高舒适低能耗办公建筑的设计与技术应用研究[建筑技术科学专业优秀论文].pdf

中文摘要 在2 l 世纪的今天 一方面社会经济 科技在飞速发展 另一方面能源日趋紧张 环境日益 恶化 人类急需解决这一矛盾 本文从降低建筑能耗 改善办公建筑舒适度的角度出发 从建筑 设计和建筑技术两个方面 探讨r 高舒适低能耗办公建筑的设计 首先说明了推广高舒适低能耗 办公建筑的意义 然后根据气候对建筑的影响阐述了建筑对气候的适应性设计 再从建筑设计的 角度探讨了高舒适低能耗办公建筑的常见设计手法 第三章着重讲了在高舒适低能耗办公建筑中 的技术运用 通过第四章对国内外几个高舒适低能耗办公建筑的分析 系统的论述了高舒适低能 耗办公建筑中的设计要点 最后提出了高舒适低能耗办公建筑的经济价值观及适合我国国情的高 舒适低能耗生态技术观 关键词 高舒适低能耗办公建筑建筑设计建筑技术 a b s t r a c t i nt o d a y sw o d d t h es o c i a le c o n o m y s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n ga tah i g hs p e e d b u t i nt h eo t h e rs i d e t h ep r o b l e m so f t h ee n v i r o n m e n ta n d e n e r g ya r eg e t t i n gw o r s e ti si m p e r a t i v ef o ru s t os o l v et h e s ep r o b l e m s p r o c e e d i n gf r o mt h et h e o r yo fh i g h c o m f o r tl o w e n e r g ya r c h k e c t u r e t h i s t h e s i se x p l o r e st h ed e s i g no ft h eh i g h c o m f o r tl o w e n e r g yo f f i c eb u i l d i n gi nt w o p a r t s a r c h i t e c t u r a l d e s i g na n da r c h i t e c t u r a lt e c h n o l o g y f i r s t i te x p l a i n st h ei m p o r t a n c eo fg e n e r a l i z et h eh i g h c o m f o r t l o w e n e r g yo f f i c eb u i l d i n g t h e ne x p l o r e st h eu s u a lw a yi na r c h i t e c t u r a ld e s i g no fh i g h c o m f o r t l o w e n e r g yo f f i c eb u i l d i n g t h et h i r dc h a p t e re n u m e r a t et h e t e c h n o l o g i e si n t h eh i g h c o n f o r t l o w e n e r g yo f f i c eb u i l d i n ga n dt h ef o r t hc h a p t e ra n a l y s i sf i v ed o m e s t i ca n do v e r s e a se x a m p l e s i nt h e e n d t h i st h e s i sa d v a n c e st h ee c o n o m i c a lv i e wo f t h eh i g h c o m f o r tl o w e n e r g yo f f i c eb u i l d i n ga n di t s t e c h n o l o g yu s i n gi nc h i n a k e y w o r d s h i g h c o m f o r tl o w e n e r g y o f f i c eb u i l d i n g a r c h i t e c t u r a ld e s i g n a r c h i t e c t u r a l t e c h n o l o g y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 霾色日期 诬垒丘拍 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文外 允许论文被查 阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权东南大学研究生院办理 研究生签名 拯 导师签名 日觏型 多 占 知识水坝为您整理 东南大学硕士论文 1 全球能源与环境危机状况与背景 1 1 全球背景下的能源与环境危机 绪论 在过去的一个世纪中 科学技术的进步以及工业化的发展大大改善了人们的生活 