零碳排放目标下办公楼节能环保设计研究

2023-03-13吕明超

城市建设理论研究（电子版） 2023年6期

吕明超李杰

1. 华东建筑设计研究院有限公司上海 200011 2. 上海浦东开发（集团）有限公司上海 201204

零碳建筑备受关注，又称净零碳建筑，从某种定性上讲，该建筑特指在全生命周期内，利用碳排放减少，达到绿色建筑设计目的。从定量上看，建筑主体建设中需充分利用节能措施和新型能源，使其达到《近零能耗建筑技术》最高水准。由此可见，将零碳建筑理念和办公楼设计相结合，可取得理想化效果，发挥办公楼环保设计最大价值。零碳排放目标下，需深度摸索办公楼环保设计思路，节能减排的同时，提高办公楼建设质量。

1 零碳排放目标下建筑特征

零碳建筑的主要特征，可总结为以下几点：第一是要突出围护系统的节能指标，提高节能性与环保性，保证建筑整体功能；第二是注重新能源使用，其中要重点发挥可再生能源功能，提高能源利用率；第三实现运营阶段的零碳化，提高建筑设计合理性；第四是确保碳排放量达标。这项工作内容既涵盖“物的行为”，与此同时又囊括了“人的行为”，可重点凸显建筑的“绿色性能”，该模式下的建筑也被看作是具有被动“节能性能”属性[1]。在可持续发展目标下，绿色环保走进视线，在办公楼设计中，应用绿色环保的理念，可提升办公楼设计品位，确保办公楼功能实现。零碳办公楼是指在科学设计理念指引下，办公的过程中实现节能减排，可以自由享受自然光，享受绿色大自然的氛围。在目前建筑设计中，节能的双层幕墙体系相对普及，这种办公体系的设计，会增加办公楼使用舒适度，迎合可持续发展理念。

2 零碳建筑常用的技术策略

2.1 建筑本体技术

该技术特指节能设计阶段，完成与本地区气候环境匹配的设计，在实践中控制建筑体型系数，在此基础上，减小建筑外围护面积，在巧妙构思中采用建筑自遮阳策略，减少能源消耗，确保运营用能效率。现实设计中，充分利用自然风，发挥自然资源优势，结合室内外风压等，打造建筑节能体系，提高低碳办公楼设计价值。建筑本体技术，有两个主要目标，一是提高建筑节能率。选用科学的门窗型材，配置高密封材料，借助材料的科学选择，降低建筑传热系数，实现有效节能设计，达到办公楼设计最佳目标。二是实现各专业协同设计。具体工作中，实现各专业集成设计，协调各项工作，保障设备、管线关系，确保其与建筑本体接触合理，利用科学技术，提高建筑空间气密性。

2.2 建筑微生态技术

微生态技术应用灵活，概括起来就是在微生物技术指导才通过屋面绿化等积极措施，打造建筑微生态，改善办公环境。实践环节中提高建筑碳汇，借助合理化方式，降低环境的热岛效应。工作实践中，通过资源合理配置，提高建筑微生态系统性能，对雨水回收量控制，在此基础上，提高生态自然水平。辅助高效节能设备，应用技术保障，提高建筑用电效率。实践环节中，充分利用太阳能等关键性可再生能源，构建完整的微型电网，利用核心技术，实现建筑能源需求的自供应，在自给自足同时，合理控制传统资源消耗[2]。建筑体的设计中充分利用智慧化手段，实现绿色环保技术与“智能管家”控制系统的结合，在科学思路指引下，整合资源利用系统，合理调节室内温度，借助建筑微生态，实现节约资源目标。

2.3 强化外围护结构保温性能

结合现实经验可知，建筑外围护结构耗能不容忽视，在节能建筑设计中，优化外围护结构应该作为重点。外围护结构耗能原因，来自三方面：外墙、门窗和屋顶。从近几年看，办公楼利用复合墙体相对流行。经实践证实，这种复合墙体性能显著，使其服役期间能够对围护结构隔热，发挥显著的保温作用。利用好外墙的外保温可优化建筑整体环境，防止冷热桥现象。与此同时，在屋顶上也需采取周密措施，提高建筑保温效果。

