程世丹 喻斯文 尹衛(wèi)民 / CHENG Shidan, YU Siwen, YIN Weimin

1 引言

綠色建筑作為應(yīng)對環(huán)境問題、資源問題和社會問題的一種策略已受到廣泛認(rèn)同。其核心理念是在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人類提供健康、宜居的生存空間。為了推動綠色建筑的實(shí)踐，很多國家創(chuàng)建了自己的綠色建筑評估體系，其中有影響的包括美國綠色建筑評估體系LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）、英國綠色建筑評估體系BREEAM（Building Research Establishment Environmental Assessment Method）、日本建筑物綜合環(huán)境性能評價體系CASBEE（Comprehensive Assessment System for Building Enviromental Efficiency）、法國綠色建筑評估體系HQE（High Environmental Quality）。此外，還有德國生態(tài)建筑導(dǎo)則LNB、澳大利亞的建筑環(huán)境評價體系NABERS（National Australian Built Environment Rating System）、加拿大綠色建筑評價工具（Green Building Tools，簡稱GB Tools）（Green Building Council of Australia，2003）。隨著綠色建筑評估體系的推廣，越來越多的建筑參照相關(guān)的綠色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、建造與使用，大量建筑已獲得了綠色設(shè)計認(rèn)證。然而，這些建筑在投入使用后是否都可以達(dá)到人們所期望的績效還有待使用后評價（Post Occupancy Evaluation，簡稱POE）（Newsham et al，2009）。近年來，發(fā)達(dá)國家對綠色建筑的POE研究日益增多。研究總體顯示，較一般建筑而言，獲得認(rèn)證的建筑所消耗的水資源和能源更少，排放的CO2也較少（GSA public buildings service，2011）。但同時，研究也發(fā)現(xiàn)了認(rèn)證建筑的一些問題，例如許多竣工建筑的節(jié)能績效與基于模擬的設(shè)計預(yù)期有較大偏差，一些用于節(jié)能的技術(shù)措施沒有達(dá)到預(yù)期的效果（Birt et al，2009）。

我國于2006年開始發(fā)布實(shí)施《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，在綠色建筑實(shí)踐方面尚處于發(fā)展的初期，雖有少數(shù)建筑按照《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行建設(shè)，但對其實(shí)際運(yùn)行的評估研究還十分欠缺。另外，由于我國幅員遼闊，《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》在不同氣候條件下是否能夠獲得相同的績效預(yù)期，需要通過使用后評估加以分析和判定。本文以武漢“市民之家”的POE評估為例，試圖分析和探尋適應(yīng)該地區(qū)的綠色技術(shù)?！笆忻裰摇笔俏錆h市為數(shù)不多的按照綠色建筑三星級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的大型公共建筑，目標(biāo)是將其建成為“湖北地域性綠色建筑示范項(xiàng)目”、“政府低碳窗口”和“武漢市標(biāo)志性景觀”，因而其實(shí)際運(yùn)行效能具有很強(qiáng)的標(biāo)桿作用。

由于《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》的6大指標(biāo)中節(jié)能指標(biāo)是較易度量的部分，且能耗問題是各種綠色建筑評估體系的關(guān)鍵內(nèi)容，所以通過對其節(jié)能指標(biāo)的評估可以對綠色績效做出基本的判斷。而且，大型公共建筑的用電量通常為住宅建筑用電量的10倍以上（不包括供暖）（江億，2005），尤其具有驗(yàn)證評估價值，因此本文的重點(diǎn)是評估大型公共建筑的節(jié)能績效。在核查建筑節(jié)能相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)研獲取建筑實(shí)際運(yùn)行中的能耗，再通過與同地區(qū)同類公共建筑的能耗比較，驗(yàn)證設(shè)計時的預(yù)期節(jié)能績效，分析建筑節(jié)能設(shè)計的得失。

