四川省綠色建筑運營階段能耗因素研究

蘇英杰, 倪 吉, 高 波

(四川省建筑科學研究院有限公司, 四川成都 610000)

截至在2018年，四川省通過綠色建筑設計標識的項目有57個，總建筑面積694×104m2，僅有極少數(shù)項目取得運營標識。而從全國的綠色建筑發(fā)展過程來看，只有7 %的綠色建筑設計標識項目最終可以取得運營標識，而這種趨勢造成的結果可能是更多的項目追求綠色節(jié)能技術的盲目堆砌，讓綠色建筑目標僅停留到設計階段而不真正落實到建筑實際運營中，這樣就與綠色建筑的核心愿景背道而馳。國內相關學者汪磊磊認為，造成這種現(xiàn)象的原因一方面是設計標識項目申報周期短、評價難度低，另一方面是因為運營標識本身宣傳不夠深入。有些設計階段不參評的條文會對運營階段的標識評價產(chǎn)生影響，但是由于前期只關注設計參評所涉及的相關條文，導致后期的運行條文難以達標。

雖然綠色建筑的評價標準體系涵蓋了建筑全過程，但目前綠色建筑評估的重心仍然是技術的選擇及落實。類似的問題不僅出現(xiàn)在國內的綠色建筑發(fā)展階段，而是一個世界普遍存在的問題。據(jù)Ray和Scott提出，在英國多數(shù)的綠色建筑盡管有雄心勃勃的可持續(xù)發(fā)展目標，但在實際的建筑運行階段并不能達到設計標準的節(jié)能效果，造成這樣結果的原因是由于過分關注設計階段而忽視大樓運營階段的維護管理。因此，在運營階段，如何高效、節(jié)能的維護管理大樓是當前一個亟待解決的重要問題。根據(jù)應佐萍的研究，用能行為直接影響了建筑壽命期的能源消耗，而運行階段的用能行為管理相比于節(jié)能改造而言，以極小的成本投入就可以獲得極大的經(jīng)濟效益。所以通過研究運營階段能耗因素的構成、權重、最優(yōu)模式和工況等，正式突破這一問題的關鍵。

本文旨在總結分析建筑運營階段的能耗因素，通過建立建筑仿真模型，對已建成大樓進行分析模擬，把運營階段不同的能耗相關因素在不同工況下的參數(shù)進行對比模擬，得到能耗因素對能效的影響的權重大小，并進行排序，找到高權重能耗因素，以最優(yōu)方式和周期對建筑進行維護和管理，為下一步指導我省綠色建筑運行維護工作的開展起到重要作用。

1 運行階段能耗仿真模型與校準

1.1 仿真模型建立

首先，在模擬條件下對能耗因素進行整體分析，需要一個完全仿真運行的建筑模型，本文采用全年能耗模擬軟件EnergyPlus進行模擬計算，EnergyPlus是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發(fā)的能耗模擬軟件平臺，能根據(jù)實際氣象數(shù)據(jù)逐時計算全年8 760 h建筑能耗。其次模擬對象大樓具體細節(jié)參數(shù)等均按照真實情況進行設置，包括模擬建筑的尺寸模型、氣象參數(shù)、圍護結構被動式設計、相關空調、照明、設備系統(tǒng)構成、大樓人員的行為模式等；此次設置參數(shù)均來至成都市某辦公大樓，項目大樓建于2017年，層高為3.7 m，層數(shù)為13層，大樓設置有能耗管理系統(tǒng)，能實時記錄建筑分級分項能耗數(shù)據(jù)；通過竣工圖紙得到建筑圍護結構的基本信息見表1。

氣象數(shù)據(jù)是通過EnergyPlus官方數(shù)據(jù)網(wǎng)選擇成都地區(qū)氣象數(shù)據(jù)(包括了地區(qū)的經(jīng)緯度、海拔高度、標準大氣壓、冬夏季開始結束時間等最具該地區(qū)氣候狀況代表性的12個月份數(shù)據(jù))，由此組成特殊的典型氣象年。大樓空調、照明、設備系統(tǒng)是通過竣工圖紙及現(xiàn)場實際調研得到，表2是主要耗能設備參數(shù)。

人員行為模擬數(shù)據(jù)根據(jù)電子問卷和線下問卷的形式獲得。于2019年8月至2019年12月，先后開展兩次關于大樓人員行為模式的調查，主要針對人員作息時間、開關設備時間、設備運行狀態(tài)、人員控制邏輯等進行實地了解，完成行為模式分析25項，有效樣本問卷數(shù)為110份，樣本服從正態(tài)分布的原則。調研中部分行為參數(shù)具體數(shù)據(jù)見表3。

表1 模擬建筑圍護結構信息 W/(m·k)

