建筑节能(四章)王立雄

第4章建筑单体设计与节能

具有节能作用的规划设计为建筑节能创造了良好的外部环境，合理的建筑单体设计是建筑节能的重要基础。只有在符合节能原则的建筑单体上，围护结构，采暖空调设备的节能措施才能充分发挥其效能。建筑单体的节能设计主要是通过建筑形状、尺寸、体形、平面布局等多方面的有效设计，使建筑物具有冬季有效利用太阳能病减少采暖能耗，夏季能够隔热通风，这样，减少空调设备能耗这两个方面能力。第一页，共71页。第一页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.1建筑平面尺寸与节能的关系4.1.1建筑平面形状建筑物的平面形状主要取决于建筑物用地地块形状与建筑的功能，但从建筑热工的角度上看，平面形状复杂势必增加建筑物的外表面积，并带来热好的大幅度增加。从建筑节能的观点出发，在建筑体积V相同的条件下，当建筑功能要求得到满足时，平面设计应注意使围护结构表面积A与建筑体积V之比尽可能地小，一减少表面的散热量。我们可以认为L形、回字形、U形等都是细长方形平面的变形，回字形是两端重合的细长方形。所以，在其他条件相同的情况下，平面越细长，建筑的采暖能耗越高，越不利于节能。第二页，共71页。第二页，共71页。平面形状正方形长方形细长方形L形回字形U形A/V0.160.170.180.1950.210.25热耗（%）100106114124136163第三页，共71页。第三页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.1建筑平面尺寸与节能的关系4.1.2建筑长度与节能在其他条件相同的情况下，增加居住建筑物的长度对节能有利。长度小于100m，能耗增加较大。例如，从100m减至50m，能耗增加8%~10%；从100m减至25m，对5层住宅，能耗增加25%，对9层住宅，能耗增加17%~20%。室外计算温度（oC）住宅建筑长度（米）2550100150200-2012111010097.996.1-3011910910098.396.5-4011710810098.396.7第四页，共71页。第四页，共71页。建筑长度与热耗的关系第五页，共71页。第五页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.1建筑平面尺寸与节能的关系

4.1.3建筑宽度与节能居住建筑的宽度与能耗的关系如表4-3所示。表中可以看出，在其他条件相同的情况下，增加居住建筑物的宽度对节能有利。对于9层的住宅，如宽度从11m增加到14m，能耗可减少6%~7%，如果增大到15~16m，则能耗可减少12%~14%。室外计算温度（oC）住宅建筑宽度（米）1112131415161718-2010095.79288.786.283.681.680-3010095.293.190.388.386.684.683.1-4010096.793.791.98987.184.384.2建筑宽度与热耗的关系表4-3

