基于生態(tài)設(shè)計(jì)的高層辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)研究

基于生態(tài)設(shè)計(jì)的高層辦公樓節(jié)能設(shè)計(jì)研究

許多節(jié)能技術(shù)系統(tǒng)的建筑工人應(yīng)該在項(xiàng)目階段考慮到這一點(diǎn)。通過對建筑自身特點(diǎn)的詳細(xì)分析，計(jì)算機(jī)軟件對室內(nèi)熱環(huán)境的模型計(jì)算進(jìn)行分析，首先提出初步節(jié)能技術(shù)方案，該方案為下一步的建筑、結(jié)構(gòu)、供暖等專業(yè)設(shè)計(jì)提供科學(xué)準(zhǔn)確的依據(jù)。本文以北海一高層辦公樓方案設(shè)計(jì)過程為例,運(yùn)用英國SquareOne公司開發(fā)的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)軟件Ecotect生態(tài)建筑大師為研究工具,從區(qū)域氣候入手,通過分析遮陽、外窗、墻體及通風(fēng)措施來展開建筑方案設(shè)計(jì)過程,利用軟件精確的定量分析對設(shè)計(jì)統(tǒng)籌優(yōu)化,幫助設(shè)計(jì)師了解在方案階段的決策所帶來的能耗結(jié)果,為建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。一、商住樓基地概況該辦公樓設(shè)計(jì)方案位于北海市主要交通干道北京路中段,北臨新規(guī)劃路西段,南臨多層居住小區(qū),東臨多層商住樓,西臨高層住宅小區(qū)。基地地勢平坦、交通便利,是一個以辦公為主的開發(fā)項(xiàng)目。辦公樓方案共25層,總建筑面積14486.2m2。由于場地及當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門規(guī)定的建筑主立面必須面臨街道,導(dǎo)致了該辦公樓的主立面是東西朝向,這對該建筑的節(jié)能帶來一定問題。二、被動式建筑的景觀設(shè)計(jì)時(shí)期北海地處廣西南端,北部灣東北岸,位于東經(jīng)108°、北緯21°之間。北海三面環(huán)海,處于大西南、海南及東南亞的中樞位置,屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。由于北海市目前還沒有氣象站,所以采用經(jīng)緯度和氣候特征跟北海市比較接近的欽州市氣象站的典型氣候年逐時(shí)氣候數(shù)據(jù),作為Ecotect建筑模擬分析氣候數(shù)據(jù)庫對北海的氣候情況進(jìn)行分析。北海年平均氣溫為22.4℃,最高氣溫28.3℃,最低氣溫14.6℃。冬季平均氣溫15℃,夏季平均28.1℃,相對濕度高值出現(xiàn)在夏季7~8月份,相對濕度超過70%?？傮w來說,北海氣候冬季溫暖,夏季較熱且時(shí)期長,熱、濕指數(shù)高,受亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候的影響,主導(dǎo)氣候?yàn)檠谉帷駶櫄夂?。因?在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí),需要注意夏季溫度和濕度都較高的炎熱期設(shè)計(jì)。利用Ecotect氣候分析工具,可直觀地反映出各種被動式設(shè)施對提高人體舒適度的效果,且能夠根據(jù)舒適區(qū)范圍做出各種被動式設(shè)計(jì)的策略。其中被動設(shè)施包括:被動太陽能、改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性與夜間自然通風(fēng)相結(jié)合、自然通風(fēng)、直接蒸發(fā)降溫與間接蒸發(fā)降溫。圖1是被動式設(shè)施使用前后的人體舒適度百分比圖,黑色區(qū)域代表未使用被動設(shè)施,灰色區(qū)域代表使用被動設(shè)施,3~5月和9~11月的效果最明顯,6~8月效果一般。因?yàn)楸焙Ｊ軄啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候的影響,夏季氣候炎熱、濕潤,而高溫高濕的風(fēng)對降溫存在一定的不利因素。因此,設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是夏季的遮陽和防輻射措施,并兼顧適當(dāng)?shù)囊归g通風(fēng)和提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的蓄熱性,從而達(dá)到節(jié)能效果。由此得出設(shè)計(jì)策略:被動式遮陽設(shè)計(jì)+自然通風(fēng)+圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱。三、企業(yè)實(shí)際嘴唇模型分析首先建立了整個場地分析模型(圖2),研究辦公樓對西邊高層住宅的遮擋影響及其周邊場地太陽輻射情況。遮擋分析選取高層住宅日照最不利的墻面——東部墻面進(jìn)行遮擋模擬分析。利用Ecotect中的“遮擋及日照時(shí)間”分析模塊,可以比較精確地計(jì)算墻面的累計(jì)日照時(shí)數(shù),其中模型分析的日期定為大寒日(1月20日)。圖3是場地遮擋及日照時(shí)數(shù)分析結(jié)果,結(jié)果表明,被分析墻面的一層窗戶最低日照時(shí)數(shù)是3.5小時(shí),雖然日照時(shí)數(shù)比未建辦公樓前要低,但已經(jīng)滿足了國家規(guī)范對日照時(shí)數(shù)的要求,所以辦公樓的體塊設(shè)計(jì)是可行的。通過場地累計(jì)日平均輻射分析(圖3),可以確定場地太陽輻射的分布情況。對累計(jì)日平均輻射較大的地方應(yīng)該種植常綠大喬木,這樣做四季都可以提供陰涼的場地,而在累計(jì)日平均輻射較小的地方,應(yīng)該種植落葉喬木,這樣做既可以在夏季提供陰涼的場地,秋季落葉后,就能保證冬季享受陽光的照射。四、案例分析(一)綜合遮陽板及綜合約束制作分析根據(jù)氣候分析,該地區(qū)夏季過熱時(shí)期長,需要注意夏季溫度和濕度都較高的炎熱期設(shè)計(jì)。而遮陽不但能遮擋陽光,減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽輻射量降低室內(nèi)溫度,還能起到調(diào)節(jié)天然光分布、避免產(chǎn)生視覺眩光、改善室內(nèi)環(huán)境的微氣候,提高人體舒適度,所以把方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)放在被動式遮陽措施上。圖4是根據(jù)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和甲方意見初定的標(biāo)準(zhǔn)層平面。Ecotect的優(yōu)化遮陽設(shè)計(jì)模塊能根據(jù)指定的日期自動生成遮陽形式,為遮陽設(shè)計(jì)提供很好的參考。圖5是Ecotect自動生成的水平遮陽形式,但模型顯示的結(jié)果表明,水平遮陽板要挑出2.6m,遮陽形式并不完全符合造型和經(jīng)濟(jì)要求。根據(jù)窗口遮陽構(gòu)件形式及遮擋陽光的特點(diǎn),當(dāng)太陽高度角變化時(shí),水平遮陽會隨著太陽高度角的降低,對陽光的遮擋效果會減弱,而垂直遮陽可以克服這個缺陷,同時(shí)還有利于引導(dǎo)夜間室內(nèi)通風(fēng)。以此為依據(jù),并對遮陽效果作比較分析,對遮陽形式做調(diào)整,設(shè)計(jì)了水平和綜合遮陽兩種形式。設(shè)計(jì)需要解決的主要問題是東西朝向防輻射措施,所以選取東西朝向典型窗進(jìn)行分析(外窗均采用鋁合金框單層玻璃,輻射率=0.8)。圖6和圖7是水平遮陽和綜合遮陽日均太陽輻射量分析圖。結(jié)果表明,水平遮陽東向、西向窗戶日均太陽輻射分別是850.79wh、1188.03w,而綜合遮陽東向、西向窗戶日均太陽輻射分別是585.53wh、465.21wh。從分析得出,綜合遮陽對防止夏季太陽輻射進(jìn)入室內(nèi),提高人體舒適度更為有效。采用防輻射設(shè)施的同時(shí),也要注意室內(nèi)自然采光的需求,因?yàn)檎陉栐O(shè)施必然會降低室內(nèi)的采光系數(shù),所以應(yīng)在保證室內(nèi)采光系數(shù)的條件下合理設(shè)計(jì)遮陽,減少采光能耗。根據(jù)《建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,辦公建筑室內(nèi)采光系數(shù)最低值是2%,室內(nèi)天然光臨界照度是100lx。對水平遮陽和綜合遮陽進(jìn)行“采光系數(shù)”分析,圖8和圖9是外窗均采用鋁合金框單層玻璃的采光系數(shù)分析結(jié)果,水平遮陽室內(nèi)平均采光系數(shù)是10.26%,平均照度是512.92lx,而綜合遮陽室內(nèi)平均采光系數(shù)是9.32%,平均照度是412.92lx,計(jì)算結(jié)果表明,綜合遮陽采光系數(shù)和照度雖然低于水平遮陽,但都能很好地滿足辦公樓的采光要求。以上分析表明,辦公樓東西朝向立面采用綜合遮陽策略是十分合理可行的。(二)采光系數(shù)分析玻璃外窗傳熱系數(shù)及其太陽輻射透過率,是影響室內(nèi)舒適度和空調(diào)能耗的主要因素。如果采用新型雙層低輻射玻璃可減少太陽輻射,降低能耗,還有遮陽功能。對綜合遮陽方案的不同窗戶材料比較分析,以鋁合金框單層玻璃(輻射率=0.8)與鋁合金框低輻射中空玻璃(輻射率=0.1)為例,對比前后能耗情況,并分析采光系數(shù),其中墻體材料兩者都是相同的。圖10是普通玻璃與中空玻璃能耗對比,結(jié)果表明,外窗材料的選擇對建筑能耗影響是很大的,夏季節(jié)能率達(dá)到15%?？