基于實(shí)際運(yùn)行性能的綠色建筑案例研究

穆迪 瞿燕 李海峰

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

綠色建筑是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑，“十三五”期間，上海市綠色建筑規(guī)模和質(zhì)量得到大幅提升。截至2020 年11 月，上海市通過綠色建筑施工圖專項(xiàng)審查并達(dá)到綠色建筑設(shè)計(jì)要求的建筑規(guī)模達(dá)到2.33 億m2，全市獲得綠色建筑評價(jià)標(biāo)識項(xiàng)目總數(shù)達(dá)到850 項(xiàng)。但獲得運(yùn)營標(biāo)識的項(xiàng)目相對較少，截至2020 年11 月，上海市獲得綠色建筑運(yùn)行標(biāo)識的項(xiàng)目共48 個(gè)，建筑面積合計(jì)580 萬m2。關(guān)注綠色建筑實(shí)際運(yùn)行效果，合理對其進(jìn)行評價(jià)，是綠色建筑發(fā)展中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-2]。本文以獲得綠色建筑三星級設(shè)計(jì)標(biāo)識的滬上生態(tài)家作為研究載體，通過對其開展建筑整體熱工性能測試，室內(nèi)熱環(huán)境測試，室內(nèi)空氣品質(zhì)測試及能耗數(shù)據(jù)分析，獲取其運(yùn)行現(xiàn)狀，積累項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，為優(yōu)化建筑實(shí)際運(yùn)行性能提供建議。

1 滬上生態(tài)家概況

滬上生態(tài)家（圖1）位于上海世博會城市最佳實(shí)踐區(qū)北部街區(qū)內(nèi)（西臨中山南路，東臨南車站路），是一幢以綠色生態(tài)為理念打造的科技示范建筑，并獲得綠色建筑三星級評價(jià)標(biāo)識。建筑用地面積774 m2，2010 年建成時(shí)總建筑面積3147 m2，2015 年改造后總建筑面積為3380.34 m2，地下1 層，地上4 層，屋面為上人屋面，建筑總高度24.8 m。該建筑為框架結(jié)構(gòu)，模數(shù)化方正形體。中庭為半封閉式，主立面朝北，結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，長16.7 m，寬7.1 m，高22.0 m，從地下1 層起貫通整個(gè)建筑。中庭和各層辦公區(qū)域之間由下部1.1 m 高的防護(hù)玻璃和上部0.8 m 的隔墻以及0.5 m 的擋煙垂壁相隔。

圖1 滬上生態(tài)家效果圖

2 建筑整體熱工性能測試

該建筑體形系數(shù)為0.213，建筑窗墻比東向0.17，南向0.36，西向0.05，北向0.57，天窗0.18。外門窗（包括玻璃幕墻）采用的玻璃類型為8+12A+8Low-E 玻璃，采用的型材為斷熱型材。圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)：外墻0.79 W/(m2·K)，屋面0.24 W/(m2·K)，東、南、西向以及天窗的Low-E 玻璃2.2 W/(m2·K)，北向玻璃窗1.8 W/(m2·K)，內(nèi)墻0.92 W/(m2·K)，樓板0.97 W/(m2·K)。

為了評價(jià)建筑整體熱工性能，選擇氣溫大幅度下降日期2020 年2 月15 日-2020 年2 月16 日，單日降溫幅度達(dá)到10 ℃以上，測試自然狀態(tài)下室內(nèi)空氣溫度的變化，并以“氣溫衰減倍數(shù)”作為評價(jià)指標(biāo)。該時(shí)間段為疫情期間，建筑未運(yùn)行，室內(nèi)無人員設(shè)備等熱源。參照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016[3]中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的衰減倍數(shù)，給出氣溫衰減倍數(shù)的定義：室內(nèi)空氣溫度受室外空氣溫度周期性變化的作用，室外空氣溫度波幅與室內(nèi)空氣溫度波幅的比值。氣溫衰減倍數(shù)體現(xiàn)了外墻/屋面/外窗熱工性能以及建筑整體氣密性的綜合作用，衰減倍數(shù)越大，表明室內(nèi)空氣溫度越穩(wěn)定，建筑的整體熱工性能更好。其計(jì)算方法如式（1）所示。

