一種用于公共建筑綠色化的全局優化技術——SGB技術

張振濤，楊魯偉，周 媛，2，李 博

（1.中國科學院 理化技術研究所，北京 100190；2.天津職業技術師范大學 自動化與電氣工程學院，天津 300222）

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十二個五年規劃綱要》提出堅持把建設資源節約型、環境友好型社會作為加快轉變經濟發展方式的重要著力點。深入貫徹節約資源和保護環境基本國策，節約能源，降低溫室氣體排放強度，發展循環經濟，推廣低碳技術，積極應對全球氣候變化，促進經濟社會發展與人口資源環境相協調，走可持續發展之路。

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006－2020年）》在城鎮化與城市發展重點領域建筑節能與綠色建筑優先主題中也明確指出了發展思路：以節能和節水為先導，發展資源節約型城市。突破城市綜合節能和新能源合理開發利用技術，開發資源節約型、高耐久性綠色建材，提高城市資源和能源利用效率。要重點研究開發綠色建筑設計技術，建筑節能技術與設備，可再生能源裝置與建筑一體化應用技術，精致建造和綠色建筑施工技術與裝備，節能建材與綠色建材，建筑節能技術標準。

我國目前城鎮民用建筑（非工業建筑）運行耗電占我國總發電量的22%～24%，建筑消耗的能源占全國商品能源的21%～24%，而發達國家的建筑能耗一般占總能耗的1／3左右。隨著我國城市化程度的不斷提高，第三產業占GDP比例的加大以及制造業結構的調整，建筑能耗的比例將繼續提高，最終接近發達國家目前的33%的水平[1]。因此，隨著人民生活水平提高和我國城市住宅及大型公共建筑建設的發展，民用建筑能耗呈不斷上升趨勢，對我國的能源供應帶來很大的壓力。同時，隨著全球變暖效應的日益嚴峻，建筑的節能減排成為最近幾年以及今后至少幾十年內備受關注的焦點與熱點。

研究開發綠色建筑技術，特別是既有公共建筑的綠色化改造，對于降低我國公共建筑對環境和資源的負面影響，完成國家的中長期綱要和“十二五”規劃的可持續發展目標具有重要意義。關于建筑的節能改造，國內外相關學者開展了許多研究工作，往往針對的都是建筑體系中特定的具體設備[2－6]，如空調系統、停車場等；或者是某項特定的技術或者特殊的材料[7－11]，如物聯網，在建筑系統中的應用。而很少有把一個建筑及其運行過程中所涉及的相關問題作為整體來考慮的相關研究報告。

1 綠色建筑理念

建設部頒發的《綠色建筑評價標準》（GB 50378）對綠色建筑作出了如下定義：在建筑的全壽命周期內，最大限度地節約資源（節能、節地、節水、節材）、保護環境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。

所謂“綠色建筑”（green building）的“綠色”，并不是指一般意義的立體綠化、屋頂綠色建筑花園，而是代表一種概念或象征，指建筑對環境無害，能充分利用環境自然資源，并且在不破壞環境基本生態平衡條件下建造的一種建筑，又可稱為可持續發展建筑、生態建筑、回歸大自然建筑、節能環保建筑等[12]。

綠色建筑所包含的問題應該是全面一攬子解決建筑舒適度、解決建筑節能、節水、節地的綜合性最優方案。通常認為，建筑的綠色化設計理念包括以下幾個方面的內容：

1.1 節約能源

1.1.1 降低能耗

充分利用可再生能源，采用節能的建筑圍護結構以及采暖和空調，減少采暖和空調的使用。

對于已有建筑，要對建筑能耗進行檢測診斷分析，并進行空調、照明、機房等重點能耗區域進行節能改造，在小的區域內，把太陽能、風能，電梯的下降勢勢能等組合在一起，建成一個小型能源補充系統，減少對大型電網的依賴，降低能耗。

1.1.2 機房改造

對于公共服務部門的服務器和服務器空間溫濕度控制，是一年四季都需要開機運行的區域。日久天長，能耗巨大。通過對服務器本身冷卻系統的改進與強化，提高服務器的效率，減低能耗。把機房空調系統與周圍舒適空調進行一體化改造，回收再用部分能量，可以大幅度降低能耗。

