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摘 要：岭南湿热地区具有自身的特点,以深圳特区为例,分析岭南湿热地区办公建筑的耗能现状,提出符合岭南湿热地区，气候、经济、环境条件的办公建筑设计的节能措施。
关键词气候现状岭南湿热地区办公建筑节能设计
1 引 言
建筑能耗在我国能源消耗中占1/4强,随着国民经济的持续发展和城乡建设的加快,这一比重还将逐步上升。以节约能源,保护环境,改善建筑功能与质量为目标,以科技进步为动力,不断提高用能效率,已成为目前建筑节能事业可持续发展的重要内容。2005年7月建设部颁发了《公共建筑节能设计标准》(GB5018922005),从而把节能视作发展建筑行业的先导。在目前的建筑能耗中公共建筑用能数量巨大,浪费尤其严重，据资料统计全国年竣工的建筑面积中公共建筑约占1/5,而公共建筑中,又因为办公建筑的面广量大建筑标准高而成为耗能大户之一。
2 岭南湿热地区的气候特征
岭南湿热地区地处我国南部,它的分区指标为最冷月平均温度>10e,最热月平均温度25e~29e,日平均温度\25e的天数100~200天。按此划分,岭南湿热地区地区包括海南全部及广东、福建、广西大部分地区,以及香港、澳门与台湾。该地区为亚热带湿润季风气候,其特征表现为夏季漫长,冬季寒冷时间很短,甚至几乎没有冬季,长年气温高而且湿度大,气温的年较差和日较差都小。太阳辐射强烈,雨量充沛。由于这些气候特点,该地区建筑物的能耗主要是夏季用于制冷降温的能耗;建筑节能技术的热工设计,涉及防热、除湿和过渡季节的自然通风等内容,以夏季防热节能为主,基本不考虑冬季保温。
3 岭南湿热地区办公建筑能耗现状
近年来,岭南湿热地区特别是珠江三角洲广大地区,随着社会经济的高速发展,高层办公建筑增长十分迅猛,以深圳为例,据不完全统计,全市共有高层建筑1600多栋,办公建筑占35%。办公建筑一般都设有空调、电梯等用电设备,这些设备都给能源供应特别是电力供应带来沉重的压力,根据对深圳市的15栋高层办公建筑进行的粗略调查结果显示：
普通荧光灯使用普遍,节能灯的使用比例较小;
使用节能墙体的比例较高,为66%;
大多数使用了内遮阳,外遮阳的使用比例较低。
根据各种资料汇总可以得出各单项能耗的所占比例，其中空调33.6%，照明29.8%，设备28.1%，电梯4.8%，水泵0.7%。可以看出,办公设备、空调、照明的单位面积年平均耗电量占了总耗电量的94.15%。因此,办公建筑节能的关键在于设备、照明和空调的节能,由于设备的关键在于设备制造厂,故办公建筑节能的主要着眼点在于照明和空调的节能。岭南湿热地区太阳辐射强烈,夏季晴天12时水平面可高达1000WPm2以上,在这种强烈的太阳辐射条件下,阳光直射到室内,造成夏季室内过热,增加建筑的空调能耗。而长时间在空调环境里,人体的舒适度较差,直接影响人体健康。
4 节能设计措施
4.1.1 防晒墙与架空屋顶
建筑存在的根本目的之一就是能有效地抵御及缓解外部的影响,以使其提供的内部工作或居住环境更适合于使用者。这种建筑体系对外界环境不利影响(温湿度、噪声、太阳辐射等等)的环节被我们称之为缓冲作用,在办公建筑设计中,我们可以通过对缓冲层的设计与利用,有效地减少建筑能耗。防晒墙一方面可以有效地遮挡西晒的直射阳光,同时防晒墙与建筑主体之间的空隙(4~5m宽)还有利于室内空气的流通(拔风作用)。从建筑造型角度看,防晒墙的设计手法和细部处理也可以给人们耳目一新的感觉。架空屋顶、屋面遮阳百叶板或爬藤植物遮阳棚屋面,夏季太阳高度角大,可以有效地遮挡太阳辐射,而冬季太阳高度角较低时太阳辐射也能通过百叶片或落叶类爬藤植物的间隙照到屋面,从而达到夏季防热冬季得热的热工设计效果;同时还可以改善建筑微环境以及建筑第五立面的效果。
4.1.2 遮阳板系统
