基于实际运行性能的绿色建筑案例研究

穆迪 瞿燕 李海峰

华东建筑设计研究院有限公司

绿色建筑是实现建筑可持续发展的一个重要途径，“十三五”期间，上海市绿色建筑规模和质量得到大幅提升。截至2020 年11 月，上海市通过绿色建筑施工图专项审查并达到绿色建筑设计要求的建筑规模达到2.33 亿m2，全市获得绿色建筑评价标识项目总数达到850 项。但获得运营标识的项目相对较少，截至2020 年11 月，上海市获得绿色建筑运行标识的项目共48 个，建筑面积合计580 万m2。关注绿色建筑实际运行效果，合理对其进行评价，是绿色建筑发展中的一个重要环节[1-2]。本文以获得绿色建筑三星级设计标识的沪上生态家作为研究载体，通过对其开展建筑整体热工性能测试，室内热环境测试，室内空气品质测试及能耗数据分析，获取其运行现状，积累项目经验，为优化建筑实际运行性能提供建议。

1 沪上生态家概况

沪上生态家（图1）位于上海世博会城市最佳实践区北部街区内（西临中山南路，东临南车站路），是一幢以绿色生态为理念打造的科技示范建筑，并获得绿色建筑三星级评价标识。建筑用地面积774 m2，2010 年建成时总建筑面积3147 m2，2015 年改造后总建筑面积为3380.34 m2，地下1 层，地上4 层，屋面为上人屋面，建筑总高度24.8 m。该建筑为框架结构，模数化方正形体。中庭为半封闭式，主立面朝北，结构为玻璃幕墙，长16.7 m，宽7.1 m，高22.0 m，从地下1 层起贯通整个建筑。中庭和各层办公区域之间由下部1.1 m 高的防护玻璃和上部0.8 m 的隔墙以及0.5 m 的挡烟垂壁相隔。

图1 沪上生态家效果图

2 建筑整体热工性能测试

该建筑体形系数为0.213，建筑窗墙比东向0.17，南向0.36，西向0.05，北向0.57，天窗0.18。外门窗（包括玻璃幕墙）采用的玻璃类型为8+12A+8Low-E 玻璃，采用的型材为断热型材。围护结构传热系数：外墙0.79 W/(m2·K)，屋面0.24 W/(m2·K)，东、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)，内墙0.92 W/(m2·K)，楼板0.97 W/(m2·K)。

为了评价建筑整体热工性能，选择气温大幅度下降日期2020 年2 月15 日-2020 年2 月16 日，单日降温幅度达到10 ℃以上，测试自然状态下室内空气温度的变化，并以“气温衰减倍数”作为评价指标。该时间段为疫情期间，建筑未运行，室内无人员设备等热源。参照《民用建筑热工设计规范》GB50176-2016[3]中的围护结构的衰减倍数，给出气温衰减倍数的定义：室内空气温度受室外空气温度周期性变化的作用，室外空气温度波幅与室内空气温度波幅的比值。气温衰减倍数体现了外墙/屋面/外窗热工性能以及建筑整体气密性的综合作用，衰减倍数越大，表明室内空气温度越稳定，建筑的整体热工性能更好。其计算方法如式（1）所示。

式中：σ 为气温衰减倍数，无量纲；θe为室外综合温度或空气温度波幅，K；θi为室外综合温度或空气温度影响下的室内空气温度波幅，K。

由图2 可知，24 小时的测试时间内，室外气温降温幅度达到10.6 ℃。针对室内空间，分别在一层大空间办公区域和五层会议室区域各设置一个温度测点，测点位于距地面高1.5 m 处。测试结果显示，一层大空间办公区域呈现出较好的热稳定性，测试期间测点温度降幅为5 ℃，气温衰减倍数为2.12。五层会议室外围护结构为玻璃，因此热环境较差，测点温度降幅为9.1 ℃，气温衰减倍数为1.16。

