成所有子系統的運行狀態、報警信息以及維護記錄，運用多維數據看板和預警模型對系統健康狀況開展動態評估；第二個是引入基于人工智能的策略優化算法，像是強化學習與遺傳算法，在云端模擬不同策略下的能耗與舒適度表現，以此不斷迭代調控模型與規則庫；第三個是建立用戶行為感知機制，記錄實際使用過程中的干預操作，像用戶手動開啟空調、調節照明等行為，并且用來分析系統策略與實際使用之間的偏差，優化用戶交互體驗。系統支持對能效執行成果進行周期性評估，比如月度節能報告、碳排放評估等，形成數據驅動、策略優化、自動調控的全流程閉環運維模式，保證智能控制系統在綠色建筑中能“部署下去”，還可以“用得精準、管得高效、節得持續”。

三、綠色建筑節能中智能控制系統的應用策略

（一）基于外圍護結構狀態感知的智能遮陽與換熱協同控制策略

在綠色建筑節能中，建筑外圍護結構的熱工性能直接影響空調負荷與室內舒適度。傳統設計中往往依賴固定材料與靜態構造進行熱隔離，而智能控制系統則可通過部署可調光玻璃、智能電控百葉、動態換熱涂層等可調設備，并配合狀態感知傳感器，實現外圍護結構的實時響應式控制。具體應用策略為：在南北立面安裝輻射熱通量計、外部光照傳感器及風速計，系統根據太陽輻射強度、室外溫差與風壓變化，動態調節玻璃透光率與百葉角度，從而調控熱得失。在幕墻腔體或屋頂嵌入帶有相變換熱材料的主動表皮單元，通過智能控制實現對冷熱流的滯后調節，減少室內溫度波動。在夏季中午高熱時段系統自動啟動遮陽系統并開啟幕墻對流通道排熱，而在冬季系統則關閉遮陽并保溫蓄熱。該策略可進一步與氣象預測系統聯動，實現前饋控制，具備良好的節能調節時效性。實際應用中，通過外圍護結構動態控制可降低建筑冷熱負荷約15%～25%，成為智能控制系統在被動節能領域的主動延伸手段。

（二）面向建筑與城市電網互動的智能負荷響應策略

隨著綠色建筑規模不斷擴大，單體建筑逐步由“能耗終端”向“能耗調節單元”角色轉變。尤其在雙碳目標背景下，建筑逐漸承擔起電網削峰填谷、需求側響應的任務。因此，智能控制系統應嵌入與城市電網聯動的負荷響應機制，制定可調可控的“彈性用能策略”。具體策略設計包括：一是接入城市智慧電網的調度接口，系統實時讀取峰谷電價、電網負荷預測數據，并設定建筑內空調系統、熱水系統、儲能系統等可控負荷的啟停邏輯；二是根據用電策略設定“電價閾值-能耗響應值”對照表，在電價進入高位或電網負載達到閾值時，自動降低非必要負荷，如降低風機運行頻率、調整冷凍水泵流速、啟用蓄冷設備，既響應城市電網，也節省能耗成本；三是建筑配備儲能系統（如鋰電池或熱儲能），通過智能控制系統自動切換能源供給路徑，完成削峰填谷的雙向能量流動控制。在試點項目中，該策略平均可降低高峰時段能耗成本約20%，并增強建筑的電力安全與負荷平衡能力，實現綠色建筑與城市能源系統的智能協同。

（三）場景式跨系統聯動的智能節能策略集成

綠色建筑的功能空間通常多樣化（如辦公室、會議室、大堂、走廊、休息區等），其使用時段、行為模式與能耗需求高度不一致。為實現精準節能，應構建基于場景識別與控制集成的系統級節能策略。具體應用方式如下：系統通過部署室內定位裝置、紅外熱感相機與日程管理系統數據，對各功能區域的使用狀態進行動態判斷。基于不同的場景狀態（如“早高峰辦公”“午間休息”“下班離開”“節假日無人”等），系統自動調度多個子系統（照明、空調、電梯、遮陽、音響、安全）聯合響應。例如，會議室進入“預約使用”狀態時，系統提前開啟空調預冷并設定照明亮度為300 lx；在“非工作日無人使用”狀態下，關閉所有空調用電，并進入保安巡檢模式。同時，控制系統可根據使用頻率自動調整場景策略參數，實現“節能優先—舒適次優”的能效層級管理。該策略特別適合混合功能建筑與人流變動較大的場所，通過跨系統智能聯動降低“設備閑置運轉”與“區域照明冗余”問題，在保證使用功能的前提下，最大程度實現節能目標。測試數據顯示，該策略可綜合提升建筑整體能效比約18%～30%。

結語

智能控制系統作為綠色建筑節能技術體系的關鍵支撐，已從傳統“單點節能”手段轉向“全系統聯動—數據驅動—智能反饋”的綜合化路徑。本文基于建筑能耗特性與節能需求，分別從系統技術架構、分系統協同設計及典型應用策略出發，提出了包括“感知—控制—管理”三級聯動的技術結構，面向空調照明與能耗監測的模塊化控制系統設計，以及動態外圍護調節、電網互動響應與場景聯動控制等創新型應用策略。研究結果表明，智能控制系統不僅能實現建筑運行全過程的能效優化，還能助力建筑實現負荷調節、碳排管控與運維智能化的綜合目標，是推動建筑行業邁向“雙碳”目標的核心技術路徑之一，未來將在綠色建筑全生命周期管理中發揮更大潛能。

參考文獻：

[1] 楊敏.綠色建筑電氣設計先進節能技術研究[J].新城建科技，2025，34（04）：4042.

[2] 王翱博.綠色節能技術在建筑照明工程中的應用[J].光源與照明，2025（02）：4345.

[3] 李安峰，翁小舒.基于可再生能源利用的綠色建筑節能體系構建與分析[J].中國建筑金屬結構，2025，24（03）：152154.

[4] 何怡欣.建筑節能技術在室內設計中的應用設計[J].鞋類工藝與設計，2025，5（03）：119121.

[5] 王韜.綠色建筑給排水設計中節能節水技術及設備的應用[J].住宅與房地產，2025（05）：9294.