基于綠色低碳理念的智能建筑設(shè)計 | 論文分享

近日發(fā)表的一篇題為“Intelligent building design based on green and low-carbon concept（基于綠色低碳理念的智能建筑設(shè)計）”的研究論文，基于綠色低碳理念，對智能建筑的可再生能源系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)和空調(diào)控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，結(jié)果表明智能樓宇能量優(yōu)化系統(tǒng)通過多系統(tǒng)算法聯(lián)動，較傳統(tǒng)方案整體能效提升23%。該方法為智慧城市減排提供了可復(fù)用的技術(shù)范例。

以下是該論文的摘要與結(jié)論，更多詳情請查看原文：https://energyinformatics.springeropen.com/articles/10.1186/s42162-025-00513-9

摘要

智能建筑將現(xiàn)代科技與建筑設(shè)計相融合，提升了功能性和用戶體驗。這些發(fā)展也通過先進技術(shù)系統(tǒng)的實施，促進了環(huán)境可持續(xù)性和節(jié)能減排的追求。在綠色低碳理念的引領(lǐng)下，智能建筑設(shè)計強調(diào)充分利用可再生能源，并運用先進的算法優(yōu)化智能建筑的能源調(diào)度，實現(xiàn)綠色低碳、節(jié)能減排的目標。

因此，本研究基于綠色低碳理念，對智能建筑的可再生能源系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)和空調(diào)控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化。以上海某典型智能辦公樓為例，實驗結(jié)果表明，該樓的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電量達609,380 kWh，滿足了該樓60%的用電需求，標志著傳統(tǒng)建筑能源供應(yīng)方式的重大突破。照明系統(tǒng)采用智能分時照明雙模式控制，能耗降低10.1%。電梯群控算法優(yōu)化可實現(xiàn)月平均節(jié)電6100千瓦時?？照{(diào)系統(tǒng)通過負荷預(yù)測模型，每月節(jié)能7238千瓦時。

結(jié)果表明，本研究建立的智能樓宇能量優(yōu)化系統(tǒng)通過多系統(tǒng)算法聯(lián)動，較傳統(tǒng)方案整體能效提升23%。該方法為智慧城市減排提供了可復(fù)用的技術(shù)范例。

引言

在全球氣候變化和資源日益稀缺的背景下，綠色低碳（GLC）已成為推動社會可持續(xù)發(fā)展的重要概念。作為能源消耗和碳排放的重要領(lǐng)域，建筑行業(yè)正面臨前所未有的轉(zhuǎn)型壓力。智能建筑通過集成先進的信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能，實現(xiàn)對建筑內(nèi)各種設(shè)備的精確控制和優(yōu)化管理。在GLC概念的指導(dǎo)下，智能建筑更加注重高效能源利用和環(huán)境友好保護。智能建筑設(shè)計以可持續(xù)發(fā)展為目標，通過各種策略和創(chuàng)新應(yīng)用，有效減少資源消耗和環(huán)境負擔(dān)。

首先，在建筑設(shè)計階段，智能建筑采用先進的建模和仿真技術(shù)，從規(guī)劃初期就致力于最大限度地減少能源和資源消耗。其次，智能建筑理念提倡在材料選擇和施工過程中采用可再生材料，推行低能耗的施工方法，嚴格控制施工過程中的環(huán)境排放，確保建筑的建設(shè)和運營對環(huán)境的影響最小化。在運營階段，智能建筑通過實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，不斷優(yōu)化能源效率，提升設(shè)備運行效率。

例如，智能建筑可以利用太陽能和風(fēng)能等可再生能源進行供能，通過先進的算法優(yōu)化能源調(diào)度，達到高效能源利用和節(jié)能減排（EC-ER）目標。核心系統(tǒng)如照明、電梯和空調(diào)等也通過智能控制和優(yōu)化算法有效降低能源消耗，進一步推動GLC概念在實際運營中的實施和應(yīng)用。

通過技術(shù)創(chuàng)新和全生命周期管理，智能建筑持續(xù)為節(jié)能減排、環(huán)境保護和社會發(fā)展做出積極貢獻。未來，隨著全球社會對可持續(xù)發(fā)展需求的增加，智能建筑將在建筑行業(yè)中繼續(xù)發(fā)揮重要作用，為實現(xiàn)全球GLC目標貢獻力量。

