被動優(yōu)先的辦公建筑節(jié)能設(shè)計實踐
——以上海西虹橋42-03 地塊為例

蔣惠 范昕杰

華東建筑設(shè)計研究院有限公司

上海市青浦區(qū)西虹橋42-03地塊項目集商業(yè)、辦公于一體，主要為辦公建筑（圖1）。辦公建筑作為城市中最常見、最大量的公共建筑類型，使用特點是人員集中、人員密度較高、工作照明要求高、辦公設(shè)備及電梯使用頻繁等。根據(jù)上海市辦公建筑能耗的資料統(tǒng)計：照明與插座能耗約占51.9%，空調(diào)能耗約占29.8%，動力能耗約占9.5%，其他能耗約占8.8%，其中上海地區(qū)夏季空調(diào)制冷能耗大于冬季取暖能耗（圖2～4）。總體來看，照明、空調(diào)、辦公設(shè)備能耗占比最高，且日間能耗大[1]。

上海的氣候特點是夏季高溫炎熱、冬季陰冷，梅雨季潮濕悶熱。對于建筑設(shè)計師來說，在該氣候特點背景下，設(shè)計需遵循被動優(yōu)先的原則，充分利用天然采光、自然通風(fēng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱、遮陽等被動式節(jié)能措施，降低建筑的能耗，以達(dá)到綠色、節(jié)能、高效、舒適、環(huán)保的目標(biāo)[2]。

1 被動式節(jié)能設(shè)計措施

1.1 圍合部分的風(fēng)環(huán)境優(yōu)化

建筑布局對自然通風(fēng)和建筑防風(fēng)有著決定性影響，決定了夏季與過渡季節(jié)的自然通風(fēng)效果。本項目對兩種建筑群布局經(jīng)室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值進(jìn)行了模擬分析，對比不同建筑局部對風(fēng)環(huán)境的影響，改善了區(qū)域的微氣候。

半圍合布局方式中，被圍護(hù)部分空間的空氣流速相對較小，不利于空氣流通與污染物擴(kuò)散。從分析圖可以看到，被圍護(hù)部分風(fēng)速云圖呈現(xiàn)大面積藍(lán)色、深藍(lán)色，室外平均風(fēng)速約為0.58m/s，與周邊整體綠色與橘黃色相比氣流流速較?。▓D5）。為改進(jìn)被半圍合部分的室外風(fēng)環(huán)境條件，在圍合部分拉開建筑間距，設(shè)置通風(fēng)廊道，打開半圍合，嘗試促進(jìn)空氣流通（圖6）。

可以發(fā)現(xiàn)，增設(shè)通風(fēng)廊道后平均風(fēng)速、最高風(fēng)速均有顯著提升，最高風(fēng)速提升至3.25m/s，風(fēng)速合理且利于行人通行，平均風(fēng)速相比未優(yōu)化之前提升幅度約186.2%，顯著提升了空氣流速，激活了該區(qū)域微環(huán)境（表1）。

1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能優(yōu)化

上海已受到全球氣溫上升的顯著影響，未來環(huán)境也在較長一段時間呈惡化趨勢，為了確保建筑在整個設(shè)計壽命期限內(nèi)良好運行，借助更高性能的圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔熱防護(hù)將十分必要，故本項目外圍護(hù)保溫隔熱性能指標(biāo)按照比國家現(xiàn)行建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提高10%進(jìn)行設(shè)計。采用此高效圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計后，設(shè)計建筑單位耗電量降低6.43%（表2，3）。

