零碳排放目標下辦公樓節能環保設計研究

呂明超 李 杰

1. 華東建筑設計研究院有限公司 上海 200011 2. 上海浦東開發（集團）有限公司 上海 201204

零碳建筑備受關注，又稱凈零碳建筑，從某種定性上講，該建筑特指在全生命周期內，利用碳排放減少，達到綠色建筑設計目的。 從定量上看，建筑主體建設中需充分利用節能措施和新型能源，使其達到《近零能耗建筑技術》最高水準。由此可見，將零碳建筑理念和辦公樓設計相結合，可取得理想化效果，發揮辦公樓環保設計最大價值。零碳排放目標下，需深度摸索辦公樓環保設計思路，節能減排的同時，提高辦公樓建設質量。

1 零碳排放目標下建筑特征

零碳建筑的主要特征，可總結為以下幾點：第一是要突出圍護系統的節能指標，提高節能性與環保性，保證建筑整體功能；第二是注重新能源使用，其中要重點發揮可再生能源功能，提高能源利用率；第三實現運營階段的零碳化，提高建筑設計合理性；第四是確保碳排放量達標。這項工作內容既涵蓋“物的行為”，與此同時又囊括了“人的行為”，可重點凸顯建筑的“綠色性能”，該模式下的建筑也被看作是具有被動“節能性能”屬性[1]。在可持續發展目標下，綠色環保走進視線，在辦公樓設計中，應用綠色環保的理念，可提升辦公樓設計品位，確保辦公樓功能實現。零碳辦公樓是指在科學設計理念指引下，辦公的過程中實現節能減排，可以自由享受自然光，享受綠色大自然的氛圍。在目前建筑設計中，節能的雙層幕墻體系相對普及，這種辦公體系的設計，會增加辦公樓使用舒適度，迎合可持續發展理念。

2 零碳建筑常用的技術策略

2.1 建筑本體技術

該技術特指節能設計階段，完成與本地區氣候環境匹配的設計，在實踐中控制建筑體型系數，在此基礎上，減小建筑外圍護面積，在巧妙構思中采用建筑自遮陽策略，減少能源消耗，確保運營用能效率。現實設計中，充分利用自然風，發揮自然資源優勢，結合室內外風壓等，打造建筑節能體系，提高低碳辦公樓設計價值。建筑本體技術，有兩個主要目標，一是提高建筑節能率。選用科學的門窗型材，配置高密封材料，借助材料的科學選擇，降低建筑傳熱系數，實現有效節能設計，達到辦公樓設計最佳目標。二是實現各專業協同設計。具體工作中，實現各專業集成設計，協調各項工作，保障設備、管線關系，確保其與建筑本體接觸合理，利用科學技術，提高建筑空間氣密性。

2.2 建筑微生態技術

微生態技術應用靈活，概括起來就是在微生物技術指導才通過屋面綠化等積極措施，打造建筑微生態，改善辦公環境。實踐環節中提高建筑碳匯，借助合理化方式，降低環境的熱島效應。工作實踐中，通過資源合理配置，提高建筑微生態系統性能，對雨水回收量控制，在此基礎上，提高生態自然水平。輔助高效節能設備，應用技術保障，提高建筑用電效率。實踐環節中，充分利用太陽能等關鍵性可再生能源，構建完整的微型電網，利用核心技術，實現建筑能源需求的自供應，在自給自足同時，合理控制傳統資源消耗[2]。建筑體的設計中充分利用智慧化手段，實現綠色環保技術與“智能管家”控制系統的結合，在科學思路指引下，整合資源利用系統，合理調節室內溫度，借助建筑微生態，實現節約資源目標。

2.3 強化外圍護結構保溫性能

結合現實經驗可知，建筑外圍護結構耗能不容忽視，在節能建筑設計中，優化外圍護結構應該作為重點。外圍護結構耗能原因，來自三方面：外墻、門窗和屋頂。從近幾年看，辦公樓利用復合墻體相對流行。經實踐證實，這種復合墻體性能顯著，使其服役期間能夠對圍護結構隔熱，發揮顯著的保溫作用。利用好外墻的外保溫可優化建筑整體環境，防止冷熱橋現象。與此同時，在屋頂上也需采取周密措施，提高建筑保溫效果。

