大型綠色公共建筑節(jié)能績(jī)效后評(píng)估研究
——以武漢“市民之家”建筑為例

程世丹 喻斯文 尹衛(wèi)民 / CHENG Shidan, YU Siwen, YIN Weimin

1 引言

綠色建筑作為應(yīng)對(duì)環(huán)境問(wèn)題、資源問(wèn)題和社會(huì)問(wèn)題的一種策略已受到廣泛認(rèn)同。其核心理念是在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人類(lèi)提供健康、宜居的生存空間。為了推動(dòng)綠色建筑的實(shí)踐，很多國(guó)家創(chuàng)建了自己的綠色建筑評(píng)估體系，其中有影響的包括美國(guó)綠色建筑評(píng)估體系LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）、英國(guó)綠色建筑評(píng)估體系BREEAM（Building Research Establishment Environmental Assessment Method）、日本建筑物綜合環(huán)境性能評(píng)價(jià)體系CASBEE（Comprehensive Assessment System for Building Enviromental Efficiency）、法國(guó)綠色建筑評(píng)估體系HQE（High Environmental Quality）。此外，還有德國(guó)生態(tài)建筑導(dǎo)則LNB、澳大利亞的建筑環(huán)境評(píng)價(jià)體系NABERS（National Australian Built Environment Rating System）、加拿大綠色建筑評(píng)價(jià)工具（Green Building Tools，簡(jiǎn)稱(chēng)GB Tools）（Green Building Council of Australia，2003）。隨著綠色建筑評(píng)估體系的推廣，越來(lái)越多的建筑參照相關(guān)的綠色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造與使用，大量建筑已獲得了綠色設(shè)計(jì)認(rèn)證。然而，這些建筑在投入使用后是否都可以達(dá)到人們所期望的績(jī)效還有待使用后評(píng)價(jià)（Post Occupancy Evaluation，簡(jiǎn)稱(chēng)POE）（Newsham et al，2009）。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)綠色建筑的POE研究日益增多。研究總體顯示，較一般建筑而言，獲得認(rèn)證的建筑所消耗的水資源和能源更少，排放的CO2也較少（GSA public buildings service，2011）。但同時(shí)，研究也發(fā)現(xiàn)了認(rèn)證建筑的一些問(wèn)題，例如許多竣工建筑的節(jié)能績(jī)效與基于模擬的設(shè)計(jì)預(yù)期有較大偏差，一些用于節(jié)能的技術(shù)措施沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果（Birt et al，2009）。

我國(guó)于2006年開(kāi)始發(fā)布實(shí)施《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，在綠色建筑實(shí)踐方面尚處于發(fā)展的初期，雖有少數(shù)建筑按照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行建設(shè)，但對(duì)其實(shí)際運(yùn)行的評(píng)估研究還十分欠缺。另外，由于我國(guó)幅員遼闊，《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》在不同氣候條件下是否能夠獲得相同的績(jī)效預(yù)期，需要通過(guò)使用后評(píng)估加以分析和判定。本文以武漢“市民之家”的POE評(píng)估為例，試圖分析和探尋適應(yīng)該地區(qū)的綠色技術(shù)?！笆忻裰摇笔俏錆h市為數(shù)不多的按照綠色建筑三星級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的大型公共建筑，目標(biāo)是將其建成為“湖北地域性綠色建筑示范項(xiàng)目”、“政府低碳窗口”和“武漢市標(biāo)志性景觀”，因而其實(shí)際運(yùn)行效能具有很強(qiáng)的標(biāo)桿作用。

由于《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的6大指標(biāo)中節(jié)能指標(biāo)是較易度量的部分，且能耗問(wèn)題是各種綠色建筑評(píng)估體系的關(guān)鍵內(nèi)容，所以通過(guò)對(duì)其節(jié)能指標(biāo)的評(píng)估可以對(duì)綠色績(jī)效做出基本的判斷。而且，大型公共建筑的用電量通常為住宅建筑用電量的10倍以上（不包括供暖）（江億，2005），尤其具有驗(yàn)證評(píng)估價(jià)值，因此本文的重點(diǎn)是評(píng)估大型公共建筑的節(jié)能績(jī)效。在核查建筑節(jié)能相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)研獲取建筑實(shí)際運(yùn)行中的能耗，再通過(guò)與同地區(qū)同類(lèi)公共建筑的能耗比較，驗(yàn)證設(shè)計(jì)時(shí)的預(yù)期節(jié)能績(jī)效，分析建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的得失。