2.4 门窗节能的措施

传统办公楼外墙建筑满足不了低碳需求，主要原因之一是采用玻璃幕墙，会接连诱发冷热桥现象。在低碳环保目标下，需提高玻璃隔热性，满足办公室办公需求。具体实操中，可将传统玻璃幕墙升级，将其设计成双层幕墙，提升保温隔热性能。与此同时，双层幕墙的使用可能够阻断部分噪音，从而避免外界干扰。现实中，双层幕墙隔热效果显著，因为双层幕墙结构特殊，在其使用期间，空气间层被不同方向划分（水平和垂直），内部气流循环便不再被干扰，可发挥消音隔音优势。双层玻璃幕墙优势，可总结为以下几点：首先，该幕墙的隔热性好。实际应用中，在幕墙的作用下，冬季室内保温会趋于理想，在夏季还可以隔热，可谓是冬暖夏凉。其次，该幕墙隔音功能显著，可有效杜绝噪音，提高节能环保性。再次，优化利用自然采光，确保办公楼的明亮，根据遮阳系统要求，科学调节室内恒温，在此基础上保证办公楼的环境[3]。最后，实现自然通风条件。研究发现，这种玻璃是双层的，中间存在空气压力差，正是因为如此，不新鲜空气会被挤压出，在循环交换中，营造室内清新的环境。

随着技术的进步，节能玻璃逐渐普及，这种绿色的玻璃产品，其本身反射率很高，相比于普通玻璃，可科学抑制远红外热辐射，阻隔热辐射透过效果非常明显。在冬季，该绿色节能玻璃像反射镜一样，可把光源反射回室内，利用此种方式，可节约取暖费用，技术应用效果理想。贝丁顿小区BedZED，在采用节能玻璃的基础上，还可通过被动式太阳房，营造常年舒适温度。为强化设计效果，窗户高气密性设计也是必要的，阳光明媚或少云时，太阳房会发挥作用，完成热量存储，夜间温度降低时，太阳房会将存储热量按照系统设计要求释放出，保持室内宜人温度。太阳房设计效果图，如图1所示。

图1 太阳房设计效果图

2.5 设置有效的遮阳条件

零碳办公楼设计中，设置有效的遮阳条件十分必要，传统的技术手段是科学应用玻璃幕墙。实践表明，使用双层幕墙，并在原始设计基础上设置遮阳系统，可优化建筑室内环境，恒久保持室内温度，提升建筑功能性。除了玻璃幕墙外，还可以使用金属百叶，借此抵挡强光照射。随着技术的发展，遮阳板技术应用较多。对于北半球来说，办公楼设计都是窗口南向，基于此在南向窗户上悬挂性能稳定的遮阳装置可强化设计效果、持续优化室内环境，借助科学途径，控制建筑的太阳得热[4]。

2.6 热水和电能供应

零碳办公室设计中，热水和电能供应也是考虑的重点内容。同样以BedZED为例，该项目建成初期，为满足热水和电能供应的实践要求，设置生物质热电厂，借助这样的方式，将玉米秆、玉米棒子等加工利用，利用生物质发电完成日常所需热水供给。同时，安装太阳能电池板，确保电路与电网相连。

2.7 绿化屋顶设计

绿化屋顶打造是良好的低碳节能设计手段，在零碳办公楼的屋顶可以增设屋顶绿化面积。在实践环节通过过滤膜、保湿毯、隔根膜以及综合防水层等作用，组成性能较强的屋顶绿化体系，确保该系统在烈日下，可积极发挥出断热与冷却的作用，强化节能减排效果。研究发现，由于植物的蒸腾作用，能够将部分热量带走，合理发挥降温作用。除此之外，配合设计滴灌系统，完成设计流量的合理规划，实现每天 0.5L/d·m2植被保温，这样的系统设计，不仅有利于植物生长，还可以起到较好隔热功效。

2.8 办公楼自然通风技术

除了上述技术外，还要考虑办公楼自然通风。结合现有经验可知，办公楼建筑自然通风设计，可通过两种路径实现。一是改善空气品质。研究发现，室内空气品质至关重要，其优劣取决于新风量和新风输送的通畅度，为此办公楼自然通风技术需要考虑室外气流是否顺畅问题，不容忽视。二是压缩空调运行时间。如果室外湿度低，形成的自然通风可在节约耗能的基础上降低室内温度，营造舒适的环境，带走潮湿气体，借助这样的方式，实现人体热舒适，优化办公环境。

结合调查数据发现，不同自然通风状态下，人们感到的舒适范围也有较大的不同，温度不高于29℃时，同时要确保相对湿度低于80%，温度高于26℃时（自然通风状态下）就会感觉闷热。基于此，为了保证通风的要求，常用的通风技术有：热压通风、风压通风以及风压与热压结合的通风方式。具体实践中，可通过建筑的平面布置，比如说常用的建筑朝向、门窗位置等，巧妙设计“穿堂风”，改善室内温度。还可以利用太阳热能，辅助先进设备，强化自然通风。事实表明，太阳能强化自然通风策略是可以实现的，在建筑构件期间，需要考虑各项因素，主要有屋面太阳能烟囱。除此之外，还需配备Trombe墙以及太阳能空气集热器，通过这样的方式，形成“烟囱效应”。与此同时，为强化自然通风效果，技术手段上可转换方式，利用计算机模拟通风，计算立体力学CFD的作用，为办公建筑风环境优化提供科学的参考。

