淺談建筑住宅能耗及其節(jié)能分析

【摘 要】 建筑物是否節(jié)能、節(jié)多少能，很大程度上是由建筑單體本身的屬性來決定的，本文主要分析建筑體形、建筑朝向和窗墻這三個因素對能耗的影響。

【關(guān)鍵詞】 建筑體形；建筑朝向；窗墻；能耗

1 引言

建筑物的能耗分析就是通過模擬計算的手段分析上述建筑單體本身屬性的改變對建筑全年能耗的影響，進(jìn)而為建筑師改進(jìn)建筑單體方案設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。此外，建筑能耗很大程度上還受不同地域的氣候差異以及室內(nèi)熱環(huán)境設(shè)定的影響，不同室外氣候條件下的建筑單體能耗分析得到的結(jié)論可能是完全相反的，因此，建筑物的能耗分析必須注明適用地區(qū)及室內(nèi)熱環(huán)境的設(shè)定條件。

2 建筑體形對能耗的影響

對于寒冷地區(qū)，節(jié)能建筑的形態(tài)不僅要求體形系數(shù)小，而且需要冬季太陽輻射得熱多，還需要對避免寒風(fēng)有利。但滿足這三個要求所需要的體形系數(shù)常不一致，而后者又受到地區(qū)、朝向和風(fēng)環(huán)境的極大影響。因此具體選擇節(jié)能體形受多種因素的制約，包括當(dāng)?shù)囟練鉁睾吞栞椛鋸?qiáng)度、建筑朝向、各面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫狀況和局部風(fēng)環(huán)境狀態(tài)等，需要具體權(quán)衡得熱和失熱的情況，優(yōu)化組合各因素才能確定。

體形系數(shù)的定義為單位體積的建筑外表面積，它直觀反映了建筑單體外形的復(fù)雜程度。體形系數(shù)越大，相同建筑體積的建筑物外表面積越大，也即在相同條件，如室外氣象條件、室溫設(shè)定、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置條件下，建筑物向室外散失的熱量也就越多。相關(guān)研究表明，體形系數(shù)是影響住宅能耗指標(biāo)的主要因素之一。

從冬季累計耗熱量的比較可以看出，板式住宅的耗熱量反而小于凹形住宅。這是因為板式住宅南向立面比例較大，在冬季可獲得更多的太陽輻射熱量，從而降低了采暖耗熱量。因此，寒冷地區(qū)的節(jié)能住宅單體外形應(yīng)追求平整、簡潔，如直線形、折線形和曲線形。在小區(qū)的規(guī)劃設(shè)計中，對住宅形式的選擇不宜大規(guī)模采用單元式住宅錯位拼接，也不宜采用點式住宅拼接。因為錯位拼接和點式住宅都形成較長的外墻臨空長度，增加住宅單體的體系數(shù)，不利于節(jié)能。

對于非寒冷地區(qū)，如夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)，建筑物全年的能耗有部分或者大部分是來自夏季的空調(diào)電耗。因此，在建筑單體方案設(shè)計時，不僅要求建筑物單體形狀利于防曬、遮陽，減少太陽輻射得熱，還需考慮在室外氣溫低于室溫時，如夏季夜間，如何利用自然通風(fēng)或者是圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的散熱來延長非空調(diào)時間，減少空調(diào)能耗。在南方地區(qū)，適當(dāng)減少樓間距，可以形成建筑群間的相互遮擋，起到一定的遮陽效果；采用首層架空的單體建筑設(shè)計，單體建筑周邊易形成較好的通風(fēng)條件。此外，選擇合適的建筑進(jìn)深，有利于室內(nèi)穿堂風(fēng)的形成，在夏季，人們更樂意生活在有著較好自然通風(fēng)的環(huán)境，而不是密閉的空調(diào)環(huán)境里。

冬季保暖與夏季遮陽、通風(fēng)對建筑外形的要求在某些地方是存在矛盾的，如冬季的保溫節(jié)能設(shè)計要求建筑外形盡可能的簡單、緊湊，而夏季的節(jié)能設(shè)計則力求通過一些復(fù)雜的立面設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計來滿足建筑物遮陽、自然通風(fēng)的需求。因此，在建筑單體方案設(shè)計時，應(yīng)該通過詳細(xì)的建筑能耗模擬分析權(quán)衡這兩種設(shè)計所產(chǎn)生的節(jié)能效果，來確定最終的建筑單體方案。

3 建筑朝向?qū)δ芎牡挠绊?/p>

我國大部分地區(qū)處于北溫帶，房屋“坐北朝南”是盡人皆知的良好朝向。這是由于太陽的運(yùn)行規(guī)律使得這種朝向的房屋冬季最大限度的獲得太陽輻射熱，同時南向外墻可以得到最佳的受熱條件，而夏季則正好相反。此外，建筑朝向的設(shè)置還會直接改變建筑物周邊及其本身通風(fēng)狀況，進(jìn)而影響建筑物的能耗。常常會出現(xiàn)這樣的情況：理想的日照方向也許恰恰是最不利的通風(fēng)方向，或者在局部建筑地段（如道路、特殊地形）不可能成立。即給定地區(qū)與建筑單體形狀后，由于建筑物朝向的不同，不僅建筑物本身獲得的太陽輻射總得熱會有差別，而且建筑物周邊的通風(fēng)條件也會大相徑庭。

