利用智能化技術(shù)為建筑減負(fù)提質(zhì)

龐紅碩

走進(jìn)一幢商用大樓，夏天通常會(huì)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(shè)備往往帶著極端化情緒，靠一個(gè)設(shè)定溫度橫掃全場(chǎng)。這不僅讓空氣的舒適度大打折扣，還無(wú)疑增加了建筑能耗。

15年前，北京工業(yè)大學(xué)教授張偉榮還是清華大學(xué)的一名碩士研究生，開(kāi)始在導(dǎo)師江億院士的指導(dǎo)下研究怎樣將建筑能耗降下來(lái)，如今，她又琢磨起如何利用智能技術(shù)和分布式技術(shù)來(lái)同時(shí)提升室內(nèi)舒適度。她說(shuō)，掌管建筑內(nèi)熱環(huán)境，提供熱量、冷量的設(shè)備系統(tǒng)，坊間稱為“暖通”，含供熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)3項(xiàng)主要功能。而這個(gè)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(xué)問(wèn)。

從“修理工”到“海歸”

2000年，張偉榮初到清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)報(bào)道，在師兄師姐的調(diào)侃中，差點(diǎn)兒以為自己要向一名修理工發(fā)展。

當(dāng)時(shí)，在清華大學(xué)招生辦老師的介紹下，她報(bào)考了該專業(yè)。但又聽(tīng)聞“暖通”，與修空調(diào)、燒鍋爐掛鉤，一度有些迷茫。“真正學(xué)起來(lái)，才知道原來(lái)它和熱學(xué)的關(guān)聯(lián)性很大，早年隸屬土木工程，后來(lái)并入熱能與動(dòng)力工程系，現(xiàn)在又合并到建筑學(xué)院。”張偉榮回憶說(shuō)，同學(xué)院的其他班級(jí)都在搞設(shè)計(jì)，他們則不一樣，一開(kāi)始學(xué)純工科的知識(shí)，大學(xué)物理、微積分皆沒(méi)落下，等到基礎(chǔ)夯實(shí)了，才慢慢向?qū)I(yè)靠攏。

專業(yè)了解越深，張偉榮越喜歡。后來(lái)，她被直推學(xué)校碩士，進(jìn)入江億院士課題組。在建筑節(jié)能剛剛興起的那個(gè)年代，江院士主推從政府機(jī)關(guān)辦公建筑著手降能耗，認(rèn)為這樣更有利于形成一些政策條文，指導(dǎo)更廣泛的建筑節(jié)能改造。于是，張偉榮碩士三年，有兩年多的時(shí)間都在往國(guó)務(wù)院機(jī)關(guān)事務(wù)管理局跑，從清華大學(xué)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(shù)據(jù)后，她就去做橫向比較、數(shù)據(jù)分析，最終這些工作成果形成了一篇題為“政府機(jī)構(gòu)建筑節(jié)能相關(guān)研究”的碩士畢業(yè)論文。

如果說(shuō)搜集數(shù)據(jù)、進(jìn)行分析、再提出政策建議的研究模式，可以稱作“軟性作業(yè)”，那么攻讀博士學(xué)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(xué)建筑系，2012年取得工學(xué)博士學(xué)位，并繼續(xù)留任東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所開(kāi)展博士后研究工作。張偉榮說(shuō)，初到日本的時(shí)候，導(dǎo)師加藤信介教授曾明確問(wèn)她想研究什么。她對(duì)自己的博士研究方向有兩個(gè)明確的想法：一是要區(qū)別于碩士階段的偏軟研究，來(lái)點(diǎn)兒數(shù)值計(jì)算、模擬仿真等“硬貨”挑戰(zhàn)一下；二是希望可以與原來(lái)的能耗研究聯(lián)系到一起。“因?yàn)槲业膶?dǎo)師的研究方向是基于仿真模擬的室內(nèi)通風(fēng)，比如溫度如何分布、室內(nèi)污染物怎樣分布……如果能夠把這些和建筑能耗結(jié)合，我覺(jué)得可以更好。”

巧合的是，加藤教授也有類似想法，以“考慮室內(nèi)溫度分布的建筑能耗模擬方法”為題申請(qǐng)了日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的重點(diǎn)項(xiàng)目。張偉榮順理成章地包攬下該項(xiàng)目的絕大部分工作，只不過(guò)，“開(kāi)始決定的時(shí)候很愉快，做起來(lái)卻很是痛苦”。

