高層建筑中的節能設計

【摘 要】高層建筑的與日俱增意味著高能耗建筑越來越多。本文分別從規劃設計層面、建筑單體設計層面以及新能源利用等方面闡述了節能設計對高層建筑設計的影響，并探討了節能條件下高層建筑設計理念的新趨勢，提出存在的問題及今后發展方向。

【關鍵詞】高層建筑節能；節能設計；太陽輻射；圍護結構

1 引言

在大規模的城市化進程中當中，高層建筑可節約大量的土地，在有限的地面空間之中爭取到更多的使用面積，并且有利于節約市政設施，提高效率，同時因為高層建筑造型挺拔，精心設計后還可豐富城市的景觀和城市天際輪廓線，成為城市中的標志性建筑，因此，在當今世界，高層建筑仍是城市中心建筑的首選。

然而統計表明，高層建筑消耗的能源相當巨大，高達普通建筑的6～8倍。現代化的設計一般采用玻璃幕墻和中央空調設備，這就使得高層建筑的能源開支更加昂貴。我國高層建筑有長達70年的歷史，她是城市設計、規劃的重要組成部分，而高層建筑節能設計更是一項十分復雜的工作，建筑節能不僅是建筑本身的節能，而是由城市的綜合環境氣候條件，總體布局，建筑物的體型變化、朝向、外圍護結構的保溫隔熱的性能、門窗玻璃的選擇等許多綜合性因素組成，因此，高層建筑的節能設計應為設計者所重視。

2 從規劃層面看高層建筑位置、朝向與環境的節能設計。

在規劃設計階段高層建筑設計就要引起重視，充分考慮建筑朝向，日照間距，空間形態，以及建筑與周邊環境的關系。高層建筑的定位首先應考慮對城市環境的影響，容積率過高很難滿足日照的要求。陽光有著巨大的輻射能量，據有關資料分析，地球每年接受的能量有60億億千瓦，陽光不僅對人的身體健康有著很大的影響，對建筑的節能也有著十分重要的意義。

首先，建筑的朝向應迎合當地夏季的主導風向，有利于自然通風。在夏季，南北朝向的建筑受到太陽的輻射比東西向的少很多，可節省空調能量的消耗；在冬季時，情況與夏季相反，從而節約了建筑保溫所需的能耗，如在北緯40度～50度地區，冬天建筑的朝向所得到能量幾乎比夏季多兩倍。而在夏天，東西向所得到的能量比南向的多2.5倍。

其次，高層建筑及其組合群體應結合周邊環境，將現有建筑和擬建建筑作為一個整體考慮，實現群體內自然通風，優化節能設計。高層建筑群的入風口和出風口應結合主導風向合理設置，使空氣流通；把夏季的主導風向作為建筑的主要朝向，按照南小北大的原則排列建筑，使其在夏季能迎合南向季風，引導空氣穿越，冬季又能阻擋寒冷北風侵襲，適應氣候的變化，從而減少了建筑的能源消耗。

3 從建筑單體看高層建筑形體及圍護結構節能的設計。

建筑的形體變化是建筑外露面積大小的主要控制因素，體系系數越大耗能越多，并且建筑的形體轉折變化不宜過多，復雜。

建筑的圍護結構主要包括屋面、外墻和外窗三個部分：

3.1 屋面：屋面的保溫隔熱與防水是其主要功能，常規的屋面保溫材料與防水材料存在性能單一問題。屋頂最好采用高效保溫隔熱屋面，其傳熱系數，熱惰性指標應滿足標準規定，有條件的可以種植屋頂綠化，不僅降低夏季太陽輻射，還能調節小氣候的環境。

3.2 外墻：高層建筑的圍護結構不同與磚石結構房屋，其結構多為鋼筋混凝土框架或剪力墻結構承重，圍護結構屬于填充材料，為了減輕荷載，達到保溫隔熱要求，采用輕質高效保溫材料，常用的有：粘土空心磚與實心磚復合墻體、粘土實心磚與空心磚巖棉夾心復合墻體等。圍護墻體的外保溫材料應選用與建筑整體壽命同步的材料。然而對于輕質外保溫復合墻體，筆者認為存在以下不足之處：抗震能力差，易松散，與結構構件結合不好，整體性差；不能承受外部裝修荷載，如：貼石材，安裝裝飾構件等；不能承受有震動的鑿刨的裝修，如：剁斧石面層，預留洞，槽易出現冷橋，墻體表面易出現裂紋。除此之外，復合墻體由于框架梁拉、剪力墻的嵌入，墻體內容易造成冷橋。據測定，高層建筑所出現的冷橋約占整個熱損失的5%～13%，因此應引起設計者重視。

