建筑單體設計、構造以及節(jié)能

1、 建筑單體設計、構造以及節(jié)能第4章 建筑單體設計與節(jié)能 具有節(jié)能作用的規(guī)劃設計為建筑節(jié)能創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境，合理的建筑單體設計是建筑節(jié)能的重要基礎。只有在符合節(jié)能原則的建筑單體上，圍護結構，采暖空調設備的節(jié)能措施才能充分發(fā)揮其效能。建筑單體的節(jié)能設計主要是通過建筑形狀、尺寸、體形、平面布局等多方面的有效設計，使建筑物具有冬季有效利用太陽能病減少采暖能耗，夏季能夠隔熱通風，這樣，減少空調設備能耗這兩個方面能力。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.1 建筑平面尺寸與節(jié)能的關系4.1.1 建筑平面形狀 建筑物的平面形狀主要取決于建筑物用地地塊形狀與建筑的功能，但從建筑熱工的角度上看，平面形狀復雜勢必增加

2、建筑物的外表面積，并帶來熱好的大幅度增加。從建筑節(jié)能的觀點出發(fā)，在建筑體積V相同的條件下，當建筑功能要求得到滿足時，平面設計應注意使圍護結構表面積A與建筑體積V之比盡可能地小，一減少表面的散熱量。 我們可以認為L形、回字形、U形等都是細長方形平面的變形，回字形是兩端重合的細長方形。所以，在其他條件相同的情況下，平面越細長，建筑的采暖能耗越高，越不利于節(jié)能。 平面形狀 正方形 長方形 細長方形 L形 回字形 U形 A/V 0.16 0.17 0.18 0.195 0.210.25 熱耗（% ） 100 106 114 124 136 163 第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.1 建筑平面尺寸與節(jié)能的

3、關系4.1.2 建筑長度與節(jié)能 在其他條件相同的情況下，增加居住建筑物的長度對節(jié)能有利。長度小于100m，能耗增加較大。例如，從100m減至50m，能耗增加8%10%；從100m減至25m，對5層住宅，能耗增加25%，對9層住宅，能耗增加17%20%。室外計算溫度（oC）住宅建筑長度（米）2550100150200-2012111010097.996.1-3011910910098.396.5-4011710810098.396.7建筑長度與熱耗的關系第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.1 建筑平面尺寸與節(jié)能的關系 4.1.3 建筑寬度與節(jié)能 居住建筑的寬度與能耗的關系如表4-3所示。表中可以看出，

4、在其他條件相同的情況下，增加居住建筑物的寬度對節(jié)能有利。對于9層的住宅，如寬度從11m增加到14m，能耗可減少6%7%，如果增大到1516m，則能耗可減少12%14%。室外計算溫度（oC）住宅建筑寬度（米）1112131415161718-2010095.79288.786.283.681.680-3010095.293.190.388.386.684.683.1-4010096.793.791.98987.184.384.2建筑寬度與熱耗的關系 表4-3 第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.1 建筑平面尺寸與節(jié)能的關系4.1.4 建筑平面布局與節(jié)能 合理的建筑平面布局使建筑在使用上帶來極大的方便，

5、同時也能有效地提高室內的熱舒適度和有利于建筑節(jié)能。在建筑熱工環(huán)境中，主要從合理的熱工環(huán)境分區(qū)及溫度阻尼取得設置兩個方面來考慮建筑平面布局。 各種房間的使用要求不同，因而，其室內熱環(huán)境也各異，在設計中，應根據(jù)這種對熱環(huán)境的需求而合理區(qū)分，即將熱環(huán)境質量要求相近的房間相對集中布置。 為了保證主要使用房間的室內熱環(huán)境質量，可在該熱環(huán)境區(qū)與溫度很低的室外空間之間，結合使用情況，設置各式各樣的溫度阻尼區(qū)。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系4.2.1 圍護結構面積與節(jié)能的關系 隨著建筑物圍護結構總面積A與建筑面積A0之比A/A0的增加，建筑的能耗也相應地提高。需要說明的是，考察圍護結構

6、對節(jié)能的影響時，必須考慮外墻（含外窗）與屋頂保溫性能之比。通常的辦法是：計算屋頂傳熱系數(shù)與外墻和外窗的加權平均傳熱系數(shù)之比。這是因為對樓層面積相同的建筑而言，隨著層數(shù)的增加，屋頂面積占全部外圍護結構的面積之比逐漸減少。同時，屋頂耗熱量占整個建筑外圍護結構耗熱的比例也在減少。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系 下圖表示北京及哈爾濱地區(qū)建筑耗熱與建筑面積的關系。 其中N代表建筑的層數(shù)。我們可以看出，當建筑為一層時，建筑面積增加對于降低建筑物采暖能耗貢獻很少。這是因為建筑面積的增加，直接的結果就是建筑物屋頂面積大幅度增加，即散熱面積大幅度增加，以至于能耗難以下降。 第4章 建筑單

