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绿色建筑从低碳到“零碳”,AIoT明晰减碳路径与逻辑

发布日期:2022-10-22 点击率:30

能源革命,是一场全人类、全社会、全产业参与的深刻变革。能源为多少行业提供了血氧动力,能源革命就能重塑多少行业的新模式。在这场革命中,绿色能源与数字化技术成为双主力军,千行百业成为亲历者和主导者。其中,建筑业自建材到建造及后续运行的全生命周期都饱受高能耗之苦,因此率先开启了减碳减排、零碳建筑的一系列探索。


      绿色建筑并非建筑行业的单一议题,它应是智慧能源、楼宇自控、物联网等技术应用的集大成者,因此,为建筑赋绿、赋能、赋智,需要统筹建筑、能源、数字化三方有利要素,合理规划阶段任务,政产学研合力探索实现路径,并通过模式创新和技术创新,推进减碳、低碳、零碳的目标实现。

                                                   ——谭洪卫 
                                                                           同济大学机械与能源工程学院教授、博导
                                                                           同济大学建筑与城市规划学院跨学科博导

绿色建筑这盘大棋,需先打好数字地基

双碳目标有两条最基本的实现路径,即绿色“开源”与减碳“节流”,谭洪卫教授认为,不同阶段,两者的侧重和策略不同。“开源”主要目标是发展可再生能源替代化石能源,是能源供给侧的变革,是碳中和主线。而“节流”则是能源消费侧千行百业当前的首要任务,例如对于建筑业而言,它的核心目标是科学节能和高效的用能。但两者也并非割裂,前者优先推进,后者也需科学布局和同步推进,建筑需要从能源消费积极向清洁能源(例如分布式光伏)应用的载体转身,才能更快达峰、中和。

在讨论建筑体应从哪些方面减碳降耗之前,有必要先了解建筑业高能耗的形成原因,以及长期处于高能耗运行模式所积累的一些“顽疾”。 

建筑的全生命周期碳排放包括上游的建材生产、建筑施工及建筑运行,据中国建筑节能协会2020年发布的《中国建筑能耗研究报告2020》来看,其中,建材生产阶段占全过程约为 55%,建筑运行的碳排放约占43%。由此可见绿色建筑的跨行业跨学科属性,既包括材料创新、建造模式创新和建筑运行数字化赋能创新,涵盖从建材制造、施工、运营带作拆除全过程的减碳。目前业内的研究方向聚焦在建造阶段和运行阶段,尤其以数字化、智慧化技术为支撑的绿色建筑运行减碳成为热点研究。但从整体来看,建筑业与数字化相互融合的动力不够、成效不足。谭洪卫教授认为,其原因一方面在于过去建筑领域没有明确的低碳目标、没有强有力的政策机制约束,因此至今绿色建筑智能建造、智慧运行只是部分头部企业的探索尝试,并未形成规模化、市场化的应用;另一方面在于政产学研协作对焦不够准、契合度不够高,绿色技术创新和科研成果未能及时对接到产业实践中,导致结果形似神离。如今,随着建筑业迎来明确的、共同的双碳目标,产学研正在紧密协作,共同加速绿色建筑的进程。

从割裂到协作,是数字化融入千行百业的必经阶段,建筑业也不例外。尽管从技术层面来说,以物联网、大数据、云计算、AI为代表的新型技术体系,有望成为整个绿色建筑行业的数字地基,但目前数字技术还仅是一些分散式应用,例如建筑能耗监管、优化运行管理、建筑环境监控等,尚未在建筑的全生命周期形成全场景多维度的整体赋能。谭洪卫教授指出,至今绿色建筑偏于设计阶段戴绿帽,运营阶段的实效验证评估仍显不足,绿色低碳化仍处于初级阶段,当前关键仍然是如何科学规划低碳路径、打造好”可量化、可追朔、可考核”的数字底座的基础阶段。

