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摘要:被动式节能是利用自然气候资源来提高居住环境的舒适度，从而减少人工机械设备对环境改造的投入力度，达到减少能源消耗的目的。因此，被动式节能也成为建筑节能设计倡导的方向。本文结合实例，介绍了高层建筑被动式节能设计思路，并分析了节能效果，为同类建筑被动式节能设计提供了很好的参考价值。
关键词:高层建筑；被动式节能设计；自然采光；自然通风；节能效果
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
众所周知，建筑行业是耗能大户，在我国资源能源短缺日益严重的形势下，发展节能型建筑是势在必行的。在解决建筑的节能问题时，可以采用两种策略：一是采用高科技手段系统地使用非常规能源替代常规能源以此达到节约常规能源的目的。这种方式称之为主动式建筑节能，具有投资高，技术难度大，管理较复杂的特点；另一种是采用更合理的建筑布局、形体组合，更契合的外部环境和巧妙的构造设计，优化材料配置及后期合理的运行管理等达到满足室内舒适环境的目的。这种方式称之为被动式建筑节能，其技术难度小、投资低，在建筑节能设计中应用潜力巨大。下面，结合实例，探讨高层建筑被动式节能设计思路。
1 高层办公建筑的能耗特点
高层建筑能耗包含了建筑空调能耗、照明能耗、办公设备能耗与电梯能耗等方面。从平均结果来看，高层办公建筑空调的能耗密度约为37.7kW·h/m2，占总能耗的50%以上；办公设备的能耗密度次之，达到了19.2kW·h/m2，约占总能耗的26%；照明能耗密度为9.1kW·h/m2，约占总能耗的12%；电梯及其他的能耗密度为8.0kW·h/m2，约占总能耗的11%。
与其他公共建筑类型相比，高层办公建筑的能耗特点如下:
1)相比同等面积的低层和多层办公建筑，高层办公建筑容纳人数众多，信息处理量大。为保持正常的运作，高层办公建筑在电梯、空调、供水、管理等方面要消耗大量的能源。
2)高层办公建筑照明能耗偏高。
3)高层办公建筑的照明与办公设备比例较高，人员相对密集，导致内热源发热量较大。
4)由于办公时间固定且办公人员作息规律明显，办公建筑具有间歇使用的特点即白天使用频率高、能耗高，夜间无人使用、能耗低。
2 高层办公建筑被动式节能设计常见问题
2.1自然采光利用率低
由于基地条件限制、结构原因以及建筑和办公空间新需要等，现代高层办公建筑大多采用方形、圆形、矩形等形式，即标准层平面长度和宽度相差不多，办公空间围绕垂直核心筒布置。其进深尺寸一般为8～12m，有的多达20m左右。照度随进深距离增加呈递减趋势，侧窗采光由于光线不足，很难满足大进深高层办公建筑的要求，因此，导致室内人工照明大量增加。
2.2室内自然通风组织差
早期的多层和低层办公建筑，大多为板型平面，以廊道联通各使用单元，为建筑的自然通风提供了可能。而现代高层办公建筑，一方面室内大多为大进深办公空间，另一方面房间外墙可开启面积非常有限，室内空气气流组织基本依靠设备系统来实现。
2.3围护结构保温隔热能力差
建筑的外围护结构包括屋面、外墙、外窗以及地面等部位。对于高层办公建筑而言，由于其竖向表面面积远大于横向屋面面积，因此，墙体与窗户的保温隔热能力成为了衡量其围护结构保温隔热能力的决定性因素。
3 高层办公建筑被动式节能设计实践
针对调研中发现的高层办公建筑能耗特点和被动式设计的常见问题，笔者进行了总结分析，以期找到解决这些问题的办法，达到更好的节能的目的。为此，在建筑设计中关注到了高层办公建筑的采光、通风与保温隔热的被动式设计。
3.1项目简介
