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摘 要：简立简化模型，使用控制变量法，在Ecotect里模拟了户型不同平面形状、不同建筑高度对能耗的影响，得出了定性的研究结论。对建筑节能设计有一定的指导作用。
关键词：体型系数；平面形状；建筑高度；能耗
0引言
随着世界人口膨胀，能源资源紧缺是普遍的社会问题，如何节约能源是众多行业发展的目标。在建筑行业中，我国的既有建筑中95%以上为高能耗建筑，单位面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2-3倍。能源的合理利用对我国来说是一大艰巨任务。
传统的建筑设计重视建筑造型和艺术性，但在建筑设计过程中，不同的建筑平面、高度、造型会对能耗产生很大影响，本文探究了不同的建筑空间对能耗的影响。
1.热环境定义
建筑室内热环境的舒适要求是人对建筑环境最基本的需求之一。热环境包括了室内空气的温度、湿度、气流速度和平均辐射温度。而这些因素会受到建筑空间设计的影响。从热环境的角度设计建筑空间、建筑造型，对于改善居住环境具有重要价值。[1]
中国建筑热工分区把我国分成五个气候区，青岛属于寒冷地区，寒冷地区是指我国最冷月平均溫度满足-10℃～0℃，日平均温度≤5℃的天数为90～145天的地区。建筑物应满足冬季防寒、保温、防冻等要求，夏季部分地区应兼顾防热。
建筑热舒适度通过测试温度、湿度等可以得知，热舒适度与很多因素有关系，如建筑体型系数、建筑朝向、建筑开窗形式、窗墙面积比等。这些因素对于建筑节能起到了决定性作用，也是目前建筑设计中主要考虑的方面。
改善建筑的热环境，不仅能提高舒适度，还能为建筑节约大量能源。下面就来探究建筑设计中空间对能耗的影响。
2.建筑空间对于能耗的影响
2.1体型系数对于能耗的影响
国家行业标准JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中规定，建筑体型系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。[2]建筑平面凹凸越小，体型系数越小，建筑的能耗越小。
建筑体型系数可以用如下公式表示，
S=F/V=2（1/l+1/b）+1/nh
式中：F—建筑外表面积；
V—外表面积对应的建筑体积，V=nhbl；
n—建筑层数
2.1.1 Ecotect模拟与验证
下面设置简化模型，具体研究建筑平面形状对于能耗的影响情况。这里自变量为建筑平面形状，其它因素都相同。
2.1.2结果与分析
研究对3个简化模型进行了能耗模拟分析。实验目的是检验建筑体型系数和能耗之间的关系。模拟方法是设置了AA、AB、AC三种简化平面，设置对比实验。实验中控制的变量为建筑面积、窗墙比、建筑高度，影响因子（因变量）为建筑平面，即建筑的体型系数。
由图2.4，2.5可以看出，随着建筑体型系数的加大，建筑能耗逐渐加大，二者呈正相关的关系。平面越接近正方形，其体型系数越小，能耗越小。按0.6元/Kwh计算的话，体型系数为0.24的7层住宅，比体型系数为0.3的7层住宅一年会节约电费8717元左右。可见，在可行的情况下，控制建筑形体系数，减少建筑外轮廓的凹凸，有利于节约能耗。
2.2层高对能耗的影响
层高是指下层地板面或楼版面到上层楼版面之间的距离。我国《住宅设计规范》（GB-50096-2011）中规定，住宅层高宜为2.8米。[3]
建筑体型系数为建筑外表面积与体积之比。体型系数与建筑的平面尺寸、凹凸和高度有关系。根据体型系数的计算公式，我们可以看到建筑的形体系数随着建筑高度的增加而减小，即建筑高度越高，平均每层的能耗就越小。
从另一个方面来说，国家行业标准JGJ26-2010《严寒和寒冷地区建筑节能设计标准》第3.3.10条规定，折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气换气耗热量应按如下式子计算，
式中：qINF—折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气换热耗热量（W/㎡）；
