高層建筑節能設計問題及優化策略研究

黃文虎

高層建筑是我國建筑工程中的重要組成部分，其能耗問題一直備受關注[1]。以往高層建筑節能主要考慮建筑采暖保溫問題，一般情況下采取冷暖設計，會消耗大量的物質資源，嚴重阻礙了我國建筑業節能減排的進程。合理設計高層建筑節能，能為人們提供良好的居住、工作環境，保障能源的科學應用和有效性，降低高層建筑的能源消耗[2]。

1 高層建筑能耗分析及其節能設計要求

1.1 高層建筑能耗分析

與一般建筑相比，高層建筑具有層數多、總建筑面積大、建筑密度低、容納人數多、室內環境要求高以及電氣設備多等特點，這表明高層建筑日常耗電量以及建筑工程實施所消耗的能源量較大[3]。為了響應可持續發展和節能減排要求，需要在高層建筑設計、施工以及運行過程等各個階段遵循節能環保的要求。

據統計，目前高層建筑運行過程中能耗最大的是空調設備，約占總能耗的50%，其次是照明設備，約占總能耗的20%，其他能耗設備、辦公、生活用電設備各占10%。高層建筑設計是控制能源消耗的重要階段，也是高層建筑施工和運行的重要基礎。因此，高層建筑節能設計不僅要考慮規范和政策要求，還要從整體上考慮施工和運行中節能減排的需求。

1.2 建筑節能設計要點

建筑能耗主要受外部環境影響和制約，其中氣候條件是建筑節能設計中需要考慮的重要因素。

首先，在建筑節能設計過程中，設計人員應充分了解和掌握不同地區的氣候環境變化情況，從建筑整體規劃、建筑朝向、建筑功能以及室內環境調控設備等方面進行設計。例如，在寒冷地區，節能設計應滿足冬季保溫要求；而夏熱冬冷地區，不僅需要考慮冬季保溫，還應考慮夏季防暑隔熱要求。

其次，在建筑結構和外形設計方面，不僅需要把控建筑體型系數，合理設置窗墻比，提高建筑隔熱保溫效果，還要充分考慮建筑內部空間布局和外立面，滿足建筑使用功能和日照、通風要求[4]。

最后，建筑節能設計在降低建筑能耗的同時，還應滿足人們對室內環境舒適性的要求。由此可見，建筑節能設計應遵循相應的規范要求，合理設置建筑整體規劃，其中包括建筑層高、體系系數、功能布局、建筑朝向以及可再生能源利用等。

1.3 高層建筑節能設計要求

根據建筑節能設計要點，結合高層建筑特點，歸納高層建筑節能設計基本要求。相比一般建筑，高層建筑節能設計需要考慮的因素更多[5]。

首先，設計人員應充分了解高層建筑整體結構形式和組成，根據實際情況和規范要求確定相應的節能設計方案，為降低能耗、提高能源利用率提供準確的指導，從而實現高層建筑的可持續發展。

其次，設計人員應適當地優化高層建筑節能設計程序，將節能設計與高層建筑設計向融合。同時，在高層建筑節能設計過程中，應充分了解節能環保技術、設備以及新型環保節能材料，結合實際情況和項目要求，將這些新技術、新材料、新設備引入高層建筑設計中，提高高層建筑能源利用效率，減少高層建筑能耗。

最后，將節能減排意識培養納入高層建筑設計人員培訓中，健全設計人員培訓制度和體系，增強設計人員的環保意識，充分認識到節能環保的重要性，同時提升高層建筑設計人員的整體素質，減少人為干擾。

2 高層建筑節能設計常見問題

節能設計是實現高層建筑節能減排的根本途徑。由于高層建筑節能設計尚處于發展初期，因此在節能設計過程中還存在很多亟待解決的問題。目前，高層建筑節能設計的問題主要集中在可再生能源利用率低、結構節能設計不合理以及節能環保材料應用不足這3 個方面。

