“热回收”“能源管控”——超低能耗建筑的“基因”元素
本刊记者 杨晓 刘京佳 陈向国
“‘十四五’期间本市超低能耗建筑累计要推广500万平方米以上，完成3000万平方米公共建筑节能改造，实施建筑光伏装机容量80万千瓦，力争在‘十四五’末，建筑领域碳排放实现增减平衡、稳中有降。”今年7月发布的《北京市“十四五”时期应对气候变化和节能规划》说。根据上述文件，“十三五”时期，北京示范推广超低能耗建筑53万平方米。为助力北京市超低能耗建筑从53万平方米到“500万平方米以上”目标的实现，北京节能环保中心、节能与环保杂志社、北京能源学会举办“超低能耗建筑技术助力北京碳中和”系列大宣讲，旨在大力推广先进适技术、宣介优秀案例，助推北京乃至全国建筑领域“双碳”目标的早日实现，以优异成绩迎接党的二十大。
2022年8月9日的“大宣讲”，聚焦高效热回收新风系统、能源管控系统是因为在实践中，这两系统技术产品的应用推广，已成为建筑实现超低能耗的有效途径，已成为建筑超低能耗不可或缺的“基因”元素之一。宣讲会上，中国建研院总工程师、建筑环境与节能研究院院长徐伟说：“2021年4月9日，国家标准《零碳建筑技术标准》的启动，标志着从建筑能耗管理迈向建筑碳排放管理。”；北京工业大学教授、博士生导师张伟荣从理论和实践两方面说明了能源管控对建筑节能的重要性。“大宣讲”中，北京中创绿色系统科技有限公司（简称中创绿色）技术部经理邹明霞、华清安泰能源股份有限公司（简称华清安泰）副总经理李凯、远大近零能耗建筑科技有限公司（简称远大近零能耗建筑）副总经理邓鹏结合自己的实践，围绕大宣讲主题分别做了技术介绍和应用分享。
超低能耗建筑离不开能源管控系统
“能源是建筑运转的动力，没有能源注入，建筑便没有‘生命’。”“之所以要能源管控主要有两方面原因，一是能耗成本和管理成本高；二是没有管控，设备运行很可能出现较大偏差，这样不仅会造成能源浪费，还会影响用户体验。”“能源管理的目标在于对建筑设备运行及保障、关键设备运行策略、室内环境品质营造效果、面向租户能源服务、能耗费用支出等内容做到可感知、可解释、可预测、可干预，简单说就是要实现对上述内容的可知可控。”张伟荣说。李凯则认为智慧能源管控可以提升建筑绿色和健康性能。
能源管控系统的建立与功用
能源管控系统是在基于数字孪生的能源平台上发挥作用的。在基于数字孪生的能源平台产生之前用的是传统的能源监测平台。传统的能源监测平台随着时代的进步，其局限性、缺陷已经显露，如当管理的建筑、设备过多时，点位信息、设备信息搜寻困难；管理界面不直观，生成的图表非专业人士难以读懂；数据利用率低，派生拓展效果不佳等。
基于数字孪生的能源平台发挥作用的原理、机制是什么？张伟荣以校园能源平台的建设为例予以说明。“对整体校园建模，并针对要监测的绿色建筑技术中心进行详细的BIM建模，包括建筑各层、相关实验设施设备等；对建筑运行阶段的用能进行分项拆分，得到详细的分项用电、用水、用热信息，再结合建筑能源形式折算出的碳排放因子，进行实时碳排放量转换；对建筑物化阶段的碳排放进行详细计算和展示。平台既可以支持建筑节能减排的不断提升，后台数据还可以用于科研和教学。”“这种基于数字孪生的能源平台延伸到低碳建设领域可以分析碳排放态势、进行碳排放核算、创建碳排放预警、规划碳排放方案。”张伟荣说。
“数据可以帮助我们发现单体建筑用能问题、可以用于建筑用能横向比较及群管理、可以据此进行区域协同规划、导入可再生能源。”张伟荣说，“一定要用好能源管理数据。因为用能目标的制定需要考虑多方面因素，科学的能源管理目标需要在大量数据的支撑下计算得到。这样得到的用能目标比传统的线下能耗预算制定模式科学准确：传统的线下能耗预算结果是多方人员根据难量化的经验讨论、妥协后数据。”
能源管控平台是如何工作的呢？“将影响建筑能耗的变量作为第一层的输入参数，通过带初始权重的连接传递到隐藏层的神经元，在隐藏层不断计算传递信息，最终经过激励函数处理后输出建筑能耗预测结果。”张伟荣说。
“智慧能源管控平台的应用，可以提升建筑用能柔性。”张伟荣介绍，“一是以建筑能源管理系统的采集数据为基础，助力建筑实现从源随荷动转向荷随源动的变革，极大缓解电网的压力，平抑可再生能源带来的波动。二是基于建筑能源管理系统的数据信息，精准预测建筑实时能耗，优化建筑能源系统供给侧与需求侧的实时匹配方案。三是计算建筑不同柔性资源的柔性调节潜力，为建筑能源柔性系统的分级调度、供需匹配奠定基础。”
