高层建筑节能设计问题及优化策略研究

2023-02-13范永杰四川大地阳光门窗工程有限责任公司四川成都611743

中国房地产业 2023年36期

文／范永杰四川大地阳光门窗工程有限责任公司四川成都 611743

引言：

在我国低碳、可持续发展目标的实现过程中，建筑工程行业的节能化设计对于有效降低建筑物的碳排放，提升建筑物的节能水平具有非常重要的作用。同时，伴随我国居民生活水平的提升，建筑物的能耗水平也在不断提升。为了适应低碳、可持续发展的要求，展开高层建筑的节能设计，对于提升建筑服务水平，保证低能耗与生活品质之间的平衡具有非常重要的意义。而从设计的角度来讲，高层建筑的节能设计有助于降低高层建筑对冷暖空调、照明系统的依赖，并通过资源综合利用的方式，有效提升建筑物的综合价值。

1.高层建筑节能设计的需求分析

1.1 能源节约的需求

高层建筑是一种集约型利用土地资源，在有限的土地资源上，最大化人类活动空间的一种建筑形式。该建筑形式在土地资源较为紧缺的城市中较为常见，可以在进一步提升土地资源利用效率的同时，扩大建筑的内部空间，从而为人类活动提供可靠的支持。但同时在人类活动空间增加的过程中，建筑物整体的能耗水平也在不断的提升，导致建筑物整体的能源消耗量巨大。而高层建筑的节能设计，可以通过在建筑隔热、通风、照明等多方面的优化过程中，有效减少建筑物整体对能源的使用需求，从而全面降低建筑物的能源消耗量[1]。因此，无论是从经济还是从能源的角度，现代高层建筑的节能设计是实现建筑建设效益的重要途径，也为建筑的能源节约提供了可靠的技术指导。

1.2 减少碳排放的需求

建筑物在建设和使用的过程中，能源、资源的使用都是造成建筑工程碳排放较高的主要原因。采用节能设计的情况下，在有效提升高层建筑节能水平的同时，可以有效减少能源使用过程中的碳排放量，从而实现减少碳排放的发展要求。同时，高层建筑的节能设计，还需要充分考虑到可再生能源的应用以及建筑工程碳足迹的全面监控。在积极利用可再生能源的同时，使建筑物减少对传统化石能源、燃料的依赖，从而实现减少碳排放量的目标。而在建筑工程进行碳足迹监控的情况下，也可以确保高层建筑的施工、运营可以根据碳排放的减排要求进行不断的实践和优化，以便于提升高层建筑的设计水平，使其满足现代社会减少社会总体碳排放量的目标[2]。例如通过屋顶花园、垂直绿化、雨水花园等方式，在达到绿化、吸收二氧化碳的同时，综合利用雨水资源，达到减少碳排放的目的。

1.3 提升建筑品质的需求

在采取节能设计的情况下，高层建筑可以通过有效的节能优化对室内空间的舒适度进行多方面的调整，例如最大化提升自然采光的水平、避免室内外温差导致的冷暖空调依赖等方式，综合利用建筑物的自我调适能力，将室内空间的舒适度控制在更加自然、舒适的状态。这种更贴近自然的自我调节方式，有助于提升建筑的品质，并提升人们在高层建筑中活动的舒适度。例如，提升建筑物自然采光的水平，可以保证室内光线的均匀分布，并有效避免室内光线因为阴暗、过度照明等问题对用户生活、工作带来的不良影响。又如，采用优化建筑物隔热的方式，可以有效减少室内外温度置换导致的室内温度不稳定。通过降低建筑物冷热传导的能力，使室内的温度变得更加稳定，从而打造更加舒适的生活与工作环境，全面提升建筑的品质。

