辦公樓被動式超低能耗建筑設計

詹長鵬

（江西省建筑設計研究總院集團有限公司，江西 南昌）

引言

被動式超低能耗建筑是新型建筑，該建筑模式可以利用可再生能源，為用戶提供舒適室內環(huán)境，減少建筑能耗，在低碳社會發(fā)展過程中，被動式超低能耗建筑受到建筑行業(yè)的廣泛歡迎。因此，研究此項課題，具有十分重要的意義。

1 辦公樓的規(guī)劃布局

1.1 環(huán)境條件分析

在開展被動式超低能耗建筑設計工作中，為了盡可能提升建筑周邊環(huán)境因素的利用質量，設計人員需要在明確辦公樓具體需要的基礎上，對建筑周圍氣候大環(huán)境與室內外環(huán)境情況進行詳細的分析。具體來說，氣候環(huán)境因素是辦公樓設計中的一個核心性因素，在我國南北方地區(qū)氣候差異較為明顯[1-2]。南方地區(qū)夏季氣溫較高，辦公樓對于室內供冷有著較為強烈的需求，北方地區(qū)冬季氣溫較低，辦公樓對于建筑內部暖氣供應條件有著較高的要求，因此在開展被動式超低能耗辦公樓建筑設計工作時設計人員需要結合辦公樓所在地區(qū)的區(qū)域大環(huán)境選擇合適的設計技術，提升辦公樓的使用舒適性。其中，被動式超低能耗建筑通過供暖系統(tǒng)，可保證冬季室內溫度不超過20 ℃，在過渡季節(jié)，利用高性能外墻和外窗遮陽系統(tǒng)，確保室內溫度保持在合理的區(qū)間內，具體為26 ℃以下。在夏季，若外界氣溫和濕度條件較差，主動供冷系統(tǒng)即可自動運行，使室內溫度始終保持在26 ℃左右，且濕度不超過60%。

1.2 自然能源利用

在被動式超低能耗辦公樓設計工作中，合理應用自然能源代替常規(guī)能源是有效降低辦公樓整體應用能耗的重要舉措，在實際設計工作中，設計人員可以在明確辦公樓能耗需求的基礎上，綜合利用太陽能、風能、地熱能等能源，減少建筑在投入使用后對傳統(tǒng)能源的需求，提升建筑的節(jié)能環(huán)保水平。舉例來說，太陽能是一種清潔可再生的能源，在辦公樓設計工作過程中，設計人員可以通過在建筑頂部設置太陽能熱水器或太陽能電池板的方式，為辦公樓提供熱水、電能的補充，在滿足建筑對于相應資源使用需求的同時，減少熱水、電能供應產生的能耗。比如：在設計過程中，可以按照公式對圍護結構主斷面的傳熱系數(shù)進行計算。并在此基礎上，明確自然能源的利用成效。該公式如下：

式中，αn表示內表面換熱系數(shù)，其取值為8.6；αw表示外表面換熱系數(shù)；R 表示各類材料層的熱阻；δ 表示各類材料層的厚度；λ 表示各類材料導入系數(shù)；β表示導熱系數(shù)修正系數(shù)。

1.3 建筑朝向控制

在建筑朝向設計工作中，設計人員可以在明確當?shù)貧夂颦h(huán)境條件的基礎上，通過盡可能控制建筑朝向為南北朝向的方式，滿足建筑對于自然通風采光需要，降低采光、通風產生的能耗。同時盡管近年來隨著人們審美要求的不斷提升，建筑工程的外形設計越發(fā)多樣，但是在開展被動式超低能耗建筑設計工作時，設計人員需要對辦公樓的具體應用要求進行分析。計算公式如下：

式中，SD 表示外遮陽系數(shù)；x 表示外遮陽特征；a、b 表示擬合系數(shù)；A、B 表示外遮陽的構造定形尺寸。

嚴禁為了追求建筑立面變化而一味采用復雜設計的情況。舉例來說，某裝配式辦公樓在設計過程中，設計人員秉承被動優(yōu)先，主動優(yōu)化的綠色建筑節(jié)能原則，在明確該建筑所在氣候區(qū)條件的情況下，通過合理應用太陽房建筑蓄熱等被動式技術的方式，提升自然采光、自然通風的利用率，營造健康舒適的室內聲、光、熱環(huán)境，有效降低建筑的能耗。在實際設計過程中，該建筑工程的平面設計采用紅線，設計方法是控制建筑朝向為南偏西45°。同時，為了滿足室內對于自然通風、自然采光的需要，設計人員在建筑內部設置了中庭，項目形體系數(shù)為0.393，窗墻面積比如表1 所示。

