綠色建筑技術(shù)在高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用

李 黎，李盼盼

(河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

人為的集中和大量的能源消耗帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，對(duì)人類的發(fā)展和生存構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。在“十三五”規(guī)劃中，我國(guó)提出了能源強(qiáng)度和總量的雙重調(diào)控行動(dòng)，以控制能源消費(fèi)總量。據(jù)能耗調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗已達(dá)到總能耗的30%以上，已成為能耗最大的行業(yè)，建筑行業(yè)的能耗也在不斷增長(zhǎng)。因此，有必要盡可能降低建筑能耗，為解決環(huán)境問(wèn)題和氣候變化做出貢獻(xiàn)。由于建筑業(yè)能耗巨大，其節(jié)能潛力也非常巨大，因此對(duì)建筑節(jié)能的研究更有意義。在大型公共建筑中，建設(shè)量最大的是高層辦公建筑，其節(jié)能優(yōu)化研究形式十分迫切。

對(duì)于高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化，已經(jīng)取得了很多研究成果。在國(guó)外，高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化研究經(jīng)歷了從試驗(yàn)?zāi)M分析到優(yōu)化遺傳搜索的過(guò)程。國(guó)內(nèi)研究中，孫祁[1]等研究了高層建筑能耗系數(shù)與辦公窗設(shè)計(jì)的關(guān)系，隨后，吳維[2]提出的綠色建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中的BIM技術(shù)，趙偉卓[3]提出的建筑信息模型技術(shù)與低碳綠色建筑評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的動(dòng)態(tài)融合機(jī)制。

本文綜合以往研究方法，將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于高層辦公建筑的節(jié)能優(yōu)化中，將綠色建筑分為兩部分，其中，主動(dòng)式綠色建筑技術(shù)包括太陽(yáng)能利用技術(shù)，水資源回收利用技術(shù)等，被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)包括建筑外墻保溫技術(shù)，建筑窗體節(jié)能技術(shù)，建筑通風(fēng)技術(shù)等，為解決高層辦公建筑季度性能耗較大的問(wèn)題提供參考。

1 綠色建筑技術(shù)在高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用

1.1 構(gòu)建建筑的信息環(huán)境模型

建筑信息環(huán)境模型可以實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)高層辦公建筑運(yùn)行信息、建筑信息、材料信息、形狀和幾何信息的集成，因此通過(guò)參數(shù)采樣建立高層辦公樓信息環(huán)境模型[4-6]。為了反映經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同的城市高層辦公樓的實(shí)際形態(tài)特征，從縣級(jí)市、地級(jí)市、省會(huì)城市等多個(gè)城市采集樣本[7]。收集了高層辦公建筑外窗的各種形狀參數(shù)，包括外窗的寬度和高度(每個(gè)方向)、高開(kāi)間比、深開(kāi)間長(zhǎng)、層高、層數(shù)、平面形狀、窗墻比等。通過(guò)綜合采樣參數(shù)，建立高層辦公樓信息環(huán)境模型。

首先，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)化的高層辦公建筑，將建筑庭院用多邊形建筑平面形態(tài)包圍，將平面圖形參數(shù)設(shè)定為可調(diào)形狀參數(shù)，通過(guò)調(diào)整深度參數(shù)，可以生成各種平面形態(tài)的高層辦公建筑形態(tài)，進(jìn)而生成各種高層辦公建筑通過(guò)調(diào)整深度參數(shù)來(lái)改變模型基的形狀，可以生成具有不同深度和開(kāi)口關(guān)系的形狀模型[8]。

其次，將庭院的平面空間形態(tài)設(shè)定為可調(diào)的形態(tài)參數(shù)，生成外圓內(nèi)廣場(chǎng)或外廣場(chǎng)內(nèi)圓的建筑形態(tài)，創(chuàng)造出庭院有趣的內(nèi)部空間，提高模型對(duì)不同造型要求的響應(yīng)能力[9]。在建立標(biāo)準(zhǔn)高層辦公樓原型后，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和收集到的辦公樓數(shù)據(jù)，確定模型的實(shí)際參數(shù)范圍[10]。高層辦公建筑信息環(huán)境模型的建?？刂茀⒘烤唧w如表1所示。

表1 建?？刂茀⒘?/p>

對(duì)于柔性非標(biāo)高層辦公建筑，從平面形狀控制和三維形狀控制兩個(gè)角度進(jìn)行幾何信息集成，建立高層辦公建筑信息環(huán)境模型[11]。平面形狀控制角采用點(diǎn)集控制形式；三維形狀控制角度采用漸變控制形式。