人的生 存不再完全依赖于自然环境 技术成为了人们征服自然的手段 随着蒸汽机 电子技术 计算 机相继问世 整个世界进入了信息化的时代 科学技术地改变了人类和社会的面貌 带来了现 代社会空前繁荣的精神和物质文明 然而在繁华的背后 人类的发展竟是基于对大自然过度的开采和掠夺之上 在过去的一个 世纪里 整个世界的环境急剧恶化 酸雨 泥石流 沙尘暴等等自然灾害一次又一次的映入我 们的眼球 能源危机的爆发使得我们不得不重新审视自己对这个星球的所作所为 人类发展与 自然环境正在形成相互抵触的关系 这些主要表现在以下几个方面 土壤遭到破坏 城市用地的恶性膨胀 土地的不合理使用 破坏性开发使耕地减少 耕层瘠薄 植被遭到破坏 土地沙化日益扩大 能源危机 不可再生能源有限 能源的大量消耗将导致最终的储量不足 7 0 年代的能 源危机已经给我们敲响了警钟 资源使用不合理 滥砍滥伐 森林面积逐年减少 水的浪费和污染 加之水的区域分 布不均 季节性降水差异大 使淡水资源受到威胁 环境严重污染 废水 废气 固体废弃物不仅成为现代城市最突出的问题 也是造成 各种污染的根源 大气的严重污染导致酸雨形成 臭氧层被破坏和温室效应 生态环境危机现在已经成为一个世界性的问题 尤其是在发展中国家 由于盲目追求经济 效益和生态观念淡薄 一味以牺牲生态资源为代价 显示出更加可怕的破坏力 我国正处在经 济快速发展的时期 面临着沉重的人口压力以及自然资源的短缺 许多城市正迅速成为世界上 污染最严重的城市 一系列严峻的事实 迫使人类急切地找寻适合未来发展的新的道路 生态可持续发展战略 在新形势下渐渐成为全世界的共识 1 2 我国所面临的能源挑战 1 人均储量少 先天不足 我国能源总量丰富 但人均能源可采储量远低于世界平均水平 煤炭 石油 天然气 可 耕地 水资源和森林资源的人均拥有量仅为世界平均值的约1 2 1 9 1 2 3 1 3 1 4 和1 6 因此 一旦平均到个人消费量 我国能源并非地大物博 实际上存在先天不足的弱势 从能源利用效率来看 目前国内能耗高 能源效率低 2 0 0 1 年 我国终端能源用户能源消 费的支出为1 2 5 万亿元 占g d p 总量的比例为1 3 而美国仅为7 同时 我国单位产品的 能耗水平较高 目前8 个高耗能行业的单位产品能耗平均比世界先进水平高4 7 而这8 个行 业的能源消费占工业部门能源消费总量的7 3 这造成了很大社会能源浪费 2 我国成为能源消耗大国 进口依赖度提高 2 0 0 3 年我国已经成为世界上仅次于美国的第二大石油消费国 全年原油消费量达到2 5 亿 吨以上 其中全国原油产量约1 6 9 亿吨 进口原油8 9 0 0 万吨 分别占世界石油需求增长总量 的4 l 3 2 约每天6 0 万桶和2 6 0 桶 知识水坝为您整理 东南大学硕士论文绪论 2 0 0 4 年原油消费需求量仍以1 0 以上的增速增长 约达到2 7 5 亿吨 进口原油数量超过l 亿吨 同时 煤炭消耗量占世界总量的4 0 以上 天然气供暖需求量也一直在增长 预计到2 0 2 0 年 我国石油需求量为4 5 亿吨 年均递增1 2 天然气在一次能源消费中 所占比例将由目 前的2 7 增长到1 0 以上 我国对海外能源的依赖程度将达到5 5 以上 可见 我国能源消耗需求旺盛的同时 进口依赖度提高 这使得国内经济受中东动乱及石 油危机冲击的概率上升 危及我国能源供应安全 存在较大风险 3 能源成为我国经济命脉所在 威胁国家稳定安全 2 0 0 4 年全国电荒 煤荒集中爆发 上半年 2 7 个省份全面告急 国家线网被迫拉闸电线 8 0 多万次 下半年 北方供暖的城市无一例外都面临能源紧张的考验 以吉林省为例 往年到 9 月底供热企业储煤应达年用煤总量的8 0 而这一年供热用煤的储量不足4 0 长春市每年 锅炉供热用煤为3 0 6 万吨 截至1 0 月底只有总量的4 0 入库 在吉林市 每年锅炉供热用煤 为4 6 5 万吨 这一年到1 0 月底也才入库4 2 吉林省其他城市同样存在紧缺情况 就连首都 北京也难逃厄运 预计北京冬季煤炭需求为1 4 6 0 万吨 受全国煤炭资源紧 运输难 价格高等 因素影响 北京市电煤库存一直在警戒线以下运行 到1 0 月底锅炉及民用燃煤库储煤率不足 4 5 而为防止大气污染 北京城区的燃煤锅炉大多变为燃气或燃油 这两年 随着石油价格 的上调 北京冬季供暖承受着巨大的压力 2 0 0 6 年5 月 北京油价再次上调 9 3 号汽油每升的 零售基准价已经上调至4 7 1 元 能源的供给直接影响到人民生活与国民生产 一次拉闸对平常老百姓无关大要 但对于长 期依赖电力生产的工厂 企业来说 损失可能是上百上千万 而全国2 7 个省份同时出现问题 这种经济损失就根本无从计算 直接关系到国家经济命脉 而冬季供暖的短缺 导致很多底保 户和困难企业失去基本生存条件 威胁到国家稳定安全 2 当前在我国发展高舒适低能耗办公建筑的意义 我国建筑能耗的总量逐年上升 在能源总消费量中所占的比例已从上世纪七十年代末的 1 0 上升到近年的2 7 4 5 而国际上发达国家的建筑能耗一般占全国总能耗的3 3 左右 以 此推断 国家建设部科技司研究表明 随着城市化进程的加快和人民生活质量的改善 我国建 筑耗能比例最终还将上升至3 5 左右 如此庞大的比重 建筑耗能已经成为我国经济发展的软 