专题丨基于信息通信技术的既有公共建筑运行阶段节能降碳研究

基于信息通信技术的既有公共建筑运行阶段节能降碳研究

刘妍¹  杨晨²  李颖³

（1.博鼎实华(北京)技术有限公司，北京 100096；

2.中国信息通信研究院泰尔终端实验室，北京 100191；

3.北京时代皓宇科技有限公司，北京 100012）

摘要：随着全球气候变化问题的加剧，节能降碳成为全球关注焦点。在我国，既有公共建筑在运行阶段具有很大的节能降碳潜力。为了提升既有公共建筑在运行阶段的能源效率并促进可持续发展，介绍了基于信息通信技术（Information and Communications Technology，ICT）的公共建筑运行阶段的节能改造研究。内容涵盖目前既有公共建筑领域的节能现状、存在的问题，ICT在既有建筑节能改造中的应用，包括物联网实现数据采集、大数据分析节能潜力、人工智能算法优化策略等。详细分析了使用ICT进行节能降碳改造的优势，并通过实际案例进行了改造后的效益分析，为建筑领域节能降碳提供了一条新的参考路径。

关键词：ICT；公共建筑；节能；降碳；智能化；运行阶段

0  引言

随着全球气候变化问题日益严峻，节能降碳问题受到广泛关注。我国建筑能耗和碳排放数量巨大，根据2022年统计数据，我国三大终端用能领域，建筑低于工业，高于交通^[1]。我国既有建筑规模庞大，且仍在逐年增加。既有建筑中公共建筑运行阶段的能耗占比较大，存在能耗高、能效低、管理粗放等问题，因此具有巨大的节能降碳潜力。

我国既有公共建筑大多建设时间较长，当时的设计理念和建造标准尚未将节能降碳纳入考量范畴，因此在运行过程中暴露出诸多问题。这些问题不仅影响了建筑的能源利用效率，也对实现国家双碳目标构成了挑战。

以5G、物联网、大数据、云计算、人工智能（Artificial Intelligence，AI）等为代表的信息通信技术（Information and Communications Technology，ICT）蓬勃发展。ICT对碳中和具有重要赋能作用，在助力全球应对气候变化进程中扮演着重要角色^[2]。使用ICT完成既有公共建筑的节能降碳改造，推动运行阶段建筑能碳管理数字化、智能化和绿色化，将成为建筑传统节能减碳改造手段之外的有益补充。

本文旨在通过分析既有公共建筑在运行阶段的能耗现状和问题，深挖ICT的赋能作用，为ICT赋能公共建筑降低运行阶段能耗、降低二氧化碳排放提供可操作的参考方案，也为我国建筑领域实现双碳目标提供新的视角和参考路径。

1  既有公共建筑运行阶段的能耗现状和问题

1.1  既有公共建筑运行阶段的能耗现状

通常情况下，城市建筑的能源消耗约占城市总能耗的三分之一^[3]。根据中国建筑节能协会建筑能耗与碳排放数据委员会发布的《中国城乡建设领域碳排放研究报告（2024年版）》^[4]，2022年，建筑运行能耗11.9亿吨标准煤，占全国能源消费总量的22.0%。建筑运行碳排放23.1 亿吨二氧化碳，占全国能源相关碳排放的21.7%。在既有建筑中，公共建筑的运行能耗为4.9亿吨标准煤，约占建筑运行能耗的41.2%。公共建筑的运行碳排放9.4亿吨二氧化碳，约占建筑运行碳排放量的40.7%。因此，既有公共建筑的运行阶段节能降碳潜力巨大。

1.2  既有公共建筑运行阶段的问题

根据《加快推动建筑领域节能降碳工作方案》进行梳理测算，全国存量建筑中仍有近40%为非节能建筑，既有公共建筑中使用寿命超20年的建筑占比超30%。对既有公共建筑进行调研发现，既有公共建筑在运行阶段主要存在以下三方面问题。

一是能碳管理手段落后效率较低。目前，许多既有公共建筑在运行阶段的能源管理方式仍较为传统，主要依靠人工线下抄表来获取用能数据。这种方式不仅效率低下，还容易因人为因素导致数据不准确。在节能降碳方面，管理手段大多依赖过往经验，仅根据夏季和冬季的季节变化，对室内温度进行粗犷式调节。很多时候，室内无人空间或在无人时段暖通空调系统仍持续工作。这种依赖经验的管理方式缺乏科学性和精准性，导致能源利用效率较低，难以满足现代建筑节能降碳的要求。

二是用能设备类型繁杂难以统一管理。既有公共建筑在设计建造时，全球对节能降碳问题并未密切关注，当时的设计理念和技术水平往往无法充分考虑能源高效利用的问题。因此，这些建筑中的用能设备类型繁多且不统一，参数指标各异，难以实现数字化管理和集中控制。如果对这些设备进行全面更换以实现统一管理，不仅会面临高昂的费用，还会导致一些仍然可用的设备被提前淘汰，造成不必要的资源浪费。这种经济负担使得运营主体对设备改造的积极性不高，进一步限制了建筑能效的提升。

