绿色建筑技术效果和运行性能后评估

林波荣，肖娟，刘彦辰，杨鹏/LIN Borong， XIAO Juan， LIU Yanchen， YANG Peng



绿色建筑技术效果和运行性能后评估

林波荣，肖娟，刘彦辰，杨鹏/LIN Borong， XIAO Juan， LIU Yanchen， YANG Peng

摘要：目前我国绿色建筑正处于快速发展时期，绿色建筑投入使用后的实际效果如何，也越来越引起人们的重视。本文对于不同气候区的绿色建筑常用技术，如建筑外遮阳、地道风、天然采光、双层皮遮阳、屋顶绿化、地源热泵、太阳能光电和光热系统等技术实际使用效果进行了调研测试和对比评价，给出了设计和运行优化建议。此外，结合不同气候区一批建成的绿色建筑运行能耗和室内环境品质实测分析对比，对如何提升绿色建筑整体性能提出了建议。

关键词：绿色建筑，常用技术，后评估，调研实测，案例评估

1 引言

绿色建筑，即在其全寿命期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑（《绿色建筑评价标准》GB50378-2014）。近年来，我国绿色建筑得到了快速发展［1］。《绿色建筑行动方案》于2013年以国务院一号文件颁发，包括北京、上海、深圳等地已经把绿色建筑作为新建建筑强制性要求。据不完全统计，目前我国获得绿色建筑标识的项目已达4000多项，总面积超4.7亿m2。从规模上看，我国绿色建筑已经达到世界领先水平。

国外对绿色建筑的关注已经由最初的技术措施导向，逐渐转向对建筑实际使用性能的关注，因此引入了“使用后评估”（Post Occupancy Evaluation，缩写为POE）方法。沃尔夫冈·普莱泽尔（Wolfgang F.E. Preiser）将POE方法定义为“在建筑建成并使用一段时间后，对其性能进行的系统性评价过程”。西方建成环境的POE研究大致分为3个阶段。第一阶段：1960年代末，针对学生宿舍开展了环境分析和性能评价主客观关系的初步研究；第二阶段：1970年代的研究领域扩大到了公共建筑，内容包括以成本为基础的评价模型，对于技术、功能和行为因素的全方位评价，以及评价数据的采集等，使用者的主观满意度是这一阶段关注的焦点，但对物理环境缺乏量化研究，导致对后期建筑设计的参考性不强；第三阶段：1980年代后，POE在办公建筑和其他建筑类型上的研究力度加大，随着现代生活对于建筑性能要求越来越高，POE研究也越发呈现系统性［2-5］。

2009年，美国绿色建筑委员会（NBI）卡西·特纳（Cathy Turner）等学者对121个LEED-NC认证建筑（办公为主）运行能耗进行研究表明，其中仅30％的建筑节能量超过预期，而25％的建筑节能量低于预期，部分建筑能耗量甚至高于标准参考值。此外如图1所示，LEED认证的不同级别建筑之间并无明显的能耗差异［6］［7］。

根据中国城市科学研究会2014年对57栋绿色公共建筑的调研结果，绿色公共建筑常用的20项技术中，运营管理项占比最低，在不常用的10项技术统计中，运营管理占比达到了20％，设计中存在某项绿色建筑技术在实际中无法正常使用的情况经常存在。对于绿色建筑常用技术的应用效果，缺乏基于长期测试的调研分析。因此，在我国绿色建筑大发展背景下，急需研究绿色建筑运行后的整体性能，适宜的技术体系，以及从设计到运行全面提升绿色建筑性能的技术途径［8］。

2 绿色建筑常用技术应用效果评价

1 LEED认证建筑和普通建筑的能耗比较（图片来源：Cathy Turner. Energy Performance of LEED for New Construction Buildings.）

随着绿色建筑的发展，绿色建筑技术的使用越来越普及，但是各种技术的使用还没有完全摆脱简单的实现“技术堆砌”的现状，导致了许多绿色建筑技术的使用在建成之后或者投入使用不久后就变成了摆设，不能发挥原有技术的节能优势。对于部分常用的绿色建筑技术，我们选择了一批被动式技术和主动式技术，对其实际应用性能及效果进行测评，分析其应用过程中存在的问题，以求定量分析使用效果，并澄清常见认识误区［9］。

