辦公建筑的生態(tài)節(jié)能設(shè)計

/辦公建筑的生態(tài)節(jié)能設(shè)計楊維菊，徐堯，吳薇(東南高校建筑學(xué)院，江蘇南京210096)摘要：依據(jù)辦公建筑的空間類型和能耗特點，分析幾種適用的被動式生態(tài)節(jié)能技術(shù)，并提出實現(xiàn)生態(tài)節(jié)能辦公建筑的幾個設(shè)計要點。關(guān)鍵詞：辦公建筑；生態(tài)；節(jié)能設(shè)計中圖分類號：TU201.5文獻標(biāo)記碼：B文章編號：1673-7237(2006)02-0027-05TheEcologyEnergySavingDesignofofficeBuildingYANGWei-ju，XUYao，WUWei(SchoolofArchitecture，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China)Abstract：Basedonthespacetypeoftheofficebuildinganditscharacteristicofenergyconsumption,severalapplicablepassivesolar-energy-utilizationtechniquesisanalyzed，andsomedesignpointsthatcouldbecarriedoutintheeconomizationofofficebuildingareputforward．Keywords：officebuilding；Economy；Energysavingdesign0引言近年來，建筑節(jié)能問題在我國不斷受到重視，這不僅是因為整個世界能源問題的日益突出，而且因為在我國經(jīng)濟高速發(fā)展的過程中，必需要處理好能源和環(huán)境之間的關(guān)系，這是堅持以人為本、全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)發(fā)展觀，建設(shè)節(jié)約型社會的重要方面。有關(guān)資料顯示，我國的建筑能耗超過全國總能耗的l／4，隨著我國國民經(jīng)濟和人民生活水平的提高，建筑耗能將接著增加，據(jù)有關(guān)資料顯示，中國現(xiàn)有建筑總面積達400多億m2，預(yù)料到2020年還將新增建筑面積約300億m2，這樣建筑能耗將達到全國總能耗的l／3以上，由此可見，建筑能耗對我國的能源消耗將帶來長期的影響。因此，加強建筑節(jié)能，是解決我國能源緊缺問題的基本措施之一，也是建筑界值得留意的問題。在我國，公共建筑數(shù)量較多，建設(shè)規(guī)模大，耗能問題特殊突出，有數(shù)據(jù)表明，大型公共建筑的節(jié)能潛力在30％以上。如今，為改善公共建筑室內(nèi)環(huán)境，提高室內(nèi)的舒適性，降低能源消耗，削減能源奢侈，2005年7月1日，國家頒布并執(zhí)行的《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，它是我國第一部被稱為“世紀(jì)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)”的公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這是一個歷史性的進步，從中也進一步地表明我國政府對公共建筑耗能問題的關(guān)注，同時也表明建筑節(jié)能已慢慢成為全社會的共識。辦公建筑是公共建筑中的一種較普遍的建筑類型，它的需求量大，由于其本身功能的困難性和設(shè)計的多樣性，使其空調(diào)能耗特殊高，遠大于住宅，因為辦公建筑對能源和環(huán)境的影響較大。