高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題及優(yōu)化策略研究

劉芳

關(guān)鍵詞： 高層建筑 節(jié)能設(shè)計(jì) 能源消耗 優(yōu)化策略 室內(nèi)舒適度

中圖分類號(hào)： TU201.5;TU972 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0118-04

高層建筑作為城市發(fā)展的重要組成部分，具有空間利用效率高、人口密度大等優(yōu)勢(shì)，但其能源消耗問(wèn)題亟待解決。在全球變暖和資源短缺的背景下，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)成為一個(gè)緊迫的問(wèn)題。高層建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)涉及諸多復(fù)雜的因素和挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)低層建筑相比，高層建筑面臨著室內(nèi)外溫差巨大、難以解決的熱橋效應(yīng)、供暖與制冷需求的增加以及通風(fēng)與采光的限制等問(wèn)題，這意味著更高的能源消耗。因此，研究高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的問(wèn)題，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略，是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。

1 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 能源消耗劇增

高層建筑由于其較大的體量和復(fù)雜的功能需求，相比傳統(tǒng)低層建筑消耗更多的能源。高層建筑的照明、供暖和制冷等系統(tǒng)需求巨大，導(dǎo)致能源消耗劇增，對(duì)能源供應(yīng)和環(huán)境造成壓力。

1.2 環(huán)境影響顯著

高層建筑所消耗的能源主要來(lái)自化石燃料，其燃燒產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體對(duì)氣候變化和全球暖化貢獻(xiàn)巨大。高層建筑對(duì)環(huán)境的影響不僅體現(xiàn)在能源消耗上，還涉及水資源利用、廢棄物處理和城市熱島效應(yīng)等方面。

1.3 可持續(xù)發(fā)展要求

隨著可持續(xù)發(fā)展理念的提出，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的必要舉措。在全球范圍內(nèi)，各國(guó)都在努力減少溫室氣體排放、降低能源消耗，高層建筑作為能耗大戶必須承擔(dān)責(zé)任。

1.4 經(jīng)濟(jì)效益顯著

高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)不僅有助于減少能源消耗，還能帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)采用節(jié)能措施和技術(shù)，高層建筑可以降低能源成本，提高建筑的競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)營(yíng)效益。此外，節(jié)能設(shè)計(jì)還可以提高建筑的價(jià)值和可持續(xù)發(fā)展認(rèn)可度［1］。

1.5 公眾關(guān)注度提升

能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，人們對(duì)高層建筑的能源消耗和環(huán)境影響越來(lái)越關(guān)注。作為城市的標(biāo)志性建筑，高層建筑在能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面的表現(xiàn)備受矚目。采取節(jié)能措施和推動(dòng)可持續(xù)設(shè)計(jì)，有助于樹(shù)立企業(yè)形象、滿足公眾期望，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

2 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題分析

2.1 熱量傳輸問(wèn)題

高層建筑由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常常存在熱橋效應(yīng)，即導(dǎo)熱性能較高的構(gòu)件或連接部位，導(dǎo)致熱量的異常傳輸。熱橋不僅會(huì)導(dǎo)致能量損失，還可能引發(fā)局部熱不舒適和冷凝問(wèn)題。高層建筑的外墻面積相對(duì)較大，外墻的傳熱對(duì)能源消耗有重要影響。外墻的傳熱主要通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射等方式進(jìn)行，而且隨著高度的增加，外墻所承受的溫度差異也增大，進(jìn)一步加劇了傳熱問(wèn)題。高層建筑的隔熱設(shè)計(jì)需要滿足更高的要求，以降低建筑物與外界環(huán)境之間的熱量交換［2］。然而，一些高層建筑的隔熱性能不足，導(dǎo)致熱量的大量流失，增加了供暖和制冷負(fù)荷。高層建筑中的窗戶是熱量傳輸?shù)谋∪醐h(huán)節(jié)。窗戶的隔熱性能直接影響到室內(nèi)外熱量交換的效果。傳統(tǒng)的單層玻璃窗戶對(duì)熱量的阻擋能力較差，容易導(dǎo)致能量損失。

2.2 供暖與制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題

由于高層建筑的體量較大、熱負(fù)荷復(fù)雜，供暖和制冷系統(tǒng)需要考慮以下方面。

2.2.1 能源效率

高層建筑的供暖和制冷系統(tǒng)需要以高效能源利用為目標(biāo)，通過(guò)采用高效的設(shè)備和系統(tǒng)，減少能源消耗。例如：選擇高效熱泵、換熱器和冷凝器等設(shè)備，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，提高系統(tǒng)的能源利用效率。

