办公建筑的生态节能设计.doc

办公建筑的生态节能设计杨维菊，徐尧，吴薇(东南大学建筑学院，江苏南京210096)摘要： 根据办公建筑的空间类型和能耗特点，分析几种适用的被动式生态节能技术，并提出实现生态节能办公建筑的几个设计要点。关键词： 办公建筑； 生态； 节能设计中图分类号：TU201.5 文献标志码：B 文章编号：1673-7237(2006)02-0027-05The Ecology Energy Saving Design of office BuildingYANG Wei-ju，XU Yao，WU Wei(School of Architecture，Southeast University，Nanjing 210096，China)Abstract：Based on the space type of the office building and its characteristic of energy consumption, several applicable passive solar-energy-utilization techniques is analyzed，and some design points that could be carried out in the economization of office building are put forwardKey words：office building；Economy；Energy saving design0引言近年来，建筑节能问题在我国不断受到重视，这不仅是因为整个世界能源问题的日益突出，而且因为在我国经济高速发展的过程中，必须要处理好能源与环境之间的关系，这是坚持以人为本、全面、协调、可持续发展的科学发展观，建设节约型社会的重要方面。有关资料显示，我国的建筑能耗超过全国总能耗的l4，随着我国国民经济和人民生活水平的提高，建筑耗能将继续增加，据有关资料显示，中国现有建筑总面积达400多亿m2，预计到2020年还将新增建筑面积约300亿m2，这样建筑能耗将达到全国总能耗的l3以上，由此可见，建筑能耗对我国的能源消耗将带来长期的影响。因此，加强建筑节能，是解决我国能源紧缺问题的基本措施之一，也是建筑界值得注意的问题。在我国，公共建筑数量较多，建设规模大，耗能问题非常突出，有数据表明，大型公共建筑的节能潜力在30以上。如今，为改善公共建筑室内环境，提高室内的舒适性，降低能源消耗，减少能源浪费，2005年7月1日，国家颁布并执行的公共建筑节能设计标准，它是我国第一部被称为“世纪节能标准”的公共建筑节能设计标准，这是一个历史性的进步，从中也进一步地表明我国政府对公共建筑耗能问题的关注，同时也表明建筑节能已逐渐成为全社会的共识。办公建筑是公共建筑中的一种较普遍的建筑类型，它的需求量大，由于其本身功能的复杂性和设计的多样性，使其空调能耗非常高，远大于住宅，因为办公建筑对能源和环境的影响较大。由此可见，办公建筑推行节能的力度和深度在很大程度上将直接影响着我国建筑节能整体目标的实现，我们也看到，对办公建筑节能问题目前所进行的一系列探索性的研究更是具有战略性的意义。1 办公建筑的空间组合设计及其能耗特点 生态节能建筑的设计主要从整体环境规划和单体建筑设计两个方面展开。在整体环境规划中，强调的是建筑与环境的关系，解决建筑与地貌、水土、风向、日照、植被与气候的关系，在这里就不再赘述。在单体建筑设计中，由于不同的功能要求，形成多种的空间组合，同时也反映出不同的建筑体型影响建筑能耗得失的基本情况，因此，空间类型设计不但是整个建筑设计的第一步，而且也是建筑节能设计的关键所在。