2.1 外遮阳

外遮阳的使用本来是为了有效地减弱室内环境得热，形式上居住建筑多为遮阳卷帘，办公建筑多为遮阳百叶，但实际中复杂外遮阳系统正常运行过程中故障较多，达30％左右，方案设计不合理，导致遮阳系统未能发挥相应作用，如图2所示。常见问题包括：设计不合理，外遮阳的倾角、可调节性、适宜朝向和外遮阳构造形式匹配不当，总体看建筑设计重美学而遮阳性能、缺乏合理分析和模拟分析优化；采用电动遮阳，杆件和传感器可靠性较差、耐候性差，很多一年之后无法正常调节；每年需要清洗2～3次，安装后传感装置失效，无法有效利用，成为了摆设；百叶外遮阳应用时间短，国外几十年，国内才几年，主要材料和配件主要依赖进口，成本昂贵；机翼外遮阳型材粗大，用料多，费用高；织物帘、遮阳篷受面料质量影响大，进口国产质量、价格差别较大；很多项目为了使用外遮阳而用外遮阳，缺乏投入产出分析、优化，回收成本大概在10年以上，回收期过长。

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2 外遮阳在建筑中的应用

3 山东济南交专学院图书馆地道风内部

4 85m单管地道降温2006年7月5日实测结果

（中国建筑节能年度研究发展报告，清华大学建筑节能研究中心编制，2010）

2.2 地道风

地道风降温技术的原理为利用土壤蓄存的能量、夏季和冬季分别对新风进行预冷预热，同时在过渡季作为免费冷源。寒冷地区某图书馆建筑（绿色建筑运行标识二星级）设置了3条地下风道，其中两根45m长、一根85m长，断面均为2m×2.5m，风道顶部埋深1.5m，经测试平均风速为0.45m/s，测点及结果如图3和图4所示。测试结果表明85m单管的降温效果为6～8℃，45m双管的降温效果为2～2.4℃。与模拟预测值相比，地下风道实际降温效果更大，原因在于设计地道风时考虑的是最不利工况的负荷，且该建筑运行时尽量采用自然通风降温，空调系统运行时间比预想的短，具有更大的节能潜力。但利用地道风系统需要解决夏季新风的除湿问题，为此应避免地道太长产生凝水，必要时还需在地道风进入室内之前安装除湿机。

2.3 天然采光

由于《绿色建筑评价标准》GB50378-2006鼓励天然采光，在如何提高采光系数的需求下，也存在一些误区。在绿色建筑的实践中，包括北京科技大学跆拳道馆在内的一批优秀建筑探索了光导管与建筑造型的和谐统一，值得称赞。不少安装于大空间、地下室或建筑侧立面的光导管（图5），也取得了较好的天然采光效果（图6）。

但绿色建筑光导管推广中存在不少问题：一是市场成本高，价格差异比较大，每根光导管的价钱从1000～6000元不等，差异比较大，但是关键技术指标不清晰；二是很多时候为了用光导管而设计光导管，其实很多情况完全可以设计合理的外窗、下沉天井采光即可，物廉价美，而且更加美观；三是很多情况设计了光导管，结果光导管完全被遮挡了，难以达到天然采光效果。

2.4 双层玻璃幕墙

双层皮玻璃幕墙（double-skin facade，简称DSF）的构造形式最早出现在1970年代的欧洲，其目的是为了解决大面积玻璃幕墙建筑在夏季出现过热的问题、高层通风可控的需求以及单纯外遮阳维修、清洗困难等问题。主要做法是，在原有的玻璃幕墙上再增设一层玻璃幕墙，在夏季利用夹层百叶的遮挡与夹层通风将过多的太阳辐射热排走，从而减少建筑物的空调能耗；冬季时打开百叶，关闭通风，形成温室效应。

尽管双层皮幕墙有一定的节能效果，但是由于其使用成本会增加1500～2000元/m2（立面面积计算），同时会浪费一定的使用面积，因此是否有必要采用需要慎重。目前，我国存在盲目推广双层皮幕墙的问题，认为双层皮幕墙就是节能法宝，忽略了其气候适应性特点以及设计构造的高要求，应用中出现比较多的问题，包括：

