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(guò)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目有57個(gè)，總建筑面積694×104m2，僅有極少數(shù)項(xiàng)目取得運(yùn)營(yíng)標(biāo)識(shí)。而從全國(guó)的綠色建筑發(fā)展過(guò)程來(lái)看，只有7 %的綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)項(xiàng)目最終可以取得運(yùn)營(yíng)標(biāo)識(shí)，而這種趨勢(shì)造成的結(jié)果可能是更多的項(xiàng)目追求綠色節(jié)能技術(shù)的盲目堆砌，讓綠色建筑目標(biāo)僅停留到設(shè)計(jì)階段而不真正落實(shí)到建筑實(shí)際運(yùn)營(yíng)中，這樣就與綠色建筑的核心愿景背道而馳。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者汪磊磊認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的原因一方面是設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)項(xiàng)目申報(bào)周期短、評(píng)價(jià)難度低，另一方面是因?yàn)檫\(yùn)營(yíng)標(biāo)識(shí)本身宣傳不夠深入。有些設(shè)計(jì)階段不參評(píng)的條文會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的標(biāo)識(shí)評(píng)價(jià)產(chǎn)生影響，但是由于前期只關(guān)注設(shè)計(jì)參評(píng)所涉及的相關(guān)條文，導(dǎo)致后期的運(yùn)行條文難以達(dá)標(biāo)。

雖然綠色建筑的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋了建筑全過(guò)程，但目前綠色建筑評(píng)估的重心仍然是技術(shù)的選擇及落實(shí)。類(lèi)似的問(wèn)題不僅出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的綠色建筑發(fā)展階段，而是一個(gè)世界普遍存在的問(wèn)題。據(jù)Ray和Scott提出，在英國(guó)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(biāo)，但在實(shí)際的建筑運(yùn)行階段并不能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)能效果，造成這樣結(jié)果的原因是由于過(guò)分關(guān)注設(shè)計(jì)階段而忽視大樓運(yùn)營(yíng)階段的維護(hù)管理。因此，在運(yùn)營(yíng)階段，如何高效、節(jié)能的維護(hù)管理大樓是當(dāng)前一個(gè)亟待解決的重要問(wèn)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(yùn)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(jì)效益。所以通過(guò)研究運(yùn)營(yíng)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(wèn)題的關(guān)鍵。

本文旨在總結(jié)分析建筑運(yùn)營(yíng)階段的能耗因素，通過(guò)建立建筑仿真模型，對(duì)已建成大樓進(jìn)行分析模擬，把運(yùn)營(yíng)階段不同的能耗相關(guān)因素在不同工況下的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比模擬，得到能耗因素對(duì)能效的影響的權(quán)重大小，并進(jìn)行排序，找到高權(quán)重能耗因素，以最優(yōu)方式和周期對(duì)建筑進(jìn)行維護(hù)和管理，為下一步指導(dǎo)我省綠色建筑運(yùn)行維護(hù)工作的開(kāi)展起到重要作用。

1 運(yùn)行階段能耗仿真模型與校準(zhǔn)

1.1 仿真模型建立

首先，在模擬條件下對(duì)能耗因素進(jìn)行整體分析，需要一個(gè)完全仿真運(yùn)行的建筑模型，本文采用全年能耗模擬軟件EnergyPlus進(jìn)行模擬計(jì)算，EnergyPlus是由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的能耗模擬軟件平臺(tái)，能根據(jù)實(shí)際氣象數(shù)據(jù)逐時(shí)計(jì)算全年8 760 h建筑能耗。其次模擬對(duì)象大樓具體細(xì)節(jié)參數(shù)等均按照真實(shí)情況進(jìn)行設(shè)置，包括模擬建筑的尺寸模型、氣象參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)被動(dòng)式設(shè)計(jì)、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(lái)至成都市某辦公大樓，項(xiàng)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(shí)時(shí)記錄建筑分級(jí)分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)；通過(guò)竣工圖紙得到建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本信息見(jiàn)表1。