1.4 推动高层建筑的可持续发展

建筑工程行业一直饱受能源集中、资源集中、资金集中的诟病，高层建筑的施工、运营更是如此。在采用节能设计的情况下，可以最大限度的减少高层建筑在施工与运营过程中的能源消耗和资源浪费现象，从而有效提升高层建筑的持续发展水平，并实现对资源、能源的管理与保护，达到延长资源使用寿命的目的。同时，节能设计是以建筑物的自我调适能力为基础，这种基于自然的调节方式，可以有效减少高层建筑周边环境带来的干涉，从而避免因高层建筑建设而导致的环境问题。例如城市建筑物集中的情况下，由于冷暖空调的大范围使用，造成城市环境独特的热岛效应，进一步恶化了城市的自然生态环境。这种基于节约能源、环境保护的设计理念，可以有效减少高层建筑建设与运营过程中对资源、能源的依赖，也变相减少了高层建筑对资金的需求，从而为高层建筑的可持续发展提供了必要的条件[3]。

2.高层建筑节能设计中的问题

2.1 综合性考虑的不足

高层建筑节能设计是一项综合性的设计内容，不仅仅包括在建筑设计的过程中积极应用节能技术，还需要从建筑结构、采光、地理环境等众多复杂的因素中分析高层建筑的能耗水平，并在此基础上结合当前的节能技术、可再生能源技术的应用条件，合理展开综合性的设计来满足高层建筑的节能设计需求。在此过程中，高层建筑的节能设计需要综合考虑到不同条件对建筑整体节能效果带来的影响，从而最大程度的提升高层建筑的节能性能。例如，在采光设计的过程中，建筑物的朝向会对建筑物的自然采光能力带来直接的影响。但同时，若过分重视自然采光，会导致建筑物整体受到太阳辐射的水平相对较高，从而导致高层建筑需要应对因太阳辐射热量对冷暖空调带来的依赖现象，从而影响建筑整体的节能水平。又如在建筑结构设计的过程中，建筑结构的设计与能量的消耗以及热量的传导有直接的影响，若过分重视建筑的外观和功能性，而忽视建筑结构本身的隔热与保温性能，会导致建筑结构构造出现热桥现象，反而增加了建筑结构的能耗水平。

2.2 忽视建筑外观和幕墙的影响

建筑外观和幕墙是直接接受太阳辐射的建筑构件，特别是在高层建筑设计的过程中，外观和幕墙的设计会对建筑整体的节能性能产生直接的影响。

一方面，高层建筑为了满足美观性、地标性设计的要求，会采用复杂的外形设计以及更加美观的玻璃、合金等方式，实现高层建筑现代化的外观效果。但复杂的外形设计会导致空气在幕墙附近的流动受到阻碍，使空气无法自然带走建筑物表面的辐射热，从而容易增加建筑物对空调设备的依赖。而采用合金、玻璃等方式构建幕墙时，相关材料的隔热性能较差，热量很容易通过玻璃、合金幕墙传导至建筑内部，从而增加高层建筑的冷暖空调负荷[4]。因此在设计的过程中，必须充分考虑建筑外观、幕墙材料对建筑节能性能带来的直接影响。

另一方面，建筑外观和幕墙对于建筑物的遮阳能力有直接的影响，外形和幕墙的设计也会直接影响高层建筑遮阳和自然采光的效果。广泛采用玻璃幕墙的情况下，会导致建筑物容易受到阳光的暴晒。采用调整的幕墙系统时，幕墙系统的运行也会增加建筑物的能源消耗负担。因此，在节能设计的过程中，不能忽视建筑外观与幕墙设计高层建筑整体节能性能带来的影响。在综合平衡外观设计、节能需求的情况下，建立最佳的设计方案，以满足高层建筑节能的实际需求。

2.3 设备的选型以及节能管理

在高层建筑节能设计的过程中对机电工程的节能设计，也是实现高层建筑节能设计目标的重要内容。但由于高层建筑的使用往往会涉及到多个系统、设备的使用，使高层建筑的机电工程本身具有多样性和复杂性的特点。同时在节能设计的过程中，也需要将各种设备的能效数据、信息作为节能优化的基础，但在实践的过程中相关的设备通常缺乏可靠的数据来源，从而导致高层建筑节能设计时很难对建筑整体的能效进行准确的评估。此外，在高层建筑运行的过程中，由于高层建筑的设备规模相对比较庞大，运行环境也十分复杂，若相关的设备没有得到及时的维护与运行管理，在设备老化、故障的情况下，也会对高层建筑的能源利用效率带来直接的影响。而在设计的过程中，这些问题都需要通过假设的方式展开，从而造成高层建筑节能设计方案无法准确评估建筑的能耗情况，也无法保证设备的选型、管理完全满足高层建筑节能设计的需求，进而导致相关问题的出现。