2 建筑節(jié)能技術(shù)核查

2.1 項(xiàng)目背景

“市民之家”是武漢市政府為企業(yè)、市民和其他組織提供“一站式”服務(wù)的場所，主要功能包括行政服務(wù)辦公和城市規(guī)劃展示，總用地面積9.92hm2，總建筑面積12.34萬m2。項(xiàng)目由武漢地產(chǎn)開發(fā)投資集團(tuán)有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)，選址位于武漢市江岸區(qū)三金潭立交西南側(cè)，北臨三環(huán)、東靠武漢大道。通過組織國際設(shè)計競標(biāo)，法國夏邦杰建筑設(shè)計咨詢有限公司的方案中標(biāo)，采取四面圍合中庭的布局方式，實(shí)施方案按照“綠色三星”標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。為此，建設(shè)方邀請綠色設(shè)計顧問參與實(shí)施方案設(shè)計的全過程，并確定了6大技術(shù)體系、22項(xiàng)綠色生態(tài)技術(shù)。項(xiàng)目于2010年7月開工建設(shè)，2012年9月投入使用（錢斌，2012）。

2.2 節(jié)能技術(shù)核查

通過現(xiàn)場調(diào)研和查閱設(shè)計文件及相關(guān)文獻(xiàn)，可以核查武漢“市民之家”所采取的節(jié)能技術(shù)及設(shè)計策略，了解其預(yù)期的節(jié)能績效，其節(jié)能技術(shù)包括主動式節(jié)能技術(shù)、被動式節(jié)能技術(shù)和可再生能源技術(shù)3種類型（表1）。

3 能耗調(diào)研

根據(jù)物業(yè)管理部門提供的“市民之家”用電量數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2013年5月至2014年4月一年共耗電913.55萬kWh，耗天然氣（制熱）17.42萬m3。全年耗電季候性變化顯著，其中7、8、9、10月這4個月的耗電量相對比較多；1、6、12月次之；2、3、4、5、11月最少（圖1）。圖表特征與武漢地區(qū)的用電規(guī)律一致，夏季炎熱，為了維持舒適的室內(nèi)熱環(huán)境，空調(diào)制冷消耗了大量能量；冬季寒冷，需要通過人工制熱來營造舒適的室內(nèi)環(huán)境，但消耗的電量較夏季少（部分熱量由天然氣制熱提供），比春秋季多。

表1 武漢“市民之家”節(jié)能技術(shù)使用情況及預(yù)期效益分析（余鴻高，2014）

總體上，“市民之家”的能源利用包括電能和天然氣兩種形式，為了便于計算建筑總能耗，需要采取統(tǒng)一的計量單位，本文依據(jù)《民用建筑能耗統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)》中的能耗計算方法，采取標(biāo)準(zhǔn)煤為單位，1kWh的電相當(dāng)于0.1229kgce，1m3天然氣相當(dāng)于1.2143kgce（張延方，2013）。“市民之家”全年每平方米耗電74.10kWh，統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)煤為9.11kgce/（m2·a）；全年每平方米耗天然氣1.41m3，統(tǒng)一換算成標(biāo)準(zhǔn)煤為1.71kgce/（m2·a），兩項(xiàng)之和為“市民之家”的單位面積總能耗，為10.82kgce/（m2·a）。

為評估“市民之家”的能耗，將其單位面積能耗與武漢市類似政府辦公建筑進(jìn)行比較（表2），所選擇的參照建筑分為兩類，一是采取《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》建設(shè)的建筑，簡稱“綠色建筑”，二是未采取《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》建設(shè)的建筑，簡稱“非綠色建筑”。從表中可以看出，“市民之家”全年單位面積能耗不僅高于綠色建筑——“武漢建設(shè)大廈”的能耗值8.23kgce/（m2·a），也高于非綠色建筑的能耗平均值8.86kgce/（m2·a），僅比漢陽區(qū)地方稅務(wù)局的單位面積能耗低。

圖1 “市民之家”每月耗電量（根據(jù)物業(yè)管理部門提供的數(shù)據(jù)自繪）

4 能耗分析與驗(yàn)證

4.1 能耗分析

“市民之家”的能耗主要由照明耗電、設(shè)備耗電、空調(diào)制冷耗電、冷卻塔耗電、地源熱泵耗電、風(fēng)機(jī)耗電等組成。其中照明耗電占總用電量的25%；設(shè)備耗電占20%；制冷耗電占29%；冷卻塔耗電占5%；地源熱泵耗電占5%；風(fēng)機(jī)耗電占16%。

