李 黎，李盼盼

(河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000)

人為的集中和大量的能源消耗帶來了嚴重的環(huán)境污染和溫室效應(yīng)，對人類的發(fā)展和生存構(gòu)成了嚴重威脅。在“十三五”規(guī)劃中，我國提出了能源強度和總量的雙重調(diào)控行動，以控制能源消費總量。據(jù)能耗調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，建筑能耗已達到總能耗的30%以上，已成為能耗最大的行業(yè)，建筑行業(yè)的能耗也在不斷增長。因此，有必要盡可能降低建筑能耗，為解決環(huán)境問題和氣候變化做出貢獻。由于建筑業(yè)能耗巨大，其節(jié)能潛力也非常巨大，因此對建筑節(jié)能的研究更有意義。在大型公共建筑中，建設(shè)量最大的是高層辦公建筑，其節(jié)能優(yōu)化研究形式十分迫切。

對于高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化，已經(jīng)取得了很多研究成果。在國外，高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化研究經(jīng)歷了從試驗?zāi)M分析到優(yōu)化遺傳搜索的過程。國內(nèi)研究中，孫祁[1]等研究了高層建筑能耗系數(shù)與辦公窗設(shè)計的關(guān)系，隨后，吳維[2]提出的綠色建筑節(jié)能設(shè)計中的BIM技術(shù)，趙偉卓[3]提出的建筑信息模型技術(shù)與低碳綠色建筑評價指標體系的動態(tài)融合機制。

本文綜合以往研究方法，將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于高層辦公建筑的節(jié)能優(yōu)化中，將綠色建筑分為兩部分，其中，主動式綠色建筑技術(shù)包括太陽能利用技術(shù)，水資源回收利用技術(shù)等，被動式綠色建筑技術(shù)包括建筑外墻保溫技術(shù)，建筑窗體節(jié)能技術(shù)，建筑通風(fēng)技術(shù)等，為解決高層辦公建筑季度性能耗較大的問題提供參考。

1 綠色建筑技術(shù)在高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化中的應(yīng)用

1.1 構(gòu)建建筑的信息環(huán)境模型

建筑信息環(huán)境模型可以實現(xiàn)非標準和標準高層辦公建筑運行信息、建筑信息、材料信息、形狀和幾何信息的集成，因此通過參數(shù)采樣建立高層辦公樓信息環(huán)境模型[4-6]。為了反映經(jīng)濟發(fā)展水平不同的城市高層辦公樓的實際形態(tài)特征，從縣級市、地級市、省會城市等多個城市采集樣本[7]。收集了高層辦公建筑外窗的各種形狀參數(shù)，包括外窗的寬度和高度(每個方向)、高開間比、深開間長、層高、層數(shù)、平面形狀、窗墻比等。通過綜合采樣參數(shù)，建立高層辦公樓信息環(huán)境模型。

首先，對于標準化的高層辦公建筑，將建筑庭院用多邊形建筑平面形態(tài)包圍，將平面圖形參數(shù)設(shè)定為可調(diào)形狀參數(shù)，通過調(diào)整深度參數(shù)，可以生成各種平面形態(tài)的高層辦公建筑形態(tài)，進而生成各種高層辦公建筑通過調(diào)整深度參數(shù)來改變模型基的形狀，可以生成具有不同深度和開口關(guān)系的形狀模型[8]。

其次，將庭院的平面空間形態(tài)設(shè)定為可調(diào)的形態(tài)參數(shù)，生成外圓內(nèi)廣場或外廣場內(nèi)圓的建筑形態(tài)，創(chuàng)造出庭院有趣的內(nèi)部空間，提高模型對不同造型要求的響應(yīng)能力[9]。在建立標準高層辦公樓原型后，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范和收集到的辦公樓數(shù)據(jù)，確定模型的實際參數(shù)范圍[10]。高層辦公建筑信息環(huán)境模型的建?？刂茀⒘烤唧w如表1所示。

表1 建?？刂茀⒘?/p>

對于柔性非標高層辦公建筑，從平面形狀控制和三維形狀控制兩個角度進行幾何信息集成，建立高層辦公建筑信息環(huán)境模型[11]。平面形狀控制角采用點集控制形式；三維形狀控制角度采用漸變控制形式。