第六页，共71页。第六页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.1建筑平面尺寸与节能的关系4.1.4建筑平面布局与节能合理的建筑平面布局使建筑在使用上带来极大的方便，同时也能有效地提高室内的热舒适度和有利于建筑节能。在建筑热工环境中，主要从合理的热工环境分区及温度阻尼取得设置两个方面来考虑建筑平面布局。各种房间的使用要求不同，因而，其室内热环境也各异，在设计中，应根据这种对热环境的需求而合理区分，即将热环境质量要求相近的房间相对集中布置。为了保证主要使用房间的室内热环境质量，可在该热环境区与温度很低的室外空间之间，结合使用情况，设置各式各样的温度阻尼区。第七页，共71页。第七页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系4.2.1围护结构面积与节能的关系随着建筑物围护结构总面积A与建筑面积A0之比A/A0的增加，建筑的能耗也相应地提高。需要说明的是，考察围护结构对节能的影响时，必须考虑外墙（含外窗）与屋顶保温性能之比。通常的办法是：计算屋顶传热系数与外墙和外窗的加权平均传热系数之比。这是因为对楼层面积相同的建筑而言，随着层数的增加，屋顶面积占全部外围护结构的面积之比逐渐减少。同时，屋顶耗热量占整个建筑外围护结构耗热的比例也在减少。第八页，共71页。第八页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系下图表示北京及哈尔滨地区建筑耗热与建筑面积的关系。其中N代表建筑的层数。我们可以看出，当建筑为一层时，建筑面积增加对于降低建筑物采暖能耗贡献很少。这是因为建筑面积的增加，直接的结果就是建筑物屋顶面积大幅度增加，即散热面积大幅度增加，以至于能耗难以下降。第九页，共71页。第九页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系4.2.2表面面积系数利用太阳能作房屋热源之一，从而达到建筑节能的目的已越来越被人们重视。从节能建筑的角度考虑，以外围护结构总面积越小越好这一标准来评价建筑节能的效果是不够的，应以建筑的南墙足够大，其他表面积尽可能小为标准去评价。为此，这里引入“表面面积系数”这一概念，即建筑物其他外表面面积之和A1(单位㎡)与南墙面积A2（单位㎡）之比，这一系数更能反映建筑表面散热与建筑利用太阳能而得热的综合热工情况。第十页，共71页。第十页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系通过大量分析，我们可以得出建筑物表面面积系数随建筑层数、长度、进深的变化规律，见图4-3~图4-5。第十一页，共71页。第十一页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系通过大量分析，我们可以得出建筑物表面面积系数随建筑层数、长度、进深的变化规律，见图4-3~图4-5。根据这些曲线可以总结出用表面面积系数评价节能建筑的几点结论：对于长方形节能建筑，最好的体形是长轴朝向东向的长方形，正方次之，长轴南北向的长方形最差。以节能住宅为例，板式住宅优于点式住宅。增加建筑的长度对节能建筑有利，长度增加到50m后，长度的增加给节能建筑带来的好处趋于不明显。所以节能建筑的长度最好在50m左右，以不小于30m为宜。增加建筑的层数对节能有利，层数增加到8层以上后，层数的增加给节能建筑带来的好处趋于不明显。第十二页，共71页。第十二页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系加大建筑的进深会使表面面积系数增加，从这个角度上看节能建筑的进深似乎不宜过大，但进深加大，其单位散热面的贡献不会减少，而且建筑体形系数会相应减小。所以无论住宅进深大小都可以利用太阳能。综合考虑，大进深对建筑的节能还是有利的。体量大的节能建筑比体量小的节能建筑在节能上更有利。也就是说发展城市多层节能住宅比农村低层节能住宅效果好，收益大。第十三页，共71页。第十三页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系4.2.3建筑体形系数与节能体形系数指建筑物与室外大气接触的外表面积（不包括地面）与所包围的建筑体积的比。研究资料表面：体形系数每增加0.01，耗热量指标增加2.5%，对于居住建筑体形系数宜控制在0.30以下。可以采取以下几种方法控制建筑物的体形系数：加大建筑的体量，即加大建筑的基底面积，增加建筑物的长度和进深尺寸。外形变化尽可能地减至最低限度。合理提高层数。对于体形不易控制的点式建筑，可爱用裙楼连接多个点式的组合体形式。第十四页，共71页。第十四页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系4.2.4注意建日辐射得热量在冬季通过太阳辐射得热可提高建筑物内部空气温度，减少采暖能耗。在夏季，过多的太阳辐射会加重建筑的冷负荷。从下图中可以看出，当建筑物体积相同时，D是冬季日辐射的热量少的建筑体形，同时也是夏季得热最多的体形；E，C两种体形的全年日辐射得热量较为均衡，而长宽，高比例较为适宜的B型，在冬季得热较多而夏季相对得热较少。第十五页，共71页。第十五页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.2建筑体形与节能的关系建筑的长宽比对节能亦有很大影响。当建筑为正南朝向时，一般是长宽比愈大的热愈多。但随着朝向的变化，其的热量会逐渐减少。当偏向角达到67°左右时，各种长宽比体形建筑的得热基本趋于一致。而当偏向角为90°时，则长宽比越大，得热越少。

