建筑智能化設計在節能與可持續發展中的應用

凌玲

（廣西壯族自治區建筑科學研究設計院）

1 引言

建筑節能與可持續發展是現代工程建設的重要方向，有利于提高城市建設質量，降低人類活動產生的負面影響，促進經濟建設與生態建設的和諧統一。在全球資源緊張、環境持續惡化的時代背景下，可持續發展理念更加注重節能降耗，提倡綠色建筑設計，提高資源循環利用率，注重新能源的推廣和應用。隨著智能化技術的發展和普及，建筑的節能措施和節能技術的日益完善，構建的空間環境將更為舒適、健康、和諧。

2 建筑智能化設計在節能與可持續發展中的應用原則

建筑智能化設計在節能與可持續發展中的應用主要體現在通過智能化控制系統實現資源節約、提高資源利用率的目的，構建建筑與環境、人與環境健康良好的互動關系。建筑集成化設計是一種多專業配合的設計理念，能夠從整體出發將各種專業因素統籌協調，結合多種技術和形式進行針對性設計，更好地滿足節能與可持續設計需求。建筑智能化設計將智能與綠色有效結合，在提高建筑智能化水平的同時，符合可持續發展要求，體現了集成化設計理念。在設計時，著重從資源節約、高效集成、環境舒適等基本應用原則出發，最大程度地利用自然資源與周圍環境，協調建筑單體與環境的關系，將各專業系統設計與建筑結構設計深度融合，降低施工安裝難度，突出建筑全壽命周期的節能性、環保性、可持續性。高效集成應用原則主要依賴于智能化控制技術、信息化技術、計算機網絡技術、自動化集成處理技術等的發展，通過模塊化、標準化設計，為管理者提供界面友好的操作系統和個性化服務，實現智能化集成管理，從而降低建筑運營成本。建筑智能化設計體現出以人為本的理念，創造更為便捷、舒適、健康的活動空間，主要體現在室內采光環境、室內熱環境、室內聲環境等方面，需要采用智能化技術，根據相關標準規范進行量化控制，做到精細化的舒適度調節[1]。

3 建筑智能化設計的具體應用

3.1 自然采光智能化設計

3.1.1 采光節能智能化設計

采光設計是滿足建筑使用功能的基礎設計，對建筑節能與可持續發展影響較大。建筑采用智能化的采光設計，應該在條件允許的情況下，盡可能合理控制利用自然采光，并結合人工照明方式，滿足總體需求，創造健康舒適的光環境。它采用能夠自動跟蹤太陽的采光設備，可以利用光導管系統，將自然光引入到建筑中，該系統主要包括采光裝置、防雨裝置、調光裝置、標準管、漫射器等部分組成，其中，調光裝置可以自動跟蹤太陽，實現主動性的陽光采集，根據光線情況進行適當調節，在系統應用過程中，可以通過設置照度值或照度時間，自動啟動電力、調光裝置、照明系統等設備設施，實現采光智能控制的效果。光伏光導一體化系統有效將光導管系統和光伏系統結合運用，在日間可以利用光導照明系統實現采光照明，在夜間可以使用光伏系統提供電源的照明系統，從而取代傳統的電力照明系統。除了自動跟蹤采集利用太陽光，還可以進行智能化反光系統設計，通過計算機系統程序設計，自動控制調整反光裝置旋轉角度，保持陽光反射效率，改善室內照明的情況，新型日光偏轉百葉系統不但能夠改善室內光環境，而且還可以調整室內熱環境，在普通百葉遮光原理的基礎上，將普通百葉分為反復反射器和光纖支架兩個部分，通過智能化控制能夠隨著光線射入角度變化隨意轉動。

