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      利用智能化技術(shù)為建筑減負(fù)提質(zhì)
      ——北京工業(yè)大學(xué)教授張偉榮的“暖通”進(jìn)化論

      2020-12-24 07:10:46龐紅碩
      科學(xué)中國人 2020年22期
      關(guān)鍵詞:暖通建筑研究

      龐紅碩

      走進(jìn)一幢商用大樓,夏天通常會瞬感溫度驟降,被呼呼的冷氣包圍;冬天則被暖烘烘的熱潮直接“糊”一臉。在這類大型公用建筑中,制冷、制熱的設(shè)備往往帶著極端化情緒,靠一個設(shè)定溫度橫掃全場。這不僅讓空氣的舒適度大打折扣,還無疑增加了建筑能耗。

      15年前,北京工業(yè)大學(xué)教授張偉榮還是清華大學(xué)的一名碩士研究生,開始在導(dǎo)師江億院士的指導(dǎo)下研究怎樣將建筑能耗降下來,如今,她又琢磨起如何利用智能技術(shù)和分布式技術(shù)來同時提升室內(nèi)舒適度。她說,掌管建筑內(nèi)熱環(huán)境,提供熱量、冷量的設(shè)備系統(tǒng),坊間稱為“暖通”,含供熱、通風(fēng)、空氣調(diào)節(jié)3項(xiàng)主要功能。而這個不外露、看不著,卻影響溫度、空氣流通的大家伙里邊卻藏著大學(xué)問。

      從“修理工”到“海歸”

      2000年,張偉榮初到清華大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)報道,在師兄師姐的調(diào)侃中,差點(diǎn)兒以為自己要向一名修理工發(fā)展。

      當(dāng)時,在清華大學(xué)招生辦老師的介紹下,她報考了該專業(yè)。但又聽聞“暖通”,與修空調(diào)、燒鍋爐掛鉤,一度有些迷茫?!罢嬲龑W(xué)起來,才知道原來它和熱學(xué)的關(guān)聯(lián)性很大,早年隸屬土木工程,后來并入熱能與動力工程系,現(xiàn)在又合并到建筑學(xué)院?!睆垈s回憶說,同學(xué)院的其他班級都在搞設(shè)計(jì),他們則不一樣,一開始學(xué)純工科的知識,大學(xué)物理、微積分皆沒落下,等到基礎(chǔ)夯實(shí)了,才慢慢向?qū)I(yè)靠攏。

      專業(yè)了解越深,張偉榮越喜歡。后來,她被直推學(xué)校碩士,進(jìn)入江億院士課題組。在建筑節(jié)能剛剛興起的那個年代,江院士主推從政府機(jī)關(guān)辦公建筑著手降能耗,認(rèn)為這樣更有利于形成一些政策條文,指導(dǎo)更廣泛的建筑節(jié)能改造。于是,張偉榮碩士三年,有兩年多的時間都在往國務(wù)院機(jī)關(guān)事務(wù)管理局跑,從清華大學(xué)到府右街的路走了一遍又一遍,中央體系的大樓摸底了一小半。拿到一些數(shù)據(jù)后,她就去做橫向比較、數(shù)據(jù)分析,最終這些工作成果形成了一篇題為“政府機(jī)構(gòu)建筑節(jié)能相關(guān)研究”的碩士畢業(yè)論文。

      張偉榮

      如果說搜集數(shù)據(jù)、進(jìn)行分析、再提出政策建議的研究模式,可以稱作“軟性作業(yè)”,那么攻讀博士學(xué)位期間,張偉榮要啃下的就是塊硬骨頭。

      她于2008年赴日本東京大學(xué)建筑系,2012年取得工學(xué)博士學(xué)位,并繼續(xù)留任東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所開展博士后研究工作。張偉榮說,初到日本的時候,導(dǎo)師加藤信介教授曾明確問她想研究什么。她對自己的博士研究方向有兩個明確的想法:一是要區(qū)別于碩士階段的偏軟研究,來點(diǎn)兒數(shù)值計(jì)算、模擬仿真等“硬貨”挑戰(zhàn)一下;二是希望可以與原來的能耗研究聯(lián)系到一起?!耙?yàn)槲业膶?dǎo)師的研究方向是基于仿真模擬的室內(nèi)通風(fēng),比如溫度如何分布、室內(nèi)污染物怎樣分布……如果能夠把這些和建筑能耗結(jié)合,我覺得可以更好?!?/p>

