上海地区超低能耗办公建筑方案设计要点研究

杨珅菡 刘羽岱

1 上海临港科技创新城经济发展有限公司

2 华东建筑设计研究院有限公司

0 引言

超低能耗建筑作为节能建筑的高级形态，是建筑领域实现碳中和、碳达峰的重要抓手，已成为普遍共识。近年来，超低能耗建筑，尤其是住宅类超低能耗建筑，国内学者研究较多[1-4]，但是公共建筑，尤其是大体量的玻璃幕墙办公建筑，研究相对较少[5-7]。

从2021 年起，伴随着相关政策的出台，超低能耗建筑在上海如火如荼的开展。其中住宅类超低能耗项目占到了通过方案评审数量的90%以上。相比之下，公共建筑超低能耗的发展，却显得不温不火。究其原因，一方面，相比于住宅建筑来说，公共建筑，尤其是大体量玻璃幕墙体系的办公建筑，超低能耗技术实施难度大，成本高。另一方面，上海针对公建出台的资金扶持政策，力度还不够有吸引力。

建筑方案设计对建筑能耗有决定性的影响，诸如建筑体形、朝向、空间布局、窗墙比、遮阳形式基本都是在方案阶段确认。在设计管理中，如何从方案阶段就兼顾成本限额、结合造型美观，满足超低能耗建筑的技术要求，有预控的开展设计和设计优化，往往能在降低建筑能耗和控制成本方面起到事半功倍的效果。因此，本文以上海地区超低能耗办公建筑方案设计为例，研究其设计要点。

1 超低能耗建筑在上海地区的发展状况

1.1 技术标准

我国自2010 年以来，在不同气候区开展了一系列的超低能耗建筑示范项目建设，取得了良好的应用效果。目前国内已逐步建立起超低能耗建筑的标准体系[8-9]，包括国家标准、地方标准、团体标准。2019 年，上海市发布了《上海市超低能耗建筑技术导则》（试行）（下文简称导则）。根据导则对超低能耗建筑的定义，超低能耗建筑是指适应气候特征和场地条件，在利用被动式建筑设计和技术手段大幅降低建筑供暖、空调、照明需求的基础上，通过主动技术措施提高能源设备与系统效率，以更少的能源消耗提供舒适室内环境的建筑，其供暖、空调、照明、生活热水、电梯能耗水平应较2016 年建筑节能设计标准降低50%以上。

图1 超低能耗建筑的节能水平示意

1.2 超低能耗建筑的特点

将导则与上海当前常规做法进行对比，汇总如表1 所示。

表1 上海现行节能设计措施与超低能耗措施对比

可以看出，超低能耗建筑在围护结构方面有了显著的提升，尤其是针对门窗和玻璃幕墙部分，直接要求从两玻中空构造上升到三玻两腔以上，这也是超低能耗增量成本最大的地方。

1.3 超低能耗建筑的相关政策

2020 年3 月，上海市发布的《上海市建筑节能和绿色建筑示范项目专项扶持办法》（沪住建规范联〔2020〕2 号），将超低能耗建筑纳入补贴范围，建筑面积要求为0.2 万m2以上，补贴标准定为300 元/m2（600 万封顶）。2020 年12 月发布《关于推进本市超低能耗建筑发展的实施意见》，对符合条件要求的超低能耗建筑给予3%容积率奖励。超低能耗建筑项目只能选择财政支持或容积率计算中的一项进行申报。

2 超低能耗办公建筑方案设计核心要点

超低能耗的约束范围限定在采暖空调、照明、热水、电梯，这些能耗是建筑能耗中的主要因素，也是开展节能设计的重点。依据导则，公共建筑达到上海市超低能耗建筑技术要求，相关室内环境和建筑能耗控制指标要求如表2 所示。

表2 上海超低能耗公共建筑指标要求

从表2 可以看出，除了常规的温湿度、新风量、建筑气密性和建筑能耗外，上海市的超低能耗建筑技术标准，还适应上海地区气候特点和本地生活习惯，提出了自然通风和自然采光的指标要求。办公建筑需要根据物业的租售策略、在方案设计阶段来优化和处理，在被动式节能设计、方案效果以及经济成本之间找到平衡点。

3 办公建筑超低能耗方案设计要点

3.1 超低能耗对办公建筑方案立面的影响

超低能耗对办公建筑方案设计的影响，主要体现在三方面：窗墙比控制，遮阳系统设计以及外窗开启扇比例。

1）合理选择立面窗墙比

根据导则设计要求，不鼓励设置大面积玻璃幕墙。其控制方式是通过固定参照建筑的窗墙比（40%），当实际设计建筑的窗墙比偏离参照建筑越大，其能耗降低的难度就越大，投入就越高。超低能耗建筑全年累计耗冷热量降低幅度也需要对窗墙比进行控制。然而，导则中又对自然通风和自然采光有要求，以使得75%的建筑空间采光系数达标。因此，无论是提高窗墙比，还是提高外窗玻璃的透光率，抑或提升外窗气密性，都需要在采光与能耗之间找到平衡。

