淺析高層建筑中的節(jié)能設(shè)計(jì)研究
——以法蘭克福商業(yè)銀行為例

范 蓓，郝夢馨

（武漢工程大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，湖北 武漢 430205）

1 研究背景

18 世紀(jì)工業(yè)革命的到來，帶給人們繁榮經(jīng)濟(jì)的同時(shí)也帶來了日益惡化的生態(tài)環(huán)境。建筑占全球能源消耗的1/3，建筑節(jié)能問題需要得到廣泛關(guān)注。20 世紀(jì)60 年代，建筑師保羅提出了綠色可持續(xù)設(shè)計(jì)的建筑理念，這一理念指從建筑的起始生命周期到尾聲，節(jié)省能源資源，降低排放量，使生態(tài)環(huán)境達(dá)到和諧統(tǒng)一的狀態(tài)。因此建筑節(jié)能作為建筑產(chǎn)業(yè)的一個(gè)分支，應(yīng)擔(dān)負(fù)起一部分責(zé)任，倡導(dǎo)高效、生態(tài)的建筑空間。

科技不斷進(jìn)步，高新技術(shù)不斷發(fā)展，為建筑節(jié)能發(fā)展提供了沃土。國外關(guān)于高層建筑節(jié)能的系統(tǒng)研究已經(jīng)開展許久，且已有了廣泛的應(yīng)用。在中國，節(jié)能減排已是一項(xiàng)基本國策，其中建筑的節(jié)能問題是政策實(shí)施的重要領(lǐng)域之一。目前中國建筑規(guī)模已經(jīng)超過所有發(fā)達(dá)國家，然而與自然環(huán)境相差不多的發(fā)達(dá)國家相比，國內(nèi)在建筑能源消耗上達(dá)到了其他國家的3 倍左右。本文以法蘭克福商業(yè)銀行為例，探究高層建筑節(jié)能新方式，為今后研究項(xiàng)目提供案例分析與參考。

2 法蘭克福商業(yè)銀行遮陽節(jié)能設(shè)計(jì)

建筑光環(huán)境問題是每一個(gè)超高層玻璃幕墻建筑所必須面對(duì)的問題，傳統(tǒng)的單面玻璃幕墻吸收太陽光線使溫度升高。采用固定擋板進(jìn)行遮陽或者采用建筑內(nèi)部百葉窗簾遮陽的形式，對(duì)太陽的變換角度適應(yīng)性差，尤其是在夏季，這種遮陽效果反而使室內(nèi)環(huán)境變得更加悶熱[1]。

法蘭克福商業(yè)銀行在遮陽設(shè)計(jì)方面獨(dú)樹一幟，巧妙地將通風(fēng)百葉與幕墻造型相結(jié)合。設(shè)計(jì)師將光伏組件用百葉的形式夾在雙層玻璃的中空部分，為保證光伏組件正常運(yùn)轉(zhuǎn)，內(nèi)層玻璃均貼上了熱反射鍍膜，因此使光伏組件不僅能擋住陽光的輻射，還能反射陽光帶來的熱量，使建筑室內(nèi)的熱量降到最低，也能使室內(nèi)的光線更加柔和，具有節(jié)能效果。根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)顯示，在冬季低溫時(shí)，將雙層玻璃幕墻的遮板和擋板關(guān)閉，其遮陽百葉的吸熱量也達(dá)到了最大值，使整個(gè)建筑南面的溫度達(dá)到30 ℃以上，實(shí)現(xiàn)了真正的冬暖夏涼。采光屋頂也被應(yīng)用在這個(gè)建筑上，這種屋頂主要是通過太陽能裝置對(duì)玻璃屋頂進(jìn)行遮陽。此設(shè)計(jì)的原理是通過太陽能組件和裝置來對(duì)玻璃采光屋頂進(jìn)行遮陽。既滿足建筑通透的外觀要求，還同時(shí)具有了觀景、采光以及美學(xué)幾種性能[2]。

法蘭克福商業(yè)銀行在遮陽體系的設(shè)計(jì)上不僅僅應(yīng)用到了光伏遮陽系統(tǒng)，還運(yùn)用了太陽能遮陽系統(tǒng)。它一般運(yùn)用于屋頂和幕墻上，為了減少太陽對(duì)這棟建筑產(chǎn)生的不利影響，在屋頂安裝了太陽能遮陽系統(tǒng)。在遮陽的同時(shí)還能利用太陽能的熱量制作一些沐浴間食堂等，其熱水系統(tǒng)可以通過太陽能來供給能量。遮陽的同時(shí)還可轉(zhuǎn)換能源供大廈使用[3]，如圖1 所示。

圖1 屋頂太陽能和光伏遮陽板

3 法蘭克福商業(yè)銀行呼吸式幕墻通風(fēng)節(jié)能設(shè)計(jì)

玻璃幕墻作為一種建筑材料，有許多優(yōu)點(diǎn)，如外觀晶瑩輕巧，具有現(xiàn)代氣息，但它也因?yàn)槔速M(fèi)能源，使用受到限制。如今玻璃幕墻已經(jīng)改善了能源消耗大的弊病，諾曼·福斯特在法蘭克福商業(yè)銀行的設(shè)計(jì)中就采用了可呼吸生態(tài)玻璃幕墻。玻璃幕墻內(nèi)層采用了LOW-E 玻璃，外層采用單片鋼化玻璃，雙層玻璃幕墻采用不同的方式控制通風(fēng)。為了加快通風(fēng)速度，面積層采用了對(duì)角式通風(fēng)模式，能夠有效組織氣流帶走中庭部分的熱量，同時(shí)引入新鮮空氣，實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。

