住宅運(yùn)行階段碳排放智能監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

苗澤惠， 韓光偉

（吉林建筑大學(xué)）

1 引言

《中國建筑能耗研究報告2020》發(fā)現(xiàn)建筑行業(yè)直接或間接產(chǎn)生的碳排放量占我國排放總量的51.2%，其中運(yùn)行階段的碳排放量占全壽命周期的42.8%[1]。作為高污染高耗能的建筑業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的重要一環(huán)，迫切需要朝著更加綠色、低碳的方向發(fā)展。

在我國城鎮(zhèn)化水平和城市人口不斷攀升的背景下，2021年我國房地產(chǎn)開發(fā)投資額累計為147602億元，其中新建住宅投資總額為111173 億元，占比75%，同比增長6.4%[2]。同時隨著我國“雙碳”目標(biāo)的提出，對住宅的碳排放問題提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其碳排放總量的高低將直接影響我國碳減排進(jìn)程。

住宅運(yùn)行階段碳排放智能監(jiān)測控制是指在住宅運(yùn)行階段通過對能耗數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行采集、傳輸、控制分析與執(zhí)行，實時顯示建筑物的能耗與碳排放狀況并對其進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化[3]，達(dá)到提高管理水平和效率，降低建筑能耗與碳排放量的目的。住宅運(yùn)行階段碳排放智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的應(yīng)用將會在一定程度上推動建筑行業(yè)高耗能、高碳排放問題的解決。

2 碳排放智能監(jiān)測控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 智能化程度較低

當(dāng)前系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量較差，智能分析處理能力不足，尤其是處理后數(shù)據(jù)的標(biāo)識、歸類分析能力較差，造成管理人員難以辨別和處理問題數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實際能耗和碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)與建筑真實情況相差甚遠(yuǎn)，干擾、誤導(dǎo)節(jié)能減碳工作的正常進(jìn)行[4-5]；控制方式較為原始，設(shè)備的智能化控制應(yīng)用較少，缺乏對環(huán)境和使用需求改變后的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制能力；控制策略調(diào)整技術(shù)落后，對使用場景更換的智能調(diào)整能力不足，造成系統(tǒng)運(yùn)行過程中供需兩端的不平衡。

2.2 集成化程度較低

數(shù)據(jù)分布較為分散，整個住宅區(qū)域不同系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成度較低，不能夠發(fā)揮集群效應(yīng)，很難發(fā)現(xiàn)不同系統(tǒng)間深層次的內(nèi)在聯(lián)系；當(dāng)前系統(tǒng)架構(gòu)不能做到分戶監(jiān)測與集中監(jiān)管，不利于進(jìn)行各區(qū)域、各系統(tǒng)間碳排放的協(xié)調(diào)控制，無法利用資源互補(bǔ)優(yōu)勢；管理模式較為單一粗放，對資源的整合、發(fā)掘再利用深度不夠，發(fā)揮不出資源聚合放大、功能倍增的效果，應(yīng)急狀況下資源統(tǒng)一調(diào)配能力較差[6]。

2.3 精細(xì)化程度較低

數(shù)據(jù)采樣量和采樣密度不足以支撐系統(tǒng)的運(yùn)行，影響整個系統(tǒng)的精細(xì)化監(jiān)測控制；數(shù)據(jù)采集的精細(xì)度低，覆蓋的范圍較小，導(dǎo)致系統(tǒng)對能耗與碳排放的控制能力和控制精度受限；控制策略較為粗放，針對不同使用特征缺乏差異化控制手段及系統(tǒng)設(shè)備間的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制能力。

3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

系統(tǒng)參數(shù)的獲取是建立住宅碳排放智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，只有獲取了一定數(shù)量的環(huán)境參數(shù)、系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)及控制參數(shù)才能建立起行之有效的智能監(jiān)測控制系統(tǒng)。

3.1 環(huán)境參數(shù)

