办公建筑节能设计思考

【摘要】我国人口比较多,房屋建设量也非常巨大,在总的社会能耗中建筑能耗已经占社会总能耗的三分之一。由于我国城市发展的进程不断在发展,制造业的调整和第三产业的发展,建筑的能耗不断在提高。统计数据表明,目前我国建筑相关能耗占全社会能耗46.7%,其中包括建筑的能耗（建造能耗、生活能耗、采暖空调等）约30%,以及建材生产过程中的能耗16.7%。另据有关数据显示,以前的建筑能够达到节能标准的只有百分之零点几,新建的也只有15%达到节能标准。随着中国经济的蓬勃发展,城市现代建筑对制冷制热及通风等的需求也越来越高,对其总运行成本、节能环保、用户体验、与建筑外观的结合等都提出了新要求。能源结构调整、技术更新速度都超乎想象,推广节能环保绿色建筑已是大势所趋。

【关键词】办公建筑；节能设计；建筑规划；能源；太阳能

引言

办公建筑的设计以及建筑的可持续发展,不仅要满足消耗的最小化,而且也要满足功能的要求,办公建筑一定要给人愉悦感,这样不但能树立公司的形象,而且可以提高员工的工作效率。当前,在办公建筑内出现的办公区域是变得越来越大,人们对于建筑的办公空间的形式也是非常受关注的,相对于办公建筑来说,最大的作用就是能给员工提供一种工作环境,重要的就是办公室的选择以及办公形式的选择。在对办公建筑楼的能耗对比中,我们可以发现,建筑的空调采暖对于建筑物能耗产生很大的影响。同时,随着我国社会的发展以及人们生活水平的提高,用电量呈直线上升。

1　建筑节能概况

1.1　传统中国建筑节能技术

由于社会的发展比较迅速,当今许多新的建筑材料以及新的技术不断发展,许多建筑师都将眼光放在这些新的技术以及新的建筑材料上,而对于我国的传统建筑技术却忽略了。古代建筑和环境和谐配合,形成天人合一的一种境界,在这领域有很大的成就。我国古代的建筑就讲究阴阳五行之说,也就是看风水,虽然有很多迷信的东西,但仍然有很多值得借鉴的地方。我国古代的建筑师以及工匠们在进行建筑的建设时,对周边的环境特别重视,尤其是地势、气候以及林木植被等,对这些都要认真的研究和调查,使建筑的形式以及布局方面都要和周围的环境相适应。比如说,我国古代江南的村镇选择的位置都特别好,夏有风,冬有日,西北寒风小,夏日较凉爽,所以村落的位置通常就依靠着北以及西面的山,在南面以及东面常常能入选为村落的位置。因此,古代建筑师们的这种创造环境的经验很值得我们学习。

另外,我国古代的人们,能结合本地区的实际情况,以及地理和气候等条件建造建筑。例如,北方最显著的窑洞、土坯和夯土建筑,通常,在进行建设这些建筑的时候,就地取材,能创造出适合人们对于居住环境。而对于南方的居住形式来说,一般采用的是竹木建筑,这种建筑将地面与房屋地面架空的形式,隔离了地面的潮湿,并且通风较好。以上这两种建筑形式,在我国历史的长河中慢慢地发展沿用到至今,因地制宜,对于自然的一种合理的应用所产生的生活环境,能体现出一个地区的建筑特色。同时,我国幅员辽阔,每个地区都有适合本地区的建筑形式,通常都是利用对很多不利因素的避让而进行选择生活空间。我们反观这些建筑形式,都是与自然进行和谐的结合,都是根据地域特点来选择建筑的形式,在和大自然进行接触的时候,都比较顺应于自然,形成一种“文明建筑”。

在我国,传统的建筑建设方式以及建筑技术,都是我国人民在慢慢的实践中以及对于大自然的合理利用,经过数千年的遴选而产生的建筑形式,其存在的优势可想而知了。因此,也让现代的建筑师有一种对于传统的认知,在建设当代的建筑时,应该尽可能的结合我国传统的建筑形式,而不能只重视新材料以及新技术。

