绿色超高层建筑案例分析―黎远光

绿色超高层建筑案例分析EcoBuildChinaConference20142014年4月超高层建筑蓬勃发展•快速城镇化日趋紧张的土地资源•地标建筑的“高度情结”对一栋建筑而言，是投资，必须得到价值评估•位置•周边环境•外观•交通配套等•能源和资源危机•来自于政府的压力和补贴•日益激烈的竞争•对健康的日益关注•日趋成熟的建筑新技术价值评估系统正在改变，原因：绿色建筑价值也日渐被接受基于合理的方法，通过绿色、低碳策略的在设计、施工和运营等各阶段的实施，帮助我们的客户在营建可持续环境的同时，增强其核心竞争力。如何合理操作超高层绿色建筑？项目概况某知名地产开发商位于深圳的总部大楼项目类型：塔楼式办公建筑总建筑面积：270,000平方米建筑高度：393米项目定位：高端总部办公（部分出租）项目的绿色建筑目标绿色建筑主要目标能源水废弃物碳排放企业社会责任可持续发展经济用电峰值室内环境品质IEQ建筑节能目标总体节能目标1.被动策略PassiveStrategies2.主动策略ActiveStrategies3.可再生能源RenewableEnergy0401020305060708090100节能比例EnergySaving％被动策略PassiveStrategies主动策略ActiveStrategies可再生能源RenewableEnergy6%8%0%=14%基准－ASHRAE90.1Baseline–ASHRAE90.1建筑用电峰值削减目标用电峰值控制1.被动策略PassiveStrategies2.主动策略ActiveStrategies3.可再生能源RenewableEnergy0401020305060708090100节能比例EnergySaving％基准－ASHRAE90.1Baseline–ASHRAE90.1被动策略PassiveStrategies主动策略ActiveStrategies可再生能源RenewableEnergy10%5%0%=15%建筑节水目标总体节水目标1.节水器具WaterSavingFixtures2.本地植物LocalPlants3.雨水收集利用RainwaterUsing4.中水利用GreyWaterUsing0401020305060708090100节水比例WaterSaving％基准－EPActBaseline–EPAct本地植物LocalPlants雨水收集利用RainWaterUsing15%10%0%=55%中水利用GreyWaterUsing30%节水器具WaterSavingFixtures绿色建筑室内环境质量目标室内环境质量5.二氧化碳浓度CO2Density1.热舒适性ThermalComfort4.视觉舒适性VisionComfort3.声舒适性AcousticComfort2.室内污染物控制IndoorPollutantsControl污染物最大密度甲醛27ppb（单位/十亿）微粒（PM10）50微克/立方米挥发性有机物总量（TVOCs)500微克/立方米苯基环己烯6.5微克/立方米一氧化碳（CO）9ppb并不高于室外2ppb热舒适性室内污染物控制Sunradiation(light)50ºC绿色建筑室内环境质量目标室内环境质量空气龄控制独立通风系统物理分隔5.二氧化碳浓度CO2Density1.热舒适性ThermalComfort4.视觉舒适性VisionComfort3.声舒适性AcousticComfort2.室内污染物控制IndoorPollutantsControl吸烟控制出风速控制CO2浓度80%办公区域700－900ppm噪音控制300-500lux亮暗对比3：1Ra80UGR20照明舒适度45-50dB75％以上面积自然采光率环境风速项目实践–可开启窗设计研究地方节能规范的挑战：6.1.6除卫生间、楼梯间、设备房以外，每个房间的外窗可开启面积不应小于该房间外窗面积的30%；透明幕墙应具有不小于房间透明面积10％的可开启部分，对建筑高度超过100米的超高层建筑，100米以上部分的透明幕墙可开启面积应进行专项论证。