鄒芳睿 宋昆 陳鵬 郭丹丹 / ZOU Fangrui, SONG Kun, CHEN Peng, GUO Dandan

綠色建筑運營優(yōu)化方法研究
——以天津生態(tài)城某辦公樓為例

鄒芳睿 宋昆 陳鵬 郭丹丹 / ZOU Fangrui, SONG Kun, CHEN Peng, GUO Dandan

通過我國綠色建筑后評估發(fā)現(xiàn)的問題，對國內(nèi)外建筑運營優(yōu)化方法進行了調(diào)研，結(jié)合天津生態(tài)城某辦公樓項目案例，初步提出了包括設計復盤、物業(yè)管理體系、運行數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析、診斷與優(yōu)化的綠色建筑運營優(yōu)化方法。該方法有助于提升綠色建筑的運營效果，進而使綠色建筑實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能減排。

綠色建筑 運營優(yōu)化 后評估 模擬

綠色建筑是指在建筑的全生命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源（節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材）、保護環(huán)境和減少污染，與自然和諧共生的建筑。從2008年我國第一個綠色建筑項目開始實施截止到2014年2月，全國共有1 452個項目獲得綠色建筑認證，總建筑面積超過1億m2。為了考核綠色建筑的實際使用情況，住房和城鄉(xiāng)建設部（以下簡稱“住建部”）先后組織了兩次全國范圍內(nèi)的綠色建筑后評估工作。2012年，住建部組織了首次綠色建筑后評估工作，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的實施過程存在不足，綠色建筑技術措施存在不落實、減量落實的現(xiàn)象。2013年，住建部再次組織綠色建筑后評估工作，發(fā)現(xiàn)綠色建筑的硬件落實已提高很多，但綠色建筑的運營管理和實際效果方面還存在以下不足：（1）綠色建筑運營效果不明顯；（2）綠色技術和設備失效；（3）綠色建筑的運營管理缺乏針對性和系統(tǒng)性。

1　國內(nèi)外方法調(diào)研

為了探索綠色建筑運營優(yōu)化方法，筆者對國內(nèi)外相關研究成果進行了梳理和分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，建筑運營優(yōu)化方法主要集中在節(jié)能領域，相關方法包括建筑調(diào)適、調(diào)試、節(jié)能診斷、能源審計等。建筑調(diào)適源于歐美發(fā)達國家，屬于北美建筑行業(yè)成熟的管理和技術體系。其主要內(nèi)容為通過在設計、施工、驗收和運行維護階段的全過程監(jiān)督和管理，保證建筑能按照設計和用戶的要求，實現(xiàn)安全、高效的運行和控制，避免由于設計缺陷、施工質(zhì)量和設備運行問題，影響建筑的正常使用，甚至造成系統(tǒng)的重大故障（逄秀峰 等，2015）。建筑調(diào)適涉及設計、施工、運營等各個階段，我國施工階段開展的建筑調(diào)試工作屬于建筑調(diào)適的基本組成部分之一。2007年9月，薛志峰、江億編著的《既有建筑節(jié)能診斷與改造》一書出版；同年10月31日，住建部頒布《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能源審計導則》；2008年7月，住建部頒布《國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)建設技術導則》。從以上幾個文件發(fā)布的時間以及發(fā)布單位不難看出，其目的是為了推動我國大型公共建筑節(jié)能工作。能源審計成為國家推動此項工作的抓手，而節(jié)能診斷則作為能源審計的技術支撐。能源審計與建筑調(diào)適相比，在目的方面的本質(zhì)區(qū)別是，能源審計以降低能耗為最終目標，而調(diào)適則以提高能效和室內(nèi)舒適度，同時兼顧能耗為目的。兩個標準分別是由中國和美國提出的，從這兩個國家的能源使用情況、經(jīng)濟條件及產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況等不難看出二者的區(qū)別。