2.2.2 負(fù)荷匹配

由于高層建筑的復(fù)雜性和多功能性，供暖和制冷系統(tǒng)需要準(zhǔn)確匹配建筑的熱負(fù)荷需求。通過(guò)精確計(jì)算和分析建筑的熱負(fù)荷，合理配置供暖和制冷設(shè)備，避免過(guò)剩或不足的供暖和制冷能力，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效果。

2.2.3 控制與調(diào)節(jié)

高層建筑供暖和制冷系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)對(duì)于能源節(jié)約至關(guān)重要。采用智能控制技術(shù)，如溫度傳感器、濕度傳感器、自動(dòng)調(diào)節(jié)閥等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)和優(yōu)化運(yùn)行，根據(jù)建筑內(nèi)外環(huán)境變化和需求調(diào)整供暖和制冷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提高能源利用效率。

2.2.4 分區(qū)控制

高層建筑常常存在不同區(qū)域的熱負(fù)荷差異，因此，采用分區(qū)控制是提高供暖和制冷系統(tǒng)效能的重要策略。通過(guò)將建筑劃分為不同的區(qū)域，為每個(gè)區(qū)域提供獨(dú)立的供暖和制冷控制，根據(jù)需求進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)和控制，避免不必要的能源浪費(fèi)。

2.2.5 能源回收利用

高層建筑供暖和制冷系統(tǒng)可以采用能源回收利用技術(shù)，如余熱回收、地源熱泵等，將廢熱或廢冷能轉(zhuǎn)化為可再利用的能源，減少能源浪費(fèi)［3］。

2.3 采光與通風(fēng)問(wèn)題

首先，高層建筑由于面積大、樓層多，部分內(nèi)部空間容易受到周圍建筑、其他樓層的阻擋而無(wú)法獲得足夠的自然采光。這會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空間過(guò)度依賴人工照明，增加了能源消耗。其次，高層建筑由于安全和結(jié)構(gòu)考慮，窗戶的開(kāi)啟面積和方式受到一定限制。這可能導(dǎo)致通風(fēng)效果不佳，室內(nèi)空氣流通不暢，增加了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷。此外，高層建筑在采光設(shè)計(jì)時(shí)需要平衡熱量收益和損失。大量的窗戶和玻璃立面可能導(dǎo)致夏季陽(yáng)光輻射過(guò)熱，增加冷卻負(fù)荷，而冬季可能導(dǎo)致熱量散失，增加供暖負(fù)荷［4］。最后，高層建筑中不同樓層之間的通風(fēng)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。樓層之間的壓力差異、氣流分布和空氣流通路徑需要合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度。

3 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

3.1 熱阻設(shè)計(jì)和隔熱材料應(yīng)用

通過(guò)合理設(shè)計(jì)建筑的熱阻和選擇適當(dāng)?shù)母魺岵牧希梢詼p少熱量傳輸，提高建筑的能源效率。

3.1.1 建筑外墻隔熱

選擇高效隔熱材料并進(jìn)行合理的外墻隔熱設(shè)計(jì)。

常用的隔熱材料包括聚苯板、巖棉、玻璃棉等。通過(guò)在外墻內(nèi)側(cè)或外側(cè)添加隔熱材料，可以降低建筑外墻的熱傳導(dǎo)，減少室內(nèi)外溫度差異，從而降低供暖和制冷的能耗。

3.1.2 屋頂隔熱

在建筑屋頂采用隔熱材料進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，以減少熱量從屋頂傳輸?shù)绞覂?nèi)或室外的損失。常用的屋頂隔熱材料包括聚氨酯泡沫、擠塑聚苯板等。同時(shí)，可以采用反射性屋頂材料或涂料，將太陽(yáng)輻射反射出去，減少熱量吸收。

3.1.3 窗戶隔熱

窗戶是建筑中熱量傳輸?shù)闹饕ǖ乐弧２捎玫蛯?dǎo)熱系數(shù)的窗戶框架材料和雙層或多層隔熱玻璃，可以減少窗戶的熱傳導(dǎo)和熱輻射，提高窗戶的隔熱性能。此外，采用窗簾、百葉窗或隔熱膜等遮擋物，可進(jìn)一步減少熱量的傳遞。

3.1.4 地板隔熱

在地板部分采用隔熱材料進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，可以減少地板與地下室或地下空間之間的熱傳導(dǎo)。常用的地板隔熱材料包括聚苯板、擠塑聚苯板等［5］。

