1、精選文檔高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)（屈新劍 江西理工大學(xué)）摘要：本文主要講高層建筑與節(jié)能設(shè)計(jì)的方法與案例，并強(qiáng)調(diào)在未來(lái)的高層建筑設(shè)計(jì)中節(jié)能設(shè)計(jì)的重要性。關(guān)鍵詞；高層建筑 節(jié)能設(shè)計(jì)一概況在我國(guó)的社會(huì)能源消耗中主要由建筑能耗、工業(yè)能耗和交通能耗三塊組成，其中建筑能耗2(XX)年已達(dá)到能源消耗總量的27.6%，并成上升的趨勢(shì)。而在城市高層建筑設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者往往貪大求高，大部分精力放在追求立面形式和使用功能上，而往往忽略生態(tài)環(huán)境的保護(hù)、建筑設(shè)計(jì)節(jié)能意識(shí)淡薄，造成高能耗、低效益，浪費(fèi)巨大。建筑節(jié)能具體是指節(jié)約采暖供熱、空調(diào)制冷、采光照明以及調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣、濕度、改變居室環(huán)境質(zhì)量的能源消耗，還包括利用太陽(yáng)能、地?zé)?水

2、)能源的綜合技術(shù)工程。建筑節(jié)能不僅是建筑本身的節(jié)能，且與城市的綜合環(huán)境、氣候條件、總體布局有關(guān)，建筑物的形體變化、朝向；外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫隔熱的性能 門窗質(zhì)量等許多綜合性因素構(gòu)成。因此，在滿足使用者舒適度的基礎(chǔ)上，如何提高建筑對(duì)能源的利用效率、更好地利用自然能源、降低對(duì)外界熱環(huán)境的影響，即建筑節(jié)能的問(wèn)題顯得日益重要。二高層建筑的能耗比高層建筑是一種高消耗的建筑類型，它的建設(shè)費(fèi)用僅占其生命周期總費(fèi)用的15-16左右，后期運(yùn)營(yíng)、維護(hù)所需韻費(fèi)用占較大比例(圖1-1)。以金茂大廈為例，其維護(hù)管理費(fèi)用是建設(shè)投資的3倍，以60年使用壽命來(lái)計(jì)，大廈的每天花費(fèi)丈約要在100萬(wàn)元人民幣上下。因此在設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)全壽命

3、周期的能源評(píng)估具有重要意義。各單項(xiàng)能耗分布情況，根據(jù)一份調(diào)查整理的數(shù)據(jù)顯示各項(xiàng)能耗的分布圖，從圖2可以看出辦公設(shè)備、空調(diào)、照明的單位面積年平均耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電梯和水泵,圖2顯示了它們的比例關(guān)系,辦公設(shè)備、空調(diào)、照明三項(xiàng)耗電占了總耗電量的94.6%。因此可以得出深圳地區(qū)辦公建筑節(jié)能的關(guān)鍵在于設(shè)備、照明和空調(diào)的節(jié)能。三高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)措施1. 高層建筑的體型系數(shù)與朝向系數(shù)體形系數(shù)指高層建筑外圍護(hù)壁體總面積與所包圍的空間體積比，體形系數(shù)越大，能耗越大，節(jié)能水平越低。一般控制在0.35以下，而且每增加0.1F/V,耗能指標(biāo)就增加0.48-0.52W/。因此建筑盡量減少不必要的凹凸變化，體形系數(shù)與壁體傳