2.4 可再生资源的开发不足

由于地理、气候条件等客观因素的影响，不同高层建筑的节能设计通常拥有一定的区别，例如我国南方与北方太阳能辐射水平有较大的差别。利用太阳能资源的过程中，由于各地条件的不同，相关的节能设计方案缺乏一定的参考性，从而导致在设计的过程中必须通过具体的条件来判断再生能源的应用是否能够满足多层建筑节能设计的要求，进而导致可再生资源开发不足的现象。同时，可再生资源的利用属于较为专业、尖端的新型技术，其的应用成本、维护成本相对较高，而回报的周期也相对较长。从而导致在高层建筑中大规模采用可再生能源设备存在一定的技术以及资金等方面的限制，进而导致高层建筑节能设计的过程中可再生资源的开发存在一定的问题，无法满足高层建筑节能设计的全面需求。例如风能资源的利用过程中，风力发电机、通风井等利用方式通常具有较高的专业性要求，技术的应用成本和维护成本也相对比较高昂，从而对高层建筑的建设、运营带来了多方面的不良影响，很难保证可再生资源技术的应用效益，使其在高层建筑节能设计中的应用效果无法得到充分的保障。

3.高层建筑节能设计问题的优化策略

3.1 采用综合、顶层的规划设计理念

综合顶层的规划设计理念，有助于建立高层建筑节能设计的总体性目标，并加强各个学科之间的交叉合作，从而为综合分析高层建筑的能耗水平，并准确评估高层建筑节能设计需要满足的要求具有非常重要的作用。在实际的设计过程中，相关人员需要在规划与设计阶段充分考虑到高层建筑在能源效益、建筑形态、结构稳定性等多方面的要求，并在此基础上引入专业的团队或者设计顾问的方式，通过不同的视角对高层建筑节能设计的情况进行有效的评估和决策，从而保证设计方案在各个方面能够取得良好的协调与平衡效应。同时，还需要加强高层建筑各个学科之间的合作设计，不但包括建筑设计、结构设计，还需要综合考虑冷暖、电气工程、机电工程等不同领域对建筑节能水平带来的各方面影响。通过有效的协同设计，共同优化高层建筑节能设计的方案，从而综合性考虑高层建筑在节能设计方面存在的不足，并使相关的问题得到有效的解决。其次，应当积极加强信息工具在高层建筑节能设计中的应用。积极使用BIM 模型软件以及建筑模拟和分析工具，如CFD、能耗模拟等软件，通过不同专业的协调作业，模拟高层建筑的能源利用情况，以便于及时发现在设计过程中存在的节能问题，为寻找最佳的节能设计解决方案提供可靠的支持。同时，还需要在设计模拟的基础上，建立高层建筑能耗监测与评估系统，从而了解高层建筑在施工过程中的能源利用情况，使相关工作人员能够及时发现设计过程中存在的不足，并通过动态解决问题的方式，提升高层建筑节能设计水平[5]。