3.1.5 隔熱材料選擇

在選擇隔熱材料時(shí)，需要考慮材料的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度、耐久性和環(huán)保性能。優(yōu)選低導(dǎo)熱系數(shù)的材料，并確保其良好的隔熱性能和持久性。

3.1.6 熱橋處理

熱橋是導(dǎo)致能量損失的重要因素，特別是在高層建筑中更為明顯。通過(guò)在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中避免或減少熱橋的形成，可以有效降低能量傳輸，提高隔熱性能。例如：在結(jié)構(gòu)連接處采用隔熱材料或斷橋技術(shù)，避免冷熱橋的形成。

3.2 高效供暖與制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 采用高效供暖系統(tǒng)

采用能效高的供暖設(shè)備，如高效燃?xì)忮仩t、地源熱泵等，以提高供暖效果并降低能源消耗。將建筑內(nèi)部分為多個(gè)供暖區(qū)域，通過(guò)分區(qū)控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同區(qū)域的需求調(diào)整供暖溫度和供暖時(shí)間，避免能量浪費(fèi)。利用供暖系統(tǒng)中產(chǎn)生的余熱，進(jìn)行熱能回收利用，如預(yù)熱供應(yīng)熱水等，減少能源消耗。

3.2.2 采用高效制冷系統(tǒng)

采用能效高的制冷設(shè)備，如高效制冷壓縮機(jī)、吸收式制冷機(jī)等，以提高制冷效果并降低能源消耗。利用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整制冷設(shè)備的運(yùn)行頻率和負(fù)荷，提高能效和運(yùn)行穩(wěn)定性［6］。通過(guò)優(yōu)化制冷劑的循環(huán)系統(tǒng)，減少制冷系統(tǒng)的壓降和流動(dòng)阻力，提高制冷效率。在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，利用自然通風(fēng)和換熱技術(shù)來(lái)降低室內(nèi)溫度，減少對(duì)制冷系統(tǒng)的依賴，節(jié)省能源。

3.2.3 采用智能控制系統(tǒng)

利用智能化的控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)建筑內(nèi)部的溫度、濕度和室外氣象條件等參數(shù)，精確控制供暖和制冷設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能耗的最優(yōu)化。基于歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)模型，通過(guò)預(yù)測(cè)室內(nèi)外溫度變化和用能需求，優(yōu)化供暖和制冷系統(tǒng)的運(yùn)行策略，提前調(diào)整設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，避免能量浪費(fèi)。

3.3 采光與通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

采光與通風(fēng)系統(tǒng)在高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)中起著重要的作用。

3.3.1 采光系統(tǒng)優(yōu)化

通過(guò)合理布局窗戶和增加采光面積，最大程度地利用自然光線，減少對(duì)人工照明的需求。選擇高效玻璃，如低輻射玻璃、太陽(yáng)能控制玻璃等，可以控制室內(nèi)外熱量傳輸和紫外線透過(guò)，同時(shí)提供良好的采光效果。采用遮陽(yáng)裝置，如百葉窗、窗簾、隔熱膜等，可調(diào)節(jié)室內(nèi)光線強(qiáng)度，減少日曬照射，提高采光的舒適性和效果。

3.3.2 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化

結(jié)合建筑朝向、氣候條件和周圍環(huán)境，進(jìn)行自然通風(fēng)設(shè)計(jì)。采用可開(kāi)啟的窗戶、通風(fēng)孔和風(fēng)道系統(tǒng)，利用自然氣流進(jìn)行室內(nèi)空氣的流通和換氣，降低對(duì)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的依賴。若需要機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，選擇高效的通風(fēng)設(shè)備，如能效高的風(fēng)機(jī)、熱交換器等，減少能源消耗。合理配置排風(fēng)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)，確保室內(nèi)空氣的污染物排出和新鮮空氣的供應(yīng)，提高室內(nèi)空氣質(zhì)量。引入智能控制系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)外溫度、濕度和二氧化碳濃度等參數(shù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)通風(fēng)設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能與舒適的平衡。

3.3.3 綜合設(shè)計(jì)考慮

合理設(shè)計(jì)建筑外立面，考慮采光和通風(fēng)的需求。采用適當(dāng)?shù)耐鈮Σ牧稀⒄陉?yáng)裝置和通風(fēng)孔等，以提高室內(nèi)的自然采光和通風(fēng)效果。利用光照與通風(fēng)模擬軟件，對(duì)建筑進(jìn)行仿真分析，評(píng)估不同設(shè)計(jì)方案的采光與通風(fēng)性能，指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)決策。

