上海地區(qū)超低能耗辦公建筑方案設(shè)計要點研究

楊珅菡 劉羽岱

1 上海臨港科技創(chuàng)新城經(jīng)濟發(fā)展有限公司

2 華東建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

超低能耗建筑作為節(jié)能建筑的高級形態(tài)，是建筑領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和、碳達峰的重要抓手，已成為普遍共識。近年來，超低能耗建筑，尤其是住宅類超低能耗建筑，國內(nèi)學(xué)者研究較多[1-4]，但是公共建筑，尤其是大體量的玻璃幕墻辦公建筑，研究相對較少[5-7]。

從2021 年起，伴隨著相關(guān)政策的出臺，超低能耗建筑在上海如火如荼的開展。其中住宅類超低能耗項目占到了通過方案評審數(shù)量的90%以上。相比之下，公共建筑超低能耗的發(fā)展，卻顯得不溫不火。究其原因，一方面，相比于住宅建筑來說，公共建筑，尤其是大體量玻璃幕墻體系的辦公建筑，超低能耗技術(shù)實施難度大，成本高。另一方面，上海針對公建出臺的資金扶持政策，力度還不夠有吸引力。

建筑方案設(shè)計對建筑能耗有決定性的影響，諸如建筑體形、朝向、空間布局、窗墻比、遮陽形式基本都是在方案階段確認。在設(shè)計管理中，如何從方案階段就兼顧成本限額、結(jié)合造型美觀，滿足超低能耗建筑的技術(shù)要求，有預(yù)控的開展設(shè)計和設(shè)計優(yōu)化，往往能在降低建筑能耗和控制成本方面起到事半功倍的效果。因此，本文以上海地區(qū)超低能耗辦公建筑方案設(shè)計為例，研究其設(shè)計要點。

1 超低能耗建筑在上海地區(qū)的發(fā)展狀況

1.1 技術(shù)標準

我國自2010 年以來，在不同氣候區(qū)開展了一系列的超低能耗建筑示范項目建設(shè)，取得了良好的應(yīng)用效果。目前國內(nèi)已逐步建立起超低能耗建筑的標準體系[8-9]，包括國家標準、地方標準、團體標準。2019 年，上海市發(fā)布了《上海市超低能耗建筑技術(shù)導(dǎo)則》（試行）（下文簡稱導(dǎo)則）。根據(jù)導(dǎo)則對超低能耗建筑的定義，超低能耗建筑是指適應(yīng)氣候特征和場地條件，在利用被動式建筑設(shè)計和技術(shù)手段大幅降低建筑供暖、空調(diào)、照明需求的基礎(chǔ)上，通過主動技術(shù)措施提高能源設(shè)備與系統(tǒng)效率，以更少的能源消耗提供舒適室內(nèi)環(huán)境的建筑，其供暖、空調(diào)、照明、生活熱水、電梯能耗水平應(yīng)較2016 年建筑節(jié)能設(shè)計標準降低50%以上。

圖1 超低能耗建筑的節(jié)能水平示意

1.2 超低能耗建筑的特點

將導(dǎo)則與上海當前常規(guī)做法進行對比，匯總?cè)绫? 所示。

表1 上?，F(xiàn)行節(jié)能設(shè)計措施與超低能耗措施對比

可以看出，超低能耗建筑在圍護結(jié)構(gòu)方面有了顯著的提升，尤其是針對門窗和玻璃幕墻部分，直接要求從兩玻中空構(gòu)造上升到三玻兩腔以上，這也是超低能耗增量成本最大的地方。

1.3 超低能耗建筑的相關(guān)政策

2020 年3 月，上海市發(fā)布的《上海市建筑節(jié)能和綠色建筑示范項目專項扶持辦法》（滬住建規(guī)范聯(lián)〔2020〕2 號），將超低能耗建筑納入補貼范圍，建筑面積要求為0.2 萬m2以上，補貼標準定為300 元/m2（600 萬封頂）。2020 年12 月發(fā)布《關(guān)于推進本市超低能耗建筑發(fā)展的實施意見》，對符合條件要求的超低能耗建筑給予3%容積率獎勵。超低能耗建筑項目只能選擇財政支持或容積率計算中的一項進行申報。

2 超低能耗辦公建筑方案設(shè)計核心要點

超低能耗的約束范圍限定在采暖空調(diào)、照明、熱水、電梯，這些能耗是建筑能耗中的主要因素，也是開展節(jié)能設(shè)計的重點。依據(jù)導(dǎo)則，公共建筑達到上海市超低能耗建筑技術(shù)要求，相關(guān)室內(nèi)環(huán)境和建筑能耗控制指標要求如表2 所示。