为实现科学通风，BedZED建筑屋顶上利用了巧思安装了风罩装置，这些五颜六色风罩在现实使用中构成了效率稳定的自然通风系统。主要原理是由风力驱动屋顶风罩，形成自然通风。如图2所示，有了这些风罩，即使是微风天气，室内空气也可以清新，新鲜空气可利用风罩前小的开口位置涌进设计好的交换器中，通过交换器进入室内。研究发现，通过自然通风系统，可打造宜居空间，促使空气流通始终平稳保持。需要强调的是：天气炎热时，可通过开启窗户等方式，形成对流较强的穿堂风，利用自然通风技术，保持室内凉爽。

图2 屋顶风罩设计

3 案例分析

某办公楼为达到绿色节能设计标准，采用了如下技术手段。

3.1 办公楼导光设计

办公区域内部为满足办公需求，应用开敞式布局。同时为优化室内环境，合理改善内区采光，该项目在屋顶露台精心设计了5组采光管，借此保障办公光线充足。通过导光设计，达到75%的功能空间采光标准。具体工作中，可设计叠合BIM模型，明确采光管的数量，确保吊顶下净高最低满足设计要求。

3.2 办公楼气密性设计

为实现节能环保，办公楼气密性设计要明确主要任务，基于建筑整体气密性科学要求和气密性划分单元，需综合利用多种措施。案例项目中，设计室外侧防水透气膜，并在规划中增加室内侧防水隔气膜，与此同时采用建筑密封膏嵌缝，并利用有效的发泡聚氨酯将现有缝隙填满。此外，楼层内楼梯间门等均采用高气密性内门，借此保障室内环境。气密性测试时，需确保满足幕墙气密性高于4级的要求。需要注意的是，露台门气密性要求较高，等级为8级。

3.3 低碳材料的选择

在低碳办公楼设计中，材料选择属于重点。实操中，需减少钢筋混凝土等综合材料的用量，这些高碳结构材料会加剧污染，可用钢材等材料替代。设法降低建筑材料的隐含碳，提高办公楼整体效益。内装和景观选用需科学，利用玻纤混凝土等材料，因为这类材料属于低碳可回收建材，应用价值更高。重视再利用建材的保护。零碳办公楼项目可采用低污染、可回收、健康环保材料作为主要材料。围护结构与混凝土，完成围护结构的设计。同时注意门窗幕墙及装饰装修的配合，利用双层玻璃幕墙、防水密封及建筑涂料，提高办公楼建设质量。配备给排水及水处理设备，搭建太阳房和暖通空调，严格认证建材产品，确保设计效果理想。

4 零碳办公楼设计发展趋势

4.1 应用环境参数测量和能耗监测系统

未来零碳办公楼设计趋势明显，为满足技术应用需求，体现节能环保目的，需积极配合搭建环境参数测量系统，并做好能耗的控制。现实应用中，为更好配合其他系统，发挥零碳办公楼设计优势，更完美贴合节能减排目标，需应用电子数控技术，开展全方位能耗分析。经研究发现，能耗监控系统功能完善，应用优势显著，能够在监视能耗的同时，对节能方案优化提出合理建议，协助建筑使用情况，智能地做出决策。现实应用中，该系统可实现与水表、燃气表的直接连接，借此掌握用水、应用煤气情况，实时监控各风帽设备，全面剖析其状态、环境状况等。与此同时，做好收集、记录，调取系统各设备运行信息，并将信息整理收集，例如：报警信息、能耗情况等[5]。在此基础上实施综合分析处理，打通各系统环节，保证各系统设备运转顺畅，顺利完成正常操作，发挥理想的作用，得到最优的控制方案。

4.2 应用光伏发电系统

未来的零碳办公楼设计，将科学普及BIPV非晶硅薄膜，科学打造光伏发电，提高发电系统运行率。太阳能光伏发电系统较为特殊，实际容量约15kW，具体应用中分为光伏屋顶发电以及有效的南立面光伏外墙发电。现阶段，鉴于非晶硅电池的应用范围和表现出的工作能力，需加大非晶硅太阳能电池板系统性研发，在具体工作中进行电池板—体化设计，确保技术应用效果。