淺談高層建筑節(jié)能設(shè)計的應(yīng)用研究

陳振宇　郭衛(wèi)東

【摘 要】高層建筑在節(jié)能設(shè)計方面存在一些如自然采光利用率低、室內(nèi)通風效果不佳、外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力差、可再生能源的利用率不高等常見的問題。本文針對以上問題，通過對高層建筑進行能耗研究，提出了自然通風、圍護結(jié)構(gòu)、可再生能源等在節(jié)能設(shè)計中綜合運用的改進措施，以期對高層建筑生態(tài)化發(fā)展提供有益的借鑒。

【關(guān)鍵詞】高層建筑；節(jié)能；應(yīng)用研究

1.高層建筑能耗特點分析

1.1能耗組成及特點分析

高層建筑容納人數(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。主要的能源消耗形式包括電、煤、天然氣以及集中供熱的蒸汽和熱水等。其中供暖空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和辦公設(shè)備系統(tǒng)是建筑能耗的4個主要系統(tǒng)。供暖空調(diào)系統(tǒng)耗電量占到整個建筑能耗的50%以上；照明系統(tǒng)次之，大約為20%；動力系統(tǒng)約為10%；辦公設(shè)備系統(tǒng)約為10%。

1.2采光和通風的要求

高層建筑基本空間由主要使用房間、交通聯(lián)系空間（水平交通和垂直交通）、輔助使用房間（餐飲和衛(wèi)生間）以及設(shè)備系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成，平面布局與空間組織相對固定，各部分功能空間對自然采光與通風的需求都不容忽視。因此，高層建筑能耗對氣候的依賴性較弱，若通過調(diào)節(jié)建筑與環(huán)境的關(guān)系來達到節(jié)約能耗的目的，效果甚微。高層建筑的節(jié)能問題應(yīng)從建筑自身出發(fā)，進行節(jié)能措施的探討。

2.高層建筑設(shè)計常見問題

高層建筑設(shè)計中常出現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力差的問題，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。對于高層建筑而言，由于其豎向表面面積遠大于橫向屋面面積，因此，建筑屋頂、建筑外墻及建筑外窗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。影響建筑外墻節(jié)能的主要因素是墻體材料，以及墻體構(gòu)造形式等。

在研究中發(fā)現(xiàn)，高層建筑外墻應(yīng)設(shè)置保溫層，采用雙層玻璃。由于西安高新區(qū)清揚國際大廈，外墻采用加氣混凝土砌塊，未設(shè)置保溫層，使得該辦公建筑供暖空調(diào)能耗占總能耗的比例高達60.27%。另外，當建筑外墻采用玻璃幕墻配合外掛鋁塑板的構(gòu)造做法時，雖然設(shè)置了聚苯板外保溫但其供暖空調(diào)能耗普遍較高。

3.設(shè)計對策

3.1通風設(shè)計

關(guān)于自然通風的引入，一方面可以對建筑的空間形式進行組織，盡可能形成穿堂風，這一點在條形高層建筑中比較容易實現(xiàn)。對于點式高層，應(yīng)盡可能組織兩垂直墻面窗戶之間的通風。自然通風的組織需要更大的窗墻面積比并形成風的通路。另外，還可以結(jié)合雙層玻璃來實現(xiàn)降溫。

3.2外圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）外圍護結(jié)構(gòu)材料。針對目前高層建筑外圍護結(jié)構(gòu)材料以實體圍護結(jié)構(gòu)和透明圍護結(jié)構(gòu)為主的現(xiàn)狀，且基于高層建筑外圍護結(jié)構(gòu)并非承重結(jié)構(gòu)，材料選取較為靈活的特點，對于實體圍護結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)小的多孔/空心砌塊或加氣混凝土砌塊等，配合外墻外保溫和合理的窗墻面積比，控制由外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱帶來的能耗損失。對于處于寒冷地區(qū)與夏熱冬冷地區(qū)交界的城市，應(yīng)盡量減少玻璃幕墻的使用。

當實體圍護結(jié)構(gòu)達到保溫隔熱要求后，透明圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)遵循以下措施：盡量減少使用玻璃幕墻；控制合理的窗墻面積比，控制可開啟面積以組織通風；選用節(jié)能的玻璃和窗框材料，注意控制密封性能。