随着经济和社会的发展，为了使办公建筑能适应新的功能和室内环境的需求，已不断地应用新的技术手段达到较为人性化的办公空间组合，现代办公楼的设计已朝着顺应功能多元化、大空间的灵活划分，合理安排交通流线，结合有关生态环境和审美等方面的要求，使建筑技术同艺术、材料完美结合，来进行新的空间组合设计。这里仅从办公楼的能耗特性出发，分析我国现有办公建筑空间组合的特点，做一些相对的比较，从中总结出生态办公建筑的设计思路和对策。1.1 办公建筑的空间组合类型1.1.1 外廊式办公楼多为早期建造的办公楼和低层小型的办公楼。建筑物一般为简单的板式造型，以开敞外廊或位于建筑物一侧的封闭走道组织各个单元办公室。该类建筑体形系数大，宜采用自然采光、通风，一般不采用集中的空调和采暖设备，这样易于实现设备的分区控制（图l a）。1.1.2 内廊式办公楼这种形式的办公建筑最为常见，大都以多层建筑或小高层形式出现，办公空间形式既有单元式，也有在大空间中可自由分割的集中办公室。该类建筑体形系数较大，多数采用自然采光和机械通风。在设备使用上，大空间集中办公常采用中央空调，单元办公室常采用小型分体式空调形式(图1b)。1.1.3 中间核心筒式办公楼 常见于规模较大的高层建筑，以中间核心筒作为管线集中设置的空间和交通枢纽，围绕核心设置尺度较大的集中办公空间，或在大空间中利用轻质隔断进行自由分割，建筑物内一般有多种功能的组合。此类办公楼体形系数相对较小，建筑物内设备复杂，多采用集中系统进行通风、制冷或采暖。由于办公空间进深较大，多是自然采光与人工照明相结合(图1c）。1.1.4 带内院空间的办公楼 多见于南方，此类办公建筑可以说是对传统院落式建筑的回归，形式可以多种多样，甚至可以追求南方园林建筑的曲径通幽。在建筑中引入庭院，不但创造了宜人的自然景观，形成了趣味的空间，美化了办公环境，同时利用院落空间，可以实现自然通风，调节室内热环境，并为建筑内部提供充足的光线。这种空间组合对于目前倡导的“健康建筑”、“节能建筑”来说，都是一种有利的空间布置形式(图ld)。1.1.5 以中庭为核心空间的办公楼此类型的办公楼是目前较为流行的办公建筑组合类型(图1e)。自从1967年约翰波特曼第一次在海特摄政旅馆中设计了波特曼大厅，中庭建筑就不断地出现在各种公共建筑中，办公建筑当然也不例外。中庭给人们创造了一个拥有绿茵流水、没有夏季酷暑和冬季严寒的空间，但是，要创造真正的享有宜人的中庭空间的办公楼，还需要建筑师和其他专业技术人员的共同努力，需要多工种的配合。通过已建办公建筑的调研证明，中庭空间物理环境处理的好坏，是该类建筑成功与否的基础(图2)。 以上5种常见的空间类型有着不同的体型和组合，决定了各自不同的耗能方式和耗能程度。值得注意的是，在节能设计过程中，还应考虑不同的地域特征和当地的气候条件，采用不同的策略，营造合理的办公环境。如：以保温为主的北方地区，办公建筑采用紧凑的组合、规整的平面较为适宜，这样建筑热损失面积小，同时还要考虑日照充足、通风好。可直接节约能源；但在夏季炎热的南方，应主要考虑自然通风和建筑遮阳的问题。2 注重办公建筑的围护结构节能办公建筑是耗能较大的建筑，因而我们在建筑设计中应最大限度地提高室内环境的舒适性，尽可能地减少其能源的消耗。图3是一般办公建筑的能耗构成，从图中我们可以看出，空调的能耗几乎占了总能耗的50，而在空调采暖这部分能耗中，大约2050%是由外围护结构传热所消耗的，显而易见，围护结构的设计对于建筑在运行中的耗能是一个主要因素。 建筑的围护结构由屋面、墙体（包括石材、金属等非透明的幕墙)和门窗(包括玻璃幕墙)构成，设计时必须考虑通风和日光的需求，并提供适合于当地气候的热湿保护。