肋 直到2 0 0 2 年末 我国节能建筑面积只有2 3 亿平方米 有关资料显示 中国现有建筑总面 积达4 0 0 多亿平方米 预计到2 0 2 0 年还将新增建筑面积约3 0 0 亿平方米 建筑能耗必将对我国 的能源消耗造成长期的影响 因此 如果现在不开始注重建筑节能设计 将直接加剧能源危机 正如建设部有关负责人指出 仅到2 0 0 0 年末 我国建筑年消耗商品能源共计3 7 6 亿吨标准煤 占全社会终端能耗总量的2 7 6 而建筑用能的增加已占全国温室气体排放的2 5 因高耗能 建筑比例大 单北方采暖地区每年就多耗标准煤1 8 0 0 万吨 直接经济损失达7 0 多亿元 多排 二氧化碳5 2 万吨 如果任由这种状况继续发展 到2 0 2 0 年 我国建筑耗能将达到1 0 8 9 亿吨标 准 到2 0 2 0 年 空调夏季高峰负荷将相当于l o 个三峡电站满负荷能力 这将会是一个十分惊 人的数量 在7 0 年代能源危机后 发达国家开始致力于研究与推行建筑节能技术 而我国却忽视了 这一方面的问题 时至今日 我国建筑节能水平远远落后于发达国家 举例说明 国内绝大多 数采暖地区围护结构的热工性能都比气候相近的发达国家差许多 外墙的传热系数是他们的3 5 至4 5 倍 外窗为2 至3 倍 屋面为3 至6 倍 门窗的空气渗透为3 至6 倍 现在 欧洲国家 住宅的实际年采暖能耗已普遍达到每平方米6 升油 大约相当于每平方米8 5 7 公斤标准煤 而 在我国 达到节能5 0 的建筑 它的采暖耗能每平方米也要达到1 2 5 公斤 约为欧洲国家的 2 东南大学硕士论文 绪论 1 5 倍 例如与北京气候条件大体上接近的德国 1 9 8 4 年以前建筑采暖能耗标准和北京目前水 平差不多 每平方米每年消耗2 4 6 至3 0 8 公斤标准煤 但到了2 0 0 1 年 德国的这一数字却降 低至每平方米3 7 至8 6 公斤标准煤 其建筑能耗降低至原有的1 3 左右 而北京却一直是2 2 4 5 在我国 大型公共建筑的单位建筑面积能耗大约是普通居住建筑的l o 倍左右 由此可见 公共建筑的节能潜力是巨大的 其节能措施推行的力度和深度在很大程度上将直接影响着我国 建筑节能整体目标的实现 2 0 0 5 年7 月1 日 公共建筑节能设计标准 已正式实施 这是我 国批准发布的第一部公共建筑节能设计的国家标准 从中进一步表明我国政府对公共建筑节能 问题的关注 办公建筑是公共建筑中建造量最大的一个类型 只要看一下纽约 伦敦或法兰克福的中央 商务区就会发现 那里熠熠闪光的办公楼使所有其他建筑显得相形见绌 主宰这些全球闻名城 市天际线的不再是那些曾作为社会对上帝和国家尊重象征的教堂或宫殿 而是反映现代公司实 力的高层商业建筑 这一叙述精辟的说明今天办公建筑己成为生产和处理各种商务活动的信 息场所 也是当今经济活动 社会科技进步的最真实可见的标志 办公建筑也是公共建筑中一个重要的建筑类型 但由于其本身功能的复杂性和设计的多样 性 使得单位能耗要远远大于住宅 建筑单位面积对能源和环境的影响也更大 在我国 随着 经济的发展 各个城市都在兴建新办公楼 如果不注意控制办公建筑的节能问题 那么后果将 是非常严重的 另一方面 随着我国经济的发展 办公建筑中的环境与设施与发达国家越来越 接近 员工工作的舒适性也逐渐被重视起来 因此 在我国推广高舒适低能耗办公建筑是非常 有价值的 s a s s e n s g l o b a l c i t i e s p r i n c e t o n u n i v e r s i t y p r e u n e w y o r k 1 9 9 1 东南大学硕士论文第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 1 1 高舒适低能耗的建筑思想内涵 1 1 1 高舒适低能耗思想的由来与概念 建筑作为一种古老的物质载体形式 本质上讲是为改善和调整人与环境之间关系的创造 是人类生存与行为发展的场所 人类对环境 自然 乃至本身的认识也就相应体现在建筑活动 的实践和目标中 工业革命以来整个生存环境的退化已经触及了人类的根本利益 这对位处中 介位置的建筑 包括城市 提出了新的挑战 建筑领域设计思路白2 0 世纪6 0 年代开始伴随着 西方知识界对环境问题的反思也相应进行了调整 有人称之为 现代主义之后又一场真正的建 筑革命 1 2 0 世纪6 0 年代的这场建筑思潮开始于1 9 6 2 年美国海洋生物学家莱切尔 卡逊 r a c h e l c a r s o n 女士发表的著作 寂静的春天 t h es i l e n c es p r i n g 该书通过分析美国官方以及民间 使用的d d t 等农药在迁移 转化的过程中对空气 土壤 海洋 动植物和人产生的影响 警 示了人类自身活动所导致的严重后果 此书的出版最终促成了美国政府成立环境保护局 并颁 布相关法令 1 9 7 2 年联合国在斯德哥尔摩召开第一次人类环境大会之后 追求人与自然和谐共 处的 绿色运动 在全世界范围内蓬勃开展起来 征服自然 的口号改成 我们只有一个地 球 此类会议也越来越多 与此同时 关注环境 资源等问题的建筑师们明确提出了注重生态的建筑设计概念 1 9 6 9 年麦克哈格在 设计结合自然 中强调了人与自然的伙伴关系 从整体出发研究环境设计 