4、熱系數(shù)km存在一定的函數(shù)關(guān)系。高層建筑的朝向系數(shù)應(yīng)針對(duì)建筑所處的環(huán)境，氣候條件，室內(nèi)環(huán)境要求而定，需知到朝南并不就是朝向系數(shù)高，一般而言朝南是好的，但在一些有空調(diào)，熱舒適要求較高的場(chǎng)合朝南反而不好了。2. 高層建筑的平面布置（1） 結(jié)合建筑功能組合，將能耗多的壁面部分形成雙臂體系。例“臺(tái)北震旦國(guó)際大樓”建筑節(jié)能措施有如下：A. 南北朝向，減少日照面，降低空調(diào)能耗B. 將非空調(diào)服務(wù)空間，管道井，交通部分分放在南側(cè)，有效遮擋日照得熱C. 南立面利用陽(yáng)臺(tái)遮陽(yáng)，有效減少空調(diào)負(fù)荷D. 西北側(cè)圓形大廳的煙囪效應(yīng)，強(qiáng)大的余熱氣流上升帶走熱量。（2） 平面體型盡量方正，對(duì)受陽(yáng)光干擾嚴(yán)重的立面設(shè)深遮陽(yáng)，并強(qiáng)化壁

5、面的阻熱效能。例如“臺(tái)北信義大樓”采取的節(jié)能措施如下：A. 平面呈南北向，形狀為長(zhǎng)方形B. 交通、服務(wù)部分分設(shè)于平面的東西兩端，減少太陽(yáng)東西曬帶來(lái)的熱負(fù)荷C. 采取深遮陽(yáng)方式，單元窗后退450mmD. 450mm后退空間作為隔熱層降低傳熱系數(shù)（3） 不同立面選擇相適應(yīng)的開(kāi)窗方式，并處理好壁面裝飾的選材，色彩問(wèn)題，達(dá)到反射陽(yáng)光的目的，減少能源傳入壁內(nèi)。（4） 高層入口大門在滿足交流，消防的前提下以盡量小，不設(shè)不走人的門，設(shè)門斗，提高門構(gòu)建節(jié)能薄弱的節(jié)能措施。（5） 以冬季采暖為主的高層建筑立面設(shè)計(jì)宜采用太陽(yáng)能設(shè)計(jì)概念，例如“美國(guó)HooKer化學(xué)公司大樓”的可控雙壁體。3. 高層建筑底部開(kāi)放空間設(shè)

6、計(jì)20世紀(jì)70年代，高層建筑的設(shè)計(jì)開(kāi)始重視底部空間與城市環(huán)境的關(guān)系，伴隨著多種商業(yè)、服務(wù)性功能的滲入。許多高層建筑都以擴(kuò)大底部公共活動(dòng)空間，形成入口廣場(chǎng)等設(shè)計(jì)手法來(lái)處理建筑空間與城市空間的過(guò)渡關(guān)系，從而增大建筑空問(wèn)與城市空間的接觸面。常見(jiàn)的底部空間設(shè)計(jì)手法如下。（1）敞廊式這種空間形式多用于沿街的高層建筑，做法一般為將底層維護(hù)界面內(nèi)移，形成“騎樓”式流動(dòng)空間，使之與城市人行道一起承擔(dān)步行功能和停留功能。此種做法在人流密集、道路狹窄的商業(yè)區(qū)作用重要，特別在炎熱多雨的地區(qū)更為常見(jiàn)，這樣的開(kāi)放式連廊，給行人提供了遮陽(yáng)和避雨的場(chǎng)所。（2）內(nèi)凹式高層建筑常見(jiàn)于市中心或人口密集區(qū)域，通常內(nèi)用地十分緊張，在

7、總平設(shè)計(jì)時(shí)，為避免城市街道與建筑的生硬交接，而采取“凹式”的設(shè)計(jì)方式一種較為被動(dòng)的設(shè)計(jì)方式。實(shí)踐中，常常將建筑平面向內(nèi)形成凹弧或者形成凹折，從而自然在建筑入口形成緩沖空間，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)人車分流，井加以花壇、噴泉等環(huán)境小品。這樣處理使底部空間易既形成視覺(jué)焦點(diǎn)又具有會(huì)聚性。（3） 架空式這種空間形式主要利用柱子或其它支撐結(jié)構(gòu)，將建筑物底部全部架空或部分架空，并在架空部分種植草木，利用臺(tái)階形成下沉空間或抬高地面，或設(shè)置某些街道設(shè)施，如鋪地、行道樹(shù)，自動(dòng)售貨機(jī)等。采用此中方法的高層建筑通常位于城市中心區(qū)或沿街轉(zhuǎn)角處，一方面使人能夠自由穿行于建筑底部，增加交流與停留的機(jī)會(huì)；另一方面也有利于創(chuàng)造豐富的街景