3.2 加强建筑外观、幕墙的设计与优化

为了确保建筑外观、幕墙的设计能够满足美观性与节能性的平衡要求，在设计的过程中应当加强对建筑外观幕墙的设计与优化。首先，在设计的过程中需要充分考虑高层建筑所在地区的气候特点、季节变化特点，合理选择建筑外观和幕墙使用的建筑材料。从而满足高层建筑在采光、遮阳、隔热等多方面的需求。同时，应当积极推广复合型材料、多层隔热材料在幕墙设计中的应用，并进一步通过热工计算和模拟分析，确保高层建筑的幕墙系统能够满足不同季节下建筑的节能需求。同时在外观和幕墙设计的过程中，需要充分考虑到幕墙的透光率和光照角度，在最大化利用自然光线的同时，有效避免光线直射幕墙的现象，并通过合理选择玻璃类型、窗帘、百叶窗等遮阳装置，实现对建筑物幕墙光线的控制与调节目的。其次，在幕墙开窗位置、方式的设计过程中，当根据当地的自然条件，合理设计幕墙的开窗方式和开窗位置，尽可能增加自然的空气流动与通风，并根据建筑结构内部的气流循环、风道和布局，提升室内外空气交换的流畅度，以便于提升室内空气质量，并实现有效的热量循环。此外，在设计的过程中，还需要充分考虑到幕墙结构刚度、强度、类型对高层建筑节能带来的不良影响。积极采用防风、防水、耐候性较好的材料，并通过加强幕墙的密封以及防水，使幕墙结构的强度得到有效的保障，并提升其的保温隔热性能。

3.3 重视高效节能设备的选型

在高层建筑节能设计的过程中，重视高效节能设备的选型，对于保证节能设计的效果具有非常重要的作用。在选择相关的设备之前，设计人员需要充分了解不同设备具体的能耗指标，并比较其在使用过程中的能源利用效率、使用寿命、性能等多方面的因素。在有条件的情况下，可以聘请相应的专家、顾问辅助节能设备的选型与评估。在此基础上，需要确保相关的设备满足国家能耗标准和规范的要求，确定设备的能耗等级以及参数，使其能够在实际的使用过程中充分达到节能的使用目的[6]。其次，需要选择具有智能控制功能的节能设备或者系统，以实现对设备的精确监控、自动调整，从而为节能设备的应用水平提供可靠的支持。例如，根据设备采购成本、性能，综合评估PLC 控制、变频控制等控制手段对设备节能水平带来的影响。并在选用相关设备时，根据具体的节能控制要求，合理选择照明设备、空调设备、动力设备。例如可以选择LED 灯具、T8/T5 节能灯管、变频空调/水泵等设备，在满足高层建筑实际使用需求的情况下进行精细化的调节，以有效避免设备选型带来的能源浪费现象，为高层建筑节能设计打下良好的基础。

3.4 提升建筑能耗的监控与优化力度

对高层建筑能耗的监控，可以确保高层建筑节能设计方案能够实现不断的完善与发展。因此在设计的过程中，应当进一步建立完善的建筑能耗监控系统，积极使用各种传感器、计量仪器，实时监测建筑各部分的能耗数据，并通过定期采集和记录的方式，获取建筑能源的使用情况和使用效率，以便于优化高层建筑节能设计方案。并在建筑能耗监控数据的基础上，进一步展开深入的分析和综合的评估，找出高层建筑在建设、使用过程中可能出现的问题和潜在的节能空间，并积极使用模拟软件预测不同方案带来的节能效果，为优化节能设计提供可靠的数据参考。其次，需要积极采用EMS、BMS 管理系统自动、动态收集建筑工程的运行数据，并及时发现建筑工程在使用过程中可能存在的能耗异常或问题现象。利用相关技术为优化高层建筑节能设计方案提供全面、动态的数据支持，从而不断改进、优化高层建筑的能耗水平，为高层建筑的可持续发展提供可靠的支持。

3.5 可再生能源的综合利用

加强高层建筑可再生能源的综合利用，对于实现高层建筑的节能优化具有非常重要的意义。但在实际应用的过程中，必须考虑到相关技术的应用效果、应用成本，合理选用可再生能源技术，以满足高层建筑节能设计的要求。在此过程中，首先需要根据高层建筑所处的地区条件，合理使用相应的可再生能源技术，以满足节能设计的要求。例如在北方太阳辐射较强的区域，可以通过建设太阳能光伏建筑一体化系统，使用光伏幕墙、屋面等方式，提升建筑的能源自给能力，减少高层建筑对能源的依赖。而在西北、沿海等风力较强的区域，则可以合理利用风力发电系统，以满足高层建筑一定的电能需求。其次，需要进一步考虑到高层建筑的能源互补设计，合理使用储能技术，提升可再生能源的利用水平，从而有效减少因可再生能源间歇性生产而带来的技术应用效率不佳现象。