在相同情況下，“市民之家”選擇的節(jié)能型的照明設(shè)施、采暖設(shè)施和制冷設(shè)施在能耗上應(yīng)該低于非節(jié)能型的其他同類設(shè)施，其能耗高于類似辦公建筑，可能是由于被動式設(shè)計不當(dāng)所致。基于常識的判斷，在“市民之家”選用的被動式設(shè)計中，遮陽系統(tǒng)在夏季可以減少室內(nèi)的熱輻射，屋頂綠化能降低屋面溫度，自然通風(fēng)有助于散熱，外墻保溫隔熱構(gòu)造的增強(qiáng)利于降低空調(diào)負(fù)荷，自然采光設(shè)計可以減少人工照明的能耗，這些被動式設(shè)計應(yīng)該有助于降低建筑的總能耗。然而，“市民之家”有兩個明顯不同于類似辦公建筑的設(shè)計，一是外立面運(yùn)用了大面積的玻璃幕墻；二是設(shè)置了一個巨大中庭，兩者均可能對建筑能耗產(chǎn)生顯著影響。

根據(jù)設(shè)計圖紙計算，建筑東面的窗墻比為0.25，南面為0.40，西面為0.45，北面為0.40。建筑西立面的窗墻比最大，雖然小于《公共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的“建筑每個朝向的窗（包括透明幕墻）墻面積比均不應(yīng)大于0.70”的要求，但是，與非透明的外墻相比，透明幕墻的熱工性能相對較差，且“市民之家”1～2層采用的是玻璃幕墻，中庭南面是通高幕墻，盡管使用了中空Low-E玻璃，這些區(qū)域的得熱或失熱仍會較之非透明外墻增加，相應(yīng)的空調(diào)能耗也會增多。另一個可能產(chǎn)生較大能耗的因素是建筑中庭的規(guī)模過大，其面積達(dá)5 800m2，占建筑基地面積的29.2%，且室內(nèi)地面離中庭天窗最低處約28m，要維持這個巨大空間的舒適環(huán)境無疑需要大量的空調(diào)能耗。

4.2 熱工實(shí)測

為了驗(yàn)證“市民之家”能耗偏高的上述預(yù)判原因，分別對玻璃幕墻和中庭進(jìn)行熱工實(shí)測，驗(yàn)證過程針對性地選擇了建筑的不同位置。

4.2.1 玻璃幕墻熱工實(shí)測

（1）測點(diǎn)選擇

選擇“市民之家”建筑西側(cè)的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為實(shí)測對象，具體選取建筑室外測點(diǎn)A、3層建筑實(shí)墻處測點(diǎn)B、1層玻璃幕墻處測點(diǎn)C作為對比和研究的對象（圖2），選取測點(diǎn)時盡量避免周圍環(huán)境和人流對測點(diǎn)造成影響。

表2 武漢市大型公建能耗數(shù)據(jù)（張延方，2013）

圖2 玻璃幕墻處測點(diǎn)布置

表3 A、B、C測點(diǎn)熱工測量數(shù)據(jù)分析

（2）測試條件和測試時間

室外空氣溫度測點(diǎn)A置于建筑外的空曠地段，離地1.5m高的百葉箱內(nèi)；B、C兩處表面溫度測點(diǎn)分別布置在外墻有代表性的部位上。測試時間方面，因夏季和冬季為武漢市最熱和最冷的季節(jié)，產(chǎn)生的熱交換最多，導(dǎo)致空調(diào)設(shè)備消耗的能源最多，故選擇夏季最熱時段中的兩周和冬季最冷時段中的兩周作為測試時間。夏季選取時間為2014年8月10～23日；冬季選取時間為2014年1月6～19日。測試記錄方面，采用可供電腦進(jìn)行處理的自動采集數(shù)據(jù)儀器逐時記錄，時間間隔為10min。

（3）判定方法

玻璃幕墻導(dǎo)致能耗偏高可通過其保溫隔熱性能來判定。

保溫性能判定方法為——在室內(nèi)溫度高于室外溫度時，若θit＞θid，則判定該建筑的保溫性能符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的要求（GB 50176-93，1994），反之不符合；隔熱性能判定方法為——西向外墻：△t=θimax－ti≤ 3.0℃（韋延年，2009）。

