高层办公建筑的节能设计

Industrial Construction Vol.40，No.12，2010
工业建筑2010年第40卷第12期
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高层办公建筑的节能设计
李雪平
1，2
（1.西安建筑科技大学建筑学院，西安
710055；2.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安710054）
摘要：通过对西安高层办公建筑的现状调研及存在主要节能问题的分析，有针对性地提出了适应本地
区气候特点的高层办公建筑的节能设计策略，
以期对高层办公建筑的节能设计有参考价值。

关键词：建设现状；存在节能问题；节能设计策略
ENERGY CONSERVATION DESIGN OF HIGH －RISE OFFICE BUILDING
Li Xueping 1，
2
（1.School of Architecture ，Xi ’an University of Architecture and Technology ，Xi ’an 710055，China ；
2.School of Architectural and Civil Engineering ，Xi ’an University of Science and Technology ，Xi ’an 710054，China ）
Abstract ：It has been proposed the energy-saving strategies of high-rise office buildings ，which can adapt to local climatic characteristics through an investigation on the present status of the high-rise office buildngs in Xi ’an City ，and also by way of the analysis of the existing main problems.Which would provide useful experience for the energy-saving design of high-rise office buildings.
Keywords ：construction status ；existing energy-saving problems ；strategy on energy-saving design
作
者：李雪平，女，1972年出生，西安建筑科技大学博士研究生，
西安科技大学副教授。

E －mail ：lxp402@
收稿日期：2010－05－26
高层办公建筑是适应社会现代化要求、城市经济高速发展和缓解城市土地资源紧缺的必然产物。

近年来，西安市和全国各地一样，伴随着城市化的进程，城市建设发展迅速，高层办公建筑也越来越多的兴建起来。

高层办公建筑在节约城市土地资源、体现城市繁荣、
丰富城市景观、美化空间形态等方面起到了积极的作用。

然而必须看到，高层办公建筑为保持正常的运作，在电梯、空调、供水、供暖、管理等方面要多消耗大量的能源。

1
西安高层办公建筑建设现状
通过对西安高层办公建筑的现状调研，发现呈现如下特点：1）从区位分布情况来看，
高层办公建筑大多位于城市主干道上。

如：所调研的黄河上中游管理局办公楼位于西安市北郊经一路和纬四路处东南角。

西安出口加工区服务中心位于西安市北郊西安经济技术产业开发区内。

西安软件园凌翼广场位于科技二路与团结南路交叉口处。

2）从建筑类别来看，西安的高层办公建筑大多由办公和综合服务等多种功能组成，
很少有单一功能的纯办公楼。

3）从建设主体来看，随着市场经济不断发展，高层办公建筑的建设业主过去以国家机关、
事业单位和服务单位自建为主，现在成为以私人投资、开发企业投资为主体。

2西安高层办公建筑目前存在的节能问题近几年西安高层办公建筑的发展之快有目共
睹，但是在建筑节能方面还存在一些问题，建筑节能潜力巨大。

1）大面积玻璃幕墙几乎成了流行的立面设计手法，到处采用，加大了空调负荷和光污染。

2）为满足业主求快的心理，设计人员习惯于套用负荷指标进行估算，在调查中发现某些高层办公建筑的空调装机冷量即使在最热天也只是用到1/2左右。

3）某些开发商出于短期行为，认为“建筑节能得益的是购房户
”，“今后能耗费用要分摊给用户”，不愿意为不能立即见效的节能措施投资，也不愿采用国外成熟的节能新技术。

4）西安近年来也建了一些智能化大楼，但对智能化大楼的理解还仅局限于大楼的弱电系统。

其实，真正的智能建筑，应该是能够感知各种需求，并迅速地用最小的代价和最少的资源去满足这些需求。

因此，智能建筑首先应是节能的、环保的、高效
率的和有益人们健康的建筑。

但许多所谓“智能化大楼”恰恰在环境能源管理系统中的问题最多，甚至某些“智能建筑”成了高能耗建筑的代名词。

3西安高层办公建筑的节能设计策略
根据西安地区特点，应兼顾隔热、保温、通风与排湿，从本地气候、经济及资源条件出发，优选先进的节能技术。

3.1门窗和玻璃幕墙的节能
门窗往往是建筑围护结构中节能的薄弱环节，通常主要采用以下几种方法达到节能：
1）对办公建筑的窗墙比应有一定的控制，因为窗户面积直接影响建筑的采光及采暖空调的能耗，一般窗墙比应控制在0.3左右。

