绿色建筑室内环境及舒适度评价系统研究与设计

房霆宸 朱 贇 贾 珍 贺洪煜

（1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海市安装工程集团有限公司，上海 200085；3.上海超高层建筑智能建造工程技术研究中心，上海 200080）

0 引言

绿色建筑可以在建筑全生命周期内，节约资源、保护环境、减少污染，为人们提供健康、适用、高效的使用空间，是一种最大限度地实现人与自然和谐共生的高品质建筑[1，2]，也是我国大力鼓励发展的一种建筑形式。自2006年，我国发布并实施了《绿色建筑评价标准》（GB/T50378—2006）[3]，针对建筑设计、施工阶段已建立了完备的绿色建筑评价体系，形成了能耗管理、太阳能发电、中水回收利用、LED照明等绿色建筑专项技术，对于建筑节能环保产生了积极效果。但是目前的绿色建筑在智能化、舒适度等元素引入方面，仍存在一定不足：比如现有建筑运维管理的智能化水平仍较低，多以单个系统独立运行为主，系统集成度低，所形成的数据挖掘度不够，无法形成主动决策管理，远远无法达到“智能化”要求；再比如关于建筑室内环境及舒适度评价系统的相关研究较少，缺乏针对人员所处室内环境及舒适度评价体系的技术研究，且室内环境的优劣以及人体主观的舒适度情况与建筑运维阶段的能源消耗是一个矛盾体，如何协调处理二者之间的关系，对于现有技术提出了新的要求。鉴于此，本文通过引入绿色化、智能化的建筑建造及运维理念，探索形成绿色建筑室内环境及舒适度评价系统，对于为提升工程建造的环境效益和居住品质作贡献提供具有重要意义。

1 室内环境及人体舒适度

1.1 室内环境评价指标

室内环境对人产生的舒适度影响因素主要分为建筑功能性的舒适度以及物理环境舒适度两种，本文所论述的舒适度主要与建筑室内物理环境相关，根据《室内物理环境理论》一书中的论述，建筑室内物理环境主要包括：室内空气环境、室内光环境、室内声环境、室内热环境等[4，5]。随着人类科技的发展，自20世纪初就已经掌握了诸如：照明技术、除尘技术、消音及隔音技术、调温及新风换气技术等对以上各类物理环境的控制手段，此类技术早已成熟应用于人类日常生活中。

目前，我国已经制定了不少针对建筑室内环境的标准。例如，国家市场监督管理总局、卫计委、环境保护部共同颁布的《室内空气质量标准》（GB/T 18883—2002）；涉及公共场所室内环境的《公共场所卫生管理规范》（GB 37487-2019）、《公共场所卫生指标及限值要求》（GB 37488—2019）、《公共场所设计卫生规范》（GB 37489—2019）等；与建筑装饰装修相关的《民用建筑工程室内环境污染控制规范》（GB50325—2010）。以上列举的一系列规范从科学角度结合人体健康以数值区间的形式规范了室内空气质量、卫生条件、装饰装修污染等各类数据的界定范围，可作为室内环境评价指标的参考依据。

1.2 人体舒适度评价

人体舒适度评价分为客观因素和主观因素两种。客观因素主要由建筑室内空间物理环境包括：热工环境、声环境、光环境、空气质量等。通过国内外一系列的设计标准，可以将以上各种客观环境因素人为调控到较为舒适的范围内。主观因素主要由人的主观感受形成，个体差异明显，不同的人处于相同的环境也会由于不同的地域、季节、心理、年龄、健康等因素，产生对环境不同的舒适度评价。根据研究，同一环境中有80%的人员对环境感到满意，即达到了舒适状态[6]。综合一系列标准、研究，可得到一个普遍的结论：人体在拥有良好的空气质量、适宜的热工环境、互不干扰的声环境以及在各种条件下可调控的光环境下的舒适度评价相对而言较高。

1.3 室内环境及舒适度评价系统的作用

根据调查，目前国内外鲜有对人体舒适度进行生理调节的研究和案例，更多的研究是从调控室内环境的角度去调节人体舒适度评价。本文所述的室内环境及舒适度评价系统（以下称为本系统）的作用之一是为绿色智能建筑提供与人体舒适度相关的基础数据作为依据，利用一系列人工智能算法对室内环境进行自我感知、自我调控，使绿色建筑达到人体舒适度最优的评价结果。本系统还可通过时间段、人员密集程度、空间用途等不同维度对每一个独立空间进行单独调控。另外，本系统另一个作用是为绿色建筑能耗管理系统提供智能化能耗预测及优化调度功能，建立一套适用于绿色建筑的能源平衡优化及调度模型，使绿色建筑的能源利用率实现效益最大化。

为此，本系统采用了物联网室内环境监测设备的科学布点、以监测的室内环境大数据为依据、使用BIM技术对建筑内部空间进行可视化空间划分，利用人工智能算法综合计算人体舒适度评价、通过评价结果对诸如空调、加湿器、新风、照明等相关设备进行调控，以此方式调节人体舒适度，使人员在室内每个空间都能获得相对最优的人体舒适度评价。