式中：σ 為氣溫衰減倍數(shù)，無量綱；θe為室外綜合溫度或空氣溫度波幅，K；θi為室外綜合溫度或空氣溫度影響下的室內(nèi)空氣溫度波幅，K。

由圖2 可知，24 小時(shí)的測試時(shí)間內(nèi)，室外氣溫降溫幅度達(dá)到10.6 ℃。針對室內(nèi)空間，分別在一層大空間辦公區(qū)域和五層會議室區(qū)域各設(shè)置一個(gè)溫度測點(diǎn)，測點(diǎn)位于距地面高1.5 m 處。測試結(jié)果顯示，一層大空間辦公區(qū)域呈現(xiàn)出較好的熱穩(wěn)定性，測試期間測點(diǎn)溫度降幅為5 ℃，氣溫衰減倍數(shù)為2.12。五層會議室外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃，因此熱環(huán)境較差，測點(diǎn)溫度降幅為9.1 ℃，氣溫衰減倍數(shù)為1.16。

圖2 不同測點(diǎn)溫度分布

3 室內(nèi)熱環(huán)境測試

測試在室內(nèi)辦公區(qū)域每層各設(shè)置一個(gè)測點(diǎn)，如圖3 所示，測點(diǎn)位于辦公區(qū)域走廊上方1.5 m 高度處，采用溫濕度記錄儀AZ8808 在測點(diǎn)處全時(shí)段持續(xù)性測試，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔20 分鐘。

圖3 滬上生態(tài)家測點(diǎn)分布圖

我國現(xiàn)行規(guī)范《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012[4]對第3.0.2 條對舒適性空調(diào)房間的設(shè)計(jì)要求如表1 所示。參考上述規(guī)范，結(jié)合實(shí)際室內(nèi)環(huán)境情況，本文中針對夏季工況，對溫濕度舒適區(qū)間的范圍界定為溫度區(qū)間24～28 ℃，相對濕度40%～70%。針對冬季工況，對溫濕度舒適區(qū)間的范圍界定為溫度區(qū)間18～24 ℃，相對濕度30%～60%[5]。

表1 舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 夏季熱環(huán)境測試結(jié)果

選取2018 年7 月15 日～8 月15 日期間工作時(shí)間段（工作日9:00-18:00）的數(shù)據(jù)進(jìn)行夏季室內(nèi)熱環(huán)境分析，各測點(diǎn)的溫濕度分布如圖4 所示，測試期間室外溫度在32 ℃以上。可以看出，房間在測試期間大部分時(shí)段都處于夏季溫濕度舒適區(qū)內(nèi)，即溫度區(qū)間24～28 ℃，相對濕度40%～70%范圍內(nèi)，如圖4 中方框所示。對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2）可得，夏季溫濕度舒適區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)占總體數(shù)據(jù)的85.9%。一層大空間的溫度偏低，低于24 ℃的數(shù)據(jù)占比30.5%。濕度偏高，高于70%的數(shù)據(jù)占比30.9%。從整體達(dá)標(biāo)率來看，一層大空間僅51.5%，而其余三個(gè)樓層整體的達(dá)標(biāo)率均在95%以上。

