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(xué)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(shè)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(shè)計標識項目最終可以取得運營標識，而這種趨勢造成的結(jié)果可能是更多的項目追求綠色節(jié)能技術(shù)的盲目堆砌，讓綠色建筑目標僅停留到設(shè)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(nèi)相關(guān)學(xué)者汪磊磊認為，造成這種現(xiàn)象的原因一方面是設(shè)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(shè)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(guān)注設(shè)計參評所涉及的相關(guān)條文，導(dǎo)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(shù)的選擇及落實。類似的問題不僅出現(xiàn)在國內(nèi)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(shè)計標準的節(jié)能效果，造成這樣結(jié)果的原因是由于過分關(guān)注設(shè)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(yīng)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(gòu)成、權(quán)重、最優(yōu)模式和工況等，正式突破這一問題的關(guān)鍵。

本文旨在總結(jié)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(guān)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(quán)重大小，并進行排序，找到高權(quán)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(dǎo)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(shè)置，包括模擬建筑的尺寸模型、氣象參數(shù)、圍護結(jié)構(gòu)被動式設(shè)計、相關(guān)空調(diào)、照明、設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成、大樓人員的行為模式等；此次設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)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(diào)、照明、設(shè)備系統(tǒng)是通過竣工圖紙及現(xiàn)場實際調(diào)研得到，表2是主要耗能設(shè)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(guān)于大樓人員行為模式的調(diào)查，主要針對人員作息時間、開關(guān)設(shè)備時間、設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)信息 W/(m·k)

表2 模擬建筑耗能設(shè)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(dǎo)致建筑初設(shè)模型模擬出來的能耗結(jié)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(shè)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(yīng)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(jié)合共同組成，形成統(tǒng)一的項目法人組織，常設(shè)機構(gòu)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(wù)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(diào)機制，這是村際坑塘建設(shè)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(yīng)的推薦指標：對于使用逐月的數(shù)據(jù)CV(RMSE)指標應(yīng)在±15 %的范圍之間。通過大樓能管系統(tǒng)調(diào)出2018～2019以年為周期的能耗數(shù)據(jù)，與Energy Plus模擬結(jié)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(jié)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(yīng)大樓運營階段能耗，現(xiàn)對各項已有的綠建技術(shù)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(nèi)的極差值得到能耗權(quán)重，為建筑運維和調(diào)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(gòu)件(圍護結(jié)構(gòu))和用能設(shè)備基礎(chǔ)信息均不發(fā)生變化，僅僅對能進行調(diào)試維護的因素在可調(diào)范圍內(nèi)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(diào)系統(tǒng)能耗因素、電氣設(shè)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(jié)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(jié)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(shè)計有綠化屋頂?shù)慕ㄖ淖內(nèi)~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(nèi)遮陽開啟后對室內(nèi)溫度改變量較少，但卻極大地影響室內(nèi)照明，應(yīng)在產(chǎn)生眩光前，適當關(guān)閉內(nèi)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(shè)置表示如表5。

表5 Energy Plus模擬結(jié)果

2.2 因素權(quán)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(quán)重分析。利用極差和標準值的關(guān)系，求得各因素的比例權(quán)重，表示變量于能耗之間的關(guān)系程度的強度，因素權(quán)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(yīng)重視該因素。運營階段能耗因素權(quán)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(quán)重值的大小進行排序，計算結(jié)果見圖2。

圖2 權(quán)重排序結(jié)果

經(jīng)計算，得到在實際情況下不同因素所占權(quán)重有較大差別，按權(quán)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(fēng)>門窗氣密性>內(nèi)遮陽控制>照明與采光控制>空調(diào)末端控制>房間溫度設(shè)置>人體舒適度>風(fēng)機與自然通風(fēng)>空調(diào)分區(qū)設(shè)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(fēng)熱回收系統(tǒng)>屋頂綠植維護>冷卻塔空氣通暢>風(fēng)機維護>冷卻塔布水均勻>電氣設(shè)備維護。

從權(quán)重分析結(jié)果來說，人員的行為節(jié)能占有較大比重，如自然通風(fēng)、房間空調(diào)溫度設(shè)置、照明與采光控制等權(quán)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(yīng)對辦公人員的行為節(jié)能進行定期培訓(xùn)，如根據(jù)模擬結(jié)果，在滿足300 lx標準照度下，建議近窗側(cè)辦公人員關(guān)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(yīng)重視對高權(quán)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(yīng)以日為周期對空調(diào)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(shè)備、室內(nèi)風(fēng)機、屋頂綠化等的權(quán)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(shè)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(fù)此步驟直至最終合并為一項。現(xiàn)設(shè)定聚類數(shù)為4類，在重新調(diào)整的距離集結(jié)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(quán)重大小分成了ABCD四類，其中A類權(quán)重值極低，B類中等偏低，C類較高，D類權(quán)重值極高。最后依據(jù)聚類結(jié)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(chǔ)，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(jié)論

本文從實際角度出發(fā)，在國內(nèi)外建筑運營階段研究的基礎(chǔ)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(jié)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(diào)適范圍內(nèi)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(nèi)遮陽開啟后對室內(nèi)溫度改變量較少，但卻極大的影響室內(nèi)照明，應(yīng)在產(chǎn)生眩光前，適當關(guān)閉內(nèi)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(quán)重排序，根據(jù)不同的權(quán)重大小對大樓有序化管理，對高權(quán)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(diào)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(fēng)及開關(guān)設(shè)備等應(yīng)做好節(jié)能培訓(xùn)，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(quán)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。