某高层建筑项目主楼16层，占地面积1.2万m2，总建筑面积4万m2，容积率2.65，建筑密度26%，绿化率33%。
3.2气候分析
广东省为亚热带季风气候，热量资源丰富，气候温暖，冬无严寒，各地年平均温度在20.4～23.1℃之间，最冷月1月份平均温度约在9～17℃之间，无霜期长，南部基本无霜。相对于北国是一个“天然大温室”。全年日照为1500-2100小时。
3.3自然采光设计
通常情况下，要使建筑有良好的自然采光，可以在基地允许的情况下，将塔式标准层变为板式或交叉式平面布置，增加自然采光的几率。但是，这一措施必然会导致由于建筑体型系数增大而带来的能耗增加，即使照明能耗有所降低，也得不偿失。
而本项目采用的是改变平面组织方式的办法。即在方案的平面布局中采用中庭是的布置方式，增加建筑中心部位的自然采光。房间的进深都控制在8.1m以下，同时，大部分房间采用双向采光；更为有效的是，由于研究院的特殊性质，很多设计所采用了开放式大空间，减少了隔墙对光线的遮挡，进一步增加了自然采光。同时，由于采用了空中花园的设计，减少了楼板对于光线的遮挡，也增加了大进深处的自然采光照度。
3.4自然通风设计
自然通风可以增加室内的空气流动，降低室内温度，带走室内水汽，有效增加室内的热舒适度。在本工程中，所有的窗户都可以根据使用者的意愿，自由开闭，充分利用自然通风。平面设计大部分楼层采用了开放式大空间设计，减少了对空气流动的阻挡，让空气在室内流动更顺畅。更为重要的是，中庭空间形成了一个巨大的拔风烟囱；三层通高的空中花园也同样形成了烟囱效应。由于办公建筑人员较多、办公设备也较多，因此，室内的内热源很大，再加上中庭巨大的高度差，会产生十分明显的热压通风的效果。
3.5外围护结构设计
本建筑体型规整，体型系数仅0.2，南向窗墙面积比为0.49，北向窗墙面积比为0.47，西向窗墙面积比为0.45，东西窗墙面积比为0.46。外墙采用200mm加气混凝土砌块和80mm岩棉保温，传热系数0.39W/(m2·K)；屋顶采用110mm岩棉保温，传热系数0.427W/(m2·K)；外窗和玻璃幕墙均采用6+12+6遮阳型Low－E中空玻璃，传热系数1.8W/(m2·K)，遮阳系数为0.45。虽然此建筑的窗墙面积比较大，但是设计中充分考虑了自遮阳，窗户内凹为800mm，可以在夏季有效遮挡太阳的直射辐射。
4方案的驗证
根据被动式设计的基本流程，在方案创作过程中，需要及时对方案的预期效果进行分析预测，以验证设计想法的正确性与合理性。
4.1自然采光分析验证
在建筑设计的过程中，笔者将建筑方案在Eco tect Analysis软件中建模；按照GB/T50033-2001《建筑采光设计标准》的相关要求，设置了墙面、地面与天花板的反射比，设置了标准平面的测试平面；利用Radiance软件进行了全阴天天空模型下的模拟分析，如图2所示。从图中可以看出，建筑室内采光照度大部分空间都能满足GB/T50033-2011对办公室室内天然光临界照度值100lx的要求，室内中庭和空中花园起到了明显的作用。根据动态自然采光模拟分析软件Daysim的模拟验证，在该建筑在使用渐变式控制人工照明的情况下，照明节能率可达到75%以上。
4.2自然通风分析验证
对于自然通风的效果，我们做了理论分析和CFD模拟验证的两方面工作。
图1建筑中心剖面在全阴天情况下的室内照度Lux
根据笔者的研究，热压通风的通风口面积为:
Ai=(AQ)/(vCcΔdT)(1)
式中:
Ai为通风口面积，m2；
Q为建筑室内热源功率密度，W/m2；
A为通风需要服务的面积，m2；
v为室内气流速度，m/s；
Cc为空气比热容，J/(m3·℃)；
ΔT为温度差，℃。