夯底座、强融合、促共享,绿色建筑的数字化修行还长

建筑行业与数字化融合的不足,是绿色建筑产业链不成熟的直接体现。谭洪卫教授指出,具体表现在三方面:数字底座不扎实、跨学科融合不深入、信息共享不充分。首先,建筑的数字底座,是后续开展所有数据分析的基础,直接决定着许多建筑单元、场景的绿色技术应用的成效。其次,数字技术与建筑技术的深度融合还未到来,如果将物联网PaaS平台看作是建筑体进行数字化表达的通路,那么SaaS应用就是建筑自身业务与经验的数字化升华,而后者才是直接智能化应用产生绿色技术效用的关键环节;此外,绿色建筑必然不是企业级的课题,而是产业级的议题,而目前公共数据信息的共享机制尚未形成。 

从上述痛点和难点不难看出,绿色建筑面临的不仅仅是技术问题,而也是产业链需要加速成熟、商业模式亟待创新的综合题。其中,数字化企业向建筑企业的学习、渗透、融合、赋能,是破局的关键。研华科技作为国内首批开启物联网平台+生态共创模式的实践者,已经携手绿色建筑行业伙伴开启了跨技术、跨行业的数字化交流,为智慧建筑、绿色建筑融合议题提供了先行经验。

对建筑企业的认知深度,决定了数字化企业的赋能高度

如前文所说,数字科技是否赋能到行业的核心环节,是衡量数字化是否进入该行业转型深水区的重要标尺。目前绿色建筑PaaS平台的快速发展与SaaS应用的良莠不齐之间的差距,就反映出数字化企业对建筑行业的认知还停留在浅水区,包括对建筑行业需求的判断与实现、跨学科技术的融合与开发,都有待更深入、更高效、更精准的对接。对此,谭洪卫教授给出三点建议。

1. 走得快VS走得远?在绿色建筑中寻同、解异

无论是单体建筑,还是建筑集群,绿色低碳的基本路径有着共同点。这些共性规律的挖掘可用于建筑能效宏观管理和评价,帮助企业合理提升数字化能力,构建解决方案,形成标准化服务,提高赋能效率。例如,建筑能耗最大的系统是机电系统,特别空调通风系统是建筑节能提效关注重点。那么可以按照建筑类型,分类提炼共性特征及规律、针对共性的场景和管理需求就可以形成较为标准化的节能方案。

同时,也需要注意建筑之间的不同规律,例如不同地域、不同空间场景、运行模式下的建筑。以单体建筑与建筑集群(如园区)为例来看两者用能需求与建筑特征的差异。单体建筑的能源系统相对简单,但园区的能源系统并不能看做单体建筑能源系统*N,一般来说园区会考虑构建分布式能源系统,单个建筑能源需求相异、运行时间段也可能不同,因此需要更复杂的建筑能源系统规划、更智能的需求侧预测与调控,也具有在供给侧匹配多能互补、移峰填谷等融合优化潜力。同时,随着建筑集群中不同业态的混在及变化、运行模式的不确定性即多样性,分布式能源系统运行问题的非线性化加剧。更期待数据驱动模型技术在近日滚动趋势预测、逐时、逐日的运行优化策略制定上的支撑和发挥。


在真实产业环境中推行绿色建筑,需要把握一些市场化因素。例如,企业要如何平衡共性需求与差异性需求,是先快速复制占领市场,还是专注于打造差异化竞争力?对于这个问题,谭教授认为,企业过去习惯于推广标准化的解决方案,选择了“走得快”的市场策略,但随着绿色建筑进程的推进,个性化问题的解决更具产业价值,也更具技术挑战。未来,企业基于积累的AI技术、数据驱动的模型技术来满足建筑中更加复杂的个性化需求,会让绿色建筑实践走得更远。