1 總體鳥瞰圖

2 2018 年上海中心城區(qū)與其他區(qū)域各類型建筑分布情況

3 與能耗監(jiān)測平臺聯(lián)網(wǎng)的建筑年用電量占比情況

4 2018 年主要類型建筑分項年用電量占比情況

5 過渡季節(jié)室外風(fēng)速云圖（改進(jìn)前）

6 過渡季節(jié)室外風(fēng)速云圖（改進(jìn)后）

1.3 自然采光優(yōu)化

辦公建筑對于光線的要求高，相對于人工照明，天然采光環(huán)境不僅節(jié)能，也更讓人感到舒適。為保證室內(nèi)的自然采光效果，本項目綜合考慮平面及剖面空間設(shè)計，將高層辦公樓設(shè)置為中心核心筒布局，將多層辦公樓設(shè)置為偏置核心筒布局，實現(xiàn)功能空間單面或雙面采光；在剖面設(shè)計中，多層、高層典型平面柱跨分別為8.4m和11.4m，將高層辦公房間進(jìn)深控制在一柱跨內(nèi)，多層辦公功能房間進(jìn)深控制在一到兩柱跨內(nèi)；同時控制辦公空間凈高達(dá)3m，除層間暗盒防火設(shè)計外，抬升凈高設(shè)計可盡量提高外幕墻透光高度，提高光線入射量，使光線覆蓋室內(nèi)更大進(jìn)深（圖7，8）。在滿足節(jié)能的基礎(chǔ)上，選用最高可見光透射比的玻璃，并通過采光分析確保辦公建筑采光系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值≥3.3%，實現(xiàn)95%以上的辦公功能空間內(nèi)100%以上的功能房間采光系數(shù)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 自然通風(fēng)優(yōu)化

自然通風(fēng)設(shè)計是改善建筑室內(nèi)熱環(huán)境、節(jié)約空調(diào)能耗的一種重要的被動式設(shè)計手段。本項目利用數(shù)值模擬工具，結(jié)合立面特點進(jìn)行自然通風(fēng)的被動式優(yōu)化分析，對外立面的美觀性能與自然通風(fēng)性能進(jìn)行權(quán)衡，以達(dá)到最佳效果。

圖9，10為高層辦公樓的平面圖及幕墻局部立面，設(shè)計方案中幕墻的開啟形式為條形下懸窗。通過數(shù)值模擬手段對立面可開啟外窗的排布數(shù)量設(shè)置了高、中、低三種方案，具體設(shè)置的可開啟比例及立面形式如圖11。三種方案中，可開啟扇的間距不同，分別對應(yīng)不同的立面可開啟比例（表4）。

通過數(shù)值模擬手段，對可開啟扇方案進(jìn)行分析，得到的室內(nèi)風(fēng)速分布如圖12。通過不同設(shè)置方案的分析云圖可知：低可開啟比例方案下，室內(nèi)空氣流速較低，自然通風(fēng)潛力不足，存在較大面積的靜風(fēng)區(qū)域；當(dāng)可開啟面積達(dá)到5%以上時，室內(nèi)空氣流速得到明顯改善，理論換氣次數(shù)達(dá)到13.87次/h，平均風(fēng)速達(dá)到0.63m/s，具備一定的自然通風(fēng)潛力；高開啟比例方案提升效果更加明顯，室內(nèi)基本不存在大面積的靜流區(qū)域，平均空氣流速達(dá)到0.91m/s。

由此可知，增加外窗可開啟比例，室內(nèi)的換氣次數(shù)會得到明顯提升，室內(nèi)流場也更加均勻。經(jīng)過數(shù)值模擬分析之后對外窗可開啟比例進(jìn)行合理優(yōu)化，最終選定的可開啟扇布置方案介于高可開啟與中可開啟比例方案之間，滿足自然通風(fēng)的要求，過渡季節(jié)可以實現(xiàn)13.87次/h的自然通風(fēng)換氣，可有效降低空調(diào)使用頻率，同時也兼顧外立面的整體造型要求（表5）。

7 高層辦公一層采光分析

8 多層辦公部分樓棟一層采光分析

9 高層辦公平面圖及外立面可開啟扇形式

表2 建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)