環(huán)境參數(shù)包括室內(nèi)外溫濕度、光照強(qiáng)度，目標(biāo)區(qū)域的門窗開合、遮陽設(shè)施狀態(tài)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、采光系數(shù)，人員的數(shù)量及活動狀態(tài)等參數(shù)。掌握區(qū)域自然狀態(tài)下環(huán)境特征，依據(jù)目標(biāo)區(qū)域的整體特性以及相關(guān)設(shè)施對環(huán)境的改變情況，有針對性地利用相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)區(qū)域環(huán)境是降耗、減碳的關(guān)鍵。

3.2 系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)

系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)包括公共和私人設(shè)施兩部分，主要涵蓋電梯、暖通空調(diào)、電氣、給排水、燃?xì)饧吧顭崴仍O(shè)備的運(yùn)行、傳輸狀態(tài)以及終端需求情況。各系統(tǒng)供給端、傳輸端、需求端內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)及直接能耗數(shù)據(jù)，是對運(yùn)行階段碳排放進(jìn)行精準(zhǔn)控制的重要依據(jù)。

3.3 系統(tǒng)控制參數(shù)

系統(tǒng)控制參數(shù)主要指能夠改變碳排放量的外部環(huán)境、設(shè)備以及控制節(jié)點等元素的參數(shù)，主要包括外部環(huán)境調(diào)節(jié)、設(shè)備的啟停、功率調(diào)節(jié)、閥門管路調(diào)節(jié)以及電子工單故障預(yù)警等。

4 系統(tǒng)控制模式與架構(gòu)

4.1 系統(tǒng)控制模式

系統(tǒng)采取分級差異化控制模式，針對住宅的特點建立公區(qū)數(shù)據(jù)集中控制，私區(qū)分戶控制，集成管理的控制體系，將整個住宅區(qū)的能耗數(shù)據(jù)集成于統(tǒng)一的控制中心，不斷利用數(shù)據(jù)的積累挖掘系統(tǒng)間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)用能特點，發(fā)揮資源整合優(yōu)勢，不斷建立和豐富的系統(tǒng)使用場景，在滿足使用功能的前提下根據(jù)使用場景的變化最大限度降低碳排放量，并根據(jù)用能特點和住宅使用者的年齡結(jié)構(gòu)、地域特點、氣候特點等，有針對性地推送差異化使用建議。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)圍繞碳排放構(gòu)建以感知層、傳輸層、控制層和應(yīng)用層為基礎(chǔ)的智能監(jiān)測控制系統(tǒng)架構(gòu)（見圖1），構(gòu)筑更智慧的住宅運(yùn)行階段碳減排控制系統(tǒng)，提供更加可靠的用能保障，實現(xiàn)低成本、低能耗和低碳排放狀態(tài)運(yùn)行，從而達(dá)到住宅運(yùn)行階段碳減排目標(biāo)。

圖1 智能監(jiān)測控制系統(tǒng)架構(gòu)

4.2.1 感知層設(shè)計

感知層分為環(huán)境感知和設(shè)備感知兩部分。環(huán)境感知主要通過傳感器等手段對公區(qū)以及私區(qū)耗能系統(tǒng)中各目標(biāo)區(qū)域的環(huán)境變化量，人員的活動狀態(tài)等進(jìn)行感知，采集目標(biāo)區(qū)域中環(huán)境變動參數(shù)；設(shè)備感知主要是從供、輸、需三方面對提供熱量、光照、水、燃?xì)獾荣Y源轉(zhuǎn)化耗能設(shè)備的運(yùn)行、能量的傳輸以及終端需求狀態(tài)進(jìn)行感知，采集目標(biāo)區(qū)域中系統(tǒng)內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)。

感知層可運(yùn)用模塊化編碼技術(shù)，解決數(shù)據(jù)采集端的信號源不明確問題。將數(shù)量眾多，類型復(fù)雜的傳感器按類別和數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類編碼，每臺設(shè)備或控制點在系統(tǒng)中擁有唯一確定的且與之位置相對應(yīng)的編碼地址，采用兼容性更強(qiáng)的通訊協(xié)議，避免傳感器設(shè)備品牌多樣性導(dǎo)致各傳感器生成信號不兼容的問題。

