基于實際運行性能的綠色建筑案例研究

穆迪 瞿燕 李海峰

華東建筑設計研究院有限公司

綠色建筑是實現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的一個重要途徑，“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審查并達到綠色建筑設計要求的建筑規(guī)模達到2.33 億m2，全市獲得綠色建筑評價標識項目總數(shù)達到850 項。但獲得運營標識的項目相對較少，截至2020 年11 月，上海市獲得綠色建筑運行標識的項目共48 個，建筑面積合計580 萬m2。關(guān)注綠色建筑實際運行效果，合理對其進行評價，是綠色建筑發(fā)展中的一個重要環(huán)節(jié)[1-2]。本文以獲得綠色建筑三星級設計標識的滬上生態(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，獲取其運行現(xiàn)狀，積累項目經(jīng)驗，為優(yōu)化建筑實際運行性能提供建議。

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標識。建筑用地面積774 m2，2010 年建成時總建筑面積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 層起貫通整個建筑。中庭和各層辦公區(qū)域之間由下部1.1 m 高的防護玻璃和上部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)”作為評價指標。該時間段為疫情期間，建筑未運行，室內(nèi)無人員設備等熱源。參照《民用建筑熱工設計規(guī)范》GB50176-2016[3]中的圍護結(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 小時的測試時間內(nèi)，室外氣溫降溫幅度達到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)域各設置一個溫度測點，測點位于距地面高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，測試期間測點溫度降幅為5 ℃，氣溫衰減倍數(shù)為2.12。五層會議室外圍護結(jié)構(gòu)為玻璃，因此熱環(huán)境較差，測點溫度降幅為9.1 ℃，氣溫衰減倍數(shù)為1.16。

圖2 不同測點溫度分布

3 室內(nèi)熱環(huán)境測試

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

圖3 滬上生態(tài)家測點分布圖

我國現(xiàn)行規(guī)范《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012[4]對第3.0.2 條對舒適性空調(diào)房間的設計要求如表1 所示。參考上述規(guī)范，結(jié)合實際室內(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)設計參數(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 日期間工作時間段（工作日9:00-18:00）的數(shù)據(jù)進行夏季室內(nèi)熱環(huán)境分析，各測點的溫濕度分布如圖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)果進行統(tǒng)計（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%。從整體達標率來看，一層大空間僅51.5%，而其余三個樓層整體的達標率均在95%以上。

圖4 夏季溫濕度分布

表2 夏季測試溫濕度達標率

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，溫濕度整體達標率較低。

3.2 冬季熱環(huán)境測試結(jié)果

選取2019 年2 月14 日～3 月4 日期間工作時間段（工作日9:00-18:00）的數(shù)據(jù)進行冬季室內(nèi)熱環(huán)境分析，各測點的溫濕度分布如圖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)果進行統(tǒng)計（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%。可以看出，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標率較低，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 冬季測試溫濕度達標率

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 日期間工作時間段（工作日9:00-18:00）的數(shù)據(jù)進行過渡季室內(nèi)熱環(huán)境分析，各測點的溫濕度分布如圖6 所示。可以看出，過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)量標準》規(guī)定的日平均值小于1000 ppm 的標準[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PM2.5和PM10 濃度進行了測試，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。在建筑日常運行過程中，應針對新風機組中的空氣過濾模塊，做好定期的檢查，清潔維護以及過濾模塊更換等工作，保證新風系統(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，以正常運行一個完整自然年進行統(tǒng)計，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，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，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標率較低，二至四層大空間整體達標率在95%以上。冬季溫度達標率均在80%以上，而濕度達標率較低。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。原設計的空調(diào)箱均設置有變頻控制柜，對風機的頻率進行控制，空調(diào)箱上的風閥、水閥均可以進行電動調(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)域溫濕度達標率不均的問題。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)的負擔，后續(xù)研究中將關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)的運行能耗，以期對空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。