建筑体形系数对节能效果的影响分析
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摘 要 建筑室内热湿环境形成的最主要原因主要是受各种外扰和内扰的影响，建筑节能的关键在于围护结构节能，为了提高住宅的节能保温效果，改善居住条件，对影响住宅节能保温的主要因素进行了分析。
关键词 体形系数；建筑；节能
1 建筑节能设计参数
居住建筑节能标准的制定、节能设计参数规定性指标，都是通过对一些典型建筑进行节能计算得出的规律，然后对普遍的建筑进行规范，夏热冬冷地区的节能规定指标也是通过对两栋一梯两户两单元的六层建筑的能耗计算研究得出的。
在对建筑的普遍规律研究上引用了这种研究方法。通过对模型进行计算，得出一梯两户两单元六层板式建筑体型系数为0.35。
（1）窗墙面积比。近年来，居住建筑的窗墙面积比有越来越大的趋势，这是因为商品住宅的购买者大都希望自己的住宅更加通透明亮。控制窗墙面积比是节能标准对建筑节能，住宅建筑主要注重冬季保温，故对外窗的限定较严，建筑节能设计标准规定窗墙比不大于0.25，南向不大于0.35，在我国的最南部地区由于窗对居住建筑春秋季节的通风散热有较大作用，故在夏热冬暖地区，规范对窗的面积放得较宽，规定北向窗墙比不应大于0.45，东南向不应大于0.3，南向不应大于0.5。但在夏热冬冷地区考虑到人们无论过渡季节还是冬、夏两季普遍有开窗加强房间通风的习惯，一是自然通风改善了室内空气品质；二是夏季阴雨降温的夜间，室外气候凉爽宜人，加强房间通风能带走室内余热和积蓄冷量，可以减少空调运行时的能耗。通过对不同方向的窗墙比，对窗的传热系数进行了设置，在窗墙比较大的情况下，可以通过降低窗的窗的传热系数来弥补。计算采用的是六层，保证体形系数 0.35 不变，计算分别为（0.29，0.28）（0.34，0.33）（0.44，0.43）。计算数据见下表 [1]：
通过验证典型板式建筑在不同窗墙面积比，且窗的传热系数都满足标准要求时，计算窗的耗能结果来看：在窗墙比与窗的传热系数都满足标准的规定性指标时，建筑的综合耗能并不相同，板式标准建筑的总耗能最低，说明窗户传热系数降低对窗墙比增大的弥补效果最好。随着窗墙面积比的增大，空调耗电量增加，而采暖耗电量在降低，其原因主要是太阳辐射得热引起的。窗墙比增大将从两个方面影响建筑总能耗。一方面，窗的K值比墙体大，窗墙比增大会导致由窗和墙构成的组合墙的K值增大，降低组合墙的保温性能，因此节能标准的规定性指标在窗墙比增大的情况下，求降低窗的K值，以保证组合墙的保温性能不降低，墙的K值分别为2.4 W/（m2k）、2.1 W/（m2k）、1.9 W/（m2k），即随窗墙比增大，节能标准规定的窗的K值降低提高了组合墙的保温性能。另一方面，窗墙比增大会导致由窗玻璃透入室内的太阳辐射热增多，这在冬季有利于减少采暖能耗，在夏季会增大空调能耗。冬季有利作用和夏季不利作用综合后的效果与各地太阳辐射气候条件有很大关系。重庆冬季日照率在夏热冬冷地区最低，夏季太阳辐射属夏热冬冷地区最高之一，因此窗墙比增大导致的太阳辐射，冬季有利作用和夏季不利作用不能相互抵消。由于节能标准规定性指标对南北向窗没有遮阳要求，因此由太阳辐射原因产生的能耗增加，可以用提高组合墙保温性能来解决。组合墙K值最低，但总能耗却不是最低的，这说明用提高保温性，来解决窗墙比增大带来的能耗问题不是最佳的方案。而提高窗的保温性必定加大建筑的投资，造成经济投入与节能产出的效率低。因此窗墙比增大还应控制窗户遮阳。