2　研究方法

依據(jù)綠色建筑的定義，綠色建筑運營優(yōu)化的評價指標不應僅僅局限于建筑能耗，而應該涵蓋能耗、水耗以及室內(nèi)外環(huán)境舒適度等指標。其次，綠色建筑的運營優(yōu)化不應局限于運營階段，而應以建筑全生命周期為出發(fā)點，開展運營工作的基礎是先對綠色建筑的設計、實施情況進行復盤，排查建設前期遺留的問題。最后，綠色建筑運營優(yōu)化在傳統(tǒng)物業(yè)服務的基礎上進行提升，制定科學合理的管理制度并嚴格落實；對運營效果進行監(jiān)測，采用總量控制原則，從時間、空間等角度進行同比、環(huán)比分析，排查問題，在保證舒適度的前提下挖掘節(jié)能、節(jié)水等潛力，實現(xiàn)運營效果的提升；分析運營優(yōu)化帶來的經(jīng)濟效益，在實現(xiàn)節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、節(jié)材與保護環(huán)境等目標的同時，使優(yōu)化工作更具有市場推廣價值。

3　應用

為了探究綠色建筑運行優(yōu)化方法的科學合理性，本文以天津生態(tài)城某辦公樓項目為案例對該方法進行了實際應用。

3.1設計、實施情況復盤

在項目設計階段，利用eQUEST軟件對建筑能耗進行了模擬，在竣工驗收階段，又對項目的相關用能設備、系統(tǒng)的性能參數(shù)進行核實，結(jié)果與設計時的模擬情況存在一定的差異（表1）。

表1　項目設計、實施單位面積能耗對比

圖1　綠色建筑物業(yè)管理體系（能源）

經(jīng)核實，造成表1所示差異的主要原因為實施工程增加了太陽能集熱器面積，使太陽能熱水系統(tǒng)保證率由設計值的60.6%提高到了86.6%，導致生活熱水部分用電量降低?？照{(diào)能耗增加的原因為項目設計之初為地源熱泵系統(tǒng)提供冷熱源，后期改為區(qū)域能源站提供冷熱源，其中地源熱泵制冷提供比例為19.34%，制熱比例為19.42%。

3.2物業(yè)管理與服務優(yōu)化

基于國內(nèi)外的綠色運營相關標準，對物業(yè)公司的管理制度、操作規(guī)程及運行記錄表單進行了系統(tǒng)的完善和優(yōu)化，并對物業(yè)公司操作人員進行了針對性的培訓，實現(xiàn)了物業(yè)公司由傳統(tǒng)運營模式到綠色運營模式的初步轉(zhuǎn)變（圖1）。

3.3建筑運行效果監(jiān)測與分析

采用比較分析法，對該項目建筑設計階段、建成后以及運行能耗進行比較分析，以正確判斷建筑的能耗水平，以及充分挖掘建筑的節(jié)能潛力（圖2）。

通過對該項目設計、驗收、運營3個階段的總能耗值與分項能耗值進行對比發(fā)現(xiàn)，該項目最具有節(jié)能潛力的是空調(diào)系統(tǒng)。從空調(diào)系統(tǒng)各分項能耗及比例分布可以看出，采暖能耗占比較大，是該項目節(jié)能潛力的重點（圖3）。

圖2　項目設計、實施及運行單位面積能耗對比

圖3　空調(diào)各分項能耗比例（單位：kWh/m2·a）

影響空調(diào)系統(tǒng)能耗的因素有兩個方面：一個是建筑冷熱耗，另一個是空調(diào)系統(tǒng)能效比。以建筑耗熱量為例，影響因素包括：（1）建筑總散熱量，主要包括采暖空間與室外換熱量、采暖空間與非采暖空間的換熱量；（2）建筑總得熱量，主要包括室內(nèi)得熱量和太陽輻射得熱量。散熱量減去室內(nèi)得熱量以及太陽輻射得熱量即為建筑總耗熱量。以建筑采暖期的空調(diào)能效比為例，其影響因素包括換熱站能效比和空調(diào)末端能效比，而換熱站能效比又包含供熱機組本身能效比以及系統(tǒng)的耗電輸熱比（圖4）。

圖4　建筑空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能潛力分析路線

圖5　測試期間室外逐時溫度

3.3.1建筑耗熱量分析

按照空調(diào)各分項能耗所占比例來看，采暖季建筑耗熱量節(jié)能潛力最大。因此，通過模擬建筑的理論耗熱量與實際耗熱量進行驗證：

（1）明確實際采暖空間建筑面積4 415m2，非采暖面積5 393m2。

（2）明確建筑圍護結(jié)構熱工性能參數(shù)（表2）。

（3）通過建筑小型氣象站，實時監(jiān)測室外溫度變化（圖5）。逐時記錄太陽能輻射強度數(shù)據(jù)，計算各朝向太陽能輻射強度數(shù)據(jù)（圖6）。