tn—室内计算温度，取18℃，当外墙内侧是楼梯间时，则取12℃；
te—采暖期间室外平均温度；
Cp—空气比热容，取0.28Wh/（kg·K）
ρ—空气的密度（kg/m?），取采暖期室外平均温度te下的值；
N—换气次数，取0.5次/h；
V—换气体积（m?），楼梯间及外廊不采暖时，V=0.60V0；楼梯间及外廊采暖时，V=0.65V0，V0为建筑体积。
由空气耗热换热量可以看出，换气体积V和空气换热耗热量qINF成正比例关系；而层高与换气体积V成正比关系，因此，可以推出层高与空气换热耗热量成正比关系。即层高越高，能耗越大。然而，从层高和体型系数的关系看，层高越高，体型系数越小，建筑能耗越小。两个方面呈矛盾的趋势。
图片来源：《影响居住建筑节能设计因素的分析与研究—青岛居住建筑节能设计》初探
2.2.1 Ecotect模拟与验证
为了具体研究建筑层高和能耗的关系，设置了四个简化模型，在Ecotect中分析二者之间的关系。
研究对4个简化模型进行了能耗模拟，通过改变建筑高度唯一的影响因子，控制体型系数、单层面积、窗墙比等变量，以年耗电量来对比4个简化模型的能耗情况。从图4.7的散点图来看，随着建筑高度的增加，耗电量整体呈上升趋势。由此我们可以初步下结论，建筑高度对于空气耗热换热量的影响比体型系数的影响大。
3.总结
文章通过两组对比实验，研究了平面形状、建筑高度对于能耗的影响，得出了定性的结论。通过第一组对比实验知道，随着建筑体型系数的加大，建筑能耗逐渐加大，减少建筑外轮廓的凹凸，有利于节约能耗。
第二组对比实验中，进一步研究了建筑高度对能耗的影响。建筑高度越高，体型系数越小；建筑高度越高，空气换热量越大。通过建立简化模型模拟，可以得出结论，建筑高度越高，能耗越大。
希望本文能为建筑设计者提供设计依据，使建筑设计更加舒适节能、绿色环保。
参考文献
[1]闫疆丞 长沙地区以热舒适为目标的建筑节能设计研究 [J] 湖南大学硕士学位论文 2013：7-8
[2]《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》 [M] JGJ26-2010
[3]《住宅建筑规范》 [M] GB50368-2005
[4]王卉 顾放 建筑层高对体型系数的影响 [J] 建筑节能 2013：59-62
（作者单位：青岛理工大学）
关键词：体型系数；平面形状；建筑高度；能耗
0引言
随着世界人口膨胀，能源资源紧缺是普遍的社会问题，如何节约能源是众多行业发展的目标。在建筑行业中，我国的既有建筑中95%以上为高能耗建筑，单位面积采暖能耗相当于气候条件相近发达国家的2-3倍。能源的合理利用对我国来说是一大艰巨任务。
传统的建筑设计重视建筑造型和艺术性，但在建筑设计过程中，不同的建筑平面、高度、造型会对能耗产生很大影响，本文探究了不同的建筑空间对能耗的影响。
1.热环境定义
建筑室内热环境的舒适要求是人对建筑环境最基本的需求之一。热环境包括了室内空气的温度、湿度、气流速度和平均辐射温度。而这些因素会受到建筑空间设计的影响。从热环境的角度设计建筑空间、建筑造型，对于改善居住环境具有重要价值。[1]
中国建筑热工分区把我国分成五个气候区，青岛属于寒冷地区，寒冷地区是指我国最冷月平均溫度满足-10℃～0℃，日平均温度≤5℃的天数为90～145天的地区。建筑物应满足冬季防寒、保温、防冻等要求，夏季部分地区应兼顾防热。
建筑热舒适度通过测试温度、湿度等可以得知，热舒适度与很多因素有关系，如建筑体型系数、建筑朝向、建筑开窗形式、窗墙面积比等。这些因素对于建筑节能起到了决定性作用，也是目前建筑设计中主要考虑的方面。
改善建筑的热环境，不仅能提高舒适度，还能为建筑节约大量能源。下面就来探究建筑设计中空间对能耗的影响。
2.建筑空间对于能耗的影响
2.1体型系数对于能耗的影响
国家行业标准JGJ26-2010《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》中规定，建筑体型系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值。[2]建筑平面凹凸越小，体型系数越小，建筑的能耗越小。