图2 不同测点温度分布

3 室内热环境测试

测试在室内办公区域每层各设置一个测点，如图3 所示，测点位于办公区域走廊上方1.5 m 高度处，采用温湿度记录仪AZ8808 在测点处全时段持续性测试，数据记录时间间隔20 分钟。

图3 沪上生态家测点分布图

我国现行规范《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB 50736-2012[4]对第3.0.2 条对舒适性空调房间的设计要求如表1 所示。参考上述规范，结合实际室内环境情况，本文中针对夏季工况，对温湿度舒适区间的范围界定为温度区间24～28 ℃，相对湿度40%～70%。针对冬季工况，对温湿度舒适区间的范围界定为温度区间18～24 ℃，相对湿度30%～60%[5]。

表1 舒适性空调室内设计参数

3.1 夏季热环境测试结果

选取2018 年7 月15 日～8 月15 日期间工作时间段（工作日9:00-18:00）的数据进行夏季室内热环境分析，各测点的温湿度分布如图4 所示，测试期间室外温度在32 ℃以上。可以看出，房间在测试期间大部分时段都处于夏季温湿度舒适区内，即温度区间24～28 ℃，相对湿度40%～70%范围内，如图4 中方框所示。对测试结果进行统计（表2）可得，夏季温湿度舒适区内的数据占总体数据的85.9%。一层大空间的温度偏低，低于24 ℃的数据占比30.5%。湿度偏高，高于70%的数据占比30.9%。从整体达标率来看，一层大空间仅51.5%，而其余三个楼层整体的达标率均在95%以上。

图4 夏季温湿度分布

表2 夏季测试温湿度达标率

从不同楼层温度均值来看，一层大空间平均温度为24.5 ℃，四层大空间平均温度为26.2 ℃，相差1.7 ℃。此前针对沪上生态家室内冷热不均问题的研究中发现，高温晴朗气象条件下夏季空调工况中庭区域垂直温差可达18 ℃，办公区域一层和四层之间温差在3～4 ℃之间[6]。在中庭贯通空间中，夏季制冷工况下冷空气向楼下空间聚集，且办公区域空调箱自动控制功能损坏，造成一层大空间温度偏低，温湿度整体达标率较低。

3.2 冬季热环境测试结果

选取2019 年2 月14 日～3 月4 日期间工作时间段（工作日9:00-18:00）的数据进行冬季室内热环境分析，各测点的温湿度分布如图5 所示，测试期间室外温度在12 ℃以下。由上文可知，冬季温湿度舒适范围中温度区间18～24 ℃，相对湿度30%～60%，如图5 中方框所示。对测试结果进行统计（表3）可得，冬季温湿度舒适区内的数据占总体数据的64.4%。可以看出，一层和二层大空间有部分测试数据温度偏低，四层大空间部分测试数据温度偏高。一层，三层和四层的湿度达标率较低，相对湿度低于30%的数据较多，反映了空调系统对湿度调节能力的缺失。

图5 冬季温湿度分布

表3 冬季测试温湿度达标率

3.3 过渡季热环境测试结果

选取2018 年5 月14 日-2018 年6 月8 日期间工作时间段（工作日9:00-18:00）的数据进行过渡季室内热环境分析，各测点的温湿度分布如图6 所示。可以看出，过渡季各层大空间的温湿度分布范围较宽，其中温度23～26 ℃区间和湿度40%～80%区间的数据占比较大，占总体数据的76.3%。

图6 过渡季温湿度分布

4 室内空气品质测试

4.1 室内CO2 浓度测试结果

测试期间，各办公大空间内的CO2浓度分布四分位图如图7 所示。在工作时间段内各空间的CO2浓度均值变化范围为510～550 ppm。图中可以看出，四个办公大空间内最高浓度均小于700 ppm，满足GB/T 18883《室内空气质量标准》规定的日平均值小于1000 ppm 的标准[7]。各办公空间人员密度较为稳定，测试期间CO2浓度波动较小。此外，由于四层办公大空间人员密度相较于一层办公大空间人员密度更大，因此CO2浓度均值较高。