（4）對建筑進行走訪調(diào)研，記錄各使用區(qū)域的實際使用人數(shù)、設備及照明功率密度（表3）。

（5）對各區(qū)域室內(nèi)溫度進行實測，同時非采暖區(qū)域的溫度按照與采暖空間溫度差修正系數(shù)為0.7計算。根據(jù)上述分析進行模擬計算，得出建筑實際工況下的理論耗熱量，并與建筑實時供暖數(shù)據(jù)進行對比發(fā)現(xiàn)：測試期間理論耗熱量為2.38kWh/m2，實際耗熱量為2.97kWh/m2，兩者相差19.7%（圖7）。

圖6　各朝向測試器逐時太陽能輻射強度

3.3.2建筑風平衡分析

對建筑進行風平衡分析（薛志峰，江億，2007），對建筑內(nèi)各層新風換氣量、排風量進行統(tǒng)計計算。

首先，空調(diào)風系統(tǒng)包括新風機組和排風熱回收機組，其送排風量參數(shù)如表4所示。其次，機械通風系統(tǒng)包括衛(wèi)生間排風、電梯井排風，排風量參數(shù)如表5所示。再次，根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風壓性能分級及檢測》（GB/T7106-2008）中的要求，計算項目在壓差為10Pa時門窗縫隙滲透風量為2 103.69m3/h。

根據(jù)項目的實際運行情況，總結(jié)3種空調(diào)風系統(tǒng)運行工況下的室內(nèi)的風平衡情況。

工況一：非工作時間，新風機組不開啟的情況下，送排風量差為-7 296.31m3。

工況二：工作時間，新風機組開啟情況下，當室外溫度低于有效溫度2.13℃時，開啟排風熱回收機組，送排風量差為-5 796.31m3。

圖7　理論耗熱量與實際耗熱量對比

工況三：工作時間，新風機組開啟情況下，當室外溫度高于有效溫度2.13℃時，關閉排風熱回收機組，送排風量差為-1 296.31m3。

綜上所述，冬季采暖期，無論在何種運行工況下，室內(nèi)均存在負壓現(xiàn)象。

3.3.3系統(tǒng)能效比分析

（1）換熱站能效比

本項目冷熱源為能源站提供，故換熱站能效比部分主要分析系統(tǒng)耗電輸熱比。通過測試水泵在25Hz、30Hz、40Hz、50Hz等幾個工況下的運行情況，得到水泵效率（表6）。

根據(jù)空調(diào)水系統(tǒng)逐時的供回水溫度、流量監(jiān)測數(shù)據(jù)以及水泵的運行頻率，即可得到采暖季水系統(tǒng)的實際輸送能效比，計算結(jié)果如圖8所示。因此，可判定該項目空調(diào)系統(tǒng)實際輸送能效比低于標準值要求。

（2）空調(diào)末端能效比

表2　圍護結(jié)構熱工性能參數(shù)

該項目空調(diào)末端為風機盤管，根據(jù)《空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟運行》（GB/ T17981-2007）中對不同末端類型對應的空調(diào)末端能效比限值要求，計算得出本項目在兩種典型工況下的風盤系統(tǒng)限值：10℃溫差下，風盤系統(tǒng)限值為48。通過對本項目采暖季逐月風機盤管實際能效比與限值進行對比可知，空調(diào)末端能效比均低于限值要求（圖9）。

根據(jù)上述分析，總結(jié)得出以下結(jié)論：建筑實際耗熱量大于理論耗熱量近20%；建筑各種工況下風平衡計算結(jié)果均為室內(nèi)負壓；空調(diào)系統(tǒng)冷熱源及末端能效比均低于標準要求。