1 9 7 4 年舒马赫完成 小的是美好的 为自持续性设计提供哲学理论 提倡中间技术 此外 鲁道夫 斯基的 没有建筑师的建筑 西蒙兹的 大地景观 罗马俱乐部的 增长的极限 荷夫的 城 市形态和自然过程 等一系列著作有利地推动了城市建筑领域内生态设计的实践 在这一阶段 注重生态的建筑设计存在两种倾向 乡村类型 和 城市类型 2 前者偏重理论研究 提出 各种宏观设计原则 倾向于保护和保存地球现有的生态资源 多利用低技术和中间技术等 后者 则以具体实践为主 侧重于强调技术的效率和 少费多用 思想 多利用高新技术 进入8 0 年代以后 上述两种不同倾向的设计理论和实践逐渐走向融合 并继续发展 高舒适度低能耗建筑概念的提出始于2 0 世纪7 0 年代 1 9 7 3 年 欧佩克国家对美国石油禁 运 世界石油危机爆发 促使发达国家采取各种措施节约能源 欧洲就在这个时候制定了商舒 适度低能耗的建筑发展战略 所谓高舒适低能耗建筑 是指在任意气候条件下 通过对建筑的 科学设计 科学选材 在低能耗的前提下 使室内自然温度接近或保持在人体舒适温度2 0 2 6 c 范围内 从而在为使用者提供健康 舒适 环保的建筑空间同时 降低建筑能耗 保护城 市环境 从高舒适低能耗建筑的定义可以看出 它与以前低技术 提倡完全自然的生态建筑不同 更尊重人的主观感受 同时对气候因素的负面影响也提出了解决措施 它又与那些 h i t e c h 不惜巨资 采用尖端技术节约能源的昂贵做秀不同 高舒适低能耗建筑更主张的是一种适宜技 术 是立足于常规技术和材料而发展起来的一个体系 1 董卫 略谈生态建筑 世界建筑 0 1 9 8 2w o l f i ch e d s t h es o c i o l o g yo f s i m m e l1 9 5 0 l o t l d o l l c o u i e r m c m i l l a a 1 9 5 0 4 东南大学硕士论文第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 1 1 2 高舒适低能耗建筑的特点 1 地域的相关性和功能的决定性 气候对建筑的影响是很大的 全球范围内各地区气候差 异明显 我国也分了五个气候带 设计高舒适度低能耗建筑的时候不能简单的重复照搬 应该 首先根据当地的气候特点 建筑的地形特点充分利用自然条件 首先要利用被动式节能的先进 理念 所以要发挥建筑所在区域气候的最大优势 同时能够从这个建筑来体现出当地的气候特 征 现在中国所有的城市都是千篇一面的 但是这种形式在过去是很难看到的 各个地区建筑 风格都体现的非常充分 而现在由于工业化的发展造成了这些同质化现象非常严重 2 多专业的整合 传统的建筑设计操作模式就是建筑专业参与方案设计 其他方案几乎没 有参与 只是在整个设计施工过程中做一些简单的配合 中间的断档很多 高舒适低能耗建筑 由于其系统性和技术性 要求设计开始就要有多专业的配合 各个相关专业都要链接起来形成 一个有机的整体 这样从建筑的方案阶段就会有一个深入的讨论 以及深入的考虑 这样才会 把建筑做好 而不是仅仅设计一些噱头 3 全方位技术手段的有机结合 一个建筑接受我们主要考虑建筑规划的解决方案 包括建 筑的外围护系统 太阳的辐射与控制 包括自然采光 可再生能源的控制以及水资源的利用等 等 所有这些系统目的只有一个就是把建筑全方位的能耗 以及生命周期内的能耗下降 同时 控制在一定的额度范围内 只有这样才能建筑一个总体的生态指标 这样才能达到好的效果和 我们的预期目标 4 成系统有针对的应用技术 现在一提到应用各种技术 可能会提到很多误区 技术的 应用不在多少 也不在运用的高低 只要这个技术能够成套的配合 能够达到我们所预期的目 的那就是最佳的组合 应该根据建筑所处 的地理位置 气候条件 有针对性的采取 相应技术而不是在于应用技术的多少 同 时避免那些攀比 盲目标榜自己运用了多 少技术的风气 因为现在很多开发商可能 会采取很多很好的技术比如说楼宇玻璃 墙体保温 但是不做关键技术的话 还是 不行的 就像一个水桶装多少水是由最短 的一块板决定的 所以要注意短板效应 高舒适低能耗办公建筑的优点不仅 在于具有更高的能源效率 而且可以增进 员工的健康状态 改善工作环境 从而提高工作 效率 从图1 l 中可以看出办公建筑的能耗构成中 空调采暖能耗和照明能耗占了总能耗的8 0 左右 显然这两个方面是我们降低办公建筑能耗的切入 点 我们可以从提高外围护结构的热工性能 改善 窗户及玻璃幕墙的性能 充分利用自然采光与通风 电睇 卫生2 0 5 图1 1 寰1 与办公建筑相关的支出 工资 8 0 建筑 7 使用中的能源 4 各种设备 9 采用合理的遮阳系统 提高设备的能效比 使用节能灯具等等方面来考虑 而从表1 1 我们又可以看出 在办公建筑建成以后的所有支出中 员工的工资占到了8 0 这说明提高员工的工作效率是很关键的 而这要通过改善员工的工作环境来实现 有关研究表 明 良好的空气调节效率 可增加2 5 一9 的打字速度 照明条件改善 可增加3 扣7 的阅读速度并减少错误 增加5 的核对速度和准确性 5 东南大学硕士论文 第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 噪音减少2 0 d b 时 可减少3 0 