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绿色超高层建筑设计的重点与难点探讨 孙大明 田慧峰 周志仁 （中国建筑科学研究院上海分院，上海 200023） 摘要科技的不断进步使超高层建筑发展很快，截至 2009 年底，我国已建成的 200 米以上 的超高层建筑约 53 栋。在节能、低碳的趋势下，建设绿色超高层建筑已成为一种必然趋势。 然而， 超高层建筑绿色生态技术的设计与应用与普通绿色建筑有较多不同之处。 本文阐述了 绿色超高层建筑的意义， 结合实际案例， 分析超高层建筑的节能、 室内环境质量等重点问题， 探讨了设计绿色超高层建筑的难点并提出了合理建议。 关键词超高层； 绿色建筑 ； 节能 ； 室内环境质量 ； 重点与难点 DISCUSS ON THE IMPORTANT AND DIFFICULT POINTS OF THE GREEN SUPER-HIGH BUILDING Sun Daming Tian Huifeng Zhou zhiren （China Academy of Building Research, Shanghai Branch 上海 200023） Abstract With building technology’s development, the number of super-high building has increased so fast that there are 53 super-high building in China until 2009. Under the background of energy efficiency and low carbon-emition, Green Super-High BuildingGSHB has become an inevitable trend. However, GSHB is unique from common Green building. The significance of GSHB has been discussed, and the other aspects such as energy efficiency and Indoor environment quality IEQ have been analyzed based on project. Also, the difficulty has been probed. Key words super-high building, green building , energy efficiency, IEQ, important and difficult points 1 引言 1.1 超高层建筑简介 1972 年 8 月在美国宾夕法尼亚洲的伯利恒市召开的国际高层建筑会议上， 专门讨论并提出高层建筑的分类和定义，指出超高层建筑是指 40 层以上（高度 100 米以上）的建筑。 目前全国超高层建筑主要分布在沿海等一线城市。我国大陆 2009 年底建成 的 200 米以上超高层建筑达 53 栋之多[1]。 超高层建筑功能复杂，包括办公、酒店、商场、酒店式公寓或者功能多样的 复合式建筑，以及超高层住宅建筑。对超高层建筑优化设计首先应该结合建筑的 功能定位。 1.2 超高层建筑优势与不足 与普通高层建筑100m 以下相比，超高层建筑具有的优势有 1）集约化利用土地资源超高层建筑通过向更高空发展，在有限的地面上 为人类争取到更多的生存空间； 2）显著提高工作和生活效率超高层建筑将工作和生活设施适当集中，一 1 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 般性工作和生活问题在建筑内部即可解决。极大地方便了人们工作和生活； 3）实现资源高度共享，提高投资效益超高层建筑配套设施规模效应明显， 资源利用效率高。实现了经营互利； 4）带动相关学科发展，促进科技进步。 超高层建筑存在的不足有 1）高能耗超高层建筑的运行能耗巨大，比同等面积的多层建筑消耗更多 的资源、人力和财力。超高层办公建筑为保持正常的运作，在电梯、空调、供水、 供暖、 管理等方面要多消耗大量的能源。 以金茂大厦为例， 2002 年到 2007 年间， 单位面积年耗电量水平在 200 kWh/m2左右[2]，与统计中的高档办公楼能耗水平 相当，是宾馆类建筑平均水平的 1～2 倍，是一般公共建筑的 3～10 倍。