圖4 夏季溫濕度分布

表2 夏季測試溫濕度達(dá)標(biāo)率

從不同樓層溫度均值來看，一層大空間平均溫度為24.5 ℃，四層大空間平均溫度為26.2 ℃，相差1.7 ℃。此前針對滬上生態(tài)家室內(nèi)冷熱不均問題的研究中發(fā)現(xiàn)，高溫晴朗氣象條件下夏季空調(diào)工況中庭區(qū)域垂直溫差可達(dá)18 ℃，辦公區(qū)域一層和四層之間溫差在3～4 ℃之間[6]。在中庭貫通空間中，夏季制冷工況下冷空氣向樓下空間聚集，且辦公區(qū)域空調(diào)箱自動控制功能損壞，造成一層大空間溫度偏低，溫濕度整體達(dá)標(biāo)率較低。

3.2 冬季熱環(huán)境測試結(jié)果

選取2019 年2 月14 日～3 月4 日期間工作時(shí)間段（工作日9:00-18:00）的數(shù)據(jù)進(jìn)行冬季室內(nèi)熱環(huán)境分析，各測點(diǎn)的溫濕度分布如圖5 所示，測試期間室外溫度在12 ℃以下。由上文可知，冬季溫濕度舒適范圍中溫度區(qū)間18～24 ℃，相對濕度30%～60%，如圖5 中方框所示。對測試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表3）可得，冬季溫濕度舒適區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)占總體數(shù)據(jù)的64.4%?？梢钥闯?，一層和二層大空間有部分測試數(shù)據(jù)溫度偏低，四層大空間部分測試數(shù)據(jù)溫度偏高。一層，三層和四層的濕度達(dá)標(biāo)率較低，相對濕度低于30%的數(shù)據(jù)較多，反映了空調(diào)系統(tǒng)對濕度調(diào)節(jié)能力的缺失。

圖5 冬季溫濕度分布

表3 冬季測試溫濕度達(dá)標(biāo)率

3.3 過渡季熱環(huán)境測試結(jié)果

選取2018 年5 月14 日-2018 年6 月8 日期間工作時(shí)間段（工作日9:00-18:00）的數(shù)據(jù)進(jìn)行過渡季室內(nèi)熱環(huán)境分析，各測點(diǎn)的溫濕度分布如圖6 所示?？梢钥闯觯^渡季各層大空間的溫濕度分布范圍較寬，其中溫度23～26 ℃區(qū)間和濕度40%～80%區(qū)間的數(shù)據(jù)占比較大，占總體數(shù)據(jù)的76.3%。

圖6 過渡季溫濕度分布

4 室內(nèi)空氣品質(zhì)測試

4.1 室內(nèi)CO2 濃度測試結(jié)果

測試期間，各辦公大空間內(nèi)的CO2濃度分布四分位圖如圖7 所示。在工作時(shí)間段內(nèi)各空間的CO2濃度均值變化范圍為510～550 ppm。圖中可以看出，四個(gè)辦公大空間內(nèi)最高濃度均小于700 ppm，滿足GB/T 18883《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的日平均值小于1000 ppm 的標(biāo)準(zhǔn)[7]。各辦公空間人員密度較為穩(wěn)定，測試期間CO2濃度波動較小。此外，由于四層辦公大空間人員密度相較于一層辦公大空間人員密度更大，因此CO2濃度均值較高。

圖7 室內(nèi)CO2 濃度分布四分位圖

4.2 室內(nèi)顆粒物濃度測試結(jié)果

對冬季供暖工況各層辦公大空間的逐時(shí)PM2.5和PM10 濃度進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖8 和圖9 所示。從測試結(jié)果可看出，在室外PM2.5 和PM10 濃度均值分別為50 μg/m3和65 μg/m3的情況下，室內(nèi)PM2.5 和PM10 濃度均值的變化范圍分別為10～25 μg/m3和15～30 μg/m3。整體而言，室內(nèi)顆粒物濃度相較于室外有明顯降低。在建筑日常運(yùn)行過程中，應(yīng)針對新風(fēng)機(jī)組中的空氣過濾模塊，做好定期的檢查，清潔維護(hù)以及過濾模塊更換等工作，保證新風(fēng)系統(tǒng)良好的空氣過濾凈化作用。