表2 上海超低能耗公共建筑指標要求

從表2 可以看出，除了常規(guī)的溫濕度、新風(fēng)量、建筑氣密性和建筑能耗外，上海市的超低能耗建筑技術(shù)標準，還適應(yīng)上海地區(qū)氣候特點和本地生活習(xí)慣，提出了自然通風(fēng)和自然采光的指標要求。辦公建筑需要根據(jù)物業(yè)的租售策略、在方案設(shè)計階段來優(yōu)化和處理，在被動式節(jié)能設(shè)計、方案效果以及經(jīng)濟成本之間找到平衡點。

3 辦公建筑超低能耗方案設(shè)計要點

3.1 超低能耗對辦公建筑方案立面的影響

超低能耗對辦公建筑方案設(shè)計的影響，主要體現(xiàn)在三方面：窗墻比控制，遮陽系統(tǒng)設(shè)計以及外窗開啟扇比例。

1）合理選擇立面窗墻比

根據(jù)導(dǎo)則設(shè)計要求，不鼓勵設(shè)置大面積玻璃幕墻。其控制方式是通過固定參照建筑的窗墻比（40%），當實際設(shè)計建筑的窗墻比偏離參照建筑越大，其能耗降低的難度就越大，投入就越高。超低能耗建筑全年累計耗冷熱量降低幅度也需要對窗墻比進行控制。然而，導(dǎo)則中又對自然通風(fēng)和自然采光有要求，以使得75%的建筑空間采光系數(shù)達標。因此，無論是提高窗墻比，還是提高外窗玻璃的透光率，抑或提升外窗氣密性，都需要在采光與能耗之間找到平衡。

選取臨港科技創(chuàng)新城A0302 地塊項目典型的科研辦公建筑為例，建筑平面長寬尺寸分別為54 m 和30 m，采用核心筒設(shè)計，建筑進深為10.5 m。使用PKPM 模擬軟件，計算2 到12 層的辦公樓面，設(shè)置參數(shù)為玻璃幕墻的可見光透射比0.50，墻體反射比0.6，地面反射比0.3，吊頂反射比0.75，通過調(diào)整玻璃幕墻系統(tǒng)中不透光部分的尺寸來改變窗墻比。由圖2 可以看出，采光系數(shù)達標面積比例隨著窗墻比的降低而下降。當窗墻比為0.4 時，達標面積比例為46.9%，不滿足導(dǎo)則中75%的功能空間采光系數(shù)需滿足現(xiàn)行國家標準《建筑采光設(shè)計標準》GB50333 的要求。因此，從滿足自然采光系數(shù)的角度，也建議窗墻比控制在50%左右。

圖2 窗墻比對采光系數(shù)的影響

2）合理選擇立面遮陽方式

上海屬于典型的夏熱冬冷地區(qū)，夏季太陽輻射較強，建筑遮陽對供暖空調(diào)負荷和能耗有重要影響。玻璃幕墻作為一種美觀、通透的建筑墻體裝飾方法，是現(xiàn)代主義高層建筑時代的顯著特征。針對玻璃幕墻的遮陽設(shè)計，主要考慮以下幾方面的建議：1）玻璃幕墻的遮陽系數(shù)，應(yīng)該結(jié)合能耗模擬的計算結(jié)果來確定。2）相比于窗墻系統(tǒng)，玻璃幕墻的遮陽系數(shù)計算方法是不一樣的。窗墻體系可以計入窗框的遮陽效果，從而可以放寬對玻璃遮陽的要求。玻璃遮陽系數(shù)不能無限制的降低，過低的遮陽系數(shù)難以獲得較高的可見光透射比，需要與采光計算協(xié)調(diào)。3）對于窗墻體系而言，外遮陽卷簾、中置百葉等具備一定的可能性。玻璃幕墻體系下，活動外遮陽或者中置遮陽的可能性較小，可調(diào)百葉較難為建筑方案設(shè)計師和建設(shè)單位接受。4）玻璃幕墻的遮陽系數(shù)要綜合考慮外立面造型，原則上優(yōu)先降低玻璃自身的遮陽系數(shù)（采用三銀或雙銀），在結(jié)合立面造型構(gòu)件設(shè)置外遮陽時，還需要考慮遮陽對采光的影響。

