绿色建筑运营优化方法研究——以天津生态城某办公楼为例

邹芳睿 宋昆 陈鹏 郭丹丹 / ZOU Fangrui, SONG Kun, CHEN Peng, GUO Dandan

绿色建筑运营优化方法研究
——以天津生态城某办公楼为例

邹芳睿 宋昆 陈鹏 郭丹丹 / ZOU Fangrui, SONG Kun, CHEN Peng, GUO Dandan

通过我国绿色建筑后评估发现的问题，对国内外建筑运营优化方法进行了调研，结合天津生态城某办公楼项目案例，初步提出了包括设计复盘、物业管理体系、运行数据监测与分析、诊断与优化的绿色建筑运营优化方法。该方法有助于提升绿色建筑的运营效果，进而使绿色建筑实现真正意义上的节能减排。

绿色建筑 运营优化 后评估 模拟

绿色建筑是指在建筑的全生命周期内，最大限度地节约资源（节能、节地、节水、节材）、保护环境和减少污染，与自然和谐共生的建筑。从2008年我国第一个绿色建筑项目开始实施截止到2014年2月，全国共有1 452个项目获得绿色建筑认证，总建筑面积超过1亿m2。为了考核绿色建筑的实际使用情况，住房和城乡建设部（以下简称“住建部”）先后组织了两次全国范围内的绿色建筑后评估工作。2012年，住建部组织了首次绿色建筑后评估工作，发现绿色建筑的实施过程存在不足，绿色建筑技术措施存在不落实、减量落实的现象。2013年，住建部再次组织绿色建筑后评估工作，发现绿色建筑的硬件落实已提高很多，但绿色建筑的运营管理和实际效果方面还存在以下不足：（1）绿色建筑运营效果不明显；（2）绿色技术和设备失效；（3）绿色建筑的运营管理缺乏针对性和系统性。

1　国内外方法调研

为了探索绿色建筑运营优化方法，笔者对国内外相关研究成果进行了梳理和分析。结果发现，建筑运营优化方法主要集中在节能领域，相关方法包括建筑调适、调试、节能诊断、能源审计等。建筑调适源于欧美发达国家，属于北美建筑行业成熟的管理和技术体系。其主要内容为通过在设计、施工、验收和运行维护阶段的全过程监督和管理，保证建筑能按照设计和用户的要求，实现安全、高效的运行和控制，避免由于设计缺陷、施工质量和设备运行问题，影响建筑的正常使用，甚至造成系统的重大故障（逄秀峰 等，2015）。建筑调适涉及设计、施工、运营等各个阶段，我国施工阶段开展的建筑调试工作属于建筑调适的基本组成部分之一。2007年9月，薛志峰、江亿编著的《既有建筑节能诊断与改造》一书出版；同年10月31日，住建部颁布《国家机关办公建筑和大型公共建筑能源审计导则》；2008年7月，住建部颁布《国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统建设技术导则》。从以上几个文件发布的时间以及发布单位不难看出，其目的是为了推动我国大型公共建筑节能工作。能源审计成为国家推动此项工作的抓手，而节能诊断则作为能源审计的技术支撑。能源审计与建筑调适相比，在目的方面的本质区别是，能源审计以降低能耗为最终目标，而调适则以提高能效和室内舒适度，同时兼顾能耗为目的。两个标准分别是由中国和美国提出的，从这两个国家的能源使用情况、经济条件及产业发展情况等不难看出二者的区别。

2　研究方法

依据绿色建筑的定义，绿色建筑运营优化的评价指标不应仅仅局限于建筑能耗，而应该涵盖能耗、水耗以及室内外环境舒适度等指标。其次，绿色建筑的运营优化不应局限于运营阶段，而应以建筑全生命周期为出发点，开展运营工作的基础是先对绿色建筑的设计、实施情况进行复盘，排查建设前期遗留的问题。最后，绿色建筑运营优化在传统物业服务的基础上进行提升，制定科学合理的管理制度并严格落实；对运营效果进行监测，采用总量控制原则，从时间、空间等角度进行同比、环比分析，排查问题，在保证舒适度的前提下挖掘节能、节水等潜力，实现运营效果的提升；分析运营优化带来的经济效益，在实现节地、节能、节水、节材与保护环境等目标的同时，使优化工作更具有市场推广价值。