（1）不考虑气候特征和建筑类型，盲目采用单一类型“不节能”的双层皮幕墙形式。

例如，南方炎热地区办公建筑往往是采用了大面积玻璃幕墙之后，然后再考虑双层皮幕墙方式，而多数盲目采用了内呼吸双层皮幕墙，无法与外界通风，只能机械通风利用室内低温空气带走空腔热量，结果消耗大量的风机能耗，节能效果有限，甚至不节能。南方建筑利用外遮阳是最有效的节能措施，因此如果考虑双层皮幕墙就应该采用外呼吸道双层皮幕墙方式。如果因为怕脏而采用内呼吸双层皮幕墙方式，不如不用。此时采用遮阳系数在0.3以下的Low-e（低能耗）遮阳型玻璃或浅色玻璃节能效果差别不大，因为继续降低外窗的遮阳性能后对总能耗的影响很有限此时可能室内发热量、人员新风节能变成重点。为了避免或者直接就减少建筑的窗墙比、避免采用全玻璃幕墙建筑。

又如，现在比较多的高档住宅，为了“节能”的噱头和“销售”目的，也采取双层皮幕墙形式，这事实上完全没有必要。因为对于住宅而言，完全可以直接采用固定外遮阳加通风的方式，节能效果和技术经济性更好。

（2）设计中构造错误，甚至违背双层皮幕墙设计基本原理。

问题1：分不清外呼吸、内呼吸幕墙系统对内、外层玻璃的不同性能要求。比较常见的问题就是无论内呼吸、外呼吸方式，外层玻璃均为采用单玻、内层玻璃为中空玻璃。事实上，对于内呼吸幕墙而言，高性能的玻璃置于外层节能效果更好。

问题2：无法通风，或者无法有效通风。主要原因包括夹层空间面积不够，或者上下多层连通通风，实际通风效果有限（图7）。通风效果不佳，无法带走夹层的太阳辐射热量，有的时候空调能耗还会增加（特别对于公建而言，这种双层皮幕墙方式会增强保温性能，反而不利于过渡季或夏季夜间散热）。

问题3：夹层不设置遮阳百叶，或采用简单的丝网印刷或彩釉百叶，或者遮阳百叶设置在室外。夹层不设遮阳百叶，整体遮阳系数的降低在10％左右，从围护结构节能的性价比看，是否有必要采取双层皮构造方式值得商榷。

而对于既采用双层皮幕墙，如果仅仅是在外层或内层多镀上一层彩釉层或增加丝网印刷，围护结构的可调节性能十分有限（只能依赖通风），从围护结构节能的性价比看，也许也没有必要采用双层皮幕墙方式。

2.5 屋顶绿化混合垂直绿化

针对时下比较流行的屋顶和垂直绿化，如果如图8采用外走廊形式和外走廊楼梯扶手设置分层的垂直绿化、在主要景观立面利用垂直绿化做单位Logo（标识）等措施，结合了建筑本体设计，在优化建筑本体的热工性能的同时造价增加有限，而且还同时实现了美化建筑的功能，这样的设计思路值得推广。但是如果如图9只是简单地在南立面设置全垂直绿化墙，项目造价高，且维护过程繁琐，费用昂贵，性价比差，不值得推荐。

2.6 地源热泵

选取典型案例进行地源热泵空调系统的实测分析（如表1， 2所示），结果发现约1/3的地源热泵系统运行实测COP不高，夏季COP甚至不如分体空调器，仔细拆分其能耗构成，分析设计施工环节问题，主要原因如下：

（1）系统效率低，输配系统能耗高，占总能耗的40％～60％；

（2）过渡季、夏季利用冷却塔和土壤换热运行策略，但若控制不好不如直接用冷却塔；

（3）部分项目在地下管埋管、换热方面存在问题。

2.7 太阳能光伏

在对4个建筑光伏发电系统进行监测后，结果发现光伏发电量占全楼耗电量的比例很小，分别为0.68％，1.2％， 3.9％和4.8％。某夏热冬冷地区零能耗绿色建筑，设计利用太阳能光伏系统实现零能耗，其技术策略和实际运行结果，反映了一些问题：（1）建筑面积小、容积率低（约0.5），保持低运行能耗实现太阳能发电与运行用能平衡的重要原因建筑空间使用率低、人员少；（2）安装了300m2的光伏板，成本昂贵，建筑建安成本达2万元/m2，完全不具备推广性。

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5 光导管安装建筑立面

6 顶部与立面光导管结合

7 缺乏有效通风面积的双层皮幕墙办公建筑

此外，选取深圳某绿色建筑和北京某绿色建筑为例，测试分析了其太阳能光伏系统的逐月发电效率值，逐月光伏发电效率在8％～17％之间，属于低效率高成本的能源利用形式（图10）。