此外，建筑物朝向還會很大程度上影響建筑物周邊及其自身的自然通風(fēng)狀況，而后者則是直接影響建筑物能耗與室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素。相關(guān)的模擬計算給出，對于夏季晝夜溫差較大的地區(qū)，如北方及長江中下游地區(qū)，通過加強(qiáng)建筑物的自然通風(fēng)效果，尤其是夜間的自然通風(fēng)，可以使得建筑物的夏季耗冷量指標(biāo)降低近一半。從冬季的保暖和夏季降溫考慮，在選擇住宅朝向時，當(dāng)?shù)氐闹鲗?dǎo)風(fēng)向是不容忽視的主要因素。從住宅群的氣流流場可知，住宅長軸垂直于主導(dǎo)風(fēng)向時，各幢住宅之間易產(chǎn)生渦流，影響自然通風(fēng)的效果。從單幢住宅的通風(fēng)條件來看，建筑物房間與主導(dǎo)風(fēng)向垂直時效果最好，但是，從整個住宅群來看，這種情況并不完全有利，往往是建筑朝向與主導(dǎo)風(fēng)向形成一定的角度，以便后排的建筑也能獲得較好的通風(fēng)條件。

4 窗墻比對能耗的影響

窗墻比是綜合考慮了在某一地區(qū)不同朝向墻面冬、夏日照情況（日照時間、太陽總輻射強(qiáng)度、陽光入射角），冬、夏季風(fēng)影響，室外空氣溫度，室內(nèi)采光設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及開窗面積，建筑能耗完成的。由于窗戶的保溫隔熱性能相對較差，冬季散熱厲害；同時如果沒有輔助的遮陽設(shè)施（尤其是外遮陽），夏季白天太陽輻射將通過窗戶直接進(jìn)入室內(nèi)；結(jié)果導(dǎo)致建筑的空調(diào)、采暖能耗急劇增加。

需要注意的是，近年來住宅建筑的窗墻比有越來越大的趨勢，這是因為商品住宅的購買者大都希望自己的住宅更加通透明亮。考慮到臨街建筑立面美觀的需要，窗墻比適當(dāng)大些是可以的。但當(dāng)窗墻面積比超過規(guī)定數(shù)值時，應(yīng)首先考慮減小窗戶（含陽臺透明部分）的傳熱系數(shù)，如采用單框雙?；蛑锌詹ＡТ埃ú煌貐^(qū)的要求不一樣），并加強(qiáng)夏季活動遮陽；其次可考慮減小外墻的傳熱系數(shù)。大量的調(diào)查和測試表明，太陽輻射通過窗戶直接進(jìn)入室內(nèi)的熱量是造成夏季室內(nèi)過熱的主要原因，日本、美國、歐洲以及香港等國家和地區(qū)都把提高窗的熱工性能和遮陽控制作為夏季防熱、降低住宅空調(diào)負(fù)荷的重點，住宅建筑普遍在窗外安裝有遮陽設(shè)施。因此，應(yīng)該把窗的遮陽作為夏季節(jié)能的一個重點措施來考慮。

對于寒冷地區(qū)，盡管保溫隔熱性能較好的雙玻、中空窗得到了普遍的應(yīng)用，但與保溫外墻相比，外窗仍是外圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫措施中的薄弱環(huán)節(jié)。南向窗戶的冬季累計得熱量最大，往東西朝向逐漸遞減；越過南偏東45度或者南偏西45度后，累計得熱量將小于零，也即在南偏東45度至南偏東45度以外的普通中空外窗為失熱構(gòu)件。因此，在這些朝向范圍內(nèi)外立面設(shè)計中，應(yīng)在滿足采光要求的前提下盡量減少窗墻比。而在朝向南偏東45度至南偏西34度朝向范圍內(nèi)，增加窗墻比，將南偏東至南偏西有利于減少累計的采暖能耗。但同時也應(yīng)注意到，在加大窗墻比的同時，建筑物的最大采暖負(fù)荷也隨著迅速增加。這是因為建筑物最大采暖負(fù)荷往往出現(xiàn)在夜間，而此時通過窗戶散失的熱量要遠(yuǎn)大于外墻。也就是說，增加窗墻比有利于節(jié)能，同時也要求更大的設(shè)備容量投入，以滿足最大采暖負(fù)荷增加的需要，因此窗墻比的設(shè)計還應(yīng)在權(quán)衡設(shè)備初投資與因節(jié)約能耗而減少的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用的大小后給出。對于某些炎熱地區(qū)，窗戶也是維護(hù)結(jié)構(gòu)得熱的主要構(gòu)件，除了控制窗墻比大小外還必須注意遮陽系統(tǒng)的設(shè)計，對于某些炎熱地區(qū)，這甚至比提高窗戶的保溫隔熱性能更重要。

5 結(jié)語

文章結(jié)合了當(dāng)前建筑節(jié)能的必要性，分析了當(dāng)前節(jié)能住宅和節(jié)能技術(shù)存在的問題，并提出了搞好住宅建筑節(jié)能設(shè)計的對策，以達(dá)到在住宅建筑設(shè)計中更好地利用自然能源，從而提高住宅建筑中的能源利用效率。

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