数字孪生助力建筑实现节能减排精细化运维

数字孪生助力建筑实现节能减排精细化运维

　　宁夏公建节能,北京市建筑节能,福建名牌节能灯这是比尔盖茨在他的新著作《气候经济与人类未来》这本书中的第一句线亿是全球每年向大气中排放的温室气体的大致吨数，且总体呈上升趋势，这就是我们今天的境况。 “0”是我们需要达成的目标。要想阻止全球变暖，我们人类需要停止向大气中排放温室气体。

　　全球变暖被视为气候变化的最坏影响这些影响是非常糟糕的。有多糟糕？2022年的夏季，极端气候在全球范围内肆虐，欧洲温度达到48.8摄氏度；西班牙因超高温而死亡的人数是2021年的4倍；北极以4倍于世界平均水平的速度在变暖。中国的供电大省四川也因为今年夏天的持续高温干旱，缺少降雨，河流干涸，用电负荷持续超载等因素，导致水力发电能力断崖式下降。7月份以来，四川水发电量由同期约9.0亿千瓦时/天，下降至约4.5亿千瓦时/天，省内包括成都在内的多个城市实行限电，工厂被迫停工，造成巨大的经济损失。

　　2016年签署的《巴黎协定》将全球变暖限制在1.5℃以内定为目标，为了实现该目标，全球温室气体排放量须在2030年之前减少43%。在我国，根据中国建筑节能协会2021年底发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）》显示，2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳，占全国碳排放比重50.6%，其中80%的碳排放产生在建筑使用阶段。为了完成8年之后“碳达峰”的国家战略任务，数字技术正开始成为用来衡量和监控建筑行业碳减排成效的重要手段，比如通过数字孪生技术优化资源的使用，降低建筑运维碳排放，以及使循环经济成为可能。人工智能、物联网、区块链等也将是构建下一代智慧建筑解决方案最有力的工具之一。

　　多年来，建筑能耗管理之所以困难重重，除了建筑寿命周期长，节能改造难度大等老问题以外，还有行业技术及标准尚处初级阶段，技术实施及节能指标不统一等新问题。商业建筑因需要支持办公、商业、娱乐等场景，其建筑结构非常复杂，用电量大，其电力消耗总量占全国总消耗的10%，是主要的电力能源消耗端，其中空调、照明、电梯、现代化办公和信息机房等领域的电力消耗为关键排放源。

　　在过去十年，经过互联网对建筑运维的基建改造，大部分商业建筑已实现办公自动化、安保自动化、防火自动化管理。但因为早期相关技术的局限性，功能集成度低，各个子系统相互独立运行，后台管理系统互不兼容，缺乏物联网总体架构理念，维护管理成本高，推行起来阻力较大。

　　另外，因不具备智能化基础架构，系统运营效率低，故障率和能耗高，且缺乏对水、电、暖等有效的数据监测手段，无法制定节能减排策略，造成无效能源损耗。同时，各系统设计界面不够全面、清晰，更无法呈现综合协同管理状态，经常出现监测遗漏等情况，无法达到对建筑能耗进行有效管理的目的。

　　更重要的是，建筑节能降耗是一项动态管理，需要在大数据基础上，逐步计算出合理的水、电、暖基础负荷阈值，进行实时监测负荷，预测不同场景的峰值负荷并采取控制措施。运用单一的自动化、信息化技术无法实现以上目的。

　　建筑运维管理体系在历经楼宇自动化1.0，办公自动化2.0，5G安防节能3.0之后，将迎来以人工智能+物联网为核心的建筑智慧运维4.0时代。

　　人工智能、物联网和5G等技术的应用，为智能商业建筑的节能运行和“碳中和”提供了一种新的技术路径。建筑运维管理智能化不只是要使建筑运行更加节约电力、热力等能源。通过应用云计算、人工智能监测运维过程，实现建筑内的电力、空调、照明、电梯、防火和防盗等设备协同合作，提高建筑运维单位能效。人工智能、云计算等新技术可以使建筑具备自我分析、感知预警、智慧决策的能力，大幅降低了建筑节能的诊断门槛，即使普通工作人员也可以将其运用在诊断建筑的能耗分析，确实将节能减碳的行动落实。

　　以成都大运会主场馆凤凰山体育馆为例，这是由成都古河云科技负责实施，通过数字孪生三维可视化管理平台达到节能设计最优化、设备运行最优化、运营降耗最优化的场馆智慧运维样板案例。

　　作为2023年第31届世界大学生夏季运动会核心场馆，凤凰山体育馆既要满足国际顶级篮球赛事标准及FIFA标准，又要具有绿色建筑的未来性。在场馆建设时，技术方受到极高数字化专业能力和对建筑应用场景理解的双重考验。具有近十年建筑数字新基建经验的古河云科技在经过实地调研并和场馆方经过多次沟通后，梳理出七大痛点：体育馆面积大；建筑结构复杂程度高；场馆能源消耗需求大；绿色节能落实难；场馆各子系统无法协同运维，运维效率低成本高；应急处置设备分散，无法快速联动；各类设备众多，难以统一管理等方面。