我们认为，在中国土地资源紧张的现代化高层建筑密集的城市绿色建筑建设中，如果太阳能光伏系统的效率达不到16％以上，不适合大面积推广应用。

2.8 太阳能光热

太阳能集热器主要用于供给生活热水。深圳某绿色建筑采用了太阳能集热板结合空气源热泵作为辅助热源的生活热水供热方式，系统产生的热水主要供给室外游泳池的淋浴热水需求。如图11中太阳能保证率和集热系统效率6-10月份高，其他月份低。

从实际运行策略上看，冬夏水箱水位控制一致，但冬天实际用水量小于最低控制水位，浪费热泵电量以维持保温水箱水温，可以将冬夏保温水箱的控制水位分开，夏季不变；冬季将所控制的水位调低，并在使用人数较多时切换回夏季的水位控制。这样可以提高太阳能集热的使用效率。对于太阳能热水系统，当太阳能保障效率不高时，不如直接使用空气源热泵系统。辅助能源形式与安装容量的选择、辅助能源与太阳能的集成控制模式决定了太阳能热水系统的适宜性。

3 绿色建筑整体性能定量化后评估

笔者带领研究生自2010年以来，持续对国内绿色建筑建成效果进行了能耗、室内环境和主观满意度调研测试。结果发现，国内各气候区获得绿色建筑标识认证的办公建筑整体能耗较低，但各建筑间能耗差异较大。物理参数测量结果基本达到相应标准要求；用户满意度调研结果显示绿色建筑用户比常规建筑对室内环境品质明显有更高的满意度，且此差异在热环境、室内空气品质及整体满意度上最为显著。

对31栋案例建筑的总能耗统计如图12所示。图中从左至右3个线框分别表示严寒及寒冷地区、夏热冬冷地区及夏热冬暖地区。对严寒及寒冷地区内的样本建筑，橘黄色柱形表示采用地源热泵系统的建筑全年总电耗（即包含冬季采暖），蓝色柱形表示采用区域集中采暖建筑的全年总电耗，红色柱形表示采用区域集中采暖建筑的等效电耗［10］。

可以看到，严寒及寒冷地区的15栋建筑总电耗处于50～140kWh/（m2·a）之间，总电耗的平均值为87kWh/（m2·a），其中BJ-6，TJ-3，TJ-4三栋建筑总电耗较高，调研发现是由于商业办公建筑内区过大、全天24h运行、新风渗漏等相关因素导致的特殊个例。将极端个例排除后重新计算，12栋严寒及寒冷地区建筑总电耗平均值为73.2kWh/（m2·a）；10栋夏热冬冷地区建筑总电耗处于52～110kWh/ （m2·a）之间，其平均值为72.3kWh/（m2·a）；6栋夏热冬暖地区建筑总电耗处于50～120kWh/（m2·a）之间，其平均值为77.4kWh/（m2·a）。

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表 1 地源热泵系统冬季COP实测

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表2 地源热泵系统夏季冬季效率分析

将调研结果与《民用建筑能耗标准》中办公建筑能耗对比。去除极端个例后，大部分严寒及寒冷地区绿色办公建筑总电耗达到约束值水平，同时也有部分建筑达到目标值水平，整体平均值处于目标值与约束值之间。夏热冬冷地区绿色办公建筑总电耗基本接近或低于目标值，整体平均值低于目标值。夏热冬暖地区绿色办公建筑总电耗大部分达到约束值且接近目标值，整体平均值略高于目标值［11］。

通过对31栋国内绿色建筑中工作人员进行主观满意度调研，发放了1000余份有效问卷（每栋办公楼调研人数不少于总人数20％）。对其中的热环境满意度、空气品质满意度、光环境满意度、声环境满意度及总体环境满意度数据，采用了SPSS软件来进行因素分析、相关性分析及回归分析。分析结果如图13所示，其中各项环境满意度水平均采用四分位图表示，柱形的上线与下线分别表示25％及75％的用户水平，柱形中部的线表示中位数。图中的圆点表示离散值样本，星号表示极端值样本。表明绿色建筑用户在室内环境品质方面明显有比常规建筑更高的满意度，通过卡方检验可以进一步验证其显著性差异。