圖8 PM2.5 濃度測試均值

圖9 PM10 濃度測試均值

5 能耗數(shù)據(jù)分析

滬上生態(tài)家的逐月用電量數(shù)據(jù)如圖10 所示，以正常運(yùn)行一個(gè)完整自然年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從2019 年1 月到2019 年12 月，建筑全年總用電量為191301 kWh，折算單位建筑面積年用電量為56.6 kWh/(m2·a)。12 月份空調(diào)供暖期用電量最高，其次為7 月份空調(diào)供冷期。滬上生態(tài)家的空調(diào)冷熱源來自于園區(qū)的集中能源站，目前統(tǒng)計(jì)的用電量數(shù)據(jù)中包含空調(diào)末端及部分輸配系統(tǒng)，照明與插座，動力及其它用電等，不包含空調(diào)冷熱源能耗量。

圖10 逐月用電量

研究期間，從長寧區(qū)建筑能效監(jiān)測和管理平臺獲取2018 年監(jiān)測的69 棟商業(yè)辦公建筑的用電量數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單位建筑面積年總用電量平均值為82.7 kWh/(m2·a)，單位建筑面積空調(diào)用電量為23.1 kWh/(m2·a)，單位建筑面積其他分項(xiàng)用電量為59.6 kWh/(m2·a)。從黃浦區(qū)能耗監(jiān)測平臺上收集了50 棟商業(yè)辦公建筑2019 年的用電量數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，單位建筑面積年總用電量平均值為88.2 kWh/(m2·a)，單位建筑面積空調(diào)用電量為25.7 kWh/(m2·a)，單位建筑面積其他分項(xiàng)能耗為62.5 kWh/(m2·a)。通過對比可看出，滬上生態(tài)家空調(diào)末端及部分輸配系統(tǒng)，照明與插座，動力及其它用電等單位建筑面積年用電量略低于長寧區(qū)和黃浦區(qū)能耗監(jiān)測平臺的單位建筑面積其他分項(xiàng)用電量數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文針對辦公建筑滬上生態(tài)家的熱環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)場測試和能耗數(shù)據(jù)分析，對建筑整體熱工性能的測試和分析表明，滬上生態(tài)家辦公區(qū)域熱穩(wěn)定性良好，建筑空置狀態(tài)下，室外室外氣溫降溫幅度達(dá)到10.6 ℃，辦公區(qū)域溫度降幅為5 ℃，氣溫衰減倍數(shù)為2.12，而玻璃圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域溫度降幅為9.1 ℃，氣溫衰減倍數(shù)為1.16。針對室內(nèi)熱環(huán)境的測試表明，夏季一層大空間整體達(dá)標(biāo)率較低，二至四層大空間整體達(dá)標(biāo)率在95%以上。冬季溫度達(dá)標(biāo)率均在80%以上，而濕度達(dá)標(biāo)率較低。過渡季溫度23～26 ℃區(qū)間和濕度40%～80%區(qū)間的數(shù)據(jù)占比較大。針對室內(nèi)空氣品質(zhì)的測試表明，滬上生態(tài)家辦公區(qū)域整體空氣質(zhì)量較好。對逐月用電量數(shù)據(jù)的分析表明，滬上生態(tài)家具備一定的節(jié)能優(yōu)勢。

目前滬上生態(tài)家運(yùn)行中存在的較為明顯的問題是空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的缺失。原設(shè)計(jì)的空調(diào)箱均設(shè)置有變頻控制柜，對風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行控制，空調(diào)箱上的風(fēng)閥、水閥均可以進(jìn)行電動調(diào)節(jié)。但由于世博會后該建筑長期未使用，其自動控制功能均已損壞。因此，測試期間出現(xiàn)了各區(qū)域溫濕度達(dá)標(biāo)率不均的問題。此外，中庭與辦公區(qū)域之間無隔斷，會增加辦公區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，后續(xù)研究中將關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，以期對空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。