（2）墻體外飾面。建筑外墻飾面是圍護結(jié)構(gòu)抵御外界氣候影響的第一道防線，其材料的熱工性能將直接影響圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能。建筑墻體外飾面對建筑節(jié)能設(shè)計的影響主要通過圍護結(jié)構(gòu)外表面對太陽輻射熱的吸收系數(shù)表現(xiàn)出來：一是在房間制冷狀態(tài)下，對房間能耗的影響；二是對墻體傳熱系數(shù)的直接影響；三是房間在自然通風狀態(tài)下對墻體內(nèi)表面最高溫度的影響?！毒幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計標準》規(guī)定：建筑外墻采用“淺色外飾面（太陽輻射吸收系數(shù)<0.6）”節(jié)能措施時，計算外墻的總熱阻時可附加“隔熱措施的當量附加熱阻0.2”，當外墻的傳熱系數(shù)由于其構(gòu)成而不能達到《建筑節(jié)能設(shè)計標準》要求時，采用“淺色外飾面”的節(jié)能措施則可使每種材料包括200mm厚鋼筋混凝土的傳熱系數(shù)值均可滿足“民用建筑節(jié)能設(shè)計標準”對傳熱性能的規(guī)定要求。建筑的外墻飾面目前有瓷磚、涂料、石材以及金屬幕墻材料等等，最典型的2類外墻飾面是瓷磚及涂料。節(jié)能設(shè)計中采用淺色外飾面或部分采用淺色外飾面顯然是有利的。

（3）墻體外遮陽。除外圍護結(jié)構(gòu)材料的選擇外，還可增加建筑遮陽，以減少供暖空調(diào)能耗。建筑遮陽包括水平遮陽、垂直遮陽、綜合遮陽等方式，可結(jié)合立面設(shè)計意圖進行設(shè)計，尤其應(yīng)注意西向遮陽對節(jié)約建筑能耗的作用。《居住建筑節(jié)能設(shè)計標準》規(guī)定：建筑的“東、西外墻采用花格構(gòu)件或爬藤植物遮陽（透射比<0.5）”的節(jié)能措施時，計算外墻的總熱阻時可附加“隔熱措施的當量附加熱阻0.3”，節(jié)能設(shè)計中應(yīng)考慮“東、西外墻遮陽”，在夏天東、西曬非常嚴重的地區(qū)，東、西外墻遮陽措施有待加強。這方面可以借鑒熱帶地區(qū)城市，如馬來西亞和香港等的設(shè)計經(jīng)驗。在這些城市，高層建筑遮陽措施的使用在帶來較好遮陽效果的同時，也豐富了建筑立面，增加了城市景觀。

3.3可再生能源的利用

在系統(tǒng)的能源使用方面，應(yīng)盡量開發(fā)可再生能源的利用，如太陽能、地熱能、風能、水能、生物質(zhì)能等。利用風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、垃圾發(fā)電、太陽能熱利用、地熱利用和沼氣發(fā)電等，來減少對煤和天然氣等不可再生能源和電、蒸汽、熱水等二次能源的依賴。例如，使用分體空調(diào)的建筑建議增設(shè)地源熱泵，這樣可大大降低空調(diào)系統(tǒng)能耗；使用螺桿式水冷機組的建筑建議增加蓄冷裝置，冷卻塔的廢熱應(yīng)予以回收利用；熱泵作為一種新型節(jié)能技術(shù)，也應(yīng)該在辦公建筑中考慮采用；關(guān)于太陽能的利用，可以在冬季利用太陽能供暖、夏季采用太陽能制冷系統(tǒng)，全年中都可以使用太陽能光電系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。

4.結(jié)論及建議

在信息化、智能化高速發(fā)展的時代，高層建筑因節(jié)約城市用地、信息處理量大、容納人數(shù)眾多而應(yīng)運而生，但能源消耗巨大。在可持續(xù)發(fā)展理念大力推行的今天，高層建筑生態(tài)化發(fā)展的重點是節(jié)能問題，可在設(shè)計階段注意組織利于自然采光的平面形式，亦可采取節(jié)能燈具節(jié)約電能；通過改變空間形式、建筑角度等組織自然通風或改變圍護結(jié)構(gòu)構(gòu)造等蓄存冷量；提高外圍護結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力以減少供暖空調(diào)能耗；利用太陽能、風能、地熱能、水能、生物質(zhì)能等可再生能源供給設(shè)備系統(tǒng)等。以上改進措施，如：組織自然通風、改善圍護結(jié)構(gòu)、可再生能源利用等應(yīng)在節(jié)能設(shè)計中綜合運用，以有利于高層建筑生態(tài)化發(fā)展。 [科]