浅谈超高层建筑用能发展

浅谈超高层建筑用能发展每当迷失于繁华交错的上海街头时，我会情不自禁的原地转个圈，只为抬头寻找一下东方明珠塔和金茂大厦，依靠这两个“大个子”来确定方位最简单不过，如今陆家嘴方向的“巨人建筑”又多了环球金融大厦和未来的上海中心大厦。超高层建筑的魅力非常浅显明了，单单依靠“身高”优势就可以聚集众多人气，设想站在城市之巅鸟瞰市容风景，“一览众山小”的心境必然油然而生。“超高层建筑的用能状况如何？”这个看似简单的问题，只因为多了一个“超”字，目前对这类建筑的能耗研究文献相对甚少。尽管超高层建筑是我国大中城市发展的热门话题，但也仅仅是最近10年有飞跃性的发展，对已建成的超高层建筑的能源、安全、环境等发展经验尚需积累。超高层建筑垂直立面可能穿越一个或多个“气候区”，现有国家建筑节能标准对超高层建筑的适用性一直存在疑问，当前研究这类建筑的绿色节能还仅在初级阶段，本着追本溯源的想法，本文首先讨论高层/超高层建筑的现状和用能历程。国内超高层建筑的发展现状如果说10年前我国的超高层建筑还能如数家珍，随着现代建筑结构安全技术体系日渐成熟，当前超高层建筑已经在全国众多城市广泛散播开来。尽管有学者担忧大量建设超高层建筑是一场赌博，但人们对城市高度的无限渴望似乎远未停歇。超高层建筑区别于高层建筑的界定高度一般取定100米，即100米以上的高层建筑称为超高层建筑。我国第一幢超过100米的高层建筑是1976年建造的广州白云宾馆，33层，高108米，之后除1983年建筑成了34层的南京金陵饭店高109米以外，直到1985年才有一幢真正高度意义上的超高层建筑——深圳的国贸中心大厦，50层，高160米。当今，超过100米的建筑实在是数不胜数。随着这类建筑的发展，超高层建筑自身按建筑高度也分为三类：（1）建筑高度300米；（2）建筑高度200-300米；（3）建筑高度150-200米，而建筑高度在100-150米的建筑已很少提及。仅就建筑高度300米以上的超高层建筑来讲，据笔者不完全统计，目前我国(不包括港/台)已建成的13幢，其中2000年前建造的仅3幢，分别为深圳地王大厦(1996)、广州中信广场(1997)、上海金茂大厦（1998）。2000-2010年的10幢，而当前正在建的项目则有40幢，此外筹建项目也有10余幢。这类地标性建筑物分布在19个省/地级城市，根据图1统计，各地区在建项目是已有地标建筑数量的2.2~8倍，这从侧面说明我国各地区的城市化的高速发展和建筑技术水平获得惊人的进步。这类巨人建筑的占地面积一般为1～4万m2，建筑面积17.5～48万m2，每幢楼的建筑面积和能耗体量之大均相当于一个中小型的城镇面积，因此许多建筑师直接称之为“垂直城市”。图1地标性超高层建筑数量及分布(300m高度)建筑高度在150~300米的超高层已难以统计，仅对长三角的上海、江苏、浙江三省市的统计如图2，图中包括建成和在建的超高层建筑，高度300米建筑分别为6、18、3幢（其中江苏省包括4幢筹建项目）；高度200-300米建筑28、28、9幢；高度150-200米建筑24、24、18幢。上海、江苏、浙江三省市的超高层建筑中，目前在建项目的比例分别为19%、76.4%和85.7%，可见华东地区的江苏和浙江都在跨越式的发展建设超高层类建筑。其他地区城市的超高层建筑也同样惊人，如典型的广州、深圳两市的已建成/在建的超高层建筑分别达到118、80幢，而北京市已建成的有58幢。图1长三角地区超高层建筑统计国外超高层建筑的用能发展历程上述统计可见，我国目前的超高层建筑主要是正在建设的项目，即使是已建成项目中也主要是2000年以后的新建项目，目前对这类建筑的用能现状和节能管理都缺乏足够的经验。为讨论超高层建筑的能耗水平，表1给出欧美国家高层/超高层建筑的用能发展历程。第1代(1885-1916)区域划分式建筑玻璃幕墙式建筑第2代(1916-1951)第3代(1951-1973)第4代(1973-2008)第5代(1997-至今)能源危机时代建筑后能源危机时代建筑气候与环境共识下建筑建筑时代划分性能特点紧凑型(体形系数小)高热质立面墙材低透明度耗能以供热和电梯为主细条型(体形系数大)高热质立面墙材低立面透明度引入空调系统紧凑型高热质立面墙材单玻幕墙立面高透明度黑色建筑全机械式空调和照明紧凑型中空双玻幕墙结构高透明和高太阳热透性全主动式空调系统细条型双层皮幕墙结构高透明和高太阳热透性引入自然通风系统可再生能源利用性能参数体形：0.087-0.122m2/m3照度：86-97lx透明度：21%-29%K值：2.0-3.0W/(m2.K)体形系数：0.13-0.189m2/m3照度：108-269lx透明度：23%-32%传热系数K：约2.6W/(m2.K)体形：0.088-0.164m2/m3照明：