表1 建筑窗墻面積比

2 辦公樓本身構造

對當前的被動式超低能耗建筑進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，建筑普遍有著良好的圍護結構、優(yōu)越的密封性、無熱橋、被動式門窗、新風系統(tǒng)可以實現(xiàn)熱回收等效果。在當前的辦公樓設計工作中，為了保證最終的成品能夠取得相似的效果，設計人員需要合理將被動式超低能耗設計方法融入到設計方案當中[3]。

2.1 圍護結構設計

將歷史、人文、建筑特點等內容融入到設計當中，有助于確保圍護結構能夠有著良好經濟性、適用性的同時，彰顯當?shù)氐牡赜蝻L情。在建筑投入使用后，主要借助圍護結構，抵御外界惡劣的氣候環(huán)境，為人們提供舒適的辦公空間，在開展被動式超低能耗辦公樓設計工作時，為了有效降低建筑內部的能耗，提升室內空間的舒適性，設計人員可以從選擇節(jié)能材料提升圍護結構，保溫功能的角度入手，確保辦公樓圍護結構的屋面、外墻、地面、非采暖地下室頂板等部分的傳熱系數(shù)均不大于0.15 W/（m2·K），外門傳熱系數(shù)不大于0.8 W/（m2·K）。

2.1.1 墻體設計

墻體（如圖1 所示）作為辦公樓建筑的重要組成部分，有著分隔空間、降低室內外熱量交換的功能，在開展被動式超低能耗建筑設計時，設計人員需要提升對墻體設計工作的關注度。一般情況下，圍護結構能耗占建筑總能耗的20%～50%，墻體能耗占建筑圍護結構能耗總量的35%左右，因此在開展墻體設計工作時，為了降低墻體在圍護結構中的能耗總量，設計人員可以通過選擇合適外墻材料，提高墻體隔熱保溫效果的方式，減少墻體在辦公樓投入使用后產生的熱量損失。舉例來說，某辦公樓位于夏熱冬冷地區(qū)，為了提升墻體的保溫隔熱效果，在開展設計工作時，設計人員在建筑外墻設計采取了外保溫措施，墻體主要由混凝土墻體黏結砂漿、第一層保溫板、第二層保溫板、抹面膠漿、耐堿玻璃網格布、混凝土保溫砂漿、裝飾面等部分構成。這種多層的外保溫墻體結構減緩了建筑室內外的溫度交換，在建筑投入使用后有效減少了建筑在溫度調節(jié)方面產生的能耗，降低了辦公樓整體的運營成本[4]。

圖1 墻體

2.1.2 屋面設計

在超低能耗建筑設計工作中，開展屋面保溫隔熱設計，能夠取得與圍護外墻隔熱設計相似的效果，具體來說，在設計過程中，設計人員可以通過優(yōu)化屋面熱工性能，提高墻體熱阻，降低其傳熱系數(shù)的方式，為人們提供舒適的辦公環(huán)境。舉例來說，在某建筑屋面層設計過程中，為了切實提升屋面層的保溫性、耐火性與防水性，屋面層主要由鋼筋混凝土屋面板、非固化橡膠防水涂料、擠塑保溫板、聚酯酸改性瀝青防水卷材、聚乙烯膜等材料組成。同時，為了減少不同材料鋪設縫隙對建筑屋面保溫性、防水性的影響，在屋面鋪設過程中還需要應用1:3 水泥砂漿對屋面鋪設的建材進行找平處理。