1.1.3 排放量監測

建立各建筑單元CO2排放動態監測評價系統，使我們能夠動態、實時地觀察和控制這些建筑的能耗情況，并能針對性解決建筑超耗能的問題，最終使整個建筑能耗逐年減少。

1.2 節約資源

在建筑設計、建造和建筑材料的選擇中，均考慮資源的合理使用和處置。要減少資源的使用，力求使資源可再生利用。節約水資源，包括綠化的節約用水。

1.3 回歸自然

綠色建筑外部要強調與周邊環境相融合，和諧一致、動靜互補，做到保護自然生態環境。

2 智能建筑與綠色建筑的融合與發展

上世紀70年代，隨著數字計算機的迅速發展，智能建筑這一理念——原先采用機電與模擬設備技術的建筑管理與控制戰略得到了自然發展。到80年代，自動化建筑（automated building）的理念建立，使智能建筑（intelligent or smart building）的概念發生了第二次甚至多次的蓬勃發展。進入21世紀，智能建筑領域中的信息網絡技術、控制網絡技術、智能卡技術、可視化技術、流動辦公技術、家庭智能化技術、無線局域網技術、數據衛星通訊技術、雙向電視傳輸技術等，都會有更加深入廣泛的具體發展及應用。

智能建筑系統的組成如圖1所示，主要包括樓宇自動化（BA）、通信自動化（CA）、辦公自動化（OA）、綜合布線（SCS，Structure Cabling System）和系統集成（SI，System Integration）五部分。

圖1 智能建筑系統組成圖

然而，智能化技術只是一種手段，就整體建筑物業產品的技術發展來說，可持續發展技術和“綠色建筑”才是21世紀智能建筑技術發展的長遠方向。

近年來，國外在智能建筑設計中常融合綠色建筑的理念，將智能建筑與綠色建筑兩者相結合，通過建筑、設備和智能化系統來提供節能、環保的生活空間，防止大氣、水和電磁污染等，并突出智能建筑的環保和節約資源的功能，以實現建筑和環境的可持續發展。

隨著智能建筑的不斷發展，智能系統成了綠色建筑不可分割的一部分。綠色建筑要實現節能、環保、自控等目標，也離不開智能系統。

3 網路技術在綠色智能建筑中的應用

現代綠色智能建筑除了具備傳統住宅的基本功能之外，還需要考慮與環境的協調，因此需要遵循生態學原理，用到許多諸如生物工程學、生物電子學、生物氣候學、新材料科學、仿生學等新興學科。

而對于既有建筑的綠色化改造，更多的則需要借助智能化技術，主要包括：

3.1 無線技術

綠色智能建筑選用無線技術是未來的發展趨勢，隨著internet的無線訪問、無線局域網、無線家居（如藍牙技術）等技術的成熟，近年來采用GPRS技術實現無線監控越來越普遍。甚至實現了無線數字閉路電視監控。特別是近年來出現了WiMAX技術——一種寬帶無線接入技術，受到眾多網絡基礎建設和終端設備廠商的廣泛支持，并獲得全球網絡運營商的認可。由于遵循IEEE技術，可確保不同網絡、不同廠商終端設備之間的互通，今后在數字城市管理、數字社區、智能化建筑群和智能建筑中都將得到廣泛應用。

3.2 網路控制技術

從現場控制總線走向控制網絡是一個必然趨勢，使用網絡控制可以改善智能建筑內各系統異構網絡環境的控制與聯動結構，增強樓宇各實時監控計算機系統之間的互操作性與集成的相關信息，還可以使所有設備和安全監控信息進入各種計算機平臺和桌面系統，大大改進對智能建筑內監控信息的利用和共享“群體環境”的綜合數據，實現對智能建筑內機電設備與安全報警管理的遠程控制監控和數據采集。

3.3 物聯網技術

智能建筑的核心問題是系統集成，即構建智能建筑綜合管理系統（Intelligent Building Management System，IBMS）。通過先進的網路技術、計算機技術和現代控制技術，對樓宇內部的全體對象進行集中監視、控制和管理，以提高整個建筑物的管理水平[11]。

物聯網計算模式是繼互聯網后的第四代計算模式。物聯網是通過傳感、控制設備，按約定的協議，將物件信息或（和）物件間互動的信息與互聯網連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理等功能的一種應用架構。