-----《公共建筑节能设计标准》深圳市实施细则深圳经济特区技术规范SZJG29-2009绿建工作举例–可开启窗可行性研究建筑表面风压分析•夏季平均风速200m以上部分迎风面和背风面压差超过40Pa，300m以上压差超过150Pa。•冬季平均风速冬季主导风为东北风，受迎风面两个高层建筑物遮挡，可见目标建筑50m~200m高度的迎风背风面前后压差介于50~70Pa之间，300m以上高度的前后压差最大可达200Pa。•过渡季目标建筑100m以上迎风面和背风面的建筑物表面压差大，超过50Pa，200m以上压差超过150Pa。夏季工况过渡季工况冬季工况过渡季节在100m以上迎风面和背风面的建筑物表面压差超过50Pa，200m以上压差超过150Pa：•超过一般建筑室内外压差适于利用自然通风的范围。•50%左右的办公区域风速大于1.5m/s，会有明显吹风感；•建筑内环区呈现静风状态，在室内温度升高时会导致闷热的不舒适感；•局部大于3m/s风速的区域并不适合于一般静态性质的工作。•室内环境稳定度会因通风流量无法维持恒定而降低整体舒适性。100m高度室内风速分布图150m高度室内风速分布图200m高度室内风速分布图设置10%可开启窗后100m及以上典型楼层的室内风速模拟结果项目实践–可开启窗设计研究项目实践–可开启窗设计研究应对的方案：•可开启窗设计在100m以下楼层实施，按占10%幕墙透明面积的比例分布，单悬窗；•100m以上不设可开启部分。为应对地方节能规范的过渡季节通风要求，改为提高机械通风系统的最大设计通风量，从原来的1.1ACH此提高到3ACH，新风口分段设置并设置在所服务分区的最高楼层。该方案的优点：•避免了100m以上高度楼层开窗对室内环境的扰动，并杜绝了安全隐患问题；•由于标准大气层内的空气密度是随着高度的升高而降低的，因此在较高高度位置设置新风取风口，输送相同风量的室外空气到室内会比在较低楼层高度设置新风口节约风机的能耗；•对于高档办公楼，室外空气是建议经过过滤后再送进室内的，在这点上机械新风系统比直接开窗有优势。项目实践–窗墙比控制窗墙比较大窗墙比较小另外结合前述风压分析结果，建筑物高度越高，迎风和背风面压差就越大，因此设计团队在外立面的设计手法上采取渐变式窗墙比；在塔楼150m以上部分，在尽可能不影响自然采光及通透性的要求下，适当降低窗墙比，提高围护结构的气密性，减少因冷热风渗透造成的能耗增加。最终整体窗墙比为53.6%，满足节能规范的要求。项目实践–能耗模拟分析建筑各月份的能耗按照用电类别表示如下：0500100015002000250030003500123456789101112各月总能耗风机水泵冷却塔制冷供暖设备照明MWH月份项目实践–能耗与冷负荷构成分析照明23%设备29%水泵8%风机8%冷却塔3%制冷29%照明设备水泵风机冷却塔制冷照明10%设备19%围护结构29%人员17%新风25%照明设备围护结构人员新风峰值出现的时刻为7月10日的下午4点。由此可见，地处华南地区的超高层办公建筑的主要能耗为夏季的空调能耗；空调负荷中，通过围护结构的太阳辐射以及来自室外酷热空气的传热占较大的比例。因此超高层办公建筑的围护结构优化是节能设计工作的重点。建筑各类用电峰值负荷的比例分解建筑峰值空调负荷的比例分解项目实践–围护结构优化对本项目而言，遮阳系数从0.33~0.29范围内的变化对节能量的影响不大；因此仅从节能的角度来看，在玻璃幕墙遮阳系数上的选择可以根据实际需要适当放宽。