2.1.3 窗戶

窗戶（如圖2 所示）是圍護結構的重要組成部分之一，盡管相對于墻體，窗戶在圍護結構中的占比相對較少，但由于傳統(tǒng)建筑使用的窗戶窗框為鋁合金、塑鋼等材質，窗戶玻璃為普通鋼化玻璃，玻璃間的空氣層間距較小，并且窗框與窗戶之間存在較多間隙，因此在這類建筑中，窗戶產生的能耗約占圍護結構能耗總量的50%左右。現(xiàn)階段為了切實降低辦公樓建筑的能耗，在開展被動式超低能耗建筑設計時，設計人員需要在合理控制窗戶大小、數(shù)量的基礎上，選擇傳熱系數(shù)較低的窗戶，預防熱橋現(xiàn)象，提高建筑整體的保溫隔熱性能。

圖2 窗戶

2.2 無熱橋設計

對當前的辦公樓建筑進行分析，可以發(fā)現(xiàn)除了外墻、屋面等結構組成的建筑外圍護結構會產生熱量損失外，尖角、穿墻而過的金屬構件等部件也存在許多的點狀熱橋，在建筑投入使用后會增大建筑的能耗損失[5]。若在設計時存在必須利用管材穿透圍護結構，那么在穿透結構區(qū)域附近可以應用多孔磚（如圖3 所示）增大圍護結構的熱穿透阻力，并且應用保溫材料完全包裹圍護結構，實現(xiàn)熱能損失的有效控制。此外，在設計過程中，設計人員應盡量避免圍護結構存在銳角交接的現(xiàn)象，降低熱橋效應的產生概率，提升建筑的整體氣密性。

圖3 孔磚

2.3 氣密性設計

對建筑工程進行分析可以發(fā)現(xiàn)建筑的采暖能耗會受到建筑親密性的影響，具體來說，在供暖期，若建筑的親密性較差，那么大量室外冷風會通過縫隙進入到室內，在供冷期，若建筑的親密性較差，那么室內的冷空氣會順著縫隙流入室外，上述情況，在調節(jié)室內空氣質量的同時，會增大建筑內部的氣溫調節(jié)成本，降低人們的使用舒適度。在當前的建筑設計工作中，為了實現(xiàn)建筑機密性的有效管控，設計人員需要在明確建筑氣密性原理的基礎上，選擇合適的測試方法實現(xiàn)建筑氣密性的有效管控。具體來說，當前建筑空氣滲透量與壓差之間的關系為Q=C△P，其中Q 指的是通過風機的空氣流量，單位為m3/h；C 指的是空氣滲透系數(shù);P 指的是圍護結構內外壓差，單位為Pa；n 指的是壓差指數(shù)。對建筑內圍護結構進行分析可以發(fā)現(xiàn)，圍護結構的氣密性對n 的影響較大，為了實現(xiàn)滲透量與內外壓差關系的線性分析，可以對上述公式進行取對數(shù)處理，得到公式InQ=InC+nln△P，通過如表2所示的測試方法，可以得到不同設定壓差下，建筑圍護結構的空氣滲透量，進而計算得出建筑在任意氣壓下的滲透量。

表2 氣密性測試方法

考慮到被動式超低能耗建筑對于建筑機密性的要求較高，因此在開展心理性設計時，設計人員可以通過保證建筑外圍圍護結構僅有一個氣密層，緊緊包裹整個建筑采暖空間，減少穿透性問題出現(xiàn)，將隔熱墊片放置在元器件與墻體之間等方式，減少建筑熱橋，提升辦公建筑的節(jié)能效果[6]。

2.4 機械通風

在開展被動式超低能耗辦公樓設計工作室，考慮到該建筑為一個封閉的空間，室內外氣體交流相對較少，為了在降低建筑能耗的同時，提升建筑室內空氣的新鮮度，設計人員可以通過在設計過程中設置超低能耗新風冷暖系統(tǒng)，由通風系統(tǒng)自動控制室內外空氣交換，實現(xiàn)空氣熱量的高效回收。

結束語

在當前的被動式超低能耗建筑設計工作中，為了保證建筑最終施工質量能夠滿足預期的效果，設計人員可以在明確節(jié)能環(huán)保理念、應用意義的基礎上，通過將節(jié)能環(huán)保技術融入到設計規(guī)劃工作當中，并強化建筑設計方案保溫效果的方式，為建筑設計質量的提升提供保障。