办公楼被动式超低能耗建筑设计

詹长鹏

（江西省建筑设计研究总院集团有限公司，江西 南昌）

引言

被动式超低能耗建筑是新型建筑，该建筑模式可以利用可再生能源，为用户提供舒适室内环境，减少建筑能耗，在低碳社会发展过程中，被动式超低能耗建筑受到建筑行业的广泛欢迎。因此，研究此项课题，具有十分重要的意义。

1 办公楼的规划布局

1.1 环境条件分析

在开展被动式超低能耗建筑设计工作中，为了尽可能提升建筑周边环境因素的利用质量，设计人员需要在明确办公楼具体需要的基础上，对建筑周围气候大环境与室内外环境情况进行详细的分析。具体来说，气候环境因素是办公楼设计中的一个核心性因素，在我国南北方地区气候差异较为明显[1-2]。南方地区夏季气温较高，办公楼对于室内供冷有着较为强烈的需求，北方地区冬季气温较低，办公楼对于建筑内部暖气供应条件有着较高的要求，因此在开展被动式超低能耗办公楼建筑设计工作时设计人员需要结合办公楼所在地区的区域大环境选择合适的设计技术，提升办公楼的使用舒适性。其中，被动式超低能耗建筑通过供暖系统，可保证冬季室内温度不超过20 ℃，在过渡季节，利用高性能外墙和外窗遮阳系统，确保室内温度保持在合理的区间内，具体为26 ℃以下。在夏季，若外界气温和湿度条件较差，主动供冷系统即可自动运行，使室内温度始终保持在26 ℃左右，且湿度不超过60%。

1.2 自然能源利用

在被动式超低能耗办公楼设计工作中，合理应用自然能源代替常规能源是有效降低办公楼整体应用能耗的重要举措，在实际设计工作中，设计人员可以在明确办公楼能耗需求的基础上，综合利用太阳能、风能、地热能等能源，减少建筑在投入使用后对传统能源的需求，提升建筑的节能环保水平。举例来说，太阳能是一种清洁可再生的能源，在办公楼设计工作过程中，设计人员可以通过在建筑顶部设置太阳能热水器或太阳能电池板的方式，为办公楼提供热水、电能的补充，在满足建筑对于相应资源使用需求的同时，减少热水、电能供应产生的能耗。比如：在设计过程中，可以按照公式对围护结构主断面的传热系数进行计算。并在此基础上，明确自然能源的利用成效。该公式如下：

式中，αn表示内表面换热系数，其取值为8.6；αw表示外表面换热系数；R 表示各类材料层的热阻；δ 表示各类材料层的厚度；λ 表示各类材料导入系数；β表示导热系数修正系数。

1.3 建筑朝向控制

在建筑朝向设计工作中，设计人员可以在明确当地气候环境条件的基础上，通过尽可能控制建筑朝向为南北朝向的方式，满足建筑对于自然通风采光需要，降低采光、通风产生的能耗。同时尽管近年来随着人们审美要求的不断提升，建筑工程的外形设计越发多样，但是在开展被动式超低能耗建筑设计工作时，设计人员需要对办公楼的具体应用要求进行分析。计算公式如下：

式中，SD 表示外遮阳系数；x 表示外遮阳特征；a、b 表示拟合系数；A、B 表示外遮阳的构造定形尺寸。

严禁为了追求建筑立面变化而一味采用复杂设计的情况。举例来说，某装配式办公楼在设计过程中，设计人员秉承被动优先，主动优化的绿色建筑节能原则，在明确该建筑所在气候区条件的情况下，通过合理应用太阳房建筑蓄热等被动式技术的方式，提升自然采光、自然通风的利用率，营造健康舒适的室内声、光、热环境，有效降低建筑的能耗。在实际设计过程中，该建筑工程的平面设计采用红线，设计方法是控制建筑朝向为南偏西45°。同时，为了满足室内对于自然通风、自然采光的需要，设计人员在建筑内部设置了中庭，项目形体系数为0.393，窗墙面积比如表1 所示。

表1 建筑窗墙面积比

2 办公楼本身构造

对当前的被动式超低能耗建筑进行分析，可以发现，建筑普遍有着良好的围护结构、优越的密封性、无热桥、被动式门窗、新风系统可以实现热回收等效果。在当前的办公楼设计工作中，为了保证最终的成品能够取得相似的效果，设计人员需要合理将被动式超低能耗设计方法融入到设计方案当中[3]。

2.1 围护结构设计

将历史、人文、建筑特点等内容融入到设计当中，有助于确保围护结构能够有着良好经济性、适用性的同时，彰显当地的地域风情。在建筑投入使用后，主要借助围护结构，抵御外界恶劣的气候环境，为人们提供舒适的办公空间，在开展被动式超低能耗办公楼设计工作时，为了有效降低建筑内部的能耗，提升室内空间的舒适性，设计人员可以从选择节能材料提升围护结构，保温功能的角度入手，确保办公楼围护结构的屋面、外墙、地面、非采暖地下室顶板等部分的传热系数均不大于0.15 W/（m2·K），外门传热系数不大于0.8 W/（m2·K）。