在西安地区，设计大面积玻璃门窗和幕墙时，要选择采光、隔声、热工性能良好的新型玻璃材料。

西安市近年来新建的一些高层办公建筑的玻璃幕墙采用了6mm+9A+ 6mm和10mm+9A+10mm的中空玻璃，但随着节能标准的不断提高，普通的中空玻璃已不能完全满足节能设计的技术要求，通过对玻璃传热系数的比较得知：12mm空气层的Low-E中空玻璃比较适合西安地区的情况。

近年来，玻璃幕墙已被注重生态的建筑师们注入了适应气候的理念和有效的技术手段，如西安秦达创业中心投资大厦采用了双层玻璃幕墙中间夹百叶，中间的空气层起到了保温隔热作用，节能效果明显。

2）根据建筑日照设计原理，合理设计窗户遮阳措施，减小玻璃面的日照面积，降低夏季空调能耗。

正如奥格雅所说，即使是那些最简单的遮阳板，只要精心设计，同样可以成为高效的太阳辐射的控制器［1］。

在进行遮阳设计时要考虑各个地区气候特点，对于西安地区冬季需要日照，夏季需要遮阳，应采用活动式遮阳措施，如西安出口加工区服务中心建筑的遮阳措施。

在设计遮阳构造时要结合玻璃门窗、幕墙建筑的整体艺术效果，材料与颜色进行考虑，而且形式要简单、美观，便于清洗、安装。

西安软件园凌翼广场南面的大幅中空玻璃白色铝合金窗为办公室提供了充足的日光照明。

而被遮阳板上表面反射的光线会通过自动通风窗进入室内，照亮房顶有一定倾斜角度的反光天花板。

在温暖的季节，自动通风窗开启，室外空气通过百叶窗进入室内。

这种百叶窗是通过通风塔的烟囱效应实现，无论室外的风向和风速如何，都有良好的通风效果。

3）在西安地区采用大面积玻璃门窗和幕墙时应采取保温措施，防止“热桥”产生。

由于门窗和幕墙框大多为金属材料，金属和玻璃材料导热系数大，当室内外温差大时，应注意在门窗、幕墙框架格内加热绝缘材料进行保温，以防止结露、挂霜，并减少能耗。

幕墙竖框室内外均用热绝缘橡胶密封条分隔，形成“热断桥”后，幕墙不产生结露现象，而且视野清晰。

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%。

4）玻璃窗还应满足美观、经济、耐久，便于维修、清洗的要求。

合理选择材料和构造形式，充分考虑使用的灵活性和最大限度地减少能耗，因此，对立面分格大小、方向以及玻璃、框格颜色等均要满足适用、经济、美观的要求，使建筑呈现出多姿多彩和富丽堂皇的艺术效果。

黄河上中游管理局办公楼窗子采用银白色镀膜铝合金窗，淡蓝色玻璃；西安出口加工区服务中心窗子采用氟碳喷涂铝合金窗，单框中空玻璃；西安软件园凌翼广场采用白色铝合金窗和中空玻璃。

3.2建筑体形的节能作用
丹尼尔斯和赫尔佐格对建筑形体都进行过深入分析，他们得出的结论是：在四边形中，同样面积下，正方形的体形系数最小，也就是周长最小。

因此，正方形保温隔热性能最好。

在此基础上，赫氏进一步提出将正方形旋转45ʎ，以对角线为南北向布置的主张，他认为这样可以最大限度地吸收太阳辐射热。

他已将这一设想运用到住宅设计中。

德国建筑师英恩霍文又把这种理论向前推进一步，他认为圆形比起正方形来其体形系数更小，同时还有降低风压，优化光照的优势，因此，他把圆柱体运用到了高层建筑德国埃森RWE办公楼设计中，圆柱状设计能降低风压，减少热能流失和结构损耗，该楼70%采用自然通风，可节约能耗30%。

英国一设计组织“未来系统”将体形系数的概念从平面进而发展到立面，他们通过试验研究，在最大限度地考虑了空气动力学原理后发现，采用圆形平面的同时，立面用双曲线，最为经济有效。

以该造型设计的“绿鸟”，外表面镶嵌了光电板，预计该楼在能源供应上能达到自给自足。

而黄河上中游管理局办公楼和西安出口加工区服务中心的建筑外形采用L型，西安软件园凌翼广场的建筑外形采用U型，这些体型均不利于建筑节能。

3.3空调节能
空调是高层办公建筑耗能大户，耗电量占整个建筑能耗的50%以上［2］。

近年来，随着办公条件的改善，在办公建筑中安装空调系统的越来越多，主要采用的空调系统形式有全空气系统和风机盘管加
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新风系统［3］。

