高層建筑節能設計問題及優化策略研究

文／范永杰 四川大地陽光門窗工程有限責任公司 四川成都 611743

引言：

在我國低碳、可持續發展目標的實現過程中，建筑工程行業的節能化設計對于有效降低建筑物的碳排放，提升建筑物的節能水平具有非常重要的作用。同時，伴隨我國居民生活水平的提升，建筑物的能耗水平也在不斷提升。為了適應低碳、可持續發展的要求，展開高層建筑的節能設計，對于提升建筑服務水平，保證低能耗與生活品質之間的平衡具有非常重要的意義。而從設計的角度來講，高層建筑的節能設計有助于降低高層建筑對冷暖空調、照明系統的依賴，并通過資源綜合利用的方式，有效提升建筑物的綜合價值。

1.高層建筑節能設計的需求分析

1.1 能源節約的需求

高層建筑是一種集約型利用土地資源，在有限的土地資源上，最大化人類活動空間的一種建筑形式。該建筑形式在土地資源較為緊缺的城市中較為常見，可以在進一步提升土地資源利用效率的同時，擴大建筑的內部空間，從而為人類活動提供可靠的支持。但同時在人類活動空間增加的過程中，建筑物整體的能耗水平也在不斷的提升，導致建筑物整體的能源消耗量巨大。而高層建筑的節能設計，可以通過在建筑隔熱、通風、照明等多方面的優化過程中，有效減少建筑物整體對能源的使用需求，從而全面降低建筑物的能源消耗量[1]。因此，無論是從經濟還是從能源的角度，現代高層建筑的節能設計是實現建筑建設效益的重要途徑，也為建筑的能源節約提供了可靠的技術指導。

1.2 減少碳排放的需求

建筑物在建設和使用的過程中，能源、資源的使用都是造成建筑工程碳排放較高的主要原因。采用節能設計的情況下，在有效提升高層建筑節能水平的同時，可以有效減少能源使用過程中的碳排放量，從而實現減少碳排放的發展要求。同時，高層建筑的節能設計，還需要充分考慮到可再生能源的應用以及建筑工程碳足跡的全面監控。在積極利用可再生能源的同時，使建筑物減少對傳統化石能源、燃料的依賴，從而實現減少碳排放量的目標。而在建筑工程進行碳足跡監控的情況下，也可以確保高層建筑的施工、運營可以根據碳排放的減排要求進行不斷的實踐和優化，以便于提升高層建筑的設計水平，使其滿足現代社會減少社會總體碳排放量的目標[2]。例如通過屋頂花園、垂直綠化、雨水花園等方式，在達到綠化、吸收二氧化碳的同時，綜合利用雨水資源，達到減少碳排放的目的。

1.3 提升建筑品質的需求

在采取節能設計的情況下，高層建筑可以通過有效的節能優化對室內空間的舒適度進行多方面的調整，例如最大化提升自然采光的水平、避免室內外溫差導致的冷暖空調依賴等方式，綜合利用建筑物的自我調適能力，將室內空間的舒適度控制在更加自然、舒適的狀態。這種更貼近自然的自我調節方式，有助于提升建筑的品質，并提升人們在高層建筑中活動的舒適度。例如，提升建筑物自然采光的水平，可以保證室內光線的均勻分布，并有效避免室內光線因為陰暗、過度照明等問題對用戶生活、工作帶來的不良影響。又如，采用優化建筑物隔熱的方式，可以有效減少室內外溫度置換導致的室內溫度不穩定。通過降低建筑物冷熱傳導的能力，使室內的溫度變得更加穩定，從而打造更加舒適的生活與工作環境，全面提升建筑的品質。

1.4 推動高層建筑的可持續發展

建筑工程行業一直飽受能源集中、資源集中、資金集中的詬病，高層建筑的施工、運營更是如此。在采用節能設計的情況下，可以最大限度的減少高層建筑在施工與運營過程中的能源消耗和資源浪費現象，從而有效提升高層建筑的持續發展水平，并實現對資源、能源的管理與保護，達到延長資源使用壽命的目的。同時，節能設計是以建筑物的自我調適能力為基礎，這種基于自然的調節方式，可以有效減少高層建筑周邊環境帶來的干涉，從而避免因高層建筑建設而導致的環境問題。例如城市建筑物集中的情況下，由于冷暖空調的大范圍使用，造成城市環境獨特的熱島效應，進一步惡化了城市的自然生態環境。這種基于節約能源、環境保護的設計理念，可以有效減少高層建筑建設與運營過程中對資源、能源的依賴，也變相減少了高層建筑對資金的需求，從而為高層建筑的可持續發展提供了必要的條件[3]。

