高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)問題及優(yōu)化策略研究

黃文虎

高層建筑是我國(guó)建筑工程中的重要組成部分，其能耗問題一直備受關(guān)注[1]。以往高層建筑節(jié)能主要考慮建筑采暖保溫問題，一般情況下采取冷暖設(shè)計(jì)，會(huì)消耗大量的物質(zhì)資源，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)建筑業(yè)節(jié)能減排的進(jìn)程。合理設(shè)計(jì)高層建筑節(jié)能，能為人們提供良好的居住、工作環(huán)境，保障能源的科學(xué)應(yīng)用和有效性，降低高層建筑的能源消耗[2]。

1 高層建筑能耗分析及其節(jié)能設(shè)計(jì)要求

1.1 高層建筑能耗分析

與一般建筑相比，高層建筑具有層數(shù)多、總建筑面積大、建筑密度低、容納人數(shù)多、室內(nèi)環(huán)境要求高以及電氣設(shè)備多等特點(diǎn)，這表明高層建筑日常耗電量以及建筑工程實(shí)施所消耗的能源量較大[3]。為了響應(yīng)可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排要求，需要在高層建筑設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行過程等各個(gè)階段遵循節(jié)能環(huán)保的要求。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前高層建筑運(yùn)行過程中能耗最大的是空調(diào)設(shè)備，約占總能耗的50%，其次是照明設(shè)備，約占總能耗的20%，其他能耗設(shè)備、辦公、生活用電設(shè)備各占10%。高層建筑設(shè)計(jì)是控制能源消耗的重要階段，也是高層建筑施工和運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。因此，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)不僅要考慮規(guī)范和政策要求，還要從整體上考慮施工和運(yùn)行中節(jié)能減排的需求。

1.2 建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

建筑能耗主要受外部環(huán)境影響和制約，其中氣候條件是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素。

首先，在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解和掌握不同地區(qū)的氣候環(huán)境變化情況，從建筑整體規(guī)劃、建筑朝向、建筑功能以及室內(nèi)環(huán)境調(diào)控設(shè)備等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，在寒冷地區(qū)，節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)滿足冬季保溫要求；而夏熱冬冷地區(qū)，不僅需要考慮冬季保溫，還應(yīng)考慮夏季防暑隔熱要求。

其次，在建筑結(jié)構(gòu)和外形設(shè)計(jì)方面，不僅需要把控建筑體型系數(shù)，合理設(shè)置窗墻比，提高建筑隔熱保溫效果，還要充分考慮建筑內(nèi)部空間布局和外立面，滿足建筑使用功能和日照、通風(fēng)要求[4]。

最后，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)在降低建筑能耗的同時(shí)，還應(yīng)滿足人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境舒適性的要求。由此可見，建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循相應(yīng)的規(guī)范要求，合理設(shè)置建筑整體規(guī)劃，其中包括建筑層高、體系系數(shù)、功能布局、建筑朝向以及可再生能源利用等。

1.3 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要求

根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)，結(jié)合高層建筑特點(diǎn)，歸納高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)基本要求。相比一般建筑，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)需要考慮的因素更多[5]。

首先，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解高層建筑整體結(jié)構(gòu)形式和組成，根據(jù)實(shí)際情況和規(guī)范要求確定相應(yīng)的節(jié)能設(shè)計(jì)方案，為降低能耗、提高能源利用率提供準(zhǔn)確的指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)高層建筑的可持續(xù)發(fā)展。

其次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)適當(dāng)?shù)貎?yōu)化高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)程序，將節(jié)能設(shè)計(jì)與高層建筑設(shè)計(jì)向融合。同時(shí)，在高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)充分了解節(jié)能環(huán)保技術(shù)、設(shè)備以及新型環(huán)保節(jié)能材料，結(jié)合實(shí)際情況和項(xiàng)目要求，將這些新技術(shù)、新材料、新設(shè)備引入高層建筑設(shè)計(jì)中，提高高層建筑能源利用效率，減少高層建筑能耗。

最后，將節(jié)能減排意識(shí)培養(yǎng)納入高層建筑設(shè)計(jì)人員培訓(xùn)中，健全設(shè)計(jì)人員培訓(xùn)制度和體系，增強(qiáng)設(shè)計(jì)人員的環(huán)保意識(shí)，充分認(rèn)識(shí)到節(jié)能環(huán)保的重要性，同時(shí)提升高層建筑設(shè)計(jì)人員的整體素質(zhì)，減少人為干擾。

2 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)常見問題

節(jié)能設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高層建筑節(jié)能減排的根本途徑。由于高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)尚處于發(fā)展初期，因此在節(jié)能設(shè)計(jì)過程中還存在很多亟待解決的問題。目前，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的問題主要集中在可再生能源利用率低、結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)不合理以及節(jié)能環(huán)保材料應(yīng)用不足這3 個(gè)方面。