的打字错误 有控制的向自然开放空间 可改进3 4 的病态建筑综合症 增加3 一1 5 的专心性 3 e 一2 5 的工作有效性 事实上 员工减少旷工或者提高生产率哪怕只节省3 的人事费用 就足以支付消耗的全 部能源所需的费用 在建筑环境中引入自然元素 增强使用者与自然环境的沟通 改善工作环 境 提高工作效率 这是高舒适低能耗办公建筑追求的又一个目标 1 2 办公建筑的分类与特点 1 2 1 办公建筑的分类 随着现代办公要求的发展 办公建筑的空间构成也在不断适应新的办公功能和舒适性要 求 现代办公楼是从适应现代办公功能的要求出发 合理安排交通流线 结合审美 技术等多 方面要求后的空间组合结果 按照功能来分 办公建筑可分为以下几类 1 公司自用办公楼 公司自用办公楼是以自己公司为使用目的的办公楼 这种办公楼在设计的当初就确定了使 用的对象 因此 在开始设计的时候就必须明确的整理业主提出的各项条件 并要考虑办公楼 具有作为企业面向社会展示自身形象的功能 还要考虑到对地区环境的贡献 2 租赁办公楼 租赁办公楼是以出租办公空间的方式来盈利的办公楼 它由能增加收益的供出租部分和非 收益的公用部分两部分组成 因此 如何增加供出租部分房间的面积是设计中的重点 对租赁 办公楼进行设计时 要对以下情况作整体考虑 房间出租部分和公用部分的合理面积比例 使 用的舒适性 公用部分的服务质量等等 3 综合办公楼 综合办公楼是指在一个建筑物中同时拥有多种功能的办公楼 在这类办公楼的设计中 重 要的是要设定整体的概念 决定如何将不同的功能组合在一起 根据这个要求 就必须合适的 对综合的功能进行整理和统一 流线设计很重要 还有在上下楼层不同功能重合时 要对结构 跨度的调整进行研究 4 政府办公楼 政府办公楼是作为政府行政办公用途的办公楼 在使用上及公共性方面 政府办公楼同一 般的办公楼在建筑设计上有区别 功能流线要按照政府各行政部门的特点来安排组织 流线上 要注意公共性和安全性的结合 办公建筑由于其本身功能的复杂性和设计标准 使得单位能耗要远远大于住宅 建筑单位 面积对能源和环境的影响也更大 无论是上述任何一种办公建筑类型 其节能问题必然是我们 所关注的 以下是指导办公建筑设计的一些原则 使用低成本 高效率而又简单的能源技术 以方便今后更新换代 尽可能缩小楼面进深 以尽量利用自然通风和采光 在无法缩小楼面进深时 应当修建可以自然通风的风塔 抬升面不是降低顶棚的高度 使天井与内部的中庭交替 以增加自然通风 使南立面和西立面免遭过于强烈的日光照射 使用钢筋而不是混凝土结构 以增加灵活性和以后回收利用的机会 把百叶窗和遮阳板置于使用者的控制之下 建在现有的城市地区 以充分利用那里的公共交通和其他基础设施 6 东南大学硕士论文第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 1 2 2 我国办公建筑的特点 在我国 党政机关 事业单位的大多数人员和企业的近乎一半人员是从事办公室工作的 从办公楼的能耗特性出发 我国现有办公建筑的空间组合可以分为图1 2 所示几类 a 外廊式办公楼 多为早期 建造的办公楼和低层小型办公楼 建筑 物形体多为简单板式造型 以开敞外廊 或位于建筑物一侧的封闭走道组织各个 单元办公室 该类建筑体形系数大 采 用自然采光通风 一般不采用集中的空 调和采暖设备 易于实现设备的分区控 制 b 内廊式办公楼 这种形式 的办公建筑最为常见 大都以多层建筑 或l o 到2 0 层左右的小高层形式出现 办公空间形式既有单元式办公室 也有 大空间进行自由分割的集中办公室 该 口呈 c b 内摩式 c 中央核心菏式 斌圃 d 内院式 e 中庭式 口办公空甸 囫变运辅助空问 田庭院空甸 图i 2 我国办公建筑的空间组合类型 类建筑体形系数较大 多数采用自然采光和通风形式 在设备使用上 大空间集中办公常采用 中央空调 单元办公室常采用小型分体空调形式 c 中央核心筒式办公楼一常见于规模较大的高层建筑 以中央核心筒作为管线集中 设置的空间和交通枢纽 围绕核心设置尺度较大的集中办公空间 或利用轻质隔断进行自由分 割 建筑物内一般有多种功能的组合 该类办公楼体形系数相对较小 建筑物内设备复杂 多 采用集中系统进行通风或制冷采暖 由于办公空间进深较大 多为自然采光和人工照明相结合 d 围绕开敞内院组织空间的办公楼 这种类型的办公建筑可以说是对传统院落式建 筑的回归 建筑物内部组织开敞院落 进行景观和绿化布置 这种布局形式对于目前倡导的 健 康建筑 节能建筑 来说 都是一种有利的空间布置形式 单就庭院外围的建筑物来说 亦 可分为外廊 内廊等组织形式 因此是一种复合的空 间整合形式 这种建筑形态也体现了利用传统思想创 造现代的功能空间和建筑形式 但是由于庭院景观受 气候影响较大 因此这种建筑形式多见于南方 e 以中庭为核心空间的办公楼 自从1 9 6 7 年约翰 波特曼第一次在海特摄政旅馆中创造了波特 曼大厅 中庭建筑就不断出现在各种公共建筑中 办 公建筑当然也不例外 图l 一3 中庭给人们创造了一 个有着绿茵流水 没有夏季酷暑和冬季严寒的空间 但是 要创造真正宜人和舒适的中庭空间和办公空间 则是建筑师和其他技术人员应该充分考虑的问题 中 庭空间的物理环境和审美环境 是该类建筑成功与否 的基础 以上归纳了几种常见的办公空间类型 随着我国 办公建筑的发展 