建筑平面体形设计的节能分析

2000. 3 新 建 筑8 建筑平面体形设计的节能分析 Š 宋 德 萱 张 峥 摘 要 建筑设计的节能意义包括建筑方案设计过程 中遵循建筑节能思想,使建筑方案确立节能的意识和概 念, 其中建筑体形和平面形状特征设计的节能效应是重 要控制对象,是建筑节能的有效途径。 关键词 建筑方案 体形控制 节能 ABSTRACT Energy saving build ing des ign means to con form energy saving ru les at the scheme design stage. It makes the scheme have energy saving though ts and concep ts . The deficiency of the build2 ing forms and p lans is an important part to control and an effect ive way to save energy. KEY WORDS Ar chi tectural scheme, Contr ol of bui lding forms, Energy saving 中图分类号 TU201. 5 文献标识码 A 文 章编 号 1000- 3959( 2000) 03- 0008- 04 作者宋德萱为同济大学建筑城规学院副教授 (上海, 200092) Š国家自然科学基金资助项目( 59978031) Š上海市建设委员会重点科研课题资助项目( A9506143) 2 表 2所列工程的 平面形式简图 节能建筑方案设计有特定的原理和概念, 其中 建筑平面特征的控制是建筑节能研究涉及甚少的一 个方面, 但对建筑设计而言却是十分重要且亟待解 决的, 本文将从建筑平面所产生的体形和形态与节 能的关系作初步探讨。 体形是建筑作为实物存在必不可少的直接形象 和形状,所包容的空间是功能的载体,除满足一定文 化背景的美学要求外, 其丰富的内涵令建筑师神 往。然而, 建筑平面体形选择所产生的节能效应,及 由此产生的指导原则和要求却常被人们忽视。我们 应该研究不同体形对建筑节能的影响, 并通过模型 实验和定量比较确定一定的建筑体形节能控制的法 则和规律。 一 体形系数 体形系数是目前常用的体形控制指标之一, 以 比值 F0 / V0来描述, 物理意义是指围合建筑物室内 单位体积所需建筑围护结构的面积, 从节能建筑原 理来讲, 是用尽量小的建筑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,也就是能量流失途径越少,越具节能意义。 1 体形系数分析 我国有关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 对 F0 / V0作了界限, 居住建筑或 类似建筑以 F0 / V0= 0. 3为界限, 当 F 0 / V0< 0. 3时 体形对节能带来帮助, 能为今后建筑实施节能目标 提供有利条件。至于 F0 / V0在节能建筑设计中的变 化规律和应用、在操作过程中的价值讨论甚少,使建 筑师对 F0 /V0了解不多,重视不够。我们对国内有代 表意义的居住建筑及相类似民用建筑案例的 F0 / V0 进行比较分析和研究 (表 1, 2及图 1, 2) , 得出若干 初步规律: ( 1) 联列递减律 建筑体形系数与建筑单元联 列情况有关。分析表明, 每增加一个联列数, F0 / V0 相应递减 0. 3, 以等差数列类推, 主要原因是外墙面 积因联列数增加而缩小,即可以省略山墙的面积, 对 降低 F 0 / V0价值很大, 所以对节能建筑 (住宅)设计 而言, 适当多的住宅单元联列, 对体形系数控制是有 益的。 ( 2)高度反比律 分析证明,建筑层高的提高可 以使 F 0 / V0相应减少, 即建筑层高与 F0 / V0成反比 函数, 这是因为在层高增加过程中, 外围面积 (包括 屋顶面积)的递增比不上其包围体积的增加, 即体积 增率略大于面积增率。综合以上特征, 建筑师对节能 建筑的层高选择应有综合概念, 要考虑层高增加带 来造价提高, 如果建筑室内设置空调所需能量增多, 外墙面积增加会造成热辐射加剧等负面效应, 但层 高增加对夏季通风致凉有利,以节能概念论, 一般层 高在 2. 8~ 3. 2m为宜。 ( 3) 正方极限律 当单元平面 (标准层) 面积相 同, 提高建筑进深 (面宽将减少) , F0 / V0 会相应提 高, 即对直角平面而言, 正方形的体形系数为最小, 任何调整平面尺寸都会使 F 0 / V0 提高, 因此功能许 可, 技术条件允许, 建筑平面接近正方形对建筑节能 是有益的。 ( 4 ) F0 / V0 ) L / A 替代律以高层建筑为对象, 其体形系数一般均在 0 . 10 ~ 0. 15 之间, 比规范确 定的 0 . 3 小得多, 并且高层建筑的屋面面积相对 于外墙面积要小得多, 可以忽略。因此为了简化计 1 表 1所列工程的平面形式得图 新 建 筑 2000. 3 9 算, 可以将 F0 / V0 转换成 L / A , 即建筑外墙平面长 度与所围成的建筑面积之比, 与我们通常计算外墙 长度来评价住宅平面的合理性一样, L / A 同样可以 反映建筑体形状况, 通过理论分析, L / A 比 F 0 / V0 通常要小2%~ 3%,因此对高层建筑而论,控制 L / A 对节能评价同样重要。 体形系数控制原则对建筑设计的影响是深刻 的, 所表现的规律应该成为建筑体形方案选择的依 据之一, 应尽量将建筑定位于具有节能意识的设计 上来。在实际设计操作过程中, 建筑平面体形的决 定因素是多元性和交叉性的集合, 其中体形系数控 制是该集合的重要元素。设计中应把握、控制好体 形系数, 以体现 21 世纪建筑设计对环境、生态和可 持续发展的尊重。 2 节能的设计原则 针对体形系数控制四定律, 我们总结出建筑设 计中贯穿节能概念的三项设计原则: ( 1) 建筑体形整体原则作为蕴含节能意识的建 筑平面体形应该具备明确的整体性特点, 建筑外型 具备完整意义上的鲜明特征,避免零散、随机和平面 的过分变化,应满足: ¹主体建筑, 建议采取典型的平面特征 (方形、 三角形等) , 在此基础上做适当的平面变化, 创造一 定的美学效果。 º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,同样可以 创造富于特点的形象。 ( 2) 建筑体形组合原则建筑平面做到各单元的 有机结合, 尽量使外墙面重叠, 以此减少外墙面积, 尤其对住宅小区规划设计,应在满足消防、景观等要 求的前提下, 对住宅单元进行有序、有致的组合, 并 且注意西山墙面积的有效控制,以减少夏季西晒。 ( 3)建筑体形定量原则 21世纪的建筑设计应注 意建筑对环境的影响及环境对建筑使用带来的制约 和作用,并应十分强调必要的定量控制,其中建筑体 形系数的定量评价,将成为建筑设计必需的步骤,以 贯彻建筑业的节能和可持续发展。通过比较, 我们 建议分项明确相应的定量控制: ¹高层建筑的 F0 / V0一般控制在 0. 10~ 0. 15 之间, 对于高密度聚居区 (如上海浦东陆家嘴) 的建 筑开发、环境控制和小气候改善,应将F0 / V0列入建 筑设计技术指标,以控制高耗能区域的节能状况,意 义甚大。 º多层建筑的 F0 / V0 应定位在 0. 30~ 0. 35之 间, 并以 0. 32作为建议上限 (该域值是相关专业人 员经反复调查、测算、论证得出的建议值) ,体形系数 定量控制在近年的建筑设计领域已被人淡忘, 重提 F0 /V0具有实际价值。 