3.4運營優(yōu)化策略

結(jié)合能耗監(jiān)測、分析結(jié)果以及現(xiàn)場情況核實，對建筑實際耗熱量較大的原因進行診斷：

（1）外圍護結(jié)構、采暖與非采暖空間等部分區(qū)域存在保溫封堵不嚴密，保溫性能降低的現(xiàn)象。

（2）由于室內(nèi)連續(xù)負壓現(xiàn)象造成的冷風滲透程度加大。

（3）中庭、邊庭等高大空間在冬季形成煙囪效應，導致建筑內(nèi)部熱量散失較大。通過對室內(nèi)進行氣流組織模擬，對此診斷進行驗證：根據(jù)中庭內(nèi)部流場分布圖（圖10、11），可以看出中庭垂直方向氣流有明顯向上流動的趨勢，中庭兩側(cè)門廳主入口以及頂部采光頂風速明顯變大。

表3　室內(nèi)人員、設備、照明統(tǒng)計

表4　空調(diào)系統(tǒng)設備風量統(tǒng)計

表5　機械通風系統(tǒng)設備風量統(tǒng)計

表6　不同頻率下的水泵效率

結(jié)合測試、分析結(jié)果，對空調(diào)系統(tǒng)能效比偏低的原因進行診斷：

（1）建筑采暖區(qū)域僅占45%左右，空調(diào)系統(tǒng)處于部分負荷運行狀態(tài)，水泵無法實現(xiàn)最佳工況點運行。

（2）由于使用率低，導致空調(diào)系統(tǒng)存在“大流量、小溫差”問題，末端出風口溫度偏低。

（3）由于辦公空間與中庭、邊庭之間僅為玻璃隔斷，傳熱量較大，室內(nèi)溫度偏低，從而導致空調(diào)末端效率低于標準值。

根據(jù)上述分析結(jié)論，提出建筑空調(diào)系統(tǒng)的運營優(yōu)化策略：

（1）冬季大廳蓄熱措施。首先，對于中庭頂部高側(cè)窗縫隙進行密封處理，并對窗戶進行保溫處理。同時，對大廳首層主入口平開門進行封閉，改為開啟旋轉(zhuǎn)門，防止冷風滲透。由于冬季大廳無論采用地板輻射采暖還是風機盤管送熱風采暖，均會形成熱氣流上升的情況，因此對中庭頂部與底部進行冷風滲透封堵是解決中庭煙囪效應與采暖熱損失的重點。其次，在做好中庭頂部與底部冷風滲透封堵的基礎上，風機盤管與地板輻射采暖均可按使用要求開啟。最后，將位于中庭一層頂部送風機盤管的送風角度調(diào)整為斜向下30°吹風，在中庭密閉性能好的情況下，基本可形成中庭氣流組織的上下分層。

（2）室內(nèi)風平衡措施。根據(jù)室內(nèi)實際人員數(shù)量，重新核算新風需求量，在滿足舒適度的情況下實現(xiàn)最大限度的節(jié)能；根據(jù)室外溫度變化以及室內(nèi)使用情況變化，靈活切換3種空調(diào)風系統(tǒng)的運行工況；衛(wèi)生間排風以及電梯間排風按照需求定時開啟，減少排風機連續(xù)開啟造成的室內(nèi)負壓。

（3）提高空調(diào)系統(tǒng)能效措施?？照{(diào)系統(tǒng)采暖季供回水溫差通常為10℃，當溫差小于10℃時，降低水泵頻率，減少供水流量。采取溫差控制策略后，可在現(xiàn)有基礎上節(jié)約78%的能耗，并且可以有效解決水系統(tǒng)“大流量、小溫差”的問題。針對空調(diào)末端，在室內(nèi)溫度滿足舒適度的情況下，降低風機盤管的設定溫度以及風速，可有效提高空調(diào)末端的能效比。

3.5經(jīng)濟效益分析

為了考察綠色建筑運營管理所帶來的經(jīng)濟效益，對該項目開展綠色建筑運營管理工作一年以來的投入成本進行了初步測算（表7）。在綠色建筑的全生命周期成本中，建設費僅占15%，而其余85%的費用基本都是在運營階段產(chǎn)生的。綠色建筑的運行成本大致為以下7類：設施維護費、設施更新費、設施運行消耗、養(yǎng)護費、清潔費、垃圾分類收集與處理費、檢測費（王占友，2012）。針對本項目而言，由于投入運行僅一年，設備均在維保期內(nèi)，暫未產(chǎn)生設施維護、更新費用。