平面形狀控制角主要是通過(guò)建筑物的中點(diǎn)和端點(diǎn)組成的點(diǎn)集組合來(lái)控制高層辦公建筑的實(shí)際平面形狀。每個(gè)點(diǎn)的參數(shù)可以獨(dú)立調(diào)整，利用參數(shù)約束可以對(duì)多個(gè)子點(diǎn)集進(jìn)行分割和相關(guān)調(diào)整，從而提高平面形狀構(gòu)造的靈活性[12]。通過(guò)調(diào)整控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)和相應(yīng)的位置參數(shù)，生成各種高層辦公樓對(duì)應(yīng)的平面形狀。同時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)和縮放平面形狀，具體如圖1所示。

對(duì)于三維形態(tài)控制角度，采用梯度控制逐層控制建筑形態(tài)的傾斜、旋轉(zhuǎn)和縮放。調(diào)整的對(duì)象是自然層。通過(guò)構(gòu)造各層的參數(shù)約束，調(diào)整各層的形狀，實(shí)現(xiàn)調(diào)整中各層的連續(xù)漸變響應(yīng)[13]，如圖2所示。這種控制形式可以創(chuàng)造出建筑的節(jié)奏感，使建筑形式對(duì)環(huán)境影響的反應(yīng)更加準(zhǔn)確[14]。在外窗控制方面，考慮到不同日照方向?qū)ㄖ?shí)際能耗水平的影響不同，分別對(duì)不同朝向的實(shí)際窗戶尺寸進(jìn)行控制。

圖1 平面形態(tài)的生成與調(diào)整

圖2 逐層漸變控制形式

1.2 基礎(chǔ)節(jié)能優(yōu)化

根據(jù)信息環(huán)境模型，運(yùn)用綠色建筑技術(shù)對(duì)高層辦公建筑進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化。綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用可以分為兩部分，一部分是常規(guī)的綠色建筑技術(shù)，另一部分是關(guān)鍵的綠色建筑技術(shù)。

其中，被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)的控制項(xiàng)目需要完全滿足要求，相關(guān)技術(shù)措施必須滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，并重點(diǎn)關(guān)注綠色建筑的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)主要集中在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)選項(xiàng)和一般項(xiàng)，優(yōu)選項(xiàng)中的技術(shù)指標(biāo)是實(shí)施的重點(diǎn)。應(yīng)用被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)優(yōu)化高層辦公建筑的基本節(jié)能。

在綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用中，有必要對(duì)建筑物的日照進(jìn)行分析，以確定建筑物的陰影范圍。還需要充分考慮建筑間距、朝向、造型等，確保每棟建筑都能合理利用自然季風(fēng)和場(chǎng)地條件，從而合理設(shè)計(jì)高層辦公建筑的距離、朝向和造型。為了保證良好的聲環(huán)境和良好的自然通風(fēng)條件，還需要對(duì)風(fēng)環(huán)境和噪聲進(jìn)行仿真分析。其中風(fēng)環(huán)境的模擬分析需要以圖3為依據(jù)，分析手段為CFD。

圖3 風(fēng)速等值線圖

高層辦公建筑的采暖地板的優(yōu)化措施如下：混凝土戶墻和混凝土厚地板的厚度應(yīng)設(shè)置低溫?zé)崴竦匕??；炷梁駪魤穸葢?yīng)大于200 mm，混凝土厚地板厚度應(yīng)大于100 mm，低溫?zé)崴竦匕搴穸葢?yīng)大于130 mm。建筑周圍應(yīng)規(guī)劃綠化帶，加強(qiáng)綠化，屏蔽交通噪聲。

高層辦公樓給水系統(tǒng)采用市政給水作為供水水源。水管材質(zhì)為DN200。再生水用于景觀用水、地下車庫(kù)沖洗水、道路灑水、綠化用水。中水管道為DN150。地下室設(shè)置雨水收集裝置，利用雨水進(jìn)行綠地綠化。生活熱水由太陽(yáng)能供電，輔助供電。使用一些高效節(jié)水器具，包括節(jié)水馬桶。

在節(jié)材設(shè)計(jì)中，框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)采用鋼筋混凝土框架。為減少環(huán)境污染和施工噪聲，采用商品混凝土預(yù)拌混凝土。采用裝飾與土建一體化的施工理念，采用半成品作為裝飾材料。