本文以臨港科技創(chuàng)新城A0302 地塊項目東北側(cè)3 棟建筑為例，考慮當?shù)靥栞椛浜椭車ㄖ恼趽跤绊懀捎没趓hino 和grasshopper 平臺的計算插件ladybug 來模擬建筑的太陽輻射分布。計算結(jié)果如圖3所示，建筑群東南、西南面年太陽輻射較強，需考慮設(shè)計遮陽措施。

圖3 建筑外表皮太陽輻射強度分布

水平遮陽板和豎向遮陽板的遮陽模擬結(jié)果如圖4和圖5 所示。在每層(4.5 m 間隔)提供水平遮陽板，經(jīng)過模擬計算論證，遮陽板進深達到0.8 m 時，可將立面太陽輻射整體降低20%。提供豎向遮陽板的情況下，遮陽板間隔4.5 m。經(jīng)過計算論證，遮陽板進深達到0.8 m，建筑立面年太陽輻射整體降低15%。對于設(shè)置水平遮陽板的玻璃幕墻外立面，受限于樓層間距，遮陽板間隔較大。對于設(shè)置豎向遮陽板的玻璃幕墻外立面，可結(jié)合玻璃扇面縮小遮陽板間距。此外，還可以結(jié)合立面造型，來優(yōu)化遮陽設(shè)計，如采用內(nèi)凹嵌的玻璃幕墻，也可取得一定的遮陽效果。

圖4 遮陽板長度對太陽輻射的影響

圖5 遮陽板長度、間距對太陽輻射的影響

3）幕墻開啟扇設(shè)計

良好的自然通風(fēng)會延長非采暖空調(diào)時間，從而降低采暖空調(diào)需求和能耗。外窗開啟有利于自然通風(fēng)換氣，但考慮其冬季氣密性、外觀美觀性等原因，一般需要在可開啟數(shù)量與通風(fēng)效果之間尋找較為合適的平衡點。玻璃幕墻開啟扇成本較高，可開啟的面積比例建議根據(jù)CFD 模擬計算結(jié)果進行優(yōu)化論證。

以臨港科技創(chuàng)新城A0302 地塊項目典型辦公建筑為例，設(shè)計不同可開啟扇比例和間距下的工況，討論自然通風(fēng)換氣次數(shù)的效果。本文使用PKPM 模擬軟件中的自然通風(fēng)模塊進行模擬計算。計算邊界條件設(shè)置為上海市過渡季節(jié)室外風(fēng)環(huán)境計算氣象參數(shù)，風(fēng)速3.8 m/s，風(fēng)向ESE。模擬結(jié)果如圖6 所示，建筑平面布局較簡單，遮擋較少，自然通風(fēng)良好，當可開啟扇比例降低至1.3%，也可以滿足75%以上的功能空間在過渡季典型工況下室內(nèi)自然通風(fēng)換氣次數(shù)達到2 次/h 的要求。但辦公空間整體氣流組織分布不均勻，影響辦公人員舒適度。因此建議，玻璃幕墻的開啟扇比例大于3%，開啟扇的設(shè)置間隔為6～8 m。

圖6 可開啟扇比例對自然換氣次數(shù)的影響

3.2 超低能耗對方案成本的控制分析

超低能耗方案設(shè)計的成本控制需要結(jié)合建筑立面效果，優(yōu)化控制窗墻比、遮陽構(gòu)件形式和開啟扇數(shù)量。一方面，玻璃幕墻的造價遠高于實體墻。另一方面，窗墻比相對較小時，對玻璃幕墻的熱工性能參數(shù)要求也相對較低，可以大幅降低成本。與常規(guī)設(shè)計方案不同，超低能耗建筑的辦公建筑方案設(shè)計，需要借助建筑性能模擬軟件來優(yōu)化建筑的被動式設(shè)計，精細化指導(dǎo)立面造型的設(shè)計方向，在保證滿足導(dǎo)則要求下，盡可能滿足經(jīng)濟性。

4 總結(jié)及展望

超低能耗辦公建筑的設(shè)計方案，應(yīng)該在方案階段就開始介入，并引起足夠重視。辦公建筑方案設(shè)計時應(yīng)該重點考慮超低能耗對建筑方案的影響，重點關(guān)注窗墻比、立面遮陽形式和開啟扇的優(yōu)化布置，在滿足建筑方案的美觀性與經(jīng)濟性的基礎(chǔ)上選擇平衡點，采用基于建筑性能化分析的手段進行精細化設(shè)計，可以大幅降低超低能耗的增量成本。