1.2　我国的建筑节能

建筑节能一词的词义先后经历了三个阶段。第一个阶段叫“建筑节能”；第二个阶段叫“在建筑中保持能源”,即减少能量在建筑中的损失；第三个阶段叫“提高建筑中能源利用效率”。其中第三阶段的叫法更为积极,这体现了人们认识建筑节能已经从只注重抑制需求、减少能耗量,发展为提高能源的利用率,也就是利用相同的能耗,给人们提供更为健康舒适的生活和工作环境。我国建筑节能工作大体经历了四个阶段：

第一阶段：最大化地减少能源消耗,并能做到节约。

第二阶段：在建筑的建设当中,一定要确保能量的守恒。

第三阶段：要提高能源的利用率。

第四阶段：体现减小有害气体对环境的影响,这样不仅仅体现在对能源加强了利用,还对我们所生存的地球也有了保护的作用。

在节能建筑方面,我国在这方面起步虽然较晚,同时我国也颁布以及制定了一系列的法规和规范,按照先住宅后公共建筑,先城镇再农村等。

2　办公建筑特点分析

办公建筑自身的建筑特点是：造型丰富,形体复杂。一般来说,办公建筑体形造型和所占空间是比较大的；随着现代办公理念的进一步转变,对拥有越来越大空间办公室的要求也越来越多；在办公建筑中,经常会存在中庭空间；为了塑造一种立面效果,办公建筑常会采用大面积的玻璃幕墙,一般窗墙比较大；办公建筑的人口进出量比较大,因此大厅的热工环境并不理想；建筑的进深都比较大,不能有效的实现自然通风和自然采光的要求。

2.1　公司自用办公楼

公司自用办公楼在进行初期的设计时,其使用对象就已经确定了。所以在设计时,一定要对业主提出的相关条件进行了解和掌握,同时,对办公楼具有作为企业面向社会展示自己形象的功能进行考虑,另外,还要对地区环境的影响进行相关的考虑。

2.2　租赁办公楼

专门用于出租使用的办公楼,它主要由两部分组成,分别是供出租以及非收益的部分。对这类办公建筑设计时,考虑的主要有：合理设计办公建筑自身的空间和公用部分面积,尽量增加出租办公空间,自身空间的使用舒适,公用部分的服务质量能相应的提高,建筑节能方面也要设计适当,减少运营成本。

2.3　综合办公楼

综合办公楼一般是指在同一个建筑中,其各项功能比较多,在进行此类建筑的设计时,一定要重视整体概念的设定,做好不同功能的合理组合,统一对功能安排与协调,在这之中,特别要重视的是流线不交叉与功能设计的合理。

2.4　政府办公楼

在使用上以及公共性上,政府办公楼不同于一般的建筑,其设计的功能流线要依据政府各行政部门的特征来进行设计,并且对于其安全与公共性一定要进行全面的考虑。

3　现有办公建筑技术特点

3.1　现代办公建筑的外皮

现代办公建筑的外皮主要是说建筑物的外围护结构。一般情况下,公共建筑的外围护结构类型与普通的居住类的建筑相比较还是比较多的,并且有着相对复杂的技术。

3.1.1　外墙

办公建筑的外墙在以前一般都是空心的,而现在建筑的外墙一般都是使用各种混凝土来进行浇筑。建筑外立面装饰一般是喷涂或者镶嵌贴面,这样对于建筑的墙面也增加了许多美感,在我们常见的一些比较高档的办公建筑中,在对围护以及外墙的装饰上通常都选择幕墙,在选材上,通常其主要的形式有玻璃和石材,以及各种金属等。但我们在进行外立面的装修装饰中,尽管其比其他的材料看起来美观,但是它的热工性能与其他的材质比起来就比较差。

3.1.2　外窗

“窗户”是众所周知的一种比较常见的房屋构件,随着社会的不断进步,科技的不断发展,窗户的材质在不断地变化,质量在逐渐地变好,并且功能也在不断地加强,可以说,人们的日常生活已经不能离开它,并且发挥的作用逐渐地加大。除了一般的挡风遮雨的功能,对于其外观的要求也是逐渐的提高,它的外观多样,色彩丰富,有了一定的审美功能。一般情况下,在建筑设计时人们只注重门窗结构的采光性,而忽视其在节能保温方面的作用。

