第一节 绿色住宅建筑能耗分析
建筑节能设计是以满足建筑室内适宜的热环境和提高人民的居住水平为目的，通过建筑规划设计、建筑单体设计及对建筑设备采取综合节能措施，不断提高能源的利用效率，充分利用可再生能源，以使建筑能耗达到最小化所需要采取的科学技术手段。建筑节能是一个庞大的系统工程，在设计的全过程中，从方案确定、选择材料、结构设计、配套设计等各环节都要贯穿节能的观点，这样才能取得真正建筑节能的效果。建筑节能设计是全面的建筑节能中一个很重要的环节，有利于从源头上杜绝能源的浪费。
一、建筑体形系数对能耗的影响
建筑体形系数对建筑能耗的影响十分显著。有研究资料表明，体形系数由0.4减少到0.3，围护结构传热损失可降低25%，全年采暖空调能耗可减少13%。但是也不能一味地减小建筑体形系数，因为体形系数不只是影响围护结构的传热损失，它还与建筑造型、平面布局、功能划分、采光通风等若干方面有关。
检测结果表明，建筑体形的变化直接影响建筑采暖和空调能耗的大小。在夏热冬冷地区夏季的白天要防止太阳辐射，夜间希望建筑有利于自然通风和散热。因此，我国南方与北方寒冷地区节能建筑相比，在体形系数上控制不十分严格，在建筑形态上非常丰富。但从建筑节能的角度来讲，单位面积对应的外表面积越小，外围护结构的热损失也就越小，从降低建筑能耗的角度出发，应当将建筑体形系数控制在一个较低的水平。
1.体形系数的含义
建筑物体形系数是指建筑物与室外大气接触的外表面积F0与其所包围的（包括地面）体积V0之比值，即：
S= F0/V0 （2-1）
式中 S——建筑物的体形系数；
F0——建筑物与室外大气接触的外表面积，m2；
V0——建筑物与室外大气接触的外表体积，m3。
在进行住宅建筑中的体形系数计算时，外表面积F0（m2）不包括地面和楼梯间墙及分户门的面积。建筑物的体形系数越大，说明单位建筑空间的热量散失面积越大，则建筑物的能耗就越高。
图2-1是我国华北地区几种常见的住宅建筑单体形状，图2-2中的柱状条表示建筑单体整个冬季的累计采暖能耗值，曲线点则代表各自的体形系数（均以6层数计算）。从图2-2中可以看出，建筑物的体形系数每增大0.1，建筑物的累计耗热量约增加10%～20%。
图2-1 华北地区几种常见的住宅建筑单体形状
图2-2 各类不同形体建筑能耗比较
图2-3和表2-1所示，同体积的不同体形会有不同的体形系数，其中立方体的体形系数（F0/V0）比值最小。
图2-3 同体积建筑不同体形系数
表2-1 同体积建筑的不同体形系数
体形系数不只是影响建筑物的耗能量，它还与建筑层数、体量、建筑造型、平面布局、采光通风等密切相关。因此，从降低建筑能耗的角度出发，在满足建筑使用功能、优化建筑平面布局、美化建筑造型的前提下，应尽可能将建筑物体形系数控制在一个较小的范围内。
2.最佳的节能体形
建筑物作为一个整体，其最佳节能体形与室外空气温度、太阳辐射照度、风向、风速、围护结构构造及其热工特性等各方面因素有关。从理论上讲，当建筑物各朝向围护结构的平均有效传热系数不同时，对同样体积的建筑物，其各朝向围护结构的平均有效传热系数与其面积的乘积都相等的体形是最佳节能体形，如图2-4所示，并可以用式（2-2）表示。
lhKf3=ldKf1=dhKf2 （2-2）
图2-4 最佳节能体形计算
式中 Kf1，Kf2，Kf3——各朝向围护结构的平均有效传热系数。
当建筑物各朝向围护结构的平均有效传热系数相同时，同样体积的建筑物，体形系数最小的体形，即为最佳节能体形。
3.体形系数的控制