2.1 高層建筑可再生能源利用率低

目前，高層建筑設計主要考慮經濟性和安全性，在節能設計方面欠缺考慮。在節能設計過程中，由于高層建筑能源消耗前期數據統計不足，對實際能源消耗狀況又缺少有效的數據分析，往往只能按照經驗數據或一般建筑節能規范要求進行設計，無法滿足不同地區節能減排的要求。另外，在一些高層建筑實際使用過程中，經常出現室內環境調控設備長時間運行的情況，勢必造成能源消耗超標，增加建筑能耗和碳排放量。這些問題嚴重影響了高層建筑節能減排效果和可持續發展。

隨著新能源技術的不斷發展，許多可再生能源技術得到廣泛應用，如風能、地熱能、空氣源熱泵、太陽能等，這些可再生能源可以有效緩解高層建筑的能源需求，降低建筑碳排放量。然而，高層建筑節能設計大多關注建筑結構、空調系統的優化和調整，可再生能源的利用很少出現在高層建筑設計中。主要原因在于我國可再生能源技術尚處發展階段，其使用效果還需要進一步驗證，而且該技術的使用成本相對較高，嚴重制約了在高層建筑中的應用。

2.2 高層建筑結構節能設計不合理

高層建筑一般處于建筑密集區，隨著城市高層建筑數量不斷增加，建筑結構設計呈現復雜性特征。為了滿足建筑規范要求，一些高層建筑結構設計忽視了節能減排和環境保護的需求。例如，為了最大程度使用用地，導致高層建筑體量過大、容積率過高、樓間距較低、樓層內部布局密集以及通透性較差，嚴重影響了使用過程的舒適性[6]。為了滿足室內環境的要求，很多高層建筑不得不加大能耗調控室內環境。

高層建筑結構設計分為空間結構設計和圍護結構設計，一般情況下節能設計更多考慮圍護結構設計，在空間結構設計中則很少考慮。不同的建筑朝向、建筑位置、門窗設置都對建筑圍護結構節能設計產生較大影響，高層建筑空間結構設計與圍護結構設計是相互協同配合的關系，只有將兩者統一考慮，才能做好高層建筑結構的節能設計，從而降低高層建筑的能源消耗。

2.3 高層建筑節能環保材料應用不足

為了降低建筑成本，業主通常會要求設計人員盡可能考慮傳統建材，很少采用新型節能環保材料，大大影響了高層建筑節能的設計效果，也不利于高層建筑能耗管控。同時，在高層建筑節能設計過程中，為了滿足節能政策要求，會考慮使用一些新型環保材料，但是并沒有考慮環保材料與傳統材料之間的聯系和相互影響，這不僅降低了材料的使用效果，還進一步增加了高層建筑的成本[7]。因此，高層建筑節能設計中應考慮新型環保材料的應用，并進一步研究其與傳統材料之間的聯系和影響關系，二者相互促進，最大限度發揮節能環保的功能。

3 高層建筑節能設計優化對策

針對高層建筑節能設計中的常見問題，從充分運用可再生能源、優化高層建筑結構設計、優化高層建筑圍護結構節能設計以及應用環保節能材料4 個方面提出優化對策。

3.1 充分利用可再生能源

為了減少高層建筑建設和運維能耗，在節能設計中應充分考慮可再生能源的使用。高層建筑使用的可再生能源主要為太陽能，該能源的應用主要有以下幾個方面[8]。

第一，太陽能熱水系統。通過設置高層建筑外部集熱器吸收太陽輻射，將光能轉化為熱能，由管道輸送至高層建筑內部。

第二，太陽能光伏建筑一體化系統。將高層建筑外部構件與太陽能光伏發電組件融為一體，如光伏幕墻、光伏屋面、光伏磚墻等，通過光電轉化為高層建筑提供一定的能源供給。

第三，太陽能供暖系統。當高層建筑室外溫度較低時，可使用該系統代替傳統供暖系統。通過運用太陽能可以大大減少傳統供暖系統的運行負荷，減少能源消耗。

第四，光導管系統。光導管技術是一種直接運用太陽光照的方式，利用光導管改變太陽照射路徑，經過一系列反射將高層建筑外部的太陽光直射引入建筑內部，通過這種自然光補充照明，減少室內照明系統的運行負荷。