　　围绕这些痛点，古河云科技为凤凰山体育馆定制了一套集合“端+云+大数据”的三维可视化管理平台，将场馆建筑结构、各设施、设备位置布局等精准地还原在体育馆虚拟仿真空间模型上。仿真模型以古河云科技 “开河”智慧云架构支撑平台为底层，为场馆构建了一个强大的智慧“大脑”，可做到实时、动态、可视的对凤凰山体育馆内的建筑设备集中运维管理，形成宏观把控、微观可视，全方位覆盖的运维管理模式。同时基于强大的物联网支撑平台，实现多设备报警及联动，最终实现整个场馆的数字化智能管理。该平台还可以集成现有的能源管理系统，以人工智能方式透过模拟分析与能源管理系统实测数据交互比对，进行设备异常诊断及能耗管理等加值应用。

　　经过反复模拟优化，场馆的建筑运维解决方案整体大幅降低了运维人工成本和建筑能耗成本。

　　建筑运行中的数据全部来源于部署在建筑内的电子传感器、控制器等硬件，在建筑运维管理系统的过程中具有举足轻重的地位，其设计及应用方式决定了智能化的高度。通过物联网传感器和终端设备可以对建筑物内的温湿度，人员分布，热源分布和能耗分布实施感知、数据采集和监测，经过数据处理准确地分析建筑空间内的负荷需求，及时发现运维管理的弱项和盲区，利用数字孪生的可视化数据分析，实现能耗的精细化管理。

　　目前为止，借助建筑数字化转型实现建筑智能化运维项目中，更多是在软件应用方面进行投入，鲜有在硬件方面的突破。鉴于我国在硬件方面的发展一直受到美国的制约，为了摆脱这种软件强硬件弱的“瘸腿”现象，国内一些尖端软件科技公司也在不断地创新自主研发的物联网硬件产品。

　　依然以成都凤凰山体育馆为例，其数字化运维管理平台应用了古河云科技自主研发的物联网边缘计算网关、物联网智能终端、IO数据采集服务器等硬件，可以对场馆各类型设备即插即用，无需专用软件对控制器进行编程，实现了适用于建筑多场景的灵活接入、快速定制、高效部署、自助分析、便捷组态。

　　在国际金融论坛（IFF）第18届全球年会（F20峰会）上，IFF学术委员，中国发展战略学会的副理事长王元丰在演讲中提到：未来建筑业要纳入碳交易所，每个单位可能就要有碳账户和碳资产。发改委也在抓紧编制建筑领域碳达峰实施方案，在制定碳税方案、碳交易规则、降碳履约机制等方面，都需要有业务场景大数据作为参考，因此呼唤更多软硬件两手都很硬的科技企业担当起建筑业数字化转型重任。

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　　这是比尔盖茨在他的新著作《气候经济与人类未来》这本书中的第一句线亿是全球每年向大气中排放的温室气体的大致吨数，且总体呈上升趋势，这就是我们今天的境况。 “0”是我们需要达成的目标。要想阻止全球变暖，我们人类需要停止向大气中排放温室气体。

　　全球变暖被视为气候变化的最坏影响这些影响是非常糟糕的。有多糟糕？2022年的夏季，极端气候在全球范围内肆虐，欧洲温度达到48.8摄氏度；西班牙因超高温而死亡的人数是2021年的4倍；北极以4倍于世界平均水平的速度在变暖。中国的供电大省四川也因为今年夏天的持续高温干旱，缺少降雨，河流干涸，用电负荷持续超载等因素，导致水力发电能力断崖式下降。7月份以来，四川水发电量由同期约9.0亿千瓦时/天，下降至约4.5亿千瓦时/天，省内包括成都在内的多个城市实行限电，工厂被迫停工，造成巨大的经济损失。

　　2016年签署的《巴黎协定》将全球变暖限制在1.5℃以内定为目标，为了实现该目标，全球温室气体排放量须在2030年之前减少43%。在我国，根据中国建筑节能协会2021年底发布的《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）》显示，2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳，占全国碳排放比重50.6%，其中80%的碳排放产生在建筑使用阶段。为了完成8年之后“碳达峰”的国家战略任务，数字技术正开始成为用来衡量和监控建筑行业碳减排成效的重要手段，比如通过数字孪生技术优化资源的使用，降低建筑运维碳排放，以及使循环经济成为可能。人工智能、物联网、区块链等也将是构建下一代智慧建筑解决方案最有力的工具之一。