“建筑能源管理系统在碳交易中扮演重要角色。”张伟荣说，“这种角色作用在宏观层面和微观层面都有体现。在宏观层面，建筑能源管理系统是建筑行业参与碳交易市场的基石。因为其基本的碳排放计算、碳配额的发放、碳排放权的购入与卖出，以及未来与金融市场的深层次互动衔接都离不开能源管控系统的工作。在微观层面，建筑能源管理系统能够全面量化公众的低碳行为减碳量，保障碳币或碳积分计算的科学性、准确性，调动公众积极加入全民减排行动，为建立高效的社区、家庭碳普惠运行机制提供支撑。”
人工智能大数据提升建筑绿色和健康性能
“云计算和大数据分析推动建筑功能的强化和智能化应用的增长，大幅提升建筑的健康性和绿色性。换言之，就是智慧能源管理平台系统对建筑超低能耗能够发挥重要作用。”华清安泰李凯说。李凯介绍了智慧能源管控平台的组成。“一是能源中心。其功能是能效管冷热源选择、送送系统优化、负荷预测与模拟、资产管理预防性维修；二是室内监控系统。包括对室内环境多项参数指标、各功能区目标状态监控、设备状态监控及调控。三是其他设备。包括光伏发电、电储能、充电桩、热水系统、照明及电梯等于付费系统。”
平台系统如何建设？李凯介绍：“通过采集设备、智慧控制柜安装调试、数据存储统计分析，实现综合能源管控，从而形成融数据感知、数据传输与处理、状态调整于一体的智慧能源管控平台。”在“互联网+”的大背景下，智慧能源管控平台离不开“互联网+”的加持，即“互联网”+智慧能源管控平台。“‘互联网+’智慧能源管控平台在降本增效等方面作用明显。”李凯接着介绍：“在能耗管理方面，通过能耗分析、节能运行，可实现降耗5%到10%；通过远程监控，实现自控监控运行，降低管理成本20%，提效从5%到10%；通过智慧运维，实现线上运维及可视化维保，降低管理成本10%到15%；在后勤管理方面，实现设备运行状态可视化并保有完善的维保记录，从而提高资产寿命10%到20%。”
低能耗辐射空调+新风技术应用及成效
“辐射供暖和供冷，是一种主要利用提升（降低）围护结构内表面温度，形成热（冷）辐射面，依靠辐射来进行热交换，实现供暖和供冷的技术。低能耗辐射空调系统不仅满足了常规意义上人们对温度、湿度、洁净度、空气新鲜度的要求，还能实现定制温度、定制空气新鲜度、定制湿度、定制微气候，运用绿色科技为生活品质而服务。”中创绿色邹明霞说。
辐射系统更适合低能耗、超低能耗建筑
使用低能耗辐射空调+新风技术有哪些好处？邹明霞介绍，好处体现在如下三方面，一是室温舒适。室内温度20～25℃，房间各内表面温度不低于室内温度3℃；空气相对湿度40%～60%。二是空气流通性好。装配新风系统，室内空气流速小于0.2m/s；室内表面不出现凝结水和长霉。三是气密性好、 能耗低。高效新风热回收技术以及保温隔热性能好，降低了建筑物的能耗。
“辐射系统由健康舒适安静的辐射末端系统、洁净富氧清新的健康新风系统、高可靠性的空调末端自动控制三个子系统组成。三个子系统的无缝联动，打造真正的衡温、衡湿、衡氧、衡静、衡洁、衡智的绿色舒适健康生态人居环境，有效地调节室内环境，有益于健康。”邹明霞对三个子系统分别做了介绍。
健康舒适安静的辐射末端系统。冷热媒通过辐射盘管将能量传递到辐射表面，辐射表面再通过对流和辐射、并以辐射为主的方式直接与室内环境进行换热，从而极大地简化了能量从冷源到终端用户室内环境之间的传递过程，减少不可逆损失。通常冷媒为水，与空气相比，传输水可以提高能量传输密度、降低输配系统电耗。冬季辐射采暖只需使用30-35℃的低温热水，夏季辐射制冷只需采用16-20℃的高温冷水，实现了高舒适和低能耗的完美结合。
洁净富氧清新的健康新风系统。据悉，该系统由送风系统和排风系统组成的一套独立空气处理系统，又分为管道式新风系统和无管道新风系统两种。将室外的新鲜空气通过一系列的新风净化技术处理后，引入室内需要新鲜空气的区域，同时将室内的污浊空气排出到室外。在此过程中，系统还可以将污浊空气中的能量回收，既提高室内的空气的品质，又节约了能源。健康新风系统智能控制技术可以监测PM2.5范围、监测甲醛及二氧化碳浓度、监测滤网使用状态、防冻监控。”