3.2 優化高層建筑結構設計

隨著我國工程技術和管理水平的提高，高層建筑結構設計呈現多樣化特點。高層建筑結構設計中與節能減排相關的主要包括建筑體型、建筑朝向和間距以及建筑平面布局[9]。在建筑體型設計方面，建筑體型系數是指建筑外表面與體積的比值，一些研究指出建筑體型系數與建筑能耗、散熱量呈正比關系。

在高層建筑結構設計過程中，應科學設計高層建筑群體及單件體型，使建筑可以適應不同的氣候、地理條件。在高層建筑體型設計時，可以采用增加進深和縮小面寬等方法優化建筑體型，從而降低高層建筑的體型系數。此外，在高層建筑外觀選擇上應多采用長條形，不宜選用復雜的建筑外觀。

另外，建筑朝向和間距對建筑節能也有較大的影響。在高層建筑節能設計時，還應充分考慮不同地區、不同季節的日照時長，合理設置高層建筑之間的間距和朝向。一般情況下，在冬季不僅需要考慮寒冷空氣的侵襲，還要保障高層建筑室內日照時長；在夏季時，不僅需要保障高層建筑室內具有良好的通風環境，還要減少太陽直射帶來的熱輻射影響。

在高層建筑平面布置方面，良好的平面布局能有效提高建筑節能效果。高層建筑設計時，應將管道井、電梯井、樓梯間等盡量布置在西側或南側，可在一定程度上阻擋日照輻射。此外，建筑通風對于建筑節能也非常重要，因此應做好高層建筑的室內通風設計。

3.3 優化高層建筑圍護結構節能設計

圍護結構是建筑外部與內部傳熱的重要介質，直接影響建筑的熱穩定性和隔熱保溫效果，是建筑節能設計中關注的重點。高層建筑圍護結構節能設計優化主要從高層建筑墻體、門窗以及屋頂3個方面進行節能設計優化[10]。

高層建筑墻體節能設計主要分為內墻保溫和外墻保溫，由于外墻面積大，外墻保溫的效果更明顯。因此，高層建筑節能設計應合理進行外墻保溫設計。同時，外墻保溫材料的選取也非常重要。目前，高層建筑外墻保溫材料一般采用巖棉板、擠塑聚苯板以及聚合聚苯板等，隨著新型環保材料的出現，高層建筑外墻可以采用一些新型節能材料，提高外墻保溫效果。

在高層建筑門窗節能設計方面，應合理設置高層建筑的門窗比例。窗墻比是窗戶洞口面積與立面面積的比值，高層建筑窗墻比應滿足觀景、通風、采光等要求，同時滿足建筑節能規范要求。為了減少太陽輻射，南向窗墻比一般不超過35%，東向不超過30%，北向不超過20%。此外，設計人員還應考慮門窗的遮陽系數、傳熱系數以及氣密性等。

在高層建筑屋頂節能設計方面，屋頂可以采用高效保溫隔熱材料，在構造上可以通過架空屋面或淺色屋面減少陽光輻射。同時，還可以采用植被覆蓋屋面遮陽，起到隔熱作用。屋頂植物不僅能起到環保作用，還可以美化屋面環境。

3.4 應用環保節能材料

高層建筑節能設計應考慮環保節能材料的應用，有效提高高層建筑圍護結構的保溫隔熱效果。高層建筑一般采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，為了減輕荷載，同時兼顧環境保護、節能減排要求，外墻一般采用輕質高效的保溫材料。在選擇砌體材料時，多采用新型的節能磚來增加節能效果，如加氣混凝土砌塊、混凝土空心砌塊等。此外，在高層建筑照明節能設計過程中，可以通過光控、聲控燈方式減少不必要的照明能耗，并選用環保材料和節能燈具減少高層建筑能耗。

4 結語

高層建筑能源消耗量大，節能減排是建筑業“雙碳”目標實現的重要保障，提高高層建筑節能設計水平是促進高層建筑節能減排的重要途徑。目前，高層建筑節能設計仍然存在很多不足，如可再生能源利用率低、建筑結構設計不合理以及節能環保材料應用不足等，嚴重制約了高層建筑節能減排的實施和環境保護要求。

本文分析了高層建筑能耗及其節能設計要求，深入探討了高層建筑節能設計常見問題的根源，提出了高層建筑節能設計的優化對策，以期為提高高層建筑節能設計水平提供參考。