夏天，內(nèi)層的LOW-E 玻璃吸收阻擋太陽的輻射熱量，中空部分的熱氣流被帶走，辦公空間內(nèi)的冷氣可以循環(huán)進(jìn)入中空部分，形成一道空氣屏障，阻擋熱氣流進(jìn)入辦公空間內(nèi)部。冬天，雙層玻璃幕墻具有保溫效果，由辦公空間吸入的熱氣流也阻擋了室外冷氣流的侵襲。因此，在這樣的環(huán)境中不管是酷熱的夏天，還是寒冷的冬天，在建筑物的邊角處活動(dòng)或辦公都不會(huì)感覺有明顯的溫差，同時(shí)，中空部分的空氣循環(huán)系統(tǒng)以低風(fēng)速低能耗運(yùn)行，避免了噪音和強(qiáng)風(fēng)對(duì)人體的影響，最大限度營造了安靜舒適的辦公環(huán)境[4]，如圖2 所示。

圖2 呼吸式幕墻結(jié)構(gòu)

4 法蘭克福商業(yè)銀行空中花園自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

面對(duì)全球氣候變暖、生態(tài)環(huán)境惡化等挑戰(zhàn)，可持續(xù)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今建筑師討論的熱門話題。現(xiàn)代建筑阻隔了人們與自然的聯(lián)系，而綠色建筑的理念為人們解決了這一問題。諾曼·福斯特設(shè)計(jì)的法蘭克服商業(yè)銀行將大自然引入到了高層建筑中，解決了高層建筑的生態(tài)問題和自然通風(fēng)的問題。

諾曼·福斯特將建筑分成4 個(gè)組，每組12 層。每層的空中花園占據(jù)了1 個(gè)三角形的長邊，另外2 個(gè)長邊就是辦公空間。1 組有4 層樓高。每隔4 層就轉(zhuǎn)到了另一邊，每隔12層就轉(zhuǎn)一圈，空中花園圍繞著中庭盤旋。由于空中花園位于不同的標(biāo)高，空氣中的密度與溫度不同，室內(nèi)外的壓力梯度也不同，通風(fēng)就產(chǎn)生了“煙囪效應(yīng)”，如圖3 所示。如果在構(gòu)筑物的下方開一個(gè)小口，室外的空氣就會(huì)從小口進(jìn)入，室內(nèi)的空氣就會(huì)從小口上方排出，形成熱壓效果，空中花園就充當(dāng)了這個(gè)進(jìn)出風(fēng)口，進(jìn)口吸入了室外的新鮮氣流，出口則排出室內(nèi)的渾濁氣流，形成了自然通風(fēng)。空中花園不僅減少了建筑設(shè)備的能耗，還保證了建筑在全年大部分時(shí)間都能有良好的通風(fēng)環(huán)境。同時(shí)，空中花園種植的這些綠色植物也有效改善了室內(nèi)的環(huán)境與氣候，為了能夠帶來令人感到愉快和舒適的自然景觀，空中花園根據(jù)大廈所處的方位和朝向種植了不同的植物。南面花園種植了地中海特有的柑橘樹，西面種植了北美洲的楓樹、杉樹等，東面則種植了亞洲竹子。這些植物不僅給正在辦公的人們帶來令人心情愉悅的自然景觀，同時(shí)還充分吸收與分解了室內(nèi)的污染空氣，再配合中庭的拔風(fēng)效應(yīng)，不僅可以有效實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)，還能使陽光撒入建筑內(nèi)部。正是將空中花園的植物與雙層玻璃結(jié)合使用，給這座建筑取得了一系列美譽(yù)，它們就像肺一樣呼吸，被稱為“生態(tài)倉”。冬季和夏季通風(fēng)示意圖分別如圖4、圖5 所示。

圖3 空中花園

圖4 冬季通風(fēng)示意圖

圖5 夏季通風(fēng)示意圖

5 結(jié)語

有一位建筑師這樣評(píng)論當(dāng)今建筑的發(fā)展：建筑的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，已經(jīng)不再局限于空間，人們開始關(guān)注到建筑的材料、技術(shù)，所能帶來的生態(tài)特性。是的，在建筑的整個(gè)生命周期內(nèi)，節(jié)約資源能源、保護(hù)環(huán)境已是當(dāng)今世界的流行趨勢。法蘭克福商業(yè)銀行的節(jié)能設(shè)計(jì)擴(kuò)展了人們對(duì)生態(tài)建筑的理解，其在建筑遮陽、通風(fēng)及能源的利用上為中國在高層建筑可持續(xù)節(jié)能設(shè)計(jì)方面提供了實(shí)際借鑒與參考。在全球化、可持續(xù)發(fā)展的大浪潮中，建筑的創(chuàng)作也要順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，建筑節(jié)能也是人們要不斷研究探索的技術(shù)，也是人類對(duì)自然和自身不可推卸的責(zé)任。