（2）传热系数中典型板式建筑模型，由于建筑构件的传热只涉及温差传热，为避免开窗的太阳辐射对研究数据的影响，本次验算模型不设窗，把外墙与屋顶的传热系数都统一设为 K=0.8 W/（m2k），分别在气候条件下对其进行验算，其他部分都保持不变（分户墙和楼板 K=2.0W/（m2k）、楼板 K=2.0W/（m2k）、门 K=3.0W/（m2k）），只通过改变外围护结构的传热系数来研究对能耗的影响。随着外围护结构的传热系数K增大，建筑的采暖与空调耗电量Y都呈直线上升。 在重庆地区，以体形系数x=0.35时的能耗为基数，外围护结构传热系数每提高0.01，建筑的采暖能耗增加1.15%，建筑的空调能耗增加0.4%，即由于建筑传热系数的增大而增加的采暖能耗是其所增加的空调能耗的近三倍。采暖耗能上升比空调耗能上升快，依然是由于夏季的室内外温差比冬季的室内外温差小引起的。 降低外围护结构传热系数大大降低了建筑的总年耗电量。外围护结构与建筑总能耗的关系式为：
Y3=17.308x+16.219
从公式可以看出：在该地区，以体形系数 x=0.35时的能耗为基数，外围护结构传热系数每增加0.01，建筑的全年总耗电量增加0.8%。由此可见，外围护结构的传热系数对建筑的能耗影响巨大，降低建筑的外围护结构的传热对建筑的节能具有重要意义。
2 建筑体形系数对节能影响的分析
以实际建筑的节能设计为基础，来进行节能研究。在进行节能计算时，采用实测的风车形建筑实际工程所采用的节能设计方案。风车形所在楼盘是面向中产阶级的中高档楼盘，为满足用户对更高生活品质的要求，不仅在平面形式上多采用通风景观效果好的风车形，建筑的开窗面积较大，起居室窗4000mm×2400mm，院馆的窗也高2400mm，其他的窗高为2050mm，窗墙面积比超过40%，每户面积较大，但是由于院馆处的凹槽，使得建筑的体形系数加大，加上院馆处的大玻璃窗，造成了建筑的窗墙面积比大，使得建筑耗能很大，为达到节能要求，此建筑实际保温方案采取的是自保温墙体高端方案，建筑材料采用的是传热系数较小，保温效果较好的材料，以确保建筑满足节能要求，其采用的材料与构造见下表[2] 。
通过上表可以看出，蛙式建筑在节能上具有优势，在蛙式這种紧凑型的住宅建筑，其平面本身就比较节能，一般采用经济型的节能方案就可以轻易达标。
夏天，在温度较低的早晨打开此窗，加强室内的通风，在炎热的中午放下活动遮阳，使院馆处的温度不至于过高，加强院馆的使用率，保证全天都能使用此院馆。在需要引入太阳辐射的冬季，关上窗，使院馆成为一个阳光间，起到积蓄热量作用，而且起到室内与室外的热传递过渡作用。在院馆加上窗后，院馆的使用功能没有降低，而且还改善了其使用功能。在此基础上来进行节能优化。通过采用原保温材料与改造方案，对比改造前与改造后的能耗来。
计算得知：改造后，体形系数下降到0.36，空调耗电量为23.59 （kWh/m2），采暖耗电量16.75 （k Wh/m2），全年总耗电量为40.35（kWh/m2） 。
3 结束语
由此可见，节能不应该成为建筑设计的累赘，建筑节能应该是在满足人们使用需求的情况下对其作节能改善，现在普遍的节能优化都主要着力于提高建筑外围护结构的保温设计方案上，这势必增加了建筑的成本，对建筑平面本身的设计进行节能优化设计是一项低成本的节能途径，建筑设计人员应在设计初期就把节能也考虑进去，建筑的节能就可以渗透到与居室的采光通风与使用功能的各个部分。蛙式建筑的节能效果较好，使用普通的节能措施就可以达到规范的节能要求，对节能条件不太好的建筑平面进行改良能较大改善建筑的耗能。
参考文献
[1] 顾天舒，谢连玉，陈革.建筑节能与墙体保温[J].工程力学，2013，23（12）：14.
[2] 张泽平，李珠，董彦莉.建筑保温节能墙体的发展现状与展望[J].工程力学，2007，24（S2）：121-128.
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