西安黄河上中游管理局办公楼空调耗能夏季1396kW，冬季975.8kW。

西安出口加工区服务中心建筑空调设计耗能夏季3120kW，冬季2496kW。

西安软件园凌翼广场综合办公楼空调设计耗能22.6W/m2。

鉴于采暖空调在高层办公建筑中所处的主要耗能地位，因此，对其节能潜力应引起特别的关注，如室内空调器选用节能型（高效制冷压缩机、换热器和风扇，采用变频调速，并匹配良好）；空调器的安装位置宜不受太阳直射；不设定过低室温；经常清洗；采用热泵技术，同时满足夏季制冷与冬季采暖的需要。

对于中央空调，要确定适当的室内温湿度参数，优选冷热源机组和末端设备，注意设备匹配；加强运行管理与维修，重视室温设定与调控；推行空调蓄冷技术。

3.4照明节能
随着工作条件的改善，人们对办公室内照明亮度的要求不断提高［3］，在有些办公建筑中，不论晴天阴天，灯具几乎是全天候开着的。

其实在天气晴朗的时候，如果房间进深不是很大，在没有阳光直射，不需启用内遮阳的情况下，完全可以不开灯或少开灯，这部分的节约要靠人们节能意识的进一步增强和管理上的进一步加强。

在办公建筑的照明节能设计中，尽可能充分利用自然光，并采用高效照明光源及灯具。

3.5采用缓冲层做法
将辅助用房布置在外围，用以缓解外界气候对建筑内部房间的影响。

西安出口加工区服务中心采用了很多缓冲层做法：楼梯、电梯、门厅等非办公空间放在东西两侧，以缓解东西向日照对办公空间的影响；南侧三层高的边庭，也对办公空间的隔热保温起一定作用；西面设防晒墙，与建筑物相隔4.5m，夏季防西晒，冬季防西北风，同时也有一定的保温隔热作用；用太阳能板做的架空屋顶也起着热缓冲作用。

3.6进一步加强对高层办公建筑的方案审查
加强对高层办公建筑的方案审查，以保证其良好的外观形象，形成丰富的城市街景景观。

同时，也应该进行节能审查，让其尽量降低能耗。

4结语
高层办公建筑是城市现代化发展的必然产物，需要加以引导和管理，以使其健康、有序、可持续的发展，为西安市的经济繁荣和创造优美的办公环境做出积极的贡献。

参考文献
［1］籍存德，郝瑞珍，肖景文，等.夏热冬暖地区办公建筑节能设计探讨［J］.建筑科学，2006，12（6）：65－68.
［2］吴聪慧.生态办公建筑设计的技术理念之初探［J］.长春工程学院学报，2009（1）：16－20.
［3］梁珍，赵加宁，郭骏，等.高层办公建筑能耗调查与节能潜力分析［J］.节能技术，2001，1（1）：19－22.
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从测试数据上看，张拉过程符合计算分析要求，用型钢吊重方式施加预应力效果还是很明显的（自重状态下，悬臂梁端挠度减少了77%），通过模拟使用荷载的堆载试验（加载至使用荷载的30%），型钢应力较低，挠度变形符合相应荷载下的计算分析数据，说明该组悬臂梁的设计满足使用要求。

7结语
1）型钢－混凝土－预应力组合结构是大悬臂结构以及大跨度梁、大偏心柱、转换结构等的优选结构方案，尤其对于活荷载较大以及荷载变化较频繁的结构。

它具有增强结构刚度，提高截面承载力，改善结构及构件延性和能量耗散能力等突出优点。

2）高效预应力技术在型钢－混凝土组合结构中可起到很好的作用。

施工过程检测证明：该技术是保证组合结构共同工作、控制结构裂缝和挠度极其有效的主动措施。

3）组合结构中型钢通过强迫位移法施加有限度的预应力，不仅充分利用所配置型钢的抗拉强度，同时可改善结构的抗裂和变形性能。

参考文献
［1］吕志涛，孟少平.现代预应力设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.
［2］林宗凡.钢－混凝土组合结构［M］.上海：同济大学出版社，2003.
［3］周明杰.钢－混凝土组合结构设计与工程应用［M］.北京：中国建材工业出版社，2005.
［4］JGJ138—2001型钢混凝土组合结构技术规程［S］.
［5］YB9058—97钢骨混凝土结构设计规程［S］.
高层办公建筑的节能设计———李雪平15。