高层建筑节能设计的应用研究

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一、高层建筑能耗特点分析

1、能耗组成及特点分析

高层建筑容纳人数众多，信息处理量大。为保持正常的运作，高层建筑在电梯、空调、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电、煤、天然气以及集中供热的蒸汽和热水等。其中供暖空调系统、照明系统、动力系统和办公设备系统是建筑能耗的4个主要系统。供暖空调系统耗电量占到整个建筑能耗的50%以上;照明系统次之，大约为20%;动力系统约为10% ;办公设备系统约为10%。

2、采光和通风的要求

高层建筑基本空间由主要使用房间、交通联系空间(水平交通和垂直交通)、辅助使用房间(餐饮和卫生间)以及设备系统等几部分构成，平面布局与空间组织相对固定，各部分功能空间对自然采光与通风的需求都不容忽视。因此，高层建筑能耗对气候的依赖性较弱，若通过调节建筑与环境的关系来达到节约能耗的目的，效果甚微。高层建筑的节能问题应从建筑自身出发(如平面形式、进深大小、围护构件、设备系统等)，进行节能措施的探讨。

二、高层建筑设计常见问题

高层建筑设计中常出现围护结构保温隔热能力差的问题，建筑的外围护结构包括屋面、外墙、外窗以及地面等部位。对于高层建筑而言，由于其竖向表面面积远大于横向屋面面积，因此，建筑屋顶、建筑外墙及建筑外窗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。影响建筑外墙节能的主要因素是墙体材料，以及影响墙体材料节能效果的墙体外饰面，东、西外墙遮阳，墙体构造形式等。

在研究中发现，高层建筑外墙应设置保温层，采用双层玻璃。由于西安高新区清扬国际大厦，外墙采用加气混凝土砌块，未设置保温层，使得该办公建筑供暖空调能耗占总能耗的比例高达60.27%。另外，当建筑外墙采用玻璃幕墙配合外挂铝塑板的构造做法时，虽然设置了聚苯板外保温但其供暖空调能耗普遍较高，如旺座现代城B座和D座，供暖空调能耗高达54.62%～56.08%。在窗户类型的选择上，分析可知，供暖空调能耗较高的都采用了单层单玻窗，能耗高达56.8%～60.27%。除此之外，还发现几乎没有高层建筑采取遮阳手段来降低供暖空调能耗，尤其是西向遮阳的问题，值得引起专业人员的重视

三、设计对策

1、通风设计

关于自然通风的引入，一方面可以对建筑的空间形式进行组织，尽可能形成穿堂风，这一点在条形高层建筑中比较容易实现。对于点式高层，应尽可能组织两垂直墙面窗户之间的通风。自然通风的组织需要更大的窗墙面积比并形成风的通路。另外，还可以结合双层玻璃来实现降温。在国外，建筑利用通风已经成为了一种趋势，很多建筑在设计阶段均考虑了通风的构造体系，例如津巴布韦的Eastgate大楼、英国中部北安普敦近郊的巴克莱卡公司总部大楼等都采用了这种通风构造形式(见图1)。

2、外围护结构设计

(1)外围护结构材料。针对目前高层建筑外围护结构材料以实体围护结构和透明围护结构为主的现状，且基于高层建筑外围护结构并非承重结构，材料选取较为灵活的特点，对于实体围护结构，应尽量选用导热系数小的多孔/空心砌块或加气混凝土砌块等，配合外墙外保温和合理的窗墙面积比，控制由外围护结构保温隔热带来的能耗损失。对于处于寒冷地区与夏热冬冷地区交界的城市，应尽量减少玻璃幕墙的使用。

当实体围护结构达到保温隔热要求后，透明围护结构应遵循以下措施：尽量减少使用玻璃幕墙;控制合理的窗墙面积比，控制可开启面积以组织通风;选用节能的玻璃和窗框材料，注意控制密封性能。

(2)墙体外饰面。建筑外墙饰面是围护结构抵御外界气候影响的第一道防线，其材料的热工性能将直接影响围护结构的热工性能。建筑墙体外饰面对建筑节能设计的影响主要通过围护结构外表面对太阳辐射热的吸收系数表现出来：一是在房间制冷状态下，对房间能耗的影响;二是对墙体传热系数的直接影响;三是房间在自然通风状态下对墙体内表面最高温度的影响。《居住建筑节能设计标准》规定：建筑外墙采用浅色外饰面(太阳辐射吸收系数0.6)节能措施时，计算外墙的总热阻时可附加隔热措施的当量附加热阻0.2，当外墙的传热系数由于其构成而不能达到《建筑节能设计标准》要求时，采用浅色外饰面的节能措施则可使每种材料包括200mm厚钢筋混凝土的传热系数值均可满足民用建筑节能设计标准对传热性能的规定要求。建筑的外墙饰面目前有瓷砖、涂料、石材以及金属幕墙材料等等，最典型的2类外墙饰面是瓷砖及涂料。节能设计中采用浅色外饰面或部分采用浅色外饰面显然是有利的。