由此可見，辦公建筑推行節(jié)能的力度和深度在很大程度上將干脆影響著我國建筑節(jié)能整體目標(biāo)的實現(xiàn)，我們也看到，對辦公建筑節(jié)能問題目前所進行的一系列探究性的探討更是具有戰(zhàn)略性的意義。1辦公建筑的空間組合設(shè)計及其能耗特點生態(tài)節(jié)能建筑的設(shè)計主要從整體環(huán)境規(guī)劃和單體建筑設(shè)計兩個方面綻開。在整體環(huán)境規(guī)劃中，強調(diào)的是建筑和環(huán)境的關(guān)系，解決建筑和地貌、水土、風(fēng)向、日照、植被和氣候的關(guān)系，在這里就不再贅述。在單體建筑設(shè)計中，由于不同的功能要求，形成多種的空間組合，同時也反映出不同的建筑體型影響建筑能耗得失的基本狀況，因此，空間類型設(shè)計不但是整個建筑設(shè)計的第一步，而且也是建筑節(jié)能設(shè)計的關(guān)鍵所在。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，為了使辦公建筑能適應(yīng)新的功能和室內(nèi)環(huán)境的需求，已不斷地應(yīng)用新的技術(shù)手段達到較為人性化的辦公空間組合，現(xiàn)代辦公樓的設(shè)計已朝著順應(yīng)功能多元化、大空間的靈敏劃分，合理支配交通流線，結(jié)合有關(guān)生態(tài)環(huán)境和審美等方面的要求，使建筑技術(shù)同藝術(shù)、材料完備結(jié)合，來進行新的空間組合設(shè)計。這里僅從辦公樓的能耗特性動身，分析我國現(xiàn)有辦公建筑空間組合的特點，做一些相對的比較，從中總結(jié)誕生態(tài)辦公建筑的設(shè)計思路和對策。1.1辦公建筑的空間組合類型1.1.1外廊式辦公樓多為早期建立的辦公樓和低層小型的辦公樓。建筑物一般為簡潔的板式造型，以開敞外廊或位于建筑物一側(cè)的封閉走道組織各個單元辦公室。該類建筑體形系數(shù)大，宜接受自然采光、通風(fēng)，一般不接受集中的空調(diào)和采暖設(shè)備，這樣易于實現(xiàn)設(shè)備的分區(qū)限制（圖la）。1.1.2內(nèi)廊式辦公樓這種形式的辦公建筑最為常見，大都以多層建筑或小高層形式出現(xiàn)，辦公空間形式既有單元式，也有在大空間中可自由分割的集中辦公室。該類建筑體形系數(shù)較大，多數(shù)接受自然采光和機械通風(fēng)。在設(shè)備運用上，大空間集中辦公常接受中心空調(diào)，單元辦公室常接受小型分體式空調(diào)形式(圖1b)。

1.1.3中間核心筒式辦公樓常見于規(guī)模較大的高層建筑，以中間核心筒作為管線集中設(shè)置的空間和交通樞紐，圍繞核心設(shè)置尺度較大的集中辦公空間，或在大空間中利用輕質(zhì)隔斷進行自由分割，建筑物內(nèi)一般有多種功能的組合。此類辦公樓體形系數(shù)相對較小，建筑物內(nèi)設(shè)備困難，多接受集中系統(tǒng)進行通風(fēng)、制冷或采暖。由于辦公空間進深較大，多是自然采光和人工照明相結(jié)合(圖1c）。1.1.4帶內(nèi)院空間的辦公樓多見于南方，此類辦公建筑可以說是對傳統(tǒng)院落式建筑的回來，形式可以多種多樣，甚至可以追求南方園林建筑的曲徑通幽。在建筑中引入庭院，不但創(chuàng)建了宜人的自然景觀，形成了趣味的空間，美化了辦公環(huán)境，同時利用院落空間，可以實現(xiàn)自然通風(fēng)，調(diào)整室內(nèi)熱環(huán)境，并為建筑內(nèi)部供應(yīng)足夠的光線。