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        基于實(shí)際運(yùn)行性能的綠色建筑案例研究

        2021-07-04 13:36:42穆迪瞿燕李海峰
        關(guān)鍵詞:建筑

        穆迪 瞿燕 李海峰

        華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

        綠色建筑是實(shí)現(xiàn)建筑可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)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(guò)綠色建筑施工圖專項(xiàng)審查并達(dá)到綠色建筑設(shè)計(jì)要求的建筑規(guī)模達(dá)到2.33 億m2,全市獲得綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)項(xiàng)目總數(shù)達(dá)到850 項(xiàng)。但獲得運(yùn)營(yíng)標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目相對(duì)較少,截至2020 年11 月,上海市獲得綠色建筑運(yùn)行標(biāo)識(shí)的項(xiàng)目共48 個(gè),建筑面積合計(jì)580 萬(wàn)m2。關(guān)注綠色建筑實(shí)際運(yùn)行效果,合理對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),是綠色建筑發(fā)展中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-2]。本文以獲得綠色建筑三星級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)的滬上生態(tài)家作為研究載體,通過(guò)對(duì)其開(kāi)展建筑整體熱工性能測(cè)試,室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試,室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試及能耗數(shù)據(jù)分析,獲取其運(yùn)行現(xiàn)狀,積累項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),為優(yōu)化建筑實(shí)際運(yùn)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(huì)城市最佳實(shí)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(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)識(shí)。建筑用地面積774 m2,2010 年建成時(shí)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(zhǎng)16.7 m,寬7.1 m,高22.0 m,從地下1 層起貫通整個(gè)建筑。中庭和各層辦公區(qū)域之間由下部1.1 m 高的防護(hù)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(cè)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(mén)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(hù)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(píng)價(jià)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(dá)到10 ℃以上,測(cè)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(píng)價(jià)指標(biāo)。該時(shí)間段為疫情期間,建筑未運(yùn)行,室內(nèi)無(wú)人員設(shè)備等熱源。參照《民用建筑熱工設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50176-2016[3]中的圍護(hù)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(jì)算方法如式(1)所示。

        式中:σ 為氣溫衰減倍數(shù),無(wú)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(shí)的測(cè)試時(shí)間內(nèi),室外氣溫降溫幅度達(dá)到10.6 ℃。針對(duì)室內(nèi)空間,分別在一層大空間辦公區(qū)域和五層會(huì)議室區(qū)域各設(shè)置一個(gè)溫度測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)位于距地面高1.5 m 處。測(cè)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(cè)試期間測(cè)點(diǎn)溫度降幅為5 ℃,氣溫衰減倍數(shù)為2.12。五層會(huì)議室外圍護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃,因此熱環(huán)境較差,測(cè)點(diǎn)溫度降幅為9.1 ℃,氣溫衰減倍數(shù)為1.16。

        圖2 不同測(cè)點(diǎn)溫度分布

        3 室內(nèi)熱環(huán)境測(cè)試

        測(cè)試在室內(nèi)辦公區(qū)域每層各設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖3 所示,測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)處全時(shí)段持續(xù)性測(cè)試,數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔20 分鐘。

        圖3 滬上生態(tài)家測(cè)點(diǎn)分布圖

        我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50736-2012[4]對(duì)第3.0.2 條對(duì)舒適性空調(diào)房間的設(shè)計(jì)要求如表1 所示。參考上述規(guī)范,結(jié)合實(shí)際室內(nèi)環(huán)境情況,本文中針對(duì)夏季工況,對(duì)溫濕度舒適區(qū)間的范圍界定為溫度區(qū)間24~28 ℃,相對(duì)濕度40%~70%。針對(duì)冬季工況,對(duì)溫濕度舒適區(qū)間的范圍界定為溫度區(qū)間18~24 ℃,相對(duì)濕度30%~60%[5]。

        表1 舒適性空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

        3.1 夏季熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

        選取2018 年7 月15 日~8 月15 日期間工作時(shí)間段(工作日9:00-18:00)的數(shù)據(jù)進(jìn)行夏季室內(nèi)熱環(huán)境分析,各測(cè)點(diǎn)的溫濕度分布如圖4 所示,測(cè)試期間室外溫度在32 ℃以上??梢钥闯?,房間在測(cè)試期間大部分時(shí)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(duì)濕度40%~70%范圍內(nèi),如圖4 中方框所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(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(dá)標(biāo)率來(lái)看,一層大空間僅51.5%,而其余三個(gè)樓層整體的達(dá)標(biāo)率均在95%以上。