8、。（4）混合式由于外部空間設(shè)計(jì)的復(fù)雜性與多樣性，實(shí)踐中的高層建筑底部空間處理方法，并不局限于單一的某種設(shè)計(jì)方式，而是多種手法穿插組合，創(chuàng)造出豐富統(tǒng)一的城市空間。4.高層建筑的通風(fēng)設(shè)計(jì)高層建筑的中庭不僅僅是交流的空間，中庭對(duì)于建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)祈禱很大的作用。通高的中庭起到了拔風(fēng)的效果，即煙囪效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了良好的通風(fēng)換氣的作用，在中庭種植綠化和布置水景可以進(jìn)一步的改善室內(nèi)環(huán)境和調(diào)節(jié)室內(nèi)的小氣候，中庭的存在最主要是改善了建筑的通風(fēng)。自然通風(fēng)的基本原理分為風(fēng)壓通風(fēng)與熱壓通風(fēng)。風(fēng)壓通風(fēng)自然風(fēng)垂直吹向高層建筑時(shí)，會(huì)在底部產(chǎn)生正壓，而在頂部產(chǎn)生負(fù)壓，上下的壓力差形成了垂直的風(fēng)道效應(yīng)。利用風(fēng)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑自然通風(fēng)，

9、首先要求建筑有較理想的外部風(fēng)環(huán)境，其次，建筑應(yīng)面向夏季主導(dǎo)風(fēng)向，房間進(jìn)深較淺(一般宜小于14米)，以便形成穿堂風(fēng)。熱壓通風(fēng)熱空氣上升，從建筑頂部風(fēng)口排出，而新鮮的冷空氣從底部吸入，室內(nèi)外溫差越大，建筑高度越大，熱壓形成的“煙囪效應(yīng)”就越明顯?！盁焽栊?yīng)”可以由下式闡釋：浮力Pt=H(rori)mmAq，其中H為煙囪高(m)：ro，ri為周圍空氣及煙囪內(nèi)空氣比重(kgm2)如圖所示，煙囪內(nèi)部溫度較周圍氣溫高時(shí)，囪壁產(chǎn)生壓力差，頂部為0，而下部的浮力Pt是因摩擦力而生的壓力損失prf相減去壓力差prs作用，prs為煙囪內(nèi)的速度壓與由形狀抵抗產(chǎn)生壓力損失的消耗。b圖所示情況為煙囪項(xiàng)部封閉，底部打開(kāi)時(shí)

10、的情形。c圖所示在12H處壓力差為0(即中性帶)。Prsl，Prs2為底部煙囪入口及頂部煙囪出口的損耗。如果頂部開(kāi)口大于底部開(kāi)口時(shí)，中性帶在比12H高的位置；反之，則在比l2H低的位置。可見(jiàn)，高層建筑空間的豎向組織有利于內(nèi)部空間的垂直通風(fēng)。高層建筑將空間豎向“拔起”，形成內(nèi)部上下貫通的中庭或者采用專用風(fēng)道，并且有足夠的高度，能夠形成既有平面的穿堂風(fēng)又有立體的垂直通風(fēng)的效果，即是如上所述的“煙囪效應(yīng)”。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明高層建筑的浮力差有80為外壁作用，其余為內(nèi)墻、電梯、管道井等縫隙而產(chǎn)生。通常底層出入口處約占?jí)毫Σ畹?0，這也會(huì)帶來(lái)一定的副作用。比如18m2大小的門，超過(guò)15mmAq的壓力差，則常人的