2.高層建筑節能設計中的問題

2.1 綜合性考慮的不足

高層建筑節能設計是一項綜合性的設計內容，不僅僅包括在建筑設計的過程中積極應用節能技術，還需要從建筑結構、采光、地理環境等眾多復雜的因素中分析高層建筑的能耗水平，并在此基礎上結合當前的節能技術、可再生能源技術的應用條件，合理展開綜合性的設計來滿足高層建筑的節能設計需求。在此過程中，高層建筑的節能設計需要綜合考慮到不同條件對建筑整體節能效果帶來的影響，從而最大程度的提升高層建筑的節能性能。例如，在采光設計的過程中，建筑物的朝向會對建筑物的自然采光能力帶來直接的影響。但同時，若過分重視自然采光，會導致建筑物整體受到太陽輻射的水平相對較高，從而導致高層建筑需要應對因太陽輻射熱量對冷暖空調帶來的依賴現象，從而影響建筑整體的節能水平。又如在建筑結構設計的過程中，建筑結構的設計與能量的消耗以及熱量的傳導有直接的影響，若過分重視建筑的外觀和功能性，而忽視建筑結構本身的隔熱與保溫性能，會導致建筑結構構造出現熱橋現象，反而增加了建筑結構的能耗水平。

2.2 忽視建筑外觀和幕墻的影響

建筑外觀和幕墻是直接接受太陽輻射的建筑構件，特別是在高層建筑設計的過程中，外觀和幕墻的設計會對建筑整體的節能性能產生直接的影響。

一方面，高層建筑為了滿足美觀性、地標性設計的要求，會采用復雜的外形設計以及更加美觀的玻璃、合金等方式，實現高層建筑現代化的外觀效果。但復雜的外形設計會導致空氣在幕墻附近的流動受到阻礙，使空氣無法自然帶走建筑物表面的輻射熱，從而容易增加建筑物對空調設備的依賴。而采用合金、玻璃等方式構建幕墻時，相關材料的隔熱性能較差，熱量很容易通過玻璃、合金幕墻傳導至建筑內部，從而增加高層建筑的冷暖空調負荷[4]。因此在設計的過程中，必須充分考慮建筑外觀、幕墻材料對建筑節能性能帶來的直接影響。

另一方面，建筑外觀和幕墻對于建筑物的遮陽能力有直接的影響，外形和幕墻的設計也會直接影響高層建筑遮陽和自然采光的效果。廣泛采用玻璃幕墻的情況下，會導致建筑物容易受到陽光的暴曬。采用調整的幕墻系統時，幕墻系統的運行也會增加建筑物的能源消耗負擔。因此，在節能設計的過程中，不能忽視建筑外觀與幕墻設計高層建筑整體節能性能帶來的影響。在綜合平衡外觀設計、節能需求的情況下，建立最佳的設計方案，以滿足高層建筑節能的實際需求。

2.3 設備的選型以及節能管理

在高層建筑節能設計的過程中對機電工程的節能設計，也是實現高層建筑節能設計目標的重要內容。但由于高層建筑的使用往往會涉及到多個系統、設備的使用，使高層建筑的機電工程本身具有多樣性和復雜性的特點。同時在節能設計的過程中，也需要將各種設備的能效數據、信息作為節能優化的基礎，但在實踐的過程中相關的設備通常缺乏可靠的數據來源，從而導致高層建筑節能設計時很難對建筑整體的能效進行準確的評估。此外，在高層建筑運行的過程中，由于高層建筑的設備規模相對比較龐大，運行環境也十分復雜，若相關的設備沒有得到及時的維護與運行管理，在設備老化、故障的情況下，也會對高層建筑的能源利用效率帶來直接的影響。而在設計的過程中，這些問題都需要通過假設的方式展開，從而造成高層建筑節能設計方案無法準確評估建筑的能耗情況，也無法保證設備的選型、管理完全滿足高層建筑節能設計的需求，進而導致相關問題的出現。

