辦公建筑節能設計淺析

李登山

我國人口眾多,建設量巨大,建筑能耗在社會總能耗中占有相當大的比重。目前,我國建筑能耗已接近社會總能耗的1/3。而辦公建筑是公共建筑中建設量最大的,并且其在一定程度上能夠表征其他類型公共建筑的特點,因此對于辦公建筑節能設計的相關問題研究顯得意義重大。

1 能源消耗的影響因素

1)舒適度要求的提高。隨著社會的發展,人們對辦公環境舒適度的要求越來越高,這必然會增加辦公建筑的能源消耗。隨著社會的不斷發展,人們對辦公環境的要求在不斷上升,相應的能耗也在增加。2)節能方法的單一。在目前的節能設計中,往往只注重圍護結構的節能,而缺乏整體的節能構思。現代建筑尤其是辦公建筑,影響其能耗的因素主要有三個方面:建筑設計、服務設計、人員活動。圍護結構只是建筑設計中的一部分,其中建筑的選址、體形系數、平面功能、自然通風和采光等對建筑能耗有較大的影響,另外,設備性能和人員活動對建筑的能耗也有很大影響。現在的節能方法往往容易忽略對這些因素的綜合考慮。3)節能的片面性。建筑的能耗在狹義上是指在建筑物建成以后,在使用過程中每年消耗能源的總和,主要包括在采暖、空調、通風、照明、電器、熱水供應等方面所消耗的能源,即建筑的使用能耗;在廣義上是指包括建筑材料、構配件、設備的生產和運輸,以及建筑建造、使用和拆除四個環節中能耗的總和。在建筑材料、零部件和體系生產中消耗的能源,稱為“潛在能源”;在建筑材料和零配件的裝配和運輸到建筑地點的過程中消耗的能源,稱為“灰色能源”;在建筑物的建造過程中消耗的能源,稱為“導出能源”;在建筑物的運轉與其使用者的設施與裝修中消耗的能源,稱為“運行能源”;建筑物在其維修、改建與最終的解體過程中也會消耗能源。

2 辦公建筑節能的總體規劃

總體規劃是建筑節能設計的一個重要方面,它決定了建筑與周邊環境的關系。大自然為我們提供了陽光、水、風、土地等豐富的自然資源,能否有效利用這些自然資源,從而減少對傳統能源的消耗,在很大程度上取決于建筑的總體規劃設計。其設計原則是使建筑冬季能夠獲得足夠的日照并避開主導風向,夏季能利用自然通風并防止太陽輻射。

1)基地的選址。基地的選擇需考慮其方位、風速、風向、地表結構、植被、土壤、水體等因素的綜合影響。當然,在城市中扮演重要角色的辦公建筑在基地選擇時,要服從整個城市規劃的宏觀控制。這就有可能使建筑基地周圍環境不太理想。但是,為了減少建筑在建造和使用過程中的資源消耗,我們仍需計算資源利用的程度和對現有自然系統干擾的程度。好的規劃設計應盡量減小對現有自然系統的干擾。并且,在基地選擇時,應盡量利用現有的公共設施管網。在與市政設施聯系時,應盡量減少與電力、給排水、燃氣管線等市政設施的連接長度。2)充分利用太陽能。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的可再生資源,它為我們提供光和熱量。人類生存、身心健康、營養、工作效率均與太陽有著密切的聯系。據有關研究顯示,在辦公建筑中,利用太陽光進行自然采光,人的工作效率比利用人工照明時要高很多。另外,在寒冷和嚴寒地區,人們需要獲得更多的太陽能。入射到玻璃上的太陽輻射,直接供給室內一部分熱量;入射到墻或屋頂上的太陽輻射,使圍護結構溫度升高,減少了房間的熱損失。同時,圍護結構在白天儲存的太陽輻射熱,到夜間可以減緩溫度的下降。對于太陽能資源較為豐富的地區,還可以采用主動式利用太陽能的方式,以減少對常規能源的利用。因此,太陽輻射對建筑節能有著十分重要的意義。在進行建筑總體規劃設計時,應使建筑充分利用太陽能。如建筑基地的選擇應在向陽的地段上;選擇合理的建筑間距,使設計的辦公建筑不被其他建筑物遮擋;爭取好的朝向,使建筑物能充分利用太陽輻射熱。當然,選定建筑物朝向時,應綜合考慮主導風向對建筑物冬季熱損耗和夏季自然通風的影響。3)合理組織通風。在較冷地區,建筑總體規劃應使建筑主要立面避開不利風向。如我國北方地區冬季寒流受來自西伯利亞冷空氣的影響,形成主要以西北風為主要風向的冬季寒流。在建筑總體規劃設計中,應封閉西北向,合理安排開口方向和位置,使建筑群的組合做到避風節能。