近年來，智能建筑的研究和應(yīng)用取得了顯著進展。在理論研究方面，學(xué)者們深入探討了智能建筑系統(tǒng)集成、能源管理、環(huán)境控制等方面，提出了各種優(yōu)化模型和算法。在實踐應(yīng)用方面，智能建筑項目在全球范圍內(nèi)不斷涌現(xiàn)，涵蓋了商業(yè)建筑、住宅社區(qū)和公共建筑等多個領(lǐng)域。這些項目通過采用先進的智能控制系統(tǒng)、節(jié)能設(shè)備和可再生能源利用技術(shù)，實現(xiàn)了建筑能源消耗的精細化管理，顯著提高了能源效率。

研究表明，將GLC概念應(yīng)用于建筑行業(yè)，特別是智能建筑，已成為未來建筑發(fā)展的重要趨勢和必然選擇。然而，現(xiàn)有的智能建筑設(shè)計在實現(xiàn)綠色低碳目標方面仍面臨較大局限性。首先，大多數(shù)研究僅關(guān)注優(yōu)化單一系統(tǒng)（如獨立光伏或電梯算法），缺乏多能源協(xié)同和跨設(shè)備聯(lián)動的綜合策略，導(dǎo)致能源效率提升的碎片化。其次，現(xiàn)有的算法（如傳統(tǒng)蟻群算法）在動態(tài)環(huán)境中缺乏適應(yīng)性，難以應(yīng)對復(fù)雜的天氣變化或用戶行為波動。此外，理論模型與實際運營數(shù)據(jù)之間的偏差尚未得到充分驗證。第三，經(jīng)濟性和用戶接受度方面的研究較為薄弱，例如高成本的可再生設(shè)備和智能控制系統(tǒng)的推廣仍然有限。

本研究通過多系統(tǒng)集成優(yōu)化（耦合太陽能、風(fēng)能和地源熱泵的互補調(diào)度）、動態(tài)自適應(yīng)算法改進（集成深度強化學(xué)習(xí)的混合優(yōu)化模型）以及全生命周期實證分析，系統(tǒng)地填補了這一研究空白。因此，本文為從理論到大規(guī)模應(yīng)用的智能建筑低碳路徑提供了可復(fù)制的方案。

本研究的主要任務(wù)是開發(fā)適用于不同智能建筑能源系統(tǒng)的可再生能源和節(jié)能能源，并基于GLC概念開展智能建筑節(jié)能改造（ESR）。

……

討論與結(jié)論

本研究基于GLC概念，設(shè)計了智能建筑可再生能源系統(tǒng)（RE）、低碳系統(tǒng)（LCS）、能源控制系統(tǒng)（ECS）和空調(diào)系統(tǒng)（ACS）的低碳節(jié)能改造（ESR）方案。以上海一座典型智能辦公樓為例，進行了改造效果分析。在可再生能源系統(tǒng)改造前，該智能辦公樓沒有自發(fā)電設(shè)備，每年需要約1,000,000 kWh的電力供應(yīng)。改造后，太陽能和風(fēng)能將用于發(fā)電，年發(fā)電量為609,380 kWh，滿足整個建筑60%的能源需求。這大大節(jié)省了電力消耗，實現(xiàn)了能源結(jié)構(gòu)的多樣化，并顯著減少了對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。

在低碳系統(tǒng)（LCS）改造前，手動控制方式消耗了大量電力。改造后，通過智能控制，LCS的能源消耗減少了10.1%。在粒子群優(yōu)化（PSO）優(yōu)化后，能源控制系統(tǒng)（ECS）和空調(diào)系統(tǒng)（ACS）的平均月能耗分別減少了6,100 kWh（約73,200 kWh/年）和7,238 kWh（約86,900 kWh/年）。綜合計算表明，僅通過三種節(jié)能方式——可再生能源（RE）、ECS和ACS——就能節(jié)省超過769,000 kWh（占原始總能耗的76.9%），并直接減少約464噸碳排放（按0.604 kg/kWh計算）。這一結(jié)論定量地展示了低碳技術(shù)在提高建筑能源效率和減少碳排放方面的顯著貢獻。上述數(shù)據(jù)表明，研究方法能夠直接減少智能建筑的能源消耗和碳排放，同時也能提高建筑智能化水平。

然而，研究模型中的假設(shè)并不能完全反映現(xiàn)實場景的復(fù)雜性和變化性，且其他建筑類型的可擴展性也有限。因此，未來的研究可以考慮以下幾個方向：首先，向模型中加入更復(fù)雜和現(xiàn)實的因素，以提高模型的準確性和適用性；其次，需要開發(fā)更多通用的方法和框架，能夠廣泛應(yīng)用于不同類型的建筑。未來的研究應(yīng)進一步探索物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新興技術(shù)，以提高建筑自動化系統(tǒng)的智能化和自動化水平。

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