高层建筑节能设计最新版本.doc

高层建筑节能设计（屈新剑 江西理工大学）摘要：本文主要讲高层建筑与节能设计的方法与案例，并强调在未来的高层建筑设计中节能设计的重要性。关键词；高层建筑 节能设计一概况在我国的社会能源消耗中主要由建筑能耗、工业能耗和交通能耗三块组成，其中建筑能耗2(XX)年已达到能源消耗总量的27.6%，并成上升的趋势。而在城市高层建筑设计中，设计者往往贪大求高，大部分精力放在追求立面形式和使用功能上，而往往忽略生态环境的保护、建筑设计节能意识淡薄，造成高能耗、低效益，浪费巨大。建筑节能具体是指节约采暖供热、空调制冷、采光照明以及调节室内空气、湿度、改变居室环境质量的能源消耗，还包括利用太阳能、地热(水)能源的综合技术工程。建筑节能不仅是建筑本身的节能，且与城市的综合环境、气候条件、总体布局有关，建筑物的形体变化、朝向；外围护结构保温隔热的性能 门窗质量等许多综合性因素构成。因此，在满足使用者舒适度的基础上，如何提高建筑对能源的利用效率、更好地利用自然能源、降低对外界热环境的影响，即建筑节能的问题显得日益重要。二高层建筑的能耗比高层建筑是一种高消耗的建筑类型，它的建设费用仅占其生命周期总费用的15-16左右，后期运营、维护所需韵费用占较大比例(图1-1)。以金茂大厦为例，其维护管理费用是建设投资的3倍，以60年使用寿命来计，大厦的每天花费丈约要在100万元人民币上下。因此在设计当中，对全寿命周期的能源评估具有重要意义。各单项能耗分布情况，根据一份调查整理的数据显示各项能耗的分布图，从图2可以看出办公设备、空调、照明的单位面积年平均耗电量远远大于电梯和水泵,图2显示了它们的比例关系,办公设备、空调、照明三项耗电占了总耗电量的94.6%。因此可以得出深圳地区办公建筑节能的关键在于设备、照明和空调的节能。三高层建筑节能设计措施1. 高层建筑的体型系数与朝向系数体形系数指高层建筑外围护壁体总面积与所包围的空间体积比，体形系数越大，能耗越大，节能水平越低。一般控制在0.35以下，而且每增加0.1F/V,耗能指标就增加0.48-0.52W/。因此建筑尽量减少不必要的凹凸变化，体形系数与壁体传热系数km存在一定的函数关系。高层建筑的朝向系数应针对建筑所处的环境，气候条件，室内环境要求而定，需知到朝南并不就是朝向系数高，一般而言朝南是好的，但在一些有空调，热舒适要求较高的场合朝南反而不好了。2. 高层建筑的平面布置（1） 结合建筑功能组合，将能耗多的壁面部分形成双臂体系。例“台北震旦国际大楼”建筑节能措施有如下：A. 南北朝向，减少日照面，降低空调能耗B. 将非空调服务空间，管道井，交通部分分放在南侧，有效遮挡日照得热C. 南立面利用阳台遮阳，有效减少空调负荷D. 西北侧圆形大厅的烟囱效应，强大的余热气流上升带走热量。（2） 平面体型尽量方正，对受阳光干扰严重的立面设深遮阳，并强化壁面的阻热效能。例如“台北信义大楼”采取的节能措施如下：A. 平面呈南北向，形状为长方形B. 交通、服务部分分设于平面的东西两端，减少太阳东西晒带来的热负荷C. 采取深遮阳方式，单元窗后退450mmD. 450mm后退空间作为隔热层降低传热系数（3） 不同立面选择相适应的开窗方式，并处理好壁面装饰的选材，色彩问题，达到反射阳光的目的，减少能源传入壁内。（4） 高层入口大门在满足交流，消防的前提下以尽量小，不设不走人的门，设门斗，提高门构建节能薄弱的节能措施。（5） 以冬季采暖为主的高层建筑立面设计宜采用太阳能设计概念，例如“美国HooKer化学公司大楼”的可控双壁体。