建筑节能的主要措施是增强外围护结构的保温隔热性能，即增大其总传热阻。外围护结构主要指建筑的外墙、屋顶和门窗，地面往往可忽略不计。在工程实践中，建筑师进行节能设计主要是靠增大建筑物外墙、屋顶和门窗的传热阻，来实现特定的节能目标。但建筑物的节能措施除了增大外围护结构的传热阻外，减小体形系数也是一个非常有效的手段，而很多建筑师对建筑的体形系数并不是十分重视。
提出建筑体形系数要求的目的，是为了使特定体积的建筑物在冬季和夏季冷热作用下，从室外与空气面积因素考虑，使建筑物的外围护部分接受冷热量最少，从而减少冬季的热损失与夏季的冷损失。
在现行行业标准《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）中也有明确的规定：建筑层数小于3层时其体形系数宜小于0.55，建筑物层数在4～11之间时其体形系数宜小于0.40，当建筑物层数超过12层时其体形系数宜小于0.35。
在一般情况下，建筑物体形系数控制或降低的方法，主要有以下3个方面。
（1）减少建筑面宽，加大建筑幢深 即加大建筑的基底面积，增加建筑物的长度和进深尺寸。如对于体量1000～8000m2的建筑，当幢深从8m增至12m时，各类型建筑的耗能指标都有大幅度降低，但幢深在14m以上再继续增加，其耗热指标却降低很少。在建筑面积较小（约2000m2以下）和层数较多（6层以上）时，耗能指标还可能回升。将幢深从8m增至12m时，可使建筑耗热指标降低11%～33%。总建筑面积越大，层数越多耗热指标降低越大，其中尤以幢深从8m增至12m时，热耗指标降低比例最大。因此，对于体量1000～8000m2的南向住宅建筑，进深设计为12～14m，对建筑节能是比较适宜的。
测试结果表明，严寒、寒冷和部分夏热冬冷地区，建筑物的耗能量指标随着建筑体形系数的增加近似直线上升。因此，低层和小单元住宅建筑节（即体量较小的建筑物）不利于节能。对于高层建筑，在建筑面积相近的条件下，高层格式的住宅耗能量指标要比高层板式住宅高10%～14%。
（2）增加建筑层数，加大建筑体量 低层建筑对建筑节能是非常不利的，尤其是体积较小的低层建筑物，其外围护结构的热损失要占建筑物总热损失的绝大部分。合理增加建筑物的层数，可以加大建筑的体量，降低建筑热耗指标。节能检测结果表明，增加建筑层数对减少建筑能耗有利，然而建筑层数增加到8层以上后，层数的增加对于建筑节能并不十分明显。
在一般情况下，当建筑面积在2000m2以下时，层数一般以3～5层为宜，层数过多则底面积太小，对减少热耗不利；当建筑面积在3000～5000m2时，层数一般以5～6层为宜；当建筑面积在5000～8000m2以下时，层数一般以6～8层为宜。6层以上建筑耗热指标还会继续降低，但降低的幅度不大。
（3）简化建筑体型，布置尽量简单 严寒地区节能型住宅的平面形式，应追求平整、简洁，不宜变化过多，一般可布置成为直线形、折线形和曲线形。在建筑节能规划设计中，对住宅形式的选择不宜大规模采用单元式住宅错位拼接，不宜采用点式住宅或点式住宅拼接。这是因为错位拼接和点式住宅都形成较长的外墙临空长度，这样很不利于建筑节能。
4.建筑形态与气流
对于寒冷地区，节能建筑的形态不仅要求体形系数小，而且需要冬季太阳辐射得热多，还需要对避免寒风的侵袭有利。
风吹向建筑物，使风的风向和风速均发生相应的改变，从而形成特有的风环境。单体建筑物的三维尺寸对其周围的风环境带来较大的影响。从建筑节能的角度考虑，应当创造有利的建筑形态，以便减少风速和风压，减少建筑耗能热损失。测试结果表明，建筑物越长、越高，其进深越小，建筑物的背风面产生的涡流区越大，形成的流场越紊乱，对减少风速和风压越有利。
建筑物长度变化对气流的影响见图2-5；建筑物深度变化对气流的影响见图2-6；建筑物高度变化对气流的影响见图2-7。