在岭南湿热地区,尤其是广东省的珠江三角洲,近邻海洋,高温多雨,夏季从4月上旬到11月下旬,时间长达半年以上,期间太阳辐射强烈。根据美国研究人员对墙体与玻璃的太阳辐射热量通过情况进行的比较显示,通过玻璃进入室内的太阳辐射量是墙体的30倍以上。但如果附加了一定的遮阳措施,热通过量明显减少,大约只占原先的1P3左右。可见,适当的遮阳设计对减少太阳辐射是十分有效的,同时,遮阳板可以避免阳光直射,产生眩光和房间局部过热。在设计中我们可以根据建筑性质、朝向选择不同的遮阳形式。许多现代化办公建筑的设计可以采用一些轻巧、美观、便于安装清洁维护的产品。例如,外立面上的穿孔铝板,夏季由于空腔的存在可以更有效地降低热负荷、分散热能。遮阳板的基本形式可分为水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳和挡板式遮阳。各种遮阳适宜的朝向见图1。
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，夏季遮挡太阳辐射,而冬季却能把热量带进室内。
4.1.3 提高外门窗的气密性
采用气密性良好的新型门窗,对于减少室内外热交换和空气渗透以及防风蔽雨都是十分重要的。建筑节能标准规定,在设计中,1~9层建筑的外窗气密性等级不低于三级,10层及10层以上建筑外窗气密性等级不低于四级。
4.1.4 根据不同朝向窗户玻璃的优化选择
在夏季,门窗的得热受室外气温和太阳辐射两个因素的共同作用;气温对任何朝向的门窗的影响是大致相同,但太阳辐射就呈现出极强的方向性。因此,要严格控制窗墙比面积的同时,还要根据不同朝向选择不同的玻璃。图2是深圳在夏至日,各朝向竖直面接受到太阳辐射的强度计算结果。从图2可见,东向的辐射强度最大,西向次之,最小的是北向;南北向的辐射呈现有规律的对称分布,而东西向分别在上午9点和下午3点达到最大值。
通常的窗户玻璃设计重点倾向于建筑立面的美观,对能耗考虑不够。实际上在现有技术经济条件下,可以通过在不同的朝向使用不同种类的玻璃在经济和节能之间找到适当的平衡点。如:在岭南湿热地区办公建筑设计中,东西向窗户应选择遮阳系数较小的玻璃,如热反射玻璃,低透过率的Low2E玻璃,最好设置活动遮阳措施;南向的房间通常是主要的办公区域,窗户选择遮阳系数在016~017之间,可以很好地满足室内的采光要求且不会影响冬季室内的舒适性。北向窗户因为全年能耗与空调峰值负荷都较小,因此则可以放宽标准。
4.1.5 自然通风
在以往的办公建筑设计中,由于对能源问题缺乏足够的重視,使建筑师在塑造舒适稳定的工作环境时,往往把变化不定的环境因素排除在外,而完全依赖于空调系统,使风机耗能在整个办公建筑的能耗中占据了重要的比重。事实上,如果设计师通过与自然界充分的合作而不是对立,在过渡季节主要依靠自然通风满足工作环境的需求,不但可以节省大量的空调能耗,还能塑造一种较之以往更加健康的工作环境。就外窗的开启面积《公共建筑节能设计标准》明确规定,可开启面积不应小于窗面积的30%;透明幕墙应具有可开启部分或设有通风换气装置。岭南湿热地区湿度偏高,通风除湿尤为重要。在办公建筑的通风设计中应注意以下几点:
(1)设能够调节的通风口,以提供所需要的不同压力的气流;
(2)通风口的位置大小应该仔细设计,应该特别注意中立层的设计;
(3)应该设计穿堂风。单边的通风在深度是高度的两到三倍的房间内效率不高。同时,穿堂风能够提供大的气流通过建筑;
(4)使用中庭,双层表皮或其他大面积玻璃窗区域通风。但要在设计中注意避免过热和产生的污染物质转移。
4.1.6 太阳能的利用