3.1.2 遮陽節能智能化設計

遮陽設計能夠調整太陽對建筑采光和熱環境的影響，主要針對墻體外立面和屋頂結構進行設計。傳統的遮陽處理方式有內部遮陽和外部遮陽兩種，內部遮陽通過安裝窗簾、百葉窗等裝置實現，外部遮陽則可以通過設置遮陽板、遮陽棚等設施實現。這些設計策略雖然能從一定程度上避免陽光直射，但是適應性和靈活性較差，不能根據太陽高度、角度進行自動調整。采用智能化遮陽設計則可以更好的適應環境變化。百葉式光伏幕墻系統設計應用打破了以往的幕墻設計形式，不但具有遮陽功能，還具備了發電功能和美學性能，在減少建筑對太陽能吸收量的同時，實現了太陽能資源的充分利用。它將具有較高透光性能的晶硅光伏組件作為百葉使用，不僅不會影響室內采光，而且根據內層采用熱反射鍍膜鋼化玻璃，外層為透光率較高的鋼化玻璃的特點，利用設備監控系統進行相關數據的采集和其運行的控制。同樣，建筑屋頂的遮陽智能化設計，采用屋頂太陽能遮陽系統，將屋頂和立面幕墻的光伏組件整合起來，實現建筑圍護結構的集成節能處理，通過共同作用調節室內微氣候[2]。

3.2 自然通風智能化設計

在建筑節能與可持續發展中，自然通風設計與采光設計同樣重要。根據集成化設計理念，可以將采光設計與通風設計共同考慮，以建筑圍護結構設計為基礎，通過呼吸式玻璃幕墻系統，實現采光控制與通風控制的有效結合。建筑設計中的自然通風利用需要根據氣候條件，充分利用風壓、熱壓原理，并結合機械輔助手段，為建筑室內提供新鮮空氣，實現釋放熱量、物理降溫的目的。所以，在設計時除了要考慮自然環境、朝向布局、細部構造、室外綠化等主要因素外，還要針對太陽能強化自然通風以及計算機模擬自然通風方面著重研究，構建一個有組織的自然通風系統，能夠得到可視化的通風設計效果，為室內風環境設置提供數據參考。智能化建筑自然通風系統在自然通風設計的基礎上加入智能控制環節實現，主要包括通風裝置、控制系統以及各種傳感器。電動翻板是典型的智能通風裝置之一。其傳感器負責采集陽光、溫度、雨量、風速等方面信息，在當相關數據超過設定允許值時，傳感器會將信息傳遞給控制中心，控制中心發出操作指令，調整通風裝置工作狀態。通過合理設置通風控制優先級，保證在不同氣候條件下的設施安全。此外，還通過合理控制通風系統創造舒適健康的室內環境，比如，在風力或降雨過大時，強行控制通風裝置關閉；當雨過天晴后，根據室內外傳感器采集到的數據，調整通風裝置開啟狀態，利用風壓和熱壓進行空氣自主交換，滿足室內溫度和空氣流通調整的需求。因為影響自然通風的因素比較多，在進行智能化節能設計時，需要結合氣候條件、總圖設計、建筑設計、結構設計等多學科多專業進行。如果要實現風壓通風，就應該著重考慮整體建筑布局，并且對建筑外形、風向等方面加強研究，科學計算壓力差，通過巧妙設計，將穿堂風合理應用。這主要是利用了室內外存在高度差、溫度差、密度差，造成室內外氣壓不同，從而產生熱壓效果的熱壓通風的主要原理。

