浅谈住宅建筑体型与节能的关系

浅谈住宅建筑体型与节能的关系

[摘要] 分析了夏热冬冷地区民用建筑体型与建筑节能的关系,阐述了夏热冬冷地区民用建筑最佳节能体型的计算方法。

[关键词] 民用建筑体型系数节能体型

节约建筑能耗,提高围护结构的保温隔热性能是建筑设计的基本原则。体型系数是影响建筑耗能水平的重要因素,体型系数越小,耗热量越小,即越节能。体型系数小的建筑体型称为节能体型。建筑师在设计过程中,如何选择最佳节能体型,本文从体型系数的定义入手,对此作了一些探讨。

1 优化选择建筑外露面积的理论依据

体型系数( Fe/ V ) 是指建筑物外露面积与其所包围的体积比值。建筑物外露面积系指除地面以外暴露于空气中的建筑物外表面积的总和, 用Fe 表示。根据体型系数的定义,在建筑物总体积不变的条件下, Fe 越小,说明越节能。这可以从全部围护结构在采暖期间的耗热量来分析验证。

从数学角度看,建筑物的外露面积Fe =ΣFi - F地, 其中F地指建筑物基地面积。Fe越小,耗热量越小,这是优化选择建筑外露面积的理论依据。

2 建筑三维空间尺度与节能的关系

建筑的体型设计是丰富多变的, 但是绝大多数建筑体型都可粗略地认为是一个长方体或几个长方体的组合, 这一点从实际存在的建筑形态可以看出。本文把最简单的建筑体型长方体作为研究对象。欲减少建筑的外露面积Fe ,应具体分析其构成因素。

2.1 建筑底层周长的影响

假设几栋建筑的高度H 和底层建筑面积S 分别相同,建筑底层周长为x ,此时建筑的平面设计直接影响Fe/ V ,如式(1) 所示:

体型系数( Fe/ V ) 与底层周长x 成线性关系,随着x 的增加, Fe/ V 也随之增加。因此在建筑高度h和底层建筑面积S 不变的情况下,建筑平面布局不同,往往导致底层周长不同,建筑的体型系数相差很大。由此可见,进行建筑设计时应尽量缩小建筑物的周长。

2.2 建筑长度的影响

设建筑高度为H,宽度为a。长度x 对体型系数( Fe/ V ) 有较大影响,见式(2):

在建筑高度H 和宽度a 不变的条件下,建筑越长,体型系数越小,即越节能。长度达到一定程度时, 则节能效果变得不明显。

2.3 建筑宽度的影响

同理,宽度对体型系数的影响同长度的影响一样。

2.4 建筑高度的影响

设建筑长度为b ,宽度为a ,高度为x ,则有式(3):

在建筑长度b 和宽度a 不变的条件下,建筑越高,体型系数越小,即越节能。当高度达到一定程度时, 则节能效果变得不明显。

3 最佳节能体型的计算

上面依次分析了建筑的周长、长、宽、高对体型系数的影响, 但仅仅从一个尺寸来分析是不够严密的,必须予以综合考虑,并确定出最佳节能体型。

设一栋长方体建筑宽度为a ,长度为ma(m 为长宽比, m为≥1 的有理数),高度为H ,建筑体积为V ,其体型系数为:

从式(4) 可以看出,当V 每取一定值时,H 与Fe/ V 则有一定的几何曲线关系。而每条曲线的最低点是H 对应的最小体型系数, 可以通过对Fe/ V 求导数得出

由上可知, 当建筑的总体积V 一定时,每取一个建筑的长宽比m , 就有对应的一个最佳节能体型存在。

4 结语

民用建筑最佳节能体型的计算, 为建筑师设计建筑平面和建筑高度提供了节能方面的理论依据。综上所述,归纳为以下几点:

(1) 应按建筑最佳节能体型确定建筑的长宽高。

(2) 根据《民用建筑节能设计标准》选择相应的体型系数, 尽量使体型系数控制在0.3 以下, 否则应降低围护结构的平均传热系数限制值。

(3) 若体型系数较大,表明建筑节能效果差, 保温费用高, 很不经济。

(4) 本方法适用于夏热冬冷地区的住宅、公寓、办公楼、旅馆等民用建筑最佳节能体型的设计与分析。

(5) 在遇到复杂体型设计时,可以把复杂体型粗略地转化为多个长方体的组合,进行节能分析。

(6) 建筑师在设计过程中,应充分把建筑最佳节能体型的尺寸与建筑功能和建筑美学等完美结合起来, 发挥自己的聪明才智, 创作出功能合理、造型新颖、节约能源的建筑佳作。