高层建筑节能设计问题及优化策略研究

2022-12-27黄文虎

中国建筑装饰装修 2022年20期

黄文虎

高层建筑是我国建筑工程中的重要组成部分，其能耗问题一直备受关注[1]。以往高层建筑节能主要考虑建筑采暖保温问题，一般情况下采取冷暖设计，会消耗大量的物质资源，严重阻碍了我国建筑业节能减排的进程。合理设计高层建筑节能，能为人们提供良好的居住、工作环境，保障能源的科学应用和有效性，降低高层建筑的能源消耗[2]。

1 高层建筑能耗分析及其节能设计要求

1.1 高层建筑能耗分析

与一般建筑相比，高层建筑具有层数多、总建筑面积大、建筑密度低、容纳人数多、室内环境要求高以及电气设备多等特点，这表明高层建筑日常耗电量以及建筑工程实施所消耗的能源量较大[3]。为了响应可持续发展和节能减排要求，需要在高层建筑设计、施工以及运行过程等各个阶段遵循节能环保的要求。

据统计，目前高层建筑运行过程中能耗最大的是空调设备，约占总能耗的50%，其次是照明设备，约占总能耗的20%，其他能耗设备、办公、生活用电设备各占10%。高层建筑设计是控制能源消耗的重要阶段，也是高层建筑施工和运行的重要基础。因此，高层建筑节能设计不仅要考虑规范和政策要求，还要从整体上考虑施工和运行中节能减排的需求。

1.2 建筑节能设计要点

建筑能耗主要受外部环境影响和制约，其中气候条件是建筑节能设计中需要考虑的重要因素。

首先，在建筑节能设计过程中，设计人员应充分了解和掌握不同地区的气候环境变化情况，从建筑整体规划、建筑朝向、建筑功能以及室内环境调控设备等方面进行设计。例如，在寒冷地区，节能设计应满足冬季保温要求；而夏热冬冷地区，不仅需要考虑冬季保温，还应考虑夏季防暑隔热要求。

其次，在建筑结构和外形设计方面，不仅需要把控建筑体型系数，合理设置窗墙比，提高建筑隔热保温效果，还要充分考虑建筑内部空间布局和外立面，满足建筑使用功能和日照、通风要求[4]。

最后，建筑节能设计在降低建筑能耗的同时，还应满足人们对室内环境舒适性的要求。由此可见，建筑节能设计应遵循相应的规范要求，合理设置建筑整体规划，其中包括建筑层高、体系系数、功能布局、建筑朝向以及可再生能源利用等。

1.3 高层建筑节能设计要求

根据建筑节能设计要点，结合高层建筑特点，归纳高层建筑节能设计基本要求。相比一般建筑，高层建筑节能设计需要考虑的因素更多[5]。

首先，设计人员应充分了解高层建筑整体结构形式和组成，根据实际情况和规范要求确定相应的节能设计方案，为降低能耗、提高能源利用率提供准确的指导，从而实现高层建筑的可持续发展。

其次，设计人员应适当地优化高层建筑节能设计程序，将节能设计与高层建筑设计向融合。同时，在高层建筑节能设计过程中，应充分了解节能环保技术、设备以及新型环保节能材料，结合实际情况和项目要求，将这些新技术、新材料、新设备引入高层建筑设计中，提高高层建筑能源利用效率，减少高层建筑能耗。

最后，将节能减排意识培养纳入高层建筑设计人员培训中，健全设计人员培训制度和体系，增强设计人员的环保意识，充分认识到节能环保的重要性，同时提升高层建筑设计人员的整体素质，减少人为干扰。

2 高层建筑节能设计常见问题

节能设计是实现高层建筑节能减排的根本途径。由于高层建筑节能设计尚处于发展初期，因此在节能设计过程中还存在很多亟待解决的问题。目前，高层建筑节能设计的问题主要集中在可再生能源利用率低、结构节能设计不合理以及节能环保材料应用不足这3 个方面。