      巧合的是,加藤教授也有類似想法,以“考慮室內(nèi)溫度分布的建筑能耗模擬方法”為題申請了日本學(xué)術(shù)振興會的重點(diǎn)項(xiàng)目。張偉榮順理成章地包攬下該項(xiàng)目的絕大部分工作,只不過,“開始決定的時候很愉快,做起來卻很是痛苦”。

      “博士課題沒有輕松的,流淚過,迷惘過,也懷疑過,更不要說用非母語來溝通交流。”不過,張偉榮也在聊天中直言慶幸,語言天賦讓她很快地適應(yīng)了環(huán)境,第二年已經(jīng)開始講日語并嘗試用日語寫論文。當(dāng)然,這個過程中該有的磨合、磕磕絆絆,一樣沒少。項(xiàng)目書最開始讀不懂,就一點(diǎn)點(diǎn)摳細(xì)節(jié);儀器使用不熟練,自己動手外,用問來的經(jīng)驗(yàn)補(bǔ)充……在張偉榮看來,研究室為她提供了不少便利。“我們從正教授、副教授、研究員、碩博生到科研秘書,人員非常齊備,管理上也特別高效,有各式各樣的明文條例?!边@種事無巨細(xì)的高效管理模式,和求學(xué)收獲一樣,成為張偉榮帶回國內(nèi)的寶貴財(cái)富。現(xiàn)在,凡是她自己學(xué)生經(jīng)手的事情,無論大小都會盡可能形成書面文檔,這讓實(shí)驗(yàn)室管理更顯井井有條。

      張偉榮是在2018年舉家回國的,當(dāng)時距離她離開國土恰好10年?!盀槭裁匆貋??這個問題,我被問了無數(shù)遍?!彼χ忉?,“在外界看來,自己和愛人都工作穩(wěn)定,買了房子、車子,孩子也上了幼兒園”。更何況,她還擔(dān)任了4年東京工藝大學(xué)建筑系的副教授,有2012年日本學(xué)術(shù)振興會JSPS特別研究員資格認(rèn)定、2014年日本暖通空調(diào)學(xué)會最高學(xué)術(shù)榮譽(yù)論文獎、功績獎,以及多個學(xué)術(shù)委員會委員等榮譽(yù)加持。

      但這些,都沒能阻止她回國的步伐。張偉榮直言,待的時間久只是因?yàn)樵讵q豫什么時間回來?!拔覀儚臎]想過永遠(yuǎn)留在日本”“我不希望我的女兒成為日本人”……言談間不難發(fā)現(xiàn),她的思考充分、理性,可以清醒地例數(shù)異國發(fā)展的個人價值實(shí)現(xiàn)、子女教育、父母贍養(yǎng)等問題,“更重要的是,我想把在日本的所學(xué)所見帶回來,提高我們自己的學(xué)科發(fā)展”。順著這個思路,也就很容易理解,回國對這位科研工作者來說,一直是個必選項(xiàng)。

      有價值的挑戰(zhàn)

      從清華大學(xué)“走出去”,最終落腳北京工業(yè)大學(xué)。張偉榮對于這一舉動,毫不避諱自己的務(wù)實(shí),坦言這是綜合考慮后的決定。不論是學(xué)校平臺、專業(yè)優(yōu)勢還是留給自身的施展空間,她說,北京工業(yè)大學(xué)是最合適的選擇。

      在那里,建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)在劉加平院士的帶領(lǐng)下,正是風(fēng)頭強(qiáng)勁。張偉榮看準(zhǔn)機(jī)遇,準(zhǔn)備大展拳腳,回國后迅速轉(zhuǎn)換角色、適應(yīng)新的研究環(huán)境,先后參與到兩項(xiàng)科技部“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目中,負(fù)責(zé)子課題研究?!皬拇蠓较騺碇v,原來做通風(fēng)也好,節(jié)能也好,實(shí)際上都是局限在建筑內(nèi)部,是比較微觀級別的,甚至只是一個房間?!眱身?xiàng)課題打破這種慣例,尺度從室內(nèi)躍升到城市住區(qū),從住區(qū)擴(kuò)展到國家級新區(qū)。

      這種由小到大的跨尺度跳躍,挑戰(zhàn)雖大,但卻更符合國家需要、時代需求。2019年,《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》作為我國首部引領(lǐng)性建筑節(jié)能國家標(biāo)準(zhǔn)問世,也讓“近零能耗建筑”這一概念置于聚光燈下。讓建筑節(jié)能成為大勢所趨,同時業(yè)內(nèi)也發(fā)出討論:建筑物如何邁向更舒適、更節(jié)能、更高質(zhì)量、更好環(huán)境?

