基于圍護結(jié)構(gòu)的夏熱冬暖地區(qū)超高層建筑節(jié)能研究

（阿特金斯顧問（深圳）有限公司上海分公司 上海 200003）

1 超高層建筑簡介

不同國家對超高層建筑的定義不同，聯(lián)合國在1972年舉辦的國際高層建筑會議上將40層以上或者建筑高度超過100m的建筑稱之為超高層建筑，日本將15層以上建筑定為超高層建筑。我國在現(xiàn)行國家建筑規(guī)范和行業(yè)標準中對超高層建筑有一定的說明，一般情況下從建筑的總高度來定義超高層建筑；特殊情況下從建筑不規(guī)則程度來定義超高層建筑。

雖然超高層建筑節(jié)約了土地和市政設(shè)施，同時也是城市景觀，但其所帶來的高層綜合癥、交通壓力、高能耗以及成本的增加也對建筑設(shè)計和施工提出了更高的要求。當高度超高300m之后，建筑的實用率、成本、室內(nèi)環(huán)境、安全性以及物業(yè)管理都會發(fā)生新的變化，消防樓梯的增加、避難層的設(shè)計，對抗風(fēng)、抗震要求的提升所帶來的成本大量增加，可燃性材料增加、人員疏散以及后期維護管理費用高等一系列問題都接踵而至，節(jié)能研究刻不容緩。

2 超高層建筑節(jié)能現(xiàn)狀及工程實例

超高層建筑耗能大，其能耗往往是一般建筑的6～8倍。而且超高層公共建筑的節(jié)能標準還不完備，進行相應(yīng)設(shè)計時無參數(shù)去比照，所以在設(shè)計上實施節(jié)能有一定難度?，F(xiàn)有的建筑節(jié)能設(shè)計標準中很多都不適用于超高層建筑，比如通風(fēng)、遮陽等標準，且超高層建筑對于抗風(fēng)、抗震這類的要求也會更高，這些問題標準都還沒有細化。此外，能耗模擬軟件的設(shè)計尚未完善，建筑物在整體建模上的能耗模擬評價方法受到限制，軟件所能計算的范圍根本達不到超高層建筑，技術(shù)層面不達標，想要開展超高層建筑的節(jié)能工作更是難上加難。很多在普通建筑上推廣的節(jié)能手段也難以在超高層建筑中實施，如在夏熱冬暖地區(qū)普遍推薦的建筑外遮陽和自然通風(fēng)設(shè)計，在實際超高層建筑工程實踐中的落實具有相當大的難度。本文結(jié)合實際超高層建筑設(shè)計工程實例，通過被動式建筑節(jié)能策略的分析，在圍護結(jié)構(gòu)方面對項目提出節(jié)能設(shè)計建議。

2.1 項目背景與節(jié)能研究工作介紹

本實例對某個位于深圳地標性超甲級辦公樓進行節(jié)能研究，它的塔樓高度約400m，屬于典型的超高層建筑。包括辦公，會客接待，宴會，美術(shù)館及配套設(shè)施之類的建筑功能。本實例采用根據(jù)項目建筑100%的初步設(shè)計階段圖紙和機電各專業(yè)的初步方案的技術(shù)路線，建立用于分析對比各節(jié)能設(shè)計策略可行性及量化節(jié)能以及預(yù)測各類節(jié)能設(shè)計的節(jié)能量的計算機仿真模擬能耗模型。

圍護結(jié)構(gòu)的熱工性能影響室內(nèi)的冷熱負荷和采暖空調(diào)能耗。項目作為地處夏熱冬暖地區(qū)的超高層辦公樓建筑，通過圍護結(jié)構(gòu)的太陽輻射以及來自室外酷熱空氣的傳熱占較大的比例。所以建筑節(jié)能研究的其中一個工作重點是要進一步對圍護結(jié)構(gòu)的熱工參數(shù)進行敏感度分析，以了解各主要熱工參數(shù)對建筑全年能耗的影響權(quán)重，詳見表1、表2、表3、表4。并結(jié)合造價成本，制定最為合理的技術(shù)經(jīng)濟圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)設(shè)計控制指標。

通過基于建筑全年能耗模型的圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)敏感度分析結(jié)果可知，對于在夏熱冬暖氣候區(qū)的超高層辦公建筑，降低幕墻整窗的傳熱系數(shù)、遮陽系數(shù)和外墻的傳熱系數(shù)都可以降低建筑全年的采暖及空調(diào)的總能耗。但如果需要達到《GBT50378綠色建筑評價標準》中綠色超高層建筑評價技術(shù)細則中優(yōu)選項5.3.1中要通過圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的優(yōu)化而使建筑全年的采暖空調(diào)能耗降低3%的要求，圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)至少需要達到：幕墻整窗K=1.6W/m2K、SC=0.29，外墻K=0.6W/m2K；該要求對建筑的玻璃幕墻和外墻保溫的要求非常高，在夏熱冬暖氣候地區(qū)，結(jié)合建筑幕墻的增量造價等因素綜合考慮的話，一般是不建議實施的。

2.2 可開啟窗專項論證分析

項目所在地的建設(shè)主管部門在本項目設(shè)計階段嚴格執(zhí)行一項當?shù)氐募夹g(shù)規(guī)范，其中對建筑的可開啟窗或透明幕墻的可開啟面積比例，有強制性的要求。

這對于本項目高度為400m的高端寫字樓項目來說，對其建筑設(shè)計，幕墻設(shè)計，建設(shè)成本以及后期的安全的物業(yè)運營管理來說，都帶來了不少的難題。