2.4 可再生資源的開發不足

由于地理、氣候條件等客觀因素的影響，不同高層建筑的節能設計通常擁有一定的區別，例如我國南方與北方太陽能輻射水平有較大的差別。利用太陽能資源的過程中，由于各地條件的不同，相關的節能設計方案缺乏一定的參考性，從而導致在設計的過程中必須通過具體的條件來判斷再生能源的應用是否能夠滿足多層建筑節能設計的要求，進而導致可再生資源開發不足的現象。同時，可再生資源的利用屬于較為專業、尖端的新型技術，其的應用成本、維護成本相對較高，而回報的周期也相對較長。從而導致在高層建筑中大規模采用可再生能源設備存在一定的技術以及資金等方面的限制，進而導致高層建筑節能設計的過程中可再生資源的開發存在一定的問題，無法滿足高層建筑節能設計的全面需求。例如風能資源的利用過程中，風力發電機、通風井等利用方式通常具有較高的專業性要求，技術的應用成本和維護成本也相對比較高昂，從而對高層建筑的建設、運營帶來了多方面的不良影響，很難保證可再生資源技術的應用效益，使其在高層建筑節能設計中的應用效果無法得到充分的保障。

3.高層建筑節能設計問題的優化策略

3.1 采用綜合、頂層的規劃設計理念

綜合頂層的規劃設計理念，有助于建立高層建筑節能設計的總體性目標，并加強各個學科之間的交叉合作，從而為綜合分析高層建筑的能耗水平，并準確評估高層建筑節能設計需要滿足的要求具有非常重要的作用。在實際的設計過程中，相關人員需要在規劃與設計階段充分考慮到高層建筑在能源效益、建筑形態、結構穩定性等多方面的要求，并在此基礎上引入專業的團隊或者設計顧問的方式，通過不同的視角對高層建筑節能設計的情況進行有效的評估和決策，從而保證設計方案在各個方面能夠取得良好的協調與平衡效應。同時，還需要加強高層建筑各個學科之間的合作設計，不但包括建筑設計、結構設計，還需要綜合考慮冷暖、電氣工程、機電工程等不同領域對建筑節能水平帶來的各方面影響。通過有效的協同設計，共同優化高層建筑節能設計的方案，從而綜合性考慮高層建筑在節能設計方面存在的不足，并使相關的問題得到有效的解決。其次，應當積極加強信息工具在高層建筑節能設計中的應用。積極使用BIM 模型軟件以及建筑模擬和分析工具，如CFD、能耗模擬等軟件，通過不同專業的協調作業，模擬高層建筑的能源利用情況，以便于及時發現在設計過程中存在的節能問題，為尋找最佳的節能設計解決方案提供可靠的支持。同時，還需要在設計模擬的基礎上，建立高層建筑能耗監測與評估系統，從而了解高層建筑在施工過程中的能源利用情況，使相關工作人員能夠及時發現設計過程中存在的不足，并通過動態解決問題的方式，提升高層建筑節能設計水平[5]。

3.2 加強建筑外觀、幕墻的設計與優化

為了確保建筑外觀、幕墻的設計能夠滿足美觀性與節能性的平衡要求，在設計的過程中應當加強對建筑外觀幕墻的設計與優化。首先，在設計的過程中需要充分考慮高層建筑所在地區的氣候特點、季節變化特點，合理選擇建筑外觀和幕墻使用的建筑材料。從而滿足高層建筑在采光、遮陽、隔熱等多方面的需求。同時，應當積極推廣復合型材料、多層隔熱材料在幕墻設計中的應用，并進一步通過熱工計算和模擬分析，確保高層建筑的幕墻系統能夠滿足不同季節下建筑的節能需求。同時在外觀和幕墻設計的過程中，需要充分考慮到幕墻的透光率和光照角度，在最大化利用自然光線的同時，有效避免光線直射幕墻的現象，并通過合理選擇玻璃類型、窗簾、百葉窗等遮陽裝置，實現對建筑物幕墻光線的控制與調節目的。其次，在幕墻開窗位置、方式的設計過程中，當根據當地的自然條件，合理設計幕墻的開窗方式和開窗位置，盡可能增加自然的空氣流動與通風，并根據建筑結構內部的氣流循環、風道和布局，提升室內外空氣交換的流暢度，以便于提升室內空氣質量，并實現有效的熱量循環。此外，在設計的過程中，還需要充分考慮到幕墻結構剛度、強度、類型對高層建筑節能帶來的不良影響。積極采用防風、防水、耐候性較好的材料，并通過加強幕墻的密封以及防水，使幕墻結構的強度得到有效的保障，并提升其的保溫隔熱性能。