2.4 門窗節能的措施

傳統辦公樓外墻建筑滿足不了低碳需求，主要原因之一是采用玻璃幕墻，會接連誘發冷熱橋現象。在低碳環保目標下，需提高玻璃隔熱性，滿足辦公室辦公需求。具體實操中，可將傳統玻璃幕墻升級，將其設計成雙層幕墻，提升保溫隔熱性能。與此同時，雙層幕墻的使用可能夠阻斷部分噪音，從而避免外界干擾。現實中，雙層幕墻隔熱效果顯著，因為雙層幕墻結構特殊，在其使用期間，空氣間層被不同方向劃分（水平和垂直），內部氣流循環便不再被干擾，可發揮消音隔音優勢。雙層玻璃幕墻優勢，可總結為以下幾點：首先，該幕墻的隔熱性好。實際應用中，在幕墻的作用下，冬季室內保溫會趨于理想，在夏季還可以隔熱，可謂是冬暖夏涼。其次，該幕墻隔音功能顯著，可有效杜絕噪音，提高節能環保性。再次，優化利用自然采光，確保辦公樓的明亮，根據遮陽系統要求，科學調節室內恒溫，在此基礎上保證辦公樓的環境[3]。最后，實現自然通風條件。研究發現，這種玻璃是雙層的，中間存在空氣壓力差，正是因為如此，不新鮮空氣會被擠壓出，在循環交換中，營造室內清新的環境。

隨著技術的進步，節能玻璃逐漸普及，這種綠色的玻璃產品，其本身反射率很高，相比于普通玻璃，可科學抑制遠紅外熱輻射，阻隔熱輻射透過效果非常明顯。在冬季，該綠色節能玻璃像反射鏡一樣，可把光源反射回室內，利用此種方式，可節約取暖費用，技術應用效果理想。貝丁頓小區BedZED，在采用節能玻璃的基礎上，還可通過被動式太陽房，營造常年舒適溫度。為強化設計效果，窗戶高氣密性設計也是必要的，陽光明媚或少云時，太陽房會發揮作用，完成熱量存儲，夜間溫度降低時，太陽房會將存儲熱量按照系統設計要求釋放出，保持室內宜人溫度。太陽房設計效果圖，如圖1所示。

圖1 太陽房設計效果圖

2.5 設置有效的遮陽條件

零碳辦公樓設計中，設置有效的遮陽條件十分必要，傳統的技術手段是科學應用玻璃幕墻。實踐表明，使用雙層幕墻，并在原始設計基礎上設置遮陽系統，可優化建筑室內環境，恒久保持室內溫度，提升建筑功能性。除了玻璃幕墻外，還可以使用金屬百葉，借此抵擋強光照射。隨著技術的發展，遮陽板技術應用較多。對于北半球來說，辦公樓設計都是窗口南向，基于此在南向窗戶上懸掛性能穩定的遮陽裝置可強化設計效果、持續優化室內環境，借助科學途徑，控制建筑的太陽得熱[4]。

2.6 熱水和電能供應

零碳辦公室設計中，熱水和電能供應也是考慮的重點內容。同樣以BedZED為例，該項目建成初期，為滿足熱水和電能供應的實踐要求，設置生物質熱電廠，借助這樣的方式，將玉米稈、玉米棒子等加工利用，利用生物質發電完成日常所需熱水供給。同時，安裝太陽能電池板，確保電路與電網相連。

2.7 綠化屋頂設計

綠化屋頂打造是良好的低碳節能設計手段，在零碳辦公樓的屋頂可以增設屋頂綠化面積。在實踐環節通過過濾膜、保濕毯、隔根膜以及綜合防水層等作用，組成性能較強的屋頂綠化體系，確保該系統在烈日下，可積極發揮出斷熱與冷卻的作用，強化節能減排效果。研究發現，由于植物的蒸騰作用，能夠將部分熱量帶走，合理發揮降溫作用。除此之外，配合設計滴灌系統，完成設計流量的合理規劃，實現每天 0.5L/d·m2植被保溫，這樣的系統設計，不僅有利于植物生長，還可以起到較好隔熱功效。

2.8 辦公樓自然通風技術

除了上述技術外，還要考慮辦公樓自然通風。結合現有經驗可知，辦公樓建筑自然通風設計，可通過兩種路徑實現。一是改善空氣品質。研究發現，室內空氣品質至關重要，其優劣取決于新風量和新風輸送的通暢度，為此辦公樓自然通風技術需要考慮室外氣流是否順暢問題，不容忽視。二是壓縮空調運行時間。如果室外濕度低，形成的自然通風可在節約耗能的基礎上降低室內溫度，營造舒適的環境，帶走潮濕氣體，借助這樣的方式，實現人體熱舒適，優化辦公環境。

結合調查數據發現，不同自然通風狀態下，人們感到的舒適范圍也有較大的不同，溫度不高于29℃時，同時要確保相對濕度低于80%，溫度高于26℃時（自然通風狀態下）就會感覺悶熱。基于此，為了保證通風的要求，常用的通風技術有：熱壓通風、風壓通風以及風壓與熱壓結合的通風方式。具體實踐中，可通過建筑的平面布置，比如說常用的建筑朝向、門窗位置等，巧妙設計“穿堂風”，改善室內溫度。還可以利用太陽熱能，輔助先進設備，強化自然通風。事實表明，太陽能強化自然通風策略是可以實現的，在建筑構件期間，需要考慮各項因素，主要有屋面太陽能煙囪。除此之外，還需配備Trombe墻以及太陽能空氣集熱器，通過這樣的方式，形成“煙囪效應”。與此同時，為強化自然通風效果，技術手段上可轉換方式，利用計算機模擬通風，計算立體力學CFD的作用，為辦公建筑風環境優化提供科學的參考。