其中：te為室外空氣平均溫度；ti為室內(nèi)空氣平均溫度，一般控制在夏季26℃、冬季18℃，但具體情況按實(shí)測值計算；θit為現(xiàn)場檢測的外墻內(nèi)表面溫度的平均值；θid為現(xiàn)場檢測的室內(nèi)外空氣平均溫度，θid=（te+ti）/2；θimax為外圍護(hù)結(jié)構(gòu)在夏季熱作用下，室內(nèi)氣溫相對穩(wěn)定時的內(nèi)表面最高溫度；△t為θimax與ti的差值。

（4）測試數(shù)據(jù)整理及結(jié)論

由冬季數(shù)據(jù)整理分析可知，室內(nèi)溫度大于室外溫度時，B、C兩處測點(diǎn)θit＞θid（表3），表明該建筑外墻的保溫性能滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計要求。因玻璃幕墻的傳熱系數(shù)比普通外墻大，因而C測點(diǎn)處玻璃幕墻溫度略低于B測點(diǎn)處。

圖3 中庭處測點(diǎn)布置

而在夏季，實(shí)測過程中無法將室內(nèi)溫度控制在某一個固定值，因此各測點(diǎn)室內(nèi)平均溫度ti取實(shí)測平均值。表中數(shù)據(jù)顯示：B測點(diǎn)△t小于3℃，滿足隔熱要求；C測點(diǎn)△t大于3℃，不滿足隔熱要求。西向玻璃幕墻由于西曬，熱輻射強(qiáng)烈，因而只能通過消耗更多的空調(diào)能耗來滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求。

4.2.2 中庭空間熱工實(shí)測

（1）測點(diǎn)選擇

實(shí)測在中庭的3個不同高度處分別布置D、E、F測點(diǎn)，同時記錄數(shù)據(jù)，其中D測點(diǎn)高1.5m，處于主要的人流活動區(qū)，選擇測點(diǎn)時盡量避免受到人流的影響；E測點(diǎn)高7.5m，處在空調(diào)排風(fēng)口附近；F測點(diǎn)高25.5m，接近中庭頂部（圖3）。

（2）測試條件和測試時間

在夏季最熱時段和冬季最冷時段分別選取兩周作為測試時間，對D、E、F這3個室內(nèi)測點(diǎn)進(jìn)行熱工測量。同時對室外測點(diǎn)A進(jìn)行測量，作為對比研究。測試時間和測試記錄方法同幕墻實(shí)測。

（3）判定方法

開啟空調(diào)，待中庭空間溫度穩(wěn)定后，比較不同高度測點(diǎn)的溫度值，檢測是否有溫度差異。

（4）測試數(shù)據(jù)整理及結(jié)論

選取冬季代表日2014年1月12日的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。對于D、E、F測點(diǎn)只需要分析其溫度值的差異，所以用D、E、F測點(diǎn)的數(shù)據(jù)為例說明中庭不同高度處溫度變化的情況?！笆忻裰摇敝型タ照{(diào)開啟的時間為早上9點(diǎn)，關(guān)閉的時間為下午5點(diǎn)。利用儀器對不同時間點(diǎn)的不同測點(diǎn)進(jìn)行測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理得到圖4。

由實(shí)測可知，空調(diào)開啟后，各測點(diǎn)溫度開始上升，經(jīng)過約3h，各測點(diǎn)的溫度進(jìn)入相對穩(wěn)定階段，直至下午5時以后開始下降。在大部分時段，E測點(diǎn)溫度為18.2℃，D測點(diǎn)為14.4℃，F(xiàn)測點(diǎn)為16.1℃。對照冬季采暖室內(nèi)舒適溫度16～24℃的標(biāo)準(zhǔn)值，僅E、F測點(diǎn)滿足要求。處于2層的E測點(diǎn)接近空調(diào)排風(fēng)口的高度，溫度始終最高。由于熱空氣向上流動，接近頂部的F測點(diǎn)溫度由開始的最低變?yōu)榉€(wěn)定階段的次低，而有大量人流活動的下層空間D測點(diǎn)在大部分時段溫度最低，且始終未能達(dá)到室內(nèi)舒適溫度要求。也就是說，由于中庭規(guī)模過大，為使主要人流活動使用空間溫度接近室內(nèi)舒適溫度，中庭的大量空調(diào)能耗將損失在中上層空間，造成浪費(fèi)。