二 体形形态节能控制 体形形态是指建筑物平面所构成的形状特征。 它取决于多项因素:城市景观、功能要求、技术条件、 设计灵感等。建筑体形形态控制就是研究平面形状 对建筑节能的影响。虽然建筑围护结构材料、构造 相同, 但是由于平面形状不同, 建筑受太阳影响程度 和建筑室内外通过外墙表面的热交换情况均有所差 异。我们将通过理论分析和模型实验, 研究体形形 态与建筑节能的关系和规律, 对千姿百态的平面形 状进行优化和对比, 使建筑师在进行设计构思和选 择方案过程中, 对不同的平面形状有正确的节能评 价,使建筑成为节能建筑。 1 基本平面形状的参量描述 为了研究体形形态对建筑节能的影响, 我们将 不同的平面形状进行简化、归纳和抽象,以使被讨论 的平面形状有代表性和可比性, 主要列出六种形状 分析评价: 正方形; 三角形; 1: 2长方形;六边形;八 边形;圆形(图 3,表 3)。 经简化的体形形态建筑物在我们的城市建筑中 经常可以看到, 建筑师十分乐于选择简单的体形形 态作为基础,并进行适当的变形,通过简洁明快的建 筑风格显示出建筑特有的魅力,传递着美的信息。 为满足可比要求, 我们假设各形状的四周表面 积相同(不包括顶面和底部面积)并使高度(层高)保 持一致, 来比较各平面形状的室内外热交换关系。 从图 3中得知,各平面形状均做了适当简化,但可以 代表常见的建筑平面。 图 3所概括的六种平面形状具有六项参量: L ) ) ) 建筑的外墙长度, 它可以基本反映由于 外墙所散失热量的情况, L 越长, 表示对节约能源 越不利; nl ) ) ) 平面形状的周边边数, 多边形比方形平 面有较多的边数, 所围合成的平面随多边形 nl 的 增多而趋近于圆形; B)) ) 平面形状由于多边形而形成角的数目与边数相等,从建筑传热理论分析,角部越多对隔热越 不利; A ) ) ) 表示建筑标准层面积, 是功能要求决定 的,在这里我们设其为变量,主要是以外表面积相同 的建筑作比较,使其更为直观; F ) ) ) 指建筑物围护结构的表面积, 与 L 有 关,对体形系数控制而言, F 越小越好; V )) ) 建筑外墙围合成的体积, 与 A 有关, 从 节能来讲, V 越大而 F 可减小, 是最佳方案。 L、F、H 不变的情况下,空间体积 V 与其他参 量之间的关系可用函数简述: 3 六种形状分析评价 2000. 3 新 建 筑10 6 特征形态冬季朝向推荐方案4 特征形态夏季朝向推荐方案 V= f ( nl # B)即体积 V 与 nl # B成正比例函数关系。如果以体形系数 F 0 / V0 而言, 则 F 0 / V0 = F0 / V0 ( 1 / V) 成立, 即体形系数与体积 V 成反比函数, 亦可理解 为 F 0 / V0 与 nl 和 B成反比。 2 基本平面形状的节能效果 针对各种不同平面形状的参量描述, 我们可以 运用与建筑节能相关的原理来分析各种形状的节能 效果: (1 )体形系数分析从体形系数 F0 / V0 的计算值 可以看出, 圆形的 F0 / V0 为最小, 三角形最大, F 0 / V0 与 n l 和 B成反比, 即多边形边数越多 (趋近于圆)其 F0 / V0 成递减关系。显而易见, 以体形系数来 评价, 其对节能的意义顺序为: 圆、多边形、正方形、 长方形、三角形, 圆和多边形为推荐平面形状, 三角 形对节能不利。 ( 2) 辐射得热分析建筑物所处的室外环境并不 是只与温度有关, 尚与太阳辐射、风、雨等有关。其 中太阳辐射是主要因素, 建筑的外立面由于朝向不 同其得到 (或失去) 的太阳能量也不同。例如, 冬季 辐射得热, 南立面与北立面相差甚大。这就要求我 们在分析建筑物平面形状时充分考虑太阳辐射的影 响。即:从体形系数 F0 / V0 的对比来看,正方形比长 方形更合理,但是以太阳辐射得热而论,南侧较长的 长方形平面形状的得热将较大, 因此在外墙面积相 同的情况下应尽量扩大南立面减小北立面, 这应引 起建筑师的足够重视。 ( 3)传热理论分析从建筑传热理论分析,一个室 内空间如果所形成的角越多,那么由于热桥、传热方 式变化, 其传热就越快, 即在同样 F 0 / V0 条件下, 角 系数 ( B)对建筑节能有一定影响。这与表 3 的统计结果是相反的, 因此, 建筑师在选择平面形状时, 除 了要讨论 F0 / V0 外, 尚应充分考虑角系数问题, 以 尽量少的角系数为好。 ( 4) 体形的风流分析建筑的不同平面形态将会 使室外风环境对建筑的影响产生不同的反应, 以增 加建筑通风为目的的夏季而论, 尽量大的迎风口正 压区域会使建筑接受更多的风量, 可以为改善室内 通风条件创造良好的外部条件, 增加 (或削弱) 迎风 面的方法(图 4, 5)。 ( 5)模型实验分析我们采取模型实验,通过时间 控制的模拟方法验证不同平面特征的热损失指标, 以确定不同体形形态对节能的影响程度, 作出正确 评价。 3 实验步骤及结果 ( 1) 建立恒温室设定模拟室外气候环境的恒温 室, 通过空调设备将室温控制在 23 e ( ? 1e ) , 以模 拟冬季工况(图 6)。 ( 2) 制作建筑单元模型利用相同壁体材料制作 高度为三层的建筑单元模型, 保证垂直向壁面表面 积相同, 并对模型内空间进行加热, 使其维持在 34 e ,并稳定 2h,设定为室内气温情况(图 7)。 ( 3) 模型热交换试验将模型 ( 34 e ) 置于恒温室 ( 23e ) 进行热交换, 以时间变化的参数 (时间控制 法)来评价各形态的温度平衡时间,作出相应比较。 ( 4)前期模型实验受条件制约,我们选择了正方 形、正三角形 (图 8)、1: 2长方形和正六边形作为实 验对象,进行多次反复测试(一种模型做两次测试) , 得到以下结果: Ó表征的次序性: 以温度平衡所耗时间来排列 依次为正三角形、正方形、长方形和六边形, 表征不 同平面形态存在能量损失的差异。 Ó表征的建议值: 从模型实验可知, 正三角形具 有节能优势,可以作为建议值,但应视实际情况而定。 6 冬季工况的模拟 8 前期模型实验 7 建筑单元模型剖面与材料 新 建 筑 2000. 3 11 Ó模型实验结果: 应该强调的是体形形态控制 并不是限定以三角形平面为最佳, 如不讨论复杂的 热学解释, 而从单纯的建筑学角度来看, 应理解为 平面设计应尽量减少角数作为主要因素, 三角形平 面之所以有明显优势就在于其有比较少的角部, 这 一点是建筑设计应遵循的原则。 三 总结 从理论分析和模型实验研究, 并综合考虑各种 因素的影响, 我们提出建筑学的建筑体形形态节能 控制理论,主要包含如下观点: ¹不同的建筑平面体形对热传导和节能效果 有明显的影响, 从模型实验所得结论看, 三角形平 面有较好的节能效果。但是我们并不是提倡建筑一 定要设计成三角形, 这点不符合建筑学原理的丰富 性和复杂性。我们的观点是在选择建筑平面体形的 方案构思过程中, 应将对节能的尊重融入方案构思 之中, 在功能、外形等条件相同的前提下, 确立节能 建筑的立意地位。 º建筑体形形态要具备尽量少的角部, 以减少 室内外的热传导。建筑角部常设构造柱, 其冷热桥 效应显著而成为热流失的敏感部位, 这种部位越多, 对节能越不利。从该观点出发, 建筑的圆形平面由于 没有实质意义上的角部而具有最佳的节能特征。 »严格控制建筑体形的外表面积是节能控制 的关键, 在相同平面面积前提下, 尽量少的围护结 构面积对减少能量流失途径意义重大, 该观点已被 建筑节能研究的专家们所认同。 ¼要改善环境小气候指标。在十分恶劣的小气 候范围内, 建筑体形控制对节能的意义和作用会被 大大削弱, 因此, 节能建筑的研究应立足于环境控 制的基础之上。 ½应开拓/节能建筑学0的研究新领域。