3.3 重視高效節能設備的選型

在高層建筑節能設計的過程中，重視高效節能設備的選型，對于保證節能設計的效果具有非常重要的作用。在選擇相關的設備之前，設計人員需要充分了解不同設備具體的能耗指標，并比較其在使用過程中的能源利用效率、使用壽命、性能等多方面的因素。在有條件的情況下，可以聘請相應的專家、顧問輔助節能設備的選型與評估。在此基礎上，需要確保相關的設備滿足國家能耗標準和規范的要求，確定設備的能耗等級以及參數，使其能夠在實際的使用過程中充分達到節能的使用目的[6]。其次，需要選擇具有智能控制功能的節能設備或者系統，以實現對設備的精確監控、自動調整，從而為節能設備的應用水平提供可靠的支持。例如，根據設備采購成本、性能，綜合評估PLC 控制、變頻控制等控制手段對設備節能水平帶來的影響。并在選用相關設備時，根據具體的節能控制要求，合理選擇照明設備、空調設備、動力設備。例如可以選擇LED 燈具、T8/T5 節能燈管、變頻空調/水泵等設備，在滿足高層建筑實際使用需求的情況下進行精細化的調節，以有效避免設備選型帶來的能源浪費現象，為高層建筑節能設計打下良好的基礎。

3.4 提升建筑能耗的監控與優化力度

對高層建筑能耗的監控，可以確保高層建筑節能設計方案能夠實現不斷的完善與發展。因此在設計的過程中，應當進一步建立完善的建筑能耗監控系統，積極使用各種傳感器、計量儀器，實時監測建筑各部分的能耗數據，并通過定期采集和記錄的方式，獲取建筑能源的使用情況和使用效率，以便于優化高層建筑節能設計方案。并在建筑能耗監控數據的基礎上，進一步展開深入的分析和綜合的評估，找出高層建筑在建設、使用過程中可能出現的問題和潛在的節能空間，并積極使用模擬軟件預測不同方案帶來的節能效果，為優化節能設計提供可靠的數據參考。其次，需要積極采用EMS、BMS 管理系統自動、動態收集建筑工程的運行數據，并及時發現建筑工程在使用過程中可能存在的能耗異常或問題現象。利用相關技術為優化高層建筑節能設計方案提供全面、動態的數據支持，從而不斷改進、優化高層建筑的能耗水平，為高層建筑的可持續發展提供可靠的支持。

3.5 可再生能源的綜合利用

加強高層建筑可再生能源的綜合利用，對于實現高層建筑的節能優化具有非常重要的意義。但在實際應用的過程中，必須考慮到相關技術的應用效果、應用成本，合理選用可再生能源技術，以滿足高層建筑節能設計的要求。在此過程中，首先需要根據高層建筑所處的地區條件，合理使用相應的可再生能源技術，以滿足節能設計的要求。例如在北方太陽輻射較強的區域，可以通過建設太陽能光伏建筑一體化系統，使用光伏幕墻、屋面等方式，提升建筑的能源自給能力，減少高層建筑對能源的依賴。而在西北、沿海等風力較強的區域，則可以合理利用風力發電系統，以滿足高層建筑一定的電能需求。其次，需要進一步考慮到高層建筑的能源互補設計，合理使用儲能技術，提升可再生能源的利用水平，從而有效減少因可再生能源間歇性生產而帶來的技術應用效率不佳現象。

結語：

綜上所述，高層建筑在實現土地資源集約化利用的同時，也進一步提升了建筑整體的能耗水平。為了實現高層建筑的可持續、低碳發展，需要進一步加強高層建筑的節能設計，在充分考慮到高層建筑節能設計需求的基礎上，合理使用相關的方案，綜合提升建筑的節能水平，以滿足高層建筑可持續發展的需求。