平面形狀控制角主要是通過建筑物的中點和端點組成的點集組合來控制高層辦公建筑的實際平面形狀。每個點的參數(shù)可以獨立調(diào)整，利用參數(shù)約束可以對多個子點集進行分割和相關(guān)調(diào)整，從而提高平面形狀構(gòu)造的靈活性[12]。通過調(diào)整控制點的個數(shù)和相應(yīng)的位置參數(shù)，生成各種高層辦公樓對應(yīng)的平面形狀。同時，可以旋轉(zhuǎn)和縮放平面形狀，具體如圖1所示。

對于三維形態(tài)控制角度，采用梯度控制逐層控制建筑形態(tài)的傾斜、旋轉(zhuǎn)和縮放。調(diào)整的對象是自然層。通過構(gòu)造各層的參數(shù)約束，調(diào)整各層的形狀，實現(xiàn)調(diào)整中各層的連續(xù)漸變響應(yīng)[13]，如圖2所示。這種控制形式可以創(chuàng)造出建筑的節(jié)奏感，使建筑形式對環(huán)境影響的反應(yīng)更加準確[14]。在外窗控制方面，考慮到不同日照方向?qū)ㄖ嶋H能耗水平的影響不同，分別對不同朝向的實際窗戶尺寸進行控制。

圖1 平面形態(tài)的生成與調(diào)整

圖2 逐層漸變控制形式

1.2 基礎(chǔ)節(jié)能優(yōu)化

根據(jù)信息環(huán)境模型，運用綠色建筑技術(shù)對高層辦公建筑進行節(jié)能優(yōu)化。綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用可以分為兩部分，一部分是常規(guī)的綠色建筑技術(shù)，另一部分是關(guān)鍵的綠色建筑技術(shù)。

其中，被動式綠色建筑技術(shù)的控制項目需要完全滿足要求，相關(guān)技術(shù)措施必須滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，并重點關(guān)注綠色建筑的設(shè)計標準。綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)主要集中在評價標準中的優(yōu)選項和一般項，優(yōu)選項中的技術(shù)指標是實施的重點。應(yīng)用被動式綠色建筑技術(shù)優(yōu)化高層辦公建筑的基本節(jié)能。

在綠色建筑技術(shù)的應(yīng)用中，有必要對建筑物的日照進行分析，以確定建筑物的陰影范圍。還需要充分考慮建筑間距、朝向、造型等，確保每棟建筑都能合理利用自然季風(fēng)和場地條件，從而合理設(shè)計高層辦公建筑的距離、朝向和造型。為了保證良好的聲環(huán)境和良好的自然通風(fēng)條件，還需要對風(fēng)環(huán)境和噪聲進行仿真分析。其中風(fēng)環(huán)境的模擬分析需要以圖3為依據(jù)，分析手段為CFD。

圖3 風(fēng)速等值線圖

高層辦公建筑的采暖地板的優(yōu)化措施如下：混凝土戶墻和混凝土厚地板的厚度應(yīng)設(shè)置低溫?zé)崴竦匕濉；炷梁駪魤穸葢?yīng)大于200 mm，混凝土厚地板厚度應(yīng)大于100 mm，低溫?zé)崴竦匕搴穸葢?yīng)大于130 mm。建筑周圍應(yīng)規(guī)劃綠化帶，加強綠化，屏蔽交通噪聲。

高層辦公樓給水系統(tǒng)采用市政給水作為供水水源。水管材質(zhì)為DN200。再生水用于景觀用水、地下車庫沖洗水、道路灑水、綠化用水。中水管道為DN150。地下室設(shè)置雨水收集裝置，利用雨水進行綠地綠化。生活熱水由太陽能供電，輔助供電。使用一些高效節(jié)水器具，包括節(jié)水馬桶。

在節(jié)材設(shè)計中，框架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計采用鋼筋混凝土框架。為減少環(huán)境污染和施工噪聲，采用商品混凝土預(yù)拌混凝土。采用裝飾與土建一體化的施工理念，采用半成品作為裝飾材料。

外墻采用20cm厚鋼筋混凝土，外保溫采用石墨厚聚苯板，使外墻達到較高的傳熱系數(shù)。屋面保溫層采用8cm厚擠塑聚苯板，使屋面達到較高的傳熱系數(shù)[15]。外門窗采用Low-E玻璃和中空鋁合金斷橋窗。建筑內(nèi)設(shè)采暖通風(fēng)系統(tǒng)，采用地源熱泵系統(tǒng)供冷供熱，機房設(shè)在一層。