氣象數(shù)據(jù)是通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓、冬夏季開(kāi)始結(jié)束時(shí)間等最具該地區(qū)氣候狀況代表性的12個(gè)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(guò)竣工圖紙及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(wèn)卷和線(xiàn)下問(wèn)卷的形式獲得。于2019年8月至2019年12月，先后開(kāi)展兩次關(guān)于大樓人員行為模式的調(diào)查，主要針對(duì)人員作息時(shí)間、開(kāi)關(guān)設(shè)備時(shí)間、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、人員控制邏輯等進(jìn)行實(shí)地了解，完成行為模式分析25項(xiàng)，有效樣本問(wèn)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(jiàn)表3。

表1 模擬建筑圍護(hù)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(zhǔn)

模型參數(shù)數(shù)據(jù)中的部分不確定參數(shù)會(huì)導(dǎo)致建筑初設(shè)模型模擬出來(lái)的能耗結(jié)果與實(shí)際之間存在誤差，通過(guò)對(duì)不確定因素的實(shí)際測(cè)量來(lái)減少誤差，使模型更貼合案例辦公大樓運(yùn)營(yíng)階段的實(shí)際能耗，校準(zhǔn)主要包括以下幾個(gè)方面：幾何校準(zhǔn)、氣候校準(zhǔn)、設(shè)備校準(zhǔn)、人員校準(zhǔn)等，校準(zhǔn)后通過(guò)選取一個(gè)常用的評(píng)判指標(biāo)來(lái)反應(yīng)校準(zhǔn)模型的準(zhǔn)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(huì)由鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）政府、村委會(huì)和農(nóng)戶(hù)代表相結(jié)合共同組成，形成統(tǒng)一的項(xiàng)目法人組織，常設(shè)機(jī)構(gòu)為代表大會(huì)。代表成員由鄉(xiāng)（鎮(zhèn)）牽頭，自下而上民主產(chǎn)生。通過(guò)整合財(cái)政支農(nóng)資金、社會(huì)籌資、村集體組織出資、農(nóng)戶(hù)投資投勞等辦法籌措資金。水利協(xié)會(huì)制定章程和財(cái)務(wù)制度、管理制度。依法履行民主程序，實(shí)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(jī)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(shí)際能耗值，GJ；Yi為建筑逐月的實(shí)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(duì)于建筑模擬值和實(shí)際值的CV(RMSE)指標(biāo)給出了相應(yīng)的推薦指標(biāo)：對(duì)于使用逐月的數(shù)據(jù)CV(RMSE)指標(biāo)應(yīng)在±15 %的范圍之間。通過(guò)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(jìn)行對(duì)比分析(圖1)。

圖1 逐月能耗對(duì)比

現(xiàn)對(duì)校準(zhǔn)后的模型的逐月能耗值CV(RMSE)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，其CV值為14.1 %，建筑能耗模擬值和實(shí)際值的CV(RMSE)指標(biāo)符合ASHRAE Guideline14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，模型整體能準(zhǔn)確反映大樓運(yùn)營(yíng)階段能耗。