从关于 建筑体形形态的节能分析可以看到, 在建筑学的最 基本问题中包含着节能概念, 有许多节能与建筑设 计结合的新课题值得深入和研究。 体形形态节能控制理论是建筑学领域一项空 白, 国际上立足于生态和节能的建筑师正在不断探 求阴影遮阳、通风及生命物质生态循环在建筑设计 中的应用, 却未涉及建筑平面本身特征所表现的节 能功能。 以初步的模型实验所表现出的不同平面特征的 空间体在热量流失、温度平衡方面的明显差异,反映 了建筑节能设计在建筑方案设计阶段就有巨大的潜 能, 建筑师应首先把握方案阶段对 /能源问题0尊重 的原则,运用体形形态节能控制理论指导设计,使中 国建筑师确立牢固的节能、生态、可持续发展的设计 理念, 以建筑技术问题与建筑设计原理的完美结合迎接 21世纪的到来。 影响建筑平面形状节能效果的因素是复杂的, 往往是多 种因素平衡所得, 有些因素紧密相连但又相互矛盾。在一定 的场合, 各因素也有所侧重, 因此在实际控制中要全面分析、 权衡。平面形状选择所反映的在有效防止室内外温度传递的 节能特征和对建筑利用太阳能、节约能源并保证建筑室内的 热环境的稳定方面有较大的作用, 是一个应引起充分重视的 领域。在此,我们再次强调,体形形态节能控制理论并不是对 建筑设计的束缚, 而是为建筑师提供了一种新的思考方法、 思想路线和考虑依据, 以适应未来环境和生态对建筑师提出 的严峻挑战。 在方案设计阶段, 即应将节能概念贯彻其中, 建筑在充 分利用自然条件的同时, 应该综合考虑一般建筑学原理, 融 合节能建筑的设计方法。一座/先天不足0的建筑要造就成节 能建筑将会付出沉重代价, 此代价恰恰可以通过方案设计中 正确的节能构思得到减轻,这应引起建筑师的极大关注。 t 本文得到香港大学刘少瑜先生的指点, 在此表示感谢。 收稿日期 1999- 11- 03 责任编辑 张 甘 夏热冬冷气候条件下低能耗建筑设计Š 杨 红 冯 雅 陈启高 作者杨红为华中理工大学建筑学院讲师 (武汉, 430074) Š国家自然科学基金资助项目( 59878054) 根据我国的建筑热工气候区划, 夏热冬冷地 区包括重庆、上海 2个直辖市; 湖北、湖南、安徽、 江西、浙江 5省;四川、贵州 2省东部;陕西、河南、 江苏 3省南部;广西、广东、福建 3省北部, 共涉及 15个省、市、自治区。冬季湿冷, 夏季闷热, 气温日 差较小是这一地区主要气候特征。夏季气温高于 35 e 的酷热天数有 15~ 25天,最热月极端温度可达 摘 要 根据夏热冬冷地区气候条件,提出了适应该地区的低能耗建筑热工设计基本思路;从灵活性设计、地下冷热源与相变制 冷、利用植被冷却降温等措施出发,论述建筑设计中的节能途径。 关键词 夏热冬冷地区 气候 低能耗 ABS TRACT Accord ing to the climate of hot summer and cold winter region in Ch ina, th is paper pu t forward the bas ic principle of the thermal des ign of bu ilding. Further, ways for low2 energy bu ilding, such as flexible des ign, underg round cool and heat r esource, phase change cooling and cool ing by plant are d iscussed in the paper. KEY WORDS Hot summer and cold winter reg ion, Climate, Low energy2exhaust ion 中图分类号 TU111. 4+ 8 文献标识码 A 文章编号 1000- 3959( 2000) 03- 0011- 03