綠色智能建筑中的建筑管理可以解釋為：由物聯網系統將多個視頻監控節點、傳感器節點聯系在一起，通過無線通信技術以及移動通信技術將這些信息匯集在一起，交給中心服務器統一處理，并實時將各種異常情況反映給管理員，甚至可以根據預先設定好的程序自動對事件進行處理。從而節約人力、物力、財力資本。

4 運行中公共服務建筑的綠色化技術

由于已有的公共服務建筑都已經在運行，有的甚至已經運行了幾十年。而這些建筑在初期設計時并沒有相關的節能規范，更不要說綠色建筑設計規則。這些天然缺陷，導致已經運行多年的公共服務建筑能耗很高，無法簡單的實現建筑的綠色化。

4.1 SGB建筑綠色化技術

針對運行中的公共服務建筑普遍存在的能耗高、污染大，以及管理效率低下等的非綠色化問題，筆者通過復雜系統的非傳統方式開展了深入的研究，把運行中的公共服務建筑作為整體系統考慮，而不是簡單區分為空調、水泵、照明、機房、電梯、停車場等等實體設備，以期做到綠色建筑參數的整體優化。

公共服務建筑動態運行過程中信息流、能量流、物質流和人員流相伴而行、相互影響。因此，從整體系統考慮，對信息流、能量流、物質流、人員流進行協同優化，從而得到綠色建筑優化SGB（Smart Green Building）模型——即首先以信息流的暢通為最高優先級的響應，然后在保證人員便利與舒適度的前提下，合理的控制與重新分配物質流，最終實現系統總能耗最低；通過基于傳感網的綠色建筑監測系統拾取檢測參數信號，根據檢測到的信息流、能量流、物質流和人員流四種建筑流態數據，計算出對應的SGB值，并作為空調系統、機房系統、機房空調等服務器冷卻系統、照明系統、電梯系統等的改造與運行控制依據，協同做到公共服務建筑的動態綠色化。如圖2所示。

圖2 SGB建筑綠色化技術示意圖

4.2 SGB建筑綠色化技術理論特點

從整體系統考慮，對信息流、能量流、物質流、人員流進行協同優化得到綠色建筑優化SGB模型。該模型包含四層內涵：信息的暢通響應；人員的舒適便利，物質資源的合理再分配；以及能量消耗的最小化。

5 SGB技術內涵

5.1 基于有／無線混合傳感網的建筑流態參數監控系統

基于有／無線混合型傳感網的各層技術，包括密集布網進行數據采集，高性能自組織路由協議，分布式局域協同處理，智能化環境研判，事件分級響應與聯動機制等，實現公共服務建筑動態運行過程中的信息流、能量流、物質流與人員流的協同控制。

5.2 基于綠色建筑優化SGB模型的建筑資源與能源消耗評價系統

基于綠色建筑優化SGB模型，利用傳感網所獲取的信息流、能量流、物質流、人員流參數，實時計算建筑瞬態能源資源需求，并進行即時評價，提出控制區域內（給定建筑區域）照明、電梯、舒適空調、機房空調、供水等能源與資源消耗系統的協同平衡策略，盡可能減少外界的能源與資源輸入，為建筑綠色化打好基礎。

5.3 基于遺傳算法的分布式控制系統

根據綠色建筑優化SGB模型給出的建筑瞬態能源與資源消耗的協同平衡策略，通過遺傳算法解耦，進行照明、電梯、舒適空調、機房空調、供水等的分散控制，實現建筑的綠色化。

5.4 能源效率診斷與改造一體化技術

通過能源審計過程，發現能效低的關鍵環節，并通過檢測技術進行診斷，找出原因，實施節能改造。例如可以通過換熱器改造、壓縮機改造、新型工質應用、控制系統改進等多種方法，對老舊空調主機進行節能改造，從而大幅度降低空調系統能耗。

6 結 語

為了解決運行多年的公共服務建筑的高能耗和管理效率低下等問題，率先提出了一種系統級優化的策略，把動態運行中的建筑流態（包括信息流、能量流、物質流和人員流）作為監測對象，借助傳感網絡得到其運行狀態，通過SGB優化模型，即通過分層的控制對各種數據進行優化和解耦，從而得到對包含建筑物中各種設施的子系統的實時控制，以期實現既有建筑的綠色化。

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