大型绿色公共建筑节能绩效后评估研究——以武汉“市民之家”建筑为例

程世丹 喻斯文 尹卫民 / CHENG Shidan, YU Siwen, YIN Weimin

1 引言

绿色建筑作为应对环境问题、资源问题和社会问题的一种策略已受到广泛认同。其核心理念是在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约资源、保护环境和减少污染，为人类提供健康、宜居的生存空间。为了推动绿色建筑的实践，很多国家创建了自己的绿色建筑评估体系，其中有影响的包括美国绿色建筑评估体系LEED（Leadership in Energy and Environmental Design）、英国绿色建筑评估体系BREEAM（Building Research Establishment Environmental Assessment Method）、日本建筑物综合环境性能评价体系CASBEE（Comprehensive Assessment System for Building Enviromental Efficiency）、法国绿色建筑评估体系HQE（High Environmental Quality）。此外，还有德国生态建筑导则LNB、澳大利亚的建筑环境评价体系NABERS（National Australian Built Environment Rating System）、加拿大绿色建筑评价工具（Green Building Tools，简称GB Tools）（Green Building Council of Australia，2003）。随着绿色建筑评估体系的推广，越来越多的建筑参照相关的绿色标准进行设计、建造与使用，大量建筑已获得了绿色设计认证。然而，这些建筑在投入使用后是否都可以达到人们所期望的绩效还有待使用后评价（Post Occupancy Evaluation，简称POE）（Newsham et al，2009）。近年来，发达国家对绿色建筑的POE研究日益增多。研究总体显示，较一般建筑而言，获得认证的建筑所消耗的水资源和能源更少，排放的CO2也较少（GSA public buildings service，2011）。但同时，研究也发现了认证建筑的一些问题，例如许多竣工建筑的节能绩效与基于模拟的设计预期有较大偏差，一些用于节能的技术措施没有达到预期的效果（Birt et al，2009）。

我国于2006年开始发布实施《绿色建筑评价标准》，在绿色建筑实践方面尚处于发展的初期，虽有少数建筑按照《绿色建筑评价标准》进行建设，但对其实际运行的评估研究还十分欠缺。另外，由于我国幅员辽阔，《绿色建筑评价标准》在不同气候条件下是否能够获得相同的绩效预期，需要通过使用后评估加以分析和判定。本文以武汉“市民之家”的POE评估为例，试图分析和探寻适应该地区的绿色技术。“市民之家”是武汉市为数不多的按照绿色建筑三星级标准设计的大型公共建筑，目标是将其建成为“湖北地域性绿色建筑示范项目”、“政府低碳窗口”和“武汉市标志性景观”，因而其实际运行效能具有很强的标杆作用。

由于《绿色建筑评价标准》的6大指标中节能指标是较易度量的部分，且能耗问题是各种绿色建筑评估体系的关键内容，所以通过对其节能指标的评估可以对绿色绩效做出基本的判断。而且，大型公共建筑的用电量通常为住宅建筑用电量的10倍以上（不包括供暖）（江亿，2005），尤其具有验证评估价值，因此本文的重点是评估大型公共建筑的节能绩效。在核查建筑节能相关技术的基础上，通过调研获取建筑实际运行中的能耗，再通过与同地区同类公共建筑的能耗比较，验证设计时的预期节能绩效，分析建筑节能设计的得失。

2 建筑节能技术核查

2.1 项目背景

“市民之家”是武汉市政府为企业、市民和其他组织提供“一站式”服务的场所，主要功能包括行政服务办公和城市规划展示，总用地面积9.92hm2，总建筑面积12.34万m2。项目由武汉地产开发投资集团有限公司负责建设，选址位于武汉市江岸区三金潭立交西南侧，北临三环、东靠武汉大道。通过组织国际设计竞标，法国夏邦杰建筑设计咨询有限公司的方案中标，采取四面围合中庭的布局方式，实施方案按照“绿色三星”标准设计。为此，建设方邀请绿色设计顾问参与实施方案设计的全过程，并确定了6大技术体系、22项绿色生态技术。项目于2010年7月开工建设，2012年9月投入使用（钱斌，2012）。