3.3 電氣系統智能化設計

3.3.1 人工照明智能化設計

除了利用自然采光進行室內照明，人工照明系統也是主要的建筑照明手段，尤其在自然采光比較困難的情況下，可以創造良好的光環境。采用智能化設計方法，能夠提高電能的利用率，起到節能降耗的效果。智能照明控制系統是一種數字化、模塊化的分布式控制系統，主要由探測模塊、控制模塊、操作模塊等部分組成。根據不同區域不同時間不同照明需求，靈活采用分區控制、分時控制、分回路控制等多種策略，實現照明資源利用率的有效提升。在使用情況規律的地方，應用預測控制策略，可以通過設定的時間控制照明系統，配備亮度傳感器；當室內照度低于設定照度時，自動啟動控制計劃，反之則會自動關閉照明設備，避免出現能源浪費情況。在使用情況經常變化的場所，可以采用紅外線控制策略，配備紅外感應探測器。當檢測到有人進入空間范圍時，能夠自動開啟照明設備；人走后自動關閉。智能化節能照明設計也可以采用恒照度控制方式，利用亮度傳感器采集亮度信息，通過調光模塊自動控制亮度值，使其保持在合適范圍內。無論采用哪種控制方式，都需要與自然采光設計有效結合，選擇優質高效的照明設備，借助計算機、傳感器、網絡通訊等信息技術，將多種光源共同構成的照明系統作為控制對象，實現人機交互智能操控[3]。

3.3.2 空調系統智能化設計

空調系統是一種典型的人工通風設計，在充分利用自然風進行通風調節的同時，通過暖通專業設計調整室內溫濕度。空調系統在建筑設計中是能耗大戶，已經成為建筑節能設計的重點研究對象，而空調系統的智能化節能設計相對復雜，需要在以往的設計過程中融入智能化設計理念和技術。在空調系統的智能化設計中，可利用二氧化碳傳感器，與新風閥、回風閥相互聯動，更好地調節空氣質量，利用溫度傳感器檢測室內溫度，并將數據與上位機設定值進行比較分析，調整冷熱水閥的具體開度，實現室內溫度調節的目的；在過濾網兩端部位安裝壓力開關，當灰塵累積到一定程度堵塞過濾網時，就會自動報警，提示更換或清洗過濾網；在北方地區，可在冷熱水盤管部位安裝防凍開關，可以有效防止冷熱水盤產生凍壞問題。在降低能耗方面，采用智能化控制策略，保證空調機組運行質量和效率，逐步降低能源消耗，尤其是在安裝中央空調系統的辦公大樓中，空調能耗幾乎達到整體能耗的一半，設計智能化樓宇自控系統，加強軟硬件開發應用，大約能夠節約1/4的能源消耗；在設備反饋情況方面，系統可根據自動報警信息，及時精準定位運行故障，達到智能化管理的目的。

3.4 關于太陽能利用的智能化設計

太陽能是人類應用相對成熟的清潔能源，在建筑設計中納入太陽能系統能夠增強清潔能源利用率，實現主動式和被動式的建筑節能。太陽能光伏利用系統可以將太陽能轉化為電能，主要由太陽能光伏陣列、蓄電池組、逆變器、配電柜、整流器等部分組成，利用智能控制系統對各組成部件進行運行狀態監測，可以提升太陽能利用率，合理分配電能。當蓄電池組充電達到上限電壓后，自動斷開開關，停止充電作業，當電壓回落到某一數值時恢復充電，如果下降到下限電壓則會停止供電，防止蓄電池過度放電，起到一定的保護作用。在城市電網監測方面，實時采集城市電網各項參數，在蓄電池電壓過低時，可以通過城市電網進行充電，如果城市電網出現斷電情況，自動啟動柴油發電機給蓄電池組充電，當蓄電池深度放電接近放電下限時，系統會自動切斷負載，當光照恢復后自動恢復設備運行，實現蓄電池組的高效利用和保護[4]。

4 結語

綜上所述，智能化設計和節能設計是建筑設計的主要發展方向，有利于解決建筑行業高能耗、高污染的現實問題，降低人類活動對資源環境產生的負面影響，為人們提供便捷、舒適、健康的活動空間，對實現“碳中和、碳達峰”起到重要的作用。所以，必須在實際工作中踐行可持續發展理念，以信息采集、分析、處理為核心，運用現代化、智能化以及綠色節能的技術手段，提升建筑工程全壽命周期的綜合效益。