这说明， 随着建筑体型的扩大，建筑高度的增加，实现同水平的室内环境品质，超高层建 筑需要消耗更多的能源； 2）室内环境质量差为保证安全性，超高层建造窗户多数采用密闭型，自 然通风几乎不可能，只能通过机械通风换气方式，室内空气品质往往降低。室内 进深较大，往往导致自然采光较差； 3）对城市环境的影响超高层建筑一般大量采用全玻璃幕墙，其容易在局 部区域造成强光反射，形成光污染、使人心情紧张，影响城市交通的安全。超高 层建筑聚集人数较多，且多为中高档办公、宾馆类建筑，对室内环境质量要求相 对较高，且集中排放负荷大，带来空调、水、电等多方面资源的大量消耗，造成 城市局部气温明显高于其他区域，形成“热岛效应”，导致降雨明显增强。 2 绿色超高层建筑简介 2.1 绿色超高层建筑发展的必要性 在节能、低碳和环保等理念、相关政策及市场需求等多各因素推动下，建设 绿色超高层已成为一种必然趋势。 本文分析的绿色超高层建筑基于国家绿色建筑评价标准和美国环境与能 源设计先锋奖（LEED）这两大体系，并结合实际工程案例提出来的。 本文给出的绿色超高层建筑定义是在建筑全寿命周期内，比常规超高层建 筑能耗显著降低、室内环境质量显著提高、对周围环境影响显著下降、高效稳定 运行的低碳和可持续发展的超高层建筑。 可以看出，绿色超高层建筑无论从设计、施工、还是运营角度都比普通超高 层建筑效果改善。因此可以发展绿色超高层建筑真正能够达到绿色、生态、可持 续发展。 2.2 绿色超高层建筑的技术体系 绿色超高层建筑主要包括从节能与能源利用、室内环境质量、节水、室外环 境与可持续场址、节材、绿色施工和运营管理这七大体系。 节能与能源环境通过优化围护结构、空调系统、照明、电梯等，达到降低 建筑能耗的作用。 要求至少节能 60且比 ASHRAE90.1-2007 附录 G 的基准建筑 节能 10以上； 室内环境质量通过增强自然通风、选择高效空调系统、充分利用自然采光 和低挥发性材料等措施改善室内环境； 节水与水资源利用通过收集利用场地雨水、建筑中水，采用节水景观、节 水器具等措施减少市政用水需求； 2 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 室外环境与可持续场址通过发展公共交通、减少光污染、增大室内渗透等 技术达到减小对室外环境的影响的效果； 节材与材料利用充分利用 3R 材料、土建与装修一体化、采用当地材料和 高强度材料等技术； 绿色施工超高层建筑施工周期长（约 3 年左右） ，对周边环境影响很大， 因此应充分减少水土流失、充分利用建筑废弃物等达到减小施工对环境的影响； 运营管理 通过执行调试计划对各系统进行调试、 对运行管理人员进行培训、 利用能源分项计量系统记录建筑运行能耗情况， 并及时发现存在的不足制定节能 的措施以减少建筑运行能耗。 通过这七大技术体系，绿色超高层建筑能比普通超高层建筑更节能，改善了 室内空气品质，缓解室外交通，节约市政用水量，整个过程中低碳排放，真正达 到绿色建筑。 3 绿色超高层建筑的重点技术分析 3.1 节能 超高层建筑的节能主要通过围护结构优化、空调系统节能、降低照明耗电和 采用势能电梯等方面实现。 以下结合笔者负责的三个绿色超高层项目来分析节能 可采取主要措施。 （1）围护结构优化措施 超高层建筑一般都是大面积玻璃幕墙，窗墙比WWR一般都超过 0.5，因此 玻璃幕墙的优化就成为围护结构节能的重点。 表 1 分析了围护结构节能的主要措 施。 表 1 围护结构优化措施分析 技术措施 内容 参数要求 难易程度 1 玻璃幕墙 VT 约 0.5，SC 不能过大， 取 0.35 左右。 较难 2 墙体 满足公建节能标准要求， 夏热冬暖或夏热冬冷地区 建议取K0.7W/m2.k左右 容易 3 屋顶 采用高反射涂料或屋顶绿 化 较容易 4 自然通风口 采用幕墙通风器、 低层开窗 或建筑 100m 以下设置开窗 难 5 门窗气密性 4 级以上 容易 6 外遮阳 可在双层幕墙内设置可调 外遮阳。或者东、西立面设 水平挡板遮阳。 也可以整个 立面设机翼遮阳。 难 （2）空调系统节能技术 超高层建筑的空调系统类型和数量繁多， 空调系统约占建筑总能耗的 35左 右。因此超高层建筑节能的最重要途径。