图2-5 建筑物长度变化对气流的影响
图2-6 建筑物深度变化对气流的影响
图2-7 建筑物高度变化对气流的影响
从避免冬季季风对建筑的侵入来考虑，应减少风向与建筑物长边的入射角度，如图2-8所示。风向相同间距不同时迎风面风速百分率的比较，如图2-9所示。
图2-8 不同入射角影响下的气流示意
图2-9 风向相同间距不同时迎风面风速百分率（绝对值）的比较
分析不同形式建筑物形成的风环境，可以有以下结果。
（1）风在条形建筑背面边缘形成涡流。建筑物的高度越高、深度越小、长度越大时，背面的涡流区越大。条形建筑风环境平面见图2-10。
图2-10 条形建筑风环境平面
（2）风在“L”形的建筑中，所处的位置不同对防风的有利程度不同，图2-11（b）中的布局对防风有利。“L”形建筑风环境平面见图2-11。
图2-11 “L”形建筑风环境平面
（3）“凹”形建筑形成半封闭的院落空间，图2-12中的布局方式对防风十分有利。“凹”形建筑风环境平面见图2-12。
图2-12 “凹”形建筑风环境平面
（4）全封闭形的建筑当有开口时，其开口不宜朝向冬季主导风和冬季最不利风向，而且开口不宜过大。“口”形建筑风环境平面见图2-13。
图2-13 “口”形建筑风环境平面
（5）将迎冬季季风面设置成一系列台阶式的高层建筑，有利缓冲下行风。台阶立面缓冲下行风如图2-14所示。
图2-14 台阶立面缓冲下行风
（6）将建筑物的外墙转角由垂直相交成90°直角改为圆角，有利于消除风涡流。消防涡流如图2-15所示。
图2-15 消防涡流
（7）低矮的圆屋顶形式，有利于防止冬季季风的干扰。
（8）屋顶面层为粗糙表面可以使冷风分解成无数个小的涡流，既可以减小风速，也可以获得较多的太阳能。
（9）低层建筑或带有上部退层的多层和高层建筑，将用地布满对节能是有利的。
（10）建筑物高度是对风速产生影响的重要因素。当风遇到建筑物垂直的表面时，便产生下冲气流形成下行风，其风速不变，和地面附近水平方向的风一道在建筑物附近产生高速风和涡流。根据英国的一项研究成果表明，在5层楼底部，风速约增加20%；在16层楼底部，风速约增加50%；在35层楼底部，风速约增加120%。所以，建筑物高度的选择应与风环境条件有机结合。
（11）不同的平面形体在不同的日期内，建筑阴影位置和面积也不同，节能建筑应选择相互日照遮挡少的建筑形体，以减少因日照遮挡影响太阳辐射得热。不同的平面形体在不同日期的房屋阴影如图2-16所示。
图2-16 不同的平面形体在不同日期的房屋阴影
二、建筑朝向对能耗的影响
建筑朝向是指建筑物的主立面（或正面）的方位角，也就是建筑物主立面墙面的法线与正南方向间的夹角。为便于布置和方便出行，一般由建筑与周围道路之间的关系确定。建筑朝向对建筑节能具有很大的影响，古今中外都非常重视对建筑朝向的选择。
建筑朝向选择的原则是使建筑物冬季能获得尽可能多的日照，主要房间应避开冬季的主导风向，同时也考虑到夏季防止太阳的辐射与暴风雨的袭击。如处于南北朝向的长条形建筑物，由于太阳高度角和方位角的变化规律，冬季获得的太阳辐射热比较多，而且在建筑面积相同的情况下，主朝向的面积越大，这种倾向越明显。如此布置，建筑物在夏季可以减少太阳辐射热，主要房间可避免受东西方向的日晒，是最有利的建筑朝向。
从建筑节能的角度考虑，如果总平面布置允许自由选择建筑物的形状和朝向时，则应首选长条形建筑体形，并且宜采用南北或接近南北朝向布置。然而，在建筑的实际规划设计中，影响建筑体形和建筑朝向的因素很多，要想达到既夏季防热又冬季保温的理想朝向是非常困难的。因此，“最佳朝向”的概念是一个具有地区条件限制的提法，它是在只考虑地理和气候条件下对建筑朝向的研究结论。在具体使用时则还需根据地段环境的具体条件加以修正。