2 運(yùn)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(zhǔn)確的反應(yīng)大樓運(yùn)營(yíng)階段能耗，現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)已有的綠建技術(shù)和方法進(jìn)行參數(shù)化模擬，通過(guò)改變各運(yùn)營(yíng)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(yùn)維和調(diào)試的開(kāi)展提供數(shù)據(jù)支撐。由于針對(duì)運(yùn)營(yíng)階段能耗，所有已建成建筑構(gòu)件(圍護(hù)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(duì)能進(jìn)行調(diào)試維護(hù)的因素在可調(diào)范圍內(nèi)進(jìn)行改變。而影響綠色建筑運(yùn)營(yíng)階段能管水平的因素較多，本文按不同用能系統(tǒng)進(jìn)行分類(lèi)，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(xiàng)目公共建筑情況，根據(jù)各系統(tǒng)的實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)中各主要因素進(jìn)行逐條分析，模擬結(jié)果見(jiàn)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(yùn)營(yíng)階段能耗的因素有很多，通過(guò)對(duì)每個(gè)因素選擇5個(gè)水平進(jìn)行單一因素分析，如對(duì)設(shè)計(jì)有綠化屋頂?shù)慕ㄖ?，改變?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(dāng)氣象參數(shù)不變的情況下，葉面指數(shù)在0～+∞時(shí)建筑能耗先降后升，葉面指數(shù)在2左右的范圍時(shí)采暖和制冷能耗均達(dá)到最低值，則說(shuō)明對(duì)綠植屋頂修剪管理時(shí)，不能讓綠植枯萎凋零的同時(shí)也不宜讓其過(guò)度生長(zhǎng)。又如內(nèi)遮陽(yáng)開(kāi)啟后對(duì)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(dāng)關(guān)閉內(nèi)遮陽(yáng)的節(jié)能效果最優(yōu)。同理，將24個(gè)主要的運(yùn)營(yíng)階段能耗影響因素的5個(gè)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(guò)以上對(duì)運(yùn)營(yíng)階段能耗因素的分析，發(fā)現(xiàn)因素對(duì)分項(xiàng)能耗及總體能耗之間確實(shí)具有一定聯(lián)系，現(xiàn)運(yùn)用 SPSS 軟件通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)方式計(jì)算能耗因素的大小權(quán)重分析。利用極差和標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度，因素權(quán)重值R是介于0到1之間的無(wú)因次量，當(dāng)R值越大說(shuō)明變量占比越重，則在運(yùn)營(yíng)階段更應(yīng)重視該因素。運(yùn)營(yíng)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(biāo)準(zhǔn)建筑總能耗值，GJ。

現(xiàn)用SPSS對(duì)運(yùn)營(yíng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析，并依據(jù)能耗因素權(quán)重值的大小進(jìn)行排序，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 權(quán)重排序結(jié)果

經(jīng)計(jì)算，得到在實(shí)際情況下不同因素所占權(quán)重有較大差別，按權(quán)重進(jìn)行排序從大到小分別是：鍋爐維護(hù)>冷水機(jī)組維護(hù)>照明燈具維護(hù)>自然通風(fēng)>門(mén)窗氣密性>內(nèi)遮陽(yáng)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(jī)與自然通風(fēng)>空調(diào)分區(qū)設(shè)置>水泵揚(yáng)程維護(hù)>熱水系統(tǒng)控制>水泵效率維護(hù)>公區(qū)照明時(shí)間>光伏系統(tǒng)維護(hù)>新風(fēng)熱回收系統(tǒng)>屋頂綠植維護(hù)>冷卻塔空氣通暢>風(fēng)機(jī)維護(hù)>冷卻塔布水均勻>電氣設(shè)備維護(hù)。

從權(quán)重分析結(jié)果來(lái)說(shuō)，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(yùn)維人員，在滿(mǎn)足環(huán)境舒適度的前提下，應(yīng)對(duì)辦公人員的行為節(jié)能進(jìn)行定期培訓(xùn)，如根據(jù)模擬結(jié)果，在滿(mǎn)足300 lx標(biāo)準(zhǔn)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(mǎn)足光環(huán)境要求的同時(shí)節(jié)約照明能耗。

在運(yùn)營(yíng)階段也應(yīng)重視對(duì)高權(quán)重因素進(jìn)行定期維護(hù)，如冷熱源機(jī)組、照明燈具維護(hù)對(duì)能耗影響較大的因素，運(yùn)維人員應(yīng)以日為周期對(duì)空調(diào)系統(tǒng)冷熱源機(jī)組整體能效進(jìn)行檢查，并對(duì)損壞及高功率的燈具進(jìn)行即時(shí)更換。而對(duì)冷卻塔、電氣設(shè)備、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、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(duì)其進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2.3 因素周期聚類(lèi)分析