对于北方地区的办公建筑而言，应该重点考虑围护结构的保温性能；而在南方的炎热地区，考虑重点应放在围护结构的隔热与窗户遮阳的问题上。2.1 提高外围护墙体的保温隔热性能办公建筑的外墙分为承重墙和非承重墙，在具体工程中，无论选用哪种外墙，根据建筑节能的标准要求，墙体必须要做保温和隔热，一般可采用以下几种方式：选用导热系数小、强度高的建筑材料，如各种新型的保温砖块、混凝土小型空心砌块、加气混凝土等作为围护结构的墙体材料；优化建筑表皮的构造设计，即采用强度高的承重材料和导热系数小的轻质保温材料进行复合。在办公建筑设计中，我们常选用后一种保温方法。目前这种复合保温墙体是节能建筑中应用普遍、技术成熟的围护结构做法，其构造主要分为外保温、内保温和夹心保温3种。其中外保温做法效果较好，是目前较常见的一种保温构造做法。外保温构造不仅冬季保温性能好，还能防止冷(热)桥的产生，而且夏季隔热性能优良，目前国内常用的外保温材料有聚苯颗粒保温砂浆、聚苯板、挤塑板和硬质聚氨酯板等。国外也有使用岩棉等高效外保温材料 (图4)，但是要处理好防水问题。2.2 采用屋面绿化，创造舒适环境 办公建筑一般平屋顶的形式较多，屋面常铺设保温板进行保温处理。目前用得较多的是倒置式的保温屋面，效果较好，但保温材料最好选用防水性能好的挤塑型泡沫塑料板或者采用现场发泡的聚氨酯保温屋面做法，以及其他的保温材料做法。除此以外，在现代办公建筑中做植被屋面已被越来越多地采用，因为屋面绿化不仅可以使屋顶具有更好的保温隔热性能，改善室内热环境，而且也为办公楼的工作人员在顶层提供了一个室外休闲的绿色花园，同时建筑立体绿化对美化城市也可起到了一定的作用。 在这方面，国外已有较成熟的绿色屋面技术，适宜于不同条件、不同植物的生长情况。例如在通常条件下，可种植一些易成活、成本低、无需管理但观赏效果较好的植物，如草类苔藓类植物；或种植观赏效果好、需定期维护且对土壤厚度要求较高的植物，使其随季节变化形成不同的景观效果。构造设计上，一方面要满足植物生长的不同要求，解决蓄水和通风问题；另一方面必须保证屋顶防水层不受植物根系的破坏。相比之下，国内的屋面种植技术尚在起步阶段，去年落成的清华大学环境能源楼(图5)，可以说是当前为数不多的成功案例之一。建筑在南向层层后退的平台上设置了土层厚度约为180250mm的绿色屋面系统，以提高屋顶夏季隔热和冬季保温性能。种植的植物以灌木和藤蔓类为主，利用藤蔓类植物的落叶性能调整夏季和冬季的日照(图6)。2.3 采用高性能的节能窗和新型幕墙 在办公建筑围护结构中，窗的朝向和面积对空调降温采暖能耗的影响很大。办公建筑的窗墙比较大，热损失是个较为突出的问题。为了获得良好的景观视野和满足充足的采光需求，增强立面视觉效果，常常采用大面积开窗和成片的使用玻璃幕墙。这样就使透明的围护结构占据了整个外墙面的很大一部分，而这些透明的窗户也经常是建筑的冷(热)桥所在。测试表明：在办公建筑中，外窗和幕墙占房间总耗热的30左右。近年来国外广泛应用的节能玻璃，除中空玻璃外，还使用Low-e膜玻璃，这种玻璃对可见光保持较高的透过率，而对红外长波段透过率却很小，几乎为零。此外，由于镀上Low-e膜的玻璃表面具有很低的长波辐射率，可以大大增加玻璃表面辐射换热的热阻，从而具有良好的保温性能。在我国，随着节能工作的深入开展，这种节能型玻璃已逐渐被人们所认识，现在各种高性能的节能玻璃窗层出不穷，如采用双层中空LOW-e玻璃窗(图7)、多层LOW-e玻璃窗等。除此以外，提高大面积窗户保温隔热性能的另一个重要环节就是提高窗框的保温隔热性能。