3　应用

为了探究绿色建筑运行优化方法的科学合理性，本文以天津生态城某办公楼项目为案例对该方法进行了实际应用。

3.1设计、实施情况复盘

在项目设计阶段，利用eQUEST软件对建筑能耗进行了模拟，在竣工验收阶段，又对项目的相关用能设备、系统的性能参数进行核实，结果与设计时的模拟情况存在一定的差异（表1）。

表1　项目设计、实施单位面积能耗对比

图1　绿色建筑物业管理体系（能源）

经核实，造成表1所示差异的主要原因为实施工程增加了太阳能集热器面积，使太阳能热水系统保证率由设计值的60.6%提高到了86.6%，导致生活热水部分用电量降低。空调能耗增加的原因为项目设计之初为地源热泵系统提供冷热源，后期改为区域能源站提供冷热源，其中地源热泵制冷提供比例为19.34%，制热比例为19.42%。

3.2物业管理与服务优化

基于国内外的绿色运营相关标准，对物业公司的管理制度、操作规程及运行记录表单进行了系统的完善和优化，并对物业公司操作人员进行了针对性的培训，实现了物业公司由传统运营模式到绿色运营模式的初步转变（图1）。

3.3建筑运行效果监测与分析

采用比较分析法，对该项目建筑设计阶段、建成后以及运行能耗进行比较分析，以正确判断建筑的能耗水平，以及充分挖掘建筑的节能潜力（图2）。

通过对该项目设计、验收、运营3个阶段的总能耗值与分项能耗值进行对比发现，该项目最具有节能潜力的是空调系统。从空调系统各分项能耗及比例分布可以看出，采暖能耗占比较大，是该项目节能潜力的重点（图3）。

图2　项目设计、实施及运行单位面积能耗对比

图3　空调各分项能耗比例（单位：kWh/m2·a）

影响空调系统能耗的因素有两个方面：一个是建筑冷热耗，另一个是空调系统能效比。以建筑耗热量为例，影响因素包括：（1）建筑总散热量，主要包括采暖空间与室外换热量、采暖空间与非采暖空间的换热量；（2）建筑总得热量，主要包括室内得热量和太阳辐射得热量。散热量减去室内得热量以及太阳辐射得热量即为建筑总耗热量。以建筑采暖期的空调能效比为例，其影响因素包括换热站能效比和空调末端能效比，而换热站能效比又包含供热机组本身能效比以及系统的耗电输热比（图4）。

图4　建筑空调系统节能潜力分析路线

图5　测试期间室外逐时温度

3.3.1建筑耗热量分析

按照空调各分项能耗所占比例来看，采暖季建筑耗热量节能潜力最大。因此，通过模拟建筑的理论耗热量与实际耗热量进行验证：

（1）明确实际采暖空间建筑面积4 415m2，非采暖面积5 393m2。

（2）明确建筑围护结构热工性能参数（表2）。

（3）通过建筑小型气象站，实时监测室外温度变化（图5）。逐时记录太阳能辐射强度数据，计算各朝向太阳能辐射强度数据（图6）。

（4）对建筑进行走访调研，记录各使用区域的实际使用人数、设备及照明功率密度（表3）。

（5）对各区域室内温度进行实测，同时非采暖区域的温度按照与采暖空间温度差修正系数为0.7计算。根据上述分析进行模拟计算，得出建筑实际工况下的理论耗热量，并与建筑实时供暖数据进行对比发现：测试期间理论耗热量为2.38kWh/m2，实际耗热量为2.97kWh/m2，两者相差19.7%（图7）。

图6　各朝向测试器逐时太阳能辐射强度

3.3.2建筑风平衡分析

对建筑进行风平衡分析（薛志峰，江亿，2007），对建筑内各层新风换气量、排风量进行统计计算。

首先，空调风系统包括新风机组和排风热回收机组，其送排风量参数如表4所示。其次，机械通风系统包括卫生间排风、电梯井排风，排风量参数如表5所示。再次，根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测》（GB/T7106-2008）中的要求，计算项目在压差为10Pa时门窗缝隙渗透风量为2 103.69m3/h。