高可靠性的空调末端自动控制系统。该系统的目标是保证系统的安全性和舒适性；要求是防结露控制、温度控制、新风系统控制。辐射空调系统需要对各空调房间的温湿度进行控制，首先要保证房间的温、湿度舒适性及安全防结露要求，其次满足控制便捷及智能化等更高要求。
邹明霞说，低能耗辐射空调+新风技术可与地源热泵、蓄能高温水机组系统结合，比传统空调系统降低运行成本20%~40%。
实效明显
邹明霞用数个实例说明低能耗辐射空调+新风技术的效果。如北京广渠金茂府项目。该项目为住宅混合公建及配套小学托幼建筑。据悉，项目位于朝阳区东四环中路与广渠路交叉西北角、北至百子湾南路、西至大郊亭中路、南至广渠路、东至东四环中路。总建筑面积371674平方米，其中地上建筑面积280118平方米。该冷热源采用了复合式土壤源热泵，冬、夏季地源热泵承担60%的空调负荷，常规能源形式（电制冷、燃气锅炉）承担40%的空调负荷并调节地下土壤的热平衡。该项目于2012年冬季投入运行，冬季空调运行时间为11月15~4月15日，室内温湿度控制在22℃/40%以上；夏季空调运行时间为5月15日至今，室内温湿度控制在25℃/55%以下，提供舒适的住宅环境。根据空调设备用电量、燃气量分项计量，冬季空调用电量3837MWh，耗气量150439立方米 ，总运行费用373万元，折合为每平方米19.06元。
另外是南京锋尚国际公寓项目。据悉，该项目总建筑面积为74515平方米。空调系统形式为毛细管+独立新风。其冷热源源于土壤源热泵系统。土壤源热泵该系统具有优越的环保节能特点，夏季空调供回水温度16/19℃，冬季空调供回水温度35/31℃，新风系统采用了溶液除湿，大大减少了能源的浪费，且达到了高舒适度的空调环境。典型年空调用电量1435.7MWh，空调运行能耗费用114.8万元，折合为每平方米32.3元 。
既有建筑通过改造可以实现超低能耗
超低能耗建筑可以从规划、设计开始，也可以对既有建筑改造实现其超低能耗。演讲中，张伟荣以北京市八一学校超低能耗改造为例说明智能能源管控平台系统的作用。邓鹏讲述了远大应用新风等先进技术、材料进行既有建筑改造实现近零能耗建筑的实例。
八一学校超低能耗改造取得了理想的环境经济效益
北京市八一学校校园面积156562平方米，建筑面积189661平方米。共有118个教学班，4200余名学生，教职工420多人。“为完成该校的超低能耗改造，我们建设了包括智能供热系统、室内温控系统、空调群控系统、照明控制系统、能源计量系统、视频监控系统在内的智慧能源管控平台。”张伟荣介绍。
改造包括热站集中控制系统改造、照明系统改造、引入可再生能源。此外还包括环境监测系统建设和分项计量和能源管理平台建设。
张伟荣对热站集中控制系统改造、照明系统改造、引入可再生能源逐一进行了介绍。
在热站改造方面，对南区、北区和大观园换热系统搭建智能热网监控系统，同时增加气候补偿器、分时段补偿等，实现换热系统的远程智能控制；更换锅炉房内一次侧、二次侧全部水泵，增加水泵变频控制柜；增加边缘运算控制系统，实现上位系统和下位系统可并行下发控制本地设备。
在照明系统改造方面，主要包括办公室、教室和公区用电。以教室为例，原有灯具功率32瓦，改为LED功率18瓦。整体更换LED灯具后，总功率下降为50%。照明根据使用需求启停，学校加强人员设备使用管理，做到人走关灯断电。针对自然采光较好的公共区域灯具长期开启，部分区域照明回路分区不合理问题，通过优化控制回路实现分区开启、按需开启。”
在可再生能源导入方面，北京市太阳能资源较丰富，年日照时数达到2600小时左右，年累计太阳能辐射量达到5227.14MJ/平方米；另一方面，学校建筑屋面存在安装空间，且屋面为钢筋混凝土结构，承载力较好，具备安装分布式屋顶光储微电网系统的条件。基于此，在实验楼、学发中心、宿舍、新初中楼等屋面布置分布式光伏发电系统，总装机容量达到138.44kWp。
八一学校超低能耗改造取得了理想的环境经济效益。“实施改造后，经第三方机构节能率核定，项目综合节能率可达到24.7%，二氧化碳减排量可达到1037.8吨。”张伟荣说。
远大近零能耗建筑执行高于国家标准的企业标准