這種空間組合對于目前提倡的“健康建筑”、“節(jié)能建筑”來說，都是一種有利的空間布置形式(圖ld)。1.1.5以中庭為核心空間的辦公樓此類型的辦公樓是目前較為流行的辦公建筑組合類型(圖1e)。自從1967年約翰·波特曼第一次在海特攝政旅館中設(shè)計了波特曼大廳，中庭建筑就不斷地出現(xiàn)在各種公共建筑中，辦公建筑當(dāng)然也不例外。中庭給人們創(chuàng)建了一個擁有綠茵流水、沒有夏季酷暑和冬季寒冷的空間，但是，要創(chuàng)建真正的享有宜人的中庭空間的辦公樓，還須要建筑師和其他專業(yè)技術(shù)人員的共同努力，須要多工種的協(xié)作。通過已建辦公建筑的調(diào)研證明，中庭空間物理環(huán)境處理的好壞，是該類建筑成功和否的基礎(chǔ)(圖2)。

以上5種常見的空間類型有著不同的體型和組合，確定了各自不同的耗能方式和耗能程度。值得留意的是，在節(jié)能設(shè)計過程中，還應(yīng)考慮不同的地域特征和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，接受不同的策略，營造合理的辦公環(huán)境。如：以保溫為主的北方地區(qū)，辦公建筑接受緊湊的組合、規(guī)整的平面較為適宜，這樣建筑熱損失面積小，同時還要考慮日照足夠、通風(fēng)好?？筛纱喙?jié)約能源；但在夏季燥熱的南方，應(yīng)主要考慮自然通風(fēng)和建筑遮陽的問題。2留意辦公建筑的圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能辦公建筑是耗能較大的建筑，因而我們在建筑設(shè)計中應(yīng)最大限度地提高室內(nèi)環(huán)境的舒適性，盡可能地削減其能源的消耗。圖3是一般辦公建筑的能耗構(gòu)成，從圖中我們可以看出，空調(diào)的能耗幾乎占了總能耗的50％，而在空調(diào)采暖這部分能耗中，大約20％～50%是由外圍護結(jié)構(gòu)傳熱所消耗的，自不待言，圍護結(jié)構(gòu)的設(shè)計對于建筑在運行中的耗能是一個主要因素。建筑的圍護結(jié)構(gòu)由屋面、墻體（包括石材、金屬等非透亮的幕墻)和門窗(包括玻璃幕墻)構(gòu)成，設(shè)計時必需考慮通風(fēng)和日光的需求，并供應(yīng)適合于當(dāng)?shù)貧夂虻臒釢駩巯?。對于北方地區(qū)的辦公建筑而言，應(yīng)當(dāng)重點考慮圍護結(jié)構(gòu)的保溫性能；而在南方的燥熱地區(qū)，考慮重點應(yīng)放在圍護結(jié)構(gòu)的隔熱和窗戶遮陽的問題上。2.1提高外圍護墻體的保溫隔熱性能辦公建筑的外墻分為承重墻和非承重墻，在具體工程中，無論選用哪種外墻，依據(jù)建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)要求，墻體必需要做保溫順隔熱，一般可接受以下幾種方式：①選用導(dǎo)熱系數(shù)小、強度高的建筑材料，如各種新型的保溫磚塊、混凝土小型空心砌塊、加氣混凝土等作為圍護結(jié)構(gòu)的墻體材料；②優(yōu)化建筑表皮的構(gòu)造設(shè)計，即接受強度高的承重材料和導(dǎo)熱系數(shù)小的輕質(zhì)保溫材料進行復(fù)合。在辦公建筑設(shè)計中，我們常選用后一種保溫方法。目前這種復(fù)合保溫墻體是節(jié)能建筑中應(yīng)用普遍、技術(shù)成熟的圍護結(jié)構(gòu)做法，其構(gòu)造主要分為外保溫、內(nèi)保溫順夾心保溫3種。其中外保溫做法效果較好，是目前較常見的一種保溫構(gòu)造做法。外保溫構(gòu)造不僅冬季保溫性能好，還能防止冷(熱)橋的產(chǎn)生，而且夏季隔熱性能優(yōu)良，目前國內(nèi)常用的外保溫材料有聚苯顆粒保溫砂漿、聚苯板、擠塑板和硬質(zhì)聚氨酯板等。國外也有運用巖棉等高效外保溫材料(圖4)，但是要處理好防水問題。