“博士課題沒(méi)有輕松的，流淚過(guò)，迷惘過(guò)，也懷疑過(guò)，更不要說(shuō)用非母語(yǔ)來(lái)溝通交流。”不過(guò)，張偉榮也在聊天中直言慶幸，語(yǔ)言天賦讓她很快地適應(yīng)了環(huán)境，第二年已經(jīng)開(kāi)始講日語(yǔ)并嘗試用日語(yǔ)寫(xiě)論文。當(dāng)然，這個(gè)過(guò)程中該有的磨合、磕磕絆絆，一樣沒(méi)少。項(xiàng)目書(shū)最開(kāi)始讀不懂，就一點(diǎn)點(diǎn)摳細(xì)節(jié)；儀器使用不熟練，自己動(dòng)手外，用問(wèn)來(lái)的經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充……在張偉榮看來(lái)，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(shū)，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(wú)巨細(xì)的高效管理模式，和求學(xué)收獲一樣，成為張偉榮帶回國(guó)內(nèi)的寶貴財(cái)富。現(xiàn)在，凡是她自己學(xué)生經(jīng)手的事情，無(wú)論大小都會(huì)盡可能形成書(shū)面文檔，這讓實(shí)驗(yàn)室管理更顯井井有條。

張偉榮是在2018年舉家回國(guó)的，當(dāng)時(shí)距離她離開(kāi)國(guó)土恰好10年。“為什么要回來(lái)？這個(gè)問(wèn)題，我被問(wèn)了無(wú)數(shù)遍。”她笑著解釋，“在外界看來(lái)，自己和愛(ài)人都工作穩(wěn)定，買了房子、車子，孩子也上了幼兒園”。更何況，她還擔(dān)任了4年?yáng)|京工藝大學(xué)建筑系的副教授，有2012年日本學(xué)術(shù)振興會(huì)JSPS特別研究員資格認(rèn)定、2014年日本暖通空調(diào)學(xué)會(huì)最高學(xué)術(shù)榮譽(yù)論文獎(jiǎng)、功績(jī)獎(jiǎng)，以及多個(gè)學(xué)術(shù)委員會(huì)委員等榮譽(yù)加持。

但這些，都沒(méi)能阻止她回國(guó)的步伐。張偉榮直言，待的時(shí)間久只是因?yàn)樵讵q豫什么時(shí)間回來(lái)。“我們從沒(méi)想過(guò)永遠(yuǎn)留在日本”“我不希望我的女兒成為日本人”……言談間不難發(fā)現(xiàn)，她的思考充分、理性，可以清醒地例數(shù)異國(guó)發(fā)展的個(gè)人價(jià)值實(shí)現(xiàn)、子女教育、父母贍養(yǎng)等問(wèn)題，“更重要的是，我想把在日本的所學(xué)所見(jiàn)帶回來(lái)，提高我們自己的學(xué)科發(fā)展”。順著這個(gè)思路，也就很容易理解，回國(guó)對(duì)這位科研工作者來(lái)說(shuō)，一直是個(gè)必選項(xiàng)。

有價(jià)值的挑戰(zhàn)

從清華大學(xué)“走出去”，最終落腳北京工業(yè)大學(xué)。張偉榮對(duì)于這一舉動(dòng)，毫不避諱自己的務(wù)實(shí)，坦言這是綜合考慮后的決定。不論是學(xué)校平臺(tái)、專業(yè)優(yōu)勢(shì)還是留給自身的施展空間，她說(shuō)，北京工業(yè)大學(xué)是最合適的選擇。

在那里，建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)在劉加平院士的帶領(lǐng)下，正是風(fēng)頭強(qiáng)勁。張偉榮看準(zhǔn)機(jī)遇，準(zhǔn)備大展拳腳，回國(guó)后迅速轉(zhuǎn)換角色、適應(yīng)新的研究環(huán)境，先后參與到兩項(xiàng)科技部“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中，負(fù)責(zé)子課題研究。“從大方向來(lái)講，原來(lái)做通風(fēng)也好，節(jié)能也好，實(shí)際上都是局限在建筑內(nèi)部，是比較微觀級(jí)別的，甚至只是一個(gè)房間。”兩項(xiàng)課題打破這種慣例，尺度從室內(nèi)躍升到城市住區(qū)，從住區(qū)擴(kuò)展到國(guó)家級(jí)新區(qū)。