2.1 高層建筑可再生能源利用率低

目前，高層建筑設(shè)計(jì)主要考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性，在節(jié)能設(shè)計(jì)方面欠缺考慮。在節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，由于高層建筑能源消耗前期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不足，對(duì)實(shí)際能源消耗狀況又缺少有效的數(shù)據(jù)分析，往往只能按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或一般建筑節(jié)能規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法滿足不同地區(qū)節(jié)能減排的要求。另外，在一些高層建筑實(shí)際使用過程中，經(jīng)常出現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境調(diào)控設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的情況，勢(shì)必造成能源消耗超標(biāo)，增加建筑能耗和碳排放量。這些問題嚴(yán)重影響了高層建筑節(jié)能減排效果和可持續(xù)發(fā)展。

隨著新能源技術(shù)的不斷發(fā)展，許多可再生能源技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，如風(fēng)能、地?zé)崮?、空氣源熱泵、太陽能等，這些可再生能源可以有效緩解高層建筑的能源需求，降低建筑碳排放量。然而，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)大多關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化和調(diào)整，可再生能源的利用很少出現(xiàn)在高層建筑設(shè)計(jì)中。主要原因在于我國(guó)可再生能源技術(shù)尚處發(fā)展階段，其使用效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，而且該技術(shù)的使用成本相對(duì)較高，嚴(yán)重制約了在高層建筑中的應(yīng)用。

2.2 高層建筑結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)不合理

高層建筑一般處于建筑密集區(qū)，隨著城市高層建筑數(shù)量不斷增加，建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)復(fù)雜性特征。為了滿足建筑規(guī)范要求，一些高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)忽視了節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的需求。例如，為了最大程度使用用地，導(dǎo)致高層建筑體量過大、容積率過高、樓間距較低、樓層內(nèi)部布局密集以及通透性較差，嚴(yán)重影響了使用過程的舒適性[6]。為了滿足室內(nèi)環(huán)境的要求，很多高層建筑不得不加大能耗調(diào)控室內(nèi)環(huán)境。

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般情況下節(jié)能設(shè)計(jì)更多考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中則很少考慮。不同的建筑朝向、建筑位置、門窗設(shè)置都對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響，高層建筑空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是相互協(xié)同配合的關(guān)系，只有將兩者統(tǒng)一考慮，才能做好高層建筑結(jié)構(gòu)的節(jié)能設(shè)計(jì)，從而降低高層建筑的能源消耗。

2.3 高層建筑節(jié)能環(huán)保材料應(yīng)用不足

為了降低建筑成本，業(yè)主通常會(huì)要求設(shè)計(jì)人員盡可能考慮傳統(tǒng)建材，很少采用新型節(jié)能環(huán)保材料，大大影響了高層建筑節(jié)能的設(shè)計(jì)效果，也不利于高層建筑能耗管控。同時(shí)，在高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，為了滿足節(jié)能政策要求，會(huì)考慮使用一些新型環(huán)保材料，但是并沒有考慮環(huán)保材料與傳統(tǒng)材料之間的聯(lián)系和相互影響，這不僅降低了材料的使用效果，還進(jìn)一步增加了高層建筑的成本[7]。因此，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮新型環(huán)保材料的應(yīng)用，并進(jìn)一步研究其與傳統(tǒng)材料之間的聯(lián)系和影響關(guān)系，二者相互促進(jìn)，最大限度發(fā)揮節(jié)能環(huán)保的功能。

3 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)策

針對(duì)高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的常見問題，從充分運(yùn)用可再生能源、優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)以及應(yīng)用環(huán)保節(jié)能材料4 個(gè)方面提出優(yōu)化對(duì)策。

3.1 充分利用可再生能源

為了減少高層建筑建設(shè)和運(yùn)維能耗，在節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮可再生能源的使用。高層建筑使用的可再生能源主要為太陽能，該能源的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面[8]。

第一，太陽能熱水系統(tǒng)。通過設(shè)置高層建筑外部集熱器吸收太陽輻射，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，由管道輸送至高層建筑內(nèi)部。

第二，太陽能光伏建筑一體化系統(tǒng)。將高層建筑外部構(gòu)件與太陽能光伏發(fā)電組件融為一體，如光伏幕墻、光伏屋面、光伏磚墻等，通過光電轉(zhuǎn)化為高層建筑提供一定的能源供給。

第三，太陽能供暖系統(tǒng)。當(dāng)高層建筑室外溫度較低時(shí)，可使用該系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)供暖系統(tǒng)。通過運(yùn)用太陽能可以大大減少傳統(tǒng)供暖系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，減少能源消耗。

第四，光導(dǎo)管系統(tǒng)。光導(dǎo)管技術(shù)是一種直接運(yùn)用太陽光照的方式，利用光導(dǎo)管改變太陽照射路徑，經(jīng)過一系列反射將高層建筑外部的太陽光直射引入建筑內(nèi)部，通過這種自然光補(bǔ)充照明，減少室內(nèi)照明系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷。

