綠色建筑室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價系統(tǒng)研究與設(shè)計

房霆宸 朱 贇 賈 珍 賀洪煜

（1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海市安裝工程集團有限公司，上海 200085；3.上海超高層建筑智能建造工程技術(shù)研究中心，上海 200080）

0 引言

綠色建筑可以在建筑全生命周期內(nèi)，節(jié)約資源、保護環(huán)境、減少污染，為人們提供健康、適用、高效的使用空間，是一種最大限度地實現(xiàn)人與自然和諧共生的高品質(zhì)建筑[1，2]，也是我國大力鼓勵發(fā)展的一種建筑形式。自2006年，我國發(fā)布并實施了《綠色建筑評價標準》（GB/T50378—2006）[3]，針對建筑設(shè)計、施工階段已建立了完備的綠色建筑評價體系，形成了能耗管理、太陽能發(fā)電、中水回收利用、LED照明等綠色建筑專項技術(shù)，對于建筑節(jié)能環(huán)保產(chǎn)生了積極效果。但是目前的綠色建筑在智能化、舒適度等元素引入方面，仍存在一定不足：比如現(xiàn)有建筑運維管理的智能化水平仍較低，多以單個系統(tǒng)獨立運行為主，系統(tǒng)集成度低，所形成的數(shù)據(jù)挖掘度不夠，無法形成主動決策管理，遠遠無法達到“智能化”要求；再比如關(guān)于建筑室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價系統(tǒng)的相關(guān)研究較少，缺乏針對人員所處室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價體系的技術(shù)研究，且室內(nèi)環(huán)境的優(yōu)劣以及人體主觀的舒適度情況與建筑運維階段的能源消耗是一個矛盾體，如何協(xié)調(diào)處理二者之間的關(guān)系，對于現(xiàn)有技術(shù)提出了新的要求。鑒于此，本文通過引入綠色化、智能化的建筑建造及運維理念，探索形成綠色建筑室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價系統(tǒng)，對于為提升工程建造的環(huán)境效益和居住品質(zhì)作貢獻提供具有重要意義。

1 室內(nèi)環(huán)境及人體舒適度

1.1 室內(nèi)環(huán)境評價指標

室內(nèi)環(huán)境對人產(chǎn)生的舒適度影響因素主要分為建筑功能性的舒適度以及物理環(huán)境舒適度兩種，本文所論述的舒適度主要與建筑室內(nèi)物理環(huán)境相關(guān)，根據(jù)《室內(nèi)物理環(huán)境理論》一書中的論述，建筑室內(nèi)物理環(huán)境主要包括：室內(nèi)空氣環(huán)境、室內(nèi)光環(huán)境、室內(nèi)聲環(huán)境、室內(nèi)熱環(huán)境等[4，5]。隨著人類科技的發(fā)展，自20世紀初就已經(jīng)掌握了諸如：照明技術(shù)、除塵技術(shù)、消音及隔音技術(shù)、調(diào)溫及新風(fēng)換氣技術(shù)等對以上各類物理環(huán)境的控制手段，此類技術(shù)早已成熟應(yīng)用于人類日常生活中。

目前，我國已經(jīng)制定了不少針對建筑室內(nèi)環(huán)境的標準。例如，國家市場監(jiān)督管理總局、衛(wèi)計委、環(huán)境保護部共同頒布的《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》（GB/T 18883—2002）；涉及公共場所室內(nèi)環(huán)境的《公共場所衛(wèi)生管理規(guī)范》（GB 37487-2019）、《公共場所衛(wèi)生指標及限值要求》（GB 37488—2019）、《公共場所設(shè)計衛(wèi)生規(guī)范》（GB 37489—2019）等；與建筑裝飾裝修相關(guān)的《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》（GB50325—2010）。以上列舉的一系列規(guī)范從科學(xué)角度結(jié)合人體健康以數(shù)值區(qū)間的形式規(guī)范了室內(nèi)空氣質(zhì)量、衛(wèi)生條件、裝飾裝修污染等各類數(shù)據(jù)的界定范圍，可作為室內(nèi)環(huán)境評價指標的參考依據(jù)。

1.2 人體舒適度評價

人體舒適度評價分為客觀因素和主觀因素兩種?？陀^因素主要由建筑室內(nèi)空間物理環(huán)境包括：熱工環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、空氣質(zhì)量等。通過國內(nèi)外一系列的設(shè)計標準，可以將以上各種客觀環(huán)境因素人為調(diào)控到較為舒適的范圍內(nèi)。主觀因素主要由人的主觀感受形成，個體差異明顯，不同的人處于相同的環(huán)境也會由于不同的地域、季節(jié)、心理、年齡、健康等因素，產(chǎn)生對環(huán)境不同的舒適度評價。根據(jù)研究，同一環(huán)境中有80%的人員對環(huán)境感到滿意，即達到了舒適狀態(tài)[6]。綜合一系列標準、研究，可得到一個普遍的結(jié)論：人體在擁有良好的空氣質(zhì)量、適宜的熱工環(huán)境、互不干擾的聲環(huán)境以及在各種條件下可調(diào)控的光環(huán)境下的舒適度評價相對而言較高。