2.2 节能技术核查

通过现场调研和查阅设计文件及相关文献，可以核查武汉“市民之家”所采取的节能技术及设计策略，了解其预期的节能绩效，其节能技术包括主动式节能技术、被动式节能技术和可再生能源技术3种类型（表1）。

3 能耗调研

根据物业管理部门提供的“市民之家”用电量数据统计，2013年5月至2014年4月一年共耗电913.55万kWh，耗天然气（制热）17.42万m3。全年耗电季候性变化显著，其中7、8、9、10月这4个月的耗电量相对比较多；1、6、12月次之；2、3、4、5、11月最少（图1）。图表特征与武汉地区的用电规律一致，夏季炎热，为了维持舒适的室内热环境，空调制冷消耗了大量能量；冬季寒冷，需要通过人工制热来营造舒适的室内环境，但消耗的电量较夏季少（部分热量由天然气制热提供），比春秋季多。

表1 武汉“市民之家”节能技术使用情况及预期效益分析（余鸿高，2014）

总体上，“市民之家”的能源利用包括电能和天然气两种形式，为了便于计算建筑总能耗，需要采取统一的计量单位，本文依据《民用建筑能耗统计标准》中的能耗计算方法，采取标准煤为单位，1kWh的电相当于0.1229kgce，1m3天然气相当于1.2143kgce（张延方，2013）。“市民之家”全年每平方米耗电74.10kWh，统一换算成标准煤为9.11kgce/（m2·a）；全年每平方米耗天然气1.41m3，统一换算成标准煤为1.71kgce/（m2·a），两项之和为“市民之家”的单位面积总能耗，为10.82kgce/（m2·a）。

为评估“市民之家”的能耗，将其单位面积能耗与武汉市类似政府办公建筑进行比较（表2），所选择的参照建筑分为两类，一是采取《绿色建筑评价标准》建设的建筑，简称“绿色建筑”，二是未采取《绿色建筑评价标准》建设的建筑，简称“非绿色建筑”。从表中可以看出，“市民之家”全年单位面积能耗不仅高于绿色建筑——“武汉建设大厦”的能耗值8.23kgce/（m2·a），也高于非绿色建筑的能耗平均值8.86kgce/（m2·a），仅比汉阳区地方税务局的单位面积能耗低。

图1 “市民之家”每月耗电量（根据物业管理部门提供的数据自绘）

4 能耗分析与验证

4.1 能耗分析

“市民之家”的能耗主要由照明耗电、设备耗电、空调制冷耗电、冷却塔耗电、地源热泵耗电、风机耗电等组成。其中照明耗电占总用电量的25%；设备耗电占20%；制冷耗电占29%；冷却塔耗电占5%；地源热泵耗电占5%；风机耗电占16%。

在相同情况下，“市民之家”选择的节能型的照明设施、采暖设施和制冷设施在能耗上应该低于非节能型的其他同类设施，其能耗高于类似办公建筑，可能是由于被动式设计不当所致。基于常识的判断，在“市民之家”选用的被动式设计中，遮阳系统在夏季可以减少室内的热辐射，屋顶绿化能降低屋面温度，自然通风有助于散热，外墙保温隔热构造的增强利于降低空调负荷，自然采光设计可以减少人工照明的能耗，这些被动式设计应该有助于降低建筑的总能耗。然而，“市民之家”有两个明显不同于类似办公建筑的设计，一是外立面运用了大面积的玻璃幕墙；二是设置了一个巨大中庭，两者均可能对建筑能耗产生显著影响。