1.3 智能節(jié)能優(yōu)化

以此采用被動式綠色建筑技術(shù)實現(xiàn)高層辦公建筑智能節(jié)能優(yōu)化[16]。高層辦公建筑智能節(jié)能優(yōu)化所采用的綠色建筑關(guān)鍵技術(shù)對應(yīng)策略如表2所示。

表2 使用的被動式綠色建筑技術(shù)的對應(yīng)策略

此外，物化管理系統(tǒng)用于高層辦公樓的管理。給排水間、中水、鍋爐房、電梯系統(tǒng)、照明等用電設(shè)備的用電，均設(shè)置計量裝置。建立萬用表遠程傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)自動抄表，并通過理化管理系統(tǒng)對信息進行監(jiān)控和管理。并介紹了高層辦公樓智能管理系統(tǒng)，包括消防聯(lián)動系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、有線電視系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)。

2 實例驗證

2.1 實驗設(shè)計

結(jié)合上海某高層辦公樓工程實例，驗證了基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的實際應(yīng)用效果。項目基地位于上海市黃浦區(qū)?；啬蟼?cè)是主要道路。基地北、西、東三個方向均被征用為城市規(guī)劃用地。基地具體設(shè)計方案為：南北向長74.76 m，東西向長100.31 m。總面積近7 500 m2，整體呈長方形。高層辦公樓共25層，樓內(nèi)辦公空間以開放式設(shè)計為主。而且在設(shè)計要求能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的分割，整體設(shè)計內(nèi)部空間更加規(guī)整。對基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑進行了節(jié)能優(yōu)化設(shè)計。整體設(shè)計目標具體如表3所示。

表3 整體設(shè)計目標

獲取基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的建筑能耗數(shù)據(jù)，包括全年照明能耗、夏季制冷能耗。將文獻[2]、文獻[3]的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法作為實驗中的對比方法進行對比實驗。同樣獲取兩種對比方法的建筑能耗數(shù)據(jù)作為對比實驗數(shù)據(jù)。

采用SPSS19.0軟件進行因子提取。經(jīng)過最大方差和正交旋轉(zhuǎn)，結(jié)合高層辦公建筑節(jié)能程度檢驗的原則，參照特征值大于1、累計解釋總方差大于60%的原則，以總體設(shè)計目標為約束條件，以照明和制冷兩個公因子為輸入，并對其進行分析累積方差貢獻率如表4所示。

由表4可知，各因子的隱含特性通過各子項目的共同信息反映出來，說明數(shù)據(jù)樣本具有較好的區(qū)分和收斂效度，可以應(yīng)用到實驗中。由于照明具有全季節(jié)性，因此，指標輸入為全年照明；同時，制冷是針對夏季的，因此，指標輸入為夏季制冷。輸入與輸出過程嚴格遵循SPSS19.0軟件應(yīng)用原則。

表4 累積方差貢獻率

2.2 實驗結(jié)果

2.2.1 全年照明能耗實驗結(jié)果

基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法與文獻[2]、文獻[3]的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的全年照明能耗對比實驗數(shù)據(jù)具體如圖4所示。

圖4 全年照明能耗對比實驗數(shù)據(jù)

根據(jù)圖4的全年照明能耗對比實驗數(shù)據(jù)可知，基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的全年照明能耗低于文獻[2]、文獻[3]的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的全年照明能耗。

2.2.2 夏季制冷能耗實驗結(jié)果

基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法與其他兩種文獻對比實驗方法的夏季制冷能耗數(shù)據(jù)具體如圖5所示。

根據(jù)圖5的夏季制冷能耗對比實驗數(shù)據(jù)可知，基于綠色建筑技術(shù)的高層辦公建筑節(jié)能優(yōu)化方法的夏季制冷能耗低于兩種對比實驗方法的夏季制冷能耗。

圖5 夏季制冷能耗對比實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié) 語

將綠色建筑技術(shù)應(yīng)用于高層辦公建筑的節(jié)能優(yōu)化中，通過信息環(huán)境模型分析高層辦公建筑實際形態(tài)特征，將主動式綠色建筑技術(shù)和被動式綠色建筑技術(shù)相結(jié)合，以全年照明能耗對比分析和夏季制冷能耗對比分析為測試指標，驗證了本文方法對高層辦公建筑能耗的降低作用，其季度性節(jié)能目標得到實現(xiàn)。但這種方法未必能夠適應(yīng)所有地區(qū)，后續(xù)將深入研究。