浅析建筑节能结构设计

浅析建筑节能结构设计摘要：随着我国经济的快速发展和住宅生活水平的不断提高。住宅能耗占我国能源总消费量的比例逐年上升。建筑节能工作任务巨大、刻不容缓。文章基于结构设计的角度分别从建筑体形系数、朝向、间距以及平面布置等方面叙述了建筑节能的技术，实现建筑业的可持续发展。关键词：建筑节能；结构设计；体形系数；建筑朝向Abstract:withtherapiddevelopmentofoureconomyandresidentiallivingstandardscontinuetoimprove.Residentialenergyconsumptionofourcountryenergytotalconsumptionproportionrisesyearbyyear.Buildingenergysavingworkgreat,brooknodelay.Basedonthestructuraldesignofthebuildingshapecoefficient,respectivelyfromtheorientation,spacingandarrangementisdescribedintermsofbuildingenergysavingtechnology,realizingthesustainabledevelopmentofbuildingindustry.Keywords:energy-savingbuilding;structuredesign;shapecoefficient;buildingconstruction中图分类号：TE08文献标识码：A文章编号：从20世纪70年代起，能源短缺问题就为世界各国所关注。从社会能源消费的构成来看，能源短缺主要由建筑能耗、工业能耗和交通能耗引起。在西方发达国家，建筑能耗约占总能耗的30%40%。现有资料显示，2000年我国的建筑能耗就已达到能源消耗总量的27.6%。随着我国的迅速发展，建筑能耗将在一段时期内继续以较快的速度增长。由此可见，为了降低建筑能耗，确保我国经济、社会的可持续发展，开展建筑节能技术的研究具有重要的实际和理论意义。由建筑物的构造可知，建筑节能技术可从结构设计、建筑施工以及建筑材料三个方面开展。早在1995年，国家建设部就颁布了居住建筑节能50%的节能标准，其中围护结构节能占30%。由此可知，结构节能是建筑节能的关键，提高建筑结构设计在建筑节能中的比例是解决建筑能耗日益增高的有效途径。为此，本研究基于结构设计对建筑的节能方法进行分析，分别从建筑体形系数、朝向、间距以及平面布置等方面讨论了建筑节能的技术措施，为建筑节能的科研与工程应用提供参考意见。一、建筑体形建筑节能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。现有研究表明，建筑物的外部形体对能量消耗包括太阳能、风能等都有着较大的影响。因此，建筑形体作为结构设计重要组成部分，是建筑节能技术中不可忽略的因素。（一）体形系数体形系数（BuildingShapeCoefficient）定义为建筑物与室外大气接触的外表面积F0和与其所包围的体积V0之比。计算住宅建筑中的体形系数时，外表面积不包括地面面积和楼梯间墙及分户门的面积。根据体形系数的定义有：(式1)式中，Cp为体形系数；F0为建筑外表面积；V0为建筑所围体积；L0为建筑物底面周长；S0为建筑物底面面积；n为建筑层数；h为建筑层高。由式（1）可知，体形系数越大，单位建筑空间的热散失面积越大，能耗就越高。因此，为了提高建筑节能效果，结构设计时应该合理减小建筑物的体形系数。（二）Cp的因子分析对于给定底面面积的建筑，体形系数Cp与建筑物底面形状和建筑高度有关。为了研究不同的底面形状与建筑层数对体形系数Cp的影响，假设层高取建筑规范的普遍值，即h=2.8m。作为算例，假设S0=100m2，分别考虑建筑物底面形状为圆形、正方形、长宽比为1:2以及1:4的长方形，计算结果如图1所示。图1建筑层数、底面形状与体形系数的关系由图1可知，建筑物的体形系数随着建筑层数呈非线性变化。建筑层数越大，体形系数越小，但随着建筑层数的不断增加，体形系数的变化速率不断减小并趋向于零。从图1还可以看出，对于同一高度的建筑物，建筑底面形状为圆形的体形系数最小，其次为正方形，长宽比1:4的体形系数最大。