三星綠色辦公建筑運行實效分析

王毅暉 ,蔡健敏 ,周 燕* ,張求淇 ,余志鋒

（1.寧波大學 土木與環境工程學院,浙江 寧波 315211;2.寧波大學建筑設計研究院有限公司,浙江 寧波 315211）

近十多年來,在國家節能減排的大背景下,獲得綠色建筑設計標識認證的建筑數量迅速增長,文獻[1-5]對國內不同氣候區內獲得設計標識的典型綠色辦公建筑實際運行效果進行了分析.與迅速增長的設計標識綠色建筑數量相比,獲得運行標識的數量很少,并且建筑的實際運行效果和設計目標往往存在偏差[6-7].本文通過對寧波地區首個獲得三星級運行標識的綠色辦公建筑運行性能進行實測,從室內環境質量、用戶滿意度以及建筑能耗方面對該建筑的運行性能進行全面研究,在此基礎上,分析影響運行能耗和室內環境質量的原因,為夏熱冬冷地區綠色建筑設計和運行階段進一步提升性能提供參考依據.

1 研究對象

寧波大學科技服務大樓是2019 年獲得三星級綠色建筑運行認證標識的建筑,是目前為止寧波地區唯一獲得綠色建筑三星級運行標識的建筑.該建筑由地上9 層和地下1 層組成,建筑平面形狀呈回字形,總建筑面積約為12 461.60 m2,其中地上建筑面積10 634.09 m2,地下建筑面積1 827.51 m2,總高度約為39.5 m,體形系數為0.27,朝向為南,如圖1 所示,其主要功能為大學對社會提供科技服務.

圖1 案例建筑

1.1 被動式節能設計技術

案例建筑被動式節能設計策略有利用中庭進行自然通風和自然采光,中庭尺寸為19 m×9.4 m×38.7 m,從一層通高到頂且無頂蓋,中庭四周有大面積可開口回廊,回廊內側墻上都有可開啟窗戶,如圖2 所示,中庭在提供建筑自然采光的同時,能有效利用煙囪效應促進室內自然通風;另外,還設置了屋頂綠化、庭院綠化和東西向墻體攀援植物垂直綠化.外墻采用20 mm 厚無機輕集料保濕砂漿內外保溫,傳熱系數為0.95 W·(m2·K)-1,屋頂采用75 mm 厚擠塑復合保溫板,傳熱系數為 0.36 W·(m2·K)-1,窗墻比分別為東向0.35,南向0.31,西向0.27和北向0.28,外窗均采用斷熱鋁合金高透光LOW-E 玻璃,傳熱系數為2.7 W·(m2·K)-1,遮陽系數為0.53.

圖2 被動式節能設計策略

1.2 空調系統設計

通過對不同空調方案進行對比分析后,案例建筑空調系統采用地源熱泵型水冷多聯機,將變制冷劑流量多聯機和室外地埋管系統相結合,在制熱期間可以保證機組高效運行,其中機組總冷負荷約為1 011 kW,熱負荷約為728 kW.室內機側為直接蒸發式,室外機側采用地埋管與閉式冷卻塔串聯的方式,制冷時,冷卻水優先采用地埋管冷卻[8].

2 室內環境質量測試和問卷調查方法

2.1 測試儀器和方法

選取大樓中典型布局的普通和大空間辦公室進行測試,普通辦公室有2 名工作人員,大空間辦公室有10 名工作人員,如圖1(a)中的紅線區域,位于6 樓南向.測試的物理參數有室內空氣溫度、相對濕度、黑球溫度、二氧化碳濃度和照度.測試時間為2019 年1 月至12 月,所用測量儀器見表1,所有測試數據自動記錄時間間隔為15 min,室內溫濕度測量儀器放置在測量房間相應的辦公桌上,距離用戶日常辦公范圍1 m 以內,同時避開熱源以確保測量儀器能夠直接記錄用戶感受的環境參數.室內熱濕環境調節在夏季和冬季依靠開啟空調系統,而在春季和秋季依靠室內外自然通風,空調系統不運行.測量照度時,照度計在距離地面75 cm高度的位置.

表1 測量儀器的范圍和精度

2.2 用戶滿意度調查

為了定量分析用戶對案例建筑室內環境質量的滿意度,對建筑內的用戶進行了有關室內環境感知的問卷調查,主要包括用戶對室內熱濕環境、光環境、空氣品質和整體環境質量的滿意度.問卷中關于室內環境質量的問題采用從-3 到+3 的7 等級表示用戶滿意度水平從十分不滿意至十分滿意,即“非常不滿意(-3)、不滿意(-2)、稍微不滿意(-1)、中立(0)、稍微滿意(+1)、滿意(+2)和非常滿意(+3)”.本次調研一共得到126 份有效問卷,案例建筑中超過 85%的用戶參與了問卷調查,其中男性占68.25%,女性占31.75%,參與問卷調查用戶年齡分布和在案例建筑中周工作時間分布如圖3 所示,年齡層分布涵蓋各個年齡段,多數用戶每周約有40 h 在案例建筑內,具有代表性.