2.2接受屋面綠化，創(chuàng)建舒適環(huán)境辦公建筑一般平屋頂?shù)男问捷^多，屋面常鋪設(shè)保溫板進行保溫處理。目前用得較多的是倒置式的保溫屋面，效果較好，但保溫材料最好選用防水性能好的擠塑型泡沫塑料板或者接受現(xiàn)場發(fā)泡的聚氨酯保溫屋面做法，以及其他的保溫材料做法。除此以外，在現(xiàn)代辦公建筑中做植被屋面已被越來越多地接受，因為屋面綠化不僅可以使屋頂具有更好的保溫隔熱性能，改善室內(nèi)熱環(huán)境，而且也為辦公樓的工作人員在頂層供應(yīng)了一個室外休閑的綠色花園，同時建筑立體綠化對美化城市也可起到了確定的作用。在這方面，國外已有較成熟的綠色屋面技術(shù)，適宜于不同條件、不同植物的生長狀況。例如在通常條件下，可種植一些易成活、成本低、無需管理但觀賞效果較好的植物，如草類苔蘚類植物；或種植觀賞效果好、需定期維護且對土壤厚度要求較高的植物，使其隨季節(jié)變更形成不同的景觀效果。構(gòu)造設(shè)計上，一方面要滿足植物生長的不同要求，解決蓄水和通風(fēng)問題；另一方面必需保證屋頂防水層不受植物根系的破壞。相比之下，國內(nèi)的屋面種植技術(shù)尚在起步階段，去年落成的清華高校環(huán)境能源樓(圖5)，可以說是當(dāng)前為數(shù)不多的成功案例之一。建筑在南向?qū)訉雍笸说钠脚_上設(shè)置了土層厚度約為180～250mm的綠色屋面系統(tǒng)，以提高屋頂夏季隔熱和冬季保溫性能。種植的植物以灌木和藤蔓類為主，利用藤蔓類植物的落葉性能調(diào)整夏季和冬季的日照(圖6)。

2.3接受高性能的節(jié)能窗和新型幕墻在辦公建筑圍護結(jié)構(gòu)中，窗的朝向和面積對空調(diào)降溫采暖能耗的影響很大。辦公建筑的窗墻比較大，熱損失是個較為突出的問題。為了獲得良好的景觀視野和滿足足夠的采光需求，增加立面視覺效果，經(jīng)常接受大面積開窗和成片的運用玻璃幕墻。這樣就使透亮的圍護結(jié)構(gòu)占據(jù)了整個外墻面的很大一部分，而這些透亮的窗戶也經(jīng)常是建筑的冷(熱)橋所在。測試表明：在辦公建筑中，外窗和幕墻占房間總耗熱的30％左右。近年來國外廣泛應(yīng)用的節(jié)能玻璃，除中空玻璃外，還運用Low-e膜玻璃，這種玻璃對可見光保持較高的透過率，而對紅外長波段透過率卻很小，幾乎為零。此外，由于鍍上Low-e膜的玻璃表面具有很低的長波輻射率，可以大大增加玻璃表面輻射換熱的熱阻，從而具有良好的保溫性能。在我國，隨著節(jié)能工作的深化開展，這種節(jié)能型玻璃已慢慢被人們所相識，現(xiàn)在各種高性能的節(jié)能玻璃窗層出不窮，如接受雙層中空LOW-e玻璃窗(圖7)、多層LOW-e玻璃窗等。

除此以外，提高大面積窗戶保溫隔熱性能的另一個重要環(huán)節(jié)就是提高窗框的保溫隔熱性能。窗框型材的不同，會使窗戶的性能特點有相當(dāng)大的差別。現(xiàn)在最常見的節(jié)能窗是塑鋼窗，塑鋼窗保溫隔熱性能較好，但也存在不耐燃燒和易老化的問題。在辦公建筑中另一種節(jié)能窗是經(jīng)斷熱處理后的鋁合金窗框，其保溫性能比材料斷熱前可提高30%～50%。目前我國已研發(fā)出多種斷熱鋁合金窗，它的特點同樣是隔熱、保溫性能好，并優(yōu)于一般的塑鋼窗框。今日在辦公樓建筑上，斷熱的鋁合金窗已應(yīng)用較多，但此窗照舊要留意密封和防曬的問題。