      既有住房的改造首當(dāng)其沖。在“既有城市住區(qū)功能提升與改造技術(shù)”項(xiàng)目中,張偉榮指出,老舊小區(qū)的升級絕不止刷墻美化等“表面功夫”?!氨热缯f,如何建設(shè)海綿城市?如何在有限的空間里加裝電梯?又或者是,如何為能源形式單一的城市住區(qū)提供更多的可再生能源利用……”在中國建研院王清勤院長牽頭的既有住區(qū)改造項(xiàng)目中,張偉榮負(fù)責(zé)住區(qū)能源負(fù)荷強(qiáng)度預(yù)測的研究。她指出:“住區(qū)的復(fù)雜性在于使用者的行為太多樣、太隨機(jī),建筑的使用模式特別復(fù)雜?!彼岢隽讼衿创顦犯咄婢咭粯?,把不同人的行為模式包含在房間模塊上,通過簡單輸入小區(qū)人員結(jié)構(gòu)、人口比例等信息,快速疊加出建筑負(fù)荷——基于模塊重構(gòu)的建筑負(fù)荷預(yù)測方法,再進(jìn)一步疊加改造給住區(qū)微氣候帶來的變化影響,從而準(zhǔn)確預(yù)測住區(qū)負(fù)荷強(qiáng)度。

      假如既有住區(qū)的研究是張偉榮向空間尺度拓展的一小步,城市新區(qū)低碳規(guī)劃設(shè)計(jì)就是又一大步。由同濟(jì)大學(xué)吳志強(qiáng)院士牽頭的“城市新區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)”,共有15家單位參與。張偉榮負(fù)責(zé)的工作簡單來說就是,如何獲取碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù),支撐規(guī)劃設(shè)計(jì)做得更扎實(shí)。

      “國家的19個新區(qū),像浦東、濱海、雄安等承載著不同的功能和戰(zhàn)略需要。在整體規(guī)劃上,推動城市新區(qū)綠色發(fā)展是我國集約、智能、綠色、低碳新型城鎮(zhèn)化的應(yīng)有之義?!睘榱四軌驁A滿完成城市新區(qū)碳排放監(jiān)測核算方法與模擬分析技術(shù)研究,張偉榮在現(xiàn)場調(diào)研、數(shù)據(jù)獲取、統(tǒng)計(jì)分析等方面下足功夫。由于碳排放數(shù)據(jù)不同于人口、G D P等常規(guī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)容易獲取,張偉榮只能另想辦法?!跋鄬Τ墒斓男聟^(qū),數(shù)據(jù)公開做得比較好的,統(tǒng)計(jì)年鑒或者公報中會有數(shù)據(jù)記載,可以直接取用。沒有統(tǒng)計(jì)年鑒的,我們就先借用所屬城市的數(shù)據(jù)。又或者數(shù)據(jù)時間不統(tǒng)一,就按照GDP發(fā)展去推算碳排放量變化,畢竟碳排放一般跟著GDP走勢。反正,各種各樣的方法都用了?!边@份用心得到了吳志強(qiáng)院士的肯定。用數(shù)據(jù)說話,也為未來更多有價值的分析提供了科學(xué)化的地基。

      二度創(chuàng)業(yè),忙是常態(tài)

      除了兩項(xiàng)“十三五”子課題,張偉榮回國兩年多,還接連拿下了國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)、面上項(xiàng)目1項(xiàng)、日本文部科學(xué)省合作研究1項(xiàng)。她目的明確,想趁年輕多拼出些成績。

      她坦言,作為女性科研人員,總會有一段時期必須將更多注意力轉(zhuǎn)移到家庭,陪伴孩子成長。但家庭和事業(yè)并不絕對是對立的,也不應(yīng)該成為阻擋女性追求事業(yè)發(fā)展的壁壘?!八袁F(xiàn)在更要拼盡全力,回國的高起點(diǎn)是國家給我的二次創(chuàng)業(yè)的機(jī)會”,她說道。