圖3 參與問卷調查用戶的基本信息

3 室內環境質量分析

3.1 室內熱濕環境分析

普通和大空間測試房間內全年溫度和相對濕度變化趨勢基本一致,對普通辦公室內測試數據進行分析,測點分布如圖4 所示,全年劃分為四季,春季為3 月—5 月,夏季為6 月—8 月,秋季為9 月—11 月,冬季為1 月—2 月和12 月,冬季和夏季開啟空調系統進行采暖和制冷,春秋兩季主要依靠開窗進行自然通風.參考民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[9]中規定的熱舒適度Ⅱ級區域,即圖4 中兩條點劃線之間的區域:夏季室內溫度為24～28 ℃,相對濕度 40%～70%;冬季室內溫度18～24 ℃,相對濕度≤60%.為了全面分析案例建筑全年室內熱濕環境情況,分別計算了不同季節數據測點落在熱濕舒適區域內的比例,見表2.

表2 全年溫度和相對濕度測點在舒適區域內的比例 %

由圖4 和表2 可知,全年各季節溫度測點落在舒適區域內的比例均高于相對濕度,特別是依靠開窗自然通風的春秋兩季,落在舒適區域內的比例均在90%以上,冬季最低為58.11%,這與夏熱冬冷氣候區人們長期的生活習慣有關,冬季更喜歡偏低的室內溫度.對于相對濕度,夏季落在舒適區域內的測點最少,只有15.06%,而春、秋、冬季測點在舒適區域內的比例均在50%以上,因此,全年大部分測點相對濕度未達到舒適要求.

圖4 測試房間全年熱濕環境測點在熱濕舒適區域分布情況

3.2 室內CO2濃度分析

分別選取測試房間全年不同季節的室內CO2濃度進行分析,如圖5 所示,圖5(a)為普通辦公室全年不同季節典型周的室內CO2濃度變化趨勢,圖5(b)為普通和大空間辦公室全年CO2濃度分布情況.從圖中可以看出,無論在哪一個季節,室內CO2濃度大部分時間均保持在一個相對較低的水平,全年CO2濃度最大值均低于室內空氣質量標準[10]中規定的標準值1.0×10-3.冬季和夏季的室內CO2濃度均比春季和秋季高,標準差高于春秋兩季,分布也更加不均勻,主要原因為測試房間春秋兩季依靠開窗通過自然通風來調節室內熱環境,而冬夏兩季依靠開啟空調系統來調節室內熱環境,雖然室內有新風系統,新風量滿足設計標準,但室內換氣次數遠低于自然通風.

圖5 測試房間全年CO2濃度分布情況

3.3 室內光環境分析

天然采光系數和人工照明照度兩個參數可用于對室內光環境質量進行綜合分析.為了分析人工照明照度,對案例建筑中所有房間(除一層大廳外)進行測量,并選取各樓層主要普通辦公室和大空間辦公室不同區域的照度值進行分析,如圖6 所示,大空間辦公室的照度平均值為354 lx,普通辦公室內照度平均值為470 lx,均高于建筑照明設計標準[11]中的標準值300 lx,符合設計標準要求.

圖6 案例建筑辦公房間照度實測值

對于自然采光系數測量,選取5 樓南面開放辦公區進行測試,根據采光測量方法[12]的要求,為了避免光照的不穩定性對測試結果的影響以及樹木與其他建筑物的遮擋,選擇在全陰天時對圖7 中測試區域進行照度測量,測試時間為2019 年10 月15日下午13:30,室外照度測試值為12 200 lx.測試房間的長、寬、高分別為8.4 m、6.6 m、3.6 m,外窗面積為3.0 m×2.6 m+1.5 m×2.6 m=11.7 m2,該房間的窗墻面積比為0.39.為了更詳細地了解室內采光系數的分布情況,以房間東南角為原點,測點布點原則為:沿長度x方向在600,1 200,1 800,…,7 800 mm 處布置13 個測點;沿寬度y方向在600,1 200,1 800,…,6 000 mm 處布置10 個測點;z方向取工作面高度750 mm.布點位置如圖7所示,共130 個測點.

圖7 自然采光測點位置布置

根據采光系數的定義式可計算各測點的采光系數.

式中:C為采光系數;En為室內照度,lx;Ew為室外照度,lx,本次測試為12 200 lx.