2.1 高层建筑可再生能源利用率低

目前，高层建筑设计主要考虑经济性和安全性，在节能设计方面欠缺考虑。在节能设计过程中，由于高层建筑能源消耗前期数据统计不足，对实际能源消耗状况又缺少有效的数据分析，往往只能按照经验数据或一般建筑节能规范要求进行设计，无法满足不同地区节能减排的要求。另外，在一些高层建筑实际使用过程中，经常出现室内环境调控设备长时间运行的情况，势必造成能源消耗超标，增加建筑能耗和碳排放量。这些问题严重影响了高层建筑节能减排效果和可持续发展。

随着新能源技术的不断发展，许多可再生能源技术得到广泛应用，如风能、地热能、空气源热泵、太阳能等，这些可再生能源可以有效缓解高层建筑的能源需求，降低建筑碳排放量。然而，高层建筑节能设计大多关注建筑结构、空调系统的优化和调整，可再生能源的利用很少出现在高层建筑设计中。主要原因在于我国可再生能源技术尚处发展阶段，其使用效果还需要进一步验证，而且该技术的使用成本相对较高，严重制约了在高层建筑中的应用。

2.2 高层建筑结构节能设计不合理

高层建筑一般处于建筑密集区，随着城市高层建筑数量不断增加，建筑结构设计呈现复杂性特征。为了满足建筑规范要求，一些高层建筑结构设计忽视了节能减排和环境保护的需求。例如，为了最大程度使用用地，导致高层建筑体量过大、容积率过高、楼间距较低、楼层内部布局密集以及通透性较差，严重影响了使用过程的舒适性[6]。为了满足室内环境的要求，很多高层建筑不得不加大能耗调控室内环境。

高层建筑结构设计分为空间结构设计和围护结构设计，一般情况下节能设计更多考虑围护结构设计，在空间结构设计中则很少考虑。不同的建筑朝向、建筑位置、门窗设置都对建筑围护结构节能设计产生较大影响，高层建筑空间结构设计与围护结构设计是相互协同配合的关系，只有将两者统一考虑，才能做好高层建筑结构的节能设计，从而降低高层建筑的能源消耗。

2.3 高层建筑节能环保材料应用不足

为了降低建筑成本，业主通常会要求设计人员尽可能考虑传统建材，很少采用新型节能环保材料，大大影响了高层建筑节能的设计效果，也不利于高层建筑能耗管控。同时，在高层建筑节能设计过程中，为了满足节能政策要求，会考虑使用一些新型环保材料，但是并没有考虑环保材料与传统材料之间的联系和相互影响，这不仅降低了材料的使用效果，还进一步增加了高层建筑的成本[7]。因此，高层建筑节能设计中应考虑新型环保材料的应用，并进一步研究其与传统材料之间的联系和影响关系，二者相互促进，最大限度发挥节能环保的功能。

3 高层建筑节能设计优化对策

针对高层建筑节能设计中的常见问题，从充分运用可再生能源、优化高层建筑结构设计、优化高层建筑围护结构节能设计以及应用环保节能材料4 个方面提出优化对策。

3.1 充分利用可再生能源

为了减少高层建筑建设和运维能耗，在节能设计中应充分考虑可再生能源的使用。高层建筑使用的可再生能源主要为太阳能，该能源的应用主要有以下几个方面[8]。

第一，太阳能热水系统。通过设置高层建筑外部集热器吸收太阳辐射，将光能转化为热能，由管道输送至高层建筑内部。

第二，太阳能光伏建筑一体化系统。将高层建筑外部构件与太阳能光伏发电组件融为一体，如光伏幕墙、光伏屋面、光伏砖墙等，通过光电转化为高层建筑提供一定的能源供给。

第三，太阳能供暖系统。当高层建筑室外温度较低时，可使用该系统代替传统供暖系统。通过运用太阳能可以大大减少传统供暖系统的运行负荷，减少能源消耗。

第四，光导管系统。光导管技术是一种直接运用太阳光照的方式，利用光导管改变太阳照射路径，经过一系列反射将高层建筑外部的太阳光直射引入建筑内部，通过这种自然光补充照明，减少室内照明系统的运行负荷。