会出现更多新的办公建筑形式a 我们 图1 3 办公建筑中的中庭空间 在采取节能措施的时候 要注意根据不同建筑的特点 有针对性的进行节能处理 7 东南大学硕士论文 第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 1 3 实现高舒适低能耗办公建筑的设计与技术途径 1 3 1 高舒适低能耗办公建筑的常见设计手法 1 自然通风 自然 流动的空气是创造舒适 健康的工作环境的保证 室内人员的呼吸及异味的消除都 需要良好的通风 同时也将释放热量 当然 一般来讲 这需要较高标准的通风 例如 对于 标准的办公空间人员密度来讲 能满足通风要求的新鲜空气流通量大概为l 2 次 小时 但是在许多设施完善的现代办公楼中 空调系统 机械通风纵然能制造适宜的小气候 却 减弱了空气的流通 办公人员难以呼吸到清新的自然空气 结果造成疾病的产生 2 0 0 3 年的非 典就给我们敲响了警种 为了使用者的身心健康 高舒适低能耗办公建筑力图最大限度地利用 自然通风 自然通风依靠自然的空气流动 排除室内污浊的空气与湿气 增强人的热舒适感 在温湿的气候下 自然通风能减小因相对湿度超过6 0 0 6 以上而产生的影响 从而增加室内的舒 适感 建筑自然通风主要注意以下几点 1 建筑的间距 当间距大于楼高的2 4 倍时 流动的空气可停留在楼问的开敞空间 当间距处于楼高的1 4 倍和2 4 倍之间时 两楼之间将出现回流 并与原方向吹来的风进行交换 当间距小于楼高的 1 4 倍时 则楼间的空气几乎无法流动交换 若将第一种状态下建筑表面受到的风压设为l 那 么相应的第二种状态为1 3 第三种状态约为0 所以 要想在建筑表面获得良好的风动力 与 相邻建筑的距离必须是其高度的3 倍以上 2 利用风压进行自然通风 在具有良好的外部风环境的地区 风压可作为实现自然通风的主要手段 在我国大量的非 空调建筑中 利用风压促进建筑的室内空气流通 改善室内的空气环境质量 是一种常用的建 筑处理手段 风洞试验表明 当风吹向建筑时 因受到建筑的阻挡 会在建筑的迎风面产生正 压力 同时 气流绕过建筑的各个侧面及背面 会在相应位置产生负压力 风压通风就是利用 建筑的迎风面和背风面之间的压力差实现空气的流通 压力羞的大小与建筑的形式 建筑与风 的夹角以及建筑周围的环境有关 当风垂直吹向建筑的正立面时 迎风面中心处正压最大 在 屋角和屋脊处负压最大 另外 伯努利流体原理显示 流动空气的压力随其速度的增加而减小 从而形成低压区 一般来讲 采用自然通风的办公建筑应该从形状上最大限度地面向所需的 夏季 风向展 开 并设计成进深相对较浅的平面 1 4 m 左右 使流动的空气易于穿过建筑 形成穿堂风 所以 一些基地面积较大的建筑可以将平面设计得舒展开来 3 利用热压进行自然通风 图l 4 自然通风的另一手段是利用建筑 内部空气的热压差 即我们通常讲的 烟囱效应 来实现建筑的自然通 风 利用热空气上升的原理 在建筑 上部设排风口可将污浊的热空气从室 内排出 而室外新鲜的冷空气则从建 筑底部被吸入 热压作用与进 出风 口的高差和室内外的温差有关 室内 外温差和进 出风口的高差越大 则 热压作用越明显 在建筑设计中 可 圈1 4 利用热压进行自然通风 东南大学硕士论文 第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔 如楼梯间 中庭 拔风井等满足进排风口的高差要求 并在顶部设置可以控制的开口 将建筑各层的热空气排出 达到自然通风的目的 与风压式自 然通风不同 热压式自然通风更能适应常变和不良的外部风环境 4 风压和热压相结合进行自然通风 在建筑的自然通风设计中 风压通风与热压通风往往是互为补充 密不可分的 一般来说 在建筑进深较小的部位多利用风压来直接通风 而进深较大的部位则多利用热压来达到通风效 果 2 自然采光 人类的大部分活动都在建筑中进行 人们希望在建筑空间内享受到自然光能提供的照明 自然采光的卓越特点是电灯照明所达不到的 自然采光不是要完全替代单纯的电灯照明而是要 创造一个既有变化 又要协调的光环境 而要利用自然光使室内获得舒适的光环境 就应该注意以下几点 如何确保必要的采光量 如何减少依赖电灯照明的比例 并且与太阳能的热利用联系起来 在冬季获取充足的太阳辐射的同时 如何处理好眩光的问题 在夏季利用自然光确保充足的亮度的同时 如何防止多余的太阳辐射能进入室内 在办公建筑中 窗户是阳光进入室内的通道 在现代化大进深的集中型办公室里 人们选 择办公桌的位置时 都希望靠近窗户 就是为了获得阳光 新鲜空气 然而 侧窗采光由于采 光面积有限 很难满足大进深办公建筑的要求 从建筑设计方面来解决这个问题 可以从两个 方面来考虑 一是用一些辅助的反射系统来帮忙 二是利用天窗 采光井和中庭采光 利用辅助反射系统的一个典型 案例是由日建设事务所设计的东京煤 气公司n t 大楼 图l 一5 该建筑设 有一个被设计者称为 生物核 的共 享厅 共享厅位于建筑北侧 精心设 计的玻璃 呼吸外壁 能充分利用自 然采光 导入自然通风并且能最大限 度地降低环境的不良影响 为了充分 利用南北自然采光 将南侧办公部分 的每层吊顶均设计成折线状 即使在 阴天 室外照度为1 5 0 0 0 l x 时 中央 办公桌面自然采光照度也能达到 3 0 0 l