3. 高层建筑底部开放空间设计20世纪70年代，高层建筑的设计开始重视底部空间与城市环境的关系，伴随着多种商业、服务性功能的渗入。许多高层建筑都以扩大底部公共活动空间，形成入口广场等设计手法来处理建筑空间与城市空间的过渡关系，从而增大建筑空问与城市空间的接触面。常见的底部空间设计手法如下。（1）敞廊式这种空间形式多用于沿街的高层建筑，做法一般为将底层维护界面内移，形成“骑楼”式流动空间，使之与城市人行道一起承担步行功能和停留功能。此种做法在人流密集、道路狭窄的商业区作用重要，特别在炎热多雨的地区更为常见，这样的开放式连廊，给行人提供了遮阳和避雨的场所。（2）内凹式高层建筑常见于市中心或人口密集区域，通常内用地十分紧张，在总平设计时，为避免城市街道与建筑的生硬交接，而采取“凹式”的设计方式一种较为被动的设计方式。实践中，常常将建筑平面向内形成凹弧或者形成凹折，从而自然在建筑入口形成缓冲空间，在这个区域内人车分流，井加以花坛、喷泉等环境小品。这样处理使底部空间易既形成视觉焦点又具有会聚性。（3） 架空式这种空间形式主要利用柱子或其它支撑结构，将建筑物底部全部架空或部分架空，并在架空部分种植草木，利用台阶形成下沉空间或抬高地面，或设置某些街道设施，如铺地、行道树，自动售货机等。采用此中方法的高层建筑通常位于城市中心区或沿街转角处，一方面使人能够自由穿行于建筑底部，增加交流与停留的机会；另一方面也有利于创造丰富的街景。（4）混合式由于外部空间设计的复杂性与多样性，实践中的高层建筑底部空间处理方法，并不局限于单一的某种设计方式，而是多种手法穿插组合，创造出丰富统一的城市空间。4.高层建筑的通风设计高层建筑的中庭不仅仅是交流的空间，中庭对于建筑的节能设计祈祷很大的作用。通高的中庭起到了拔风的效果，即烟囱效应，实现了良好的通风换气的作用，在中庭种植绿化和布置水景可以进一步的改善室内环境和调节室内的小气候，中庭的存在最主要是改善了建筑的通风。自然通风的基本原理分为风压通风与热压通风。风压通风自然风垂直吹向高层建筑时，会在底部产生正压，而在顶部产生负压，上下的压力差形成了垂直的风道效应。利用风压来实现建筑自然通风，首先要求建筑有较理想的外部风环境，其次，建筑应面向夏季主导风向，房间进深较浅(一般宜小于14米)，以便形成穿堂风。热压通风热空气上升，从建筑顶部风口排出，而新鲜的冷空气从底部吸入，室内外温差越大，建筑高度越大，热压形成的“烟囱效应”就越明显。“烟囱效应”可以由下式阐释：浮力Pt=H(rori)mmAq，其中H为烟囱高(m)：ro，ri为周围空气及烟囱内空气比重(kgm2)如图所示，烟囱内部温度较周围气温高时，囱壁产生压力差，顶部为0，而下部的浮力Pt是因摩擦力而生的压力损失prf相减去压力差prs作用，prs为烟囱内的速度压与由形状抵抗产生压力损失的消耗。b图所示情况为烟囱项部封闭，底部打开时的情形。c图所示在12H处压力差为0(即中性带)。Prsl，Prs2为底部烟囱入口及顶部烟囱出口的损耗。如果顶部开口大于底部开口时，中性带在比12H高的位置；反之，则在比l2H低的位置。可见，高层建筑空间的竖向组织有利于内部空间的垂直通风。高层建筑将空间竖向“拔起”，形成内部上下贯通的中庭或者采用专用风道，并且有足够的高度，能够形成既有平面的穿堂风又有立体的垂直通风的效果，即是如上所述的“烟囱效应”。经实验表明高层建筑的浮力差有80为外壁作用，其余为内墙、电梯、管道井等缝隙而产生。通常底层出入口处约占压力差的40，这也会带来一定的副作用。