三是线下巡检频次较低被动运维安全隐患高。在运行阶段，公共建筑主要依靠人员排班进行线下巡检。这种方式无法保障密集的巡检频率，尤其在夜间，巡检人员数量有限，难以及时发现设备故障。一旦设备出现故障，不仅会导致能源的浪费，还可能因故障发现不及时而引发安全隐患。例如，给排水系统存在“跑、冒、滴、漏”问题，导致水压不足，发生火灾不能及时供水。通过人员线下巡检无法第一时间发现问题予以解决。这种低频次的巡检模式难以满足现代建筑对设备运行安全和能源利用效率的高要求，亟待通过技术手段进行优化和改进。

2  ICT在既有公共建筑运行阶段节能降碳改造的应用

2.1  通过智能传感器和物联网技术实现建筑能耗数据实时监测

实现有效的能源管理和碳排放控制的核心在于对建筑关键用能设备的能碳数据进行精准的数字化处理。针对既有建筑设备类型繁多且不统一的问题，可以通过部署先进的传感器和数据采集系统，通过无线传输实现设备的全方位监测，如图1所示。对于难以采集数字化数据的设备，可以通过先进的视频识别设备，通过摄像头读取设备参数实现数字化。最后，通过建立统一的数字化、智能化管理平台，实现数据的存储、分析和可视化管理。使管理人员能够实时掌握设备运行状态和能耗情况，从而作出科学合理的决策。

图1   能耗数据采集示意图

2.2  通过大数据分析识别节能潜力和能耗异常

大数据分析技术的深度应用为建筑节能降耗领域带来了巨大改变。在这一过程中，大数据分析不仅能够实现对建筑内关键设备（如空调、照明系统等）运行数据的全方位、深度挖掘，还能从能耗水平、运行时长、室内外温度等多个关键维度进行精细化分析，为建筑的精细化能源管理提供了坚实且丰富的数据支撑。

通过对海量运行数据的深度挖掘与智能分析，系统能够精准锁定潜在的节能空间。例如，基于对空调系统历史运行数据的深度剖析，系统可以精准识别出某些时段的制冷或制热需求被高估的情况，进而优化温度设置，有效减少不必要的能源浪费。此外，大数据分析技术还具备强大的实时监测与智能预警功能。

系统能够对设备的能耗情况进行实时动态跟踪，一旦监测到能耗异常情况（如设备故障或运行参数偏离正常范围），系统将立即发出警报，并提供针对性的解决方案，助力管理人员及时响应，避免能源浪费和设备损坏，从而实现建筑能源管理的智能化、高效化与精准化。

2.3  通过AI算法优化设备运行策略

将AI技术深度融入建筑空间能源管理领域，为建筑能源管理带来了前所未有的智能化变革。AI系统能够实时监测建筑内各类设备的实际运行状况，并通过先进的算法为其量身定制最优运行模式，确保设备始终在高效节能的状态下运行，实现能源利用的最优化。通过对运营管理模式、设备行为、节能策略、优化策略以及故障诊断等多维度数据的深度机器学习，AI系统能够不断提炼和完善模型，从而逐步提升应用场景的智慧化程度，如图2所示。结合行业内多年积累的能耗负荷预测技术、控制策略优化技术、能耗设备控制技术以及故障诊断技术等核心技术，AI技术能够实现显著的节能降碳效果，为建筑能源管理带来“质”的飞跃。此外，AI技术具备自我评价和持续优化的能力。通过对节能效果的实时反馈进行分析，AI系统能够不断学习并优化自身算法，从而实现节能降碳效果的可持续提升。AI系统运行如图3所示。例如，基于先进的冷热负荷预测模型和能耗模型，AI系统能够智能调整空调系统的启停时间和运行参数。这种动态调整机制能够精准匹配实时变化的环境需求，避免过度制冷或制热，从而显著降低能源消耗。在这个过程中，AI技术减少了设备因频繁启停或长时间高负荷运行导致的老化和故障风险。这不仅降低了设备的维护成本，还延长了设备的使用寿命，为建筑的长期稳定运行提供了有力保障。通过AI技术的深度应用，建筑空间能源管理将迈入一个全新的智能化时代，为可持续发展提供强大动力。