為實現科學通風，BedZED建筑屋頂上利用了巧思安裝了風罩裝置，這些五顏六色風罩在現實使用中構成了效率穩定的自然通風系統。主要原理是由風力驅動屋頂風罩，形成自然通風。如圖2所示，有了這些風罩，即使是微風天氣，室內空氣也可以清新，新鮮空氣可利用風罩前小的開口位置涌進設計好的交換器中，通過交換器進入室內。研究發現，通過自然通風系統，可打造宜居空間，促使空氣流通始終平穩保持。需要強調的是：天氣炎熱時，可通過開啟窗戶等方式，形成對流較強的穿堂風，利用自然通風技術，保持室內涼爽。

圖2 屋頂風罩設計

3 案例分析

某辦公樓為達到綠色節能設計標準，采用了如下技術手段。

3.1 辦公樓導光設計

辦公區域內部為滿足辦公需求，應用開敞式布局。同時為優化室內環境，合理改善內區采光，該項目在屋頂露臺精心設計了5組采光管，借此保障辦公光線充足。通過導光設計，達到75%的功能空間采光標準。具體工作中，可設計疊合BIM模型，明確采光管的數量，確保吊頂下凈高最低滿足設計要求。

3.2 辦公樓氣密性設計

為實現節能環保，辦公樓氣密性設計要明確主要任務，基于建筑整體氣密性科學要求和氣密性劃分單元，需綜合利用多種措施。案例項目中，設計室外側防水透氣膜，并在規劃中增加室內側防水隔氣膜，與此同時采用建筑密封膏嵌縫，并利用有效的發泡聚氨酯將現有縫隙填滿。此外，樓層內樓梯間門等均采用高氣密性內門，借此保障室內環境。氣密性測試時，需確保滿足幕墻氣密性高于4級的要求。需要注意的是，露臺門氣密性要求較高，等級為8級。

3.3 低碳材料的選擇

在低碳辦公樓設計中，材料選擇屬于重點。實操中，需減少鋼筋混凝土等綜合材料的用量，這些高碳結構材料會加劇污染，可用鋼材等材料替代。設法降低建筑材料的隱含碳，提高辦公樓整體效益。內裝和景觀選用需科學，利用玻纖混凝土等材料，因為這類材料屬于低碳可回收建材，應用價值更高。重視再利用建材的保護。零碳辦公樓項目可采用低污染、可回收、健康環保材料作為主要材料。圍護結構與混凝土，完成圍護結構的設計。同時注意門窗幕墻及裝飾裝修的配合，利用雙層玻璃幕墻、防水密封及建筑涂料，提高辦公樓建設質量。配備給排水及水處理設備，搭建太陽房和暖通空調，嚴格認證建材產品，確保設計效果理想。

4 零碳辦公樓設計發展趨勢

4.1 應用環境參數測量和能耗監測系統

未來零碳辦公樓設計趨勢明顯，為滿足技術應用需求，體現節能環保目的，需積極配合搭建環境參數測量系統，并做好能耗的控制。現實應用中，為更好配合其他系統，發揮零碳辦公樓設計優勢，更完美貼合節能減排目標，需應用電子數控技術，開展全方位能耗分析。經研究發現，能耗監控系統功能完善，應用優勢顯著，能夠在監視能耗的同時，對節能方案優化提出合理建議，協助建筑使用情況，智能地做出決策。現實應用中，該系統可實現與水表、燃氣表的直接連接，借此掌握用水、應用煤氣情況，實時監控各風帽設備，全面剖析其狀態、環境狀況等。與此同時，做好收集、記錄，調取系統各設備運行信息，并將信息整理收集，例如：報警信息、能耗情況等[5]。在此基礎上實施綜合分析處理，打通各系統環節，保證各系統設備運轉順暢，順利完成正常操作，發揮理想的作用，得到最優的控制方案。

4.2 應用光伏發電系統

未來的零碳辦公樓設計，將科學普及BIPV非晶硅薄膜，科學打造光伏發電，提高發電系統運行率。太陽能光伏發電系統較為特殊，實際容量約15kW，具體應用中分為光伏屋頂發電以及有效的南立面光伏外墻發電。現階段，鑒于非晶硅電池的應用范圍和表現出的工作能力，需加大非晶硅太陽能電池板系統性研發，在具體工作中進行電池板—體化設計，確保技術應用效果。

5 結論

綜上所述，新時期零碳辦公樓設計成為主要潮流，在節能環保要求下，需應用多種節能技術，例如低碳材料選擇和自然通風技術的應用，實現零碳排放目標。根據本文的描述，可以得出建設性建議，為人性化辦公空間的構建提供有益參考，提升辦公樓設計高度。