根据项目的实际运行情况，总结3种空调风系统运行工况下的室内的风平衡情况。

工况一：非工作时间，新风机组不开启的情况下，送排风量差为-7 296.31m³。

工况二：工作时间，新风机组开启情况下，当室外温度低于有效温度2.13℃时，开启排风热回收机组，送排风量差为-5 796.31m³。

图7　理论耗热量与实际耗热量对比

工况三：工作时间，新风机组开启情况下，当室外温度高于有效温度2.13℃时，关闭排风热回收机组，送排风量差为-1 296.31m³。

综上所述，冬季采暖期，无论在何种运行工况下，室内均存在负压现象。

3.3.3系统能效比分析

（1）换热站能效比

本项目冷热源为能源站提供，故换热站能效比部分主要分析系统耗电输热比。通过测试水泵在25Hz、30Hz、40Hz、50Hz等几个工况下的运行情况，得到水泵效率（表6）。

根据空调水系统逐时的供回水温度、流量监测数据以及水泵的运行频率，即可得到采暖季水系统的实际输送能效比，计算结果如图8所示。因此，可判定该项目空调系统实际输送能效比低于标准值要求。

（2）空调末端能效比

表2　围护结构热工性能参数

该项目空调末端为风机盘管，根据《空气调节系统经济运行》（GB/ T17981-2007）中对不同末端类型对应的空调末端能效比限值要求，计算得出本项目在两种典型工况下的风盘系统限值：10℃温差下，风盘系统限值为48。通过对本项目采暖季逐月风机盘管实际能效比与限值进行对比可知，空调末端能效比均低于限值要求（图9）。

根据上述分析，总结得出以下结论：建筑实际耗热量大于理论耗热量近20%；建筑各种工况下风平衡计算结果均为室内负压；空调系统冷热源及末端能效比均低于标准要求。

3.4运营优化策略

结合能耗监测、分析结果以及现场情况核实，对建筑实际耗热量较大的原因进行诊断：

（1）外围护结构、采暖与非采暖空间等部分区域存在保温封堵不严密，保温性能降低的现象。

（2）由于室内连续负压现象造成的冷风渗透程度加大。

（3）中庭、边庭等高大空间在冬季形成烟囱效应，导致建筑内部热量散失较大。通过对室内进行气流组织模拟，对此诊断进行验证：根据中庭内部流场分布图（图10、11），可以看出中庭垂直方向气流有明显向上流动的趋势，中庭两侧门厅主入口以及顶部采光顶风速明显变大。

表3　室内人员、设备、照明统计

表4　空调系统设备风量统计

表5　机械通风系统设备风量统计

表6　不同频率下的水泵效率

结合测试、分析结果，对空调系统能效比偏低的原因进行诊断：

（1）建筑采暖区域仅占45%左右，空调系统处于部分负荷运行状态，水泵无法实现最佳工况点运行。

（2）由于使用率低，导致空调系统存在“大流量、小温差”问题，末端出风口温度偏低。

（3）由于办公空间与中庭、边庭之间仅为玻璃隔断，传热量较大，室内温度偏低，从而导致空调末端效率低于标准值。

根据上述分析结论，提出建筑空调系统的运营优化策略：

（1）冬季大厅蓄热措施。首先，对于中庭顶部高侧窗缝隙进行密封处理，并对窗户进行保温处理。同时，对大厅首层主入口平开门进行封闭，改为开启旋转门，防止冷风渗透。由于冬季大厅无论采用地板辐射采暖还是风机盘管送热风采暖，均会形成热气流上升的情况，因此对中庭顶部与底部进行冷风渗透封堵是解决中庭烟囱效应与采暖热损失的重点。其次，在做好中庭顶部与底部冷风渗透封堵的基础上，风机盘管与地板辐射采暖均可按使用要求开启。最后，将位于中庭一层顶部送风机盘管的送风角度调整为斜向下30°吹风，在中庭密闭性能好的情况下，基本可形成中庭气流组织的上下分层。

（2）室内风平衡措施。根据室内实际人员数量，重新核算新风需求量，在满足舒适度的情况下实现最大限度的节能；根据室外温度变化以及室内使用情况变化，灵活切换3种空调风系统的运行工况；卫生间排风以及电梯间排风按照需求定时开启，减少排风机连续开启造成的室内负压。

（3）提高空调系统能效措施。空调系统采暖季供回水温差通常为10℃，当温差小于10℃时，降低水泵频率，减少供水流量。采取温差控制策略后，可在现有基础上节约78%的能耗，并且可以有效解决水系统“大流量、小温差”的问题。针对空调末端，在室内温度满足舒适度的情况下，降低风机盘管的设定温度以及风速，可有效提高空调末端的能效比。

