夏热冬冷地区住宅体型系数与建筑节能的关系

夏热冬冷地区住宅体型系数与建筑节能的关系

夏热冬冷地区是指长江中下游地区及其周围地区（其确切范围由现行《民用建筑热工设计分区图》GB 50176规定），该地区面积约180万平方公里，人口5.5亿左右，国内生产总值约占全国的48％，是一个人口密集、经济发达的地区。该地区夏季炎热，冬季寒冷。近年来，随着我国经济的高速增长，该地区的居民纷纷采取措施，自行解决住宅冬夏季的室内热环境问题，夏季空调冬季取暖成了普遍现象。由于该地区围护结构的热工性能普遍差，所以能耗消耗高。我国现行的建筑节能政策是：2000年以后竣工的居住建筑的采暖能耗与1980～1981年的水平相比节能50％。行业标准JGJ 134－2001《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》中规定条式建筑物的体形系数不应超过0.35，点式建筑物的体形系数不应超过0.40。夏热冬冷地区乡村住宅其住宅型式一般都以独立的户为单位，且层数为3～4层，落地面积在180～200平方米之间。一、体形系数分析体形系数是建筑物与室外大气接触的外表面积F0与其包围的体积V0的比值。外表面积中F0不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。体形系数S=

F0/V0，物理意义是指围合建筑物室内单位体积所需外表面积来围合尽可能大的建筑内部空间体积。F0/V0越小则意味着外墙面积越小，也就是能量损失途径越少，越具有节能意义。根据体形系数公式（1）式中：S—建筑体形系数；F0—外表面积（m2）；V0—建筑体积（m3）；a—建筑长度（m）b—建筑宽度（m）；H—建筑高度（m）。整理得：（2）由公式（2）可以看出，当建筑面积一定时，体形系数与建筑物长、宽、高三个尺寸的大小及比例关系有关。即当建筑物的高度H和宽度b一定时，长度a越大体形系数就越小，节能就越好；当建筑物的高度H和长度a一定时，宽度b越大体形系数就越小，节能就越好。当建筑物的长度a和宽度b一定时，高度H越大体形系数就越小，节能就越好。二、体形系数节能分析2.1 建筑长度对体形系数影响通过对杭州下沙地区乡村住宅的调查，大多数住宅为3～4层，高度为10～12m，宽度在10～12m，假设住宅高度H＝9m，宽度b＝12m，由公式（2）得（3）对公式3作曲线图，如图1所示。

从图1可以看出无论是条式建筑还是点式建筑，其体形系数随着建筑物长度的增加而减小。但当建筑物长度增加到60m时，体形系数变化就不是很明显。因此在同时考虑到整体规划及建筑节能，建筑物长度以60m为宜。2.2 增加房间的进深以杭州下沙地区的乡村住宅为例，设条式建筑长度a条式＝60m，高度H

条式＝9m；点式建筑长度a点式＝16m，高度H点式＝9m，由公式（2）得

建筑物宽度对体形系数的影响

从图2中可见，当建筑物的高度H和长度a一定时，宽度b越大体形系数就越小，而且减小的幅度比较大，即宽度每增加2m其体形系数就可降低1% ～

2.5%。。因此，对于乡村住宅最好就是增加建筑物的进深b，以较大幅度的减小体形系数S。达到节能目的。综合采光、日照等因素，建议房屋进深10～13m 为宜。2.3 增加建筑物层数以杭州下沙地区住宅为例，设条式建筑长度a条式＝60m，宽度b条式＝12m；点式建筑长度a点式＝16m，宽度b点式＝12m，由公式（2）得

从图3中可见，设建筑物层高为3m，当为两层时，条式建筑体形系数0.367，点式建筑体形系数为0.459。当建筑物为三层时，条式建筑体形系数减小到

0.311，点式建筑体形系数减小到0.403。建筑物随着层数的增加，体形系数相

应也减小的幅度也较大，这是因为在层高增加过程中，外围护面积（包括屋顶面积）的递增比不上其所包围体积的增加，即体积增率大于面积增率。2.4 减小建筑物的周长如果用A－建筑物底层面积（m2），即A＝a×bL－建筑物底层周长（m），即L＝2（a + b）公式（1）可转化为（4）当建筑的高度H和底面面积A一定时，建筑底层的层周长L与体形系数S是线性关系。并且A＝a×b，L ＝2（a + b）。可知a=A/b，（5）对b进行求导，求L的最小值，所以当建筑物的长宽相等时，即当建筑物底面为正方形时，其建筑物周长L最小体形系数S 最小。可见，当建筑物的周长减小，体形系数S也减小。但是在缩小建筑物周长的同时还要考虑太阳的辐射得热。因为冬季太阳辐射得热，南立面比北立面要大很多。即以太阳辐射而论，南立面越长建筑物得热就越多，对节能越有利。因此在进行乡村住宅的节能设计，要结合乡村住宅农民生产、生活习惯，并且考虑当地冬季太阳辐射得热的实际情况，选择合适的长宽比例，达到最佳的节能效果。

2.5 节能体形设计的尺度计算最佳节能体形的设计，仅仅从建筑物的长、宽、高、周长及长宽比例等一个尺寸分析，是不够严密的，必须予以综合考虑。设一栋长方体建筑物宽度为b，长度为mb（m为长宽比，m为≥1的有理数），高度为H，建筑物体积为V，其体形系数为：（6）由公式（6）可以看出，当V取一定值时，H与S则有一定的几何曲线。而每条曲线的最低点就是H对应的最小体形系数，可以通过对S求导数得出，即

（7）令，则建筑物的最佳节能高度为：建筑物最佳节能宽度建筑物最佳节能长度通过上面的理论计算分析所得出的建筑物最佳节能尺度，为建筑节能体形的实际计算如建筑体量、建筑进深、建筑层高等的选择提供若干理论依据。三、结论和建议夏热冬冷地区乡村住宅的体形系数过大及住宅平面随意性，对建筑节能及其不利，结合乡村住宅的本身特点，在进行节能设计时：1、增加房间进深：综合考虑影响乡村住宅进深的因素如采光，日照等建议乡村住宅的进深以10～13m为宜。2、增加建筑物层数：以节能概念论，一般层高以3.0～3.2m为宜。对于乡村住宅来说，层数越高，节能效果越好。3、减小建筑物的周长：当建筑物底层面积不变的情况下，其周长减小，体形系数S也减小，但是在缩小建筑物周长的同时还有考虑太阳辐射。4、建筑平面：建筑平面应尽量减少不必要的、小尺度的凹凸不齐，使外墙形成比较简单划一的延长。这样，外表面会尽量减小，达到以最小面积围成最大体积的目的，即体形系数S最小。(转)