基于围护结构的夏热冬暖地区超高层建筑节能研究

（阿特金斯顾问（深圳）有限公司上海分公司 上海 200003）

1 超高层建筑简介

不同国家对超高层建筑的定义不同，联合国在1972年举办的国际高层建筑会议上将40层以上或者建筑高度超过100m的建筑称之为超高层建筑，日本将15层以上建筑定为超高层建筑。我国在现行国家建筑规范和行业标准中对超高层建筑有一定的说明，一般情况下从建筑的总高度来定义超高层建筑；特殊情况下从建筑不规则程度来定义超高层建筑。

虽然超高层建筑节约了土地和市政设施，同时也是城市景观，但其所带来的高层综合症、交通压力、高能耗以及成本的增加也对建筑设计和施工提出了更高的要求。当高度超高300m之后，建筑的实用率、成本、室内环境、安全性以及物业管理都会发生新的变化，消防楼梯的增加、避难层的设计，对抗风、抗震要求的提升所带来的成本大量增加，可燃性材料增加、人员疏散以及后期维护管理费用高等一系列问题都接踵而至，节能研究刻不容缓。

2 超高层建筑节能现状及工程实例

超高层建筑耗能大，其能耗往往是一般建筑的6～8倍。而且超高层公共建筑的节能标准还不完备，进行相应设计时无参数去比照，所以在设计上实施节能有一定难度。现有的建筑节能设计标准中很多都不适用于超高层建筑，比如通风、遮阳等标准，且超高层建筑对于抗风、抗震这类的要求也会更高，这些问题标准都还没有细化。此外，能耗模拟软件的设计尚未完善，建筑物在整体建模上的能耗模拟评价方法受到限制，软件所能计算的范围根本达不到超高层建筑，技术层面不达标，想要开展超高层建筑的节能工作更是难上加难。很多在普通建筑上推广的节能手段也难以在超高层建筑中实施，如在夏热冬暖地区普遍推荐的建筑外遮阳和自然通风设计，在实际超高层建筑工程实践中的落实具有相当大的难度。本文结合实际超高层建筑设计工程实例，通过被动式建筑节能策略的分析，在围护结构方面对项目提出节能设计建议。

2.1 项目背景与节能研究工作介绍

本实例对某个位于深圳地标性超甲级办公楼进行节能研究，它的塔楼高度约400m，属于典型的超高层建筑。包括办公，会客接待，宴会，美术馆及配套设施之类的建筑功能。本实例采用根据项目建筑100%的初步设计阶段图纸和机电各专业的初步方案的技术路线，建立用于分析对比各节能设计策略可行性及量化节能以及预测各类节能设计的节能量的计算机仿真模拟能耗模型。

围护结构的热工性能影响室内的冷热负荷和采暖空调能耗。项目作为地处夏热冬暖地区的超高层办公楼建筑，通过围护结构的太阳辐射以及来自室外酷热空气的传热占较大的比例。所以建筑节能研究的其中一个工作重点是要进一步对围护结构的热工参数进行敏感度分析，以了解各主要热工参数对建筑全年能耗的影响权重，详见表1、表2、表3、表4。并结合造价成本，制定最为合理的技术经济围护结构热工参数设计控制指标。

通过基于建筑全年能耗模型的围护结构热工参数敏感度分析结果可知，对于在夏热冬暖气候区的超高层办公建筑，降低幕墙整窗的传热系数、遮阳系数和外墙的传热系数都可以降低建筑全年的采暖及空调的总能耗。但如果需要达到《GBT50378绿色建筑评价标准》中绿色超高层建筑评价技术细则中优选项5.3.1中要通过围护结构热工参数的优化而使建筑全年的采暖空调能耗降低3%的要求，围护结构热工参数至少需要达到：幕墙整窗K=1.6W/m2K、SC=0.29，外墙K=0.6W/m2K；该要求对建筑的玻璃幕墙和外墙保温的要求非常高，在夏热冬暖气候地区，结合建筑幕墙的增量造价等因素综合考虑的话，一般是不建议实施的。