2 建筑節(jié)能技術(shù)核查

2.1 項(xiàng)目背景

“市民之家”是武漢市政府為企業(yè)、市民和其他組織提供“一站式”服務(wù)的場(chǎng)所，主要功能包括行政服務(wù)辦公和城市規(guī)劃展示，總用地面積9.92hm2，總建筑面積12.34萬(wàn)m2。項(xiàng)目由武漢地產(chǎn)開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)，選址位于武漢市江岸區(qū)三金潭立交西南側(cè)，北臨三環(huán)、東靠武漢大道。通過(guò)組織國(guó)際設(shè)計(jì)競(jìng)標(biāo)，法國(guó)夏邦杰建筑設(shè)計(jì)咨詢(xún)有限公司的方案中標(biāo)，采取四面圍合中庭的布局方式，實(shí)施方案按照“綠色三星”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。為此，建設(shè)方邀請(qǐng)綠色設(shè)計(jì)顧問(wèn)參與實(shí)施方案設(shè)計(jì)的全過(guò)程，并確定了6大技術(shù)體系、22項(xiàng)綠色生態(tài)技術(shù)。項(xiàng)目于2010年7月開(kāi)工建設(shè)，2012年9月投入使用（錢(qián)斌，2012）。

2.2 節(jié)能技術(shù)核查

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和查閱設(shè)計(jì)文件及相關(guān)文獻(xiàn)，可以核查武漢“市民之家”所采取的節(jié)能技術(shù)及設(shè)計(jì)策略，了解其預(yù)期的節(jié)能績(jī)效，其節(jié)能技術(shù)包括主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)、被動(dòng)式節(jié)能技術(shù)和可再生能源技術(shù)3種類(lèi)型（表1）。

3 能耗調(diào)研

根據(jù)物業(yè)管理部門(mén)提供的“市民之家”用電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年5月至2014年4月一年共耗電913.55萬(wàn)kWh，耗天然氣（制熱）17.42萬(wàn)m3。全年耗電季候性變化顯著，其中7、8、9、10月這4個(gè)月的耗電量相對(duì)比較多；1、6、12月次之；2、3、4、5、11月最少（圖1）。圖表特征與武漢地區(qū)的用電規(guī)律一致，夏季炎熱，為了維持舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，空調(diào)制冷消耗了大量能量；冬季寒冷，需要通過(guò)人工制熱來(lái)營(yíng)造舒適的室內(nèi)環(huán)境，但消耗的電量較夏季少（部分熱量由天然氣制熱提供），比春秋季多。

表1 武漢“市民之家”節(jié)能技術(shù)使用情況及預(yù)期效益分析（余鴻高，2014）

總體上，“市民之家”的能源利用包括電能和天然氣兩種形式，為了便于計(jì)算建筑總能耗，需要采取統(tǒng)一的計(jì)量單位，本文依據(jù)《民用建筑能耗統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的能耗計(jì)算方法，采取標(biāo)準(zhǔn)煤為單位，1kWh的電相當(dāng)于0.1229kgce，1m3天然氣相當(dāng)于1.2143kgce（張延方，2013）?！笆忻裰摇比昝科椒矫缀碾?4.10kWh，統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)煤為9.11kgce/（m2·a）；全年每平方米耗天然氣1.41m3，統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)煤為1.71kgce/（m2·a），兩項(xiàng)之和為“市民之家”的單位面積總能耗，為10.82kgce/（m2·a）。

為評(píng)估“市民之家”的能耗，將其單位面積能耗與武漢市類(lèi)似政府辦公建筑進(jìn)行比較（表2），所選擇的參照建筑分為兩類(lèi)，一是采取《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》建設(shè)的建筑，簡(jiǎn)稱(chēng)“綠色建筑”，二是未采取《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》建設(shè)的建筑，簡(jiǎn)稱(chēng)“非綠色建筑”。從表中可以看出，“市民之家”全年單位面積能耗不僅高于綠色建筑——“武漢建設(shè)大廈”的能耗值8.23kgce/（m2·a），也高于非綠色建筑的能耗平均值8.86kgce/（m2·a），僅比漢陽(yáng)區(qū)地方稅務(wù)局的單位面積能耗低。