超高层建筑空调系统的主要节能措施如 3 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 表 2 所示。 表 2 空调系统节能技术 技术措施 高效、舒适 空调技术 应用要求 难易程度 1 高效冷热源 机组 额定工况下 COP 至 少达到 5.6。 容易 2 蓄冷技术 有分时电价地区、 且 非 24 小时运行建 筑。 较难 3 排风热回收 全热回收， 要求效率 不低于 60。 容易 4 新风免费制 冷 竖井限制， 不可能全 楼楼层都采用。 较难 5 冷却塔免费 制冷 夏热冬暖地区不适 合采用 容易 6 降低输送能 效比 采用高效水泵、 风机容易 7 冷凝热回收 酒店、公寓等 24h 需要热水的建筑 较难 8 可再生能源 应用数量有限， 可采 用地源热泵。 难 9 高室内空气 品质 采用高舒适末端 容易 10 空气质量监 控 控制要求高 较难 （3）绿色照明 超高层建筑中的照明能耗约占 15左右， 因此降低照明能耗是节能的重要方 面。可采用的绿色照明技术有 a 减少照明功率密度LPD值LPD值不可过大，应控制在目标值以内，建 议高档办公照明功率密度控制在 13W/m2左右， 客房控制在 12W/m2左右； b 日光照明充分利用自然光控制灯光开启； c 人员感应控制和时间控制灯光感应控制等可降低照明功率 10左右。 （4）势能电梯 超高层建筑电梯能耗也较大，利用势能转化为电能，就是节能型电梯的工作 原理。合理采用节能型电梯，具有明显的节能效益。 3.2 节水 超高层建筑用水量很大，节水也是绿色超高层建筑中最重要的节能措施之 一。绿色超高层建筑的节水措施主要有 1 节水器具采用高效节水器具以减少用水量； 2 雨水利用充分收集场地雨水，另外超高层建筑立面面积大，需充分收 集立面雨水，经过处理后能够带来可观的节水量。但初投资也很大，经 济效益不明显； 4 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 3 中水利用收集优质杂排水带来的一个关键问题是占用更多的管径，从 而需增大核心筒面积，直接带来的问题就是有效利用面积减小，从而减 小销售面积。但对于有酒店、公寓和办公等复合型超高层建筑，酒店客 房一般设置在最高部分，且酒店优质杂排水量大，可以收集高区酒店客 房的优质杂排水在设备层经过处理后用于低区办公等冲厕；对于纯办公 超高层建筑，建筑本身优质杂排水量就很少，且占用过多管径，因此不 建议采用； 4 采用当地植物采用适合当地生长的植物可以减小绿化浇灌用水量，从 而减少用水量。 3.3 节材 超高层建筑材料消耗很大，节材也是绿色超高层建筑的重要方面，可以采用 的节材措施有 1 3R 材料充分利用可在循环材料，如钢、铝合金、玻璃等。同时对非承 重部分如隔墙等充分采用以废弃物为原材料的建筑材料； 2 灵活隔断办公建筑等的隔断可采用灵活隔断，这样可以采用减少重新 隔断带来的浪费，而超高层办公建筑面积可在 10 万平米以上，采用灵活 隔断带来的节材量非常可观； 3 设计和装修一体化在施工前装修图纸结合建筑图纸完成，能够减少二 次装修造成挖孔、打洞而减少建筑材料的浪费。 4 绿色超高层建筑的难点分析 4.1 节能优化 4.1.1 简介 4.1.1 简介 绿色超高层建筑至少应该节能 60以上且比 ASHRAE90.1 附录 G 规定的基 准建筑节能 10以上。 国家 公共建筑节能设计标准 所要求的节能率是指空调、 通风和照明能耗，而 ASHRAE90.1 则要求比较建筑全能耗，包括设备、电梯、 生活热水等能耗。 对超高层建筑进行节能优化是一个权衡考虑到问题， 需要经验丰富的能耗模 拟人员进行优化分析，提出合理的建议。建立合理、准确的能耗分析模型对绿色 超高层建筑进行分析既是节能优化的基础也是一项较难掌握的技术。 优化分析过 程往往需要反复调整参数，甚至建立多个模型进行对比分析，以得到最佳且可行 的节能效果。 4.1.2 案例分析 4.1.2 案例分析 笔者负责的广州某绿色超高层建筑，为纯办公建筑。建筑面积为 21 万m2， 其中地上 17.8 万m2，空调面积 13 万m2。建筑层数为 68 层，建筑高度为 309 米。 根据ASHRAE 90.1附录G建立基准建筑， 同时建立设计建筑优化模型如图1所示。 建筑总能耗费用如图 2 所示。 