這種由小到大的跨尺度跳躍，挑戰(zhàn)雖大，但卻更符合國(guó)家需要、時(shí)代需求。2019年，《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》作為我國(guó)首部引領(lǐng)性建筑節(jié)能國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)世，也讓“近零能耗建筑”這一概念置于聚光燈下。讓建筑節(jié)能成為大勢(shì)所趨，同時(shí)業(yè)內(nèi)也發(fā)出討論：建筑物如何邁向更舒適、更節(jié)能、更高質(zhì)量、更好環(huán)境？

既有住房的改造首當(dāng)其沖。在“既有城市住區(qū)功能提升與改造技術(shù)”項(xiàng)目中，張偉榮指出，老舊小區(qū)的升級(jí)絕不止刷墻美化等“表面功夫”。“比如說(shuō)，如何建設(shè)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(qū)提供更多的可再生能源利用……”在中國(guó)建研院王清勤院長(zhǎng)牽頭的既有住區(qū)改造項(xiàng)目中，張偉榮負(fù)責(zé)住區(qū)能源負(fù)荷強(qiáng)度預(yù)測(cè)的研究。她指出：“住區(qū)的復(fù)雜性在于使用者的行為太多樣、太隨機(jī)，建筑的使用模式特別復(fù)雜。”她提出了像拼搭樂(lè)高玩具一樣，把不同人的行為模式包含在房間模塊上，通過(guò)簡(jiǎn)單輸入小區(qū)人員結(jié)構(gòu)、人口比例等信息，快速疊加出建筑負(fù)荷——基于模塊重構(gòu)的建筑負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，再進(jìn)一步疊加改造給住區(qū)微氣候帶來(lái)的變化影響，從而準(zhǔn)確預(yù)測(cè)住區(qū)負(fù)荷強(qiáng)度。

假如既有住區(qū)的研究是張偉榮向空間尺度拓展的一小步，城市新區(qū)低碳規(guī)劃設(shè)計(jì)就是又一大步。由同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士牽頭的“城市新區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)”，共有15家單位參與。張偉榮負(fù)責(zé)的工作簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是，如何獲取碳排放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支撐規(guī)劃設(shè)計(jì)做得更扎實(shí)。

“國(guó)家的19個(gè)新區(qū)，像浦東、濱海、雄安等承載著不同的功能和戰(zhàn)略需要。在整體規(guī)劃上，推動(dòng)城市新區(qū)綠色發(fā)展是我國(guó)集約、智能、綠色、低碳新型城鎮(zhèn)化的應(yīng)有之義。”為了能夠圓滿完成城市新區(qū)碳排放監(jiān)測(cè)核算方法與模擬分析技術(shù)研究，張偉榮在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)據(jù)獲取、統(tǒng)計(jì)分析等方面下足功夫。由于碳排放數(shù)據(jù)不同于人口、GDP等常規(guī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)容易獲取，張偉榮只能另想辦法。“相對(duì)成熟的新區(qū)，數(shù)據(jù)公開(kāi)做得比較好的，統(tǒng)計(jì)年鑒或者公報(bào)中會(huì)有數(shù)據(jù)記載，可以直接取用。沒(méi)有統(tǒng)計(jì)年鑒的，我們就先借用所屬城市的數(shù)據(jù)。又或者數(shù)據(jù)時(shí)間不統(tǒng)一，就按照GDP發(fā)展去推算碳排放量變化，畢竟碳排放一般跟著GDP走勢(shì)。反正，各種各樣的方法都用了。”這份用心得到了吳志強(qiáng)院士的肯定。用數(shù)據(jù)說(shuō)話，也為未來(lái)更多有價(jià)值的分析提供了科學(xué)化的地基。

二度創(chuàng)業(yè)，忙是常態(tài)

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

她坦言，作為女性科研人員，總會(huì)有一段時(shí)期必須將更多注意力轉(zhuǎn)移到家庭，陪伴孩子成長(zhǎng)。但家庭和事業(yè)并不絕對(duì)是對(duì)立的，也不應(yīng)該成為阻擋女性追求事業(yè)發(fā)展的壁壘。“所以現(xiàn)在更要拼盡全力，回國(guó)的高起點(diǎn)是國(guó)家給我的二次創(chuàng)業(yè)的機(jī)會(huì)”，她說(shuō)道。