為了使辦公建筑立面比較明快、挺立、美觀，玻璃幕墻是較為常見的一種建筑表達形式，但同時也是熱交換、熱傳導(dǎo)最活躍的部位。由于玻璃的保溫性能遠比不上保溫外墻體，其冬季熱損失將是外墻體的幾倍。有資料表明，一般單層玻璃幕墻所損失的熱量可占整個圍護結(jié)構(gòu)采暖能耗的40％左右，而在夏季，一般單層玻璃幕墻得熱過多造成室內(nèi)過熱也是增加空調(diào)能耗的主要因素。雖然通過改善玻璃性能可以緩解冬季的熱損失，但仍不能解決夏季得熱過多的沖突。因此，幕墻的節(jié)能設(shè)計也是辦公建筑節(jié)能設(shè)計中的一個重要內(nèi)容?，F(xiàn)在，很多辦公建筑幕墻的保溫隔熱處理是通過接受雙層通風(fēng)幕墻或在幕墻外安裝遮陽設(shè)施來解決的(圖8)。再如北京中青旅大廈的立面接受雙層皮的處理，達到隔熱保溫的效果，而且建筑看上去特殊的光亮和現(xiàn)代。雙層通風(fēng)幕墻由內(nèi)、外兩道幕墻組成，內(nèi)外幕墻之間形成一個相對封閉的通風(fēng)換氣層，它不僅能有效的阻擋猛烈日照，并保證室內(nèi)采光，還可在兩層幕墻中間形成空氣通風(fēng)層，將熱空氣排出中間夾層，從而大大削減夏季空調(diào)系統(tǒng)能量消耗。

另外，依據(jù)空氣層通風(fēng)組織形式的不同，可分為“封閉式內(nèi)通風(fēng)幕墻”和“開敞式外通風(fēng)幕墻”兩種(圖9)。封閉式內(nèi)通風(fēng)幕墻從室內(nèi)的下部吸入空氣，在熱通道內(nèi)上升至上部排風(fēng)口，從吊頂內(nèi)的風(fēng)管排出，這一循環(huán)在室內(nèi)進行，外幕墻接受全封閉構(gòu)造。開敞式外通風(fēng)幕墻外層是單層玻璃和非斷熱型材組成的玻璃幕墻，內(nèi)層是由中空玻璃和斷熱型材組成的幕墻，內(nèi)外幕墻形成的通風(fēng)換氣層的兩端裝有進風(fēng)和排風(fēng)裝置，通道內(nèi)也可設(shè)置百葉等遮陽裝置(圖10)。從兩個系統(tǒng)比較來看，“開敞式”幕墻系統(tǒng)不僅具有“封閉式”幕墻系統(tǒng)在遮陽、隔聲等方面的優(yōu)點，而且在節(jié)能舒適性方面更為突出，并且使高層建筑上段的自然通風(fēng)成為可能。據(jù)統(tǒng)計，雙層通風(fēng)幕墻和一般單層幕墻相比，在采暖季節(jié)約能源42%～52％，在制冷季節(jié)約能源38%～60%，成為解決辦公建筑節(jié)能的一個新方向。但是，由于雙層通風(fēng)幕墻具有雙層結(jié)構(gòu)，技術(shù)含量高，一次性投資較單層幕墻高，此外雙層通風(fēng)幕墻的有效建筑面積比單層幕墻要損失2.5％～3.5％，這也是影響它被普遍運用的因素之一。

3合理的遮陽系統(tǒng)為了改善現(xiàn)代化辦公建筑的室內(nèi)熱環(huán)境，接受遮陽技術(shù)無疑是一項重要的技術(shù)手段，它不但可以防止眩光，還可以在夏季阻擋直射光透過玻璃進入室內(nèi)，防止陽光過分照射造成圍護結(jié)構(gòu)溫度過高；在冬季又能允許陽光進入室內(nèi)，提升溫度，削減空調(diào)的能量消耗。內(nèi)遮陽和外遮陽是兩種比較常見的遮陽方式，但是在隔熱性能上兩種遮陽方式存在著很大的差異。在接受相同遮陽百葉的狀況下，對于外遮陽來說，由于遮陽百葉在窗戶外側(cè)，主要的太陽輻射熱被擋在了室外；而內(nèi)遮陽由于遮陽百葉在窗戶內(nèi)側(cè)，大部分的太陽輻射熱已經(jīng)進入室內(nèi)，盡管有一部分經(jīng)遮陽百葉反射到室外，但還有很大一部分透過遮陽系統(tǒng)進入室內(nèi)。