上海市绿色办公建筑运行水耗基准值分析

作者:秦岭 李坤 杨建荣
单位:上海市建筑科学研究院有限公司
摘要:通过对国内外建筑水耗研究现状以及绿色建筑运行水耗水平的调研和分析,明确了建筑水耗数据的关键影响因素为节水设备和建筑内的人员情况。基于上海市获得绿色建筑运行评价标识的10栋办公建筑,对其用水分项计量数据进行分析,制定出绿色办公建筑的水耗基准值以及修正因子计算方法,供绿色办公建筑确定合理的建筑水耗水平,也便于进一步提高建筑节水量。
关键词:绿色办公建筑运行水耗基准值修正因子
作者简介:作者简介:秦岭,女,1990年出生,上海人,工程师,主要研究方向为绿色建筑运行性能后评估、水资源综合利用。通讯处:201108上海市闵行区申富路568号10号楼E-mail:qinling@sribs.com;
基金:基金:国家重点研发计划(2016YFC0700105);

 

0 引言

建筑中的水耗是指保证建筑正常运行、建筑用户正常生产生活所消耗的总水量。绿色建筑的推广是解决水资源浪费的有效措施之一,《绿色建筑评价标准》(GB/T 50378-2019)对总用水量提出控制要求的同时也注重于相关技术和策略的应用。建筑设计阶段的给水量是根据各用水点的用水规模和《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003,2009年版)中的用水定额进行计算,绿色建筑则参考《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)中的用水定额核算用水量。建筑运行阶段的实际水耗为建筑使用中的实际用水计量数据,该数值的水平情况没有相关系统性统计分析,设计值和实际值往往存在差异。目前绿色建筑认证中运行标识项目只占总项目数量的6%[1],实际的运行数据非常有限。

目前建筑领域十分关注运行能耗,多个省市已经建立了能耗监测平台,但对于建筑运行期水耗的关注度很低。主要原因一方面是水费价格远低于电费和燃气费,经济敏感度较低;另一方面是水表安装情况并没有达到分级、分项设置,且能耗监测平台中对水耗也没有强制要求,导致水耗数据空白。

1 建筑运行水耗水平

用水定额是最严格水资源管理制度核心内容之一,也是衡量用水合理性的重要标准。为了实现水资源的合理利用和严格管理,缓解水资源供需矛盾,1999年水利部下发了《关于加强用水定额编制和管理的通知》等文件,首次在全国范围开展各行业用水定额编制和管理工作。2001年水利部又发布了《关于抓紧完成用水定额编制工作的通知》,要求各地加快用水定额编制工作,各省市区随后陆续制定了用水定额标准及规定[2]。截至2019年,全国已有31个省市区正式发布了地方用水定额标准。考虑到我国各地气候区别较大,经济发展不平衡等因素,各地建筑用水定额存在差异。对各地标准中办公用水定额进行对比分析如图1所示,定额极小值出现在新疆,由于新疆为缺水省市区,定额取低值具有合理性,不具备可参考性。用水定额极大值为天津、重庆、湖北、江西和福建,初步判断多为包括了食堂等其他用水。排除极大值和极小值后,各省市区的办公用水定额集中在40~60L/(人·d)。在食堂用水定额方面对比如图2所示,标准中的极小值出现在江苏,极大值出现在北京和广西。排除极大值和极小值后,各省市区的食堂用水定额集中在15~22.5L/(人·次)。建筑给排水设计参考的设计标准及节水标准中对于办公用水及食堂用水也有明确定额范围,如表1所示。各省市区办公用水定额的均值在设计标准的范围内,但明显高于节水设计标准。而在食堂用水定额方面,各省市区食堂用水定额小于设计标准且与节水标准值相差不大。