5 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 图 1 广州超高层建筑能耗模型 图 2 设计建筑总能耗费用 图 3 设计建筑能耗细分 表 3 广州某超高层建筑能耗细分 分析模型 耗电量 （MWH 总能耗 费用 万元） 单位建 筑面积 耗电量 单位建 筑面积 能耗费 用 节费率 基准建筑 41340 3992.1195.9 189.20 设计建筑 36398 3517.6172.5 166.71 11.89 图 3 对建筑能耗进行细分， 表 3 给出了总耗电量和能耗费用对比。 可以得出， 设计建筑比基准建筑节费约 11.89左右。其实此时的设计建筑是设计院根据笔 者早期提出的节能优化建议后进行修改得到的。为进一步降低能耗，笔者建议再 降低办公照明功率密度为 13.5W/m2，并进一步优化玻璃幕墙参数等，使节能率 提到 12.46。 4.2 室内环境质量 改善超高层建筑室内环境质量是绿色超高层建筑的又一难点。 超高层建筑利用自然通风有局限，主要是超高层的安全性考虑。超高层建筑 6 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 室内环境质量主要问题有 （1）无法开窗，基本不能利用自然通风； （2）目前办公、酒店等大多数为风机盘管，过渡季无法利用全新风。且存 在过渡季节结露发霉现象； （3）超高层办公建筑存在内外区的问题，内区发热大而无法通过围护结构 散出去，而外区受室外影响较大，如此就导致了冷热不均。 另外超高层建筑进深过大，容易导致室内自然采光效果降低。因此其自然采 光效果往往也不佳。 4.3 可再生能源利用 超高层建筑利用可再生能源利用的量少，适用性差。因此可以简单地利用地 源热泵、太阳能热水等。但只能少部分在裙房和少数楼层应用。 绿色超高层建筑利用可再生能源不是很有利，但可以少部分采用，如采用低 压热泵、太阳能热水等等。绿色超高层建筑可采用的可再生能源技术有 a 裙楼屋顶采用太阳能热水系统主要应用于办公类建筑，其生活热水需 求量少，可以减少集热板的铺设。 b 地源热泵系统可结合桩基埋设土壤换热器，可解决埋管铺设面积不足 的问题。可在裙楼应用或者应用于冷辐射吊顶、冷梁等对冷水温度要求 较高的场所。 4.4 测量和验证 国际性能验证协议（IPMVP）的第三卷提出了测量和验证的方法。新建超高 层建筑测量和验证（MV）能够确定建筑运行节能量。一般选择 IPMVP 的方案 D 进行。MV 最难的是对基准建筑的校准，使得估算的节能量在一定的误差范 围内。另外，需要按照要求安装能源管理系统。测量和验证过程时间长，需要在 建筑调试完成后进行。较准确的 MV 难度很大。 4.5 建筑调试 建筑调试包括基本调试和全面调试。建筑的全面调试是保证机电系统良好运 行的前提，尤其是超高层建筑空调系统复杂，是超高层建筑运行良好与否的重要 内容。调试团队需要在在设计阶段就介入，建筑施工完成后调试团结要介入进行 调试，调试过程时间长、难度大，需要经验丰富的调试人员来完成； 5 绿色超高层建筑的设计心得 目前国内还没有一栋真正的绿色超高层建筑。在我院负责咨询的几个绿色超 高层建筑过程中，确实比非超高层建筑碰到的问题多。通过我院绿色咨询团队的 努力并与我院专家沟通、讨论后，我们克服了很多困难，使得咨询工作能够顺利 进行。绿色超高层建筑的认证过程漫长，一般都在 4 年左右，因此需要咨询团队 在各个过程掌握好进度，针对当时进度提出要求，使得各项具体绿色技术措施能 够适时、合理地在建筑中落实。 6 总结 绿色超高层建筑是超高层建筑的发展趋势，能够显著地降低超高层建筑的运 行成本，降低能源消耗，减少市政用水、材料使用，降低环境污染等。 本文总结了绿色超高层建筑的重点与难点，得出了节能、节水、节材是绿色 7 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l 超高层建筑的重点。而节能优化、改善室内环境质量、可再生能源利用、测量与 验证、调试等其他问题是绿色超高层建筑的难点。 参考文献 [1] 中国建筑学会建筑结构分会高层建筑结构委员会， 我国大陆 2009 年底已建成 180m 以上 高层建筑统计，土木工程学报，2010 年第 5 期， [2] 李静，超高层建筑节能的思考与实践，上海节能，2008 年第 4 期 8 绿色超高层建筑h t t p //w w w .g b -c a b r .c o m /z h u a n t i /h i g h -r i s e .h t m l