本项目为典型的办公建筑，内热源功率密度约为:
Q=Qp+(Qs+Qt)/3(2)
式中:
Qp为人员散热功率密度，W/m2；
Qs为办公设备功率密度，W/m2；
Ql为照明功率密度，W/m2。
按平均4m2内1人(100W)、照明功率密度11W/m2和办公设备功率密度20W/m2来计算，内热源的功率密度为35W/m2。
若将内部得热Q为35W/m2、扣除中庭后的使用面积作为总服务面积A为25000m2、气流速度v为1m/s、空气热容Cc为1200J/(m3·℃)和温差ΔT=7℃(温差的取值是考虑在春秋季时，进入的冷气温度低于室内平均温度约3℃，天花板处排出的废气温度高于室内平均温度3～4℃来确定)代入式(2)则可算得所需通风口的截面面积约为208m2。由于式(1)是理想气体在理想状态的运动情况，没考虑气流在流动时与壁面以及障碍物间产生的摩擦、涡流和气流本身的黏滞耗散等情况，因此，实际气流在建筑内的损失比理想情况大很多。所以，在设计中，通风口面积的大小通常要取计算值的2倍～3倍，在此项目中中庭面积为479m2，再加上空中花园的面积，已经大于理论值的3倍，完全可以满足建筑的热压通风。
对于进风口，整栋建筑外窗与玻璃幕墙的面积共6490m2，以可开启面积33%计算，建筑的进风口面积约为2140m2，远远大于理论计算面积的3倍。
4.3被动式设计的节能效果分析
为了验证被动式设计的节能效果，利用热工分析软件DesignBuilder进行了能耗分析，结果如图2所示。
图中“参照建筑”即按照GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》中的建筑模型进行计算:其外墙的传热系数为0.6W/(m2·K)；屋頂传热系数为0.55W/(m2·K)；外窗的传热系数为2.3W/(m2·K)，遮阳系数为0.6；照明功率密度为现行值11W/m2；空调和采暖系统为两管制风机盘管系统。
计算得到参照建筑的采暖、空调、照明的能耗密度分别为17.6，10.33，25.41kW·h/m2。当采用了前文介绍的外围护结构后，其采暖、空调的能耗密度分别为17.05，9.66kW·h/m2。可以发现采暖空调的能耗都有所降低，总能耗约比参照建筑的能耗降低约2.3%。
由于采用了遮阳型的Low－E中空玻璃，有将窗户内凹800mm，二者共同的遮阳效果导致了采暖能耗密度有所增加，为17.98kW·h/m2；但空调能耗密度明显降低，为8.05kW·h/m2；总能耗有所降低。与参照建筑的能耗密度相比，降低了约3.6%。
自然通风的引入导致了空调开启的时间明显减少，因此，空调能耗密度降低更加明显，达到了5.16kW·h/m2。与参照建筑的能耗密度相比，降低了约9.0%。
如果建筑的照明采用节能灯具，照明功率密度由现行值降低为目标值，即9W/m2，则照明能耗密度降低为20.79kW·h/m2；同时，由于照明能耗密度的降低，其散热量也有所降低，导致空调能耗降为5.10kW·h/m2，而采暖能耗增加到18.00kW·h/m2。总之，与参照建筑的能耗密度相比，降低了约17.7%。
考虑到自然采光的效果可以达到节能75%以上，那么照明能耗实际降低为5.20kW·h/m2；再加上灯具使用的减少，内热源也明显减少，空调能耗也会降低。因此，与参照建筑的能耗密度相比，最终的节能效果约为47.1%。
1—照明能耗；2—空调能耗；3—采暖能耗
图2各种被动式设计策略的节能效果分析
5总结
综上所述，被动式建筑节能，并不一定是高科技高投入的，只要设计得当，常规的甚至简单的技术应用，不需增加投资或增加不多投资即可获得很好的节能效应。被动式建筑节能的实现，重在树立设计理念，以及对设计原理、应用技术的正确理解与运用。