7、體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系4.2.2 表面面積系數(shù) 利用太陽能作房屋熱源之一，從而達到建筑節(jié)能的目的已越來越被人們重視。 從節(jié)能建筑的角度考慮，以外圍護結構總面積越小越好這一標準來評價建筑節(jié)能的效果是不夠的，應以建筑的南墻足夠大，其他表面積盡可能小為標準去評價。為此，這里引入“表面面積系數(shù)”這一概念，即建筑物其他外表面面積之和A1(單位)與南墻面積A2（單位）之比，這一系數(shù)更能反映建筑表面散熱與建筑利用太陽能而得熱的綜合熱工情況。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系 通過大量分析，我們可以得出建筑物表面面積系數(shù)隨建筑層數(shù)、長度、進深的變化規(guī)律，見圖4-3圖4-5

8、。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系 通過大量分析，我們可以得出建筑物表面面積系數(shù)隨建筑層數(shù)、長度、進深的變化規(guī)律，見圖4-3圖4-5。根據(jù)這些曲線可以總結出用表面面積系數(shù)評價節(jié)能建筑的幾點結論：對于長方形節(jié)能建筑，最好的體形是長軸朝向東向的長方形，正方次之，長軸南北向的長方形最差。以節(jié)能住宅為例，板式住宅優(yōu)于點式住宅。增加建筑的長度對節(jié)能建筑有利，長度增加到50m后，長度的增加給節(jié)能建筑帶來的好處趨于不明顯。所以節(jié)能建筑的長度最好在50m左右，以不小于30m為宜。增加建筑的層數(shù)對節(jié)能有利，層數(shù)增加到8層以上后，層數(shù)的增加給節(jié)能建筑帶來的好處趨于不明顯。第4章 建筑單體設計

9、與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系加大建筑的進深會使表面面積系數(shù)增加，從這個角度上看節(jié)能建筑的進深似乎不宜過大，但進深加大，其單位散熱面的貢獻不會減少，而且建筑體形系數(shù)會相應減小。所以無論住宅進深大小都可以利用太陽能。綜合考慮，大進深對建筑的節(jié)能還是有利的。體量大的節(jié)能建筑比體量小的節(jié)能建筑在節(jié)能上更有利。也就是說發(fā)展城市多層節(jié)能住宅比農村低層節(jié)能住宅效果好，收益大。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系4.2.3 建筑體形系數(shù)與節(jié)能 體形系數(shù)指建筑物與室外大氣接觸的外表面積（不包括地面）與所包圍的建筑體積的比。 研究資料表面：體形系數(shù)每增加，耗熱量指標增加2.5%，對于居住建

10、筑體形系數(shù)宜控制在以下。 可以采取以下幾種方法控制建筑物的體形系數(shù)：加大建筑的體量，即加大建筑的基底面積，增加建筑物的長度和進深尺寸。外形變化盡可能地減至最低限度。合理提高層數(shù)。對于體形不易控制的點式建筑，可愛用裙樓連接多個點式的組合體形式。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系4.2.4 注意建日輻射得熱量 在冬季通過太陽輻射得熱可提高建筑物內部空氣溫度，減少采暖能耗。在夏季，過多的太陽輻射會加重建筑的冷負荷。從下圖中可以看出，當建筑物體積相同時，D是冬季日輻射的熱量少的建筑體形，同時也是夏季得熱最多的體形；E，C兩種體形的全年日輻射得熱量較為均衡，而長寬，高比例較為適宜的B

11、型，在冬季得熱較多而夏季相對得熱較少。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.2 建筑體形與節(jié)能的關系 建筑的長寬比對節(jié)能亦有很大影響。當建筑為正南朝向時，一般是長寬比愈大的熱愈多。但隨著朝向的變化，其的熱量會逐漸減少。當偏向角達到67左右時，各種長寬比體形建筑的得熱基本趨于一致。而當偏向角為90時，則長寬比越大，得熱越少。 比值0o15o30o45o67.5o90o1:111.0151.0771.1271.07112:11.271.271.2641.2151.0040.8513:11.51.4871.4411.3341.0210.8514:11.71.6781.6031.4511.0590.815:1