3.1.3　屋顶

屋顶可以说是建筑的“第五立面”,并且人们已经认识到了它所发挥的作用,也因此受到人们的重视,尤其是在公共建筑中。当前,屋顶的绿化在建筑中是比较常见的,并且其效果值得被广泛的推广。屋顶绿化不但可以为城市增添一份色彩,更重要的是,它可以使屋顶的辐射热降低,使城市的热岛效应减小。因此,若将屋顶绿化充分的利用,就可以为城市创造一个空中的绿化系统,进而使城市的环境的得到一定的改善。

3.2　现代办公建筑的内核

现代的办公建筑的内核通常就是指建筑物的内部构成,比如说,在采暖以及空调系统中和内部的照明系统等。当前,为了提高建筑的稳定性,高层以及小高层都采用的是框架剪力结构,混凝土通常有很大的热惰性,也就是这项指标,建筑内部有很大的蓄能作用。

办公建筑内的空调系统主要有两种形式,分别是集中式和分散式。在办公建筑中,为了达到照明节能,一般都使用节能荧光灯,这种节能灯有很明显的节能效果,而在办公楼建筑中未来的发展将会朝向照明的自动控制方面发展,同时,还应提高人们的节能意识。

在办公建筑中,从技术的角度讲,其节能方面和居住建筑在很多方面都应非常的相似,但办公建筑也有自己的特点,在自身的建筑上比一般的居住住宅复杂程度高,和居住建筑相比,难度也增加了不少。

4　能源消耗影响因素

4.1　舒适度要求的提高

伴随社会的不断进步和发展,人们对于办公环境有了更高的要求,这就使办公建筑的能源消耗日益增加,人们对于办公环境的舒适度要求越来越高,能耗也在随之相应的增加。总体而言,伴随技术的进步与发展,能量的转化率也在渐渐的提高。

4.2　节能方法的单一

当前,在节能设计过程中,人们只看重围护结构的节能,对于整体的节能非常缺乏。相关资料显示,作为现代建筑的办公建筑,其能耗主要受建筑设计、服务设计、人员活动三个因素的影响。围护结构是建筑结构设计的一个要素,对于建筑能耗来说,建筑的选址、平面功能、采光、体形系数、自然通风等都会对其产生影响,还有,设备性能和人员活动也在一定程度上影响着建筑能耗,而这些因素在当前的节能方法中欠缺,没有充分的考虑。

4.3　节能的片面性

从狭义上说,建筑能耗指的是建成建筑物之后,在使用时每年所消耗的能源的综合,大致上包含电器、采暖、照明、热水供应、通风等方面,也就是建筑在使用过程中所产生的能耗；而从广义上理解,其指的是包含建筑材料、设备的生产、运输,及其建筑建造、使用、拆除这些过程中能源消耗的综合。

4.4　使用者节能意识的不足

办公楼的使用者没有意识到节能的重要性,如办公室中经常会存在打开门窗吹空调、办公室没人依然开着空调、办公室的设备处于无人待机状态、热水器全天通电、不管在何种日照下办公室的灯总是开着等浪费能耗现象。

4.5　节能管理制度的缺乏和不完善

大多数的办公楼对于系统都没有制定管理制度,有的即使制定了管理制度,也没有设置相应的部门和人员进行监管,这些制度基本上都流于形式。

5　办公建筑节能设计的具体措施

办公建筑的节能方面,小型的办公室通常对于建筑的能耗是小的,因为小型的办公室在使用小型空调系统,就是在使用集中式的空调系统时,也能对分区进行控制,对于电能源的消耗在一定程度上大大的减少了。尽管在使用上,小型的办公室可能会减少,但是综合考虑,尤其在对能源的节约以及成本的减少上,还是比较具有优势的。办公建筑的特点就是其功能比较复杂,在空间上形式是比较多样的,因此,也导致建筑的材料以及技术相对于普通的民居大很多,所以,要根据办公建筑的特点来对建筑提出节能措施。

