辦公建築熱惰性被動式節能設計及效果
作者熊華生，現供職於華潤置地(深圳)有限公司
引言
隨著國民經濟建設步伐的加快，城市建築規模得到進一步的擴大，各種類型的辦公建築數量日益增加。眾所周知，我國是一個能源消耗大國，建築能耗作為我國的三大「能耗大戶」，這無疑進一步加劇了能源短缺問題。在國家大力提倡節能建築、綠色建築的大背景下，被動式節能設計逐漸受到業界人士的重點關注。被動式節能
設計是近年來發展速度較快的一種節能方式，可以通過低技術化、低成本以降低建築自身對於能源的需求，從而降低建築能耗，這對我國能源的可持續發展具有重要意義。本文結合實例分析了建築被動式節能設計工作，以期推進節能建築的發展。
一、建築節能設計理念
長期以來，我國建築設計行業存在誤區，建築師只對建築的使用功能進行空間劃分設計，而把人對建築環境的要求留給了設備工程師進行單獨處理。界限分明的專業分工帶來的節能效果並不理想，因為這種設計模式忽視了一個重要的理念：建築節能必須立足於建築自身對環境的適應和調控能力。建築師在設計階段就應引入正確的節能設計理念，充分利用被動式節能設計的方法；同時，設備工程師則應利用主動式節能方法，對建築的環境調控能力進一步補充完善。
二、辦公建築的能耗特點
1. 辦公建築設備能耗大。
2. 辦公建築的照明與辦公設備比例較高，加之人員相對密集，導致內熱源發熱量較大。
3. 由於辦公時間固定且辦公人員作息規律明顯，辦公建築具有間歇使用的特點即白天使用頻率高、能耗高，夜間無人使用、能耗低。
三、辦公建築被動式節能設計常見問題
1. 自然採光利用率低
由於基地條件限制、結構原因以及建築和辦公空間新需要等，現代辦公建築大多採用方形、圓形、矩形等形式，即標準層平面長度和寬度相差不多，辦公空間圍繞垂直核心筒布置。其進深尺寸一般為8 ～ 12m，有的多達20m 左右。照度隨進深距離增加呈遞減趨勢，很難滿足辦公建築的照明要求，因此，導致室內人工照明大量增加。
2. 室內自然通風組織差
早期的多層和低層辦公建築，大多為板型平面，以廊道聯通各使用單元，為建築的自然通風提供了可能。而現代高層辦公建築，一方面室內大多為大進深辦公空間，另一方面房間外牆可開啟面積非常有限，室內空氣氣流組織基本依靠設備系統來實現。因此，即使在室外空氣處於人體熱舒適狀態下，辦公建築仍然需要開啟通風系統，甚至可能還需要開啟製冷系統，空調能耗由此大幅增加。
3. 圍護結構傳熱性能差
建築的外圍護結構包括屋面、外牆、外窗以及地面等部位。
四、辦公建築被動式節能設計實踐
針對辦公建築能耗特點和被動式設計的常見問題，筆者進行了總結分析，以期找到解決這些問題的辦法，達到更好的節能的目的。為此，在建築設計中關注到了辦公建築的採光、通風與保溫隔熱的被動式設計。
1.項目簡介
該項目為深圳市某辦公建築改造工程，建築面積7800, 建築高度19.8m，磚混及框架結構，綠色評價國家三星標準。圖一為該項目現場圖，圖二為鳥瞰圖。
2. 自然採光設計
通常情況下，要使建築有良好的自然採光，可以在基地允許的情況下，將塔式標準層變為板式或交叉式平面布置，增加自然採光的幾率。但是，這一措施必然會導致由於建築體型係數增大而帶來的能耗增加，即使照明能耗有所降低，也得不償失。本項目採用的是改變平面組織方式的辦法。即在方案的平面布局中採用中庭的布置方式，增加建築中心部位的自然採光。房間的進深都控制在8.1m 以下，同時，大部分房間採用雙向採光；更為有效的是，由於研究院的特殊性質，很多設計所採用了開放式大空間，減少了隔牆對光線的遮擋，進一步增加了自然採光。同時，由於採用了空中花園的設計，減少了樓板對於光線的遮擋，也增加了大進深處的自然採光照度。
3. 自然通風設計