参考文献
[1] 卓晋勉.夏热冬暖地区被动式建筑节能设计探讨[J].福建建设科技.2012年第02期
[2] 张辉.被动式节能建筑设计的探讨[J].科技风.2010年08期
关键词:高层建筑；被动式节能设计；自然采光；自然通风；节能效果
中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：
众所周知，建筑行业是耗能大户，在我国资源能源短缺日益严重的形势下，发展节能型建筑是势在必行的。在解决建筑的节能问题时，可以采用两种策略：一是采用高科技手段系统地使用非常规能源替代常规能源以此达到节约常规能源的目的。这种方式称之为主动式建筑节能，具有投资高，技术难度大，管理较复杂的特点；另一种是采用更合理的建筑布局、形体组合，更契合的外部环境和巧妙的构造设计，优化材料配置及后期合理的运行管理等达到满足室内舒适环境的目的。这种方式称之为被动式建筑节能，其技术难度小、投资低，在建筑节能设计中应用潜力巨大。下面，结合实例，探讨高层建筑被动式节能设计思路。
1 高层办公建筑的能耗特点
高层建筑能耗包含了建筑空调能耗、照明能耗、办公设备能耗与电梯能耗等方面。从平均结果来看，高层办公建筑空调的能耗密度约为37.7kW·h/m2，占总能耗的50%以上；办公设备的能耗密度次之，达到了19.2kW·h/m2，约占总能耗的26%；照明能耗密度为9.1kW·h/m2，约占总能耗的12%；电梯及其他的能耗密度为8.0kW·h/m2，约占总能耗的11%。
与其他公共建筑类型相比，高层办公建筑的能耗特点如下:
1)相比同等面积的低层和多层办公建筑，高层办公建筑容纳人数众多，信息处理量大。为保持正常的运作，高层办公建筑在电梯、空调、供水、管理等方面要消耗大量的能源。
2)高层办公建筑照明能耗偏高。
3)高层办公建筑的照明与办公设备比例较高，人员相对密集，导致内热源发热量较大。
4)由于办公时间固定且办公人员作息规律明显，办公建筑具有间歇使用的特点即白天使用频率高、能耗高，夜间无人使用、能耗低。
2 高层办公建筑被动式节能设计常见问题
2.1自然采光利用率低
由于基地条件限制、结构原因以及建筑和办公空间新需要等，现代高层办公建筑大多采用方形、圆形、矩形等形式，即标准层平面长度和宽度相差不多，办公空间围绕垂直核心筒布置。其进深尺寸一般为8～12m，有的多达20m左右。照度随进深距离增加呈递减趋势，侧窗采光由于光线不足，很难满足大进深高层办公建筑的要求，因此，导致室内人工照明大量增加。
2.2室内自然通风组织差
早期的多层和低层办公建筑，大多为板型平面，以廊道联通各使用单元，为建筑的自然通风提供了可能。而现代高层办公建筑，一方面室内大多为大进深办公空间，另一方面房间外墙可开启面积非常有限，室内空气气流组织基本依靠设备系统来实现。
2.3围护结构保温隔热能力差
建筑的外围护结构包括屋面、外墙、外窗以及地面等部位。对于高层办公建筑而言，由于其竖向表面面积远大于横向屋面面积，因此，墙体与窗户的保温隔热能力成为了衡量其围护结构保温隔热能力的决定性因素。
3 高层办公建筑被动式节能设计实践
针对调研中发现的高层办公建筑能耗特点和被动式设计的常见问题，笔者进行了总结分析，以期找到解决这些问题的办法，达到更好的节能的目的。为此，在建筑设计中关注到了高层办公建筑的采光、通风与保温隔热的被动式设计。
3.1项目简介
某高层建筑项目主楼16层，占地面积1.2万m2，总建筑面积4万m2，容积率2.65，建筑密度26%，绿化率33%。
3.2气候分析