圖1 “市民之家”每月耗電量（根據(jù)物業(yè)管理部門(mén)提供的數(shù)據(jù)自繪）

4 能耗分析與驗(yàn)證

4.1 能耗分析

“市民之家”的能耗主要由照明耗電、設(shè)備耗電、空調(diào)制冷耗電、冷卻塔耗電、地源熱泵耗電、風(fēng)機(jī)耗電等組成。其中照明耗電占總用電量的25%；設(shè)備耗電占20%；制冷耗電占29%；冷卻塔耗電占5%；地源熱泵耗電占5%；風(fēng)機(jī)耗電占16%。

在相同情況下，“市民之家”選擇的節(jié)能型的照明設(shè)施、采暖設(shè)施和制冷設(shè)施在能耗上應(yīng)該低于非節(jié)能型的其他同類(lèi)設(shè)施，其能耗高于類(lèi)似辦公建筑，可能是由于被動(dòng)式設(shè)計(jì)不當(dāng)所致?；诔ＷR(shí)的判斷，在“市民之家”選用的被動(dòng)式設(shè)計(jì)中，遮陽(yáng)系統(tǒng)在夏季可以減少室內(nèi)的熱輻射，屋頂綠化能降低屋面溫度，自然通風(fēng)有助于散熱，外墻保溫隔熱構(gòu)造的增強(qiáng)利于降低空調(diào)負(fù)荷，自然采光設(shè)計(jì)可以減少人工照明的能耗，這些被動(dòng)式設(shè)計(jì)應(yīng)該有助于降低建筑的總能耗。然而，“市民之家”有兩個(gè)明顯不同于類(lèi)似辦公建筑的設(shè)計(jì)，一是外立面運(yùn)用了大面積的玻璃幕墻；二是設(shè)置了一個(gè)巨大中庭，兩者均可能對(duì)建筑能耗產(chǎn)生顯著影響。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙計(jì)算，建筑東面的窗墻比為0.25，南面為0.40，西面為0.45，北面為0.40。建筑西立面的窗墻比最大，雖然小于《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的“建筑每個(gè)朝向的窗（包括透明幕墻）墻面積比均不應(yīng)大于0.70”的要求，但是，與非透明的外墻相比，透明幕墻的熱工性能相對(duì)較差，且“市民之家”1～2層采用的是玻璃幕墻，中庭南面是通高幕墻，盡管使用了中空Low-E玻璃，這些區(qū)域的得熱或失熱仍會(huì)較之非透明外墻增加，相應(yīng)的空調(diào)能耗也會(huì)增多。另一個(gè)可能產(chǎn)生較大能耗的因素是建筑中庭的規(guī)模過(guò)大，其面積達(dá)5 800m2，占建筑基地面積的29.2%，且室內(nèi)地面離中庭天窗最低處約28m，要維持這個(gè)巨大空間的舒適環(huán)境無(wú)疑需要大量的空調(diào)能耗。

4.2 熱工實(shí)測(cè)

為了驗(yàn)證“市民之家”能耗偏高的上述預(yù)判原因，分別對(duì)玻璃幕墻和中庭進(jìn)行熱工實(shí)測(cè)，驗(yàn)證過(guò)程針對(duì)性地選擇了建筑的不同位置。

4.2.1 玻璃幕墻熱工實(shí)測(cè)

（1）測(cè)點(diǎn)選擇

選擇“市民之家”建筑西側(cè)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為實(shí)測(cè)對(duì)象，具體選取建筑室外測(cè)點(diǎn)A、3層建筑實(shí)墻處測(cè)點(diǎn)B、1層玻璃幕墻處測(cè)點(diǎn)C作為對(duì)比和研究的對(duì)象（圖2），選取測(cè)點(diǎn)時(shí)盡量避免周?chē)h(huán)境和人流對(duì)測(cè)點(diǎn)造成影響。

表2 武漢市大型公建能耗數(shù)據(jù)（張延方，2013）

圖2 玻璃幕墻處測(cè)點(diǎn)布置

表3 A、B、C測(cè)點(diǎn)熱工測(cè)量數(shù)據(jù)分析

（2）測(cè)試條件和測(cè)試時(shí)間

室外空氣溫度測(cè)點(diǎn)A置于建筑外的空曠地段，離地1.5m高的百葉箱內(nèi)；B、C兩處表面溫度測(cè)點(diǎn)分別布置在外墻有代表性的部位上。測(cè)試時(shí)間方面，因夏季和冬季為武漢市最熱和最冷的季節(jié)，產(chǎn)生的熱交換最多，導(dǎo)致空調(diào)設(shè)備消耗的能源最多，故選擇夏季最熱時(shí)段中的兩周和冬季最冷時(shí)段中的兩周作為測(cè)試時(shí)間。夏季選取時(shí)間為2014年8月10～23日；冬季選取時(shí)間為2014年1月6～19日。測(cè)試記錄方面，采用可供電腦進(jìn)行處理的自動(dòng)采集數(shù)據(jù)儀器逐時(shí)記錄，時(shí)間間隔為10min。