从图13也可以看到绿色建筑与常规建筑满意度间的差异在热环境、室内空气品质及整体满意度上非常显著，这一点与国外研究者结论一致；而在光环境与声环境方面，虽然绿色建筑满意度也略高，但差异较小。并且结果显示常规建筑中的离散值样本显著多于绿色建筑，可见绿色建筑的环境品质照顾到了更多用户的整体感受［12-16］。

4 总结与展望

目前我国绿色建筑正处于快速发展时期，绿色建筑投入使用后的实际效果如何，也越来越引起人们的重视。本文对于不同气候区的绿色建筑常用技术，如建筑外遮阳、地道风、天然采光、双层皮遮阳、屋顶绿化、地源热泵、太阳能光电和光热系统等技术实际使用效果进行了调研测试和对比评价，给出了设计和运行优化建议。此外，结合不同气候区一批建成的绿色建筑运行能耗和室内环境品质实测分析对比，对如何提升绿色建筑整体性能提出了建议。研究发现，上述技术中存在盲目应用的问题，需要及时纠偏，具体应用时，还需因地制宜，避免技术堆砌，要选择高性价比、高效率的技术。通过对国内严寒及寒冷地区、夏热冬冷地区、夏热冬暖地区获得绿色建筑标识认证的办公建筑实际运行能耗进行调研，对比发现目前国内绿色建筑能耗水平整体较好，不少已达到《民用建筑能耗标准》中的目标值水平，但各建筑间能耗差异较大，说明存在节能潜力。

通过对寒冷地区及夏热冬冷地区建筑的长期室内物理环境监测及用户满意度调研中，对绿色建筑和常规建筑各项环境参数满意度分析发现光环境及声环境在各项环境因素中满意度水平相对较高；对绿色建筑和常规建筑对比发现绿色建筑用户在室内环境品质方面明显有比常规建筑更高的满意度，且此差异在热环境、室内空气品质及整体满意度上非常显著。

以上结论，可为从设计到运行阶段全面提升我国绿色建筑性能提供参考和借鉴。未来还需进一步补充调研测试案例，通过对比分析总结，以便更好地反馈设计，为绿色建筑朝着又快又好的方向发展提供支撑。

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10 典型绿色建筑案例中太阳能光伏发电效率比较

参考文献

［1］ 绿色建筑评价标准. GB/T50378-2014.

［2］ 甘玉凤. 建筑节能示范工程后评估研究. 重庆大学， 2011.

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［4］ Singh， Vipul. Analysis Methods for Post Occupancy Evaluation of Energy-Use in High Performance Buildings Using Short-Term Monitoring. Masters Abstracts International， 2011.

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［6］ CATHY T.， and MARK F.， Energy Performance of LEED® for New Construction Buildings. NBI， 2008.

［7］ CATHY T. LEED Building Performance in the Cascadia Region: A Post Occupancy Evaluation Report， 2006.

［8］ 李丛笑. 林波荣. 魏慧娇. 郭振伟. 郭晓川. 我国绿色建筑使用效果后评估实践.动感：生态城市与绿色建筑， 2015（1）.

［9］ 肖娟.绿色公共建筑运行性能后评估研究.清华大学， 2013.

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［13］ Abbaszadeh Fard. Healthy Buildings. Occupant Satisfaction with Indoor Environmental Quality in Green Buildings， 2006.

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［16］ Sergio Altomonte， Stefano Schiavon. Occupant Satisfaction in LEED and Non-LEED Certifed buildings. Building and Environment 68， 2013: 66-76.

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11 太阳能热水保证率对比

12 国内绿色建筑能耗调研结果

13 调研绿色建筑与常规建筑环境品质满意度对比（4，10-13作者自绘）

Te Effect of Green Building Technology and POE of Green Building Performance

Abstract:Considering the background that green building has become a fourishing industry with the large support from the economic blooming， national policy and the power of science and technology， and the Post Occupancy Evaluation of green building has a great demand and a promising future. But using green building technology is the main basis for the evaluation of green building， there lacks systematic and comprehensive research on the effect of green building technology and POE of the total performance of the green building at present in China. Tis article evaluates the effect of green technology in practice based on the investigation and measurement in green building， giving some guidance. Meanwhile， subjective perception and objective measurement results are both supposed to be considered all over the year.

Keywords:green building， common technology， POE，investigation and measurement， case evaluation

作者单位：清华大学建筑学院

收稿日期：2016-06-02