广东省为亚热带季风气候，热量资源丰富，气候温暖，冬无严寒，各地年平均温度在20.4～23.1℃之间，最冷月1月份平均温度约在9～17℃之间，无霜期长，南部基本无霜。相对于北国是一个“天然大温室”。全年日照为1500-2100小时。
3.3自然采光设计
通常情况下，要使建筑有良好的自然采光，可以在基地允许的情况下，将塔式标准层变为板式或交叉式平面布置，增加自然采光的几率。但是，这一措施必然会导致由于建筑体型系数增大而带来的能耗增加，即使照明能耗有所降低，也得不偿失。
而本项目采用的是改变平面组织方式的办法。即在方案的平面布局中采用中庭是的布置方式，增加建筑中心部位的自然采光。房间的进深都控制在8.1m以下，同时，大部分房间采用双向采光；更为有效的是，由于研究院的特殊性质，很多设计所采用了开放式大空间，减少了隔墙对光线的遮挡，进一步增加了自然采光。同时，由于采用了空中花园的设计，减少了楼板对于光线的遮挡，也增加了大进深处的自然采光照度。
3.4自然通风设计
自然通风可以增加室内的空气流动，降低室内温度，带走室内水汽，有效增加室内的热舒适度。在本工程中，所有的窗户都可以根据使用者的意愿，自由开闭，充分利用自然通风。平面设计大部分楼层采用了开放式大空间设计，减少了对空气流动的阻挡，让空气在室内流动更顺畅。更为重要的是，中庭空间形成了一个巨大的拔风烟囱；三层通高的空中花园也同样形成了烟囱效应。由于办公建筑人员较多、办公设备也较多，因此，室内的内热源很大，再加上中庭巨大的高度差，会产生十分明显的热压通风的效果。
3.5外围护结构设计
本建筑体型规整，体型系数仅0.2，南向窗墙面积比为0.49，北向窗墙面积比为0.47，西向窗墙面积比为0.45，东西窗墙面积比为0.46。外墙采用200mm加气混凝土砌块和80mm岩棉保温，传热系数0.39W/(m2·K)；屋顶采用110mm岩棉保温，传热系数0.427W/(m2·K)；外窗和玻璃幕墙均采用6+12+6遮阳型Low－E中空玻璃，传热系数1.8W/(m2·K)，遮阳系数为0.45。虽然此建筑的窗墙面积比较大，但是设计中充分考虑了自遮阳，窗户内凹为800mm，可以在夏季有效遮挡太阳的直射辐射。
4方案的驗证
根据被动式设计的基本流程，在方案创作过程中，需要及时对方案的预期效果进行分析预测，以验证设计想法的正确性与合理性。
4.1自然采光分析验证
在建筑设计的过程中，笔者将建筑方案在Eco tect Analysis软件中建模；按照GB/T50033-2001《建筑采光设计标准》的相关要求，设置了墙面、地面与天花板的反射比，设置了标准平面的测试平面；利用Radiance软件进行了全阴天天空模型下的模拟分析，如图2所示。从图中可以看出，建筑室内采光照度大部分空间都能满足GB/T50033-2011对办公室室内天然光临界照度值100lx的要求，室内中庭和空中花园起到了明显的作用。根据动态自然采光模拟分析软件Daysim的模拟验证，在该建筑在使用渐变式控制人工照明的情况下，照明节能率可达到75%以上。
4.2自然通风分析验证
对于自然通风的效果，我们做了理论分析和CFD模拟验证的两方面工作。
图1建筑中心剖面在全阴天情况下的室内照度Lux
根据笔者的研究，热压通风的通风口面积为:
Ai=(AQ)/(vCcΔdT)(1)
式中:
Ai为通风口面积，m2；
Q为建筑室内热源功率密度，W/m2；
A为通风需要服务的面积，m2；
v为室内气流速度，m/s；
Cc为空气比热容，J/(m3·℃)；
ΔT为温度差，℃。
本项目为典型的办公建筑，内热源功率密度约为:
Q=Qp+(Qs+Qt)/3(2)
式中:
Qp为人员散热功率密度，W/m2；
Qs为办公设备功率密度，W/m2；