5.1　基地的选址

选择基地的时候需要对其方位、风向、风速、水文地质环境、植被等一系列因素综合考虑。在选择城市的办公建筑基地时,要服从城市规划,这也会可能造成建筑基地周边的环境不太理想。然而,为了使建筑在建造和使用过程中的资源消耗率降到最低,我们依然需要对资源利用的程度和现有自然系统的干扰程度进行计算。建筑选址原则就是让建筑物在冬天可以获取充足的阳光,且与主导风向避开,夏天则可以运用自然通风避免太阳辐射。所以,选址要结合建设地段的地形、地物、地貌、主导风向,合理布局建筑物。建筑基地应选在向阳的地段上,为争取日照创造先决条件,而不宜选择在山谷、洼地及凹地等处,因为冬季冷气流易在凹地里形成对建筑物的霜冻效应,位于凹地的建筑所消耗的能量就会相应地增加。

而且,在选择基地的时候,应该尽可能的对现有的公共设施加以利用。基地内的电力、给排水、燃气管线等与市政基础设施联系时的连接长度应尽可能短；避免选择生态敏感区域,以免对周围的生态环境造成影响；尽量选择便于利用自然能源的地段。

5.2　合理组织通风

气温较低的地方,建筑规划应该让建筑的主要立面避开不利风向,比如我国北方地区的寒流在冬天会被来自西伯利亚的冷空气所影响,产生以西北风为主要风向的冬季寒流,建筑在规划设计时,应将西北向封闭,对于开口方向和位置要合理的安排,组合的建筑群要可以避风节能。但是在气候较为炎热和潮湿的地方,自然通风则应该合理的加以引导,从而实现自然通风的目的。除此之外,规划设计过程中,还应该尽可能的避免风影,不能让其对建筑通风造成影响。风影其实就是风吹向建筑物的时候,其背后产生的涡流区在地面上的投影。风影内的风力比较小,其稳定性也比较差,难以形成有效的风压通风。风影的长度和风向的投射角度是有关联的,如果风向投射角垂直于建筑物纵向轴线,风向的长度就是最长的,到达一定角度,风影就会变小。然而,投射角越大,室内的平均风速就会随之降低,所以在规划设计的时候,为了防止出现这种现象,在规划设计的时候,可以改行列式布局为错列式,充分的考虑各种不利因素,实现通风最佳效果。

5.3　外围护结构设计

围护结构的功能主要就是遮风挡雨以及采光通风和保温隔热等。在当今时代,围护结构的发展,人们对于生活物质的追求方面越来越重视,人们不仅仅是看重对于室内的环境的追求,同时,也要满足人们追求审美方面的质量。

5.3.1　外墙保温设计

墙体保温采用单一材料保温和复合墙体保温两种基本形式。单一材料保温墙体有空心砌块墙体、加气混凝土墙体等,这种墙体轻质、多孔、构造简单、施工方便，但导热系数大,一般是高效保温材料的20倍,不能满足保温隔热的要求,同时单一材料保温墙体的强度、耐久性和耐火性较差,因此,在实际工程中应用得较少。复合墙体保温是采用承重材料与高效保温材料（如岩棉板或聚苯板等）组成复合墙体。按保温材料所处位置不同,又分为外保温墙、内保温墙和夹芯墙多种方式,其中外保温墙和内保温墙是目前最常用的两种方式。复合墙体很好地发挥了两种材料的长处,既不会使墙体过厚,又能承重，保温效果良好。复合墙体如YL组合砌块构造设计合理,热工性能优良,集保温、围护一体,施工简便、粘接性好、便于外饰面抹灰、镶嵌,具有极高的推广价值。我国若想达到节能65%的目标,除一部分可采用单一材料保温墙体外,使用复合墙体将是大势所趋。

5.3.2　门窗保温设计

为了增大视野和采光,办公楼常常开大面积窗，将室外景观引入办公空间,这可以增强立面效果,玻璃成为外围护结构主要的建筑材料之一。选择门窗时,首先是框材应具有良好的保温性能,还具备一定的刚性、抗压性能,目前主要有断桥铝合金、塑钢材料,铝塑复合、铝木复合等。设计时应尽量提高窗框的隔热性能,减少窗框的外露面积,以及提高气密性来减少冷风渗透或热量流失；其次,从采光以及立面的角度来考虑,有着较大的开窗面,对于门窗玻璃可以选用低辐射玻璃,这种玻璃有较强的吸热能力和反射能力,能够吸收大量太阳辐射能,起到很好的保温作用。如果要考虑到夏季比较炎热的天气,想同时起到隔热的作用,可以选择中空玻璃、复合中空玻璃、保温型玻璃,以此来发挥隔热保温效果。其原理就是利用较低的传热系数,达到保温和隔热的效果。近来发达国家特别是欧洲国家出现一种有别于传统双层玻璃和玻璃幕墙的热通道幕墙,该系统由一个单层和双层玻璃幕墙构成,两个幕墙之间的空间较大,可在该通道中完成采暖、通风、空调和日常的清洁,由于其中空间大,还可以配置可调节遮阳、折光构件和控制器等,形成一个可呼吸的建筑表皮。