图1 各省市区办公用水定额对比

图1 各省市区办公用水定额对比

Fig.1 Comparison of provincial water quota for offices

图2 各省市区食堂用水定额对比

图2 各省市区食堂用水定额对比

Fig.2 Comparison of provincial water quota for canteens

表1 国家给排水设计标准定额
Tab.1 Water system design standard of water quota   

表1 国家给排水设计标准定额

天津大学2010年统计了位于天津、贵阳和广州市的11栋办公建筑平均水耗量为1.222m3/(m2·年),并根据统计学原理t检验法估计,在置信度为90%时,中国办公建筑的平均用水量在0.967~1.478m3/(m2·年)[3,4,5,6]。2007年北京能源审计,北京市国家机关单位面积水耗为1.023m3/(m2·年),写字楼单位面积水耗为1.284m3/(m2·年)[7]。根据《江苏省城市生活与公共用水定额》(2012年修订)规定,以1.5m3/(人·月)作为参照标准,调查的各建筑超标现象均比较严重[8]。上海在2011年颁布的地方标准《商业办公楼宇用水定额及其计算方法》(DB 31/T 567-2011)中,计算方法为:将商务办公楼宇分为办公区、餐饮区、超市商场区,并为其赋予相应的基准定额值,根据公式计算出其用水定额。

国外在研究水资源短缺问题时,多数国家和地区采取水权管理制度、用水配额或用水限额、水价调节政策相结合的手段,来管理水资源和提高用水效率。国外主要从基础性、政策性、用水效率3个方面研究水资源的管理。美国LEED认证、英国BREE-AM认证、日本CASBEE认证、澳大利亚Green Star认证等绿色建筑标准中都对节水提出了提高性要求。这些建筑评价体系均包含有节约自来水用水量、进行污废水处理利用和节水景观设计3项内容,这是建筑节水的主要措施。澳大利亚环境有关部门对公共建筑用水情况进行了统计分析,统计对象为132座办公建筑,办公建筑的平均用水量为1.125m3/(m2·年),其中用水量最少为0.5m3/(m2·年),英国办公建筑平均用水量为1.08m3/(m2·年),其中用水量最少为0.92m3/(m2·年),通过建筑间用水量的比较可以看出,大部分办公建筑仍存在30%~40%的节水潜力[9]

图3 多地绿色公共建筑年度运行水耗数据

图3 多地绿色公共建筑年度运行水耗数据

Fig.3 Annual operating water consumption of public buildings in different cities

2 绿色建筑运行水耗现状分析

本次研究收集了上海、成都、苏州、天津等地30栋绿色公共建筑的运行水耗水平,对比情况如图3所示。统计建筑类型主要为办公建筑,包括少量学校和展示中心,这些建筑均获得绿色建筑二星级或三星级标识。完整1年水耗统计结果显示单位建筑面积的年用水量在0.130~2.644m3/(m2·年),具有很大的波动性。其中70%以上的调研绿色公共建筑单位建筑面积的年用水量在1.0m3/(m2·年)以下,低于北京、天津、贵阳和广州市等地调研的办公建筑水耗1.222m3/(m2·年),说明绿色建筑整体水耗低于普通公共建筑,具有一定的节水效果。调研数据结果清晰的显示建筑的水耗水平和建筑功能、人员数量以及节水设备措施等关联性大于建筑面积,且初步判断建筑水耗地域性差异较小。

普通办公建筑主要用水点包括卫生用水(即办公用水)、冷却用水、食堂用水、杂用水以及渗漏水。超压出流、渗漏、用水器具节水等级低等是耗水的主要原因[3]。《绿色建筑评价标准》(GB 50378-2019)中对于此类原因都进行了条文约束,设置减压阀、三级水表设置以及节水器具等级的限制可以减少水资源浪费。办公楼用水属于分散型用水,其特点是用水时间长,用水设备的使用情况不集中[10],且卫生器具的使用次数高于其他类型建筑,其在1周内的用水具有很强的规律性,具有很明显的高峰期和低谷期。天津大学2016年对2栋办公楼进行了持续的水量监测及分析,发现用水高峰期都出现在早上上班时间和下午下班时间,且夜间流量很小,与办公楼中人员的作息规律相符合[11]。因此,办公建筑的水耗与节水设备,人员数量及作息有密切关系。

截至2018年底,上海市累计绿色建筑运行评价标识项目29个,建筑面积196万m2[12]。在29个运行标识中,选取10个办公项目,收集水耗运行数据,进行调研分析。调研项目用水情况如图4和图5所示。除项目F和项目I外,其余调研项目建筑运行期间办公水耗均符合《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2009)的要求,但符合《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)要求的仅有4个项目。绿色建筑的办公实际水耗达到节水设计标准仍然存在一定难度。调研的10个项目中有6个设有食堂,食堂运行水耗差异不大,均值为21.4L/(人·餐)。其中项目G符合节水设计标准,其他5个项目均超过节水标准限值,但用水量均在给水设计的定额范围内。

