高層商業(yè)建筑被動式節(jié)能設(shè)計

聶志春

【摘 要】高層建筑是能源消耗大戶，發(fā)展綠色建筑節(jié)能工程對我國生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文通過介紹建筑的能耗情況，闡述了建筑被動式節(jié)能設(shè)計中存在的問題，并結(jié)合工程應用實例探討了高層建筑被動式節(jié)能設(shè)計方案的可行性，以供實踐參考。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；被動式節(jié)能；自然通風；設(shè)計方案

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市建筑行業(yè)得到進一步的發(fā)展，許多建筑逐漸向大型化、多功能化和綜合化的方向發(fā)展。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗約占我國社會總能耗的30%以上，與工業(yè)能耗、交通能耗并列成為了我國能源消耗的三大“能耗大戶”，雖然在單位面積能耗和人均能耗與發(fā)達國家相比并不算很高，但建筑能耗增加的趨勢愈加明顯，無疑加大了我國能源供應的壓力。被動式節(jié)能設(shè)計是近年來應用較為廣泛的一種節(jié)能形式，能夠合理利用自身的優(yōu)點達到有效的降低建筑使用能耗的目的，在我國提倡綠色經(jīng)濟的大勢下，被動式節(jié)能設(shè)計工作得到了我國廣大建筑工作者的重視。本文重點探討了高層建筑被動式節(jié)能設(shè)計工作，希望對減少我國建筑能耗有所幫助。

1.高層辦公建筑的能耗特點

1）相比同等面積的低層和多層辦公建筑，高層辦公建筑容納人數(shù)眾多，信息處理量大。為保持正常的運作，高層辦公建筑在電梯、空調(diào)、供水、供暖、管理等方面要消耗大量的能源。

2）高層辦公建筑照明能耗偏高。

3）高層辦公建筑的照明與辦公設(shè)備比例較高，加之人員相對密集，導致內(nèi)熱源發(fā)熱量較大。

4）由于辦公時間固定且辦公人員作息規(guī)律明顯，辦公建筑具有間歇使用的特點即白天使用頻率高、能耗高，夜間無人使用、能耗低。

2.高層辦公建筑被動式節(jié)能設(shè)計常見問題

2.1自然采光利用率低

由于基地條件限制、結(jié)構(gòu)原因以及建筑和辦公空間新需要等，現(xiàn)代高層辦公建筑大多采用方形、圓形、矩形等形式，即標準層平面長度和寬度相差不多，辦公空間圍繞垂直核心筒布置。其進深尺寸一般為8～12m，有的多達20m左右。照度隨進深距離增加呈遞減趨勢，側(cè)窗采光由于光線不足，很難滿足大進深高層辦公建筑的要求，因此，導致室內(nèi)人工照明大量增加。

2.2室內(nèi)自然通風組織差

早期的多層和低層辦公建筑，大多為板型平面，以廊道聯(lián)通各使用單元，為建筑的自然通風提供了可能。而現(xiàn)代高層辦公建筑，一方面室內(nèi)大多為大進深辦公空間，另一方面房間外墻可開啟面積非常有限，室內(nèi)空氣氣流組織基本依靠設(shè)備系統(tǒng)來實現(xiàn)。因此，即使在室外空氣處于人體熱舒適狀態(tài)下，辦公建筑仍然需要開啟通風系統(tǒng)，甚至可能還需要開啟制冷系統(tǒng)，空調(diào)能耗由此大幅增加。

2.3圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力差

建筑的外圍護結(jié)構(gòu)包括屋面、外墻、外窗以及地面等部位。對于高層辦公建筑而言，由于其豎向表面面積遠大于橫向屋面面積，因此，墻體與窗戶的保溫隔熱能力成為了衡量其圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力的決定性因素。

3.高層辦公建筑被動式節(jié)能設(shè)計實踐

針對高層辦公建筑能耗特點和被動式設(shè)計的常見問題，筆者進行了總結(jié)分析，以期找到解決這些問題的辦法，達到更好的節(jié)能的目的。為此，在建筑設(shè)計中關(guān)注到了高層辦公建筑的采光、通風與保溫隔熱的被動式設(shè)計。

3.1項目簡介

某大廈26層，占地面積1.2萬m2，總建筑面積4萬m2，容積率2.65，建筑密度26%，綠化率33%。

3.2自然采光設(shè)計

通常情況下，要使建筑有良好的自然采光，可以在基地允許的情況下，將塔式標準層變?yōu)榘迨交蚪徊媸狡矫娌贾?，增加自然采光的幾率。但是，這一措施必然會導致由于建筑體型系數(shù)增大而帶來的能耗增加，即使照明能耗有所降低，也得不償失。

而本項目采用的是改變平面組織方式的辦法。即在方案的平面布局中采用中庭是的布置方式，增加建筑中心部位的自然采光（如圖1所示）。房間的進深都控制在8.1m以下，同時，大部分房間采用雙向采光；更為有效的是，由于研究院的特殊性質(zhì)，很多設(shè)計所采用了開放式大空間，減少了隔墻對光線的遮擋，進一步增加了自然采光。同時，由于采用了空中花園的設(shè)計，減少了樓板對于光線的遮擋，也增加了大進深處的自然采光照度。