86248.686003.685798.185617.785402.98480085000852008540085600858008600086200864000.330.320.310.300.29全年能耗MBTU幕墙玻璃遮阳系数幕墙玻璃遮阳系数对能耗的影响幕墙玻璃SC总能耗MBTU节能比%0.33(规范要求)862490.32860040.28%0.31857980.52%0.30856180.73%0.29854030.98%项目实践–围护结构优化86248.685932.885706.885430.985083.284764.88400084500850008550086000865001.51.31.10.90.70.5全年能耗MBTU外墙传热系数W/m2K外墙传热系数对能耗的影响外墙KW/m2K总能耗MBTU节能比%1.5(参照建筑)862491.3859330.37%1.1857070.63%0.9854310.95%0.7850831.35%0.5847651.72%外墙传热系数从1.5~0.5范围内的变化对节能量的影响比遮阳系数的影响大；这是因为超高层建筑有较大的外立面面积，另外项目的窗墙比控制在比较低的水平。因此幕墙整体传热系数也是在建筑节能设计工作中需要重点关注的热工参数。项目实践–围护结构优化玻璃遮阳系数SC=0.29较SC=0.33的能有效减少约30%的室内辐射得热。因此对一些对平均辐射温度敏感的区域，需要着重做好遮阳设计。各方位不同玻璃遮阳系数月平均辐射得热因超高层建筑的大部分楼层一般来说周边是无其他遮挡物的，太阳直射得热的机会增加，因此从热舒适性的角度考虑，遮阳系数的选择又变得重要了。绿色建筑设计策略一览建筑专业•控制窗墙比53.6%•优化建筑围护结构保温•控制幕墙玻璃遮阳系数•绿色建筑主入口设计•保证幕墙玻璃的可见光透过率•利用采光井改善地下室采光•利用景观绿化、双层玻璃降噪暖通空调专业•无CFC制冷剂•设备满足公共建筑节能设计标准•冰蓄冷系统-16%蓄冰量•变风量空气系统及优化控制•裙楼部分过渡季节增大新风量•二氧化碳监测按需通风控制•车库一氧化碳监控通风控制•室内热环境满足ASHRAE55要求电专业•高效光源/灯具及优化布局•时间表/人感应/昼光照明控制•暖通空调节能运行自控系统•能耗分量计量系统水专业•节水型卫生洁具•用水量分项计量•市政中水系统–25%替代率节能策略节能量贡献分解0500100015002000250030003500051015202530354045全年总能耗照明设备供暖制冷冷却塔水泵风机年能源费用全年总能源费用各绿色建筑策略的节能和节费贡献如下：备注：后续模型均在前一模型的基础上增加一项绿色策略；与满足ASHRAE90.1的基准模型相比，该项目累计节能10.5%，节费14.3%节能10.5%节费14.3%万元*1000MWH进一步的思考越来越多的建筑师、工程师已经意识到，在超高层建筑设计过程中除了面对高度带来的挑战，也同时由于建筑外部微气候随着高度的变化，可以从“天空”中获得额外的节能设计机会：•在标准大气模型中，干球温度是随着高度的升高而线性下降的，温度垂直梯度大概为每升高1000米下降6.5摄氏度(ASHRAEFundamentalsHandbook)。因此在较高楼层的设计热传导冷负荷、渗透风以及新风中的显热负荷是可以有一定程度的减少的；•大气压力随着高度的升高而下降，使得高处的室外空气变得稀薄，这样冷却、加热或传输同样体积的室外空气所需要的能耗与在靠近地面的情况相比能耗会有一定程度的减少；•风速随着高度的升高而急剧增大，这对开窗设计来说不利。但是同时也改善了建筑外立面与室外空气的对流传热系数，这样对于地处炎热气候的高层建筑来说，有利于建筑物的夜间自然排热；•室外空气中的湿度也有机会随着高度的升高而下降，对于地处炎热潮湿气候带的超高层建筑来说，也是一个额外的节能设计机会。降低除湿能耗。进一步的思考然而，要通过建筑物理分析的手段在设计阶段量化分析这些节能机会的效果，仍存一些挑战：•目前主流常用的建筑性能分析气象数据多为近地面气象数据，尚缺乏权威性的、随高度变化的逐时气象数据；•目前主流的能耗模拟分析软件未能成熟地模拟建筑外部的微气候环境随高度而发生的变化。目前可行的模拟分析方法是采用建筑中