根据设计图纸计算，建筑东面的窗墙比为0.25，南面为0.40，西面为0.45，北面为0.40。建筑西立面的窗墙比最大，虽然小于《公共建筑节能标准》中规定的“建筑每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于0.70”的要求，但是，与非透明的外墙相比，透明幕墙的热工性能相对较差，且“市民之家”1～2层采用的是玻璃幕墙，中庭南面是通高幕墙，尽管使用了中空Low-E玻璃，这些区域的得热或失热仍会较之非透明外墙增加，相应的空调能耗也会增多。另一个可能产生较大能耗的因素是建筑中庭的规模过大，其面积达5 800m2，占建筑基地面积的29.2%，且室内地面离中庭天窗最低处约28m，要维持这个巨大空间的舒适环境无疑需要大量的空调能耗。

4.2 热工实测

为了验证“市民之家”能耗偏高的上述预判原因，分别对玻璃幕墙和中庭进行热工实测，验证过程针对性地选择了建筑的不同位置。

4.2.1 玻璃幕墙热工实测

（1）测点选择

选择“市民之家”建筑西侧的外围护结构作为实测对象，具体选取建筑室外测点A、3层建筑实墙处测点B、1层玻璃幕墙处测点C作为对比和研究的对象（图2），选取测点时尽量避免周围环境和人流对测点造成影响。

表2 武汉市大型公建能耗数据（张延方，2013）

图2 玻璃幕墙处测点布置

表3 A、B、C测点热工测量数据分析

（2）测试条件和测试时间

室外空气温度测点A置于建筑外的空旷地段，离地1.5m高的百叶箱内；B、C两处表面温度测点分别布置在外墙有代表性的部位上。测试时间方面，因夏季和冬季为武汉市最热和最冷的季节，产生的热交换最多，导致空调设备消耗的能源最多，故选择夏季最热时段中的两周和冬季最冷时段中的两周作为测试时间。夏季选取时间为2014年8月10～23日；冬季选取时间为2014年1月6～19日。测试记录方面，采用可供电脑进行处理的自动采集数据仪器逐时记录，时间间隔为10min。

（3）判定方法

玻璃幕墙导致能耗偏高可通过其保温隔热性能来判定。

保温性能判定方法为——在室内温度高于室外温度时，若θit＞θid，则判定该建筑的保温性能符合节能标准的要求（GB 50176-93，1994），反之不符合；隔热性能判定方法为——西向外墙：△t=θimax－ti≤ 3.0℃（韦延年，2009）。

其中：te为室外空气平均温度；ti为室内空气平均温度，一般控制在夏季26℃、冬季18℃，但具体情况按实测值计算；θit为现场检测的外墙内表面温度的平均值；θid为现场检测的室内外空气平均温度，θid=（te+ti）/2；θimax为外围护结构在夏季热作用下，室内气温相对稳定时的内表面最高温度；△t为θimax与ti的差值。

（4）测试数据整理及结论

由冬季数据整理分析可知，室内温度大于室外温度时，B、C两处测点θit＞θid（表3），表明该建筑外墙的保温性能满足建筑节能标准的设计要求。因玻璃幕墙的传热系数比普通外墙大，因而C测点处玻璃幕墙温度略低于B测点处。

图3 中庭处测点布置

而在夏季，实测过程中无法将室内温度控制在某一个固定值，因此各测点室内平均温度ti取实测平均值。表中数据显示：B测点△t小于3℃，满足隔热要求；C测点△t大于3℃，不满足隔热要求。西向玻璃幕墙由于西晒，热辐射强烈，因而只能通过消耗更多的空调能耗来满足室内环境的舒适度要求。

4.2.2 中庭空间热工实测

（1）测点选择

实测在中庭的3个不同高度处分别布置D、E、F测点，同时记录数据，其中D测点高1.5m，处于主要的人流活动区，选择测点时尽量避免受到人流的影响；E测点高7.5m，处在空调排风口附近；F测点高25.5m，接近中庭顶部（图3）。