Ql为照明功率密度，W/m2。
按平均4m2内1人(100W)、照明功率密度11W/m2和办公设备功率密度20W/m2来计算，内热源的功率密度为35W/m2。
若将内部得热Q为35W/m2、扣除中庭后的使用面积作为总服务面积A为25000m2、气流速度v为1m/s、空气热容Cc为1200J/(m3·℃)和温差ΔT=7℃(温差的取值是考虑在春秋季时，进入的冷气温度低于室内平均温度约3℃，天花板处排出的废气温度高于室内平均温度3～4℃来确定)代入式(2)则可算得所需通风口的截面面积约为208m2。由于式(1)是理想气体在理想状态的运动情况，没考虑气流在流动时与壁面以及障碍物间产生的摩擦、涡流和气流本身的黏滞耗散等情况，因此，实际气流在建筑内的损失比理想情况大很多。所以，在设计中，通风口面积的大小通常要取计算值的2倍～3倍，在此项目中中庭面积为479m2，再加上空中花园的面积，已经大于理论值的3倍，完全可以满足建筑的热压通风。
对于进风口，整栋建筑外窗与玻璃幕墙的面积共6490m2，以可开启面积33%计算，建筑的进风口面积约为2140m2，远远大于理论计算面积的3倍。
4.3被动式设计的节能效果分析
为了验证被动式设计的节能效果，利用热工分析软件DesignBuilder进行了能耗分析，结果如图2所示。
图中“参照建筑”即按照GB50189-2005《公共建筑节能设计标准》中的建筑模型进行计算:其外墙的传热系数为0.6W/(m2·K)；屋頂传热系数为0.55W/(m2·K)；外窗的传热系数为2.3W/(m2·K)，遮阳系数为0.6；照明功率密度为现行值11W/m2；空调和采暖系统为两管制风机盘管系统。
计算得到参照建筑的采暖、空调、照明的能耗密度分别为17.6，10.33，25.41kW·h/m2。当采用了前文介绍的外围护结构后，其采暖、空调的能耗密度分别为17.05，9.66kW·h/m2。可以发现采暖空调的能耗都有所降低，总能耗约比参照建筑的能耗降低约2.3%。
由于采用了遮阳型的Low－E中空玻璃，有将窗户内凹800mm，二者共同的遮阳效果导致了采暖能耗密度有所增加，为17.98kW·h/m2；但空调能耗密度明显降低，为8.05kW·h/m2；总能耗有所降低。与参照建筑的能耗密度相比，降低了约3.6%。
自然通风的引入导致了空调开启的时间明显减少，因此，空调能耗密度降低更加明显，达到了5.16kW·h/m2。与参照建筑的能耗密度相比，降低了约9.0%。
如果建筑的照明采用节能灯具，照明功率密度由现行值降低为目标值，即9W/m2，则照明能耗密度降低为20.79kW·h/m2；同时，由于照明能耗密度的降低，其散热量也有所降低，导致空调能耗降为5.10kW·h/m2，而采暖能耗增加到18.00kW·h/m2。总之，与参照建筑的能耗密度相比，降低了约17.7%。
考虑到自然采光的效果可以达到节能75%以上，那么照明能耗实际降低为5.20kW·h/m2；再加上灯具使用的减少，内热源也明显减少，空调能耗也会降低。因此，与参照建筑的能耗密度相比，最终的节能效果约为47.1%。
1—照明能耗；2—空调能耗；3—采暖能耗
图2各种被动式设计策略的节能效果分析
5总结
综上所述，被动式建筑节能，并不一定是高科技高投入的，只要设计得当，常规的甚至简单的技术应用，不需增加投资或增加不多投资即可获得很好的节能效应。被动式建筑节能的实现，重在树立设计理念，以及对设计原理、应用技术的正确理解与运用。
参考文献
[1] 卓晋勉.夏热冬暖地区被动式建筑节能设计探讨[J].福建建设科技.2012年第02期
[2] 张辉.被动式节能建筑设计的探讨[J].科技风.2010年08期