1.3 室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價系統(tǒng)的作用

根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)外鮮有對人體舒適度進行生理調(diào)節(jié)的研究和案例，更多的研究是從調(diào)控室內(nèi)環(huán)境的角度去調(diào)節(jié)人體舒適度評價。本文所述的室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價系統(tǒng)（以下稱為本系統(tǒng)）的作用之一是為綠色智能建筑提供與人體舒適度相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，利用一系列人工智能算法對室內(nèi)環(huán)境進行自我感知、自我調(diào)控，使綠色建筑達到人體舒適度最優(yōu)的評價結(jié)果。本系統(tǒng)還可通過時間段、人員密集程度、空間用途等不同維度對每一個獨立空間進行單獨調(diào)控。另外，本系統(tǒng)另一個作用是為綠色建筑能耗管理系統(tǒng)提供智能化能耗預(yù)測及優(yōu)化調(diào)度功能，建立一套適用于綠色建筑的能源平衡優(yōu)化及調(diào)度模型，使綠色建筑的能源利用率實現(xiàn)效益最大化。

為此，本系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的科學(xué)布點、以監(jiān)測的室內(nèi)環(huán)境大數(shù)據(jù)為依據(jù)、使用BIM技術(shù)對建筑內(nèi)部空間進行可視化空間劃分，利用人工智能算法綜合計算人體舒適度評價、通過評價結(jié)果對諸如空調(diào)、加濕器、新風(fēng)、照明等相關(guān)設(shè)備進行調(diào)控，以此方式調(diào)節(jié)人體舒適度，使人員在室內(nèi)每個空間都能獲得相對最優(yōu)的人體舒適度評價。

2 室內(nèi)環(huán)境及舒適度評價系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)基于某綠色建筑示范樓的智慧運維管理系統(tǒng)進行迭代開發(fā)，根據(jù)本文上述研究內(nèi)容，本系統(tǒng)從功能上可分為4個模塊：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、智慧能源交互模塊以及用戶界面展示模塊，模塊關(guān)系如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)將物聯(lián)網(wǎng)傳感器及其監(jiān)測數(shù)據(jù)接入到機電設(shè)備管理平臺；數(shù)據(jù)分析模塊負責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時處理以及結(jié)合環(huán)境及人體舒適度對工控機進行控制指令發(fā)布；能源交互模塊接收來自工控機的控制指令，修改空調(diào)、照明、通風(fēng)等設(shè)備的調(diào)節(jié)參數(shù)；界面展示模塊為綠建樓運維管理人員以及綠色建筑普通用戶提供了用戶交互界面。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備和機電設(shè)備管理系統(tǒng)兩部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊中的物聯(lián)網(wǎng)傳感器參照《綠色建筑評價標準》（GB/T50378—2019）的要求，結(jié)合綠建樓的設(shè)計圖紙進行科學(xué)布點，從平面上按照面積與區(qū)域劃分，最少需要監(jiān)控點20個。兩個取大值，需要最少布置監(jiān)控點20個，布點方案如表1所示。

表1 某綠色建筑局部位置傳感器布點方案

機電設(shè)備管理系統(tǒng)包含了主要負責(zé)對物聯(lián)網(wǎng)傳感器及機電設(shè)備的接入管理和控制功能，由通信接口形式實現(xiàn)與工控系統(tǒng)互聯(lián)，實現(xiàn)用戶側(cè)與空調(diào)冷熱源側(cè)聯(lián)動控制。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊通過預(yù)設(shè)的綠建樓所在地區(qū)歷年的氣候數(shù)據(jù)，結(jié)合人體舒適度較高評價標準對當前空間的實時數(shù)據(jù)進行分析，實時計算出當前空間的環(huán)境以及人體舒適度評價分值。如果分值較低，數(shù)據(jù)分析模塊就會給出建議的調(diào)控方案并將指令發(fā)送到能源交互模塊進行處理。

2.2.3 能源交互模塊

能源交互模塊同樣采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，儀表全部安裝了數(shù)據(jù)傳感器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動采集和遠程傳輸，最大程度減少人工抄表及填報的誤差，大幅提高數(shù)據(jù)準確性，可實時查看各項指標數(shù)據(jù)。通過將設(shè)備接入到機電設(shè)備管理系統(tǒng)，能源交互模塊可執(zhí)行工控機的調(diào)控指令，這類指令包括空調(diào)的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、室內(nèi)照明的強弱、新風(fēng)的換氣量等。

2.2.4 界面展示模塊

用戶交互界面的設(shè)計基于某綠色建筑智慧運維管理系統(tǒng)進行定制化開發(fā)，較原有運維系統(tǒng)主要增加了BIM模型輕量化展現(xiàn)、BIM模型空間劃分展現(xiàn)、室內(nèi)環(huán)境各項指數(shù)實時展現(xiàn)、舒適度評價實時展現(xiàn)等幾個主要界面。