自然通風可以增加室內的空氣流動，降低室內溫度，帶走室內水汽，有效增加室內的熱舒適度。在本項目中，所有的窗戶都可以根據使用者的意願，自由開閉，充分利用自然通風。平面設計大部分樓層採用了開放式大空間設計，減少了對空氣流動的阻擋，讓空氣在室內流動更順暢。更為重要的是，中庭空間形成了一個巨大的拔風煙囪；三層通高的空中花園也同樣形成了煙囪效應。由於辦公建築人員較多、辦公設備也較多，因此，室內的內熱源很大，再加上中庭巨大的高度差，會產生十分明顯的熱壓通風的效果。
4. 外圍護結構設計
本建築體型規整，體型係數僅0.2，南向窗牆面積比為0.49，北向窗牆面積比為0.47，西向窗牆面積比為0.45，東西窗牆面積比為0.46。外牆採用200mm 加氣混凝土砌塊，傳熱係數0.39；外窗和玻璃幕牆均採用6+12+6 遮陽型low-e 中空玻璃，傳熱係數1.8w，遮陽係數為0.45。雖然此建築的窗牆面積比較大，但是設計中充分考慮了自遮陽，窗戶內凹為800mm，可以在夏季有效遮擋太陽的直射輻射。
五、被動式設計的節能效果分析
為了驗證被動式設計的節能效果，利用熱工分析軟體eQUEST 進行了能耗模擬。「參照建築」即按照相關規範中的建築模型進行計算：其外牆的傳熱係數為0.6；屋頂傳熱係數為0.35；外窗的傳熱係數為2.1，遮陽係數為0.6；照明功率密度為現行值11w；空調系統為多聯機加新風熱回收。
計算得到參照建築的空調、照明的能耗密度分別為10.33，25.41。當採用了前文介紹的外圍護結構後，其空調的能耗密度為9.66。不難得出，空調能耗指標有所下降，總能耗約比參照建築的能耗降低約2.3%。
由於採用了遮陽型的low-e 中空玻璃，有將窗戶內凹800mm，二者共同的遮陽效果導致了採暖能耗密度有所增加，為17.98；但空調能耗密度明顯降低，為8.05；總能耗有所降低。與參照建築的能耗密度相比，降低了約3.6%。
自然通風的引入導致了空調開啟的時間明顯減少，因此，空調能耗密度降低更加明顯，達到了5.16。與參照建築的能耗密度相比，降低了約9.0%。
如果建築的照明採用節能燈具，照明功率密度由現行值降低為目標值，即9，則照明能耗密度降低為20.79；同時，由於照明能耗密度的降低，其散熱量也有所降低，導致空調能耗降為5.10，而採暖能耗增加到18.00。總之，與參照建築的能耗密度相比，降低了約17.7%。
考慮到自然採光的效果可以達到節能75% 以上，那麼照明能耗實際降低為5.20；再加上燈具使用的減少，內熱源也明顯減少，空調能耗也會降低。因此，與參照建築的能耗密度相比，最終的節能效果約為47.1%。
六、總結
綜上所述，辦公建築被動式節能設計中，建設人員必須結合建築工程的能耗特點，制定合理的設計方案，做好自然採光、自然通風、遮陽設計和外圍護結構設計等方面的工作，並採取有效的節能技術措施，最大限度降低建築的能耗，提高建築工程的綜合效益。■
面對全球能源環境問題，不少全新的設計理念應運而生，如微排建築、低能耗建築、零能建築和綠色建築等，它們本質上都要求建築師從整體綜合設計概念出發，堅持與能源分析專家、環境專家、設備師和結構師緊密配合。在建築規劃和設計時，根據大範圍的氣候條件影響，針對建築所處的具體環境氣候特徵，重視利用自然環境創造良好的建築室內微氣候，以盡量減少對建築設備的依賴。本期推介的文章通過介紹高層辦公建築的能耗特點及常見問題，重點圍繞自然採光、自然通風和外圍護結構等方面探討了建築被動式節能設計工作，並分析了建築節能設計效果，為類似研究工程提供借鑒意義。
——欄目主持/ 胡杏
文章轉載自《新營造》2018 年 06月號
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