3.2 优化高层建筑结构设计

随着我国工程技术和管理水平的提高，高层建筑结构设计呈现多样化特点。高层建筑结构设计中与节能减排相关的主要包括建筑体型、建筑朝向和间距以及建筑平面布局[9]。在建筑体型设计方面，建筑体型系数是指建筑外表面与体积的比值，一些研究指出建筑体型系数与建筑能耗、散热量呈正比关系。

在高层建筑结构设计过程中，应科学设计高层建筑群体及单件体型，使建筑可以适应不同的气候、地理条件。在高层建筑体型设计时，可以采用增加进深和缩小面宽等方法优化建筑体型，从而降低高层建筑的体型系数。此外，在高层建筑外观选择上应多采用长条形，不宜选用复杂的建筑外观。

另外，建筑朝向和间距对建筑节能也有较大的影响。在高层建筑节能设计时，还应充分考虑不同地区、不同季节的日照时长，合理设置高层建筑之间的间距和朝向。一般情况下，在冬季不仅需要考虑寒冷空气的侵袭，还要保障高层建筑室内日照时长；在夏季时，不仅需要保障高层建筑室内具有良好的通风环境，还要减少太阳直射带来的热辐射影响。

在高层建筑平面布置方面，良好的平面布局能有效提高建筑节能效果。高层建筑设计时，应将管道井、电梯井、楼梯间等尽量布置在西侧或南侧，可在一定程度上阻挡日照辐射。此外，建筑通风对于建筑节能也非常重要，因此应做好高层建筑的室内通风设计。

3.3 优化高层建筑围护结构节能设计

围护结构是建筑外部与内部传热的重要介质，直接影响建筑的热稳定性和隔热保温效果，是建筑节能设计中关注的重点。高层建筑围护结构节能设计优化主要从高层建筑墙体、门窗以及屋顶3个方面进行节能设计优化[10]。

高层建筑墙体节能设计主要分为内墙保温和外墙保温，由于外墙面积大，外墙保温的效果更明显。因此，高层建筑节能设计应合理进行外墙保温设计。同时，外墙保温材料的选取也非常重要。目前，高层建筑外墙保温材料一般采用岩棉板、挤塑聚苯板以及聚合聚苯板等，随着新型环保材料的出现，高层建筑外墙可以采用一些新型节能材料，提高外墙保温效果。

在高层建筑门窗节能设计方面，应合理设置高层建筑的门窗比例。窗墙比是窗户洞口面积与立面面积的比值，高层建筑窗墙比应满足观景、通风、采光等要求，同时满足建筑节能规范要求。为了减少太阳辐射，南向窗墙比一般不超过35%，东向不超过30%，北向不超过20%。此外，设计人员还应考虑门窗的遮阳系数、传热系数以及气密性等。

在高层建筑屋顶节能设计方面，屋顶可以采用高效保温隔热材料，在构造上可以通过架空屋面或浅色屋面减少阳光辐射。同时，还可以采用植被覆盖屋面遮阳，起到隔热作用。屋顶植物不仅能起到环保作用，还可以美化屋面环境。

3.4 应用环保节能材料

高层建筑节能设计应考虑环保节能材料的应用，有效提高高层建筑围护结构的保温隔热效果。高层建筑一般采用钢筋混凝土框架剪力墙结构，为了减轻荷载，同时兼顾环境保护、节能减排要求，外墙一般采用轻质高效的保温材料。在选择砌体材料时，多采用新型的节能砖来增加节能效果，如加气混凝土砌块、混凝土空心砌块等。此外，在高层建筑照明节能设计过程中，可以通过光控、声控灯方式减少不必要的照明能耗，并选用环保材料和节能灯具减少高层建筑能耗。