（2）测试条件和测试时间

在夏季最热时段和冬季最冷时段分别选取两周作为测试时间，对D、E、F这3个室内测点进行热工测量。同时对室外测点A进行测量，作为对比研究。测试时间和测试记录方法同幕墙实测。

（3）判定方法

开启空调，待中庭空间温度稳定后，比较不同高度测点的温度值，检测是否有温度差异。

（4）测试数据整理及结论

选取冬季代表日2014年1月12日的数据进行整理分析。对于D、E、F测点只需要分析其温度值的差异，所以用D、E、F测点的数据为例说明中庭不同高度处温度变化的情况。“市民之家”中庭空调开启的时间为早上9点，关闭的时间为下午5点。利用仪器对不同时间点的不同测点进行测量，并进行数据整理得到图4。

由实测可知，空调开启后，各测点温度开始上升，经过约3h，各测点的温度进入相对稳定阶段，直至下午5时以后开始下降。在大部分时段，E测点温度为18.2℃，D测点为14.4℃，F测点为16.1℃。对照冬季采暖室内舒适温度16～24℃的标准值，仅E、F测点满足要求。处于2层的E测点接近空调排风口的高度，温度始终最高。由于热空气向上流动，接近顶部的F测点温度由开始的最低变为稳定阶段的次低，而有大量人流活动的下层空间D测点在大部分时段温度最低，且始终未能达到室内舒适温度要求。也就是说，由于中庭规模过大，为使主要人流活动使用空间温度接近室内舒适温度，中庭的大量空调能耗将损失在中上层空间，造成浪费。

图4 冬季代表日中庭各测点实测温度变化

5 结语

本文运用调研核查、能耗计算分析和实测验证的方法对武汉“市民之家”的能效性能进行了使用后评估研究。核查显示“市民之家”运用了22项生态技术，其中12项与节能有关，包括自然通风、自然采光和遮阳系统等低成本被动式技术。

然而，研究发现“市民之家”全年单位面积能耗却高于同类型的其他建筑。其中的原因是多方面的，例如，运营管理不到位，作为比较对象的同类建筑的数据准确性可能有所不足。但是，调研分析和热工实测表明，西向玻璃幕墙面积偏大和中庭规模过大是导致空调能耗显著增加，建筑整体能耗偏高的两个重要因素。

研究可以获得以下启示：

（1）绿色建筑的关键并不是绿色技术运用的数量，而在于采取适宜的技术与设计组合所能产生的整体绿色绩效。就节能而言，某些建筑形式与空间的设计可能产生很高的能耗，抵消了其他节能技术的节能效果，导致建筑的整体节能性下降。因此，在很大程度上，合适的建筑形式与空间构成是绿色建筑的基础。

（2）武汉地区夏热冬冷，夏季西晒时间长，建筑外立面设计应尽可能避免使用大面积的玻璃幕墙，尤其在建筑的西立面。否则，透明幕墙会增加进入室内的太阳辐射，大幅增加空调负荷。

（3）利用中庭的设计可以较好地组织自然采光和自然通风，但考虑到中庭制冷和供暖所需的能耗，中庭空间不宜过大。

[1] 江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径[J].暖通空调，2005（5）.

[2] 钱斌.绿色建筑实践模式及技术策略探讨——以武汉市民之家工程为例[J].建筑节能，2012（4）.

[3] 余鸿高.“武汉市民之家”绿色节能建筑设计实践[J].武汉勘查设计，2014（1）.

[4] 张延方.武汉市绿色公共建筑项目后评估研究——以已获绿色建筑标识的项目为例[D].武汉：华中科技大学，2013.

[5] 中华人民共和国建设部.GB 50176-93民用建筑热工设计规范[S].北京：中国建筑工业出版，1994.

[6] 韦延年.节能建筑外墙与屋面的热工性能便捷检测判定方法[J].四川建筑科学研究，2009（10）.

[7] 林波荣，田军，刘加根，等.被动优先——华侨城体育文化中心绿色技术集成及运行效果后评估[J].生态城市与绿色建筑，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).