高層建筑節(jié)能設計的應用研究

黃文

摘要 高層建筑在節(jié)能設計方面存在一些如自然采光利用率低、室內通風效果不佳、外圍護結構保溫隔熱能力差、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、圍護結構、可再生能源等在節(jié)能設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。

關鍵詞 高層建筑 節(jié)能 應用研究

一、高層建筑能耗特點分析

1.能耗組成及特點分析。高層建筑容納人數眾多，信息處理量大。為保持正常的運作，高層建筑在電梯、空調、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。其中供暖空調系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和辦公設備系統(tǒng)是建筑能耗的4個主要系統(tǒng)。供暖空調系統(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%；辦公設備系統(tǒng)約為10%。

2.采光和通風的要求。高層建筑基本空問由主要使用房問、交通聯系空問（水平交通和垂直交通）、輔助使用房問（餐飲和衛(wèi)生問）以及設備系統(tǒng)等幾部分構成，平面布局與空問組織相對固定，各部分功能空問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，若通過調節(jié)建筑與環(huán)境的關系來達到節(jié)約能耗的目的，效果甚微。高層建筑的節(jié)能問題應從建筑自身出發(fā)（如平面形式、進深大小、圍護構件、設備系統(tǒng)等），進行節(jié)能措施的探討。

二、高層建筑設計常見問題

高層建筑設計中常出現圍護結構保溫隔熱能力差的問題，建筑的外圍護結構包括屋面、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構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，墻體構造形式等。

在研究中發(fā)現，高層建筑外墻應設置保溫層，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，未設置保溫層，使得該辦公建筑供暖空調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造做法時，雖然設置了聚苯板外保溫但其供暖空調能耗普遍較高，如旺座現代城B座和D座，供暖空調能耗高達54.62%～56.08%。在窗戶類型的選擇上，分析可知，供暖空調能耗較高的都采用了單層單玻窗，能耗高達56.8%～60.27%。除此之外，還發(fā)現幾乎沒有高層建筑采取遮陽手段來降低供暖空調能耗，尤其是西向遮陽的問題，值得引起專業(yè)人員的重視。

三、設計對策

1.通風設計。關于自然通風的引入，一方面可以對建筑的空問形式進行組織，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。對于點式高層，應盡可能組織兩垂直墻面窗戶之問的通風。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，還可以結合雙層玻璃來實現降溫。在國外，建筑利用通風已經成為了一種趨勢，很多建筑在設計階段均考慮了通風的構造體系，例如津巴布韋的Eastgate大樓、英國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構造形式。

2.外圍護結構設計。（1）外圍護結構材料。針對目前高層建筑外圍護結構材料以實體圍護結構和透明圍護結構為主的現狀，且基于高層建筑外圍護結構并非承重結構，材料選取較為靈活的特點，對于實體圍護結構，應盡量選用導熱系數小的多孔，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，控制由外圍護結構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，應盡量減少玻璃幕墻的使用。

當實體圍護結構達到保溫隔熱要求后，透明圍護結構應遵循以下措施：盡量減少使用玻璃幕墻；控制合理的窗墻面積比，控制可丌啟面積以組織通風；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構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構的熱工性能。建筑墻體外飾面對建筑節(jié)能設計的影響主要通過圍護結構外表面對太陽輻射熱的吸收系數表現出來：一是在房問制冷狀態(tài)下，對房問能耗的影響；二是對墻體傳熱系數的直接影響；三是房問在自然通風狀態(tài)下對墻體內表面最高溫度的影響?！毒幼〗ㄖ?jié)能設計標準》規(guī)定：建筑外墻采用“淺色外飾面（太陽輻射吸收系數<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”，當外墻的傳熱系數由于其構成而不能達到《建筑節(jié)能設計標準》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值均可滿足“民用建筑節(jié)能設計標準”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。除外圍護結構材料的選擇外，還可增加建筑遮陽，以減少供暖空調能耗。建筑遮陽包括水平遮陽、垂直遮陽、綜合遮陽等方式，可結合立面設計意圖進行設計，尤其應注意西向遮陽對節(jié)約建筑能耗的作用?！毒幼〗ㄖ?jié)能設計標準》規(guī)定：建筑的“東、西外墻采用花格構件或爬藤植物遮陽（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)能設計中應考慮“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計經驗。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.可再生能源的利用。在系統(tǒng)的能源使用方面，應盡量丌發(fā)可再生能源的利用，如太陽能、地熱能、風能、水能、生物質能等。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，使用分體空調的建筑建議增設地源熱泵，這樣可大大降低空調系統(tǒng)能耗；使用螺桿式水冷機組的建筑建議增加蓄冷裝置，冷卻塔的廢熱應予以回收利用；熱泵作為一種新型節(jié)能技術，也應該在辦公建筑中考慮采用；關于太陽能的利用，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)。

四、結束語

由于經濟發(fā)展的需要，建筑由從前的多層為主改為以中高層為主，建筑的結構形式也發(fā)生了較大變化，由過去單純的框架結構改變?yōu)橐钥蚣艚Y構為主，墻體結構形式的改變對墻體節(jié)能也提出了新的要求，框架結構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構體系中，填充墻往往只占墻體面積的一半，甚至更少，在這種形式下單純靠改善砌塊的熱工性能來達到節(jié)能目的的可能性大大降低。因此，應加大發(fā)展適合于鋼筋混凝土結構形式的復合外墻外保溫體系的力度。對有利于提高節(jié)能效率的措施，如淺色外墻飾面、窗口建筑外遮陽及東西外墻遮陽等，在節(jié)能設計時多作考慮；目前68%的建筑節(jié)能設計可直接滿足《居住建筑節(jié)能設計標準》規(guī)定的性能指標要求，且各相關參數都優(yōu)于《節(jié)能設計標準》的限值要求。因此，單純從建筑圍護結構上說，完全有條件在現行規(guī)范要求的基礎上適當提高節(jié)能率，提前實現建筑節(jié)能的目標。

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、容納人數眾多而應運而生，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；通過改變空問形式、建筑角度等組織自然通風或改變圍護結構構造等蓄存冷量；提高外圍護結構保溫隔熱能力以減少供暖空調能耗；利用太陽能、風能、地熱能、水能、生物質能等可再生能源供給設備系統(tǒng)等。以上改進措施，如：組織自然通風、改善圍護結構、可再生能源利用等應在節(jié)能設計中綜合運用，以有利于高層建筑生態(tài)化發(fā)展。