比值

0o15o30o45o67.5o90o1:111.0151.0771.1271.07112:11.271.271.2641.2151.0040.8513:11.51.4871.4411.3341.0210.8514:11.71.6781.6031.4511.0590.815:11.871.851.7521.5621.1030.81各种体型和朝向的外墙接受辐射的比值表4-5第十六页，共71页。第十六页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.3合理选择外墙保温方案建筑物特别是采暖居住建筑的外墙，由于所受太阳辐射得热和冬季冷气流吹拂的情况不同，其保温层的布置和做法可有多种选择。在计算建筑物耗热量指标时，由于朝向不同，各墙面传热系数的修正系数有很大差别。例如，天津地区南向外墙的传热系数的修正系数为0.70，而北向的为0.92。这也就是说，相同的保温构造放在北向外墙上使用更有利些。第十七页，共71页。第十七页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.4窗的设计与节能的关系窗在建筑上的作用至少有两个方面：一方面是挡隔室外大气环境对室内的影响，另一方面，通过窗又可满足室内的采光与得热，以及获得新鲜空气，通过观赏室外景物满足人们视觉心里上的要求。从一般情况上分析，窗的耗热在建筑物总耗热量中所占的比重很大，统计分析表明，窗耗热占总建筑耗热量的50%左右。然而窗并不仅仅是耗热构件，在有阻光照射时，太阳辐射热透过窗进入室内。窗的玻璃对太阳辐射有选择性，它能透过短波辐射而阻止长波辐射。窗的热工状况除了主要与窗的传热系数有关，其面积尺寸、窗的朝向、遮挡状况、夜间保温都对窗的传热效果也有非常大的影响。第十八页，共71页。第十八页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.4窗的设计与节能的关系4.4.1窗墙比、玻璃层数及朝向对节能的影响以北京地区气象数据为准，室内温度采暖计算湿度18℃计算，以360mm砖墙、单玻璃窗为基本条件，在改变窗面积，层数时计算出的节能率的变化。第十九页，共71页。第十九页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.4窗的设计与节能的关系另外，窗户的日辐射得热还与住宅所在地的气象条件有关。同一时刻各地的太阳辐射强度不同，投射到窗口日辐射热也不相同。以北京和长春两个城市中不同类型南向窗在冬季各月份净得热或失热量的曲线为例，在北京冬季使用双层钢窗就可使室内的日辐射得热量大于窗的热耗失量，而在长春，即使采用双层窗也依然是耗热构件。第二十页，共71页。第二十页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.4窗的设计与节能的关系由上述分析可知，在进行窗的设计时，应根据地区的不同，选择层数不同的窗户构件，使其在本地区尽可能成为得热构件。在窗墙比的选择上，应区别不同朝向。对南向窗户，在选择合适层数及采取有效措施减少热耗的前提下可适当增加窗户面积，充分利用太阳辐射热；而对其他朝向的窗户，应满足居室光环境质量要求的条件下适当减少开窗面积以降低热耗。第二十一页，共71页。第二十一页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.4窗的设计与节能的关系4.4.2附加物对窗节能效果的影响1）窗的夜间保温对节能的影响居室的窗帘通常能起到阻挡视线，保证室内私密性和丰富室内色彩的作用，实际上，保温窗帘和保温板对减少夜晚窗的热耗起着重要的作用。第二十二页，共71页。第二十二页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.4窗的设计与节能的关系2）窗外遮挡对节能的影响住宅的阳台在冬季会遮挡一部分进入窗的太阳辐射，遮挡的程度取决于阳台的挑出尺寸，且遮挡的情况还与朝向有关。在满足使用功能的前提下，适当减少南向阳台的挑出尺寸对节能有利，对其他地方的阳台则不必过多考虑。第二十三页，共71页。第二十三页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.5建筑自然通风与节能4.5.1利用风压和热压的传统自然通风

建筑内部自然通风的动力主要有风压和热压，当入风口与出风口水平高度相同时，自然通风的动力主要是风压。例如，我国居住建筑大部分为南北向，且一个单元内设计有南，北两个朝向的外窗，夏季室内容易获得“穿堂风”。利用热压的能量（即“烟囱效应”）组织室内的自然通风是一项能发挥建筑师创意的设计工作。热压的形成需要入风口与出风口具有一定的高度差和空气密度差。并且，两个竖直通风口之间的温差大于两个通风口之间室外温差时，烟囱效应才会把内部空气排出室外。第二十四页，共71页。第二十四页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.5建筑自然通风与节能烟囱效应的优点在于它不依赖于风就可以进行，但它的缺点是力量比较弱，不能使空气快速流动。为了增强它的效果，通风口应尽可能地大，彼此之间的垂直距离应尽可能地远。尽量使空气畅通无阻地从较低的通风口向较高的通风口流动。另外，现代的一些建筑通风设计中还利用伯努利效应（Bernoullieffect)来增加这种通风效果。第二十五页，共71页。第二十五页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.5建筑自然通风与节能4.5.2利用伯努利效应伯努利效应是说，气流速度的增大，会使它的静压力减小。由于这一现象的存在，所以在文丘里管（Venturitube）的细腰处，就会出现负压。飞机机翼的横截面就像是半个文丘里管。建筑设计中可以利用这一原理，制造出局部的负压，加强建筑内部的通风。第二十六页，共71页。第二十六页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.5建筑自然通风与节能柏林GSW房地产总部大楼。该栋大楼一侧朝西，外立面采用双层玻璃幕墙通风的“热能烟囱”做法。为了加强顶部的拔风能力，设计师在其屋顶设计了一个覆盖整个屋面的倒机翼式飘檐。当室外的风经过这个飘檐时，在伯努利效应的作用下，飘檐下面的空气形成了一个负压区。这个负压区能够有效地提高双层皮外墙的通风能力。当然，这个巨型的飘檐也起到屋顶遮阳的作用。