图2   AI技术节能算法优化示意图

图3   AI系统运行示意图

2.4  故障及时报警和预测性运维

通过采用AI摄像头监控、数字化智能化管理平台调度以及软件即服务（Software as a Service，SaaS）的软件部署模式，可实现对配电、空调、给排水等关键设施设备的全天候自动监测与控制。一旦出现异常情况，系统能够实时报警并根据预设的紧急等级完成工单派发，管理人员可以利用手机等终端实时接收报警工单，并通过互联网随时随地访问和管理平台，确保故障及时处理，显著提升了运行阶段的安全性，有效减少因故障导致的能源和资源浪费。此外，通过对设备历史数据的学习和建模，AI算法能够预测设备可能出现的故障时间，提前安排维护计划，实现设备的预测性维护，降低了设备的故障率、避免能源浪费。

3  基于ICT实现既有公共建筑运行阶段节能降碳改造的优势

3.1  轻量化部署大幅节约成本

常规的节能改造技术主要包括：通过对建筑外墙、屋顶和外窗改造实现围护结构保温隔热性能提升；通过更换高能效空调、LED灯具或其他节能、变频设备，实现暖通空调、照明及用能设备能效提升；通过使用光伏、光热系统等替代能源减少一次能源的消耗^[5]。这些常规技术普遍需要较大的改造工程，千万级的改造资金投入。相较于常规改造技术，ICT的改造主要通过加装传感器、控制器等无线化的硬件设备，利用无线通信技术、大数据、AI算法和数字化、智能化平台实现节能降碳优化。改造的施工量较小，对现有设施的干扰较少，属于轻量化部署。同时，投入的资金大幅降低，相较于传统的大规模改造项目，成本大大下降。

3.2  智能化调控节能降碳效果明显

ICT赋能建筑节能的核心优势在于其卓越的智能化调控能力。凭借集成的先进自学习算法，系统能够实时监测设备运行状态，并基于数据分析作出精准决策。具体而言，系统基于实时监测的建筑内的温度、湿度、光照强度以及人员分布等关键参数，结合建筑外的温度等重要数据，通过学习行业内先进节能策略和建筑自身的管理模式、设备行为等形成的自学习算法能够自动识别环境变化和用户需求，从而实现对空调、照明等关键设备的精细化调控，并且不断自我调优。这种动态优化策略不仅提升了能源利用效率，还为建筑的可持续运行提供了有力支持。通过这种方式，ICT节能改造技术能够显著提升建筑整体的能源利用效率，降低运营成本，同时减少碳排放，为实现可持续发展目标提供有力支持。

3.3  模块化部署增强可扩展性使节能效果持续

数字化、智能化管理平台可以实现功能的模块化部署，可以根据实际需求灵活组合、扩展或调整，极大地提升了改造项目的适应性和可扩展性。当既有建筑中的用能设备发生变化时，无论是设备数量的增加、种类的更新，还是设备安装位置的调整，管理人员都可以通过平台的可视化界面，快速完成设备信息的更新和配置。这种灵活性确保了管理平台能够始终反映建筑用能设备的实际状态，避免因设备变更导致的管理滞后或数据不准确。凭借其卓越的模块化架构与高度灵活的配置能力，ICT数字化、智能化管理平台能够精准且迅速地适配建筑运行的实际需求。通过持续的算法优化机制，确保平台在动态环境中始终保持高效、精准的运行状态，从而保障用能管理的准确性和可靠性。这种设计不仅实现了节能降碳管理的即时优化，更通过其自适应的学习能力，为建筑的长期可持续发展提供了坚实的技术支撑，确保节能降碳管理策略在全生命周期内的持久有效性。

4  基于ICT进行节能降碳改造的案例分析

4.1  项目概况

以北方某办公楼被改造的项目为例，该办公楼总建筑面积约12 000 m²，于2018年投入使用。2023年11月，开始进行ICT节能降碳改造，改造共用时20天左右，改造实际投入资金总额约为25万元。

改造前，建筑的一年用电量约为198万度，合计电费约为177万元。改造前30天的二氧化碳排放量约为188吨，由于改造时正处于北方冬季的供暖季，保守估算全年的二氧化碳排放量为2 256吨。建筑的运行维护主要依靠管理人员线下操作，数据统计主要依靠抄表计数。

4.2  改造方案实施

根据该项目的实际情况，制定了系统性的节能降碳改造方案。该方案以先进的物联网、大数据、AI等前沿技术为核心，旨在实现建筑能源管理的智能化升级，同时确保改造过程不影响正常办公秩序。方案具体包括4方面。

一是物联网基础设施升级。在办公楼现有系统基础上，加装高性能智能传感器，利用物联网技术对关键用能参数和潜在安全风险点进行实时数据采集。这些传感器覆盖空调、照明等重点用能设备，实现对设备运行状态的精准监测与远程控制，为后续的智能化管理提供坚实的数据基础。

二是可视化数智化管理平台建设。采用模块化和SaaS软件部署方式，构建一个功能强大的可视化数智化管理平台。该平台对采集到的海量数据进行深度汇总与智能分析，生成直观的可视化报表和动态图表，帮助管理人员实时掌握建筑整体能耗情况，轻松完成用能的同比环比分析。同时，平台将具备对重要用能设备的集中控制功能，实现从数据采集到设备管理的全流程智能化闭环。