根據實測數據計算得到采光系數,如圖8 所示,測試房間的采光系數平均值為3.13%,略高于建筑采光設計標準[13]中規定的3.0%,距離外窗2 400 mm以內的測點采光系數基本大于3.0%,平均值為6.5%,2 400 mm以外的測點采光系數小于3.0%,平均值為1.06%.

圖8 測試房間實測采光系數

3.4 用戶滿意度分析

通過對用戶滿意度問卷調查結果進行分析,用戶對案例建筑室內環境質量的滿意度水平如圖9所示,包括室內總體環境、光環境、空氣品質和各季節室內熱濕環境的滿意度評價.其中室內總體環境質量滿意度水平最高,最低的是室內光環境,春秋季節的室內熱濕環境滿意度水平相對較高,夏季和冬季室內熱環境滿意度水平低于室內濕環境.

圖9 用戶滿意度百分數及平均分值

案例建筑全年各個季節室內溫度、相對濕度分布和用戶滿意度水平如圖10 所示,其中,圓點代表了用戶平均滿意度水平.春秋季節溫度的滿意度水平明顯高于夏冬兩季,而在相對濕度方面,全年相對濕度范圍明顯偏高,且全年相對濕度測點落在熱舒適區域內的比例較小(表2),但用戶的滿意度水平仍然較高.

圖10 室內溫濕度分布及用戶滿意度水平箱型圖

3.5 分析與建議

3.5.1 室內熱濕環境

根據以上測試和問卷調查分析結果,對于室內熱環境,全年溫度除冬季外大部分時間滿足綠色建筑設計標準要求,全年濕度大部分時間不滿足標準要求.由于寧波地處東南沿海,全年降水較多,相對濕度較大,特別是夏季,但問卷調查結果表明,雖然夏季室內相對濕度大部分時間不滿足設計標準要求,但用戶滿意度水平仍然較高,這可能與該氣候區人們常年處于高濕環境且已經適應了這種高濕環境有關.冬季室內溫度大部分時間低于設計標準,而用戶滿意度水平并沒有偏低,與該地區冬季沒有集中供暖,人們已經習慣而且更偏向于空調系統設定較低的室內溫度有關.對于全年室內相對濕度較大的問題,建議在必要的場所增加除濕設備,降低室內相對濕度.

3.5.2 室內空氣質量

對于室內空氣質量,由于條件限制,本文僅測試了室內CO2濃度,室內CO2濃度在一定程度上可以反映室內空氣質量的好壞.案例建筑采用了較好的被動式自然通風設計策略,通高庭院設計,建筑平面呈“回”字形,中庭四周為大面積可開窗回廊,可形成良好的自然通風和采光效果,春秋兩季室內依靠自然通風換氣,夏冬兩季依靠新風系統進行換氣,無論普通或大空間辦公區,全年室內CO2濃度均保持在相對較低的水平.

3.5.3 室內光環境

對于室內光環境,天然采光系數和人工照明照度均滿足綠色建筑設計標準要求,但用戶滿意度水平卻最低,這主要是由于有些區域照度超標,有些區域室內照度分布不均導致有些工作面照度不能達到要求.開放辦公區一般是從事工程設計的人員,對室內照度要求較高,而測試結果開放辦公區室內平均照度低于普通辦公區.另外,開放辦公區有些位置只能依靠人工照明,不能自然采光,導致用戶滿意度較低.建議室內照明設計時要綜合考慮照明質量、采光系數和個性化調節等要求,盡量合理利用自然采光,使室內照度和均勻度綜合提升,增強相應區域工作人員的心理舒適和滿意度,降低照明能耗.

4 能耗分析

4.1 案例建筑全年運行能耗分析

案例建筑2018 年4 月投入運行,本文選取案例建筑2019 年1 月—12 月的全年能耗監測數據進行分析,消耗的能源只有電能,每月各項耗電量如圖11 所示.單位面積耗電量最多的月份為8 月6.71 kW·h·m-2,最低的月份為10 月3.36 kW·h·m-2,一方面是因為過渡季空調電耗較少,另一方面因為國慶節放假,比同季節的11 月份低;同理,2 月份電耗低于1 月和3 月的主要原因是春節假期.

圖11 案例建筑2019 年全年逐月電耗

過渡季節存在空調用電量的原因,主要是由于局部空調用電,如報告廳和活動室的新風機組用電,以及機房及個別實驗室空調用電.