對(duì)張偉榮來(lái)說(shuō)，科研更像是一種樂(lè)趣，一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程。特別是近年來(lái)，綠色建筑節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展，張偉榮深感，機(jī)會(huì)在大環(huán)境中涌出。降低建筑能耗、提升建筑能效已經(jīng)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求，也即將成為應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

面對(duì)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)、新式風(fēng)機(jī)盤管、輻射末端等各種新型環(huán)境調(diào)控形式層出不窮，她認(rèn)識(shí)到新技術(shù)、新產(chǎn)品的利弊共存。一方面，這些末端設(shè)備促進(jìn)了由傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)方式向分布式末端調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)化，提高了舒適性和建筑能效；另一方面，它們也帶來(lái)了負(fù)荷分配、調(diào)控復(fù)雜等挑戰(zhàn)。這種情況下，在建筑內(nèi)部的細(xì)微控制上便大有文章可做。于是，張偉榮重拾建筑內(nèi)部能源研究的老本行，引入大數(shù)據(jù)、人工智能等火熱技術(shù)，定下了為建筑物“提供全空間熱環(huán)境信息”的目標(biāo)。

在國(guó)家自然科學(xué)基金的支持下，她主導(dǎo)了青年項(xiàng)目“基于移動(dòng)傳感器信息的建筑熱環(huán)境預(yù)測(cè)方法研究”，利用移動(dòng)傳感器采集系統(tǒng)收集的使用者高度內(nèi)的時(shí)間、空間不連續(xù)數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)出可以實(shí)時(shí)、快速、高準(zhǔn)確度預(yù)測(cè)室內(nèi)溫度分布的智能算法。在她主導(dǎo)的面上項(xiàng)目“需求導(dǎo)向型可變動(dòng)態(tài)通風(fēng)系統(tǒng)研究”中，她進(jìn)一步創(chuàng)新性地將動(dòng)態(tài)可變通風(fēng)系統(tǒng)引入室內(nèi)環(huán)境控制，打破傳統(tǒng)的固定風(fēng)口、送回風(fēng)模式固定，通過(guò)合并分析需求側(cè)的特征，開(kāi)發(fā)可變、動(dòng)態(tài)通風(fēng)優(yōu)化策略和評(píng)價(jià)指標(biāo)，充分探討需求導(dǎo)向型可變動(dòng)態(tài)通風(fēng)的應(yīng)用可能，為室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控提供全新的手段。

一項(xiàng)一項(xiàng)課題研究有條不紊地進(jìn)行，忙碌是常態(tài)。不過(guò)即便再忙，有一項(xiàng)活動(dòng)，張偉榮始終沒(méi)放下，那就是運(yùn)動(dòng)。在她看來(lái)，瑜伽、普拉提，以及適當(dāng)?shù)牧α坑?xùn)練，這些都是保持精力充沛的法門。

張偉榮的工作態(tài)度和生活狀態(tài)也極大地影響著她的團(tuán)隊(duì)。在人才培養(yǎng)上，她慣用粗放型管理，但十分看重素質(zhì)的養(yǎng)成。她認(rèn)為，學(xué)生階段最重要的是形成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的能力。“我培養(yǎng)出來(lái)的學(xué)生，無(wú)論以后是在高校繼續(xù)深造，還是進(jìn)入企業(yè)，我希望他們始終要保持一個(gè)能夠?qū)W習(xí)的狀態(tài)。”

除此之外，責(zé)任心也是張偉榮特別提到的。她強(qiáng)調(diào)待人接物中，換位思考的重要性，“一件事情做不到自己覺(jué)得滿意，交出去時(shí)，要想想別人的感受”。既做得了嚴(yán)師，也當(dāng)?shù)闷鹨嬗眩瑥垈s恰到好處地拿捏著這兩種角色。學(xué)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(ài)煩惱，聽(tīng)她“短平快”的觀點(diǎn)。如今，張偉榮的團(tuán)隊(duì)雖然規(guī)模不大，但人員各司其職，任務(wù)多、機(jī)會(huì)也多。在進(jìn)一步的規(guī)劃中，這個(gè)年輕的隊(duì)伍要踏踏實(shí)實(shí)做項(xiàng)目，追求更高產(chǎn)，拼出亮眼的成績(jī)。