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4.5建筑自然通风与节能

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4.5建筑自然通风与节能

双坡的屋顶也像是半个文丘里管。因此，屋脊附近任何形式的开口，都会使空气被吸出室内。如果把屋顶设计成一个完整文丘里管的形状，伯努利效应就会表现得更为强烈。第二十九页，共71页。第二十九页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.5建筑自然通风与节能托马斯。赫尔佐格（ThomasHerzog)为汉诺威世博会设计的26号展馆也采用了顶部文丘里帽设计，在伯努利效应作用下，室内的空气通过屋顶上的开口排出。第三十页，共71页。第三十页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析4.6.1马尔占公寓

新建建筑物节能的巨大潜力就在于“低能耗建筑”。这类建筑在项目规划及建筑单体设计过程中的指导思想是：在将建筑使用热能损耗减至最小的同时最大限度的利用太阳能。德国柏林马尔占（Marzahn）低能耗公寓大楼是低能耗建筑中很有代表性的一个。这座低能耗技术建造的7层楼有56套居室，每套有2~3个房间。它是德国第一幢低能耗建筑物，其建筑直接来源于工程学原理。它的曲线外形，建造，立面外观，朝向及房间布局很大程度上取决于能源的考虑。第三十一页，共71页。第三十一页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析在柏林的严冬里，建筑最主要的能源需求就是空间的采暖。因此，建筑师从一开始就非常注重寻找体型与能源利用之间的精确关系。他们首先筛选出的6种建筑平面几何形式。同时假定这6种平面形成的建筑层数及总建筑面积均相同，在此基础上计算每种建筑形式年耗能量。耗能计算中不仅考虑建筑物围护体系的保温隔热的能力。更为关键的是，加入了建筑阳面所获得的太阳辐射的热对采暖的作用。以便作出合理的判断。第三十二页，共71页。第三十二页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析在前5种体系中，圆柱形建筑外表面积最小，自身能耗最低，但在获得太阳辐射热能和有日照方面有很大不足。相比，扇形平面样式的优点是所有房间都可以有阳面，并能够获更得充分的日照。通过缩小耗能较高的北立面的尺寸，最终获得能耗最佳状态的扇形建筑物。第三十三页，共71页。第三十三页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析对于维护结构。建筑师使用保温性能优良的墙体几乎将北立面完全封闭，其上尽可能少地设置窗户，以减少号热。南立面，墙表面整个都是用玻璃制成（保温，密封性能优异的门窗在南面放置时，其综合热工效果可视为得热构件），以争取日照和太阳能。南立面的外门窗均是落地式的。而且划分方式极为简单以提高效率。第三十四页，共71页。第三十四页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析平面布置。面向北向安排冷房间，楼梯，走廊和浴室作为南面暖房的一个传热缓冲带。它们通过华东墙连续在一起，这样即使阳光从侧面照射过来，也可以散步到房间深处。起居室，厨房和我是这些主要的房间朝阳，入口，门厅和浴室则安排在背阴面。公寓南立面上所有阳台挑出得尺寸是精华过仔细计算的，目的是使其在夏天可以遮挡阳光一避免室内过热，并在冬天可以让本来不强的阳光进入建筑物内。该建筑供热和通风系统与计算机设备连在一起，以便节约能源保证不间断控制。第三十五页，共71页。第三十五页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析4.6.2太阳能设备公司建在德国布朗施维根的SOLVIS太阳能设备制造公司工厂，由于其出色的低能耗和较好地利用了太阳能，该建筑获得了2004年欧洲能源之星大奖。第三十六页，共71页。第三十六页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析这个建筑外形于其他的工厂没有太大的不同，是比较整洁的矩形盒子。但它的屋盖结构设计很有特色，它完全是从节能的需求出发而选择了悬索结构。这是因为，悬索结构的主要结构构件都在室外，内部顶棚非常平展。因为没有屋盖板下面常规的交梁，屋盖内表面比常规的交梁结构降低了1.5m。这样就减少了采暖空间，从建筑自身上具备了节能要求。建筑两侧设计了很大的门斗，门斗的面积完全能开进去一辆卡车，这样，在冬季就不必因装卸货物而频繁开启外门而导致热能损失了。在屋顶上该建筑还安装了板式太阳能集热器，可以提供生活热水，冬季还可以提供一部分采暖热能。第三十七页，共71页。第三十七页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析4.6.3ULM办公大楼该建筑位于德国乌尔姆附近的埃因根（Energon),是一幢商务办公大楼。其平面是每边有一定弧度的三角形，建筑没有高耸，出挑的部分。这样的体系在保证最大建筑内部空间的要求下，体系系数达到最小，即建筑在体型上提供了节能的优异条件。第三十八页，共71页。第三十八页，共71页。第三十九页，共71页。第三十九页，共71页。第4章建筑单体设计与节能

4.6典型的低能耗建筑举例分析这个建筑物采用加热室外新风降温的方式提供采暖，空调的需