11、力氣報(bào)難推開(kāi)。如果要減輕入口壓力差，可以采用設(shè)置前廳、兩重門、轉(zhuǎn)門等手段。因此，采用“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行自然通風(fēng)的高層建筑，需要將底層進(jìn)行開(kāi)放式設(shè)計(jì)。通風(fēng)的方式自然通風(fēng)的最大益處首先應(yīng)該是建筑內(nèi)部空氣質(zhì)量環(huán)境的改善。除了在污染非常嚴(yán)重以至于室外空氣不能達(dá)到健康要求的地點(diǎn)，應(yīng)該盡可能地使用自然通風(fēng)來(lái)給室內(nèi)提供新鮮空氣，有效地減少建筑綜合征(SBS)的發(fā)生。自然通風(fēng)的另一個(gè)益處是能夠降低對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的依賴，從而節(jié)約空調(diào)能耗。如果室外溫度比室內(nèi)溫度低，那么用自然通風(fēng)來(lái)降溫是最好的。然而，室外環(huán)境并不總是滿足自然通風(fēng)的需要(例如在寒冷的冬季），因此除了某些特定地點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)性建筑以外，要做到完全的自然通風(fēng)幾乎是

12、不可能的。當(dāng)代建筑中最常見(jiàn)的是混合使用各種手段，即充分利用自然通風(fēng)的同時(shí)也配置機(jī)械通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)?；旌贤L(fēng)大致有如下四種方式?！癆機(jī)械通風(fēng)只是在需要的時(shí)候才作為輔助手段使用。B根據(jù)建筑內(nèi)各區(qū)的實(shí)際需要和實(shí)際條件，針對(duì)不同的區(qū)域采用不同的通風(fēng)式。C自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)同時(shí)使用D自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)互相作為替換手段。例如在夜間使用自然通風(fēng)來(lái)建筑降溫，白天則使用機(jī)械通風(fēng)來(lái)滿足使用需要。高層風(fēng)的避免設(shè)計(jì)通常，高層建筑會(huì)將上空高速風(fēng)能引向地面：被高層建筑擋住的風(fēng)會(huì)從“分歧點(diǎn)”，即在建筑迎風(fēng)面60一70高度位置，產(chǎn)生上下、左右回旋的氣流，這些氣流相互碰撞，就會(huì)在建筑物兩側(cè)形成旋風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)域。特別是當(dāng)兩幢以上

13、的高層建筑組成高層建筑群時(shí)，建筑之間的影響還會(huì)交叉重疊，造成更多的風(fēng)速增強(qiáng)概率。所以，在高層林立的地域，高層風(fēng)會(huì)對(duì)周圍的行人造成很大的威脅，有時(shí)甚至?xí)⒔ㄖ锷厦娴臇|西掛落，造成人身、財(cái)產(chǎn)傷害。由于高層風(fēng)和風(fēng)速的變化井不只取決于高層建筑本身，而是同時(shí)受到周圍建筑環(huán)境的影響，所以在設(shè)計(jì)之初，應(yīng)預(yù)先制作建筑及周圍大樓的模型，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或者利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)，預(yù)測(cè)范圍，考慮風(fēng)的影響一般在建筑高度大致2倍的水平距離范圍居多而發(fā)生風(fēng)災(zāi)害的區(qū)域一般在建筑高度大致1/2倍的水平距離是需要重點(diǎn)考慮，最后再依據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。減弱強(qiáng)風(fēng)不利影響的措施總結(jié)如下:1 減小建筑強(qiáng)風(fēng)面的立面