“远大决心大力推广国家《近零能耗建筑改造标准》，迅速制订了操作性更强、节能指标更高的企业标准：90%节能率。”邓鹏说，“2008年开始对集团总部所有20余幢建筑进行了节能改造，通过增加15公分厚的墙体保温、三层玻璃窗、窗外遮阳以及新风热回收等方式，达到节省5倍能源，室内空气比室外洁净100倍。”邓鹏表示，自己所属公司具有既有建筑超低能耗改造的经验与优势。值得特别提及的是其自主知识产权的远大洁净新风机。改新风机与传统新风机相比具有明显优势：在过滤模式上，传统新风机是粗放过滤+中效过滤；远大是粗放过滤+静电除尘+超级过滤。传统新风机过滤PM2.5低于30%；远大可达99.9%。传统新风机是30%新风+70%回风；远大是100%新风。传统新风机每立方米小时电耗0.69瓦；远大只有0.23瓦。此外，远大新风机比传统新风机增加了灭菌、热回收、二氧化碳检测等功能。在使用寿命上，传统新风机约10年，远大可达30年。据悉，远大近零能耗建筑源于成立于2005年的长沙远大暖通空调工程公司，2009年更名为远大建筑节能公司，2022年更名为远大近零能耗建筑科技有限公司，提供近零能耗建筑节能改造、建筑能耗总包EMC等业务。
会上，中铁研究院李路平对“基于机器视觉的室内环境控制系统”产品做了介绍。“该系统产品已经在中铁建设大厦、创业大厦等安装使用；在北京朝阳站等既有站改造、在北京城市副中心等新建站房安装使用；在高端公建市场比如厦门英蓝中心等安装使用。客户反响良好。如北京朝阳站安装使用该系统产品后，能自动调节风盘的低、中、高速，及时调整风量，做到了既节能又舒适。”李路平说。
编者后记：“超低能耗”只是起点
演讲中，徐伟指出了零能耗建筑、近零耗建筑、超低能耗建筑的关联与不同。
零能耗建筑----可再生能源产能大于等于建筑自身用能：综合节能率100%。零能耗建筑能是近零能耗建筑的高级表现形式，其室内环境参数与近零能耗建筑相同，充分利用建筑本体和周边的可再生能源资源。
近零能耗建筑----利用可再生能源：综合节能率60%到75%。适应气候特征和场地条件，通过被动式建筑设计最大幅度降低建筑供暖、空调、照明需求，通过主动技术措施最大幅度提高能源设备与系统效率，充分利用可再生能源，以最少的能源消耗提供舒适室内环境。
超低能耗建筑----可不借助可再生能源能达到的水平：综合节能率50%。超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式，其室内环境参数与近零能耗建筑相同，能效指标略低于近零能耗建筑。
超低能耗建筑是近零能耗建筑的初级表现形式。“欧美等发达国家相继提出了2020 、 2030年近零、净零能耗建筑发展目标，并开展了技术集成专项研究与示范—— 推动建筑迈向近零能耗是全球的发展趋势，我国也在积极采取行动。”徐伟说。
如何从超低能耗建筑走向近零、零能耗建筑？徐伟给出如下技术路径实施要点。
1.目标为导向的性能化设计评价方法。内容如下。室内环境和能效指标作为判定的唯一依据；推荐性的技术措施包括围护结构热工参数、设备性能参数，仅做参考，不是约束性指标；居住建筑能效指标适用于住宅，公寓，居住建筑中的非住宅建筑适用于公共建筑能效指标。
2.采用统一的性能化设计评价工具。配合标准开发，满足近零能耗建筑特殊要求；要快速、易用、准确。
3.建筑全过程、全专业的协同设计。
4. 居住建筑——被动式技术为主。
5.公共建筑——充分考虑建筑特性，以被动式技术为基础，突出主动式技术，运行控制与管理对建筑的最终用能表现至关重要。
6.精细化施工：无热桥、高气密性；对施工人员进行专业培训。
7.气密性要求：设计、施工、评价全过程控制。
8.近零能耗建筑建造完成后，应对其是否达到超低能耗、近零能耗、零能耗建筑的要求给予评价；设计与评价应采用同一软件进行。
9.重视运行管理，最终实现运行能耗的大幅下降。
10.超高超大、功能复杂、类型特殊的近零能耗建筑，应专项论证，确保其科学合理地实现近零能耗建筑。
近零、零能耗建筑渐成建筑潮流。我们已经在“超低能耗”基础上向近零、零能耗前进。
目标明确，路径明晰，在“3060”双碳目标背景下，做为排放大户的建筑领域，一定会以更高质量、更快速度向近零、零能耗进军。
（本文刊登于《节能与环保》杂志2022年第9期）