（3）判定方法

玻璃幕墻導(dǎo)致能耗偏高可通過(guò)其保溫隔熱性能來(lái)判定。

保溫性能判定方法為——在室內(nèi)溫度高于室外溫度時(shí)，若θit＞θid，則判定該建筑的保溫性能符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求（GB 50176-93，1994），反之不符合；隔熱性能判定方法為——西向外墻：△t=θimax－ti≤ 3.0℃（韋延年，2009）。

其中：te為室外空氣平均溫度；ti為室內(nèi)空氣平均溫度，一般控制在夏季26℃、冬季18℃，但具體情況按實(shí)測(cè)值計(jì)算；θit為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的外墻內(nèi)表面溫度的平均值；θid為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的室內(nèi)外空氣平均溫度，θid=（te+ti）/2；θimax為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季熱作用下，室內(nèi)氣溫相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的內(nèi)表面最高溫度；△t為θimax與ti的差值。

（4）測(cè)試數(shù)據(jù)整理及結(jié)論

由冬季數(shù)據(jù)整理分析可知，室內(nèi)溫度大于室外溫度時(shí)，B、C兩處測(cè)點(diǎn)θit＞θid（表3），表明該建筑外墻的保溫性能滿(mǎn)足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求。因玻璃幕墻的傳熱系數(shù)比普通外墻大，因而C測(cè)點(diǎn)處玻璃幕墻溫度略低于B測(cè)點(diǎn)處。

圖3 中庭處測(cè)點(diǎn)布置

而在夏季，實(shí)測(cè)過(guò)程中無(wú)法將室內(nèi)溫度控制在某一個(gè)固定值，因此各測(cè)點(diǎn)室內(nèi)平均溫度ti取實(shí)測(cè)平均值。表中數(shù)據(jù)顯示：B測(cè)點(diǎn)△t小于3℃，滿(mǎn)足隔熱要求；C測(cè)點(diǎn)△t大于3℃，不滿(mǎn)足隔熱要求。西向玻璃幕墻由于西曬，熱輻射強(qiáng)烈，因而只能通過(guò)消耗更多的空調(diào)能耗來(lái)滿(mǎn)足室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求。

4.2.2 中庭空間熱工實(shí)測(cè)

（1）測(cè)點(diǎn)選擇

實(shí)測(cè)在中庭的3個(gè)不同高度處分別布置D、E、F測(cè)點(diǎn)，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)，其中D測(cè)點(diǎn)高1.5m，處于主要的人流活動(dòng)區(qū)，選擇測(cè)點(diǎn)時(shí)盡量避免受到人流的影響；E測(cè)點(diǎn)高7.5m，處在空調(diào)排風(fēng)口附近；F測(cè)點(diǎn)高25.5m，接近中庭頂部（圖3）。

（2）測(cè)試條件和測(cè)試時(shí)間

在夏季最熱時(shí)段和冬季最冷時(shí)段分別選取兩周作為測(cè)試時(shí)間，對(duì)D、E、F這3個(gè)室內(nèi)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行熱工測(cè)量。同時(shí)對(duì)室外測(cè)點(diǎn)A進(jìn)行測(cè)量，作為對(duì)比研究。測(cè)試時(shí)間和測(cè)試記錄方法同幕墻實(shí)測(cè)。

（3）判定方法

開(kāi)啟空調(diào)，待中庭空間溫度穩(wěn)定后，比較不同高度測(cè)點(diǎn)的溫度值，檢測(cè)是否有溫度差異。

（4）測(cè)試數(shù)據(jù)整理及結(jié)論

選取冬季代表日2014年1月12日的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。對(duì)于D、E、F測(cè)點(diǎn)只需要分析其溫度值的差異，所以用D、E、F測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為例說(shuō)明中庭不同高度處溫度變化的情況?！笆忻裰摇敝型タ照{(diào)開(kāi)啟的時(shí)間為早上9點(diǎn)，關(guān)閉的時(shí)間為下午5點(diǎn)。利用儀器對(duì)不同時(shí)間點(diǎn)的不同測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理得到圖4。

