淺談高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的應(yīng)用
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【摘要】 高層建筑在節(jié)能設(shè)計(jì)方面存在一些如自然采光利用率低、室內(nèi)通風(fēng)效果不佳、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)以上問題，通過對(duì)高層建筑進(jìn)行能耗研究，提出了自然通風(fēng)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、可再生能源等在節(jié)能設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用的改進(jìn)措施，以期對(duì)高層建筑生態(tài)化發(fā)展提供有益的借鑒。
【關(guān)鍵詞】 高層建筑 節(jié)能 應(yīng)用研究
一、高層建筑能耗特點(diǎn)分析
1、能耗組成及特點(diǎn)分析
高層建筑容納人數(shù)眾多，信息處理量大。為保持正常的運(yùn)作，高層建筑在電梯、空調(diào)、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(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和辦公設(shè)備系統(tǒng)是建筑能耗的4個(gè)主要系統(tǒng)。供暖空調(diào)系統(tǒng)耗電量占到整個(gè)建筑能耗的50%以上；照明系統(tǒng)次之，大約為20%；動(dòng)力系統(tǒng)約為10% ；辦公設(shè)備系統(tǒng)約為10%。
2、采光和通風(fēng)的要求
高層建筑基本空間由主要使用房間、交通聯(lián)系空間（水平交通和垂直交通）、輔助使用房間（餐飲和衛(wèi)生間）以及設(shè)備系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成，平面布局與空間組織相對(duì)固定，各部分功能空間對(duì)自然采光與通風(fēng)的需求都不容忽視。因此，高層建筑能耗對(duì)氣候的依賴性較弱，若通過調(diào)節(jié)建筑與環(huán)境的關(guān)系來達(dá)到節(jié)約能耗的目的，效果甚微。高層建筑的節(jié)能問題應(yīng)從建筑自身出發(fā)（如平面形式、進(jìn)深大小、圍護(hù)構(gòu)件、設(shè)備系統(tǒng)等），進(jìn)行節(jié)能措施的探討。
二、高層建筑設(shè)計(jì)常見問題
高層建筑設(shè)計(jì)中常出現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力差的問題，建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括屋面、外墻、外窗以及地面等部位。對(duì)于高層建筑而言，由于其豎向表面面積遠(yuǎn)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(hù)結(jié)構(gòu)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(gòu)造形式等。
在研究中發(fā)現(xiàn)，高層建筑外墻應(yīng)設(shè)置保溫層，采用雙層玻璃。由于西安高新區(qū)清揚(yáng)國際大廈，外墻采用加氣混凝土砌塊，未設(shè)置保溫層，使得該辦公建筑供暖空調(diào)能耗占總能耗的比例高達(dá)60.27%。另外，當(dāng)建筑外墻采用玻璃幕墻配合外掛鋁塑板的構(gòu)造做法時(shí)，雖然設(shè)置了聚苯板外保溫但其供暖空調(diào)能耗普遍較高，如旺座現(xiàn)代城B座和D座，供暖空調(diào)能耗高達(dá)54.62%～56.08%。在窗戶類型的選擇上，分析可知，供暖空調(diào)能耗較高的都采用了單層單玻窗，能耗高達(dá)56.8%～60.27%。除此之外，還發(fā)現(xiàn)幾乎沒有高層建筑采取遮陽手段來降低供暖空調(diào)能耗，尤其是西向遮陽的問題，值得引起專業(yè)人員的重視。
1、通風(fēng)設(shè)計(jì)
關(guān)于自然通風(fēng)的引入，一方面可以對(duì)建筑的空間形式進(jìn)行組織，盡可能形成穿堂風(fēng)，這一點(diǎn)在條形高層建筑中比較容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于點(diǎn)式高層，應(yīng)盡可能組織兩垂直墻面窗戶之間的通風(fēng)。自然通風(fēng)的組織需要更大的窗墻面積比并形成風(fēng)的通路。另外，還可以結(jié)合雙層玻璃來實(shí)現(xiàn)降溫。在國外，建筑利用通風(fēng)已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)，很多建筑在設(shè)計(jì)階段均考慮了通風(fēng)的構(gòu)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(fēng)構(gòu)造形式（見圖1）。
2、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
�。�1）外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料。針對(duì)目前高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料以實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)和透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)為主的現(xiàn)狀，且基于高層建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)并非承重結(jié)構(gòu)，材料選取較為靈活的特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量選用導(dǎo)熱系數(shù)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(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱帶來的能耗損失。對(duì)于處于寒冷地區(qū)與夏熱冬冷地區(qū)交界的城市，應(yīng)盡量減少玻璃幕墻的使用。