表3 單位耗電量對比

表4 可開啟模擬方案

10 高層辦公平面圖及外立面可開啟扇形式

11 核心筒布局平面及外立面可開啟扇形式

12 室內(nèi)自然通風(fēng)風(fēng)速云圖

13 外立面遮陽效果圖

14 屋面遮陽效果圖

表5 可開啟方案換氣次數(shù)與平均風(fēng)速統(tǒng)計

1.5 遮陽優(yōu)化

本項目高層辦公的立面窗墻比接近0.7，需要注重遮陽。采用Low-E玻璃遮陽、外遮陽板及內(nèi)部遮陽卷簾的多種方式進(jìn)行遮陽，玻璃選用低透光Low-E玻璃和低透光離線雙銀玻璃，玻璃遮陽系數(shù)為0.3。針對外遮陽板，考慮高層辦公建筑視野開闊，采用了四面通高的豎向金屬遮陽板，與單元式幕墻一體化設(shè)計，遮陽板寬300mm，伸出外墻共500mm，增強了對夏季南向陽光輻射的遮擋作用。多層辦公結(jié)合外墻折線形外窗及層間水平板的造型，形成局部水平遮陽板，同時在立面上產(chǎn)生韻律波動的光影效果。多層建筑屋面還設(shè)計了連接多棟樓的屋面金屬大飄板，為整個多層建筑屋面和場地帶來部分遮陽隔熱效果，將獨立的多層建筑群連接成為一個整體（圖13，14）。

1.6 室內(nèi)聲環(huán)境優(yōu)化

本項目場地內(nèi)利用喬灌木復(fù)層綠化營造良好的聲環(huán)境，同時對目前建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔聲進(jìn)行評估。結(jié)合環(huán)境影響評估報告書的噪聲實測值，用環(huán)境噪聲值分別減去窗墻組合的計權(quán)隔聲量，得到室內(nèi)背景噪聲：晝間70-30.2=39.8dB（A），夜間55-30.2=24.8dB（A）。辦公空間的室內(nèi)噪聲值在關(guān)窗狀態(tài)下為39.8dB（A），滿足多人辦公和普通會議室高限值的要求。

1.7 綠化環(huán)境營造

屋頂綠化不僅有助于塑造健康宜人的辦公環(huán)境，還能加強屋頂保溫性能，是有力的被動式設(shè)計措施之一。本項目多層、高層屋頂綠化覆蓋率達(dá)到全部屋頂面積的60%，除屋頂樓梯機(jī)房及設(shè)備外，幾乎實現(xiàn)全屋面覆蓋綠化，覆土厚度為300～600mm，形成草皮、灌木結(jié)合的多種花園式綠化方式，增加了夏季屋頂隔熱效果。地面室外綠環(huán)境營造分點、線、面不同類型，中央軸林蔭道貫穿東西，聯(lián)系南北多層和高層兩個區(qū)域。北側(cè)多層辦公區(qū)以綠化庭院為中心綠環(huán)境，南側(cè)高層辦公區(qū)以帶狀綠環(huán)圍繞建筑布局，結(jié)合多層、高層大量屋面綠化，形成立體綠化景觀。在行道路、地面停車、活動場地與廣場加強配置綠化喬木遮蔭，遮蔭面積比例不低于10%，減少熱島效應(yīng)，營造舒適的室外活動、休閑環(huán)境。

2 結(jié)語

上海西虹橋42-03地塊辦公樓節(jié)能設(shè)計中遵循被動優(yōu)先的原則，因地制宜地從上海地區(qū)氣候特點及辦公建筑能耗特點出發(fā)，采取相對應(yīng)的被動式節(jié)能設(shè)計策略，合理布局建筑群規(guī)劃朝向布局，減小單體建筑體形系數(shù)，加強圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計，大力使用自然采光和自然通風(fēng)，并采取一定的遮陽措施，營造了舒適宜人的辦公綠化環(huán)境，在建筑方案設(shè)計初期通過詳細(xì)的節(jié)能考慮和節(jié)能應(yīng)用，輔以主動式節(jié)能的優(yōu)化設(shè)計，降低了建筑總能耗，進(jìn)而力求達(dá)到安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節(jié)約、環(huán)境宜居的綠色建筑設(shè)計目標(biāo)。同時，對室內(nèi)外風(fēng)環(huán)境、自然通風(fēng)采光、室外聲環(huán)境等做了對比分析，優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境舒適度。項目倡導(dǎo)被動式的設(shè)計理念，從設(shè)計的源頭考慮節(jié)能要求，積極響應(yīng)綠色建筑的設(shè)計要求，避免項目使用過程中大量不必要的能耗損失，創(chuàng)造健康舒適的宜居環(huán)境，是值得建筑師重視和借鑒的綠色節(jié)能設(shè)計方向。