1080-1615lx透明度：53%-72%K值：0.9-1.5W/(m2.K)能源利用体形：0.077-0.112m2/m3照明：377-1080lx透明度：53%-72%K值：0.9-1.5W/(m2.K)体形：0.096-0.0.221m2/m3照明：377-484lx透明度：54%-71%K值：0.9-1.1W/(m2.K)外窗开启引入自然风自然风天然采光立面密封结构全机械式通风空调系统全密封结构机械式通风空调系统自然/机械混合式通风技术双层皮玻璃幕墙表1高层/超高层建筑用能历程高层/超高层建筑最早起源于1185年芝加哥建成家庭保险大厦(HomeInsuranceBuilding)象征了美国当时的繁荣经济。该时期空调系统还未出现，第1代的高层/超高层建筑用能主要是集中供暖和垂直电梯耗能，通风主要通过外开窗，而建筑的照明水平很低，不到100lx。建筑的体形紧凑，玻璃幕墙也未出现，建筑的热防护水平和光透水平都很低。由于第1代建筑多为区域规划式建筑(ZoningLaw)，这类建筑多为扁长型，对周围建筑的光线遮挡严重，第2代建筑(1916-1951)改进了建筑体形，“生日蛋糕”型的细条型建筑一直成为后来发展的主要型式，建筑玻璃幕墙也开始引入到建筑外立面，由于空调系统的出现，建筑能耗水平大幅攀升。随着能源危机的出现，第3代高层/超高层(1951-1973)建筑外立面材料的热工特性相应有了大幅改进，传热系数仅在0.9～1.5W/(m2.k)，然而该时代的照明水平有了跨越式的提高，照度水平在1080-1615lx范围。玻璃幕墙已成为建筑表皮的主流，建筑透明度大幅调高到53～72%。第4代进入后能源危机时代后，高层/超高层建筑的建筑外墙技术和空调、照明等新节能技术均日渐普及和成熟，建筑的舒适性逐渐提高，用能效率也同时改善，但是建筑空调系统基本延用全机械式的供冷/热系统，空调用能一直是建筑能耗的主要部分。随着近些年来环境资源负荷问题和近年来热门的大气气候变暖问题的迫切性，建筑绿色生态化也成为高层/超高层发展的主旋律。在环境和能源双重负荷的压力的新的时代景下，我国正在高速建设越来越密集和犹如NBA篮球队员式的“巨人建筑”，不得不进行审慎细致的研究，并且执行更加严格的绿色节能措施。正在兴建的一些超高层建筑中，有的正在尝试自然/机械通风结合介绍，另一些建筑安装太阳能光伏发电板或风能发电等，从而尝试各种“开源节流”的新方法。超高层建筑节能难题目前对超高层类建筑的节能研究较少，尽管2005年我国颁布了《公共建筑节能设计标准》，一些地区仅仅对照建筑节能标准进行简单的约束性工程设计，但目前对超高层建筑节能的许多问题尚待解决，例如超高层建筑的节能模拟优化设计技术，建筑节能设计标准约束外节能问题、各环节建筑节能的潜力基础研究等问题。从建筑耗能角度，超高层建筑与普通建筑主要区别在于立面高度跨越了气候分区。高度超过100m以上除太阳辐射可以认为基本不变以外，气温和风速等气象参数均发生很大变化。当地面风速为2m/s时，100m高度的风速根据指数规律达到3m/s，而400～500米时风速可达到5m/s以上，温度随高度的变化也明显降低，通常每100米高度的温度下降0.6～1.0℃，仅此变化即可导致建筑物移动一个2级气候区。目前国内使用的节能优化建筑围护结构的能耗模拟软件，均不能反映气象参数沿垂直高度的变化规律，也不能够反映建筑围护结构沿高度方向的表面热交换能力的差别，因此无法准确地计算建筑物的能量消耗，更无从谈及科学合理的设计建筑物制冷、空调、配电等一系列设备系统。其次，建筑节能设计标准所能约束的节能技术还不能够完全适用于超高层建筑，现行建筑节能设计标准中涉及的内/外遮阳、通风等技术规定对超高层建筑难以适用，标准规定的建筑能耗的权衡判断方法也是基于建筑物全楼整体建模的一种评价方法，受目前能耗模拟工具的计算能力所限，超高层建筑中的计算对象（如房间数量）规模远远超出了模拟软件的计算能力，工程设计执行现有的节能标准凸显技术依据不足。此外，由于现有的超高层建筑主要为新建建筑，不同地区的超高层建筑的实际耗能情况、空调系统、照明、电梯、办公设备等各部分的耗能比例，玻璃幕墙的能耗水平、遮阳系统的实际效果，以及设备层、数据中心层对建筑耗能影响等微观类问题，建筑能源结构、建筑酒店/商场/办公/居住混合功能节能匹配优化等宏观类问题都有待具体分析研究。结语当前我国超高层建筑正在大力发展阶段，该类建筑的能耗水平相对较高，以金茂大厦为例，该建筑的实测办公和酒店能耗分别为200和400W/(m2.a)，是普通居住建筑的4~10倍。目前对这类建筑的节能设计分析和能耗数据积累等均需要大量的基础性研究工作。随着近年来地震、火灾等突发性事件频仍，对于超高层建筑大量建设引发的不利影响判断和应急预案方法等内容也需要积极审慎的分析研究。