12、1.871.851.7521.5621.1030.81各種體型和朝向的外墻接受輻射的比值 表4-5第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.3 合理選擇外墻保溫方案 建筑物特別是采暖居住建筑的外墻，由于所受太陽輻射得熱和冬季冷氣流吹拂的情況不同，其保溫層的布置和做法可有多種選擇。在計算建筑物耗熱量指標時，由于朝向不同，各墻面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的修正系數(shù)有很大差別。 例如，天津地區(qū)南向外墻的傳熱系數(shù)的修正系數(shù)為，而北向的為。這也就是說，相同的保溫構造放在北向外墻上使用更有利些。 第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.4 窗的設計與節(jié)能的關系 窗在建筑上的作用至少有兩個方面：一方面是擋隔室外大氣環(huán)境對室內的影響，另一方面，通過

13、窗又可滿足室內的采光與得熱，以及獲得新鮮空氣，通過觀賞室外景物滿足人們視覺心里上的要求。 從一般情況上分析，窗的耗熱在建筑物總耗熱量中所占的比重很大，統(tǒng)計分析表明，窗耗熱占總建筑耗熱量的50%左右。然而窗并不僅僅是耗熱構件，在有阻光照射時，太陽輻射熱透過窗進入室內。窗的玻璃對太陽輻射有選擇性，它能透過短波輻射而阻止長波輻射。 窗的熱工狀況除了主要與窗的傳熱系數(shù)有關，其面積尺寸、窗的朝向、遮擋狀況、夜間保溫都對窗的傳熱效果也有非常大的影響。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.4 窗的設計與節(jié)能的關系4.4.1 窗墻比、玻璃層數(shù)及朝向對節(jié)能的影響 以北京地區(qū)氣象數(shù)據(jù)為準，室內溫度采暖計算濕度18計算，以

14、360mm磚墻、單玻璃窗為基本條件，在改變窗面積，層數(shù)時計算出的節(jié)能率的變化。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.4 窗的設計與節(jié)能的關系 另外，窗戶的日輻射得熱還與住宅所在地的氣象條件有關。同一時刻各地的太陽輻射強度不同，投射到窗口日輻射熱也不相同。 以北京和長春兩個城市中不同類型南向窗在冬季各月份凈得熱或失熱量的曲線為例，在北京冬季使用雙層鋼窗就可使室內的日輻射得熱量大于窗的熱耗失量，而在長春，即使采用雙層窗也依然是耗熱構件。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.4 窗的設計與節(jié)能的關系 由上述分析可知，在進行窗的設計時，應根據(jù)地區(qū)的不同，選擇層數(shù)不同的窗戶構件，使其在本地區(qū)盡可能成為得熱構件。在窗墻比

15、的選擇上，應區(qū)別不同朝向。對南向窗戶，在選擇合適層數(shù)及采取有效措施減少熱耗的前提下可適當增加窗戶面積，充分利用太陽輻射熱；而對其他朝向的窗戶，應滿足居室光環(huán)境質量要求的條件下適當減少開窗面積以降低熱耗。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.4 窗的設計與節(jié)能的關系4.4.2 附加物對窗節(jié)能效果的影響 1）窗的夜間保溫對節(jié)能的影響 居室的窗簾通常能起到阻擋視線，保證室內私密性和豐富室內色彩的作用，實際上，保溫窗簾和保溫板對減少夜晚窗的熱耗起著重要的作用。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.4 窗的設計與節(jié)能的關系2）窗外遮擋對節(jié)能的影響 住宅的陽臺在冬季會遮擋一部分進入窗的太陽輻射，遮擋的程度取決于陽臺的挑出

16、尺寸，且遮擋的情況還與朝向有關。 在滿足使用功能的前提下，適當減少南向陽臺的挑出尺寸對節(jié)能有利，對其他地方的陽臺則不必過多考慮。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能4.5.1 利用風壓和熱壓的傳統(tǒng)自然通風 建筑內部自然通風的動力主要有風壓和熱壓，當入風口與出風口水平高度相同時，自然通風的動力主要是風壓。例如，我國居住建筑大部分為南北向，且一個單元內設計有南，北兩個朝向的外窗，夏季室內容易獲得“穿堂風”。 利用熱壓的能量（即“煙囪效應”）組織室內的自然通風是一項能發(fā)揮建筑師創(chuàng)意的設計工作。熱壓的形成需要入風口與出風口具有一定的高度差和空氣密度差。并且，兩個豎直通風口之間的溫差大于

17、兩個通風口之間室外溫差時，煙囪效應才會把內部空氣排出室外。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能 煙囪效應的優(yōu)點在于它不依賴于風就可以進行，但它的缺點是力量比較弱，不能使空氣快速流動。為了增強它的效果，通風口應盡可能地大，彼此之間的垂直距離應盡可能地遠。 盡量使空氣暢通無阻地從較低的通風口向較高的通風口流動。另外，現(xiàn)代的一些建筑通風設計中還利用伯努利效應（Bernoulli effect)來增加這種通風效果。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能4.5.2 利用伯努利效應 伯努利效應是說，氣流速度的增大，會使它的靜壓力減小。由于這一現(xiàn)象的存在，所以在文丘里管（Ven