2.2 可开启窗专项论证分析

项目所在地的建设主管部门在本项目设计阶段严格执行一项当地的技术规范，其中对建筑的可开启窗或透明幕墙的可开启面积比例，有强制性的要求。

这对于本项目高度为400m的高端写字楼项目来说，对其建筑设计，幕墙设计，建设成本以及后期的安全的物业运营管理来说，都带来了不少的难题。

针对此问题，笔者所在的节能顾问团队专门进行了相关的专项技术分析，以支持建设方及项目的设计团队完成关于本项目降低可开启比例的专项论证。

（1）建筑表面风压分析。作为该专项研究的第1步，首先需要建立项目所在区域内的风环境分析模型，结合项目周边地形及分析区域内周边项目的体量信息，以及项目所在地的各季节风速风向参数，进行基于计算流体力学（CFD）模拟的室外风环境及建筑表面风压分析。

由风环境模拟分析可知，夏季平均风速200m以上部分迎风面和背风面压差超过40Pa，300m以上压差超过150Pa；冬季平均风速，冬季主导风为东北风，受迎风面2个高层建筑物遮挡，本项目50～200m高度的迎风背风面前后压差介于50～70Pa之间，300m以上高度的前后压差最大可达200Pa；过渡季目标建筑100m以上迎风面和背风面的建筑物表面压差大，超过50Pa，200m以上压差超过150Pa。

表1 幕墙整窗的传热系数能耗影响敏感度分析

表2 幕墙玻璃的遮阳系数能耗影响敏感度分析

表3 外墙传热系数能耗影响敏感度分析

表4 围护结构热工参数组合能耗分析

（2）室内风环境模拟。假设项目按照当地节能规范，每层均设计10%的可开启面积，那么在100m以上选择有代表性的标准层通过自然通风模拟软件进行室内风环境模拟，100m以上楼层如开启10%的幕墙面积，则将会有超过50%左右的办公区域风速大于1.5m/s，会有明显吹风感；与此同时，建筑内环区呈现静风状态，在室内温度升高时会导致闷热的不舒适感，并达不到通过自然通风改善舒适性的目的；局部区域的风速甚至大于3m/s风速，完全不适合于办公等一般静态性质的工作，室内环境稳定度会因通风流量无法维持恒定而降低整体舒适性。

（3）建议方案及优势分析。综合超高层可开启窗的安全性，对工程造价影响和日后物业管理运维的实际操作难度，并结合通过CFD模拟的技术，采用该技术后室内环境舒适性的模拟分析结果，本项目的可开启窗设计策略为：在100m以下楼层，按占10%幕墙透明面积的比例均匀分布高侧窗；100m以上不设可开启部分。为应对地方节能规范的过渡季节通风要求，综合考虑过渡季节加大新风量运行空调系统的节能效益分析，改为提高机械通风系统的最大设计通风量，从原来的1.1ACH提高到3ACH，新风口分段设置并设置在所服务分区的最高楼层。

3 进一步的思考

在超高层建筑设计过程中虽然随着高度的升高，建筑节能设计的挑战不断增加，但同时建筑外部微气候也随之变化，越来越多的工程师和建筑师意识到可以从外部微气候中入手，进行节能设计，比如室外空气中的湿度会随着高度的升高而下降，对于地处炎热潮湿气候带的超高层建筑来说，也是一个额外的节能设计机会。降低除湿能耗，也可以更长时间地运行空气侧经济。然而，要通过建筑物理分析的手段在设计阶段量化分析这些节能机会的效果，仍存一些挑战。目前主流常用的建筑性能分析气象数据多为近地面气象数据，尚缺乏权威性的、随高度变化的逐时气象数据；目前主流的能耗模拟分析软件未能成熟地模拟建筑外部的微气候环境随高度而发生的变化等。

我国的超高层建筑起步虽晚，但发展速度很快，已建成的超高层建筑也日益增多，可进行研究的样本也不断增多。本实例根据全年能耗以及冷负荷构成，分析了解到地处夏热冬暖地区的超高层办公楼建筑通过围护结构的太阳辐射以及来自室外酷热空气的传热占较大的比例，并在此基础上进行相关节能方面的研究。随着大数据等技术的迅猛发展，通过能耗分析模拟，未来或许可以形成能够进一步指导超高层建筑项目设计的基础数据，完善超高层公共建筑的节能标准，从而更好地完成超高层建筑的节能设计。