三是AI节能策略制定。通过AI和大数据技术，对源端（空调主机）的关键数据进行深度诊断。系统将实时收集室内不利点温度、室外温度、机组出水温度等重要参数，结合历史运行数据和环境变化趋势，自动制定科学精准的AI节能策略。这些策略将动态优化空调系统的运行模式，确保在满足舒适度的前提下，最大限度降低能耗。

四是三端联动与动态优化。构建源端、传输端和末端的三端联动机制，通过实时反馈数据进行动态优化。系统将实时监控各环节的工作状态，根据末端的实际需求和传输端的工作模式，实现人员离开时的联动控制、用能设备的智慧启停、数量控制和参数优化。这种联动机制将确保整个系统在动态环境中始终保持良好运行状态，实现整体系统的节能运行。

4.3  改造后的成效

在完成ICT节能改造后，经权威第三方测评机构测算，该项目的节能率达到19%。在供暖季期间，项目每月可减少排放温室气体二氧化碳约36吨，预计全年二氧化碳温室气体减排量可达432吨，节碳率达到19%。在项目后续的跟踪调查中发现，改造完成1年后，仅电费一项便为企业节约经费20.9万元。对比改造投入的25万元，项目预计在1年2个月内即可实现成本的全部回收。此次改造未涉及任何设备更换，施工全程未对建筑的正常使用造成任何影响。这些都充分证明，基于ICT的节能降碳改造部署迅速，投入成本低。通过精细化的能源管理，不仅能够大幅降低能耗与二氧化碳排放，还可以为建筑运营主体节省可观的运营成本，创造显著的经济效益，是一条极具推广价值的建筑赋能路径。

5  结束语

综上所述，既有公共建筑在运行阶段的能源消耗占比较高，其节能降碳改造对于实现“双碳”目标意义重大。然而，既有建筑在运行阶段面临诸多问题。一是能碳管理手段较为落后，能源使用效率较低；二是用能设备类型繁杂，难以实现统一管理；三是主要依赖线下巡检，巡检频次较低，存在安全隐患。面对这些问题，基于ICT的既有建筑节能改造能够提供有效的解决方案。通过智能传感器和物联网技术，可实现建筑能耗数据的实时监测；借助大数据分析，能够精准识别节能潜力和能耗异常情况，并据此进行改进；利用AI算法，持续优化设备运行策略；引入AI摄像头监控和数字化、智能化监控平台调度，同时通过手机等终端实时接收报警工单，实现故障的及时报警和预测性运维。

与传统建筑节能减碳改造技术相比，基于ICT的既有公共建筑节能改造具有显著优势。其轻量化部署的特点可大幅节约成本，改造投资大幅降低；同时，智能化调控能够显著提升节能降碳效果；模块化部署则增强了系统的可扩展性，确保节能效果的持续性和有效性。因此，ICT不仅是常规建筑节能改造手段的有益补充，更为建筑节能降碳提供了强有力的技术支撑，有望成为推动建筑行业绿色低碳转型的重要引擎。

展望未来，建筑行业绿色低碳转型需要政府、企业、科研机构等多方的共同努力。各方应携手推动ICT在建筑节能降碳领域的广泛应用，为实现可持续发展目标贡献更多力量。

Research on energy conservation and carbon reduction in the operation phase of existing public buildings based on ICT

LIU Yan¹, YANG Chen², LI Ying³

（1. Potin(Beijing)Technology Co., Ltd., Beijing 100096, China；

2. CTTL Terminal Labs, China Academy of Information and Communications Technology,Beijing 100191, China；

3. Beijing Shidai Haoyu Technology Co., Ltd., Beijing 100012, China）

Abstract: With the intensification of global climate change, energy conservation and carbon reduction have become a global focus. In China, existing public buildings have significant potential for energy conservation and carbon reduction during their operation phase. To enhance the energy efficiency of existing public buildings during operation and promote sustainable development, this paper introduces a study on energy-saving retrofitting of public buildings during the operation phase based on information and communication technology (ICT). The content covers the current status of energy conservation in existing public buildings, the existing problems, and the application of ICT in retrofitting for energy conservation in existing buildings, including data collection through the Internet of Things, energy-saving potential analysis through big data, and optimization strategies using artificial intelligence algorithms. The paper provides a detailed analysis of the advantages of using ICT for energy-saving and carbon-reducing retrofits and presents a benefit analysis of a retrofit case. It offers a new reference path for energy conservation and carbon reduction in the construction sector.

Keywords: ICT; public buildings; energy conservation; carbon reduction; intelligent; operation phase

本文刊于《信息通信技术与政策》2025年 第5期

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