3 上海绿色建筑水耗基准值研究

3.1 研究方法

图4 调研项目办公人均日用水量

图4 调研项目办公人均日用水量

Fig.4 Daily office water consumption in per capita

图5 食堂人均日用水量

图5 食堂人均日用水量

Fig.5 Daily canteen water consumption in per capita

根据上述项目运行水耗数据调研,本次研究对象为运行阶段的绿色办公建筑。除去渗漏、超压出流、不节水的用水器具等影响因素外,办公建筑中的办公用水、食堂用水量主要影响因素为使用人数,相关影响因素包括运行时间、节水器具等级、访客数量、访问时间等。

建筑总水量主要由办公、食堂、室外杂用、空调用水构成,各分项用水量计算方法为使用人数或单位数×用水定额×年用水天数[13]。对于办公以及食堂用水辅以α、β作为系数,对建筑总水量进行修正。本次研究关于办公建筑水耗基准值的制定是以各类用水定额核算为基础,结合对项目实际运行数据变化情况的分析,确定建筑用水的变化范围,并辅以影响因子α、β修正,提出绿色建筑水耗基准值的核算公式,如式(1)所示:

 

式中Q———办公建筑年用水总量,m3/年;

A———办公用水定额,L/(人·d);

B———食堂用水定额,L/(人·次);

C———室外杂用水,m3/年;

D———空调用水,m3/d;

m———建筑常驻人数,人;

n———食堂用餐人数,人;

t1———办公运行天数,d;

t2———食堂运行天数,d;

t3———冷却塔运行天数,d;

α———办公用水量修正因子;

β———食堂用水量修正因子。

3.2 办公用水

通过各项目物业人员提供的信息,影响办公用水的因素主要为访客、节水器具两大方面,自持办公与出租办公也会存在部分差异。物业反馈的情况和文献调研结果基本一致。调研项目办公水耗情况如图6所示,由图6可以看出,在访客量较少的情况下,对于办公用水的总量影响不是很大,但当访客人数变多及访问时间增长时,水量则明显升高;而在相同条件下,采用一级节水器具的建筑办公用水量低于采用二级节水器具的建筑。设置《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)中办公用水定额上限与下限的平均值作为基准数值,令调研项目的水耗数据与基准值进行对比,比值在0.7~1.9,如表2所示。在人数固定的情况下,若采用不同节水等级的用水器具,节水等级越高水耗越小。食堂用水量同理,主要影响因素在于用水器具的等级及人数,建筑使用人数中还分为常驻用户和访客,大量的访客同样会影响水耗。

图6 调研项目办公用水量对比

图6 调研项目办公用水量对比

Fig.6 Comparison of office water consumption

办公用水主要为盥洗用水、冲厕用水及饮用水,参考LEED V4标准中“室内用水减量”条文的计算公式:每个器具类型的每日用水量=器具冲洗速度或流速×使用持续时间×用户×每人每日使用次数[14],对于节水器具用水量进行计算,一级、二级节水器具流量的限制值参考《节水型产品技术条件与管理通则》(GB/T 18870-2016)、《节水型生活用水器具》(CJ/T 164-2014)中的要求,则一级节水器具与二级节水器具用水量比例约为0.8。调研办公建筑类型分为自持办公和出租办公,根据调研数据,采用控制变量法对2种类型的用水平均值进行计算,自用办公与出租办公用水量的比值约为0.9。

表2 调研项目办公用水量与基准数值对比
Tab.2 Comparison of office water consumption with benchmark value   

表2 调研项目办公用水量与基准数值对比

对于修正因子α,设α=w1×w2×w3,其中:w1为访客参数(由访客时长及访客人数比例查表得出),w2为节水器具等级参数,w3为办公类型参数。对于访客时长及访客人数比例构成的访客参数因子,结合实际项目调研数据采用线性插值法得出相应系数表格,见表3。

表3 访客参数查询情况(w1)
Tab.3 Visitor parameter look-up table(w1)   

表3 访客参数查询情况(w1)