目前为止,办公建筑消耗的能源主要来自煤、石油等不可再生的燃料,而人类日益提高的节能意识正是源于这些资源将被耗尽的警告。因此,寻求新的替代能源是节约资源、保护环境的重要措施。太阳能作为一种无污染的绿色能源,在当前全球可持续发展战略的倡导下,大范围的开发、利用已是大势所趋。对于岭南湿热地区来说,太阳高度角大,太阳辐射强烈,年太阳辐射照度为130~170WPm2。所以,该地区有着充足的太阳能资源值得利用和开发。我们可以利用常见的太阳能转化为热能的原理,以太阳能集热板为空调系统提供初级能源,同时,岭南湿热地区常年潮湿,太阳能热水系统还可以用于室内的除湿(再生干燥剂技术)。另外,太阳能光电板系统目前在国外已得到了充分的利用,它是更高层次和更先进的利用太阳能的技术。
4.1.7 海水能源的利用
基于岭南湿热地区临海的自然条件,海水温度波动小,常年维持在2e~26e,把丰富的海水作为夏季的冷源和冬季的低位热源,只需付出少量的电能,就能达到制热和制冷的目的。而且整个过程不会对空气、水源造成任何污染。现该项技术在国内已启动,制冷、供热效果良好,系统运行高效稳定。
4.1.8 建筑绿化
基于岭南湿热地区特有的气候特征,我们可以通过绿化来改善城市和建筑的微气候环境。建筑绿化还可以带来一系列卫生效益:
(1)有利于夏降热,冬保暖;
(2)防噪音,调节温湿度;
(3)灭菌,灭虫,净化空气;
(4)减轻大气温室效应。
放眼全球,建筑绿化搞好了,对减轻大气温室效应,补救臭氧层将大为有利。建筑绿化是多种多样的,可以是周边绿化、墙面绿化、室内绿化、屋顶绿化等。
4.1.9 推广节能灯的使用
节能灯是指我国/绿色照明0工程所推荐的紧凑型荧光灯和习惯荧光灯等高效照明灯具,在相同的亮度下,耗电是白炽灯的25%,是普通荧光灯的90%。从前面的调查结果可以看出,深圳市利用节能灯在照明方面的建筑节能潜力是很大的。
5 结 语
在今天这个变革的年代,建筑节能作为现代建筑技术的一个发展方向,已成为国内外建筑业广泛重視的研究课题。从办公建筑的自身发展来看,办公建筑的确存在着节能的很大潜力。对于岭南湿热地区办公建筑以节约空调、照明能耗为主要目的的建筑节能工作势在必行。本文主要介绍了办公建筑节能设计的理念和措施,以供同仁参考.
注:文章内的图表及公式请到PDF格式下查看
关键词气候现状岭南湿热地区办公建筑节能设计
1 引 言
建筑能耗在我国能源消耗中占1/4强,随着国民经济的持续发展和城乡建设的加快,这一比重还将逐步上升。以节约能源,保护环境,改善建筑功能与质量为目标,以科技进步为动力,不断提高用能效率,已成为目前建筑节能事业可持续发展的重要内容。2005年7月建设部颁发了《公共建筑节能设计标准》(GB5018922005),从而把节能视作发展建筑行业的先导。在目前的建筑能耗中公共建筑用能数量巨大,浪费尤其严重，据资料统计全国年竣工的建筑面积中公共建筑约占1/5,而公共建筑中,又因为办公建筑的面广量大建筑标准高而成为耗能大户之一。
2 岭南湿热地区的气候特征
岭南湿热地区地处我国南部,它的分区指标为最冷月平均温度>10e,最热月平均温度25e~29e,日平均温度\25e的天数100~200天。按此划分,岭南湿热地区地区包括海南全部及广东、福建、广西大部分地区,以及香港、澳门与台湾。该地区为亚热带湿润季风气候,其特征表现为夏季漫长,冬季寒冷时间很短,甚至几乎没有冬季,长年气温高而且湿度大,气温的年较差和日较差都小。太阳辐射强烈,雨量充沛。由于这些气候特点,该地区建筑物的能耗主要是夏季用于制冷降温的能耗;建筑节能技术的热工设计,涉及防热、除湿和过渡季节的自然通风等内容,以夏季防热节能为主,基本不考虑冬季保温。
3 岭南湿热地区办公建筑能耗现状
近年来,岭南湿热地区特别是珠江三角洲广大地区,随着社会经济的高速发展,高层办公建筑增长十分迅猛,以深圳为例,据不完全统计,全市共有高层建筑1600多栋,办公建筑占35%。办公建筑一般都设有空调、电梯等用电设备,这些设备都给能源供应特别是电力供应带来沉重的压力,根据对深圳市的15栋高层办公建筑进行的粗略调查结果显示：