14、面積，從而減小強(qiáng)風(fēng)范圍。2 在建筑造型上盡量避免凹形平面，減少突出的角部和銳角從而有效減少剝離流等風(fēng)速增加區(qū)。3 在建筑的下部設(shè)置底層裙房，挑檐，從而改善地的風(fēng)環(huán)境。4 通過(guò)種植種植樹(shù)木和設(shè)防風(fēng)網(wǎng)等防護(hù)綠化，形成類似柵欄的形狀，從而將強(qiáng)風(fēng)化解成小的渦流減弱風(fēng)速消耗風(fēng)的能量。5 近年來(lái)還出現(xiàn)了采用通風(fēng)、采光走廊，以及在超高層建筑上部或中間開(kāi)設(shè)風(fēng)穴的方法，引導(dǎo)氣流走向，使之盡量不改變?cè)械奈⒂^氣候條件，從而減少了高層風(fēng)害的影響。6 值得注意的是。在布置多幢高層的場(chǎng)臺(tái)，建筑之間的影響交叉重疊，會(huì)引起較多的強(qiáng)風(fēng)。如果建筑間距窄，建筑之間的風(fēng)速增強(qiáng)率大但風(fēng)速增強(qiáng)范圍小：反之t建筑問(wèn)距大建筑之間的風(fēng)速增強(qiáng)

15、率小，但風(fēng)速增強(qiáng)范圍太5.高層建筑的立面節(jié)能設(shè)計(jì)窗戶是建筑不可缺少的重要組成部分，使采光和通風(fēng)大為改善，又可使住宅有一定的敞開(kāi)面積，擴(kuò)大視野，但同時(shí)也是建筑耗能的最大因素。由多層建筑的能耗分析可知，門窗散熱約占建筑總散熱的三分之一以上。窗戶的節(jié)能主要從兩方面著手：一是控制窗的面積，即控制窗墻或窗地的面積比，在滿足基本采光和通風(fēng)的前提下，應(yīng)盡量縮小窗墻和窗地的面積比，如瑞典規(guī)定窗地比不超過(guò)15：二是從窗戶的材料和構(gòu)造上進(jìn)行設(shè)計(jì)，把單層玻璃改成雙層或多層玻璃，而中空玻璃在嚴(yán)寒地區(qū)是常用的提高窗戶保溫性能的辦法。采暖型為主的高層建筑在立面設(shè)計(jì)中宜采用太陽(yáng)能建筑設(shè)計(jì)概念, 設(shè)置一些“ 無(wú)源太陽(yáng)能系統(tǒng)”

16、 , 來(lái)減少設(shè)備能耗, 改善室內(nèi)熱環(huán)境, 其中要注意太陽(yáng)光的熱應(yīng)用和光環(huán)境的矛盾問(wèn)題。目前發(fā)達(dá)國(guó)家在采光面設(shè)光熱自控系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)得熱和光環(huán)境舒適的關(guān)系, 采用“ 可控雙壁體” 系列實(shí)例美國(guó)?；瘜W(xué)公司大樓, 年建成, 建筑師設(shè)置雙層玻璐外堵, 間隙, 內(nèi)壁外裝設(shè)由立面光感器控制的活動(dòng)百頁(yè)板來(lái)調(diào)整入射的陽(yáng)光, 成為一個(gè)白天能捕捉光線, 吸收太陽(yáng)熱能, 晚間又能關(guān)閉百頁(yè)。能量貯存起來(lái), 達(dá)到節(jié)能的目的改善建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能是建筑設(shè)計(jì)上的主要節(jié)能措施，在嚴(yán)寒采暖地區(qū)尤為重要。近年來(lái)，我國(guó)各種保溫材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用發(fā)展較快，墻體改革的推廣也取得了一定的成果。應(yīng)進(jìn)一步推廣空心磚墻及其復(fù)合墻體技術(shù)，空心磚