3.5经济效益分析

为了考察绿色建筑运营管理所带来的经济效益，对该项目开展绿色建筑运营管理工作一年以来的投入成本进行了初步测算（表7）。在绿色建筑的全生命周期成本中，建设费仅占15%，而其余85%的费用基本都是在运营阶段产生的。绿色建筑的运行成本大致为以下7类：设施维护费、设施更新费、设施运行消耗、养护费、清洁费、垃圾分类收集与处理费、检测费（王占友，2012）。针对本项目而言，由于投入运行仅一年，设备均在维保期内，暂未产生设施维护、更新费用。

图8　采暖季空调水系统输送能效比

图9　采暖季空调末端能效比

图10　横截面Z=4m时的流场分布

图11　纵截面X=16m时的流场分布

表7　绿色建筑运营管理投入增量成本测算

同时，对绿色建筑运营管理带来的节能减排效益进行了测算。经能耗监测系统统计，本项目建筑年总能耗38.85 kWh/（m2·a），与天津生态城办公建筑能耗基准线110 kWh/（m2·a）相比，该项目每年节省的运行资源消耗费用为33.2万元。

项目仅一年内在资源节约方面即可带来35万元的经济效益。可见，通过绿色建筑运营管理带来的经济效益显著。同时，从绿色建筑全生命周期角度看，良好的运营管理可以有效地提升设备设施的使用寿命，降低维修更换的频率，经济效益更为可观。

4　结论

本文以绿色建筑后评估工作中发现的问题为切入点，通过对国内外建筑运营优化方法进行调研分析，结合绿色建筑可持续发展的本质，初步得出了绿色建筑运营优化的方法，并通过实际项目对该方法进行了验证，得出结论如下：

（1）绿色建筑运营优化方法应包含物业管理、运行数据分析、诊断、运行优化策略，以及经济效益分析等。

（2）运行数据分析是运行诊断以及得出优化策略的重要抓手，计量与监测系统则是运行数据分析的必要条件。数据分析采用总量控制的原则，从时间、空间角度进行同比、环比分析，找出节能潜力靶，进行深入诊断。

（3）模拟是验证诊断结论的有效手段。在诊断结论的基础上，提出建筑运行解决方案。考虑到硬件改造带来的增量投入等，通常采用“低成本”的运行优化策略。

（4）为了衡量运行优化后的效果，需要对运营优化效果即优化后带来的经济效益，进行后评价。

笔者将在下一步的研究中把运行优化方法拓展到建筑水资源、材料资源应用与室内环境舒适性领域，以期全方位提升绿色建筑节能减排效益，实现人与环境和谐共生。

[1] 中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50378-2014绿色建筑评价标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[2] 逄秀峰，刘珊，曹勇，等.建筑设备与系统调适[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T17981-2007空气调节系统经济运行[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4] 薛志峰，江亿.既有建筑节能诊断与改造[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[5] 王占友.运营管理对建筑节能的贡献[J].智能建筑，2012（1）.

中国科学技术协会学会改革创新项目：绿色建筑实施效果评估（编号：2015GGCX002）；住房和城乡建设部2015年科学技术项目计划：办公类绿色建筑性能评价方法及实例研究（编号：2015-R1-014）。

邹芳睿，天津大学建筑学院，天津生态城绿色建筑研究院有限公司

宋昆，天津大学建筑学院

陈鹏，中元国际（上海）工程设计研究院有限公司

郭丹丹，中国城市科学研究会绿色建筑研究中心

2015-12-07

OPTIMIZATION METHODS OF GREEN BUILDING OPERATION: A CASE STUDY OF AN OFFICE BUILDING IN TIANJIN ECO-CITY

Through problems found in green building post occupancy evaluation, this paper investigates optimization methods of green building operation at home and abroad. With an office building in Tianjin Eco-city as an example, this paper proposes optimization methods of green building operation, including design replay, property management system, running data monitoring and analytic, diagnose and optimization. The approach can help increase operation effect of green building, and thus make green buildings to achieve energy conservation and emission reduction indeed.

Green Building, Optimization Operation, Post Occupancy Evaluation, Simulation