普通荧光灯使用普遍,节能灯的使用比例较小;
使用节能墙体的比例较高,为66%;
大多数使用了内遮阳,外遮阳的使用比例较低。
根据各种资料汇总可以得出各单项能耗的所占比例，其中空调33.6%，照明29.8%，设备28.1%，电梯4.8%，水泵0.7%。可以看出,办公设备、空调、照明的单位面积年平均耗电量占了总耗电量的94.15%。因此,办公建筑节能的关键在于设备、照明和空调的节能,由于设备的关键在于设备制造厂,故办公建筑节能的主要着眼点在于照明和空调的节能。岭南湿热地区太阳辐射强烈,夏季晴天12时水平面可高达1000WPm2以上,在这种强烈的太阳辐射条件下,阳光直射到室内,造成夏季室内过热,增加建筑的空调能耗。而长时间在空调环境里,人体的舒适度较差,直接影响人体健康。
4 节能设计措施
4.1.1 防晒墙与架空屋顶
建筑存在的根本目的之一就是能有效地抵御及缓解外部的影响,以使其提供的内部工作或居住环境更适合于使用者。这种建筑体系对外界环境不利影响(温湿度、噪声、太阳辐射等等)的环节被我们称之为缓冲作用,在办公建筑设计中,我们可以通过对缓冲层的设计与利用,有效地减少建筑能耗。防晒墙一方面可以有效地遮挡西晒的直射阳光,同时防晒墙与建筑主体之间的空隙(4~5m宽)还有利于室内空气的流通(拔风作用)。从建筑造型角度看,防晒墙的设计手法和细部处理也可以给人们耳目一新的感觉。架空屋顶、屋面遮阳百叶板或爬藤植物遮阳棚屋面,夏季太阳高度角大,可以有效地遮挡太阳辐射,而冬季太阳高度角较低时太阳辐射也能通过百叶片或落叶类爬藤植物的间隙照到屋面,从而达到夏季防热冬季得热的热工设计效果;同时还可以改善建筑微环境以及建筑第五立面的效果。
4.1.2 遮阳板系统
在岭南湿热地区,尤其是广东省的珠江三角洲,近邻海洋,高温多雨,夏季从4月上旬到11月下旬,时间长达半年以上,期间太阳辐射强烈。根据美国研究人员对墙体与玻璃的太阳辐射热量通过情况进行的比较显示,通过玻璃进入室内的太阳辐射量是墙体的30倍以上。但如果附加了一定的遮阳措施,热通过量明显减少,大约只占原先的1P3左右。可见,适当的遮阳设计对减少太阳辐射是十分有效的,同时,遮阳板可以避免阳光直射,产生眩光和房间局部过热。在设计中我们可以根据建筑性质、朝向选择不同的遮阳形式。许多现代化办公建筑的设计可以采用一些轻巧、美观、便于安装清洁维护的产品。例如,外立面上的穿孔铝板,夏季由于空腔的存在可以更有效地降低热负荷、分散热能。遮阳板的基本形式可分为水平遮阳、垂直遮阳、综合式遮阳和挡板式遮阳。各种遮阳适宜的朝向见图1。
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，夏季遮挡太阳辐射,而冬季却能把热量带进室内。
4.1.3 提高外门窗的气密性
采用气密性良好的新型门窗,对于减少室内外热交换和空气渗透以及防风蔽雨都是十分重要的。建筑节能标准规定,在设计中,1~9层建筑的外窗气密性等级不低于三级,10层及10层以上建筑外窗气密性等级不低于四级。
4.1.4 根据不同朝向窗户玻璃的优化选择
在夏季,门窗的得热受室外气温和太阳辐射两个因素的共同作用;气温对任何朝向的门窗的影响是大致相同,但太阳辐射就呈现出极强的方向性。因此,要严格控制窗墙比面积的同时,还要根据不同朝向选择不同的玻璃。图2是深圳在夏至日,各朝向竖直面接受到太阳辐射的强度计算结果。从图2可见,东向的辐射强度最大,西向次之,最小的是北向;南北向的辐射呈现有规律的对称分布,而东西向分别在上午9点和下午3点达到最大值。