        圖4 夏季溫濕度分布

        表2 夏季測(cè)試溫濕度達(dá)標(biāo)率

        從不同樓層溫度均值來(lái)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(duì)滬上生態(tài)家室內(nèi)冷熱不均問(wèn)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(dá)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(dòng)控制功能損壞,造成一層大空間溫度偏低,溫濕度整體達(dá)標(biāo)率較低。

        3.2 冬季熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

        選取2019 年2 月14 日~3 月4 日期間工作時(shí)間段(工作日9:00-18:00)的數(shù)據(jù)進(jìn)行冬季室內(nèi)熱環(huán)境分析,各測(cè)點(diǎn)的溫濕度分布如圖5 所示,測(cè)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(duì)濕度30%~60%,如圖5 中方框所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(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%??梢钥闯?,一層和二層大空間有部分測(cè)試數(shù)據(jù)溫度偏低,四層大空間部分測(cè)試數(shù)據(jù)溫度偏高。一層,三層和四層的濕度達(dá)標(biāo)率較低,相對(duì)濕度低于30%的數(shù)據(jù)較多,反映了空調(diào)系統(tǒng)對(duì)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(cè)試溫濕度達(dá)標(biāo)率

        3.3 過(guò)渡季熱環(huán)境測(cè)試結(jié)果

        選取2018 年5 月14 日-2018 年6 月8 日期間工作時(shí)間段(工作日9:00-18:00)的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)渡季室內(nèi)熱環(huán)境分析,各測(cè)點(diǎn)的溫濕度分布如圖6 所示。可以看出,過(guò)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(guò)渡季溫濕度分布

        4 室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試

        4.1 室內(nèi)CO2 濃度測(cè)試結(jié)果

        測(cè)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(shí)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的日平均值小于1000 ppm 的標(biāo)準(zhǔn)[7]。各辦公空間人員密度較為穩(wěn)定,測(cè)試期間CO2濃度波動(dòng)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(cè)試結(jié)果

        對(duì)冬季供暖工況各層辦公大空間的逐時(shí)PM2.5和PM10 濃度進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖8 和圖9 所示。從測(cè)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(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)針對(duì)新風(fēng)機(jī)組中的空氣過(guò)濾模塊,做好定期的檢查,清潔維護(hù)以及過(guò)濾模塊更換等工作,保證新風(fēng)系統(tǒng)良好的空氣過(guò)濾凈化作用。

        圖8 PM2.5 濃度測(cè)試均值

        圖9 PM10 濃度測(cè)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(yùn)行一個(gè)完整自然年進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(lái)自于園區(qū)的集中能源站,目前統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(zhǎng)寧區(qū)建筑能效監(jiān)測(cè)和管理平臺(tái)獲取2018 年監(jiān)測(cè)的69 棟商業(yè)辦公建筑的用電量數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計(jì),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(xiàng)用電量為59.6 kWh/(m2·a)。從黃浦區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)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(jì),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(xiàng)能耗為62.5 kWh/(m2·a)。通過(guò)對(duì)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(dòng)力及其它用電等單位建筑面積年用電量略低于長(zhǎng)寧區(qū)和黃浦區(qū)能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的單位建筑面積其他分項(xiàng)用電量數(shù)據(jù)。

        4 結(jié)論

        本文針對(duì)辦公建筑滬上生態(tài)家的熱環(huán)境進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和能耗數(shù)據(jù)分析,對(duì)建筑整體熱工性能的測(cè)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(dá)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(hù)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(duì)室內(nèi)熱環(huán)境的測(cè)試表明,夏季一層大空間整體達(dá)標(biāo)率較低,二至四層大空間整體達(dá)標(biāo)率在95%以上。冬季溫度達(dá)標(biāo)率均在80%以上,而濕度達(dá)標(biāo)率較低。過(guò)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(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)的測(cè)試表明,滬上生態(tài)家辦公區(qū)域整體空氣質(zhì)量較好。對(duì)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(shì)。

        目前滬上生態(tài)家運(yùn)行中存在的較為明顯的問(wèn)題是空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的缺失。原設(shè)計(jì)的空調(diào)箱均設(shè)置有變頻控制柜,對(duì)風(fēng)機(jī)的頻率進(jìn)行控制,空調(diào)箱上的風(fēng)閥、水閥均可以進(jìn)行電動(dòng)調(diào)節(jié)。但由于世博會(huì)后該建筑長(zhǎng)期未使用,其自動(dòng)控制功能均已損壞。因此,測(cè)試期間出現(xiàn)了各區(qū)域溫濕度達(dá)標(biāo)率不均的問(wèn)題。此外,中庭與辦公區(qū)域之間無(wú)隔斷,會(huì)增加辦公區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),后續(xù)研究中將關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行能耗,以期對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化提供參考。

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