比如18m2大小的门，超过15mmAq的压力差，则常人的力气报难推开。如果要减轻入口压力差，可以采用设置前厅、两重门、转门等手段。因此，采用“烟囱效应”进行自然通风的高层建筑，需要将底层进行开放式设计。通风的方式自然通风的最大益处首先应该是建筑内部空气质量环境的改善。除了在污染非常严重以至于室外空气不能达到健康要求的地点，应该尽可能地使用自然通风来给室内提供新鲜空气，有效地减少建筑综合征(SBS)的发生。自然通风的另一个益处是能够降低对空调系统的依赖，从而节约空调能耗。如果室外温度比室内温度低，那么用自然通风来降温是最好的。然而，室外环境并不总是满足自然通风的需要(例如在寒冷的冬季），因此除了某些特定地点的实验性建筑以外，要做到完全的自然通风几乎是不可能的。当代建筑中最常见的是混合使用各种手段，即充分利用自然通风的同时也配置机械通风和空调系统。混合通风大致有如下四种方式。“A机械通风只是在需要的时候才作为辅助手段使用。B根据建筑内各区的实际需要和实际条件，针对不同的区域采用不同的通风式。C自然通风和机械通风同时使用D自然通风和机械通风系统互相作为替换手段。例如在夜间使用自然通风来建筑降温，白天则使用机械通风来满足使用需要。高层风的避免设计通常，高层建筑会将上空高速风能引向地面：被高层建筑挡住的风会从“分歧点”，即在建筑迎风面60一70高度位置，产生上下、左右回旋的气流，这些气流相互碰撞，就会在建筑物两侧形成旋风和强风域。特别是当两幢以上的高层建筑组成高层建筑群时，建筑之间的影响还会交叉重叠，造成更多的风速增强概率。所以，在高层林立的地域，高层风会对周围的行人造成很大的威胁，有时甚至会将建筑物上面的东西挂落，造成人身、财产伤害。由于高层风和风速的变化井不只取决于高层建筑本身，而是同时受到周围建筑环境的影响，所以在设计之初，应预先制作建筑及周围大楼的模型，进行风洞实验或者利用计算机进行数据模拟实验，预测范围，考虑风的影响一般在建筑高度大致2倍的水平距离范围居多而发生风灾害的区域一般在建筑高度大致1/2倍的水平距离是需要重点考虑，最后再依据实验预测的数据来调整和优化设计方案。减弱强风不利影响的措施总结如下:1 减小建筑强风面的立面面积，从而减小强风范围。2 在建筑造型上尽量避免凹形平面，减少突出的角部和锐角从而有效减少剥离流等风速增加区。3 在建筑的下部设置底层裙房，挑檐，从而改善地的风环境。4 通过种植种植树木和设防风网等防护绿化，形成类似栅栏的形状，从而将强风化解成小的涡流减弱风速消耗风的能量。5 近年来还出现了采用通风、采光走廊，以及在超高层建筑上部或中间开设风穴的方法，引导气流走向，使之尽量不改变原有的微观气候条件，从而减少了高层风害的影响。6 值得注意的是。在布置多幢高层的场台，建筑之间的影响交叉重叠，会引起较多的强风。如果建筑间距窄，建筑之间的风速增强率大但风速增强范围小：反之t建筑问距大建筑之间的风速增强率小，但风速增强范围太5.高层建筑的立面节能设计窗户是建筑不可缺少的重要组成部分，使采光和通风大为改善，又可使住宅有一定的敞开面积，扩大视野，但同时也是建筑耗能的最大因素。由多层建筑的能耗分析可知，门窗散热约占建筑总散热的三分之一以上。窗户的节能主要从两方面着手：一是控制窗的面积，即控制窗墙或窗地的面积比，在满足基本采光和通风的前提下，应尽量缩小窗墙和窗地的面积比，如瑞典规定窗地比不超过15：二是从窗户的材料和构造上进行设计，把单层玻璃改成双层或多层玻璃，而中空玻璃在严寒地区是常用的提高窗户保温性能的办法。