外墻采用20cm厚鋼筋混凝土，外保溫采用石墨厚聚苯板，使外墻達(dá)到較高的傳熱系數(shù)。屋面保溫層采用8cm厚擠塑聚苯板，使屋面達(dá)到較高的傳熱系數(shù)[15]。外門窗采用Low-E玻璃和中空鋁合金斷橋窗。建筑內(nèi)設(shè)采暖通風(fēng)系統(tǒng)，采用地源熱泵系統(tǒng)供冷供熱，機(jī)房設(shè)在一層。

1.3 智能節(jié)能優(yōu)化

以此采用被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)實(shí)現(xiàn)高層辦公建筑智能節(jié)能優(yōu)化[16]。高層辦公建筑智能節(jié)能優(yōu)化所采用的綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)對(duì)應(yīng)策略如表2所示。

表2 使用的被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)的對(duì)應(yīng)策略

此外，物化管理系統(tǒng)用于高層辦公樓的管理。給排水間、中水、鍋爐房、電梯系統(tǒng)、照明等用電設(shè)備的用電，均設(shè)置計(jì)量裝置。建立萬(wàn)用表遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表，并通過(guò)理化管理系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行監(jiān)控和管理。并介紹了高層辦公樓智能管理系統(tǒng)，包括消防聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)。

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

結(jié)合上海某高層辦公樓工程實(shí)例，驗(yàn)證了基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的實(shí)際應(yīng)用效果。項(xiàng)目基地位于上海市黃浦區(qū)?；啬蟼?cè)是主要道路?；乇?、西、東三個(gè)方向均被征用為城市規(guī)劃用地。基地具體設(shè)計(jì)方案為：南北向長(zhǎng)74.76 m，東西向長(zhǎng)100.31 m。總面積近7 500 m2，整體呈長(zhǎng)方形。高層辦公樓共25層，樓內(nèi)辦公空間以開(kāi)放式設(shè)計(jì)為主。而且在設(shè)計(jì)要求能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的分割，整體設(shè)計(jì)內(nèi)部空間更加規(guī)整。對(duì)基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)目標(biāo)具體如表3所示。

表3 整體設(shè)計(jì)目標(biāo)

獲取基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的建筑能耗數(shù)據(jù)，包括全年照明能耗、夏季制冷能耗。將文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法作為實(shí)驗(yàn)中的對(duì)比方法進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。同樣獲取兩種對(duì)比方法的建筑能耗數(shù)據(jù)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

采用SPSS19.0軟件進(jìn)行因子提取。經(jīng)過(guò)最大方差和正交旋轉(zhuǎn)，結(jié)合高層辦公建筑節(jié)能程度檢驗(yàn)的原則，參照特征值大于1、累計(jì)解釋總方差大于60%的原則，以總體設(shè)計(jì)目標(biāo)為約束條件，以照明和制冷兩個(gè)公因子為輸入，并對(duì)其進(jìn)行分析累積方差貢獻(xiàn)率如表4所示。

由表4可知，各因子的隱含特性通過(guò)各子項(xiàng)目的共同信息反映出來(lái)，說(shuō)明數(shù)據(jù)樣本具有較好的區(qū)分和收斂效度，可以應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)中。由于照明具有全季節(jié)性，因此，指標(biāo)輸入為全年照明；同時(shí)，制冷是針對(duì)夏季的，因此，指標(biāo)輸入為夏季制冷。輸入與輸出過(guò)程嚴(yán)格遵循SPSS19.0軟件應(yīng)用原則。

表4 累積方差貢獻(xiàn)率

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 全年照明能耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的全年照明能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具體如圖4所示。

圖4 全年照明能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)圖4的全年照明能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的全年照明能耗低于文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的全年照明能耗。

2.2.2 夏季制冷能耗實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法與其他兩種文獻(xiàn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法的夏季制冷能耗數(shù)據(jù)具體如圖5所示。

根據(jù)圖5的夏季制冷能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的夏季制冷能耗低于兩種對(duì)比實(shí)驗(yàn)方法的夏季制冷能耗。

圖5 夏季制冷能耗對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語(yǔ)

將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于高層辦公建筑的節(jié)能優(yōu)化中，通過(guò)信息環(huán)境模型分析高層辦公建筑實(shí)際形態(tài)特征，將主動(dòng)式綠色建筑技術(shù)和被動(dòng)式綠色建筑技術(shù)相結(jié)合，以全年照明能耗對(duì)比分析和夏季制冷能耗對(duì)比分析為測(cè)試指標(biāo)，驗(yàn)證了本文方法對(duì)高層辦公建筑能耗的降低作用，其季度性節(jié)能目標(biāo)得到實(shí)現(xiàn)。但這種方法未必能夠適應(yīng)所有地區(qū)，后續(xù)將深入研究。