5.3.3　屋面结构节能设计

屋面是建筑外围护结构的重要组成部分,其保温隔热的性能直接影响建筑的节能效果。在建筑设计中,一是要选择合适的屋顶形式,利用屋顶的形状来引导自然通风。二是要选择合适的保温隔热材料。因此,保温隔热材料应该选用导热系数小、蓄热性大的材料,同时不宜选择容重过大的材料；要选用防水性能好的保温材料,防止保温隔热层吸水,降低热工性能。在进行屋面的节能设计时候,可以选用一些新型的高效保温材料,比如采用膨胀珍珠岩保温芯板保温层代替常规的沥青珍珠岩或水泥珍珠岩做法,这就克服了常规作法的诸多缺点。这种保温芯板施工方便、价格低廉、不污染环境,芯板为柔性制品,不仅适用于具有平面的屋面,也可用于带有曲面的屋面,其保温效果更可显示出它的优越性。

5.4　建筑体型设计

在建筑的组成部分方面建筑的体型设计也是相当的重要,首先考虑的就是在节能方面,这种理念是非常理性化的一个因素,并且给建筑师能带来在建筑设计中带来灵感。对建筑体型设计中,还能为以后的建筑节能设计夯实一个基础。为了能够将节能理念更好的渗透到建筑设计当中来,在对建筑进行设计阶段,应该选择一个合理、正确的建筑体形,并尽可能的去减少外界同建筑物这两者之间的其自身交换的热量。经过以往的实践证明,如果在设计过程中,在其他一些固定条件不变的情况之下,建筑物其自身的外围面积除以其所包围范围之内的体积,所真正得到的是实际体型系数。如果越高,那么该单位面积内的建筑物体所散发出来的热量也会越高,这样就违背了建筑节能设计理念。因此这就要求我们在当前的设计过程中,注意考虑节能同建筑形式之间的相互协调关系。在外形相对简单的一些建筑内的外部环境当中,因其自身的外壳面积相对较小,凹凸少,尽量规则,基于这种情况之下,在建筑物其自身的体形设计这方面不适合选择使用较为复杂、多样的轮廓线。

5.5　自然采光

很多年以前,建筑的采光主要是通过自然采光实现的。但是,当前,城市的用地凸现出来的问题非常明显,同时,在建筑设计中,随着建筑技术的进步以及发达化的建筑功能,人们潜移默化地忽略了自然采光,而对于当前的社会形势,能源问题是相当的紧张,天然采光逐渐被人们重视起来了,它对于能源的节约以及能耗的节约体现得非常明显,在室内,将其创造得是非常的丰富多彩,给人们提供的空间是相当的舒适以及健康。

5.6　自然通风

建筑的通风方式在建筑中是非常重要的,自然通风对于室内的空气调节作用非常大,改善度以及节能性也是非常高的,长期以来,传统的空气调节方式就是这种方式,直到发展到今天,仍然被广泛使用。由于当前的能源危机,为了保持空气的优良性,建筑师们对于建筑室内的通风问题重新审视,自然通风的意义主要有以下三种：首先是能对室内的空气进行改善,其次是能实现被动性的制冷,最后在能源方面,能实现最大化的节约。在一般的建筑当中,自然通风主要是通过气流传热,而空气流动主要通过建筑物的窗、门等开口位置所具有的空气压力差传热。出现空气压力差的因素主要体现在两方面,一方面就是风压的作用,另一方面就是热压的作用。热压一般是取决室内外的空气温差,也就是空气的重度差以及高度差。解决热压现象主要可以根据合理的空间布局、合理设计门窗等方法,同时,在建筑的设计当中必须要设置相当数量高窗与低窗结合,从而可以提高进出口的高差,当热空气有所上升时,则由高窗进行排出,而凉风则会进入室内,从而发挥出烟囱效应。但是,当设计中应用烟囱效应时,则必须要把天井设计在其中或是在楼梯间以及走廊的屋顶设置一个排风的天窗等,从而也可以增加自然通风量。