x 通过利用特殊形状的反光板 图 i 6 可以创造出积极利用自然光的 办公空问 傍晚的直射阳光变弱或天 气不好时 虽然不能过于期待自然采 光 但在天气晴朗时 还要尽量利用 自然采光 仅把人工照明作为辅助手 段 中庭采光作为一种比较常见的 大进深建筑采光形式 现在在越来越 多的办公建筑中被采用 利用中庭采 光时 虽然要根据太阳的高度角而定 图i 5 东京煤气公司n t 大楼自然通风采光系统示意 图i 6 利用特殊形状的反光板来利用自然光 9 东南大学硕士论文第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 但还要看是直接采用直射阳光 还是利用稳定的天光 这两种采光的方法将会有很大的差别 图 1 7 此外 温暖 年温差不大的地区和寒冷 年温差较大的地区 中庭采光方式也有很大差 别 鬻衡 袄羧科羯囊射霸畿 秘孀天空光 图l 7 不同的中庭采光方式 北饲 3 立体绿化 人们都喜欢绿色 因为绿色是大自然的景色 在 现代都市这个钢筋混凝土的森林里 一抹绿色会使周 围的环境变得和谐 舒适 随着社会的进步 人类的 生活 工作空间渐渐向高空发展 出现了高层建筑 逐渐脱离了丰富多样的自然世界 在生态原则下 高 舒适低能耗办公建筑以竖向绿化的方式 搭起一个立 体的生态网络 不仅具有新的美学效果 而且增添了 空中环境的物种多样性 使人又重新回到大自然 在办公建筑的立面造型中 加入竖向绿化来软化 景观 这种方式在许多中 低层办公建筑中已得到相 当的发展 如立面上的植物花池 屋顶花园等常见手法 也巧妙地创造了 空中庭园 图1 8 马来西亚梅纳拉大厦 如今 在高层办公建筑中 建筑师们 如著名的马来西亚梅纳拉大厦 图1 8 设计中最具震撼力的特征就是引入到立面与空中 庭园中的植被 它从底部一个3 层高的覆盖植物的土堆 土坡 开始 沿着建筑表面盘旋而上 建筑师杨经文将一种凹退的台阶状空间插入立面中 作为室内外的过渡空间 而这些3 层高的 凹进露天平台也是种满植被 有通高的玻璃门可以向此空间敞开 它们的作用类似于传统乡土 建筑的敞廊 但除了对建筑的某些部分有遮阳作用外 凉爽的自然空气也能够自由的穿行于建 筑中的过渡空间 而植被则提供了足够的阴翳和富氧的室内空气 空中庭园 把绿色带到高空 中 为高层办公建筑的使用者刨造了更富有人情昧 更诗意的环境 人们休息时从封闭的室内 空间步入到这些开敞空间中 能直接感受到绿树红花的美丽 一解工作的紧张疲乏 根据周围 的环境状况 这种过渡空间还可以被布置在日晒的一边或景色优美的一边 无论如何 它们给 建筑带来了绿色的生机 把自然美景送到办公人员身边 也丰富了城市景观 在空中 为获得 竖向景观 中植物的连续性 纳入到建筑系统中的植物应该是相互连接 的 梅那拉大厦通过立面上阶梯状的花园形成连续的植物区 允许一定范围内植物物种之间的 l o 东南大学硕士论文 第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 相互作用与迁移 并与地面的生态系统连为一体 建筑师福斯特则在法兰克福的商业银行大厦中利用凹空间创造了另一种 空中庭园 图 1 9 办公楼每隔三层 设有三层高的开敞空间 用来进行绿化布置 由此在任何位置6 个办 图1 9 法兰克福银行中庭景观 公层上下均有一个绿化空间 中央筒为玻璃墙 这样办公人员即便坐在v 形楼板内也能向上向 下观看其他楼层景观 在这幢建筑中 植物被分散种植在相互不联系的平台上 于是需要外部 的输入 如经常维护 来维持生态系统的稳定 为了带给办公人员更好的视觉心理效果和令人偷悦的工作环境 立体绿化不仅限于在一些 过渡空间 还可以在办公室内种树栽花 让工作空间和自然融为一体 由于植物能吸收室内产 生的二氧化碳 释放出氧气 同时能清除甲醛 苯和空气中的细菌等有害物 因而对形成更为 健康的室内环境大有好处 另外 植物通过新陈代谢的蒸发作用可以蒸发水分 从而能控制和 保持环境的湿度 一棵大树每天能蒸发4 5 0 l 的水 相当于要耗用2 3 0 0 0 0 千卡的蒸发能量 如果使用机械设备来达到一棵树的蒸发量 就需要5 台每小时耗能2 5 0 0 千卡的空调机 每天 连续工作1 9 小时才能完成 而且空调还仅仅只是将热量从室内转移到室外 热量仍然存在 并 导致城市大气温度增高 产生热岛效应 树的蒸发 就不会有这些负面作用 所以 室内绿化 还具有调节室内微气候的作用 1 3 2 高舒适低能耗办公建筑中的主要技术 除了建筑设计本身 要达到高舒适低能耗的目的 还需要技术力量的支持 高舒适度低能 耗建筑的战略决策是通过建筑物理的全系统优化设计来实现的 可以分为以下七个系统 1 外墙系统 主要包括外墙外保温 外围护结构的保温隔热处理 我们可以从两个方面来考虑 一是选 用导热系数较低 强度高的建筑材料 如陶粒混凝土 加气混凝土等等 是优化建筑表皮的 构造设计 即利用强度高的承重材料和导热系数小的轻质保温材料进行组合 在办公建筑中 我们经常采用后一种保温做法 2 外窗系统 一方面 在办公建筑中 为了获得良好的景观视野和采光 同时为了增强立面效果 常常 采用大面积开窗 而这些也经常是建筑的冷 热 桥所在 如何提高玻璃窗带来的正面效应而 东南大学硕士论文 第一章高舒适低能耗办公建筑的概念 减少其负面影响 也是建筑节能中需要考虑的一个问题 另一方面 