3.3 外窗：玻璃幕墻以其輕巧美觀，外觀簡潔，通透明亮，富裕時代感等優點備受設計師的青睞，使玻璃幕墻在高層建筑中得到廣泛的應用，幾乎成了世界各個城市高層建筑外立面的普遍選擇。用玻璃幕墻做建筑圍護結構，大大減少了高能耗的鋼筋，混凝土及磚砌體的使用量，這對于節能環保具有現實的意義。然而，在建筑的三大維護結構中門窗及玻璃幕墻的熱工性能最差，是影響室內熱環境質量和建筑能耗的最主要因素之一，窗和玻璃幕墻的能耗約為墻體的3倍，屋面的4倍，約占建筑圍護總能耗的40%～50%，因此，控制窗墻比，提高窗戶的保溫隔熱性能，是提高建筑外圍護節能指標的有效途徑。一方面，在保證居室采光通風條件的前提下，控制窗墻比，減少外墻傳遞的熱量；另一方面，推廣應用新型節能門窗，滿足節能和使用要求。南方地區還應采用適應的外遮陽措施，結合外立面的造型，形成整體有效的外遮陽系統。

4 影響高層建筑節能設計的其他方面

4.1 太陽能的利用：在太陽能比較豐富的地區，建筑應該用太陽能，如果此建筑用熱水的量比較大，就在其屋頂設置足夠其使用的太陽能熱水器，也在相鄰用熱水量不大的建筑屋頂設置太陽能熱水器，以補充用量大的建筑。對于高層建筑，立面通常面積要比屋頂面積大許多，在這種情況下我們應該從設計之初就把向陽立面的設計融入節能的理念，做出有特色的節能墻體。

4.2 水能的利用：我國的人均水資源僅及世界人均水平的1/4強，屬于貧水國家之列。因此我國在高層建筑設計中必須考慮如何充分利用好水，這樣可以節約大量的淡水資源。比如對雨水的利用。在建筑設計中我們還要考慮中水系統，可以用中水沖廁所、清洗。這樣可以減緩我國淡水資源極其缺乏的到來的時間。

5 高層建筑設計理念在節能條件下的新趨勢

近30年來，從能源危機向環境危機的漸進轉化過程中，人類對建筑節能概念的認識大體上經歷了三個階段:1)“建筑節能”—節省能耗，減少能量的輸入。2)“在建筑中保持能源”—保持建筑中的能量，減少建筑的熱工損失。3)“提高建筑中的能源利用效率”—不再是消極被動的節省能源，而是積極的提高能源效率，高效的滿足舒適要求。這三個階段可以在現在正在建造的建筑和已建的建筑節能改造上反映。

紐約地標性建筑帝國大廈擬斥資5億美元進行翻新，其中1億美元用于綠色改造。據了解，此次帝國大廈實施的綠色環保工程自始至終突出可持續特色。1)將改裝6 500扇窗戶，安裝三層隔熱玻璃，以提高能效。2)安裝的新式空調和取暖系統，可根據需求調節室溫。3)在散熱器與外墻之間鋪設隔振墊，以防止冷暖氣流失。4)改用節能照明設備并配備移動傳感器，走廊和公共區域無人時燈光會自動關閉。5)更新現有大樓控制系統，監測所有系統的能源使用和需求狀況，確保空調系統運行最優化，并提供詳細的分攤計量數據。6)能源消費實行網絡化管理，租戶可通過網絡跟蹤能源使用情況，及時采取措施提高能效等。

6 結語

建筑節能對國家來說是緩解能源緊缺的大事，是一項系統的龐大工程，涉及范圍廣泛。如何加大高層建筑節能已成為當務之急，我們要大力推廣節能建筑這項造福子孫后代的事業。

參考文獻：

[1]李輝，楊敬友.居住建筑節能設計[J].建筑工程

[2]陳慧，劉苗苗，徐曉晨.高層建筑的建筑節能設計[J].工程建設.2009

[3]薛志峰．超低能耗建筑技術及應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2005

作者簡介：

劉童琳，（1979.9-）男，河北省承德市 建筑師，學歷：大學本科，研究方向：建筑設計。