对访客人数比例低于0.1或访问时间低于2h的项目的办公用水量进行控制变量法分析,在节水器具等级、办公功能类型相同的情况下,访客比例低于0.1且访问时间低于2h的办公用水量约在22.5L/(人·d),则访客比例及访客时长的影响存在下限值,与《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)中办公用水定额上限与下限的平均值32.5L/(人·d)对比后比值约为0.7,因此将α的下限定为0.7。《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2009)中对于办公用水的上限为50L/(人·d),考虑到设计中会增加10%未预见用水量的情况,将用水上限定为55L/(人·d),即α上限定为1.7,超出范围则建议对建筑用水进行排查或整改。

则排除访客人数及时长过低和过高的情况,结合数据分析结果,绿色建筑办公水耗的影响因素α变化范围设置为0.7~1.7,查表核算结果若不在此范围内,建议采用限值。

3.3 餐饮用水

调研项目中有6个设置了食堂,由图7可见,食堂采用自助餐形式时,用水量大于同样条件下采用套餐项目时;与办公相同,高等级节水器具同样能够减少食堂用水量。基准数值同样参考《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)中食堂用水上限与下限的平均值。调研项目的水耗数据与基准值进行对比,比值在1.0~1.4,如表4所示。

图7 调研项目食堂用水量对比

图7 调研项目食堂用水量对比

Fig.7 Comparison of canteen water consumption

表4 调研项目食堂用水与基准数值对比
Tab.4 Comparison of canteen water consumption with benchmark value   

表4 调研项目食堂用水与基准数值对比

调研办公建筑类型分为自持办公和出租办公,根据项目数据,采用控制变量法对2种类型的用水平均值进行计算,套餐与自助餐用水的比值约0.7。

对于修正因子β,设β=v1×v2×w2,其中:v1为访客用餐次数(由访客比例及食堂供餐次数查表得出),v2为供餐类型参数,w2为节水器具等级参数。对于访客时长及供餐次数构成的访客用餐次数因子,结合实际项目调研数据采用线性插值法得出相应系数表格,见表5。

表5 访客用餐次数查询表(v1)
Tab.5 Visitor meal times look-up table(v1)   

表5 访客用餐次数查询表(v1)

由于调研项目食堂用水量普遍偏高,但并不能确定其他项目餐饮用水的情况,因此将下限值按《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)中食堂用水下限值15L/(人·餐)考虑,则β下限定为0.9。上限考虑同办公用水,不超过设计标准的10%,即1.5,超出范围则建议对建筑用水进行排查或整改。

食堂的影响因子主要为访客人数比例、供餐形式、供餐次数以及节水器具情况。排除访客人数及供餐次数过低和过高的情况,结合数据分析结果,绿色建筑食堂水耗的影响因素β变化范围设置为0.9~1.5,查表核算结果若不在此范围内,建议采用限值。

3.4 其他用水

调研中发现绿色建筑的绿化灌溉、道路浇洒、车库用水、空调系统用水等计量数据不完整,其中绿化灌溉用水差异极大。绿化灌溉用水量主要由气候和绿化养护方式决定,如浇灌频次、时长及绿化生长要求等,导致不同项目该部分水耗数据有很大的离散性,不具有对比意义。因此绿化灌溉用水采用《民用建筑节水设计标准》(GB 50555-2010)中的定额计算方法,即C=绿化面积×节水定额。

与各项目绿化灌溉水耗离散性巨大的情况相反,D所对应的建筑空调用水量(特指冷却塔补水量)比较固定,耗水量与机组设计及运行时间相关,因此空调用水量采用《民用建筑节水设计标准》(GB50555-2010)中的计算方法,即:D=冷却塔循环水量×(1%~2%)×日运行时间。

3.5 基准值结果

结合调研的分析结果及相关标准中的定额,得出上海市绿色办公建筑水耗基准值公式见式(2):

 

式中Q———办公建筑年用水总量,m3/年;

A———办公用水,定值32.5L/(人·d);

B———食堂用水,定值17.5L/(人·次);

C———室外杂用水,m3/年;C=绿化面积×节水定额;