由此表明，底面形状为长方形的建筑物，长宽比越大，其体形系数越大。（三）极限体形系数由图1可以看出，在横截面形状确定的情况下，建筑物体形系数随建筑层数的增加而趋向于一个极限值。为了得到这个极限体形系数，对式（1）进行求解可得:(式2)由式（2）可知，极限体形系数是建筑节能的综合指标，它反映了建筑物横截面形状对建筑节能效果的影响。在横截面形状确定的情况下，建筑物体形系数不可能小于其极限体形系数。因此，极限体形系数间接反映了建筑截面形状的节能效果，极限体形系数越小，截面形状的节能潜力越大。二、建筑朝向建筑朝向是影响建筑节能效果的重要因素。建筑室内热湿环境受太阳能辐射热量的影响较大，建筑朝向则直接影响建筑物受太阳辐射的程度。我国地处北半球，由于太阳高度角和方位角变化规律的影响，南朝向的建筑，夏季可减少太阳辐射得热，冬季可增加太阳辐射得热，是最有利的建筑朝向，所以使建筑物为南朝向，是我国建筑节能的必要条件。在一天之中，不同时间的太阳能辐射热量是不同的，不同使用性质的建筑物，对能量的使用时间要求也是不同的。根据太阳能在不同时段的分布状况和建筑物的使用性质调整和确定建筑朝向，是充分利用太阳能的有效措施。例如，在我国北方采暖地区，一天之中的1314时的太阳能辐射热量最大，建筑物的布置方向应为南偏西，这样可以提高室温，有利于节能；而对于我国的南方非采暖地区，建筑物的布置方向应为南偏东，以减少太阳辐射对室温的影响。再如，办公、学校等公共建筑只是白天有人使用，夜间室内则无人居住，只要白天室温达到标准即可，并希望上午室温能够尽快上升，对于这样的建筑物，应将朝向设为南偏东为宜；而住宅、旅馆、宿舍等居住建筑因夜间住人，希望下午有较强的太阳能辐射热进入室内，以提高夜间室温，应将朝向设为南偏西。三、建筑的间距与平面布置众所周知，建筑间距是太阳能辐射建筑物的重要影响因子。现行设计规范对建筑物的满窗日照时间已做了明确的规定：如托儿所、幼儿园的生活用房应满足冬至日满窗日照不少于3小时；中、小学校南向的普通教室冬至日底层满窗日照不应小于2小时。然而，目前这些建筑间距标准是以人的健康为出发点而制定的，没有考虑建筑的节能要求。因此，根据不同的地区，不同使用性质的建筑物，制定强制性条文，确定合理的建筑间距，充分利用太阳能、风能等资源，是提高建筑节能效果一项有效、经济的途径。建筑平面的巧妙布局是提高建筑节能效果的有效途径之一。建筑物的组成部分如电梯、大门、管道井、外窗等的布置都是建筑节能的影响因素，如将楼梯、机房设计在建筑物的南侧或西侧，可以有效阻挡日射；为利于保温，结构设计时可挑空中庭形成2次隔热区。恰当的平面布置有助于形成理想的通风作用，通过建筑物门窗的合理设置，形成通风口，诱导自然通风，既起到节能作用又克服了空调室内空气品质差的缺点。门窗是建筑必不可少的组成部分，其面积约占建筑外围护结构面积的30%，传热系数比墙的大很多，又经常开启，是冬季耗热的关键部位。其长期使用能耗约占整个建筑长期使用能耗的50%，其中传热损失为1/3，冷风渗透为1/3。可见，门窗是建筑能耗散失的最薄弱部位。因此，在保证日照、采光、通风、观景条件下，结构设计时尽量减少外门窗洞口的面积，合理控制窗墙比。对于窗墙比，民用建筑节能设计标准(采暖居住部分)有严格规定：北向不大于25%；南向不大于35%；东西向不大于30%。同时，为了减少门窗能耗的散失，应当适当确定建筑物的挑檐、遮阳板的尺寸，安装可调式百叶、窗帘，调节室内日照；或采用遮阳系统，一般安装在向阳的外立面或采光屋顶上，可控可调，达到不同时间，据不同需要遮挡、反射和引光入室的目的。结论：建筑节能作为现代建筑技术的一个发展方向，已成为国内外建筑业广泛重视的研究课题。本研究基于建筑结构设计的角度分析了建筑节能的技术措施，分别从建筑体形系数、建筑朝向、建筑间距以及建筑平面布置等方面讨论了建筑节能方法，侧重分析了建筑体形系数的影响因子。研究结果表明，建筑物的体形系数随着建筑层数呈非线性变化，建筑层数越大，体形系数越小，但随着建筑层数的不断增加，体形系数的变化速率趋向于零；对于同一高度的建筑物，建筑底面形状为圆形的体形系数最小，底面形状为长方形的建筑物，长宽比越大，其体形系数越大；极限体形系数间接反映了建筑截面形状的节能效果，极限体形系数越小，截面形状的节能潜力越大。参考文献：1范亚明,李兴友