1.建筑朝向墙面及室内获得的日照时间和日照面积
无论是在温带地区还是寒带地区，必要的日照条件是住宅建筑中不可缺少的，但是对不同地理环境和气候条件下的住宅，日照时数和阳光照入室内深度上是不尽相同的。建筑物墙面上的日照时间，决定墙面接受太阳辐射热量的多少。由于冬季和夏季太阳方位角的变化幅度较大，各个朝向墙面所获得的日照时间相差很大。因此，应对不同朝向墙面在不同季节的日照时数进行统计，求出日照时数日平均值，作为综合分析朝向时的依据。另外，还需对最冷月和最热月的日出、日落时间进行记录。在炎热地区，住宅的多数居室应避开最不利的日照方位，即下午气温最高时的几个方位。住宅室内的日照情况同墙面上的日照情况大体相似。对不同朝向和不同季节（如冬至日和夏至日）的室内日照面积及日照时数进行统计和比较，选择最冷月有较长的日照时间和较多的日照面积，而在最热月有较少的日照时间和较少的日照面积作为依据。
2.朝向对建筑日照及接收太阳辐射量的影响
无论是我国的温带还是寒带，必要的日照条件是居室建筑不可缺少的。但在不同地理环境和气候条件下，住宅的日照时数、日照面积和阳光入室深度是不尽相同的。由于冬季和夏季太阳方位角变化幅度较大，各个朝向墙面所获得的日照时间相差很大。因此，要对不同朝向墙面在不同季节的日照时数进行统计，求出日照时数的平均值，作为综合分析朝向的依据。分析室内日照条件和建筑朝向的关系，应选择在最冷月有较长的日照时间和较高的日照面积，而在最热月有较少的日照时间和较小日照面积的朝向作为依据。
太阳辐射包括直射辐射和散射辐射。地球表面物体所接受的太阳辐射强度，除了受物体所在地的纬度影响外，还与物体表面的朝向有关。图2-17给出了北纬40°全年各月水平表面，东、西、南、北向垂直表面所接受的平均太阳总辐射强度。
图2-17 北纬40°的太阳总辐射示意
对于太阳的辐射作用，在这里只是考虑了太阳直接辐射作用。设计参数依据一般选用最冷月和最热月的太阳累计辐射强度。图2-18为北京和上海地区太阳辐射量图。从图中可以看到北京地区冬季各朝向墙面上接收的太阳直射辐射热量以南向为最高，达到16529kJ/（m2·d），东南和西南向次之，东西向则较少。而在北偏东或偏西30°朝向范围内，冬季接收不到太阳直射辐射热。在夏季北京地区以东、西向墙面接收的太阳直接辐射热最多，分别为7184kJ/（m2·d）和8829kJ/（m2·d）；南向次之，为4990kJ/（m2·d）；北方最少，为3031kJ/（m2·d）。由于太阳直射辐射照度一般是上午低、下午高，所以无论是冬季或夏季，建筑墙面上所受太阳辐射量都是偏西比偏东朝向稍高一些。
图2-18 北京和上海地区太阳辐射量
3.各种朝向居室内可能获得的紫外线量
太阳在辐射过程中，太阳光线中的成分是随着太阳高度角而变化的，其中紫外线与太阳高度角成正比，一般正午前后紫外线最多，日出和日落时段最少。表2-2中提供了在不同高度角下太阳光线的成分。日照量与紫外线的时间变化，如图2-19所示。
表2-2 不同高度时太阳光线的成分
图2-19 日照量与紫外线的时间变化
通过测量得出：冬季以南向、东南向和西南向居室接收的紫外线较多，而东西向较少，大约是南向的50%，东北向和西北向最少，大约是南向的30%。所以在选择建筑朝向时，还要考虑到室内所获得的紫外线量，这是基于室内卫生和利于人体健康的考虑。另外，还应当考虑主导风向对建筑物冬季热损耗和夏季自然通风的影响。
4.主导风向与建筑朝向的关系