窗框型材的不同，会使窗户的性能特点有相当大的差别。现在最常见的节能窗是塑钢窗，塑钢窗保温隔热性能较好，但也存在不耐燃烧和易老化的问题。在办公建筑中另一种节能窗是经断热处理后的铝合金窗框，其保温性能比材料断热前可提高30%50%。目前我国已研发出多种断热铝合金窗，它的特点同样是隔热、保温性能好，并优于一般的塑钢窗框。今天在办公楼建筑上，断热的铝合金窗已应用较多，但此窗仍然要注意密封和防晒的问题。为了使办公建筑立面比较明快、挺拔、美观，玻璃幕墙是较为常见的一种建筑表达形式，但同时也是热交换、热传导最活跃的部位。由于玻璃的保温性能远比不上保温外墙体，其冬季热损失将是外墙体的几倍。有资料表明，普通单层玻璃幕墙所损失的热量可占整个围护结构采暖能耗的40左右，而在夏季，普通单层玻璃幕墙得热过多造成室内过热也是增加空调能耗的主要因素。虽然通过改善玻璃性能可以缓解冬季的热损失，但仍不能解决夏季得热过多的矛盾。因此，幕墙的节能设计也是办公建筑节能设计中的一个重要内容。现在，很多办公建筑幕墙的保温隔热处理是通过采用双层通风幕墙或在幕墙外安装遮阳设施来解决的(图8)。再如北京中青旅大厦的立面采用双层皮的处理，达到隔热保温的效果，而且建筑看上去非常的光亮和现代。双层通风幕墙由内、外两道幕墙组成，内外幕墙之间形成一个相对封闭的通风换气层，它不仅能有效的阻挡强烈日照，并保证室内采光，还可在两层幕墙中间形成空气通风层，将热空气排出中间夹层，从而大大减少夏季空调系统能量消耗。 另外，根据空气层通风组织形式的不同，可分为 “封闭式内通风幕墙”和“开敞式外通风幕墙”两种(图9)。封闭式内通风幕墙从室内的下部吸入空气，在热通道内上升至上部排风口，从吊顶内的风管排出，这一循环在室内进行，外幕墙采用全封闭构造。开敞式外通风幕墙外层是单层玻璃与非断热型材组成的玻璃幕墙，内层是由中空玻璃与断热型材组成的幕墙，内外幕墙形成的通风换气层的两端装有进风和排风装置，通道内也可设置百叶等遮阳装置(图10)。从两个系统比较来看，“开敞式”幕墙系统不仅具有“封闭式”幕墙系统在遮阳、隔声等方面的优点，而且在节能舒适性方面更为突出，并且使高层建筑上段的自然通风成为可能。据统计，双层通风幕墙与普通单层幕墙相比，在采暖时节约能源42%52，在制冷时节约能源38%60%，成为解决办公建筑节能的一个新方向。但是，由于双层通风幕墙具有双层结构，技术含量高，一次性投资较单层幕墙高，此外双层通风幕墙的有效建筑面积比单层幕墙要损失2.53.5，这也是影响它被普遍使用的因素之一。3 合理的遮阳系统 为了改善现代化办公建筑的室内热环境，采用遮阳技术无疑是一项重要的技术手段，它不但可以防止眩光，还可以在夏季阻挡直射光透过玻璃进入室内，防止阳光过分照射造成围护结构温度过高；在冬季又能允许阳光进入室内，提升温度，减少空调的能量消耗。 内遮阳与外遮阳是两种比较常见的遮阳方式，但是在隔热性能上两种遮阳方式存在着很大的差异。在采用相同遮阳百叶的情况下，对于外遮阳来说，由于遮阳百叶在窗户外侧，主要的太阳辐射热被挡在了室外；而内遮阳由于遮阳百叶在窗户内侧，大部分的太阳辐射热已经进入室内，尽管有一部分经遮阳百叶反射到室外，但还有很大一部分透过遮阳系统进入室内。由此可见，在隔热性能方面，外遮阳具有非常明显的优势。外遮阳分为固定式和活动式两种，其中活动式外遮阳具有较好的遮阳效果，遮阳角度也可根据使用的需要进行调节。但由于遮阳构件常年暴露在外界环境中，要求必须具备较高的强度和刚度，对活动构件的性能要求也较高。随着科技的发展，更加牢固、简易又实用的外遮阳产品将会不断出现。 在我国现阶段的条件下，中空玻璃与断热型材组成的单层幕墙和活动式外遮阳系统相结合的透明围护结构是值得推广的一种方式。