由實(shí)測(cè)可知，空調(diào)開(kāi)啟后，各測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始上升，經(jīng)過(guò)約3h，各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定階段，直至下午5時(shí)以后開(kāi)始下降。在大部分時(shí)段，E測(cè)點(diǎn)溫度為18.2℃，D測(cè)點(diǎn)為14.4℃，F(xiàn)測(cè)點(diǎn)為16.1℃。對(duì)照冬季采暖室內(nèi)舒適溫度16～24℃的標(biāo)準(zhǔn)值，僅E、F測(cè)點(diǎn)滿(mǎn)足要求。處于2層的E測(cè)點(diǎn)接近空調(diào)排風(fēng)口的高度，溫度始終最高。由于熱空氣向上流動(dòng)，接近頂部的F測(cè)點(diǎn)溫度由開(kāi)始的最低變?yōu)榉€(wěn)定階段的次低，而有大量人流活動(dòng)的下層空間D測(cè)點(diǎn)在大部分時(shí)段溫度最低，且始終未能達(dá)到室內(nèi)舒適溫度要求。也就是說(shuō)，由于中庭規(guī)模過(guò)大，為使主要人流活動(dòng)使用空間溫度接近室內(nèi)舒適溫度，中庭的大量空調(diào)能耗將損失在中上層空間，造成浪費(fèi)。

圖4 冬季代表日中庭各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)溫度變化

5 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用調(diào)研核查、能耗計(jì)算分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證的方法對(duì)武漢“市民之家”的能效性能進(jìn)行了使用后評(píng)估研究。核查顯示“市民之家”運(yùn)用了22項(xiàng)生態(tài)技術(shù)，其中12項(xiàng)與節(jié)能有關(guān)，包括自然通風(fēng)、自然采光和遮陽(yáng)系統(tǒng)等低成本被動(dòng)式技術(shù)。

然而，研究發(fā)現(xiàn)“市民之家”全年單位面積能耗卻高于同類(lèi)型的其他建筑。其中的原因是多方面的，例如，運(yùn)營(yíng)管理不到位，作為比較對(duì)象的同類(lèi)建筑的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性可能有所不足。但是，調(diào)研分析和熱工實(shí)測(cè)表明，西向玻璃幕墻面積偏大和中庭規(guī)模過(guò)大是導(dǎo)致空調(diào)能耗顯著增加，建筑整體能耗偏高的兩個(gè)重要因素。

研究可以獲得以下啟示：

（1）綠色建筑的關(guān)鍵并不是綠色技術(shù)運(yùn)用的數(shù)量，而在于采取適宜的技術(shù)與設(shè)計(jì)組合所能產(chǎn)生的整體綠色績(jī)效。就節(jié)能而言，某些建筑形式與空間的設(shè)計(jì)可能產(chǎn)生很高的能耗，抵消了其他節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果，導(dǎo)致建筑的整體節(jié)能性下降。因此，在很大程度上，合適的建筑形式與空間構(gòu)成是綠色建筑的基礎(chǔ)。

（2）武漢地區(qū)夏熱冬冷，夏季西曬時(shí)間長(zhǎng)，建筑外立面設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能避免使用大面積的玻璃幕墻，尤其在建筑的西立面。否則，透明幕墻會(huì)增加進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射，大幅增加空調(diào)負(fù)荷。

（3）利用中庭的設(shè)計(jì)可以較好地組織自然采光和自然通風(fēng)，但考慮到中庭制冷和供暖所需的能耗，中庭空間不宜過(guò)大。

[1] 江億.我國(guó)建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào)，2005（5）.

[2] 錢(qián)斌.綠色建筑實(shí)踐模式及技術(shù)策略探討——以武漢市民之家工程為例[J].建筑節(jié)能，2012（4）.

[3] 余鴻高.“武漢市民之家”綠色節(jié)能建筑設(shè)計(jì)實(shí)踐[J].武漢勘查設(shè)計(jì)，2014（1）.

[4] 張延方.武漢市綠色公共建筑項(xiàng)目后評(píng)估研究——以已獲綠色建筑標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目為例[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

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