案例建筑的單位面積年耗電量約為 56.5 kW·h·(m2·a)-1,低于國家民用建筑能耗標準[14]中對夏熱冬冷地區 A 類辦公建筑的約束值 70 kW·h·(m2·a)-1,稍高于其引導值55 kW·h·(m2·a)-1;其中暖通空調電耗占全年電耗比例約為36%,照明插座電耗約占39%,動力設備約為14%,特殊用電約為11%.由于案例建筑空調系統采用的是地源熱泵多聯機,全年暖通空調系統電耗比例相對較小,為了對比案例建筑空調系統能耗情況,選取文獻[15]中夏熱冬冷地區綠色辦公建筑A-CW-1～7的能耗進行分析,如圖12 所示.文獻[15]中建筑A-CW-1～2 的單位面積年耗電量低于案例建筑,其他建筑均高于案例建筑,但案例建筑單位面積年暖通空調耗電量21.2 kW·h·(m2·a)-1均低于其他建筑,A-CW-1～7 中單位面積年暖通空調耗電量最低的是建筑A-CW-7,為21.5 kW·h·(m2·a)-1.根據文獻[5]的分析結果,影響綠色辦公建筑暖通空調能耗的主要因素有空調系統能效比、新風能耗以及分區設計和優化控制策略.案例建筑采用地源熱泵多聯機空調系統,該系統能效比高,使用靈活,負荷調節能力強,每層采用獨立控制的新風系統[8],因此單位面積年暖通空調能耗相對較低.

圖12 案例建筑與夏熱冬冷地區綠色辦公建筑[10]暖通空調電耗對比

4.2 地源熱泵多聯機運行性能分析

案例建筑設有地源熱泵多聯機地源側進出口水溫度監測系統,數據自動記錄時間間隔為10 min.由于該地區冬季人們更習慣于低溫的室內環境,空調開啟率較低,進出口水溫差較小,本文以夏季最熱月2019 年8 月份為例進行分析,大樓空調全部開啟,進出口水溫差變化情況如圖13 所示.地源熱泵多聯機夏季進出口水溫差在0.1 ℃和3.0 ℃之間進行波動,見表3,平均值為1.13 ℃,說明地源側水系統處于大流量小溫差的運行工況.進口水溫以25.5 ℃為平衡線,在23.1～28.7 ℃之間進行波動,進口水溫始終低于地源熱泵多聯機額定工況30 ℃,實際能效比高于設計時參考的額定工況.以案例建筑使用數量較多,制冷量為112 kW 的室外地源熱泵多聯機為例進行分析,當額定工況滿負荷運行(進口水溫為30 ℃),水流量為30.1 m3·h-1時,能效比為4.71;其他參數不變,當進口水溫為25 ℃時,能效比為5.75,提高了22%,案例建筑地源熱泵多聯機進口水溫平均值為25.5 ℃,說明案例建筑空調系統處于高能效比工況下運行.

圖13 地源熱泵多聯機地源側進出口水溫及溫差變化情況(2019 年8 月)

表3 地源熱泵多聯機進出口水溫及溫差分布 ℃

5 結論

為了全面了解和評價寧波首個獲得綠色三星級運行標識的建筑的實際運行性能,本文通過對典型房間全年室內環境參數的測試,并結合用戶滿意度問卷調查和能耗監測系統運行數據,分析了該建筑室內環境質量、建筑能耗和地源熱泵多聯機系統運行情況,結論如下:

(1)全年各季節溫度測點落在舒適區域內的比例均高于相對濕度,全年室內熱濕環境大部分測點未達到設計標準要求;而問卷調查結果表明,雖然夏季室內相對濕度和冬季室內溫度大部分時間不滿足設計標準要求,但用戶滿意度水平并沒有偏低,這可能與該氣候區人們已經適應了這種高濕環境,和冬季人們更偏向于空調系統設定較低的室內溫度有關.

(2)案例建筑采用了較好的被動式通高庭院自然通風設計策略,春秋兩季可以形成良好的自然通風效果,全年任何時刻室內CO2濃度均低于10-3,大部分時間保持在一個相對較低的水平,滿足設計標準要求.案例建筑室內光環境參數測試結果滿足設計標準要求,但用戶滿意度水平卻最低,這主要是由于開放辦公區一般是從事工程設計的人員,對室內照度要求較高,而測試結果開放辦公區室內平均照度低于普通辦公區.另外,開放辦公區有些位置只能依靠人工照明,不能自然采光,導致用戶滿意度較低.

(3)案例建筑單位面積年耗電量約為 56.5 kW·h·(m2·a)-1,遠低于國家民用建筑能耗標準中夏熱冬冷地區A 類辦公建筑的約束值,且單位面積年暖通空調耗電量為21.2 kW·h·(m2·a)-1,低于同氣候區域中其他綠色辦公建筑單位面積年暖通空調耗電量.地源熱泵多聯機運行效率分析結果表明,夏季地源熱泵多聯機進出口水溫差在0.1 ℃和3.0℃之間波動,平均值為1.1 ℃,進口水溫平均值為25.5 ℃,說明案例建筑地源側水系統處于大流量小溫差的運行工況,而且系統在高能效比工況下運行.