高层商业建筑被动式节能设计

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【摘 要】高层建筑是能源消耗大户,发展绿色建筑节能工程对我国生态环境的可持续发展具有重要意义.本文通过介绍建筑的能耗情况,阐述了建筑被动式节能设计中存在的问题,并结合工程应用实例探讨了高层建筑被动式节能设计方案的可行性,以供实践参考.

【关 键 词】高层建筑；被动式节能；自然通风；设计方案

随着我国城市化进程的不断加快,城市建筑行业得到进一步的发展,许多建筑逐渐向大型化、多功能化和综合化的方向发展.根据相关数据显示,建筑能耗约占我国社会总能耗的30%以上,与工业能耗、交通能耗并列成为了我国能源消耗的三大“能耗大户”,虽然在单位面积能耗和人均能耗与发达国家相比并不算很高,但建筑能耗增加的趋势愈加明显,无疑加大了我国能源供应的压力.被动式节能设计是近年来应用较为广泛的一种节能形式,能够合理利用自身的优点达到有效的降低建筑使用能耗的目的,在我国提倡绿色经济的大势下,被动式节能设计工作得到了我国广大建筑工作者的重视.本文重点探讨了高层建筑被动式节能设计工作,希望对减少我国建筑能耗有所帮助.

1.高层办公建筑的能耗特点

1）相比同等面积的低层和多层办公建筑,高层办公建筑容纳人数众多,信息处理量大.为保持正常的运作,高层办公建筑在电梯、空调、供水、供暖、管理等方面要消耗大量的能源.

2）高层办公建筑照明能耗偏高.

3）高层办公建筑的照明与办公设备比例较高,加之人员相对密集,导致内热源发热量较大.

4）由于办公时间固定且办公人员作息规律明显,办公建筑具有间歇使用的特点即白天使用频率高、能耗高,夜间无人使用、能耗低.

2.高层办公建筑被动式节能设计常见问题

2.1自然采光利用率低

由于基地条件限制、结构原因以及建筑和办公空间新需要等,现代高层办公建筑大多采用方形、圆形、矩形等形式,即标准层平面长度和宽度相差不多,办公空间围绕垂直核心筒布置.其进深尺寸一般为8～12m,有的多达20m左右.照度随进深距离增加呈递减趋势,侧窗采光由于光线不足,很难满足大进深高层办公建筑的要求,因此,导致室内人工照明大量增加.

2.2室内自然通风组织差

早期的多层和低层办公建筑,大多为板型平面,以廊道联通各使用单元,为建筑的自然通风提供了可能.而现代高层办公建筑,一方面室内大多为大进深办公空间,另一方面房间外墙可开启面积非常有限,室内空气气流组织基本依靠设备系统来实现.因此,即使在室外空气处于人体热舒适状态下,办公建筑仍然需要开启通风系统,甚至可能还需要开启制冷系统,空调能耗由此大幅增加.

2.3围护结构保温隔热能力差

建筑的护结构包括屋面、外墙、外窗以及地面等部位.对于高层办公建筑而言,由于其竖向表面面积远大于横向屋面面积,因此,墙体与窗户的保温隔热能力成为了衡量其围护结构保温隔热能力的决定性因素.

3.高层办公建筑被动式节能设计实践

针对高层办公建筑能耗特点和被动式设计的常见问题,笔者进行了总结分析,以期找到解决这些问题的办法,达到更好的节能的目的.为此,在建筑设计中关注到了高层办公建筑的采光、通风与保温隔热的被动式设计.

3.1项目简介

某大厦26层,占地面积1.2万m2,总建筑面积4万m2,容积率2.65,建筑密度26%,绿化率33%.

3.2自然采光设计

通常情况下,要使建筑有良好的自然采光,可以在基地允许的情况下,将塔式标准层变为板式或交叉式平面布置,增加自然采光的几率.但是,这一措施必然会导致由于建筑体型系数增大而带来的能耗增加,即使照明能耗有所降低,也得不偿失.

