建筑体形系数与能耗的相关性分析

建筑体形系数与能耗的相关性分析

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（1.西安建筑科技大学建筑学院陕西西安710055；2.四川国恒建筑设计有限公司四川成都610000）

摘要：目前我国新建建筑的高度越来越高，外形越来越多变，建筑体量越来越大，进而影响了其体形系数，过大的建筑物体形系数会直接增加建筑的采暖制冷能耗。因此，该文以重庆地区典型的居住建筑为研究对象，采用Energy Plus软件进行仿真模拟计算，分析了体形系数对当地居住建筑能耗的影响，得出了重庆地区居住建筑体形系数与单位面积能耗之间的线性关系，可为重庆地区及同气候条件下的其他城市居住建筑的低能耗设计提供参考。

关键词：体形系数；建筑能耗；体形系数；软件模拟

1.体形系数与建筑节能

建筑体形系数对建筑能耗的影响十分显著。有研究资料[1]表明，体形系数由0.4减少到0.3，围护结构传热损失可降低25%，全年采暖空调能耗可减少13%。但是也不能一味地减小建筑体形系数，因为体形系数不只是影响围护结构的传热损失，它还与建筑造型、平面布局、功能划分、采光通风等若干方面有关。体形系数若限制过紧，将严重制约建筑师的创造性，有损建筑造型、城市风貌和社会文化，而且使平面布局受限，功能划分困难，这会妨碍建筑的基本使用功能。特别是夏热冬冷地区的重庆市，因其地形复杂、平地较少，因此点式建筑较多，这种情况下更难降低体形系数。再者，该地区全年阴天很多，若建筑体形系数过小，不利于室内进行自然采光，造成人工照明增多，反而增加建筑能耗。同时过小的体形系数会影响建筑室内进行自然通风，这会增加夏季空调运行时间，随之增加的能耗更大。因此，该地区的节能标准对体形系数的限制不能太严，必须要综合考虑减少围护结构冷热损失，加强天然采光和自然通风，以及建筑造型、功能划分等的需要。

居住建筑体形系数在文献[2]中的定义为：“建筑物与室外大气接触的外表面积（不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积）与其所包围的体积的比值”。公式为：

（1）

式中：

S—建筑体形系数；

F—建筑的外表面积（m2）；

V—建筑体积（m3）。

建筑物的体形系数越大，建筑物与室外大气接触的外表面积越大，室内热量通过外表面传递到室外越多。因此标准[3]对此作出了明确规定：建筑层数小于3层时其体形系数宜小于0.55，建筑物

基金资助：“十二五”国家科技支撑计划课题（2014BAJ01B01）

作者简介：幸运（1989-），男，四川南充人，在读硕士研究生，主要从事绿色建筑、被动式建筑设计与评价的研究，E-mail：lukebean@

层数在4~11之间时其体形系数宜小于0.4，当建筑物层数超过12层时其体形系数宜小于0.35。实际上只有当建筑物房间内常年开启采暖空调系统时，这种体形系数的限值才有意义。这种情形下，整栋建筑可以看作是一个大的长时间运行的空调房间。然而在夏热冬冷地区，居住建筑的采暖空调设备绝大多数都是间歇运行的，在采暖空调设备间歇运行的模式下，外围护结构参与采暖空调的面积和实际发生传热的时间都大大减少。这种模式下，从传热的角度看，整栋建筑的传热可以分解成若干个独立的时间段的传热。当房间内开启空调时（如冬季），热量会通过外围护结构（外墙、外窗、屋面）传至室外，此时就要求建筑物与室外大气接触的外表面积越小越好；当房间内不开空调时（如夏季夜晚），热量会通过外围护结构（外墙、外窗、屋面）传至室外，此时要求建筑物与室外大气接触的外表面积越大越好。对同一栋建筑物而言，在不同的室外热环境的条件下，想要的外表面积的大小是不一样的，也就是说在不同的气候条件下，为达到最佳的室内热环境，建筑物的最佳体形系数也是不一样的[4][5][6]。因此，对于采暖空调设备间歇运行的居住建筑，建筑的能耗不能简单地认为随着建筑体形系数的增大而增加。本文通过模拟计算，分析研究居住建筑体形系数与建筑能耗之间的关系，以期对夏热冬冷地区居住建筑节能设计有所帮助。

本文选取重庆地区的居住建筑作为研究的主要对象，通过改变建筑物的体形系数，来分析不同的体形系数条件下，建筑采暖能耗、建筑空调能耗和建筑总能耗的变化规律。

2.模型的建立和计算参数的设定

在进行模拟之前，为简化模型，选取矩形建筑为研究对象，将建筑体形系数定义如下：设建筑的占地面积为A，水平面周长为，建筑高度为h，建筑外表面积为F，建筑体积为V，平面长和宽分别为a和b，则建筑的体形系数S可以表示为：

（2）

从上述的定义和公式中，可以看出体形系数与建筑尺寸成反比。体形尺寸越大的建筑，体形系数越小。因此通过改变建筑物的高度、及水平面长和宽的尺寸，就可以改变建筑的体形系数，从而简化模拟过程。

模拟中，内门和内隔墙对建筑内部采暖制冷能耗无太大影响，所以模拟时可以忽略内门和内隔墙对能耗的影响，每户按照采暖制冷房间设定参数，夏季室温设定为26℃，冬季设定为18℃。楼梯间、走道按照非采暖制冷房间设定。空调采暖期为11月15日～次年3月15日，空调制冷期为6月1日～8月30日，室内空调开启时间设为0:00~08:00、18:00~24:00，其他时间均不开空调。将建筑物的层高设为2.8m。各个朝向的窗墙比按规范进行取值，北向取0.4，东西向取0.35，南向取0.45。设室内照明为0.5875W/m2，室内人员、设备等4.3W/m2。建筑整体参数如表1、表2所示。

表1 模拟建筑体形详细参数

建筑编号长度/m 宽度/m 高度/m 建筑总面积/m2体形系数S

1 60 40 50.4 43200 0.103

275 25 42 28125 0.130

345 30 42 20250 0.134

460 20 28 12000 0.169

530 20 19.6 4200 0.217

645 15 19.6 4725 0.228

730 10 19.6 2100 0.317