      對張偉榮來說,科研更像是一種樂趣,一個有趣的發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。特別是近年來,綠色建筑節(jié)能技術(shù)不斷發(fā)展,張偉榮深感,機(jī)會在大環(huán)境中涌出。降低建筑能耗、提升建筑能效已經(jīng)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然要求,也即將成為應(yīng)對全球能源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)綠色低碳與可持續(xù)發(fā)展的重要手段。

      面對溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)、新式風(fēng)機(jī)盤管、輻射末端等各種新型環(huán)境調(diào)控形式層出不窮,她認(rèn)識到新技術(shù)、新產(chǎn)品的利弊共存。一方面,這些末端設(shè)備促進(jìn)了由傳統(tǒng)的空氣調(diào)節(jié)方式向分布式末端調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)化,提高了舒適性和建筑能效;另一方面,它們也帶來了負(fù)荷分配、調(diào)控復(fù)雜等挑戰(zhàn)。這種情況下,在建筑內(nèi)部的細(xì)微控制上便大有文章可做。于是,張偉榮重拾建筑內(nèi)部能源研究的老本行,引入大數(shù)據(jù)、人工智能等火熱技術(shù),定下了為建筑物“提供全空間熱環(huán)境信息”的目標(biāo)。

      團(tuán)隊(duì)合影

      在國家自然科學(xué)基金的支持下,她主導(dǎo)了青年項(xiàng)目“基于移動傳感器信息的建筑熱環(huán)境預(yù)測方法研究”,利用移動傳感器采集系統(tǒng)收集的使用者高度內(nèi)的時間、空間不連續(xù)數(shù)據(jù),開發(fā)出可以實(shí)時、快速、高準(zhǔn)確度預(yù)測室內(nèi)溫度分布的智能算法。在她主導(dǎo)的面上項(xiàng)目“需求導(dǎo)向型可變動態(tài)通風(fēng)系統(tǒng)研究”中,她進(jìn)一步創(chuàng)新性地將動態(tài)可變通風(fēng)系統(tǒng)引入室內(nèi)環(huán)境控制,打破傳統(tǒng)的固定風(fēng)口、送回風(fēng)模式固定,通過合并分析需求側(cè)的特征,開發(fā)可變、動態(tài)通風(fēng)優(yōu)化策略和評價指標(biāo),充分探討需求導(dǎo)向型可變動態(tài)通風(fēng)的應(yīng)用可能,為室內(nèi)環(huán)境的調(diào)控提供全新的手段。

      一項(xiàng)一項(xiàng)課題研究有條不紊地進(jìn)行,忙碌是常態(tài)。不過即便再忙,有一項(xiàng)活動,張偉榮始終沒放下,那就是運(yùn)動。在她看來,瑜伽、普拉提,以及適當(dāng)?shù)牧α坑?xùn)練,這些都是保持精力充沛的法門。

      張偉榮的工作態(tài)度和生活狀態(tài)也極大地影響著她的團(tuán)隊(duì)。在人才培養(yǎng)上,她慣用粗放型管理,但十分看重素質(zhì)的養(yǎng)成。她認(rèn)為,學(xué)生階段最重要的是形成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣、發(fā)現(xiàn)問題的能力?!拔遗囵B(yǎng)出來的學(xué)生,無論以后是在高校繼續(xù)深造,還是進(jìn)入企業(yè),我希望他們始終要保持一個能夠?qū)W習(xí)的狀態(tài)?!?/p>

      除此之外,責(zé)任心也是張偉榮特別提到的。她強(qiáng)調(diào)待人接物中,換位思考的重要性,“一件事情做不到自己覺得滿意,交出去時,要想想別人的感受”。既做得了嚴(yán)師,也當(dāng)?shù)闷鹨嬗?,張偉榮恰到好處地拿捏著這兩種角色。學(xué)生們將她視作榜樣,但這并不妨礙他們也喜歡找這位年輕的老師聊天,聊工作、聊戀愛煩惱,聽她“短平快”的觀點(diǎn)。如今,張偉榮的團(tuán)隊(duì)雖然規(guī)模不大,但人員各司其職,任務(wù)多、機(jī)會也多。在進(jìn)一步的規(guī)劃中,這個年輕的隊(duì)伍要踏踏實(shí)實(shí)做項(xiàng)目,追求更高產(chǎn),拼出亮眼的成績。

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