3.4 建筑外圍設(shè)施優(yōu)化

第一，絕緣外墻。采用絕緣外墻材料，如外墻保溫系統(tǒng)、外墻隔熱材料等，提高建筑外墻的隔熱性能，減少熱量傳輸和能量損失。第二，屋頂綠化。在高層建筑的屋頂設(shè)置綠化層，種植植被，形成綠色屋頂。綠色屋頂可以提供降溫效果，減少室內(nèi)外溫差，降低空調(diào)負(fù)荷，節(jié)約能源［7］。第三，太陽(yáng)能利用。在建筑外圍安裝太陽(yáng)能光伏板或太陽(yáng)能熱水器，利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能或熱能，為建筑供電或供熱，減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴。第四，雨水收集與利用。設(shè)置雨水收集系統(tǒng)，將雨水儲(chǔ)存起來(lái)并用于灌溉、沖廁等非飲用水需求，減少自來(lái)水的使用，實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約［8］。第五，風(fēng)能利用。利用建筑外圍的風(fēng)能資源，安裝風(fēng)力發(fā)電設(shè)備，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，為建筑供電，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗。第六，智能照明系統(tǒng)。采用智能照明系統(tǒng)，通過(guò)感應(yīng)器、調(diào)光裝置等技術(shù)，根據(jù)室內(nèi)外光線狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度，減少能源浪費(fèi)。第七，耐候材料選擇。選擇耐候性能良好的建筑外圍材料，如耐候鋼材、耐候性涂料等，減少外圍設(shè)施的維護(hù)頻率和成本，延長(zhǎng)使用壽命。通過(guò)優(yōu)化建筑外圍設(shè)施，可以降低能量消耗，改善室內(nèi)舒適度，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生積極影響，實(shí)現(xiàn)高層建筑的節(jié)能與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

4 高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)實(shí)施案例分析

某綠色高層建筑項(xiàng)目是一座位于城市中心的綠色高層建筑，擁有商業(yè)辦公和住宅區(qū)域。項(xiàng)目的目標(biāo)是打造一個(gè)環(huán)保、節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展的建筑，并提供舒適的室內(nèi)環(huán)境。該項(xiàng)目在節(jié)能設(shè)計(jì)和可持續(xù)發(fā)展策略方面利用了可再生能源，在建筑的屋頂安裝太陽(yáng)能光伏板，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能供給建筑使用，并減少對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴。同時(shí)，設(shè)置風(fēng)力發(fā)電裝置，利用建筑周圍的風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)化為電能，降低對(duì)傳統(tǒng)能源的消耗［9］。

在設(shè)計(jì)供暖和制冷系統(tǒng)時(shí)采用地源熱泵系統(tǒng)，利用地下的穩(wěn)定溫度，通過(guò)地源熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供暖和制冷，提高能源利用效率。并使用高效節(jié)能的供暖設(shè)備，如高效熱水鍋爐、熱泵熱水器等，減少能源浪費(fèi)。

在智能節(jié)能控制系統(tǒng)方面，采用了室內(nèi)智能照明控制，引入智能照明系統(tǒng)，根據(jù)光線狀況和人員活動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度，減少能源浪費(fèi)。同時(shí)采用智能空調(diào)控制，利用智能傳感器和自動(dòng)控制系統(tǒng)，根據(jù)室內(nèi)外溫度、濕度等參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。

通過(guò)上述節(jié)能設(shè)計(jì)和可持續(xù)發(fā)展策略的應(yīng)用，該綠色高層建筑項(xiàng)目取得了顯著的效果。與傳統(tǒng)建筑相比，該綠色高層建筑項(xiàng)目的能源利用效率顯著提升，能耗降低了30%，大大減少了能源消耗。通過(guò)利用可再生能源和高效能源系統(tǒng)，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了大幅減少碳排放的目標(biāo)。與傳統(tǒng)建筑相比，碳排放量減少了40%，對(duì)環(huán)境的影響得到有效控制。這一案例為其他高層建筑項(xiàng)目提供了有益的借鑒和啟示，促進(jìn)了城市可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題的分析和優(yōu)化策略的研究，提出了一系列針對(duì)高層建筑的節(jié)能措施。這些措施旨在降低能源消耗、提高能源利用效率和改善室內(nèi)舒適度。通過(guò)實(shí)施這些優(yōu)化策略，可以有效減少高層建筑的能源消耗，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。然而，高層建筑節(jié)能設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面的問(wèn)題，需要在設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)的各個(gè)階段綜合考慮，不斷進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。未來(lái)的研究可以進(jìn)一步探索新技術(shù)和方法，以提高高層建筑的節(jié)能性能和可持續(xù)性。