2 室内环境及舒适度评价系统设计

2.1 系统整体设计

本系统基于某绿色建筑示范楼的智慧运维管理系统进行迭代开发，根据本文上述研究内容，本系统从功能上可分为4个模块：物联网数据采集模块、数据分析模块、智慧能源交互模块以及用户界面展示模块，模块关系如图1所示。其中，数据采集模块负责将物联网传感器及其监测数据接入到机电设备管理平台；数据分析模块负责监测数据的实时处理以及结合环境及人体舒适度对工控机进行控制指令发布；能源交互模块接收来自工控机的控制指令，修改空调、照明、通风等设备的调节参数；界面展示模块为绿建楼运维管理人员以及绿色建筑普通用户提供了用户交互界面。

2.2 系统功能设计

2.2.1 数据采集模块

数据采集模块包括物联网传感器设备和机电设备管理系统两部分组成。数据采集模块中的物联网传感器参照《绿色建筑评价标准》（GB/T50378—2019）的要求，结合绿建楼的设计图纸进行科学布点，从平面上按照面积与区域划分，最少需要监控点20个。两个取大值，需要最少布置监控点20个，布点方案如表1所示。

表1 某绿色建筑局部位置传感器布点方案

机电设备管理系统包含了主要负责对物联网传感器及机电设备的接入管理和控制功能，由通信接口形式实现与工控系统互联，实现用户侧与空调冷热源侧联动控制。

2.2.2 数据分析模块

数据分析模块通过预设的绿建楼所在地区历年的气候数据，结合人体舒适度较高评价标准对当前空间的实时数据进行分析，实时计算出当前空间的环境以及人体舒适度评价分值。如果分值较低，数据分析模块就会给出建议的调控方案并将指令发送到能源交互模块进行处理。

2.2.3 能源交互模块

能源交互模块同样采用了物联网技术，仪表全部安装了数据传感器，实现数据的自动采集和远程传输，最大程度减少人工抄表及填报的误差，大幅提高数据准确性，可实时查看各项指标数据。通过将设备接入到机电设备管理系统，能源交互模块可执行工控机的调控指令，这类指令包括空调的风向、风速、温度、室内照明的强弱、新风的换气量等。

2.2.4 界面展示模块

用户交互界面的设计基于某绿色建筑智慧运维管理系统进行定制化开发，较原有运维系统主要增加了BIM模型轻量化展现、BIM模型空间划分展现、室内环境各项指数实时展现、舒适度评价实时展现等几个主要界面。

2.3 舒适度评价功能设计

本系统主要参考了《民用建筑工程室内环境污染控制标准》（GB50325—2020），以及《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378—2019）对单项数据进行打分，以最简单的气温为例：例如夏天室内温度在22～26℃为健康5分，26～29℃为一般3分，29～32℃为较不适宜1分，32℃以上为不适宜0分，其他各监测项也如此进行评分。得分越高代表人体所处的室内环境舒适度评价越高。

评价得分设计为以蛛网图形式在运维管理系统中进行横向比较。同时，也对室内环境一系列监测数据进行综合评分，根据得分从高到低使用四种颜色对三维模型空间进行渲染：绿色（健康）、黄色（一般）、橙色（较不适宜）、红色（不适宜）；评价结果可通过在BIM模型空间划分中点选建筑运维管理系统中某个区域进行查看。

3 某绿建楼案例介绍

以某绿色建筑示范楼项目为例，该项目总建筑面积约1.15万m2，选取了代表性的国内外最高绿色建筑认证标准作为参考指标来开发绿色建筑运维系统。该平台开发过程中制定了标准算法模型，根据绿色建筑标准，设定不同建筑类型、气候分区的评价指标，采集能耗数据后进行能耗评估，具体逻辑如图2所示。

建筑智慧运维系统建立了能耗与系统、设备运行的关联分析，根据能耗分项计量结果，主动发现能耗异常点，通过能效计算模型，优化设备运行策略。对建筑内温湿度、颗粒物、甲醛、有害气体浓度持续监测，实时发布；室外环境参数与室内环境参数对比；根据低碳环保目标及技术方案，对建筑内指标进行计量、评估；根据绿建指标，优化相关子系统设备的联动策略。

系统中的建筑室内环境管理页面是定制化的环境管理与机电设备管理系统联动模块，当室内PM2.5超出绿建标准限值（12μg/m3）时，主动推送告警并调整运行策略。主要的业务逻辑为：物联网关收到的监测数据发送到智慧建筑运维平台，平台触发运行模式转换机制：“室外空气质量优于室内，优先采用新风调节室内换进；室外空气质量恶劣时，优先采用室内空气内循环”，并通过物联网关通知机电设备平台进行空气调节，逻辑图如图3所示，系统以此方式进行人体舒适度评价的优化。

5 结语

本系统运用了BIM模型结合建筑运维系统，解决了目前建筑运维中监测数据无法做到真正可视化的痛点，将BIM模型可视化结合监测数据在运维系统中可视化，做到了监测设备与建筑（模型）的合二为一；通过最新的国家标准对室内环境进行监测以及打分，与以往类似系统相比较，监测点位数量和位置更科学合理，监测目的性更加明确，系统提升为以监测整个空间为目的，结合以人体舒适度为根本的科学评价。评判打分不仅仅为单一的分值显示，而以不同颜色作为三维室内空间的背景进行标色评判结果，以蛛网图对单一空间进行专业分析，辅助建筑运维人员更好的横向和竖向分析。在室内环境舒适度不理想的情况下采取相应措施加以改善，产生人体舒适与建筑运维决策的联动机制。但本系统仍存在一定不足，如在人体舒适度与能耗使用方面存在一定的矛盾，如何深入解决建筑能耗与人体舒适度的矛盾关系，将是今后发展绿色智能建筑的主要任务。