D———空调用水,m3/d;D=冷却塔循环水量×(1%~2%)×日运行时间;

m———常驻建筑人数,人;

n———食堂用餐人数,人;

t1———办公运行天数,d;

t2———食堂运行天数,d;

t3———冷却塔运行天数,d;

α———α=w1×w2×w3(0.7≤α≤1.7),w1:访客参数(查表3),w2:节水器具等级参数,一级节水器具取0.8,二级节水器具取1;w3:办公类型参数,自用办公取0.9,出租办公取1;

β———β=v1×v2×w2,(0.9≤β≤1.5),v1:访客用餐次数(查表5);v2:供餐类型参数,套餐取0.7,自助餐取1;w2:节水器具等级参数,一级节水器具取0.8,二级节水器具取1。

3.6 实际案例验算

以上制定的绿色办公建筑水耗基准值方法,适用于上海地区绿色办公类建筑,此水耗基准值为绿色办公建筑的平均水耗水平。根据得出的基准值计算公式,对于另外2个项目案例进行验算,并与实际水耗水平进行比对,具体信息如表6所示。

表6 项目案例基本信息
Tab.6 Basic information of the example case   

表6 项目案例基本信息

项目K中,基于水耗基准值方法核算,建筑年总用水量=9 609.59m3/年,办公用水单位水耗=32.83L/(人·d),餐饮用水单位水耗=19.60L/(人·次)。

建筑实际年总用水量10 157m3/年,办公用水单位水耗为33.6L/(人·d),餐饮用水单位水耗为20.3L/(人·次)。

项目L中,基于水耗基准值方法核算,建筑年总用水量=29 685.90m3/年,办公用水单位水耗=35.10L/(人·d),餐饮用水单位水耗=19.60L/(人·次)。

建筑实际年总用水量27 759m3/年,办公用水单位水耗为37.7L/(人·d),餐饮用水单位水耗为19.2L/(人·次)。

根据2个项目的验算结果可得出,水耗基准值方法核算的数值与实际运行值的差距在±0.1范围内,数值具有可参考性。通过计算可以得出,项目K的年用水总量高于基准值,但办公、食堂用水计算低于基准值,则室外杂用水部分用水存在改进空间;项目L虽然总量满足基准值,但办公用水高于基准值,则可以关注该部分的用水情况,制定节水策略。

4 结语

本文调研了绿色办公建筑运行阶段的水耗研究现状,该领域目前数据研究较少。通过本次研究,绿色建筑的单位建筑面积水耗也存在较大的差异性,但整体用水量略低于普通建筑,体现了绿色节水设计和技术的性能。本次方法主要考虑人和节水设备对于建筑的影响,对于气候对于建筑的影响未考虑其中,在不考虑气候和冷热源的条件下,存在可复制性。

通过对上海市10栋绿色办公建筑的分项计量水耗数据的深入分析,将办公用水、餐饮用水和其他用水的计量数据进行了评估,并和建筑节水标准进行了对比,同时对节水器具使用情况、人员数量、访客人数比例以及访问时间、餐饮形式等影响因素对建筑水耗的影响情况进行了分析,初步形成了一种绿色办公建筑水耗基准值的核算方法,并建立了初步的修正因子索引表,以便绿色办公建筑形成适合自身特点的合理水耗基准值,物业及业主单位可以此为依据判断建筑的节水空间。

最后通过2个实际案例的验算,将基准值核算出的水耗数据和建筑运行水耗进行了比对,该方法一定程度上体现了建筑的水耗水平和节水情况。

作者图片

 

秦岭

 

参考文献

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[14] Leadership in Energy and Environmental Design V4[S]. 

 

Analysis on water consumption reference value of green office building in Shanghai
Qin Ling Li Kun Yang Jianrong
(Shanghai Research Institute of Building Sciences Co.,Ltd.)
Abstract: Based on the investigation and analysis of water consumption research of domestic and foreign buildings and the water consumption level of green buildings,this paper clarifies that the key influencing factors of building water consumption are water-saving equipment and personnel characteristics.Based on the analysis of the sub-metering data of ten office buildings that declare the green building operation logo in Shanghai,the calculation method and the correction factors of the water consumption reference value are formulated for the green office building.This method could be used to determine the reasonable water consumption of the building and further improve the water-saving level.
Keywords: Green office building; Water consumption; Reference value; Correction factors;
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