3.3自然通風設(shè)計

自然通風可以增加室內(nèi)的空氣流動，降低室內(nèi)溫度，帶走室內(nèi)水汽，有效增加室內(nèi)的熱舒適度。在本項目中，所有的窗戶都可以根據(jù)使用者的意愿，自由開閉，充分利用自然通風。平面設(shè)計大部分樓層采用了開放式大空間設(shè)計，減少了對空氣流動的阻擋，讓空氣在室內(nèi)流動更順暢。更為重要的是，中庭空間形成了一個巨大的拔風煙囪；三層通高的空中花園也同樣形成了煙囪效應。由于辦公建筑人員較多、辦公設(shè)備也較多，因此，室內(nèi)的內(nèi)熱源很大，再加上中庭巨大的高度差，會產(chǎn)生十分明顯的熱壓通風的效果。

3.4外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

本建筑體型規(guī)整，體型系數(shù)僅0.2，南向窗墻面積比為0.49，北向窗墻面積比為0.47，西向窗墻面積比為0.45，東西窗墻面積比為0.46。外墻采用200mm加氣混凝土砌塊，傳熱系數(shù)0.39W/（m2·K）；外窗和玻璃幕墻均采用6+12+6遮陽型Low-E中空玻璃，傳熱系數(shù)1.8W/（m2·K），遮陽系數(shù)為0.45。雖然此建筑的窗墻面積比較大，但是設(shè)計中充分考慮了自遮陽，窗戶內(nèi)凹為800mm，可以在夏季有效遮擋太陽的直射輻射。

4.被動式設(shè)計的節(jié)能效果分析

為了驗證被動式設(shè)計的節(jié)能效果，利用熱工分析軟件DesignBuilder進行了能耗分析，結(jié)果如圖2所示。

圖中“參照建筑”即按照GB50189-2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》中的建筑模型進行計算：其外墻的傳熱系數(shù)為0.6W/（m2·K）；屋頂傳熱系數(shù)為0.55W/（m2·K）；外窗的傳熱系數(shù)為2.3W/（m2·K），遮陽系數(shù)為0.6；照明功率密度為現(xiàn)行值11W/m2；空調(diào)和采暖系統(tǒng)為兩管制風機盤管系統(tǒng)。

計算得到參照建筑的采暖、空調(diào)、照明的能耗密度分別為17.6，10.33，25.41kW·h/m2。當采用了前文介紹的外圍護結(jié)構(gòu)后，其采暖、空調(diào)的能耗密度分別為17.05，9.66kW·h/m2?？梢园l(fā)現(xiàn)采暖空調(diào)的能耗都有所降低，總能耗約比參照建筑的能耗降低約2.3%。

由于采用了遮陽型的Low-E中空玻璃，有將窗戶內(nèi)凹800mm，二者共同的遮陽效果導致了采暖能耗密度有所增加，為17.98kW·h/m2；但空調(diào)能耗密度明顯降低，為8.05kW·h/m2；總能耗有所降低。與參照建筑的能耗密度相比，降低了約3.6%。

自然通風的引入導致了空調(diào)開啟的時間明顯減少，因此，空調(diào)能耗密度降低更加明顯，達到了5.16kW·h/m2。與參照建筑的能耗密度相比，降低了約9.0%。

如果建筑的照明采用節(jié)能燈具，照明功率密度由現(xiàn)行值降低為目標值，即9W/m2，則照明能耗密度降低為20.79kW·h/m2；同時，由于照明能耗密度的降低，其散熱量也有所降低，導致空調(diào)能耗降為5.10kW·h/m2，而采暖能耗增加到18.00kW·h/m2。總之，與參照建筑的能耗密度相比，降低了約17.7%。

考慮到自然采光的效果可以達到節(jié)能75%以上，那么照明能耗實際降低為5.20kW·h/m2；再加上燈具使用的減少，內(nèi)熱源也明顯減少，空調(diào)能耗也會降低。因此，與參照建筑的能耗密度相比，最終的節(jié)能效果約為47.1%。

5.總結(jié)

高層建筑被動式節(jié)能設(shè)計是一項綜合性工程，涉及到遮陽設(shè)計、自然采光、自然通風和保溫隔熱設(shè)計等方面的工作。因此，建設(shè)單位必須重視建筑的被動式節(jié)能設(shè)計工作，制定出可行性較高的設(shè)計方案，以達到降低建筑能耗的效果。本工程在實施被動式節(jié)能設(shè)計方案后，有效降低建筑能耗約45%，并取得了較好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：

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[2] 趙洋；聶金哲；李曉鋒.某商業(yè)建筑中庭被動式節(jié)能優(yōu)化設(shè)計[J].建筑科學.2012年第10期