摘要：在《天津市居住建筑节能设计标准》（五步节能）编制过程中，深入研究了体形系数与建筑层数、层高、耗热量等节能参数之间的数学函数关系，指导方案选型，并调整了原规范中不合理的要求，使得新规范的标准更能客观反映实际情况。
关键词：体形系数；层数；耗热量
建筑能耗占社会总能耗的比重高达40%左右，降低建筑能耗对节能减排、保持可持续发展具有非常重要的意义。在建筑能耗中，大约20% ～ 50% 由外围护结构传热所消耗。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。
一栋建筑物在特定条件下所蕴含的能量是与其内部空间大小成正比的，即与其体积成正比。而建筑物热损失的大小是与其与外部空间的接触面大小成正比的，即与其外表面积成正比。假若某建筑具有较大的体积，却有较小的外表面积，即体形系数小，则此建筑单位表面积的耗能量较小，其内部温度波动受外界影响亦较小，该建筑就形态上来说有着良好的保温隔热性能。反之，若体形系数大，则建筑内部温度波动受外界影响较大，该建筑的保温隔热性能则不好。这正是体形系数的核心含义，它反映了建筑物抵御外部热环境变化的能力。节能设计时应尽量争取较小的体形系数，以取得更好的节能效果。
体形系数是单位建筑体积占用的外表面积，它反映了一栋建筑体形的复杂程度和围护结构散热面积的多少，体形系数越大，则体形越复杂，其围护结构散热面积就越大，建筑物围护结构传热耗热量就越大，因此建筑体形系数是影响建筑物耗热量指标的重要因素之一，是居住建筑节能设计一个重要指标。
我们日常设计工作中接触到的普通住宅楼最普遍的情况为用一个标准层批量复制，故各层的外形轮廓统一，层面积一致，周长一致，层高一致，体形系数为表面积与体积之比，可进一步表示为如下公式：
S=F/V=（S0+C•H•N）/（S0•H•N）=1/（H•N）+C/S0（式1）
式中：S—体形系数（m-1），F—表面积（㎡），V-体积（m³），S0—层面积（㎡），
C-周长（m），N-层数，H-层高（m），
当建筑方案基本确定时，楼体的周长、层面积、层高为定值，自变量仅为层数，体形系数与层数的关系呈反比例型函数的非线性变化规律，层数越多，体形系数越小
我们可选取合适的层数以减小体形系数。对于确定形状因子、建筑总面积和层高的建筑，可选取合适的层数，使其体形系数最小。因此时建筑总体积已确定，即总供热（冷）量已确定，而建筑总表面积未定，可选取合适的层数使建筑总表面积最小，即总耗热（冷）量最小。这就是选择合适的层数，使建筑物既不显得太细长，也不显得太宽扁，使体形系数最小，最节能。在进行大批量的建筑规划和单体设计时，此法具有非常重要的指导意义。而对于确定底面积的建筑物，层数越高体形系数越小。在实际中，从节能角度考虑，应尽可能把建筑层数建多一点。若是层数较少的话，会造成体形系数过大，此时只有减小外围护结构的总传热系数，才能满足节能要求。
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但是，通过增加建筑层数来降低体形系数的方法的作用也是有限的，我们从上述函数的图像中可以看出该函数存在无限接近水平渐近线的最小极限值，对式1求极限得出：
Lim（N→∞）S=[1/（H•N）+C/S0]= C/S0（式2）
因而，当层数增加到一定程度时，体形系数存在极限值，该极限值等于周长与层面积之比，因此说明尽管通过增加层数的方法可以在一定程度上降低体形系数，但不能无限降低，存在极限值，随着层数的增加，体形系数趋于该极限值。该规律提醒我们在做住宅方案的阶段为了确保体形系数不超标就应该尽量控制平面造型尽量规整，不要凹凸过多，不要希望能通过增加建筑层数来显著降低体形系数，因为层数与体形系数并不呈线性函数关系。
与此同时，可给定体形系数的限值进行比较分析，层数的变化导致体形系数的变化，当层数较低，体形系数的增大超过了规范限值，体量模型的颜色变成红色，反之颜色变成绿色。该电池图可在方案设计初期，大的体量基本确定的时候即可对建筑方案的体形系数进行初步的判别，规避当后期方案逐渐深化后出现不满足节能规范要求而颠覆方案的风险。
另外，减小体形系数应注意以下问题，根据公式S=1/（H•N）+C/S0（式1），若C、S0、N均不变，可否通过增加层高H来减小体形系数S呢？若S0、N 不变，则该建筑每层建筑面积和总建筑面积均不变，层高H增加，则总建筑体积和围护结构总面积增大了。此时体形系数S虽然变小了，看似增强了节能效果，但由于体积增大了，所以整个建筑的供暖（冷）量也增加了，而其能量损耗也随着围护结构总面积的增大而增加了。因此增大建筑的层高不仅没有节能，反而更耗能了。通常在评价建筑能耗指标时，是用单位建筑面积耗能量来表示的，而此处建筑面积未动，耗能量增加了，所以此法不可取。而通过改变层数来降低体形系数，是总建筑体积和建筑面积不变，围护结构总面积减小了，其单位建筑面积耗能量亦是减小的。《公共建筑节能设计标准》规定：“严寒、寒冷地区建筑的体形系数应小于或等于0.40”。假如有一栋建筑物，其体形系数是0.41，通过把其层高增大，使体形系数变为0.40，满足了标准要求。但事实上通过上述分析知道，该建筑并没有因此变得节能，而是更加不节能了。所以说，在节能分析计算中，当体形系数不满足要求时，不能单纯通过增加建筑层高来减小体形系数，那种做法只能适得其反。
基于体形系数与层数并不存在线性关系的函数特点，我们在编制新版的《天津市居住建筑节能设计标准》（五步节能）过程中取消了原四步节能中表4.1.3按照多种楼层划分体形系数限值的方法（≤3层的建筑0.52，4-8层的建筑0.33，9-13层的建筑0.30，≥14层的建筑0.26）。
经过大量的建模计算，分别规定体形系数限值、围护结构传热系数限值和建筑物基础耗热量指标。在经过大量计算分析探索研究体形系数与耗热量之间的关系，按照体形系数划分耗热量限值的取值区间。
在现阶段我们所做的住宅工程项目中，经常出现的情况是体形系数超限，按照四步节能的要求可以进行权衡判断，对建筑进行耗热量指标的计算。从而导致的结果就是既然权衡判断最后计算完耗热量能满足规范要求，只不过增加了一些计算设计工作量，索性几乎所有的住宅项目都经过权衡判断，否则从业主方角度就认为没有让利益得到最大化，这是长期以来权衡判断带来的弊病。我们此次规范编制取消了原规范当传热系数不满足要求可通过权衡判断满足要求的做法，而改为需要同时满足传热系数限值和耗热量指标的双控原则。使计算结果更加客观符合实际情况，体现各围护节能指标的均好性，提高住宅建筑的节能标准进一步降低建筑能耗，降低碳排放，提升居住舒适度，努力把我市建设成绿色生态可持续发展的现代化城市。
参考文献：
[1]《建筑体形系数对节能效果的影响分析》刘仙萍、丁力行
[2]《体形系数对建筑节能的影响》王其恒
论文作者:张乾
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/12
标签：体形论文; 系数论文; 建筑论文; 耗热量论文; 节能论文; 层数论文; 层高论文; 《基层建设》2019年第25期论文;