4.2.2 傳輸層設(shè)計

傳輸層主要負(fù)責(zé)不同層次間數(shù)據(jù)的輸送，主要分為傳入與傳出兩部分，利用光纖、電纜、無線網(wǎng)絡(luò)等將感知層采集數(shù)據(jù)傳入控制層，再將經(jīng)控制層處理后的指令信號傳出至相應(yīng)的應(yīng)用層執(zhí)行器。傳輸層將重點解決各級信號傳輸過程中能量損耗，信號衰減，電磁干擾等問題。

4.2.3 控制層設(shè)計

控制層則是采用一定的算法和控制原理，對感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和反饋，重點解決數(shù)據(jù)的集成、智能分析、自主控制功能。通過建立建筑物中內(nèi)部各類設(shè)備性能、環(huán)境變量參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)閾值參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，將采集的數(shù)據(jù)參數(shù)上傳至控制層進(jìn)行邏輯運(yùn)算，與數(shù)據(jù)庫內(nèi)環(huán)境、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)閾值參數(shù)進(jìn)行比對，根據(jù)檢測到的實際使用需求，采集數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值的偏離程度[7]，按照改變區(qū)域環(huán)境因素為主，耗能設(shè)備主動增效為輔的策略，排列出需要進(jìn)行調(diào)整的設(shè)備及環(huán)境因素的優(yōu)先級，并結(jié)合單位影響因素改變量與目標(biāo)調(diào)整量的相關(guān)度，確定相關(guān)參數(shù)調(diào)整量或進(jìn)行使用場景的切換，向應(yīng)用層對應(yīng)執(zhí)行器下達(dá)指令信號，同時由內(nèi)部數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)執(zhí)行存儲等操作；若采集的數(shù)據(jù)中某一影響因素偏離程度較大，超出設(shè)定好的偏離閾值，控制層會在發(fā)出指令信號的同時，發(fā)出預(yù)警信號，打印故障明細(xì)及電子檢修工單。

4.2.4 應(yīng)用層設(shè)計

應(yīng)用層主要包括碳排放數(shù)據(jù)顯示、控制執(zhí)行器和電子工單管理，重點解決設(shè)備等控制端的協(xié)調(diào)和控制整個設(shè)備動作的技術(shù)問題。碳排放數(shù)據(jù)顯示部分是對建筑物實時碳排放量、累計碳排放量、節(jié)約碳排放量以及其他碳排放相關(guān)信息的直觀展現(xiàn)[8]，后續(xù)可以將該數(shù)據(jù)接入政府相應(yīng)的監(jiān)管平臺進(jìn)行監(jiān)督或碳交易市場進(jìn)行碳交易；控制執(zhí)行器通過獲得控制中心的指令，調(diào)整各型設(shè)備的運(yùn)行、運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，切換設(shè)備的使用場景和控制策略等，負(fù)責(zé)執(zhí)行具體的相關(guān)控制指令；電子工單管理則是對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警后，通過電子工單及時告知相關(guān)人員檢修諸如設(shè)備老化降效、管路擁堵、墻體保溫失效，更新異常設(shè)備等情況以及向相關(guān)使用者推送差異化使用策略。

5 結(jié)語

綠色低碳是未來建筑業(yè)發(fā)展的主題和重要目標(biāo)，通過對住宅運(yùn)行階段碳排放智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計能夠很好地實現(xiàn)運(yùn)行階段能耗與碳排放水平的降低，運(yùn)行過程中能耗與碳排放監(jiān)測與控制的智能化、管理的精細(xì)化和數(shù)據(jù)的可視化，提升了運(yùn)行階段的管理效率，達(dá)到住宅在運(yùn)行階段碳排放量降低的目的，加速推動我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。