图7 室内CO2 浓度分布四分位图

4.2 室内颗粒物浓度测试结果

对冬季供暖工况各层办公大空间的逐时PM2.5和PM10 浓度进行了测试，结果如图8 和图9 所示。从测试结果可看出，在室外PM2.5 和PM10 浓度均值分别为50 μg/m3和65 μg/m3的情况下，室内PM2.5 和PM10 浓度均值的变化范围分别为10～25 μg/m3和15～30 μg/m3。整体而言，室内颗粒物浓度相较于室外有明显降低。在建筑日常运行过程中，应针对新风机组中的空气过滤模块，做好定期的检查，清洁维护以及过滤模块更换等工作，保证新风系统良好的空气过滤净化作用。

图8 PM2.5 浓度测试均值

图9 PM10 浓度测试均值

5 能耗数据分析

沪上生态家的逐月用电量数据如图10 所示，以正常运行一个完整自然年进行统计，从2019 年1 月到2019 年12 月，建筑全年总用电量为191301 kWh，折算单位建筑面积年用电量为56.6 kWh/(m2·a)。12 月份空调供暖期用电量最高，其次为7 月份空调供冷期。沪上生态家的空调冷热源来自于园区的集中能源站，目前统计的用电量数据中包含空调末端及部分输配系统，照明与插座，动力及其它用电等，不包含空调冷热源能耗量。

图10 逐月用电量

研究期间，从长宁区建筑能效监测和管理平台获取2018 年监测的69 栋商业办公建筑的用电量数据，经统计，单位建筑面积年总用电量平均值为82.7 kWh/(m2·a)，单位建筑面积空调用电量为23.1 kWh/(m2·a)，单位建筑面积其他分项用电量为59.6 kWh/(m2·a)。从黄浦区能耗监测平台上收集了50 栋商业办公建筑2019 年的用电量数据，经统计，单位建筑面积年总用电量平均值为88.2 kWh/(m2·a)，单位建筑面积空调用电量为25.7 kWh/(m2·a)，单位建筑面积其他分项能耗为62.5 kWh/(m2·a)。通过对比可看出，沪上生态家空调末端及部分输配系统，照明与插座，动力及其它用电等单位建筑面积年用电量略低于长宁区和黄浦区能耗监测平台的单位建筑面积其他分项用电量数据。

4 结论

本文针对办公建筑沪上生态家的热环境进行了现场测试和能耗数据分析，对建筑整体热工性能的测试和分析表明，沪上生态家办公区域热稳定性良好，建筑空置状态下，室外室外气温降温幅度达到10.6 ℃，办公区域温度降幅为5 ℃，气温衰减倍数为2.12，而玻璃围护结构区域温度降幅为9.1 ℃，气温衰减倍数为1.16。针对室内热环境的测试表明，夏季一层大空间整体达标率较低，二至四层大空间整体达标率在95%以上。冬季温度达标率均在80%以上，而湿度达标率较低。过渡季温度23～26 ℃区间和湿度40%～80%区间的数据占比较大。针对室内空气品质的测试表明，沪上生态家办公区域整体空气质量较好。对逐月用电量数据的分析表明，沪上生态家具备一定的节能优势。

目前沪上生态家运行中存在的较为明显的问题是空调系统调节能力的缺失。原设计的空调箱均设置有变频控制柜，对风机的频率进行控制，空调箱上的风阀、水阀均可以进行电动调节。但由于世博会后该建筑长期未使用，其自动控制功能均已损坏。因此，测试期间出现了各区域温湿度达标率不均的问题。此外，中庭与办公区域之间无隔断，会增加办公区域空调系统的负担，后续研究中将关注空调系统的运行能耗，以期对空调系统的优化提供参考。