18、turi tube）的細腰處，就會出現(xiàn)負壓。 飛機機翼的橫截面就像是半個文丘里管。建筑設計中可以利用這一原理，制造出局部的負壓，加強建筑內部的通風。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能 柏林GSW房地產總部大樓。該棟大樓一側朝西，外立面采用雙層玻璃幕墻通風的“熱能煙囪”做法。 為了加強頂部的拔風能力，設計師在其屋頂設計了一個覆蓋整個屋面的倒機翼式飄檐。當室外的風經(jīng)過這個飄檐時，在伯努利效應的作用下，飄檐下面的空氣形成了一個負壓區(qū)。這個負壓區(qū)能夠有效地提高雙層皮外墻的通風能力。當然，這個巨型的飄檐也起到屋頂遮陽的作用。 第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能 第4章

19、 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能 雙坡的屋頂也像是半個文丘里管。因此，屋脊附近任何形式的開口，都會使空氣被吸出室內。如果把屋頂設計成一個完整文丘里管的形狀，伯努利效應就會表現(xiàn)得更為強烈。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.5 建筑自然通風與節(jié)能 托馬斯。赫爾佐格（Thomas Herzog)為漢諾威世博會設計的26號展館也采用了頂部文丘里帽設計，在伯努利效應作用下，室內的空氣通過屋頂上的開口排出。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.6 典型的低能耗建筑舉例分析4.6.1 馬爾占公寓 新建建筑物節(jié)能的巨大潛力就在于“低能耗建筑”。這類建筑在項目規(guī)劃及建筑單體設計過程中的指導思想是：在將建筑使用

20、熱能損耗減至最小的同時最大限度的利用太陽能。德國柏林馬爾占（Marzahn）低能耗公寓大樓是低能耗建筑中很有代表性的一個。 這座低能耗技術建造的7層樓有56套居室，每套有23個房間。它是德國第一幢低能耗建筑物，其建筑直接來源于工程學原理。它的曲線外形，建造，立面外觀，朝向及房間布局很大程度上取決于能源的考慮。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.6 典型的低能耗建筑舉例分析 在柏林的嚴冬里，建筑最主要的能源需求就是空間的采暖。因此，建筑師從一開始就非常注重尋找體型與能源利用之間的精確關系。 他們首先篩選出的6種建筑平面幾何形式。同時假定這6種平面形成的建筑層數(shù)及總建筑面積均相同， 在此基礎上計算每種建

21、筑形式年耗能量。耗能計算中不僅考慮建筑物圍護體系的保溫隔熱的能力。更為關鍵的是，加入了建筑陽面所獲得的太陽輻射的熱對采暖的作用。以便作出合理的判斷。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.6 典型的低能耗建筑舉例分析 在前5種體系中，圓柱形建筑外表面積最小，自身能耗最低，但在獲得太陽輻射熱能和有日照方面有很大不足。相比，扇形平面樣式的優(yōu)點是所有房間都可以有陽面，并能夠獲更得充分的日照。通過縮小耗能較高的北立面的尺寸，最終獲得能耗最佳狀態(tài)的扇形建筑物。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.6 典型的低能耗建筑舉例分析 對于維護結構。建筑師使用保溫性能優(yōu)良的墻體幾乎將北立面完全封閉，其上盡可能少地設置窗戶，以減少號

22、熱。 南立面，墻表面整個都是用玻璃制成（保溫，密封性能優(yōu)異的門窗在南面放置時，其綜合熱工效果可視為得熱構件），以爭取日照和太陽能。南立面的外門窗均是落地式的。 而且劃分方式極為簡單以提高效率。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.6 典型的低能耗建筑舉例分析 平面布置。面向北向安排冷房間，樓梯，走廊和浴室作為南面暖房的一個傳熱緩沖帶。它們通過華東墻連續(xù)在一起，這樣即使陽光從側面照射過來，也可以散步到房間深處。起居室，廚房和我是這些主要的房間朝陽，入口，門廳和浴室則安排在背陰面。公寓南立面上所有陽臺挑出得尺寸是精華過仔細計算的，目的是使其在夏天可以遮擋陽光一避免室內過熱，并在冬天可以讓本來不強的陽光進入建筑物內。 該建筑供熱和通風系統(tǒng)與計算機設備連在一起，以便節(jié)約能源保證不間斷控制。第4章 建筑單體設計與節(jié)能4.6 典型的低能耗建筑舉例分析4.6.2 太陽能設備公司 建在德國布朗施維根的SOLVIS太陽能設備制造公司工廠，由于其出色的低能耗和較好地利用了太陽能，該建筑獲得了