17、墻保溫效果優(yōu)于實(shí)心磚墻，而且可以減少制磚耗能并節(jié)約大量耕地；推廣加氣混凝土和混凝土輕質(zhì)砌塊，加氣混凝土是輕質(zhì)保溫材料，用于框架結(jié)構(gòu)的填充墻可以減輕建筑自重，有利于提高建筑的抗震能力。至于一些舊房改造，可采用墻面外保溫的辦法，以避免熱橋現(xiàn)象。這樣，蓄熱量大的材料在內(nèi)側(cè)，室溫波動(dòng)小。房屋的主體材料溫度變化小，使用壽命能得到延長(zhǎng)。另外，可以在圍護(hù)結(jié)構(gòu)中放置相變材,g：I(PCMPhaseChangingMaterial)增強(qiáng)建筑物的蓄熱能力，PCM材料白天吸收太陽(yáng)熱輻射變成液相，晚上則凝固向外放熱，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)同時(shí)具有顯熱和潛熱蓄熱能力，可以大幅度降低室內(nèi)的供暖和空凋負(fù)荷?，F(xiàn)在豐要的研究?jī)?nèi)容是，尋找分

18、別適用于冬季與夏季的不同PCM材料，以及如何使它與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合。6.高層建筑的屋頂設(shè)計(jì)屋面綠化是描植物在至于建筑物的平屋頂上的一種簡(jiǎn)單的綠化形式，它在改善城市生態(tài)環(huán)境，增加城市綠化面積，改變局部小氣候環(huán)境等方面功效顯著。種植屋面對(duì)屋頂?shù)闹脖患敖Y(jié)構(gòu)有一定的特殊要求。在屋頂植被方面，應(yīng)選取易成活、易維護(hù)、維護(hù)費(fèi)用低廉的植被；在結(jié)構(gòu)方面，有效處理好屋頂防水至關(guān)重要。7.太陽(yáng)能的利用太陽(yáng)能利用技術(shù)A被動(dòng)式太陽(yáng)能采集技術(shù)被動(dòng)式系統(tǒng)投資小，運(yùn)行成本低，屬于生態(tài)低技的范疇，這里做一般性介紹特朗伯墻(Trombe Walls)特朗伯墻是一種收集太陽(yáng)熱能的外墻系統(tǒng)，它利用熱虹吸溫差環(huán)流原理，使用自然的熱空氣或

19、水來(lái)進(jìn)行熱量循環(huán)，從而降低供暖系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。最古老的太陽(yáng)熱吸收外墻是利用厚厚的熱惰性材料來(lái)維持室內(nèi)的溫度，如氣候炎熱的沙漠地帶的建筑使用的土墻。而特朗伯墻吸收了這些傳統(tǒng)的手法，同時(shí)具備了更加輕盈的形象和更高的熱效率以及更主動(dòng)地適應(yīng)氣候變化的能力。在天氣較冷的時(shí)候，熱惰性墻體可以利用它自身收集太陽(yáng)輻射熱量的能力為室內(nèi)供暖。新鮮空氣從外墻底部進(jìn)入空腔中，被熱惰性材料吸收的太陽(yáng)輻射熱加熱后進(jìn)入室內(nèi)。使熱空氣在屋內(nèi)循環(huán)傳播。在炎熱的氣候條件下，特朗伯墻則通過(guò)使空氣直接上升并排到室外來(lái)防止熱量進(jìn)入室內(nèi)。這時(shí)候墻體從室內(nèi)吸出空氣，并從北面汲取較冷的空氣進(jìn)入室內(nèi)，達(dá)到自然降溫的效果。真空管熱水器構(gòu)造原理與熱水瓶相似，由兩層玻璃管構(gòu)成，中間夾一層真空層，由此消除了對(duì)流散熱。能方便直接地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，直接為人使用。日光間這也是一種較為特殊的被動(dòng)式太陽(yáng)能采集方式，它實(shí)質(zhì)上是一座覆蓋著玻璃外墻，朝南的緩沖空間，通常需要兩個(gè)元素：個(gè)封閉的透明空間以接納陽(yáng)光；一些具備高熱惰性的材料(如砼、相變材料等)來(lái)存儲(chǔ)熱能。日光間的作用不只是接收太陽(yáng)光照，很多情況下，它起到一種氣候緩沖的作用a高技生態(tài)建筑中原型就是生態(tài)技術(shù)元素中的日光間的許多氣候緩沖廳，其雛形即是日光間