(3)墙体外遮阳。除外围护结构材料的选择外，还可增加建筑遮阳，以减少供暖空调能耗。建筑遮阳包括水平遮阳、垂直遮阳、综合遮阳等方式，可结合立面设计意图进行设计，尤其应注意西向遮阳对节约建筑能耗的作用。《居住建筑节能设计标准》规定：建筑的东、西外墙采用花格构件或爬藤植物遮阳(透射比0.5)的节能措施时，计算外墙的总热阻时可附加隔热措施的当量附加热阻0.3，节能设计中应考虑东、西外墙遮阳，在夏天东、西晒非常严重的地区，东、西外墙遮阳措施有待加强。这方面可以借鉴热带地区城市，如马来西亚和香港等的设计经验。在这些城市，高层建筑遮阳措施的使用在带来较好遮阳效果的同时，也丰富了建筑立面，增加了城市景观。

3、可再生能源的利用

在系统的能源使用方面，应尽量开发可再生能源的利用，如太阳能、地热能、风能、水能、生物质能等。利用风力发电、太阳能光伏发电、垃圾发电、太阳能热利用、地热利用和沼气发电等，来减少对煤和天然气等不可再生能源和电、蒸汽、热水等二次能源的依赖。例如，使用分体空调的建筑建议增设地源热泵，这样可大大降低空调系统能耗;使用螺杆式水冷机组的建筑建议增加蓄冷装置，冷却塔的废热应予以回收利用;热泵作为一种新型节能技术，也应该在办公建筑中考虑采用;关于太阳能的利用，可以在冬季利用太阳能供暖、夏季采用太阳能制冷系统，全年中都可以使用太阳能光电系统和热水系统。

四、结论及建议

由于经济发展的需要，建筑由从前的多层为主改为以中高层为主，建筑的结构形式也发生了较大变化，由过去单纯的框架结构改变为以框剪结构为主，墙体结构形式的改变对墙体节能也提出了新的要求，框架结构中主要以填充墙为主，所以砌块是否节能就显得尤其重要。但在一般性的框剪结构体系中，填充墙往往只占墙体面积的一半，甚至更少，在这种形式下单纯靠改善砌块的热工性能来达到节能的目的可能性大大降低。因此，应加大发展适合于钢筋混凝土结构形式的复合外墙外保温体系的力度。对有利于提高节能效率的措施，如浅色外墙饰面、窗口建筑外遮阳及东西外墙遮阳等，在节能设计时未作考虑;目前68%的建筑节能设计可直接满足《居住建筑节能设计标准》规定的性能指标要求，且各相关参数都优于《节能设计标准》的限值要求。因此，单纯从建筑围护结构上说，完全有条件在现行规范要求的基础上适当提高节能率，提前实现建筑节能的目标。

在信息化、智能化高速发展的时代，高层建筑因节约城市用地、信息处理量大、容纳人数众多而应运而生，但能源消耗巨大。在可持续发展理念大力推行的今天，高层建筑生态化发展的重点是节能问题，可在设计阶段注意组织利于自然采光的平面形式，亦可采取节能灯具节约电能;通过改变空间形式、建筑角度等组织自然通风或改变围护结构构造等蓄存冷量;提高外围护结构保温隔热能力以减少供暖空调能耗;利用太阳能、风能、地热能、水能、生物质能等可再生能源供给设备系统等。以上改进措施，如：组织自然通风、改善围护结构、可再生能源利用等应在节能设计中综合运用，以有利于高层建筑生态化发展。

【参考文献】

[1] 余泳泽：我国节能减排潜力、治理效率与实施路径研究[J].中国工业经济，2022(5).

[2] 布朗GZ著，常志刚、刘毅军、朱宏涛译：太阳辐射风自然光建筑设计策略[M].中国建筑工业出版社，2022.

[3] 吴聪慧：生态办公建筑设计的技术理念之初探[J].长春工程学院学报(自然科学版)，2022，10(1).

[4] JGJ134-2022，夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准[S].2022

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