2. 以数智技术,重构绿色建筑减碳逻辑

数字化技术在绿色建筑中从浅尝到深耕,离不开一个核心着力点,那就是能耗规律分析。谭洪卫教授强调,过去的节能更关注设备性能,如何提效减低能耗浪费。而现在我们要转变到系统提效、减碳的关注点上,要以更大的带宽、更多维度、更长的时间跨度考量建筑的低碳化,重视建筑能源需求的合理化管控,从过去保障需求的角度,转向合理引导使用方的用能需求,科学合理地规划其能源的供给及用能的优化。这就需要对建筑能耗趋势的科学预测与分析,以期能够支撑建筑运行的优化、带来更多的节能减排效益。而这些都离不开可靠的数据采集、传输、运算、分析的支撑,建筑基础数据的质与量,以及高效实用的AI模型算法,它们共同构成了传统基于经验的建筑模型向数据驱动下的智能建筑跃迁的转折点。

从数据采集开始,就体现出这种“以人为本”的思想。建筑运行涉及到十分广泛的数据,包括设备数据、设备行为数据、建筑数据、环境数据、人的行为数据等,那么这些数据以怎样的形式被收集上来,最能方便于后续分析?谭洪卫教授团队从源头的数据分类、到能源供应侧、使用侧的维度都进行重构。例如,过去的数据采集和分类汇大多是面向机电系统管理的,数据重点是设备数据,而现在还需要以用户需求管理为导向,从使用侧对数据进行针对性的分类汇总,有利于后续建模的针对性、效率、精度提升,并逐渐完善采集的全面性。

再来看AI模型。所谓高效实用,就是要使数字技术紧密结合建筑场景,实现建筑建造、运行的数字孪生。从虚实融合的角度来说,这是数智赋能建筑方法论的根本突破。

谭洪卫教授团队长期致力于建筑能耗模型技术的研究,他们结合了近来受到热点关注的黑箱模型及传统建筑分析所使用的白箱模型各自的特点,规避短板进行优势整合(黑箱模型基于数据驱动、自我学习,而白箱模型则是基于物理机理,前者能应对非线性复杂问题、更为可靠,而后者具备对建筑环境反应、使用行为等的可解释、可拓展性),利用两者的耦合孪生方法,形成了互为支撑、动态自适应的新型模型方法。这样高可靠性且具有解释力的模型技术,是未来支撑建筑优化运行、产生节能效益的基础支撑和内核。从系统的用能诊断、趋势预测、到建筑能效评价、后续智能化调节,数与智在其中都实现数据技术红利的极大释放。

研华科技作为数智化基础设施的构建者,为绿色建筑各场景的数据采集、传输、分析、算力、算法提供可靠的软硬件支撑,在此之上,研华的智慧建筑平台还集成了丰富的第三方应用,集上下游之合力,更好的为绿色建筑赋能赋智。


3. 以全新服务模式,激发建筑企业的数字化行动

建筑行业与数字行业融合不足的另一个结果,是许多面向绿色建筑的数字化解决方案的价值链没有闭环。谭教授提到,数据建设方与数据运营方分离、数据投入与数据服务效益脱节,导致数字化技术与方案的价值难以直接自证,而建筑企业在整体商业环境下滑期更加难以全力投入数字底座的漫长建设。如何帮助建筑企业迈出数字化建设的前期步骤,需要产业链合力降低其投入门槛、需要强有力的政策进行鼓励或约束、更呼吁与效益挂钩的商业模式创新。对此,近年来有许多数字化企业开启了托管或半托管的能源服务模式,将节能降耗作为数字投入的“直接考核指标”,本质上是数字化企业主动向前迈出一步,承担了现阶段技术与落地之间的不确定风险。

绿色建筑路漫漫,无论是谭教授一直强调技术创新,还是产业融合,都需要足够的时间与耐性,不断试错、不断匹配。一件扎实求稳的事,不宜在急功近利中迷失了重点。最后,谭教授也指出了社会对“零碳”的认识误区。

稳步减碳,“零碳”自来

今年以来,低碳园区的实践取得阶段性进步,但大多“零碳园区”实际上集中在技术示范层面,而非真正可复制、可规模化的“真零碳”。今后,低碳园区的考核会严格量化,而不再只是技术的堆砌和展示。谭教授总结道,我们不需要冲锋式的“零碳”,建筑实现零碳是最终目标,而非近期目标,以科学的方法、遵循客观规律,加快行业自身的低碳化,并与绿色能源革命会师,才能最终实现社会碳中和。

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