表2 模擬建筑耗能設備信息

1.2 模型校準

模型參數(shù)數(shù)據(jù)中的部分不確定參數(shù)會導致建筑初設模型模擬出來的能耗結果與實際之間存在誤差，通過對不確定因素的實際測量來減少誤差，使模型更貼合案例辦公大樓運營階段的實際能耗，校準主要包括以下幾個方面：幾何校準、氣候校準、設備校準、人員校準等，校準后通過選取一個常用的評判指標來反應校準模型的準確度：均方根變異系數(shù)CV(RNSE)指數(shù)。均方差RMSE可以用式(1)表示：

水利協(xié)會由鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）政府、村委會和農(nóng)戶代表相結合共同組成，形成統(tǒng)一的項目法人組織，常設機構為代表大會。代表成員由鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）牽頭，自下而上民主產(chǎn)生。通過整合財政支農(nóng)資金、社會籌資、村集體組織出資、農(nóng)戶投資投勞等辦法籌措資金。水利協(xié)會制定章程和財務制度、管理制度。依法履行民主程序，實行民主決策、民主管理和民主監(jiān)督。鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）政府干部可采用行政手段建立村際之間的協(xié)調機制，這是村際坑塘建設管理很好的模式。

(1)

Xi為建筑逐月的實際能耗值，GJ；Yi為建筑逐月的實際能耗值，GJ；N為月份數(shù)量，n=12；

均方根變異系數(shù)CV(RNSE)可以用式(2)表示：

(2)

式中各參數(shù)意義與式(1)相同。

在ASHRAE Guideline14中，對于建筑模擬值和實際值的CV(RMSE)指標給出了相應的推薦指標：對于使用逐月的數(shù)據(jù)CV(RMSE)指標應在±15 %的范圍之間。通過大樓能管系統(tǒng)調出2018～2019以年為周期的能耗數(shù)據(jù)，與Energy Plus模擬結果數(shù)據(jù)進行對比分析(圖1)。

圖1 逐月能耗對比

現(xiàn)對校準后的模型的逐月能耗值CV(RMSE)指標進行計算，其CV值為14.1 %，建筑能耗模擬值和實際值的CV(RMSE)指標符合ASHRAE Guideline14標準規(guī)定，模型整體能準確反映大樓運營階段能耗。

2 運行階段能耗影響因素分析

2.1 模擬結果分析

在上一章中建立的建筑仿真能耗模型，能準確的反應大樓運營階段能耗，現(xiàn)對各項已有的綠建技術和方法進行參數(shù)化模擬，通過改變各運營階段能耗因素值，找到最優(yōu)工況范圍和方案，再利用合理范圍內的極差值得到能耗權重，為建筑運維和調試的開展提供數(shù)據(jù)支撐。由于針對運營階段能耗，所有已建成建筑構件(圍護結構)和用能設備基礎信息均不發(fā)生變化，僅僅對能進行調試維護的因素在可調范圍內進行改變。而影響綠色建筑運營階段能管水平的因素較多，本文按不同用能系統(tǒng)進行分類，可分為：建筑系統(tǒng)能耗因素、照明系統(tǒng)能耗因素、空調系統(tǒng)能耗因素、電氣設備系統(tǒng)能耗因素、給水系統(tǒng)能耗因素。根據(jù)項目公共建筑情況，根據(jù)各系統(tǒng)的實際情況，對系統(tǒng)中各主要因素進行逐條分析，模擬結果見表4。

表3 模擬建筑人員行為模式參數(shù)

表4 Energy Plus模擬結果

影響建筑運營階段能耗的因素有很多，通過對每個因素選擇5個水平進行單一因素分析，如對設計有綠化屋頂?shù)慕ㄖ?，改變葉面指數(shù)(單位土地面積上植物葉片總面積占土地面積的倍數(shù))，當氣象參數(shù)不變的情況下，葉面指數(shù)在0～+∞時建筑能耗先降后升，葉面指數(shù)在2左右的范圍時采暖和制冷能耗均達到最低值，則說明對綠植屋頂修剪管理時，不能讓綠植枯萎凋零的同時也不宜讓其過度生長。又如內遮陽開啟后對室內溫度改變量較少，但卻極大地影響室內照明，應在產(chǎn)生眩光前，適當關閉內遮陽的節(jié)能效果最優(yōu)。同理，將24個主要的運營階段能耗影響因素的5個單影響改變量具體參數(shù)設置表示如表5。

表5 Energy Plus模擬結果

2.2 因素權重分析

經(jīng)過以上對運營階段能耗因素的分析，發(fā)現(xiàn)因素對分項能耗及總體能耗之間確實具有一定聯(lián)系，現(xiàn)運用 SPSS 軟件通過數(shù)理統(tǒng)計方式計算能耗因素的大小權重分析。利用極差和標準值的關系，求得各因素的比例權重，表示變量于能耗之間的關系程度的強度，因素權重值R是介于0到1之間的無因次量，當R值越大說明變量占比越重，則在運營階段更應重視該因素。運營階段能耗因素權重值R可以用式(3)表示：