建筑体型系数可以用如下公式表示，
S=F/V=2（1/l+1/b）+1/nh
式中：F—建筑外表面积；
V—外表面积对应的建筑体积，V=nhbl；
n—建筑层数
2.1.1 Ecotect模拟与验证
下面设置简化模型，具体研究建筑平面形状对于能耗的影响情况。这里自变量为建筑平面形状，其它因素都相同。
2.1.2结果与分析
研究对3个简化模型进行了能耗模拟分析。实验目的是检验建筑体型系数和能耗之间的关系。模拟方法是设置了AA、AB、AC三种简化平面，设置对比实验。实验中控制的变量为建筑面积、窗墙比、建筑高度，影响因子（因变量）为建筑平面，即建筑的体型系数。
由图2.4，2.5可以看出，随着建筑体型系数的加大，建筑能耗逐渐加大，二者呈正相关的关系。平面越接近正方形，其体型系数越小，能耗越小。按0.6元/Kwh计算的话，体型系数为0.24的7层住宅，比体型系数为0.3的7层住宅一年会节约电费8717元左右。可见，在可行的情况下，控制建筑形体系数，减少建筑外轮廓的凹凸，有利于节约能耗。
2.2层高对能耗的影响
层高是指下层地板面或楼版面到上层楼版面之间的距离。我国《住宅设计规范》（GB-50096-2011）中规定，住宅层高宜为2.8米。[3]
建筑体型系数为建筑外表面积与体积之比。体型系数与建筑的平面尺寸、凹凸和高度有关系。根据体型系数的计算公式，我们可以看到建筑的形体系数随着建筑高度的增加而减小，即建筑高度越高，平均每层的能耗就越小。
从另一个方面来说，国家行业标准JGJ26-2010《严寒和寒冷地区建筑节能设计标准》第3.3.10条规定，折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气换气耗热量应按如下式子计算，
式中：qINF—折合到单位建筑面积上单位时间内建筑物空气换热耗热量（W/㎡）；
tn—室内计算温度，取18℃，当外墙内侧是楼梯间时，则取12℃；
te—采暖期间室外平均温度；
Cp—空气比热容，取0.28Wh/（kg·K）
ρ—空气的密度（kg/m?），取采暖期室外平均温度te下的值；
N—换气次数，取0.5次/h；
V—换气体积（m?），楼梯间及外廊不采暖时，V=0.60V0；楼梯间及外廊采暖时，V=0.65V0，V0为建筑体积。
由空气耗热换热量可以看出，换气体积V和空气换热耗热量qINF成正比例关系；而层高与换气体积V成正比关系，因此，可以推出层高与空气换热耗热量成正比关系。即层高越高，能耗越大。然而，从层高和体型系数的关系看，层高越高，体型系数越小，建筑能耗越小。两个方面呈矛盾的趋势。
图片来源：《影响居住建筑节能设计因素的分析与研究—青岛居住建筑节能设计》初探
2.2.1 Ecotect模拟与验证
为了具体研究建筑层高和能耗的关系，设置了四个简化模型，在Ecotect中分析二者之间的关系。
研究对4个简化模型进行了能耗模拟，通过改变建筑高度唯一的影响因子，控制体型系数、单层面积、窗墙比等变量，以年耗电量来对比4个简化模型的能耗情况。从图4.7的散点图来看，随着建筑高度的增加，耗电量整体呈上升趋势。由此我们可以初步下结论，建筑高度对于空气耗热换热量的影响比体型系数的影响大。
3.总结
文章通过两组对比实验，研究了平面形状、建筑高度对于能耗的影响，得出了定性的结论。通过第一组对比实验知道，随着建筑体型系数的加大，建筑能耗逐渐加大，减少建筑外轮廓的凹凸，有利于节约能耗。
第二组对比实验中，进一步研究了建筑高度对能耗的影响。建筑高度越高，体型系数越小；建筑高度越高，空气换热量越大。通过建立简化模型模拟，可以得出结论，建筑高度越高，能耗越大。
希望本文能为建筑设计者提供设计依据，使建筑设计更加舒适节能、绿色环保。
参考文献
[1]闫疆丞 长沙地区以热舒适为目标的建筑节能设计研究 [J] 湖南大学硕士学位论文 2013：7-8
[2]《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》 [M] JGJ26-2010
[3]《住宅建筑规范》 [M] GB50368-2005
[4]王卉 顾放 建筑层高对体型系数的影响 [J] 建筑节能 2013：59-62
（作者单位：青岛理工大学）