當(dāng)實(shí)體圍護(hù)結(jié)構(gòu)達(dá)到保溫隔熱要求后，透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)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，控制可開啟面積以組織通風(fēng)；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(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能。建筑墻體外飾面對(duì)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的影響主要通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)太陽輻射熱的吸收系數(shù)表現(xiàn)出來：一是在房間制冷狀態(tài)下，對(duì)房間能耗的影響；二是對(duì)墻體傳熱系數(shù)的直接影響；三是房間在自然通風(fēng)狀態(tài)下對(duì)墻體內(nèi)表面最高溫度的影響。《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：建筑外墻采用“淺色外飾面（太陽輻射吸收系數(shù)＜0.6）”節(jié)能措施時(shí)，計(jì)算外墻的總熱阻時(shí)可附加“隔熱措施的當(dāng)量附加熱阻0.2”，當(dāng)外墻的傳熱系數(shù)由于其構(gòu)成而不能達(dá)到《建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求時(shí)，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(shù)值均可滿足“民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)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(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)材料的選擇外，還可增加建筑遮陽，以減少供暖空調(diào)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(jié)合立面設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其應(yīng)注意西向遮陽對(duì)節(jié)約建筑能耗的作用�！毒幼〗ㄖ�(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：建筑的“東、西外墻采用花格構(gòu)件或爬藤植物遮陽（透射比＜0.5）”的節(jié)能措施時(shí)，計(jì)算外墻的總熱阻時(shí)可附加“隔熱措施的當(dāng)量附加熱阻0.3”，節(jié)能設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮“東、西外墻遮陽”，在夏天東、西曬非常嚴(yán)重的地區(qū)，東、西外墻遮陽措施有待加強(qiáng)。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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。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(shí)，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(yīng)盡量開發(fā)可再生能源的利用，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、水能、生物質(zhì)能等。利用風(fēng)力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電、垃圾發(fā)電、太陽能熱利用、地?zé)崂煤驼託獍l(fā)電等，來減少對(duì)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(diào)的建筑建議增設(shè)地源熱泵，這樣可大大降低空調(diào)系統(tǒng)能耗；使用螺桿式水冷機(jī)組的建筑建議增加蓄冷裝置，冷卻塔的廢熱應(yīng)予以回收利用；熱泵作為一種新型節(jié)能技術(shù)，也應(yīng)該在辦公建筑中考慮采用；關(guān)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)。[論文網(wǎng)]
四、結(jié)論及建議
由于經(jīng)濟(jì)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(jié)構(gòu)形式也發(fā)生了較大變化，由過去單純的框架結(jié)構(gòu)改變?yōu)橐钥蚣艚Y(jié)構(gòu)為主，墻體結(jié)構(gòu)形式的改變對(duì)墻體節(jié)能也提出了新的要求，框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系中，填充墻往往只占?jí)w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(dá)到節(jié)能的目的可能性大大降低。因此，應(yīng)加大發(fā)展適合于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式的復(fù)合外墻外保溫體系的力度。對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)未作考慮；目前68%的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可直接滿足《居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的性能指標(biāo)要求，且各相關(guān)參數(shù)都優(yōu)于《節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的限值要求。因此，單純從建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)上說，完全有條件在現(xiàn)行規(guī)范要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高節(jié)能率，提前實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能的目標(biāo)。
在信息化、智能化高速發(fā)展的時(shí)代，高層建筑因節(jié)約城市用地、信息處理量大、容納人數(shù)眾多而應(yīng)運(yùn)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(diǎn)是節(jié)能問題，可在設(shè)計(jì)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；通過改變空間形式、建筑角度等組織自然通風(fēng)或改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造等蓄存冷量；提高外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱能力以減少供暖空調(diào)能耗；利用太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮�、水能、生物質(zhì)能等可再生能源供給設(shè)備系統(tǒng)等。以上改進(jìn)措施，如：組織自然通風(fēng)、改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)、可再生能源利用等應(yīng)在節(jié)能設(shè)計(jì)中綜合運(yùn)用，以有利于高層建筑生態(tài)化發(fā)展。
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