(3)

max(Xi)為因素總能耗最大值，GJ；min(Xi)為因素總能耗最小值，GJ；Xst為標準建筑總能耗值，GJ。

現(xiàn)用SPSS對運營能耗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計性分析，并依據(jù)能耗因素權重值的大小進行排序，計算結果見圖2。

圖2 權重排序結果

經(jīng)計算，得到在實際情況下不同因素所占權重有較大差別，按權重進行排序從大到小分別是：鍋爐維護>冷水機組維護>照明燈具維護>自然通風>門窗氣密性>內遮陽控制>照明與采光控制>空調末端控制>房間溫度設置>人體舒適度>風機與自然通風>空調分區(qū)設置>水泵揚程維護>熱水系統(tǒng)控制>水泵效率維護>公區(qū)照明時間>光伏系統(tǒng)維護>新風熱回收系統(tǒng)>屋頂綠植維護>冷卻塔空氣通暢>風機維護>冷卻塔布水均勻>電氣設備維護。

從權重分析結果來說，人員的行為節(jié)能占有較大比重，如自然通風、房間空調溫度設置、照明與采光控制等權重均在平均值之上。表示大樓運維人員，在滿足環(huán)境舒適度的前提下，應對辦公人員的行為節(jié)能進行定期培訓，如根據(jù)模擬結果，在滿足300 lx標準照度下，建議近窗側辦公人員關閉座位上方的一組燈具，滿足光環(huán)境要求的同時節(jié)約照明能耗。

在運營階段也應重視對高權重因素進行定期維護，如冷熱源機組、照明燈具維護對能耗影響較大的因素，運維人員應以日為周期對空調系統(tǒng)冷熱源機組整體能效進行檢查，并對損壞及高功率的燈具進行即時更換。而對冷卻塔、電氣設備、室內風機、屋頂綠化等的權重占比較小的因素，則只需以年或半年為周期，在最優(yōu)工況范圍對其進行檢查和維護。

2.3 因素周期聚類分析

根據(jù)以上分析，需要對24個因素進行聚類分析。通過按因素大小把各因素的維護周期的聚類數(shù)分為4類，分別是：以日、以周、以月、以年為周期，采用歐氏距離法計算(4)各因素間的距離，根據(jù)層次聚類分析的步驟，找出矩陣中的最小元素，設它是Gi(k)和Gj(k)間的距離[11]，將Gi(k)和Gj(k)兩類合并成一類，于是產(chǎn)生新的聚類G1(k+1)，G2(k+1)，....令n=n-1。其表示已將距離最近的兩個因素合并為一類,重復此步驟直至最終合并為一項?，F(xiàn)設定聚類數(shù)為4類，在重新調整的距離集結合按歐式距離分為4大類，利用SPSS軟件簡化計算繪制出運營階段能耗因素聚類譜系見圖3。

(4)

圖3 SPSS聚類分析

如圖3所示，用歐氏距離計算樣本之間的相似程度，最終將24運營階段能耗因素按權重大小分成了ABCD四類，其中A類權重值極低，B類中等偏低，C類較高，D類權重值極高。最后依據(jù)聚類結果，對ABCD四類運營階段能源因素進行總體描述性統(tǒng)計，每類因素的運營維護周期情況如表6。

表6 運營維護周期聚類

根據(jù)以上的分析，建議大樓運維人員以上表為基礎，對各因素進行定期維護和管控，在降低工作量的同時亦能有效降低建筑運營階段能耗。

3 結論

本文從實際角度出發(fā)，在國內外建筑運營階段研究的基礎上，對實際建筑進行數(shù)據(jù)采集，建立能耗仿真模型，通過對不同能耗因素在不同的工況下進行參數(shù)對比模擬及分析，得到以下結論：

(1)通過24個運營階段能耗因素進行單一性分析，得到各因素在可調適范圍內的建筑能耗，如在對屋頂綠植進行修剪時，葉面指數(shù)在2左右的范圍時采暖和制冷能耗均達到最低值；又如內遮陽開啟后對室內溫度改變量較少，但卻極大的影響室內照明，應在產(chǎn)生眩光前，適當關閉內遮陽的節(jié)能效果最優(yōu)。這樣得到24個能耗因素的改變范圍及最優(yōu)工況范圍。

(2)通過對運營階段因素進行極差比計算，得到24個能耗因素的權重排序，根據(jù)不同的權重大小對大樓有序化管理，對高權重能耗因素如暖通系統(tǒng)及照明系統(tǒng)進行定期維護，可得到較大的收益，特別是空調系統(tǒng)冷熱源主機，維護后能有效減少大樓運行能耗。同時注意人員的行為節(jié)能管控，對自然通風及開關設備等應做好節(jié)能培訓，也能達到快速降低運維能耗的目的。

(3)通過對運營階段因素進行層次聚類分析，得到24個能耗因素的運營維護周期分類，因素按照權重、均值等被分為A、B、C、D類，分別以日、周、月、年為周期對運營階段建筑定期維護和管控，在降低大樓運維人員工作量的同時有效降低能耗。