外遮阳系统作为一种灵活的立面元素，与幕墙系统相结合，形成具有动感的建筑形象，从而使办公建筑的造型更具现代化与人性化。4 充分利用自然采光与自然通风 生态办公建筑设计除了初期的的空间组合设计和建筑围护结构设计外，利用自然采光和自然通风也是决定能否真正实现舒适的室内环境，减少能量消耗的关键之一。 办公建筑由于进深和各层面积较大，因此，在很大程度上依靠机械通风和人工照明，这种过分依赖机械、电气设备的工作空间看似带来了恒定的气温、较好的工作环境，实际是在损害人们的身体健康。在生态节能理念越来越受到重视的今天，如何最大限度地利用自然采光与自然通风也逐渐受到人们的关注与重视。 在办公建筑中，窗户是阳光进入室内的通道，在现代化大进深的集中型办公室里，人们选择办公桌的位置时，喜欢靠近窗户，就是希望获得阳光和新鲜的空气。然而，侧窗采光由于光线不足，很难满足大进深办公建筑的要求。为了解决这个问题，可以通过用辅助的光反射系统来补充，或是利用中庭采光。利用辅助反射系统的一个典型案例是由日建设计事务所设计的东京煤气公司NT大楼(图11)，该建筑设有一个被设计者称为“生物核”的共享大厅，共享大厅位于建筑北侧，精心设计的玻璃“呼吸外壁”能充分利用自然采光、导入自然通风，并且能最大限度地降低环境的不利影响。为了充分利用南北自然采光，将南侧办公部分的每层吊顶均设计成折线状，可以反射阳光至室内天花，形成均匀的室内漫反射光效果，并减少人工照明的能耗。平时，即使是在阴天，室外照度为15 000 lx时，中央办公桌面自然采光照度依旧能达到300 lx。中庭空间在现在的办公建筑中出现得越来越多，这种空间的价值不仅在于增添了建筑的层次性、趣味性，同时也增加了室内绿化、改善了空气质量，更重要的是，它在节能方面具有重要的意义。一方面中庭空间可以引入自然采光，另一方面，只要在中庭顶部设置可开启的玻璃窗，就可以利用热压进行自然通风。此外，建筑中还可利用风压、风压与热压结合的形式保证自然通风的实现。一般来说，对于进深较小的空间可以利用风压直接通风，而对进深较大的空间则可利用热压和烟囱效应来进行自然通风。5 结论 如上所述，对于办公建筑中的生态节能设计，可以在设计初期采用合理的空间组合，并通过增强外围护结构的保温隔热性能、绿化屋面、改善窗户及玻璃幕墙的热工性能、选择有效的遮阳系统、充分利用自然采光与自然通风等方式来实现办公生态化。当然，我们也可以通过主动式节能方法，如采用高能效的设备系统，采用节能灯具、电器，也可以运用一些如低温辐射楼板、地源热泵等新技术，来提高整个建筑物的节能率。以上所叙述的4方面的要点，是设计生态办公建筑的关键问题和降低建筑能耗的有效技术手段。 绿色办公建筑的生态节能设计是一个新的研究课题。虽然目前国内在这方面的研究仅仅只是起步阶段，但对这一方向的探索，无疑是具有前瞻性和开拓性的。今天，我国正处于工业化、城镇化加快发展的重要阶段，能源是我国当前和今后相当长一个时期内，制约经济社会发展的“瓶颈”。有资料显示：“今年上半年，我国能耗增长快于经济增长，单位GDP能耗不降反升，节能工作形势十分严峻”。作为大量消耗能源与资源的建筑业，抓紧发展绿色的生态节能建筑，是社会发展的紧迫要求。而办公建筑设计提倡采用生态节能技术更是一个重要的举措。在新的形势下，建设高舒适、低能耗的生态节能办公建筑，是我们进一步研究和探索的大课题和新任务。参考文献：1江亿主编.超低能耗建筑技术及应用M.北京:中国建筑工业出版社,2005.2李振翔.办公建筑节能设计方法研究D.浙江大学硕士学位论文.3李华东主编.高技术生态建筑M.天津:天津大学出版社,2002.