而本项目采用的是改变平面组织方式的办法.即在方案的平面布局中采用中庭是的布置方式,增加建筑中心部位的自然采光（如图1所示）.房间的进深都控制在8.1m以下,同时,大部分房间采用双向采光；更为有效的是,由于研究院的特殊性质,很多设计所采用了开放式大空间,减少了隔墙对光线的遮挡,进一步增加了自然采光.同时,由于采用了空中花园的设计,减少了楼板对于光线的遮挡,也增加了大进深处的自然采光照度.

3.3自然通风设计

自然通风可以增加室内的空气流动,降低室内温度,带走室内水汽,有效增加室内的热舒适度.在本项目中,所有的窗户都可以根据使用者的意愿,自由开闭,充分利用自然通风.平面设计大部分楼层采用了开放式大空间设计,减少了对空气流动的阻挡,让空气在室内流动更顺畅.更为重要的是,中庭空间形成了一个巨大的拔风烟囱；三层通高的空中花园也同样形成了烟囱效应.由于办公建筑人员较多、办公设备也较多,因此,室内的内热源很大,再加上中庭巨大的高度差,会产生十分明显的热压通风的效果.

3.4护结构设计

本建筑体型规整,体型系数仅0.2,南向窗墙面积比为0.49,北向窗墙面积比为0.47,西向窗墙面积比为0.45,东西窗墙面积比为0.46.外墙采用200mm加气混凝土砌块,传热系数0.39W/（m2·K）；外窗和玻璃幕墙均采用6+12+6遮阳型Low-E中空玻璃,传热系数1.8W/（m2·K）,遮阳系数为0.45.虽然此建筑的窗墙面积比较大,但是设计中充分考虑了自遮阳,窗户内凹为800mm,可以在夏季有效遮挡太阳的直射辐射.

4.被动式设计的节能效果分析

为了验证被动式设计的节能效果,利用热工分析软件DesignBuilder进行了能耗分析,结果如图2所示.

图中“参照建筑”即按照GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》中的建筑模型进行计算：其外墙的传热系数为0.6W/（m2·K）；屋顶传热系数为0.55W/（m2·K）；外窗的传热系数为2.3W/（m2·K）,遮阳系数为0.6；照明功率密度为现行值11W/m2；空调和采暖系统为两管制风机盘管系统.

计算得到参照建筑的采暖、空调、照明的能耗密度分别为17.6,10.33,25.41kW·h/m2.当采用了前文介绍的护结构后,其采暖、空调的能耗密度分别为17.05,9.66kW·h/m2.可以发现采暖空调的能耗都有所降低,总能耗约比参照建筑的能耗降低约2.3%.

由于采用了遮阳型的Low-E中空玻璃,有将窗户内凹800mm,二者共同的遮阳效果导致了采暖能耗密度有所增加,为17.98kW·h/m2；但空调能耗密度明显降低,为8.05kW·h/m2；总能耗有所降低.与参照建筑的能耗密度相比,降低了约3.6%.

自然通风的引入导致了空调开启的时间明显减少,因此,空调能耗密度降低更加明显,达到了5.16kW·h/m2.与参照建筑的能耗密度相比,降低了约9.0%.

如果建筑的照明采用节能灯具,照明功率密度由现行值降低为目标值,即9W/m2,则照明能耗密度降低为20.79kW·h/m2；同时,由于照明能耗密度的降低,其散热量也有所降低,导致空调能耗降为5.10kW·h/m2,而采暖能耗增加到18.00kW·h/m2.总之,与参照建筑的能耗密度相比,降低了约17.7%.

考虑到自然采光的效果可以达到节能75%以上,那么照明能耗实际降低为5.20kW·h/m2；再加上灯具使用的减少,内热源也明显减少,空调能耗也会降低.因此,与参照建筑的能耗密度相比,最终的节能效果约为47.1%.

5.总结

高层建筑被动式节能设计是一项综合性工程,涉及到遮阳设计、自然采光、自然通风和保温隔热设计等方面的工作.因此,建设单位必须重视建筑的被动式节能设计工作,制定出可行性较高的设计方案,以达到降低建筑能耗的效果.本工程在实施被动式节能设计方案后,有效降低建筑能耗约45%,并取得了较好的经济效益.