玻璃幕墙是办公建筑中比 较常见的一种建筑表达形式 但同时也是热交换 熟传导最活跃的部位 由于玻璃的保温性能 远比不上保温外墙体 其冬季热损失也是外墙体的几倍 所以 在办公建筑中 要注意这些透 明围护结构的保温隔热处理 同时这些透明围护结构也是建筑夏季得热过多的主要因素 因此要做好合理的遮阳处理 降低建筑能耗 3 屋顶和地下系统 屋面在整个建筑围护结构面积中所占比例远低于外墙 但对顶层来讲却是比例最大的外围 护结构 如果屋面的保温隔热性能太差 对顶层的室内热环境和建筑能耗影响是比较严重的 除了在构造上做好屋面的保温隔热处理以外 屋顶绿化在现在的办公建筑中也被越来越多的采 用 屋顶绿化不仅可以使屋顶具有更好的保温隔热性能 同时也为办公楼的使用人员提供了一 个舒适的休闲场所 并对美化城市环境起到了一定的作用 办公建筑一般都设有地下空间 而如果地下空间没有采取空调采暖措施 那么通过一层地 面而导致的热损失就很可观了 因此做好地下空间的保温隔热处理也是一个很重要的方面 可 以降低地面传导热量的损失 4 混凝土采暖制冷系统 由于外墙 屋面和外窗保温隔热的周密系统设计 为高舒适度的混凝土低温辐射采暖和制 冷系统的应用创造了必要的条件 它的工作原理是辐射而不是对流 依靠大面积楼板接近人体 舒适温度的辐射来调整室内温度 因而使人感觉非常舒适 这套系统的优点是设备负荷小 室 内温度均匀 无噪声和风感 室内无管道 缺点是不能做封闭吊顶 因此 昂顶采用自由 风 帆 形式居多 其工作原理是将p b 管预埋在混凝土楼板里 冬季以2 8 的低温循环水供暖 夏季以2 0 的循环水制冷 这样使得室内温度均匀 无噪声和风感 室内舒适度高 5 健康新风系统 虽然高舒适低能耗办公建筑尽量做到自然通风 但是考虑到某些时候 由于特殊原因不能 进行自然通风 所以还是要设置辅助空调系统 建筑空调系统需要完成三方面的功能 调节室 内温度 制冷 供暖 提供过滤除尘的新鲜空气 调节室内空气流通速度 避免噪声 6 防噪音系统 办公建筑一般都建造在比较繁华的地段 这样 如何减少外界嘈杂的环境对办公人员造成 的干扰也是需要我们注意的 因为一个安静的工作环境可以在很大程度上提高员工的工作效率 7 水处理系统 水资源的短缺是全世界当前面临的问题 水在生态建筑系统中既是一种资源也是一种能源 雨水不仅可以作为中水使用 还可以冷却建筑周围环境和建筑物外围护结构 地表水也有利于 促进自然通风和调节温度 并成为重要的景观环境要素 因此 一套完善的水处理系统也是一 栋高舒适低能耗办公建筑应该具备的 东南大学硕士论文第二章高舒适低能耗办公建筑对气候的适应性设计 第二章高舒适低能耗办公建筑对气候的适应性设计 2 1 适应气候的建筑设计 2 11 气候学建筑设计思想 二十世纪六十年代 在v 奥戈雅 v o l g y a y 的 设计结合气候 建筑地方主义的生 物气候研究 一书中 首次系统的将设计与气候 地域和人体生物舒适感受结合起来 提出通 过建筑设计 构造措施控制一些气候因素对建筑及使用者不利影响的生物气候设计原则 设计遵循气候 生物 技术 建筑的过程 分别是 调研设计地段的各种气候条件 如温湿度 日照强度 风力 风向等构成地域年平均气候特 点的因素 评价每种气候条件对人体生物舒适度的影响 采取技术手段解决矛盾 如选址 定位 建筑阴影范围评价等 结合特定地段区分各条件的重要程度 选择相应技术手段进行建筑设计 奥戈雅认为生物气候设计的出发点是人体 生物舒适要求以及特定设计地段的气候条件 通过设计以自然的而非依赖机械空调的方式协 调上述二者关系 奥戈雅同时指出 空调设计 所依据的舒适标准往往过于敏感 而忽视人们 可以随冷暖变化酌情增减着装的可能 因此恒 定的温 湿度舒适标准并不必然是人们实际体 验的最舒适感受 这种方法基于一种 生物气候图 图2 1 的分析 该图包括与周围的空气温湿度 平均 热辐射量 风速 太阳辐射强度以及蒸发散热 等因素有关的人体舒适区 图表的纵坐标是千 球温度 横坐标是相对湿度 图表的中部分别 标有冬夏季的舒适区范围 依照具体的气候条 件与舒适区的相对位置关系 确定需要采取的 设计策略 例如 如果外温处于舒适水平以上 图2 1 奥戈雅的生物气候图 的温度范围内 图中标有恢复舒适所需要的风速 图表上 舒适区的低限将气候条件分为两类 此界限以上部分称为 过热 期 应采取遮阳 通风降温等手段 在低限以下的部分为需要日 照的 低冷 期 这样确定气候类型之后 根据图上标示就可以判定通风 遮阳 蒸发散热或 日照等方面为满足舒适的需要量 八十年代初吉沃尼 g i v o n i 对奥戈雅的方法进行了改造 他认为上述方法存在一定局限 这种方法对于人体生物感受的分析是基于室外的气候条件 只适用于潮湿地区 因为潮湿地区的 白天通风必不可少 因此室内外条件相差不大 为了正确反应人体室内的生物感受 吉沃尼以炎 热气候地域和地中海气候地域为研究对象 采用应用热应力指标 i t s 来评价人们对舒适的要 求 由此确定相应的设计策略 吉沃尼改进后的生物气候设计方法的基本过程如下 1 分析气候条件 根据产生夏季过热 冬季过冷以及雨季期间的潮湿等问题 根据气候特点 在一年的不同时 期 设计要求的侧重点会有所不同 分析气候特点 一般而言 室外温度 水蒸汽压力和风速 等 均应该按照最热和最冷月的资料拟制 东南大学硕士论文第二章高舒适低能耗办公建筑对