圖4 冬季代表日中庭各測點(diǎn)實(shí)測溫度變化

5 結(jié)語

本文運(yùn)用調(diào)研核查、能耗計算分析和實(shí)測驗(yàn)證的方法對武漢“市民之家”的能效性能進(jìn)行了使用后評估研究。核查顯示“市民之家”運(yùn)用了22項(xiàng)生態(tài)技術(shù)，其中12項(xiàng)與節(jié)能有關(guān)，包括自然通風(fēng)、自然采光和遮陽系統(tǒng)等低成本被動式技術(shù)。

然而，研究發(fā)現(xiàn)“市民之家”全年單位面積能耗卻高于同類型的其他建筑。其中的原因是多方面的，例如，運(yùn)營管理不到位，作為比較對象的同類建筑的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性可能有所不足。但是，調(diào)研分析和熱工實(shí)測表明，西向玻璃幕墻面積偏大和中庭規(guī)模過大是導(dǎo)致空調(diào)能耗顯著增加，建筑整體能耗偏高的兩個重要因素。

研究可以獲得以下啟示：

（1）綠色建筑的關(guān)鍵并不是綠色技術(shù)運(yùn)用的數(shù)量，而在于采取適宜的技術(shù)與設(shè)計組合所能產(chǎn)生的整體綠色績效。就節(jié)能而言，某些建筑形式與空間的設(shè)計可能產(chǎn)生很高的能耗，抵消了其他節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果，導(dǎo)致建筑的整體節(jié)能性下降。因此，在很大程度上，合適的建筑形式與空間構(gòu)成是綠色建筑的基礎(chǔ)。

（2）武漢地區(qū)夏熱冬冷，夏季西曬時間長，建筑外立面設(shè)計應(yīng)盡可能避免使用大面積的玻璃幕墻，尤其在建筑的西立面。否則，透明幕墻會增加進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射，大幅增加空調(diào)負(fù)荷。

（3）利用中庭的設(shè)計可以較好地組織自然采光和自然通風(fēng)，但考慮到中庭制冷和供暖所需的能耗，中庭空間不宜過大。

[1] 江億.我國建筑耗能狀況及有效的節(jié)能途徑[J].暖通空調(diào)，2005（5）.

[2] 錢斌.綠色建筑實(shí)踐模式及技術(shù)策略探討——以武漢市民之家工程為例[J].建筑節(jié)能，2012（4）.

[3] 余鴻高.“武漢市民之家”綠色節(jié)能建筑設(shè)計實(shí)踐[J].武漢勘查設(shè)計，2014（1）.

[4] 張延方.武漢市綠色公共建筑項(xiàng)目后評估研究——以已獲綠色建筑標(biāo)識的項(xiàng)目為例[D].武漢：華中科技大學(xué)，2013.

[5] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50176-93民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版，1994.

[6] 韋延年.節(jié)能建筑外墻與屋面的熱工性能便捷檢測判定方法[J].四川建筑科學(xué)研究，2009（10）.

[7] 林波榮，田軍，劉加根，等.被動優(yōu)先——華僑城體育文化中心綠色技術(shù)集成及運(yùn)行效果后評估[J].生態(tài)城市與綠色建筑，2011（3）.

[8] Green Building Council of Australia.The next generation Australia' s green rating tool top in world ranking [J].Refocus, 2003(5).

[9] Newsham, Guy R.(National Research Council Canada - Institute for Research in Construction, Ottawa, Canada); Mancini, Sandra;Birt, Benjamin J.Do LEED-certified buildings save energy? Yes, but[J].Energy and Buildings, 2009(8).

[10] GSA public buildings service.Green building performance：A Post occupancy evaluation of 22 GSA Green buildings[M], 2011.

[11] Birt, Benjamin J., Newsham, Guy R.Post-occupancy evaluation of energy and indoor environment quality in green buildings: a review.3rd International Conference on Smart and Sustainable Built Environments, Delft, the Netherlands, 2009(6).