根據(jù)以上分析，需要對(duì)24個(gè)因素進(jìn)行聚類(lèi)分析。通過(guò)按因素大小把各因素的維護(hù)周期的聚類(lèi)數(shù)分為4類(lèi)，分別是：以日、以周、以月、以年為周期，采用歐氏距離法計(jì)算(4)各因素間的距離，根據(jù)層次聚類(lèi)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(lèi)合并成一類(lèi)，于是產(chǎn)生新的聚類(lèi)G1(k+1)，G2(k+1)，....令n=n-1。其表示已將距離最近的兩個(gè)因素合并為一類(lèi),重復(fù)此步驟直至最終合并為一項(xiàng)。現(xiàn)設(shè)定聚類(lèi)數(shù)為4類(lèi)，在重新調(diào)整的距離集結(jié)合按歐式距離分為4大類(lèi)，利用SPSS軟件簡(jiǎn)化計(jì)算繪制出運(yùn)營(yíng)階段能耗因素聚類(lèi)譜系見(jiàn)圖3。

(4)

圖3 SPSS聚類(lèi)分析

如圖3所示，用歐氏距離計(jì)算樣本之間的相似程度，最終將24運(yùn)營(yíng)階段能耗因素按權(quán)重大小分成了ABCD四類(lèi)，其中A類(lèi)權(quán)重值極低，B類(lèi)中等偏低，C類(lèi)較高，D類(lèi)權(quán)重值極高。最后依據(jù)聚類(lèi)結(jié)果，對(duì)ABCD四類(lèi)運(yùn)營(yíng)階段能源因素進(jìn)行總體描述性統(tǒng)計(jì)，每類(lèi)因素的運(yùn)營(yíng)維護(hù)周期情況如表6。

表6 運(yùn)營(yíng)維護(hù)周期聚類(lèi)

根據(jù)以上的分析，建議大樓運(yùn)維人員以上表為基礎(chǔ)，對(duì)各因素進(jìn)行定期維護(hù)和管控，在降低工作量的同時(shí)亦能有效降低建筑運(yùn)營(yíng)階段能耗。

3 結(jié)論

本文從實(shí)際角度出發(fā)，在國(guó)內(nèi)外建筑運(yùn)營(yíng)階段研究的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際建筑進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，建立能耗仿真模型，通過(guò)對(duì)不同能耗因素在不同的工況下進(jìn)行參數(shù)對(duì)比模擬及分析，得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)24個(gè)運(yùn)營(yíng)階段能耗因素進(jìn)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(duì)屋頂綠植進(jìn)行修剪時(shí)，葉面指數(shù)在2左右的范圍時(shí)采暖和制冷能耗均達(dá)到最低值；又如內(nèi)遮陽(yáng)開(kāi)啟后對(duì)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(dāng)關(guān)閉內(nèi)遮陽(yáng)的節(jié)能效果最優(yōu)。這樣得到24個(gè)能耗因素的改變范圍及最優(yōu)工況范圍。

(2)通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)階段因素進(jìn)行極差比計(jì)算，得到24個(gè)能耗因素的權(quán)重排序，根據(jù)不同的權(quán)重大小對(duì)大樓有序化管理，對(duì)高權(quán)重能耗因素如暖通系統(tǒng)及照明系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)，可得到較大的收益，特別是空調(diào)系統(tǒng)冷熱源主機(jī)，維護(hù)后能有效減少大樓運(yùn)行能耗。同時(shí)注意人員的行為節(jié)能管控，對(duì)自然通風(fēng)及開(kāi)關(guān)設(shè)備等應(yīng)做好節(jié)能培訓(xùn)，也能達(dá)到快速降低運(yùn)維能耗的目的。

(3)通過(guò)對(duì)運(yùn)營(yíng)階段因素進(jìn)行層次聚類(lèi)分析，得到24個(gè)能耗因素的運(yùn)營(yíng)維護(hù)周期分類(lèi)，因素按照權(quán)重、均值等被分為A、B、C、D類(lèi)，分別以日、周、月、年為周期對(duì)運(yùn)營(yíng)階段建筑定期維護(hù)和管控，在降低大樓運(yùn)維人員工作量的同時(shí)有效降低能耗。