5.7　新能源的利用

对于新型的能源来说,主要有太阳能以及核电能和风能等。它的特点主要是环保、清洁,除了核电能在使用中出现燃料的核裂变,其他的则是可再生的。在自然界中,由于很多能源是不可再生的,比如说石油、煤炭以及天然气等,在当今,对于新型能源的利用常见的是太阳能和地热等。

5.7.1　太阳能的利用

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生资源,能够为人们提供热量和阳光,人类的生存、健康、工作、营养等都离不开太阳。研究表明,办公建筑中,运用太阳光的自然采光,能够有效地提高人们的工作效率。除此之外,在天气较冷的地方,人们更需要多的获取太阳能,太阳辐射到玻璃上可以直接为室内提供热量,而太阳辐射要是入射到墙上或者屋顶上,可提高围护结构的温度,降低房间的热损失。与此同时,围护结构在白天能够存储太阳辐射热,到了晚上则能够有效的减缓温度的下降速度。在太阳能资源比较丰富的地方,还能采用主动式利用太阳能的方法,使常规能源的利用率有效减少。所以,对于建筑节能来说太阳辐射意义重大,建筑在进行总体规划设计的时候,应该尽可能的对太阳能加以利用。

（1）太阳能热水系统

将太阳能集热器与建筑屋面、阳台、外墙有机结合,既丰富了建筑物形象,又避免了重复投资。太阳能热水系统目前已经是非常成熟的技术,3～4年即可收回投资,非常适合办公建筑中的食堂、洗浴等使用。

（2）热水采热式供热

通常我们所见的就是在楼顶设置采热器,在储水箱内存储一定的水量,在采热器的作用下对水箱中的水进行加热,然后再送入用户室内进行使用,当然,也可以使用塑料盘管进行地板辐射供热。

（3）太阳能空调

将太阳能作为一种制冷的能源的一种系统。这种系统由两部分组成。太阳能的集热器目前在市场上主要有真空管和平板两种集热器。而对于吸收式的系统,主要依靠两种制冷系统,分别是氨一水和溴化锂吸收式两种,在大型中央空调的应用中主要是溴化锂吸收式,在一般的小型空调中通常就是一个氨——水的制冷系统。

（4）光电太阳能技术

这种技术就是利用太阳能的电池板将太阳能转为电能。通常,在这种系统中太阳能电池板一般是由不锈钢薄板件或者钢化玻璃作为衬底,所以,在这种系统中,我们常常能看到的就是太阳能的电池板是和楼顶或者在向阳面的幕墙进行结合,形成一种由太阳能光电集成的幕墙或者集成顶。这种技术目前由于其成本比较高,造价昂贵,在我国的应用还没有被广泛使用。

5.7.2　地源热泵技术的应用

地源热泵技术是一种新型的节能技术,是将地下浅层的地热资源进行有效利用,不仅能实现供热,而且也能制冷的一种系统。这种技术一般是对于高品位的能源进行少量输入,使低温位向高温位进行转移的实现。这种技术被应用于冬季进行供热,夏季能提供冷源,也就是说,冬季将地下的热量进行取出来供给室内,对室内进行提温,而在夏天,将地下的冷媒进行取出,将室内的热媒送入地下。

在供热以及供冷系统中,地源热泵在节能方面是大大的能体现出来,同时节省电能,运行费用低。近些年其发展的速度是非常快,未来的发展是非常广泛的。

6　结束语

当我们用发展的眼光来审视和看待我们传统建筑时,包括我国传统的建筑技术以及建筑方式,都为我们在建设新的建筑时提供更丰富的理论知识。但我们并不能一味地去模仿,终究在年代以及时间上人们思想有了转变,对于环境的要求也逐渐变得比较高,很多东西已不能满足人们现代生活的提高。所以说,我们当代的建筑师在建筑设计时应该将传统的建筑形式与新技术、新材料相结合,建造出比较适合我们当代人生活以及工作的建筑。

注：［1］第二作者.刘芳.天津大学建筑学院.建筑学博士生.

［2］原文发表在2014年10月《美与时代》