采暖型为主的高层建筑在立面设计中宜采用太阳能建筑设计概念, 设置一些“ 无源太阳能系统” , 来减少设备能耗, 改善室内热环境, 其中要注意太阳光的热应用和光环境的矛盾问题。目前发达国家在采光面设光热自控系统来调节得热和光环境舒适的关系, 采用“ 可控双壁体” 系列实例美国。化学公司大楼, 年建成, 建筑师设置双层玻璐外堵, 间隙, 内壁外装设由立面光感器控制的活动百页板来调整入射的阳光, 成为一个白天能捕捉光线, 吸收太阳热能, 晚间又能关闭百页。能量贮存起来, 达到节能的目的改善建筑外围护结构的保温性能是建筑设计上的主要节能措施，在严寒采暖地区尤为重要。近年来，我国各种保温材料的开发和应用发展较快，墙体改革的推广也取得了一定的成果。应进一步推广空心砖墙及其复合墙体技术，空心砖墙保温效果优于实心砖墙，而且可以减少制砖耗能并节约大量耕地；推广加气混凝土和混凝土轻质砌块，加气混凝土是轻质保温材料，用于框架结构的填充墙可以减轻建筑自重，有利于提高建筑的抗震能力。至于一些旧房改造，可采用墙面外保温的办法，以避免热桥现象。这样，蓄热量大的材料在内侧，室温波动小。房屋的主体材料温度变化小，使用寿命能得到延长。另外，可以在围护结构中放置相变材,g：I(PCMPhaseChangingMaterial)增强建筑物的蓄热能力，PCM材料白天吸收太阳热辐射变成液相，晚上则凝固向外放热，使围护结构同时具有显热和潜热蓄热能力，可以大幅度降低室内的供暖和空凋负荷。现在丰要的研究内容是，寻找分别适用于冬季与夏季的不同PCM材料，以及如何使它与建筑结构相结合。6.高层建筑的屋顶设计屋面绿化是描植物在至于建筑物的平屋顶上的一种简单的绿化形式，它在改善城市生态环境，增加城市绿化面积，改变局部小气候环境等方面功效显著。种植屋面对屋顶的植被及结构有一定的特殊要求。在屋顶植被方面，应选取易成活、易维护、维护费用低廉的植被；在结构方面，有效处理好屋顶防水至关重要。7.太阳能的利用太阳能利用技术A被动式太阳能采集技术被动式系统投资小，运行成本低，属于生态低技的范畴，这里做一般性介绍特朗伯墙(Trombe Walls)特朗伯墙是一种收集太阳热能的外墙系统，它利用热虹吸温差环流原理，使用自然的热空气或水来进行热量循环，从而降低供暖系统的负担。最古老的太阳热吸收外墙是利用厚厚的热惰性材料来维持室内的温度，如气候炎热的沙漠地带的建筑使用的土墙。而特朗伯墙吸收了这些传统的手法，同时具备了更加轻盈的形象和更高的热效率以及更主动地适应气候变化的能力。在天气较冷的时候，热惰性墙体可以利用它自身收集太阳辐射热量的能力为室内供暖。新鲜空气从外墙底部进入空腔中，被热惰性材料吸收的太阳辐射热加热后进入室内。使热空气在屋内循环传播。在炎热的气候条件下，特朗伯墙则通过使空气直接上升并排到室外来防止热量进入室内。这时候墙体从室内吸出空气，并从北面汲取较冷的空气进入室内，达到自然降温的效果。真空管热水器构造原理与热水瓶相似，由两层玻璃管构成，中间夹一层真空层，由此消除了对流散热。能方便直接地将太阳能转换成热能，直接为人使用。日光间这也是一种较为特殊的被动式太阳能采集方式，它实质上是一座覆盖着玻璃外墙，朝南的缓冲空间，通常需要两个元素：个封闭的透明空间以接纳阳光；一些具备高热惰性的材料(如砼、相变材料等)来存储热能。日光间的作用不只是接收太阳光照，很多情况下，它起到一种气候缓冲的作用a高技生态建筑中原型就是生态技术元素中的日光间的许多气候缓冲厅，其雏形即是日光间。水墙利用水的高比热容，积蓄太阳能。在温度上升的时候，吸收太阳的辐射能量，在夜间温度较低时