2.3 舒適度評價功能設(shè)計

本系統(tǒng)主要參考了《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制標準》（GB50325—2020），以及《綠色建筑評價標準》（GB/T 50378—2019）對單項數(shù)據(jù)進行打分，以最簡單的氣溫為例：例如夏天室內(nèi)溫度在22～26℃為健康5分，26～29℃為一般3分，29～32℃為較不適宜1分，32℃以上為不適宜0分，其他各監(jiān)測項也如此進行評分。得分越高代表人體所處的室內(nèi)環(huán)境舒適度評價越高。

評價得分設(shè)計為以蛛網(wǎng)圖形式在運維管理系統(tǒng)中進行橫向比較。同時，也對室內(nèi)環(huán)境一系列監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合評分，根據(jù)得分從高到低使用四種顏色對三維模型空間進行渲染：綠色（健康）、黃色（一般）、橙色（較不適宜）、紅色（不適宜）；評價結(jié)果可通過在BIM模型空間劃分中點選建筑運維管理系統(tǒng)中某個區(qū)域進行查看。

3 某綠建樓案例介紹

以某綠色建筑示范樓項目為例，該項目總建筑面積約1.15萬m2，選取了代表性的國內(nèi)外最高綠色建筑認證標準作為參考指標來開發(fā)綠色建筑運維系統(tǒng)。該平臺開發(fā)過程中制定了標準算法模型，根據(jù)綠色建筑標準，設(shè)定不同建筑類型、氣候分區(qū)的評價指標，采集能耗數(shù)據(jù)后進行能耗評估，具體邏輯如圖2所示。

建筑智慧運維系統(tǒng)建立了能耗與系統(tǒng)、設(shè)備運行的關(guān)聯(lián)分析，根據(jù)能耗分項計量結(jié)果，主動發(fā)現(xiàn)能耗異常點，通過能效計算模型，優(yōu)化設(shè)備運行策略。對建筑內(nèi)溫濕度、顆粒物、甲醛、有害氣體濃度持續(xù)監(jiān)測，實時發(fā)布；室外環(huán)境參數(shù)與室內(nèi)環(huán)境參數(shù)對比；根據(jù)低碳環(huán)保目標及技術(shù)方案，對建筑內(nèi)指標進行計量、評估；根據(jù)綠建指標，優(yōu)化相關(guān)子系統(tǒng)設(shè)備的聯(lián)動策略。

系統(tǒng)中的建筑室內(nèi)環(huán)境管理頁面是定制化的環(huán)境管理與機電設(shè)備管理系統(tǒng)聯(lián)動模塊，當室內(nèi)PM2.5超出綠建標準限值（12μg/m3）時，主動推送告警并調(diào)整運行策略。主要的業(yè)務(wù)邏輯為：物聯(lián)網(wǎng)關(guān)收到的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到智慧建筑運維平臺，平臺觸發(fā)運行模式轉(zhuǎn)換機制：“室外空氣質(zhì)量優(yōu)于室內(nèi)，優(yōu)先采用新風(fēng)調(diào)節(jié)室內(nèi)換進；室外空氣質(zhì)量惡劣時，優(yōu)先采用室內(nèi)空氣內(nèi)循環(huán)”，并通過物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通知機電設(shè)備平臺進行空氣調(diào)節(jié)，邏輯圖如圖3所示，系統(tǒng)以此方式進行人體舒適度評價的優(yōu)化。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)運用了BIM模型結(jié)合建筑運維系統(tǒng)，解決了目前建筑運維中監(jiān)測數(shù)據(jù)無法做到真正可視化的痛點，將BIM模型可視化結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)在運維系統(tǒng)中可視化，做到了監(jiān)測設(shè)備與建筑（模型）的合二為一；通過最新的國家標準對室內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測以及打分，與以往類似系統(tǒng)相比較，監(jiān)測點位數(shù)量和位置更科學(xué)合理，監(jiān)測目的性更加明確，系統(tǒng)提升為以監(jiān)測整個空間為目的，結(jié)合以人體舒適度為根本的科學(xué)評價。評判打分不僅僅為單一的分值顯示，而以不同顏色作為三維室內(nèi)空間的背景進行標色評判結(jié)果，以蛛網(wǎng)圖對單一空間進行專業(yè)分析，輔助建筑運維人員更好的橫向和豎向分析。在室內(nèi)環(huán)境舒適度不理想的情況下采取相應(yīng)措施加以改善，產(chǎn)生人體舒適與建筑運維決策的聯(lián)動機制。但本系統(tǒng)仍存在一定不足，如在人體舒適度與能耗使用方面存在一定的矛盾，如何深入解決建筑能耗與人體舒適度的矛盾關(guān)系，將是今后發(fā)展綠色智能建筑的主要任務(wù)。