由此可見，在隔熱性能方面，外遮陽具有特殊明顯的優(yōu)勢。外遮陽分為固定式和活動式兩種，其中活動式外遮陽具有較好的遮陽效果，遮陽角度也可依據(jù)運用的須要進行調(diào)整。但由于遮陽構(gòu)件常年暴露在外界環(huán)境中，要求必需具備較高的強度和剛度，對活動構(gòu)件的性能要求也較高。隨著科技的發(fā)展，更加堅實、簡易又好用的外遮陽產(chǎn)品將會不斷出現(xiàn)。在我國現(xiàn)階段的條件下，中空玻璃和斷熱型材組成的單層幕墻和活動式外遮陽系統(tǒng)相結(jié)合的透亮圍護結(jié)構(gòu)是值得推廣的一種方式。外遮陽系統(tǒng)作為一種靈敏的立面元素，和幕墻系統(tǒng)相結(jié)合，形成具有動感的建筑形象，從而使辦公建筑的造型更具現(xiàn)代化和人性化。4充分利用自然采光和自然通風(fēng)生態(tài)辦公建筑設(shè)計除了初期的的空間組合設(shè)計和建筑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計外，利用自然采光和自然通風(fēng)也是確定能否真正實現(xiàn)舒適的室內(nèi)環(huán)境，削減能量消耗的關(guān)鍵之一。辦公建筑由于進深和各層面積較大，因此，在很大程度上依靠機械通風(fēng)和人工照明，這種過分依靠機械、電氣設(shè)備的工作空間看似帶來了恒定的氣溫、較好的工作環(huán)境，實際是在損害人們的身體健康。在生態(tài)節(jié)能理念越來越受到重視的今日，如何最大限度地利用自然采光和自然通風(fēng)也慢慢受到人們的關(guān)注和重視。在辦公建筑中，窗戶是陽光進入室內(nèi)的通道，在現(xiàn)代化大進深的集中型辦公室里，人們選擇辦公桌的位置時，寵愛靠近窗戶，就是希望獲得陽光和簇新的空氣。然而，側(cè)窗采光由于光線不足，很難滿足大進深辦公建筑的要求。為了解決這個問題，可以通過用幫助的光反射系統(tǒng)來補充，或是利用中庭采光。利用幫助反射系統(tǒng)的一個典型案例是由日建設(shè)計事務(wù)所設(shè)計的東京煤氣公司NT大樓(圖11)，該建筑設(shè)有一個被設(shè)計者稱為“生物核”的共享大廳，共享大廳位于建筑北側(cè)，細心設(shè)計的玻璃“呼吸外壁”能充分利用自然采光、導(dǎo)入自然通風(fēng)，并且能最大限度地降低環(huán)境的不利影響。為了充分利用南北自然采光，將南側(cè)辦公部分的每層吊頂均設(shè)計成折線狀，可以反射陽光至室內(nèi)天花，形成勻整的室內(nèi)漫反射光效果，并削減人工照明的能耗。平常，即使是在陰天，室外照度為15000lx時，中心辦公桌面自然采光照度照舊能達到300lx。

中庭空間在現(xiàn)在的辦公建筑中出現(xiàn)得越來越多，這種空間的價值不僅在于增加了建筑的層次性、趣味性，同時也增加了室內(nèi)綠化、改善了空氣質(zhì)量，更重要的是，它在節(jié)能方面具有重要的意義。一方面中庭空間可以引入自然采光，另一方面，只要在中庭頂部設(shè)置可開啟的玻璃窗，就可以利用熱壓進行自然通風(fēng)。此外，建筑中還可利用風(fēng)壓、風(fēng)壓和熱壓結(jié)合的形式保證自然通風(fēng)的實現(xiàn)。一般來說，對于進深較小的空間可以利用風(fēng)壓干脆通風(fēng)，而對進深較大的空間則可利用熱壓和煙囪效應(yīng)來進行自然通風(fēng)。5結(jié)論如上所述，對于辦公建筑中的生態(tài)節(jié)能設(shè)計，可以在設(shè)計初期接受合理的空間組合，并通過增加外圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