在較為炎熱和潮濕的地區,應合理引導自然通風,從而創造一個舒適、健康的工作環境。如我們常說的穿堂風,就是利用建筑手段來引導風向,從而達到自然通風的目的。另外,在進行規劃設計時,應避免風影對建筑通風的影響。所謂風影,是指當風吹向建筑物時,其背后形成的渦流區在地面上的投影。風影內,風力較弱,風向不穩定,很難形成有效的風壓通風。為了避免這一情況,在進行規劃設計時,可將行列式的布局形式改為錯列式。風影的長度與風向投射角有一定關系。當風向投射角與建筑物縱向軸線垂直時,風影長度最長。當有一定角度時,風影會明顯變小。但是,投射角大會降低室內平均風速,故在規劃設計時,應綜合考慮,以達到最有利的通風效果。

3 辦公建筑節能設計措施

1)防曬墻體措施。如何防止西曬是辦公建筑節能設計的一個重要方面。當然,可以采用遮陽的方式防止西曬。但有時候由于經濟原因及圍護結構形式方面的限制,往往難以應用或應用效果不佳。這時可以應用緩沖層的概念,即在建筑西側設置防曬墻。防曬墻一般采用混凝土材料,其離開建筑主體有一段距離。這樣,在夏季其可以有效的阻擋太陽光的直射,并且防曬墻與建筑之間的空隙能夠形成煙囪效應,起到拔風作用,從而有利于建筑西側的自然通風。防曬墻離開建筑一段距離,還可以保證建筑西側室內空間的自然采光。在北方的冬季,其還能阻擋西北風的侵襲。并且,由于采用了混凝土材料,防曬墻具有較好的蓄熱性,在陽光照度好的時候,其蓄積熱量,在建筑西側形成一個熱保護層,可以有效緩解外部氣溫對室內環境的影響。例如,清華大學建筑設計研究院辦公樓由于用地條件的限制,將主入口設在了西側,因此為了防止西曬,實施方案在建筑西側設置了一面距辦公樓主體4.5 m的大尺度的防曬墻,混凝土防曬墻的吸熱性能和這段距離的拔風效應,有效地阻止了西曬對建筑主體的熱影響。防曬墻的工作原理與雙層玻璃幕墻的工作原理很相似,可以這樣說,防曬墻是雙層玻璃幕墻的變體,它較雙層玻璃幕墻更為經濟。2)多功能遮陽構件。遮陽構件已不僅僅只是單一遮陽功能的構件,而是與通風、太陽能的利用等結合在一起的多功能構件。在雙層玻璃幕墻中應用遮陽技術,不僅起到遮陽作用,還對改善和提高玻璃幕墻的隔熱性能及節約能源消耗方面具有積極意義。另外,若將遮陽構件與太陽能光電和光熱轉換板相結合,不僅可以避免遮陽構件由于自身吸熱而導致的溫度升高和熱傳遞等問題,還可以巧妙地將吸收的熱量轉換成對建筑有用的能源加以利用,這也是建筑遮陽構件符合多功能發展的方向。3)地面保溫。對于沒有地下室的辦公建筑來說,由于地面下土壤溫度的變化比室外空氣要小很多,其冬季地面散熱最大的部分是靠近外墻的地面,其寬度一般為0.5 m～2 m,這部分要采取適當的保溫措施。對于有地下室的辦公建筑,樓地板并未暴露在外界環境中,這已為使用空間的保溫創造了條件。但若地下室沒有采暖,應對一樓地板采取保溫措施。通常做法是在一樓地板下面填充保溫材料,并同時在地下室混凝土地坪和地基與土壤之間鋪設一定厚度的剛性和半剛性的保溫材料。

[1] 彭一剛.建筑空間組合論[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社,2008.

[2] 潘谷西.中國建筑史[M].第 4版.北京:中國建筑工業出版社,2008.

[3] 王立雄.建筑節能[M].北京:中國建筑工業出版社,2009.

[4] 何 江.北方公共建筑供熱節能空間探討[J].山西建筑,2009,35(10):256-257.