梢?采用低輻射中空玻璃對防止室內(nèi)過熱阻擋多余的太陽輻射,降低能耗更為有效。圖11是低輻射鋁合金框中空雙玻窗采光系數(shù)分析結(jié)果,低輻射鍍膜中空玻璃的室內(nèi)平均采光系數(shù)是10.45%,平均照度是560.55lx,而之前的鋁合金框單層玻璃的室內(nèi)平均采光系數(shù)是9.32%,平均照度是412.92lx?？梢?低輻射鍍膜中空玻璃室內(nèi)的采光系數(shù)和照度高于單層玻璃的建筑采光系數(shù)和平均照度,因此,選用鋁合金框低輻射中空玻璃窗更利于節(jié)能和采光,并豐富了建筑立面的光影效果。(三)外墻保溫性能該方案外墻在建筑表面積中所占的比例較大,外墻的導(dǎo)熱性能對建筑節(jié)能具有重要意義。筆者對采用鋁合金框低輻射中空玻璃窗的綜合遮陽方案不同的墻體進(jìn)行了對比分析,以200mm厚黏土空心磚外墻能耗與200mm厚黏土磚墻外表面加一層20mm厚XPS板(傳熱系數(shù)K=0.87)外墻能耗為例。在模擬分析中可發(fā)現(xiàn),在夏季,保溫墻體的節(jié)能率只有3%,冬季的節(jié)能率雖然達(dá)到25%(圖12),但是在北海這樣的夏熱冬暖地區(qū),冬季采暖的能耗很低,所節(jié)省的能源總量較少。所以在本方案中,外墻的保溫性能相對顯得不是那么重要了。因此不必在外墻保溫上投入大量資金,以常見的一些外圍護(hù)結(jié)構(gòu),如空心磚、混凝土砌塊等,做成自保溫體系就能夠滿足其節(jié)能要求。另外,在考慮外墻熱工性能的同時(shí),也要注意自然通風(fēng)對外墻的影響,自然通風(fēng)可在不消耗常規(guī)能源情況下降低外墻溫度與室內(nèi)溫度,改善室內(nèi)熱環(huán)境,可提供新鮮自然空氣,帶走潮濕污濁的空氣,有利于人體生理健康,設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠重視。具體自然通風(fēng)措施有以下幾條。(1)提高通風(fēng)質(zhì)量北海夏季主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北(南)風(fēng),應(yīng)加高西向的窗臺高度,使出風(fēng)口高度大于進(jìn)風(fēng)口高度,室內(nèi)氣流呈上升趨勢,其上升力與通風(fēng)走向相同,將有效強(qiáng)化通風(fēng)質(zhì)量。(2)建筑平面圖的通風(fēng)調(diào)整結(jié)合樓梯間和走廊設(shè)置通風(fēng)豎井,調(diào)節(jié)樓層間的熱壓通風(fēng)。(3)建筑生態(tài)節(jié)能概念的模擬分析東立面設(shè)置活動豎向百葉做導(dǎo)風(fēng)板,隨風(fēng)向和太陽高度角變化來調(diào)整豎向百葉的角度,加大進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量,降低外墻和室內(nèi)溫度。通過氣候分析得出設(shè)計(jì)策略;通過場地輻射分析、遮陽分析、外窗分析、自然通風(fēng)等措施反復(fù)模擬分析比較,逐步生成方案。這樣,建筑生態(tài)節(jié)能概念在方案階段就成為設(shè)計(jì)過程的真正組成部分。圖13和圖14是方案設(shè)計(jì)最終的外觀效果,計(jì)算分析生成的遮陽設(shè)施也成為建筑造型的一個重要表現(xiàn)方面,建筑的技術(shù)和藝術(shù)從而得到和諧統(tǒng)一。五、中國建筑節(jié)能發(fā)展的所需設(shè)施生態(tài)建筑以及建筑的可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今社會關(guān)注的焦點(diǎn)。探索節(jié)能建筑設(shè)計(jì)分析方法和設(shè)計(jì)策略刻不容緩,不論是從提高建筑的舒適性標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)約建筑能耗,還是從探索和強(qiáng)化建筑的地域性特征,其意義都是非常重要的。而利用Ecotect的各種計(jì)算模擬,可以使建筑師在方案階段就能對各種節(jié)能設(shè)施有充分地理解和考慮,這對保障生態(tài)建筑設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性,對中國建筑節(jié)能的發(fā)展有很好的促進(jìn)作用。梁智堯,嚴(yán)鈞.Ecotect生態(tài)建筑技術(shù)在建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用實(shí)例[J].建筑設(shè)計(jì)與技術(shù),2008(7):36-41.嚴(yán)鈞,梁智堯,趙能.傳統(tǒng)聚落人居環(huán)境研究:基于現(xiàn)代建筑技術(shù)方法[J].建筑技術(shù)與設(shè)計(jì),2007(12):118-