張振濤，楊魯偉，周 媛，2，李 博

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

《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》提出堅持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式的重要著力點。深入貫徹節(jié)約資源和保護環(huán)境基本國策，節(jié)約能源，降低溫室氣體排放強度，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟，推廣低碳技術(shù)，積極應(yīng)對全球氣候變化，促進經(jīng)濟社會發(fā)展與人口資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，走可持續(xù)發(fā)展之路。

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》在城鎮(zhèn)化與城市發(fā)展重點領(lǐng)域建筑節(jié)能與綠色建筑優(yōu)先主題中也明確指出了發(fā)展思路：以節(jié)能和節(jié)水為先導(dǎo)，發(fā)展資源節(jié)約型城市。突破城市綜合節(jié)能和新能源合理開發(fā)利用技術(shù)，開發(fā)資源節(jié)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(fā)綠色建筑設(shè)計技術(shù)，建筑節(jié)能技術(shù)與設(shè)備，可再生能源裝置與建筑一體化應(yīng)用技術(shù)，精致建造和綠色建筑施工技術(shù)與裝備，節(jié)能建材與綠色建材，建筑節(jié)能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

我國目前城鎮(zhèn)民用建筑（非工業(yè)建筑）運行耗電占我國總發(fā)電量的22%～24%，建筑消耗的能源占全國商品能源的21%～24%，而發(fā)達(dá)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(chǎn)業(yè)占GDP比例的加大以及制造業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，建筑能耗的比例將繼續(xù)提高，最終接近發(fā)達(dá)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(shè)的發(fā)展，民用建筑能耗呈不斷上升趨勢，對我國的能源供應(yīng)帶來很大的壓力。同時，隨著全球變暖效應(yīng)的日益嚴(yán)峻，建筑的節(jié)能減排成為最近幾年以及今后至少幾十年內(nèi)備受關(guān)注的焦點與熱點。

研究開發(fā)綠色建筑技術(shù)，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(huán)境和資源的負(fù)面影響，完成國家的中長期綱要和“十二五”規(guī)劃的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有重要意義。關(guān)于建筑的節(jié)能改造，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)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(shè)備[2－6]，如空調(diào)系統(tǒng)、停車場等；或者是某項特定的技術(shù)或者特殊的材料[7－11]，如物聯(lián)網(wǎng)，在建筑系統(tǒng)中的應(yīng)用。而很少有把一個建筑及其運行過程中所涉及的相關(guān)問題作為整體來考慮的相關(guān)研究報告。

1 綠色建筑理念

建設(shè)部頒發(fā)的《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50378）對綠色建筑作出了如下定義：在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護環(huán)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(huán)境無害，能充分利用環(huán)境自然資源，并且在不破壞環(huán)境基本生態(tài)平衡條件下建造的一種建筑，又可稱為可持續(xù)發(fā)展建筑、生態(tài)建筑、回歸大自然建筑、節(jié)能環(huán)保建筑等[12]。

綠色建筑所包含的問題應(yīng)該是全面一攬子解決建筑舒適度、解決建筑節(jié)能、節(jié)水、節(jié)地的綜合性最優(yōu)方案。通常認(rèn)為，建筑的綠色化設(shè)計理念包括以下幾個方面的內(nèi)容：

1.1 節(jié)約能源

1.1.1 降低能耗

充分利用可再生能源，采用節(jié)能的建筑圍護結(jié)構(gòu)以及采暖和空調(diào)，減少采暖和空調(diào)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(diào)、照明、機房等重點能耗區(qū)域進行節(jié)能改造，在小的區(qū)域內(nèi)，把太陽能、風(fēng)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(tǒng)，減少對大型電網(wǎng)的依賴，降低能耗。

1.1.2 機房改造

對于公共服務(wù)部門的服務(wù)器和服務(wù)器空間溫濕度控制，是一年四季都需要開機運行的區(qū)域。日久天長，能耗巨大。通過對服務(wù)器本身冷卻系統(tǒng)的改進與強化，提高服務(wù)器的效率，減低能耗。把機房空調(diào)系統(tǒng)與周圍舒適空調(diào)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(jiān)測

建立各建筑單元CO2排放動態(tài)監(jiān)測評價系統(tǒng)，使我們能夠動態(tài)、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(jié)約資源

在建筑設(shè)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(jié)約水資源，包括綠化的節(jié)約用水。

