高层建筑中的节能设计

【摘 要】高层建筑的与日俱增意味着高能耗建筑越来越多.本文分别从规划设计层面、建筑单体设计层面以及新能源利用等方面阐述了节能设计对高层建筑设计的影响,并探讨了节能条件下高层建筑设计理念的新趋势,提出存在的问题及今后发展方向.

【关 键 词】高层建筑节能；节能设计；太阳辐射；围护结构

1引言

在大规模的城市化进程中当中,高层建筑可节约大量的土地,在有限的地面空间之中争取到更多的使用面积,并且有利于节约市政设施,提高效率,同时因为高层建筑造型挺拔,精心设计后还可丰富城市的景观和城市天际轮廓线,成为城市中的标志性建筑,因此,在当今世界,高层建筑仍是城市中心建筑的首选.

然而统计表明,高层建筑消耗的能源相当巨大,高达普通建筑的6～8倍.现代化的设计一般采用玻璃幕墙和空调设备,这就使得高层建筑的能源开支更加昂贵.我国高层建筑有长达70年的历史,她是城市设计、规划的重要组成部分,而高层建筑节能设计更是一项十分复杂的工作,建筑节能不仅是建筑本身的节能,而是由城市的综合环境气候条件,总体布局,建筑物的体型变化、朝向、护结构的保温隔热的性能、门窗玻璃的选择等许多综合性因素组成,因此,高层建筑的节能设计应为设计者所重视.

2从规划层面看高层建筑位置、朝向与环境的节能设计.

在规划设计阶段高层建筑设计就要引起重视,充分考虑建筑朝向,日照间距,空间形态,以及建筑与周边环境的关系.高层建筑的定位首先应考虑对城市环境的影响,容积率过高很难满足日照的要求.阳光有着巨大的辐射能量,据有关资料分析,地球每年接受的能量有60亿亿千瓦,阳光不仅对人的身体健康有着很大的影响,对建筑的节能也有着十分重要的意义.

首先,建筑的朝向应迎合当地夏季的主导风向,有利于自然通风.在夏季,南北朝向的建筑受到太阳的辐射比东西向的少很多,可节省空调能量的消耗；在冬季时,情况与夏季相反,从而节约了建筑保温所需的能耗,如在北纬40度～50度地区,冬天建筑的朝向所得到能量几乎比夏季多两倍.而在夏天,东西向所得到的能量比南向的多2.5倍.

其次,高层建筑及其组合群体应结合周边环境,将现有建筑和拟建建筑作为一个整体考虑,实现群体内自然通风,优化节能设计.高层建筑群的入风口和出风口应结合主导风向合理设置,使空气流通；把夏季的主导风向作为建筑的主要朝向,按照南小北大的原则排列建筑,使其在夏季能迎合南向季风,引导空气穿越,冬季又能阻挡寒冷北风侵袭,适应气候的变化,从而减少了建筑的能源消耗.

3从建筑单体看高层建筑形体及围护结构节能的设计.

建筑的形体变化是建筑外露面积大小的主要控制因素,体系系数越大耗能越多,并且建筑的形体转折变化不宜过多,复杂.

建筑的围护结构主要包括屋面、外墙和外窗三个部分：

3.1屋面：屋面的保温隔热与防水是其主要功能,常规的屋面保温材料与防水材料存在性能单一问题.屋顶最好采用高效保温隔热屋面,其传热系数,热惰性指标应满足标准规定,有条件的可以种植屋顶绿化,不仅降低夏季太阳辐射,还能调节小气候的环境.

3.2外墙：高层建筑的围护结构不同与砖石结构房屋,其结构多为钢筋混凝土框架或剪力墙结构承重,围护结构属于填充材料,为了减轻荷载,达到保温隔热要求,采用轻质高效保温材料,常用的有：粘土空心砖与实心砖复合墙体、粘土实心砖与空心砖岩棉夹心复合墙体等.围护墙体的外保温材料应选用与建筑整体寿命同步的材料.然而对于轻质外保温复合墙体,笔者认为存在以下不足之处：抗震能力差,易松散,与结构构件结合不好,整体性差；不能承受外部装修荷载,如：贴石材,安装装饰构件等；不能承受有震动的凿刨的装修,如：剁斧石面层,预留洞,槽易出现冷桥,墙体表面易出现裂纹.除此之外,复合墙体由于框架梁拉、剪力墙的嵌入,墙体内容易造成冷桥.据测定,高层建筑所出现的冷桥约占整个热损失的5%～13%,因此应引起设计者重视.