选取临港科技创新城A0302 地块项目典型的科研办公建筑为例，建筑平面长宽尺寸分别为54 m 和30 m，采用核心筒设计，建筑进深为10.5 m。使用PKPM 模拟软件，计算2 到12 层的办公楼面，设置参数为玻璃幕墙的可见光透射比0.50，墙体反射比0.6，地面反射比0.3，吊顶反射比0.75，通过调整玻璃幕墙系统中不透光部分的尺寸来改变窗墙比。由图2 可以看出，采光系数达标面积比例随着窗墙比的降低而下降。当窗墙比为0.4 时，达标面积比例为46.9%，不满足导则中75%的功能空间采光系数需满足现行国家标准《建筑采光设计标准》GB50333 的要求。因此，从满足自然采光系数的角度，也建议窗墙比控制在50%左右。

图2 窗墙比对采光系数的影响

2）合理选择立面遮阳方式

上海属于典型的夏热冬冷地区，夏季太阳辐射较强，建筑遮阳对供暖空调负荷和能耗有重要影响。玻璃幕墙作为一种美观、通透的建筑墙体装饰方法，是现代主义高层建筑时代的显著特征。针对玻璃幕墙的遮阳设计，主要考虑以下几方面的建议：1）玻璃幕墙的遮阳系数，应该结合能耗模拟的计算结果来确定。2）相比于窗墙系统，玻璃幕墙的遮阳系数计算方法是不一样的。窗墙体系可以计入窗框的遮阳效果，从而可以放宽对玻璃遮阳的要求。玻璃遮阳系数不能无限制的降低，过低的遮阳系数难以获得较高的可见光透射比，需要与采光计算协调。3）对于窗墙体系而言，外遮阳卷帘、中置百叶等具备一定的可能性。玻璃幕墙体系下，活动外遮阳或者中置遮阳的可能性较小，可调百叶较难为建筑方案设计师和建设单位接受。4）玻璃幕墙的遮阳系数要综合考虑外立面造型，原则上优先降低玻璃自身的遮阳系数（采用三银或双银），在结合立面造型构件设置外遮阳时，还需要考虑遮阳对采光的影响。

本文以临港科技创新城A0302 地块项目东北侧3 栋建筑为例，考虑当地太阳辐射和周围建筑的遮挡影响，采用基于rhino 和grasshopper 平台的计算插件ladybug 来模拟建筑的太阳辐射分布。计算结果如图3所示，建筑群东南、西南面年太阳辐射较强，需考虑设计遮阳措施。

图3 建筑外表皮太阳辐射强度分布

水平遮阳板和竖向遮阳板的遮阳模拟结果如图4和图5 所示。在每层(4.5 m 间隔)提供水平遮阳板，经过模拟计算论证，遮阳板进深达到0.8 m 时，可将立面太阳辐射整体降低20%。提供竖向遮阳板的情况下，遮阳板间隔4.5 m。经过计算论证，遮阳板进深达到0.8 m，建筑立面年太阳辐射整体降低15%。对于设置水平遮阳板的玻璃幕墙外立面，受限于楼层间距，遮阳板间隔较大。对于设置竖向遮阳板的玻璃幕墙外立面，可结合玻璃扇面缩小遮阳板间距。此外，还可以结合立面造型，来优化遮阳设计，如采用内凹嵌的玻璃幕墙，也可取得一定的遮阳效果。

图4 遮阳板长度对太阳辐射的影响

图5 遮阳板长度、间距对太阳辐射的影响

3）幕墙开启扇设计

良好的自然通风会延长非采暖空调时间，从而降低采暖空调需求和能耗。外窗开启有利于自然通风换气，但考虑其冬季气密性、外观美观性等原因，一般需要在可开启数量与通风效果之间寻找较为合适的平衡点。玻璃幕墙开启扇成本较高，可开启的面积比例建议根据CFD 模拟计算结果进行优化论证。

以临港科技创新城A0302 地块项目典型办公建筑为例，设计不同可开启扇比例和间距下的工况，讨论自然通风换气次数的效果。本文使用PKPM 模拟软件中的自然通风模块进行模拟计算。计算边界条件设置为上海市过渡季节室外风环境计算气象参数，风速3.8 m/s，风向ESE。模拟结果如图6 所示，建筑平面布局较简单，遮挡较少，自然通风良好，当可开启扇比例降低至1.3%，也可以满足75%以上的功能空间在过渡季典型工况下室内自然通风换气次数达到2 次/h 的要求。但办公空间整体气流组织分布不均匀，影响办公人员舒适度。因此建议，玻璃幕墙的开启扇比例大于3%，开启扇的设置间隔为6～8 m。

图6 可开启扇比例对自然换气次数的影响

3.2 超低能耗对方案成本的控制分析

超低能耗方案设计的成本控制需要结合建筑立面效果，优化控制窗墙比、遮阳构件形式和开启扇数量。一方面，玻璃幕墙的造价远高于实体墙。另一方面，窗墙比相对较小时，对玻璃幕墙的热工性能参数要求也相对较低，可以大幅降低成本。与常规设计方案不同，超低能耗建筑的办公建筑方案设计，需要借助建筑性能模拟软件来优化建筑的被动式设计，精细化指导立面造型的设计方向，在保证满足导则要求下，尽可能满足经济性。

4 总结及展望

超低能耗办公建筑的设计方案，应该在方案阶段就开始介入，并引起足够重视。办公建筑方案设计时应该重点考虑超低能耗对建筑方案的影响，重点关注窗墙比、立面遮阳形式和开启扇的优化布置，在满足建筑方案的美观性与经济性的基础上选择平衡点，采用基于建筑性能化分析的手段进行精细化设计，可以大幅降低超低能耗的增量成本。