高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

黃　文

高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

黃文

高層建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)方面存在一些如自然采光利用率低、室內(nèi)通風(fēng)效果不佳、外圍護(hù)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(duì)以上問題，通過對(duì)高層建筑進(jìn)行能耗研究，提出了自然通風(fēng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、可再生能源等在節(jié)能設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用的改進(jìn)措施，以期對(duì)高層建筑生態(tài)化發(fā)展提供有益的借鑒。

高層建筑節(jié)能應(yīng)用研究

一、高層建筑能耗特點(diǎn)分析

1.能耗組成及特點(diǎn)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(yùn)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(dòng)力系統(tǒng)和辦公設(shè)備系統(tǒng)是建筑能耗的4個(gè)主要系統(tǒng)。供暖空調(diào)系統(tǒng)耗電量占到整個(gè)建筑能耗的50%以上；照明系統(tǒng)次之，大約為20%；動(dòng)力系統(tǒng)約為10%；辦公設(shè)備系統(tǒng)約為10%。

2.采光和通風(fēng)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(duì)固定，各部分功能空間對(duì)自然采光與通風(fēng)的需求都不容忽視。因此，高層建筑能耗對(duì)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(dá)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)（如平面形式、進(jìn)深大小、圍護(hù)構(gòu)件、設(shè)備系統(tǒng)等），進(jìn)行節(jié)能措施的探討。

二、高層建筑設(shè)計(jì)常見問題

高層建筑設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力差的問題，建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括屋面、外墻、外窗以及地面等部位。對(duì)于高層建筑而言，由于其豎向表面面積遠(yuǎn)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(hù)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，以及影響墻體材料節(jié)能效果的墻體外飾面，東、西外墻遮陽(yáng)，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(yáng)國(guó)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(dá)60.27%。另外，當(dāng)建筑外墻采用玻璃幕墻配合外掛鋁塑板的構(gòu)造做法時(shí)，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，如旺座現(xiàn)代城B座和D座，供暖空調(diào)能耗高達(dá)54.62%～56.08%。在窗戶類型的選擇上，分析可知，供暖空調(diào)能耗較高的都采用了單層單玻窗，能耗高達(dá)56.8%～60.27%。除此之外，還發(fā)現(xiàn)幾乎沒有高層建筑采取遮陽(yáng)手段來降低供暖空調(diào)能耗，尤其是西向遮陽(yáng)的問題，值得引起專業(yè)人員的重視。

三、設(shè)計(jì)對(duì)策

1.通風(fēng)設(shè)計(jì)。關(guān)于自然通風(fēng)的引入，一方面可以對(duì)建筑的空間形式進(jìn)行組織，盡可能形成穿堂風(fēng)，這一點(diǎn)在條形高層建筑中比較容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于點(diǎn)式高層，應(yīng)盡可能組織兩垂直墻面窗戶之間的通風(fēng)。自然通風(fēng)的組織需要更大的窗墻面積比并形成風(fēng)的通路。另外，還可以結(jié)合雙層玻璃來實(shí)現(xiàn)降溫。在國(guó)外，建筑利用通風(fēng)已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)，很多建筑在設(shè)計(jì)階段均考慮了通風(fēng)的構(gòu)造體系，例如津巴布韋的Eastgate大樓、英國(guó)中部北安普敦近郊的巴克萊卡公司總部大樓等都采用了這種通風(fēng)構(gòu)造形式。

2.外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（1）外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料。針對(duì)目前高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料以實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)為主的現(xiàn)狀，且基于高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)并非承重結(jié)構(gòu)，材料選取較為靈活的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)體圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱帶來的能耗損失。對(duì)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(dāng)實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到保溫隔熱要求后，透明圍護(hù)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(fēng)；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(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。建筑墻體外飾面對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的影響主要通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽(yáng)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(duì)房間能耗的影響；二是對(duì)墻體傳熱系數(shù)的直接影響；三是房間在自然通風(fēng)狀態(tài)下對(duì)墻體內(nèi)表面最高溫度的影響?！毒幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：建筑外墻采用“淺色外飾面（太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)＜0.6）”節(jié)能措施時(shí)，計(jì)算外墻的總熱阻時(shí)可附加“隔熱措施的當(dāng)量附加熱阻0.2”，當(dāng)外墻的傳熱系數(shù)由于其構(gòu)成而不能達(dá)到《建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求時(shí)，采用“淺色外飾面”的節(jié)能措施則可使每種材料包括200 mm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(jì)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)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(jì)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(yáng)。除外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇外，還可增加建筑遮陽(yáng)，以減少供暖空調(diào)能耗。建筑遮陽(yáng)包括水平遮陽(yáng)、垂直遮陽(yáng)、綜合遮陽(yáng)等方式，可結(jié)合立面設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其應(yīng)注意西向遮陽(yáng)對(duì)節(jié)約建筑能耗的作用?！毒幼〗ㄖ?jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：建筑的“東、西外墻采用花格構(gòu)件或爬藤植物遮陽(yáng)（透射比＜0.5）”的節(jié)能措施時(shí)，計(jì)算外墻的總熱阻時(shí)可附加“隔熱措施的當(dāng)量附加熱阻0.3”，節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮“東、西外墻遮陽(yáng)”，在夏天東、西曬非常嚴(yán)重的地區(qū)，東、西外墻遮陽(yáng)措施有待加強(qiáng)。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(jì)經(jīng)驗(yàn)。在這些城市，高層建筑遮陽(yáng)措施的使用在帶來較好遮陽(yáng)效果的同時(shí)，也豐富了建筑立面，增加了城市景觀。

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(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等。利用風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電、垃圾發(fā)電、太陽(yáng)能熱利用、地?zé)崂煤驼託獍l(fā)電等，來減少對(duì)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(jī)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(yáng)能的利用，可以在冬季利用太陽(yáng)能供暖、夏季采用太陽(yáng)能制冷系統(tǒng)，全年中都可以使用太陽(yáng)能光電系統(tǒng)和熱水系統(tǒng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，建筑由從前的多層為主改為以中高層為主，建筑的結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了較大變化，由過去單純的框架結(jié)構(gòu)改變?yōu)橐钥蚣艚Y(jié)構(gòu)為主，墻體結(jié)構(gòu)形式的改變對(duì)墻體節(jié)能也提出了新的要求，框架結(jié)構(gòu)中主要以填充墻為主，所以砌塊是否節(jié)能就顯得尤其重要。但在一般性的框剪結(jié)構(gòu)體系中，填充墻往往只占?jí)w面積的一半，甚至更少，在這種形式下單純靠改善砌塊的熱工性能來達(dá)到節(jié)能目的的可能性大大降低。因此，應(yīng)加大發(fā)展適合于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合外墻外保溫體系的力度。對(duì)有利于提高節(jié)能效率的措施，如淺色外墻飾面、窗口建筑外遮陽(yáng)及東西外墻遮陽(yáng)等，在節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)多作考慮；目前68%的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可直接滿足《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的性能指標(biāo)要求，且各相關(guān)參數(shù)都優(yōu)于《節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的限值要求。因此，單純從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上說，完全有條件在現(xiàn)行規(guī)范要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高節(jié)能率，提前實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目標(biāo)。

在信息化、智能化高速發(fā)展的時(shí)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(yùn)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(diǎn)是節(jié)能問題，可在設(shè)計(jì)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(fēng)或改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等蓄存冷量；提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力以減少供暖空調(diào)能耗；利用太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、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(jìn)措施，如：組織自然通風(fēng)、改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)、可再生能源利用等應(yīng)在節(jié)能設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用，以有利于高層建筑生態(tài)化發(fā)展。

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