1.3 回歸自然

綠色建筑外部要強調(diào)與周邊環(huán)境相融合，和諧一致、動靜互補，做到保護自然生態(tài)環(huán)境。

2 智能建筑與綠色建筑的融合與發(fā)展

上世紀(jì)70年代，隨著數(shù)字計算機的迅速發(fā)展，智能建筑這一理念——原先采用機電與模擬設(shè)備技術(shù)的建筑管理與控制戰(zhàn)略得到了自然發(fā)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(fā)生了第二次甚至多次的蓬勃發(fā)展。進入21世紀(jì)，智能建筑領(lǐng)域中的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能卡技術(shù)、可視化技術(shù)、流動辦公技術(shù)、家庭智能化技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)衛(wèi)星通訊技術(shù)、雙向電視傳輸技術(shù)等，都會有更加深入廣泛的具體發(fā)展及應(yīng)用。

智能建筑系統(tǒng)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(tǒng)集成（SI，System Integration）五部分。

圖1 智能建筑系統(tǒng)組成圖

然而，智能化技術(shù)只是一種手段，就整體建筑物業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展來說，可持續(xù)發(fā)展技術(shù)和“綠色建筑”才是21世紀(jì)智能建筑技術(shù)發(fā)展的長遠(yuǎn)方向。

近年來，國外在智能建筑設(shè)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(jié)合，通過建筑、設(shè)備和智能化系統(tǒng)來提供節(jié)能、環(huán)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(huán)保和節(jié)約資源的功能，以實現(xiàn)建筑和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

隨著智能建筑的不斷發(fā)展，智能系統(tǒng)成了綠色建筑不可分割的一部分。綠色建筑要實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、自控等目標(biāo)，也離不開智能系統(tǒng)。

3 網(wǎng)路技術(shù)在綠色智能建筑中的應(yīng)用

現(xiàn)代綠色智能建筑除了具備傳統(tǒng)住宅的基本功能之外，還需要考慮與環(huán)境的協(xié)調(diào)，因此需要遵循生態(tài)學(xué)原理，用到許多諸如生物工程學(xué)、生物電子學(xué)、生物氣候?qū)W、新材料科學(xué)、仿生學(xué)等新興學(xué)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(shù)，主要包括：

3.1 無線技術(shù)

綠色智能建筑選用無線技術(shù)是未來的發(fā)展趨勢，隨著internet的無線訪問、無線局域網(wǎng)、無線家居（如藍(lán)牙技術(shù)）等技術(shù)的成熟，近年來采用GPRS技術(shù)實現(xiàn)無線監(jiān)控越來越普遍。甚至實現(xiàn)了無線數(shù)字閉路電視監(jiān)控。特別是近年來出現(xiàn)了WiMAX技術(shù)——一種寬帶無線接入技術(shù)，受到眾多網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)和終端設(shè)備廠商的廣泛支持，并獲得全球網(wǎng)絡(luò)運營商的認(rèn)可。由于遵循IEEE技術(shù)，可確保不同網(wǎng)絡(luò)、不同廠商終端設(shè)備之間的互通，今后在數(shù)字城市管理、數(shù)字社區(qū)、智能化建筑群和智能建筑中都將得到廣泛應(yīng)用。

3.2 網(wǎng)路控制技術(shù)

從現(xiàn)場控制總線走向控制網(wǎng)絡(luò)是一個必然趨勢，使用網(wǎng)絡(luò)控制可以改善智能建筑內(nèi)各系統(tǒng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的控制與聯(lián)動結(jié)構(gòu)，增強樓宇各實時監(jiān)控計算機系統(tǒng)之間的互操作性與集成的相關(guān)信息，還可以使所有設(shè)備和安全監(jiān)控信息進入各種計算機平臺和桌面系統(tǒng)，大大改進對智能建筑內(nèi)監(jiān)控信息的利用和共享“群體環(huán)境”的綜合數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對智能建筑內(nèi)機電設(shè)備與安全報警管理的遠(yuǎn)程控制監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

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

物聯(lián)網(wǎng)計算模式是繼互聯(lián)網(wǎng)后的第四代計算模式。物聯(lián)網(wǎng)是通過傳感、控制設(shè)備，按約定的協(xié)議，將物件信息或（和）物件間互動的信息與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等功能的一種應(yīng)用架構(gòu)。

綠色智能建筑中的建筑管理可以解釋為：由物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將多個視頻監(jiān)控節(jié)點、傳感器節(jié)點聯(lián)系在一起，通過無線通信技術(shù)以及移動通信技術(shù)將這些信息匯集在一起，交給中心服務(wù)器統(tǒng)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(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序自動對事件進行處理。從而節(jié)約人力、物力、財力資本。

4 運行中公共服務(wù)建筑的綠色化技術(shù)

由于已有的公共服務(wù)建筑都已經(jīng)在運行，有的甚至已經(jīng)運行了幾十年。而這些建筑在初期設(shè)計時并沒有相關(guān)的節(jié)能規(guī)范，更不要說綠色建筑設(shè)計規(guī)則。這些天然缺陷，導(dǎo)致已經(jīng)運行多年的公共服務(wù)建筑能耗很高，無法簡單的實現(xiàn)建筑的綠色化。