主导风向直接影响冬季住宅室内的热损耗及夏季居室内的自然通风。因此，从冬季的保暖和夏季降温角度考虑，在选择住宅建筑朝向时，当地的主导风向因素不容忽视。另外，从住宅群的气流流场可知，当建筑的长轴垂直主导风向时，由于各幢住宅之间产生涡流，从而会影响自然通风的效果。因此，应尽量避免建筑物长轴垂直于夏季主导风向，即应使风向的入射角为零度，从而减少前排房屋对后排房屋通风的不利影响。
在实际运用中，当根据日照和太阳辐射已将建筑的基本朝向范围确定后，再进一步核对季节主导风向时，会出现主导风向与日照朝向形成夹角的情况。从单幢住宅的通风条件来看，房屋与主导风向垂直效果最好，但是，从整个建筑群来看，这种情况并不完全有利，而往往希望形成一定的角度，以便各排房屋都能获得比较满意的通风条件。表2-3给出了我国各地区在选择建筑朝向时的建议，作为建筑规划设计时进行朝向选择的参考。
表2-3 全国部分地区建议建筑朝向
三、窗墙比对能耗的影响
我国在现行行业标准《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26—2010）中规定，严寒和寒冷地区建筑的窗墙面积比不应大于表2-4中规定的限值。当窗墙面积比大于表2-4规定的限值时，必须按照要求进行围护结构热工性能的权衡判断，并且在进行权衡判断时，各朝向的窗墙面积比最大也只能比表2-4中的对应值大0.1。
表2-4 严寒和寒冷地区建筑的窗墙面积比限值
注：1.敞开式阳台的阳台门上部透明部分应计入窗户的面积，下部不透明部分不应计入窗户的面积。
2.表中的窗墙面积比应按开间计算。表中的“北”代表从北偏东小于60°至北偏西小于60°的范围；“东、西”代表从东或西偏北小于等于30°至偏南小于60°的范围；“南”代表从南偏东小于等于30°至偏西小于等于30°的范围。
对于夏季炎热地区，窗户也是建筑中围护结构传热的主要构件，除了控制窗墙比大小外，还必须注意遮阻系统的设计。我国现行行业标准《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）规定：不同朝向外窗（包括阳台门的透明部分）的窗墙面积比不应大于表2-5规定的限值；不同朝向、不同窗墙面积比的外窗传热系数不应大于表2-6规定的限值；综合遮阳系数应符合表2-6的规定。当外窗为凸窗时，凸窗的传热系数限值应比表2-6规定的限值小10%；计算窗墙面积比时，凸窗的面积应按洞口面积计算。
表2-5 不同朝向外窗的窗墙面积比限值
表2-6 不同朝向、不同窗墙面积比的外窗传热系数和综合遮阳系数限值
注：1.表中的“东、西”代表从东或西偏北30°（含30°）至偏南60°（含60°）的范围；“南”代表从南偏东30°至偏西30°的范围。
2.楼梯间、外走廊的窗不按表2-6的规定执行。
窗墙面积比应按建筑开间（轴距离）计算，窗的综合遮阳系数应按式（2-3）计算。
SC=SCC×SD=SCB×（FK/FC）×SD （2-3）
式中 SC——窗的综合遮阳系数；
SCC——窗本身的遮阳系数；
SCB——玻璃的遮阳系数；
FK/FC——窗框与窗的面积比，其中FK为窗框的面积，FC为窗的面积，PVC塑钢或木窗窗框与窗的面积比可取0.30，铝合金窗窗框与窗的面积比可比0.20，其他框材的窗按相近原则进行取值；
SD——外遮阳的遮阳系数，应按有关规定计算。
东偏北30°至东偏南60°、西偏北30°至西偏南60°范围内的外窗，应设置挡板式遮阳或可以遮住窗户正面的活动外遮阳。南向的外窗宜设置水平遮阳或可以遮住窗户正面的活动外遮阳。各朝向的窗户，当设置了可以完全遮住正面的活动外遮阳时，应认定满足表2-6对外遮阳的要求。
外窗可开启面积（包括阳台门面积）不应小于外窗所在房间地面面积的5%，多层住宅的外窗宜采用平开窗。