2.1.1 墙体设计

墙体（如图1 所示）作为办公楼建筑的重要组成部分，有着分隔空间、降低室内外热量交换的功能，在开展被动式超低能耗建筑设计时，设计人员需要提升对墙体设计工作的关注度。一般情况下，围护结构能耗占建筑总能耗的20%～50%，墙体能耗占建筑围护结构能耗总量的35%左右，因此在开展墙体设计工作时，为了降低墙体在围护结构中的能耗总量，设计人员可以通过选择合适外墙材料，提高墙体隔热保温效果的方式，减少墙体在办公楼投入使用后产生的热量损失。举例来说，某办公楼位于夏热冬冷地区，为了提升墙体的保温隔热效果，在开展设计工作时，设计人员在建筑外墙设计采取了外保温措施，墙体主要由混凝土墙体黏结砂浆、第一层保温板、第二层保温板、抹面胶浆、耐碱玻璃网格布、混凝土保温砂浆、装饰面等部分构成。这种多层的外保温墙体结构减缓了建筑室内外的温度交换，在建筑投入使用后有效减少了建筑在温度调节方面产生的能耗，降低了办公楼整体的运营成本[4]。

图1 墙体

2.1.2 屋面设计

在超低能耗建筑设计工作中，开展屋面保温隔热设计，能够取得与围护外墙隔热设计相似的效果，具体来说，在设计过程中，设计人员可以通过优化屋面热工性能，提高墙体热阻，降低其传热系数的方式，为人们提供舒适的办公环境。举例来说，在某建筑屋面层设计过程中，为了切实提升屋面层的保温性、耐火性与防水性，屋面层主要由钢筋混凝土屋面板、非固化橡胶防水涂料、挤塑保温板、聚酯酸改性沥青防水卷材、聚乙烯膜等材料组成。同时，为了减少不同材料铺设缝隙对建筑屋面保温性、防水性的影响，在屋面铺设过程中还需要应用1:3 水泥砂浆对屋面铺设的建材进行找平处理。

2.1.3 窗户

窗户（如图2 所示）是围护结构的重要组成部分之一，尽管相对于墙体，窗户在围护结构中的占比相对较少，但由于传统建筑使用的窗户窗框为铝合金、塑钢等材质，窗户玻璃为普通钢化玻璃，玻璃间的空气层间距较小，并且窗框与窗户之间存在较多间隙，因此在这类建筑中，窗户产生的能耗约占围护结构能耗总量的50%左右。现阶段为了切实降低办公楼建筑的能耗，在开展被动式超低能耗建筑设计时，设计人员需要在合理控制窗户大小、数量的基础上，选择传热系数较低的窗户，预防热桥现象，提高建筑整体的保温隔热性能。

图2 窗户

2.2 无热桥设计

对当前的办公楼建筑进行分析，可以发现除了外墙、屋面等结构组成的建筑外围护结构会产生热量损失外，尖角、穿墙而过的金属构件等部件也存在许多的点状热桥，在建筑投入使用后会增大建筑的能耗损失[5]。若在设计时存在必须利用管材穿透围护结构，那么在穿透结构区域附近可以应用多孔砖（如图3 所示）增大围护结构的热穿透阻力，并且应用保温材料完全包裹围护结构，实现热能损失的有效控制。此外，在设计过程中，设计人员应尽量避免围护结构存在锐角交接的现象，降低热桥效应的产生概率，提升建筑的整体气密性。

图3 孔砖

2.3 气密性设计

对建筑工程进行分析可以发现建筑的采暖能耗会受到建筑亲密性的影响，具体来说，在供暖期，若建筑的亲密性较差，那么大量室外冷风会通过缝隙进入到室内，在供冷期，若建筑的亲密性较差，那么室内的冷空气会顺着缝隙流入室外，上述情况，在调节室内空气质量的同时，会增大建筑内部的气温调节成本，降低人们的使用舒适度。在当前的建筑设计工作中，为了实现建筑机密性的有效管控，设计人员需要在明确建筑气密性原理的基础上，选择合适的测试方法实现建筑气密性的有效管控。具体来说，当前建筑空气渗透量与压差之间的关系为Q=C△P，其中Q 指的是通过风机的空气流量，单位为m3/h；C 指的是空气渗透系数;P 指的是围护结构内外压差，单位为Pa；n 指的是压差指数。对建筑内围护结构进行分析可以发现，围护结构的气密性对n 的影响较大，为了实现渗透量与内外压差关系的线性分析，可以对上述公式进行取对数处理，得到公式InQ=InC+nln△P，通过如表2所示的测试方法，可以得到不同设定压差下，建筑围护结构的空气渗透量，进而计算得出建筑在任意气压下的渗透量。

表2 气密性测试方法

考虑到被动式超低能耗建筑对于建筑机密性的要求较高，因此在开展心理性设计时，设计人员可以通过保证建筑外围围护结构仅有一个气密层，紧紧包裹整个建筑采暖空间，减少穿透性问题出现，将隔热垫片放置在元器件与墙体之间等方式，减少建筑热桥，提升办公建筑的节能效果[6]。

2.4 机械通风

在开展被动式超低能耗办公楼设计工作室，考虑到该建筑为一个封闭的空间，室内外气体交流相对较少，为了在降低建筑能耗的同时，提升建筑室内空气的新鲜度，设计人员可以通过在设计过程中设置超低能耗新风冷暖系统，由通风系统自动控制室内外空气交换，实现空气热量的高效回收。

结束语

在当前的被动式超低能耗建筑设计工作中，为了保证建筑最终施工质量能够满足预期的效果，设计人员可以在明确节能环保理念、应用意义的基础上，通过将节能环保技术融入到设计规划工作当中，并强化建筑设计方案保温效果的方式，为建筑设计质量的提升提供保障。