針對此問題，筆者所在的節(jié)能顧問團隊專門進行了相關(guān)的專項技術(shù)分析，以支持建設(shè)方及項目的設(shè)計團隊完成關(guān)于本項目降低可開啟比例的專項論證。

（1）建筑表面風(fēng)壓分析。作為該專項研究的第1步，首先需要建立項目所在區(qū)域內(nèi)的風(fēng)環(huán)境分析模型，結(jié)合項目周邊地形及分析區(qū)域內(nèi)周邊項目的體量信息，以及項目所在地的各季節(jié)風(fēng)速風(fēng)向參數(shù)，進行基于計算流體力學(xué)（CFD）模擬的室外風(fēng)環(huán)境及建筑表面風(fēng)壓分析。

由風(fēng)環(huán)境模擬分析可知，夏季平均風(fēng)速200m以上部分迎風(fēng)面和背風(fēng)面壓差超過40Pa，300m以上壓差超過150Pa；冬季平均風(fēng)速，冬季主導(dǎo)風(fēng)為東北風(fēng)，受迎風(fēng)面2個高層建筑物遮擋，本項目50～200m高度的迎風(fēng)背風(fēng)面前后壓差介于50～70Pa之間，300m以上高度的前后壓差最大可達200Pa；過渡季目標建筑100m以上迎風(fēng)面和背風(fēng)面的建筑物表面壓差大，超過50Pa，200m以上壓差超過150Pa。

表1 幕墻整窗的傳熱系數(shù)能耗影響敏感度分析

表2 幕墻玻璃的遮陽系數(shù)能耗影響敏感度分析

表3 外墻傳熱系數(shù)能耗影響敏感度分析

表4 圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)組合能耗分析

（2）室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬。假設(shè)項目按照當?shù)毓?jié)能規(guī)范，每層均設(shè)計10%的可開啟面積，那么在100m以上選擇有代表性的標準層通過自然通風(fēng)模擬軟件進行室內(nèi)風(fēng)環(huán)境模擬，100m以上樓層如開啟10%的幕墻面積，則將會有超過50%左右的辦公區(qū)域風(fēng)速大于1.5m/s，會有明顯吹風(fēng)感；與此同時，建筑內(nèi)環(huán)區(qū)呈現(xiàn)靜風(fēng)狀態(tài)，在室內(nèi)溫度升高時會導(dǎo)致悶熱的不舒適感，并達不到通過自然通風(fēng)改善舒適性的目的；局部區(qū)域的風(fēng)速甚至大于3m/s風(fēng)速，完全不適合于辦公等一般靜態(tài)性質(zhì)的工作，室內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定度會因通風(fēng)流量無法維持恒定而降低整體舒適性。

（3）建議方案及優(yōu)勢分析。綜合超高層可開啟窗的安全性，對工程造價影響和日后物業(yè)管理運維的實際操作難度，并結(jié)合通過CFD模擬的技術(shù)，采用該技術(shù)后室內(nèi)環(huán)境舒適性的模擬分析結(jié)果，本項目的可開啟窗設(shè)計策略為：在100m以下樓層，按占10%幕墻透明面積的比例均勻分布高側(cè)窗；100m以上不設(shè)可開啟部分。為應(yīng)對地方節(jié)能規(guī)范的過渡季節(jié)通風(fēng)要求，綜合考慮過渡季節(jié)加大新風(fēng)量運行空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效益分析，改為提高機械通風(fēng)系統(tǒng)的最大設(shè)計通風(fēng)量，從原來的1.1ACH提高到3ACH，新風(fēng)口分段設(shè)置并設(shè)置在所服務(wù)分區(qū)的最高樓層。

3 進一步的思考

在超高層建筑設(shè)計過程中雖然隨著高度的升高，建筑節(jié)能設(shè)計的挑戰(zhàn)不斷增加，但同時建筑外部微氣候也隨之變化，越來越多的工程師和建筑師意識到可以從外部微氣候中入手，進行節(jié)能設(shè)計，比如室外空氣中的濕度會隨著高度的升高而下降，對于地處炎熱潮濕氣候帶的超高層建筑來說，也是一個額外的節(jié)能設(shè)計機會。降低除濕能耗，也可以更長時間地運行空氣側(cè)經(jīng)濟。然而，要通過建筑物理分析的手段在設(shè)計階段量化分析這些節(jié)能機會的效果，仍存一些挑戰(zhàn)。目前主流常用的建筑性能分析氣象數(shù)據(jù)多為近地面氣象數(shù)據(jù)，尚缺乏權(quán)威性的、隨高度變化的逐時氣象數(shù)據(jù)；目前主流的能耗模擬分析軟件未能成熟地模擬建筑外部的微氣候環(huán)境隨高度而發(fā)生的變化等。

我國的超高層建筑起步雖晚，但發(fā)展速度很快，已建成的超高層建筑也日益增多，可進行研究的樣本也不斷增多。本實例根據(jù)全年能耗以及冷負荷構(gòu)成，分析了解到地處夏熱冬暖地區(qū)的超高層辦公樓建筑通過圍護結(jié)構(gòu)的太陽輻射以及來自室外酷熱空氣的傳熱占較大的比例，并在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)節(jié)能方面的研究。隨著大數(shù)據(jù)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，通過能耗分析模擬，未來或許可以形成能夠進一步指導(dǎo)超高層建筑項目設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，完善超高層公共建筑的節(jié)能標準，從而更好地完成超高層建筑的節(jié)能設(shè)計。