圖8　采暖季空調(diào)水系統(tǒng)輸送能效比

圖9　采暖季空調(diào)末端能效比

圖10　橫截面Z=4m時的流場分布

圖11　縱截面X=16m時的流場分布

表7　綠色建筑運營管理投入增量成本測算

同時，對綠色建筑運營管理帶來的節(jié)能減排效益進行了測算。經(jīng)能耗監(jiān)測系統(tǒng)統(tǒng)計，本項目建筑年總能耗38.85 kWh/（m2·a），與天津生態(tài)城辦公建筑能耗基準線110 kWh/（m2·a）相比，該項目每年節(jié)省的運行資源消耗費用為33.2萬元。

項目僅一年內(nèi)在資源節(jié)約方面即可帶來35萬元的經(jīng)濟效益。可見，通過綠色建筑運營管理帶來的經(jīng)濟效益顯著。同時，從綠色建筑全生命周期角度看，良好的運營管理可以有效地提升設備設施的使用壽命，降低維修更換的頻率，經(jīng)濟效益更為可觀。

4　結(jié)論

本文以綠色建筑后評估工作中發(fā)現(xiàn)的問題為切入點，通過對國內(nèi)外建筑運營優(yōu)化方法進行調(diào)研分析，結(jié)合綠色建筑可持續(xù)發(fā)展的本質(zhì)，初步得出了綠色建筑運營優(yōu)化的方法，并通過實際項目對該方法進行了驗證，得出結(jié)論如下：

（1）綠色建筑運營優(yōu)化方法應包含物業(yè)管理、運行數(shù)據(jù)分析、診斷、運行優(yōu)化策略，以及經(jīng)濟效益分析等。

（2）運行數(shù)據(jù)分析是運行診斷以及得出優(yōu)化策略的重要抓手，計量與監(jiān)測系統(tǒng)則是運行數(shù)據(jù)分析的必要條件。數(shù)據(jù)分析采用總量控制的原則，從時間、空間角度進行同比、環(huán)比分析，找出節(jié)能潛力靶，進行深入診斷。

（3）模擬是驗證診斷結(jié)論的有效手段。在診斷結(jié)論的基礎上，提出建筑運行解決方案。考慮到硬件改造帶來的增量投入等，通常采用“低成本”的運行優(yōu)化策略。

（4）為了衡量運行優(yōu)化后的效果，需要對運營優(yōu)化效果即優(yōu)化后帶來的經(jīng)濟效益，進行后評價。

筆者將在下一步的研究中把運行優(yōu)化方法拓展到建筑水資源、材料資源應用與室內(nèi)環(huán)境舒適性領域，以期全方位提升綠色建筑節(jié)能減排效益，實現(xiàn)人與環(huán)境和諧共生。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.GB/T 50378-2014綠色建筑評價標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[2] 逄秀峰，劉珊，曹勇，等.建筑設備與系統(tǒng)調(diào)適[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T17981-2007空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)濟運行[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 薛志峰，江億.既有建筑節(jié)能診斷與改造[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[5] 王占友.運營管理對建筑節(jié)能的貢獻[J].智能建筑，2012（1）.

中國科學技術協(xié)會學會改革創(chuàng)新項目：綠色建筑實施效果評估（編號：2015GGCX002）；住房和城鄉(xiāng)建設部2015年科學技術項目計劃：辦公類綠色建筑性能評價方法及實例研究（編號：2015-R1-014）。

鄒芳睿，天津大學建筑學院，天津生態(tài)城綠色建筑研究院有限公司

宋昆，天津大學建筑學院

陳鵬，中元國際（上海）工程設計研究院有限公司

郭丹丹，中國城市科學研究會綠色建筑研究中心

2015-12-07

OPTIMIZATION METHODS OF GREEN BUILDING OPERATION: A CASE STUDY OF AN OFFICE BUILDING IN TIANJIN ECO-CITY

Through problems found in green building post occupancy evaluation, this paper investigates optimization methods of green building operation at home and abroad. With an office building in Tianjin Eco-city as an example, this paper proposes optimization methods of green building operation, including design replay, property management system, running data monitoring and analytic, diagnose and optimization. The approach can help increase operation effect of green building, and thus make green buildings to achieve energy conservation and emission reduction indeed.

Green Building, Optimization Operation, Post Occupancy Evaluation, Simulation