3.3外窗：玻璃幕墙以其轻巧美观,外观简洁,通透明亮,富裕时代感等优点备受设计师的青睐,使玻璃幕墙在高层建筑中得到广泛的应用,几乎成了世界各个城市高层建筑外立面的普遍选择.用玻璃幕墙做建筑围护结构,大大减少了高能耗的钢筋,混凝土及砖砌体的使用量,这对于节能环保具有现实的意义.然而,在建筑的三大维护结构中门窗及玻璃幕墙的热工性能最差,是影响室内热环境质量和建筑能耗的最主要因素之一,窗和玻璃幕墙的能耗约为墙体的3倍,屋面的4倍,约占建筑围护总能耗的40%～50%,因此,控制窗墙比,提高窗户的保温隔热性能,是提高建筑护节能指标的有效途径.一方面,在保证居室采光通风条件的前提下,控制窗墙比,减少外墙传递的热量；另一方面,推广应用新型节能门窗,满足节能和使用要求.南方地区还应采用适应的外遮阳措施,结合外立面的造型,形成整体有效的外遮阳系统.

4影响高层建筑节能设计的其他方面

4.1太阳能的利用：在太阳能比较丰富的地区,建筑应该用太阳能,如果此建筑用热水的量比较大,就在其屋顶设置足够其使用的太阳能热水器,也在相邻用热水量不大的建筑屋顶设置太阳能热水器,以补充用量大的建筑.对于高层建筑,立面通常面积要比屋顶面积大许多,在这种情况下我们应该从设计之初就把向阳立面的设计融入节能的理念,做出有特色的节能墙体.

4.2水能的利用：我国的人均水资源仅及世界人均水平的1/4强,属于贫水国家之列.因此我国在高层建筑设计中必须考虑如何充分利用好水,这样可以节约大量的淡水资源.比如对雨水的利用.在建筑设计中我们还要考虑中水系统,可以用中水冲厕所、清洗.这样可以减缓我国淡水资源极其缺乏的到来的时间.

5高层建筑设计理念在节能条件下的新趋势

近30年来,从能源危机向环境危机的渐进转化过程中,人类对建筑节能概念的认识大体上经历了三个阶段:1)“建筑节能”―节省能耗,减少能量的输入.2)“在建筑中保持能源”―保持建筑中的能量,减少建筑的热工损失.3)“提高建筑中的能源利用效率”―不再是消极被动的节省能源,而是积极的提高能源效率,高效的满足舒适要求.这三个阶段可以在现在正在建造的建筑和已建的建筑节能改造上反映.

纽约地标性建筑帝国大厦拟斥资5亿美元进行翻新,其中1亿美元用于绿色改造.据了解,此次帝国大厦实施的绿色环保工程自始至终突出可持续特色.1)将改装6500扇窗户,安装三层隔热玻璃,以提高能效.2)安装的新式空调和取暖系统,可根据需求调节室温.3)在散热器与外墙之间铺设隔振垫,以防止冷暖气流失.4)改用节能照明设备并配备移动传感器,走廊和公共区域无人时灯光会自动关闭.5)更新现有大楼控制系统,监测所有系统的能源使用和需求状况,确保空调系统运行最优化,并提供详细的分摊计量数据.6)能源消费实行网络化管理,租户可通过网络跟踪能源使用情况,及时采取措施提高能效等.

6结语

建筑节能对国家来说是缓解能源紧缺的大事,是一项系统的庞大工程,涉及范围广泛.如何加大高层建筑节能已成为当务之急,我们要大力推广节能建筑这项造福子孙后代的事业.