4.1 SGB建筑綠色化技術(shù)

針對運行中的公共服務(wù)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(fù)雜系統(tǒng)的非傳統(tǒng)方式開展了深入的研究，把運行中的公共服務(wù)建筑作為整體系統(tǒng)考慮，而不是簡單區(qū)分為空調(diào)、水泵、照明、機房、電梯、停車場等等實體設(shè)備，以期做到綠色建筑參數(shù)的整體優(yōu)化。

公共服務(wù)建筑動態(tài)運行過程中信息流、能量流、物質(zhì)流和人員流相伴而行、相互影響。因此，從整體系統(tǒng)考慮，對信息流、能量流、物質(zhì)流、人員流進行協(xié)同優(yōu)化，從而得到綠色建筑優(yōu)化SGB（Smart Green Building）模型——即首先以信息流的暢通為最高優(yōu)先級的響應(yīng)，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(zhì)流，最終實現(xiàn)系統(tǒng)總能耗最低；通過基于傳感網(wǎng)的綠色建筑監(jiān)測系統(tǒng)拾取檢測參數(shù)信號，根據(jù)檢測到的信息流、能量流、物質(zhì)流和人員流四種建筑流態(tài)數(shù)據(jù)，計算出對應(yīng)的SGB值，并作為空調(diào)系統(tǒng)、機房系統(tǒng)、機房空調(diào)等服務(wù)器冷卻系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等的改造與運行控制依據(jù)，協(xié)同做到公共服務(wù)建筑的動態(tài)綠色化。如圖2所示。

圖2 SGB建筑綠色化技術(shù)示意圖

4.2 SGB建筑綠色化技術(shù)理論特點

從整體系統(tǒng)考慮，對信息流、能量流、物質(zhì)流、人員流進行協(xié)同優(yōu)化得到綠色建筑優(yōu)化SGB模型。該模型包含四層內(nèi)涵：信息的暢通響應(yīng)；人員的舒適便利，物質(zhì)資源的合理再分配；以及能量消耗的最小化。

5 SGB技術(shù)內(nèi)涵

5.1 基于有／無線混合傳感網(wǎng)的建筑流態(tài)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

基于有／無線混合型傳感網(wǎng)的各層技術(shù)，包括密集布網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集，高性能自組織路由協(xié)議，分布式局域協(xié)同處理，智能化環(huán)境研判，事件分級響應(yīng)與聯(lián)動機制等，實現(xiàn)公共服務(wù)建筑動態(tài)運行過程中的信息流、能量流、物質(zhì)流與人員流的協(xié)同控制。

5.2 基于綠色建筑優(yōu)化SGB模型的建筑資源與能源消耗評價系統(tǒng)

基于綠色建筑優(yōu)化SGB模型，利用傳感網(wǎng)所獲取的信息流、能量流、物質(zhì)流、人員流參數(shù)，實時計算建筑瞬態(tài)能源資源需求，并進行即時評價，提出控制區(qū)域內(nèi)（給定建筑區(qū)域）照明、電梯、舒適空調(diào)、機房空調(diào)、供水等能源與資源消耗系統(tǒng)的協(xié)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(chǔ)。

5.3 基于遺傳算法的分布式控制系統(tǒng)

根據(jù)綠色建筑優(yōu)化SGB模型給出的建筑瞬態(tài)能源與資源消耗的協(xié)同平衡策略，通過遺傳算法解耦，進行照明、電梯、舒適空調(diào)、機房空調(diào)、供水等的分散控制，實現(xiàn)建筑的綠色化。

5.4 能源效率診斷與改造一體化技術(shù)

通過能源審計過程，發(fā)現(xiàn)能效低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并通過檢測技術(shù)進行診斷，找出原因，實施節(jié)能改造。例如可以通過換熱器改造、壓縮機改造、新型工質(zhì)應(yīng)用、控制系統(tǒng)改進等多種方法，對老舊空調(diào)主機進行節(jié)能改造，從而大幅度降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。

6 結(jié) 語

為了解決運行多年的公共服務(wù)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(tǒng)級優(yōu)化的策略，把動態(tài)運行中的建筑流態(tài)（包括信息流、能量流、物質(zhì)流和人員流）作為監(jiān)測對象，借助傳感網(wǎng)絡(luò)得到其運行狀態(tài)，通過SGB優(yōu)化模型，即通過分層的控制對各種數(shù)據(jù)進行優(yōu)化和解耦，從而得到對包含建筑物中各種設(shè)施的子系統(tǒng)的實時控制，以期實現(xiàn)既有建筑的綠色化。

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