3.2 優(yōu)化高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)工程技術(shù)和管理水平的提高，高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)。高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中與節(jié)能減排相關(guān)的主要包括建筑體型、建筑朝向和間距以及建筑平面布局[9]。在建筑體型設(shè)計(jì)方面，建筑體型系數(shù)是指建筑外表面與體積的比值，一些研究指出建筑體型系數(shù)與建筑能耗、散熱量呈正比關(guān)系。

在高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)高層建筑群體及單件體型，使建筑可以適應(yīng)不同的氣候、地理?xiàng)l件。在高層建筑體型設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用增加進(jìn)深和縮小面寬等方法優(yōu)化建筑體型，從而降低高層建筑的體型系數(shù)。此外，在高層建筑外觀選擇上應(yīng)多采用長(zhǎng)條形，不宜選用復(fù)雜的建筑外觀。

另外，建筑朝向和間距對(duì)建筑節(jié)能也有較大的影響。在高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)充分考慮不同地區(qū)、不同季節(jié)的日照時(shí)長(zhǎng)，合理設(shè)置高層建筑之間的間距和朝向。一般情況下，在冬季不僅需要考慮寒冷空氣的侵襲，還要保障高層建筑室內(nèi)日照時(shí)長(zhǎng)；在夏季時(shí)，不僅需要保障高層建筑室內(nèi)具有良好的通風(fēng)環(huán)境，還要減少太陽直射帶來的熱輻射影響。

在高層建筑平面布置方面，良好的平面布局能有效提高建筑節(jié)能效果。高層建筑設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將管道井、電梯井、樓梯間等盡量布置在西側(cè)或南側(cè)，可在一定程度上阻擋日照輻射。此外，建筑通風(fēng)對(duì)于建筑節(jié)能也非常重要，因此應(yīng)做好高層建筑的室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)。

3.3 優(yōu)化高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)是建筑外部與內(nèi)部傳熱的重要介質(zhì)，直接影響建筑的熱穩(wěn)定性和隔熱保溫效果，是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中關(guān)注的重點(diǎn)。高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化主要從高層建筑墻體、門窗以及屋頂3個(gè)方面進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化[10]。

高層建筑墻體節(jié)能設(shè)計(jì)主要分為內(nèi)墻保溫和外墻保溫，由于外墻面積大，外墻保溫的效果更明顯。因此，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)合理進(jìn)行外墻保溫設(shè)計(jì)。同時(shí)，外墻保溫材料的選取也非常重要。目前，高層建筑外墻保溫材料一般采用巖棉板、擠塑聚苯板以及聚合聚苯板等，隨著新型環(huán)保材料的出現(xiàn)，高層建筑外墻可以采用一些新型節(jié)能材料，提高外墻保溫效果。

在高層建筑門窗節(jié)能設(shè)計(jì)方面，應(yīng)合理設(shè)置高層建筑的門窗比例。窗墻比是窗戶洞口面積與立面面積的比值，高層建筑窗墻比應(yīng)滿足觀景、通風(fēng)、采光等要求，同時(shí)滿足建筑節(jié)能規(guī)范要求。為了減少太陽輻射，南向窗墻比一般不超過35%，東向不超過30%，北向不超過20%。此外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮門窗的遮陽系數(shù)、傳熱系數(shù)以及氣密性等。

在高層建筑屋頂節(jié)能設(shè)計(jì)方面，屋頂可以采用高效保溫隔熱材料，在構(gòu)造上可以通過架空屋面或淺色屋面減少陽光輻射。同時(shí)，還可以采用植被覆蓋屋面遮陽，起到隔熱作用。屋頂植物不僅能起到環(huán)保作用，還可以美化屋面環(huán)境。

3.4 應(yīng)用環(huán)保節(jié)能材料

高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)考慮環(huán)保節(jié)能材料的應(yīng)用，有效提高高層建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱效果。高層建筑一般采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，為了減輕荷載，同時(shí)兼顧環(huán)境保護(hù)、節(jié)能減排要求，外墻一般采用輕質(zhì)高效的保溫材料。在選擇砌體材料時(shí)，多采用新型的節(jié)能磚來增加節(jié)能效果，如加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊等。此外，在高層建筑照明節(jié)能設(shè)計(jì)過程中，可以通過光控、聲控?zé)舴绞綔p少不必要的照明能耗，并選用環(huán)保材料和節(jié)能燈具減少高層建筑能耗。

4 結(jié)語

高層建筑能源消耗量大，節(jié)能減排是建筑業(yè)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要保障，提高高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)水平是促進(jìn)高層建筑節(jié)能減排的重要途徑。目前，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)仍然存在很多不足，如可再生能源利用率低、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理以及節(jié)能環(huán)保材料應(yīng)用不足等，嚴(yán)重制約了高層建筑節(jié)能減排的實(shí)施和環(huán)境保護(hù)要求。

本文分析了高層建筑能耗及其節(jié)能設(shè)計(jì)要求，深入探討了高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)常見問題的根源，提出了高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的優(yōu)化對(duì)策，以期為提高高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)水平提供參考。