　　多年来，建筑能耗管理之所以困难重重，除了建筑寿命周期长，节能改造难度大等老问题以外，还有行业技术及标准尚处初级阶段，技术实施及节能指标不统一等新问题。商业建筑因需要支持办公、商业、娱乐等场景，其建筑结构非常复杂，用电量大，其电力消耗总量占全国总消耗的10%，是主要的电力能源消耗端，其中空调、照明、电梯、现代化办公和信息机房等领域的电力消耗为关键排放源。

　　在过去十年，经过互联网对建筑运维的基建改造，大部分商业建筑已实现办公自动化、安保自动化、防火自动化管理。但因为早期相关技术的局限性，功能集成度低，各个子系统相互独立运行，后台管理系统互不兼容，缺乏物联网总体架构理念，维护管理成本高，推行起来阻力较大。

　　另外，因不具备智能化基础架构，系统运营效率低，故障率和能耗高，且缺乏对水、电、暖等有效的数据监测手段，无法制定节能减排策略，造成无效能源损耗。同时，各系统设计界面不够全面、清晰，更无法呈现综合协同管理状态，经常出现监测遗漏等情况，无法达到对建筑能耗进行有效管理的目的。

　　更重要的是，建筑节能降耗是一项动态管理，需要在大数据基础上，逐步计算出合理的水、电、暖基础负荷阈值，进行实时监测负荷，预测不同场景的峰值负荷并采取控制措施。运用单一的自动化、信息化技术无法实现以上目的。

　　建筑运维管理体系在历经楼宇自动化1.0，办公自动化2.0，5G安防节能3.0之后，将迎来以人工智能+物联网为核心的建筑智慧运维4.0时代。

　　人工智能、物联网和5G等技术的应用，为智能商业建筑的节能运行和“碳中和”提供了一种新的技术路径。建筑运维管理智能化不只是要使建筑运行更加节约电力、热力等能源。通过应用云计算、人工智能监测运维过程，实现建筑内的电力、空调、照明、电梯、防火和防盗等设备协同合作，提高建筑运维单位能效。人工智能、云计算等新技术可以使建筑具备自我分析、感知预警、智慧决策的能力，大幅降低了建筑节能的诊断门槛，即使普通工作人员也可以将其运用在诊断建筑的能耗分析，确实将节能减碳的行动落实。

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　　围绕这些痛点，古河云科技为凤凰山体育馆定制了一套集合“端+云+大数据”的三维可视化管理平台，将场馆建筑结构、各设施、设备位置布局等精准地还原在体育馆虚拟仿真空间模型上。仿真模型以古河云科技 “开河”智慧云架构支撑平台为底层，为场馆构建了一个强大的智慧“大脑”，可做到实时、动态、可视的对凤凰山体育馆内的建筑设备集中运维管理，形成宏观把控、微观可视，全方位覆盖的运维管理模式。同时基于强大的物联网支撑平台，实现多设备报警及联动，最终实现整个场馆的数字化智能管理。该平台还可以集成现有的能源管理系统，以人工智能方式透过模拟分析与能源管理系统实测数据交互比对，进行设备异常诊断及能耗管理等加值应用。

　　经过反复模拟优化，场馆的建筑运维解决方案整体大幅降低了运维人工成本和建筑能耗成本。

　　建筑运行中的数据全部来源于部署在建筑内的电子传感器、控制器等硬件，在建筑运维管理系统的过程中具有举足轻重的地位，其设计及应用方式决定了智能化的高度。通过物联网传感器和终端设备可以对建筑物内的温湿度，人员分布，热源分布和能耗分布实施感知、数据采集和监测，经过数据处理准确地分析建筑空间内的负荷需求，及时发现运维管理的弱项和盲区，利用数字孪生的可视化数据分析，实现能耗的精细化管理。

　　目前为止，借助建筑数字化转型实现建筑智能化运维项目中，更多是在软件应用方面进行投入，鲜有在硬件方面的突破。鉴于我国在硬件方面的发展一直受到美国的制约，为了摆脱这种软件强硬件弱的“瘸腿”现象，国内一些尖端软件科技公司也在不断地创新自主研发的物联网硬件产品。

　　依然以成都凤凰山体育馆为例，其数字化运维管理平台应用了古河云科技自主研发的物联网边缘计算网关、物联网智能终端、IO数据采集服务器等硬件，可以对场馆各类型设备即插即用，无需专用软件对控制器进行编程，实现了适用于建筑多场景的灵活接入、快速定制、高效部署、自助分析、便捷组态。

　　在国际金融论坛（IFF）第18届全球年会（F20峰会）上，IFF学术委员，中国发展战略学会的副理事长王元丰在演讲中提到：未来建筑业要纳入碳交易所，每个单位可能就要有碳账户和碳资产。发改委也在抓紧编制建筑领域碳达峰实施方案，在制定碳税方案、碳交易规则、降碳履约机制等方面，都需要有业务场景大数据作为参考，因此呼唤更多软硬件两手都很硬的科技企业担当起建筑业数字化转型重任。