通常的窗户玻璃设计重点倾向于建筑立面的美观,对能耗考虑不够。实际上在现有技术经济条件下,可以通过在不同的朝向使用不同种类的玻璃在经济和节能之间找到适当的平衡点。如:在岭南湿热地区办公建筑设计中,东西向窗户应选择遮阳系数较小的玻璃,如热反射玻璃,低透过率的Low2E玻璃,最好设置活动遮阳措施;南向的房间通常是主要的办公区域,窗户选择遮阳系数在016~017之间,可以很好地满足室内的采光要求且不会影响冬季室内的舒适性。北向窗户因为全年能耗与空调峰值负荷都较小,因此则可以放宽标准。
4.1.5 自然通风
在以往的办公建筑设计中,由于对能源问题缺乏足够的重視,使建筑师在塑造舒适稳定的工作环境时,往往把变化不定的环境因素排除在外,而完全依赖于空调系统,使风机耗能在整个办公建筑的能耗中占据了重要的比重。事实上,如果设计师通过与自然界充分的合作而不是对立,在过渡季节主要依靠自然通风满足工作环境的需求,不但可以节省大量的空调能耗,还能塑造一种较之以往更加健康的工作环境。就外窗的开启面积《公共建筑节能设计标准》明确规定,可开启面积不应小于窗面积的30%;透明幕墙应具有可开启部分或设有通风换气装置。岭南湿热地区湿度偏高,通风除湿尤为重要。在办公建筑的通风设计中应注意以下几点:
(1)设能够调节的通风口,以提供所需要的不同压力的气流;
(2)通风口的位置大小应该仔细设计,应该特别注意中立层的设计;
(3)应该设计穿堂风。单边的通风在深度是高度的两到三倍的房间内效率不高。同时,穿堂风能够提供大的气流通过建筑;
(4)使用中庭,双层表皮或其他大面积玻璃窗区域通风。但要在设计中注意避免过热和产生的污染物质转移。
4.1.6 太阳能的利用
目前为止,办公建筑消耗的能源主要来自煤、石油等不可再生的燃料,而人类日益提高的节能意识正是源于这些资源将被耗尽的警告。因此,寻求新的替代能源是节约资源、保护环境的重要措施。太阳能作为一种无污染的绿色能源,在当前全球可持续发展战略的倡导下,大范围的开发、利用已是大势所趋。对于岭南湿热地区来说,太阳高度角大,太阳辐射强烈,年太阳辐射照度为130~170WPm2。所以,该地区有着充足的太阳能资源值得利用和开发。我们可以利用常见的太阳能转化为热能的原理,以太阳能集热板为空调系统提供初级能源,同时,岭南湿热地区常年潮湿,太阳能热水系统还可以用于室内的除湿(再生干燥剂技术)。另外,太阳能光电板系统目前在国外已得到了充分的利用,它是更高层次和更先进的利用太阳能的技术。
4.1.7 海水能源的利用
基于岭南湿热地区临海的自然条件,海水温度波动小,常年维持在2e~26e,把丰富的海水作为夏季的冷源和冬季的低位热源,只需付出少量的电能,就能达到制热和制冷的目的。而且整个过程不会对空气、水源造成任何污染。现该项技术在国内已启动,制冷、供热效果良好,系统运行高效稳定。
4.1.8 建筑绿化
基于岭南湿热地区特有的气候特征,我们可以通过绿化来改善城市和建筑的微气候环境。建筑绿化还可以带来一系列卫生效益:
(1)有利于夏降热,冬保暖;
(2)防噪音,调节温湿度;
(3)灭菌,灭虫,净化空气;
(4)减轻大气温室效应。
放眼全球,建筑绿化搞好了,对减轻大气温室效应,补救臭氧层将大为有利。建筑绿化是多种多样的,可以是周边绿化、墙面绿化、室内绿化、屋顶绿化等。
4.1.9 推广节能灯的使用
节能灯是指我国/绿色照明0工程所推荐的紧凑型荧光灯和习惯荧光灯等高效照明灯具,在相同的亮度下,耗电是白炽灯的25%,是普通荧光灯的90%。从前面的调查结果可以看出,深圳市利用节能灯在照明方面的建筑节能潜力是很大的。
5 结 语
在今天这个变革的年代,建筑节能作为现代建筑技术的一个发展方向,已成为国内外建筑业广泛重視的研究课题。从办公建筑的自身发展来看,办公建筑的确存在着节能的很大潜力。对于岭南湿热地区办公建筑以节约空调、照明能耗为主要目的的建筑节能工作势在必行。本文主要介绍了办公建筑节能设计的理念和措施,以供同仁参考.
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