第二节 围护结构构型与节能设计
一、建筑体形系数与节能设计
体形系数（Shape coefficient of building）就是指建筑物与室外大气接触的外表面积A （m2）与其所包围的体积V（m3）的比值；外表面积中，不包括地面和不采暖楼梯间隔墙和户门的面积。如图3-3所示。从基本概念可以看出，体形系数越大，单位建筑体积对应的外表面积越大，外围护结构的传热损失越大，能耗就越多。
图3-3 体形系数示意图
因此提出体形系数要求的目的，是为了使特定体积的建筑在冬季及夏季的冷热作用下，合理选择传热面积，从而减少通过建筑物外围护结构产生的冬季热损失与夏季冷损失。
如图3-4和表3-5所示，建筑物在体积下相同的情况下，因外形尺寸不同，其体形系数也不同，其中以立方体的体形系数为最小。
图3-4 同体积建筑不同的体形系数
表3-5 同体积不同体形的建筑的体形系数
据此就要求建筑物在平面布局上，外形不宜凹凸太多，在相同体积下尽可能地收缩构筑，力求外表面平整，以减少因凹凸太多形成外墙面积大而提高体形系数。
但是，体形系数不只是影响建筑物外围护结构的传热损失，它还与建筑造型、平面布局、采光通风等紧密相关。体形系数过小，将制约建筑师的创造性，使建筑造型呆板，平面布局困难，甚至损害建筑功能。因此权衡利弊，兼顾不同类型的建筑造型，尽可能减少房间外围护结构的面积，使体形不要太复杂，凹凸面不要过多。在北方严寒和寒冷地区，为了使建筑物在冬季尽可能多的获得太阳辐射热，需要满足或考虑建筑保温要求的地区建筑应朝向正南（向阳），以争取日照。同时，建筑布局时应使建筑立面避开冬季主导风向。但是在夏热冬暖和夏热冬冷地区，夏季白天要防止太阳辐射，夜间希望建筑有利于自然通风、散热。因此，与北方寒冷地区相比，在建筑体形系数上没有那么严格的控制。为了满足建筑节能要求，《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 75—2003）、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26—2010）、《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）等建筑节能设计规范，对不同地区不同性质的建筑的体形系数给出了相应的规定，建筑的体形系数不应大于规定限值，当体形系数大于规定限值时，必须围护结构热工性能进行权衡判断，以满足节能标准。在设计中，体形系数应依据节能规范按如下要求选取。
（1）对于严寒、寒冷地区的公共建筑，其体形系数应小于或等于0.40。
（2）夏热冬暖地区的居住建筑，建筑物朝向宜采用南北向或接近南北向，北区内单元式通廊式住宅的体形系数不宜超过0.35，塔式住宅的体形系数不宜超过0.40。
（3）对于夏热冬冷地区居住建筑，建筑物宜朝向南北或接近朝向南北。其体形系数不应大于表3-6规定的限值。
表3-6 夏热冬冷地区居住建筑的体形系数限值
（4）严寒和寒冷地区居住建筑的体形系数不应大于表3-7规定的限值。
表3-7 严寒和寒冷地区居住建筑的体形系数限值
二、窗墙比与节能设计
窗墙面积比（Area ratio of window to wall，简称窗墙比）是指窗户洞口面积与房间立面单元面积（即房间层高与开间定位线围成的面积，包含窗面积）的比值。如图3-5所示。
图3-5 窗墙比示意图
外窗是建筑必不可少的组成部分，与墙体和屋面相比，外窗的热工性最差。同时，夏季白天太阳辐射还可以通过窗户直接进入室内，窗户是影响建筑环境和建筑能耗的重要因素之一，其长期使用能耗占整个建筑长期使用能耗的40%～50%，十分可观，因此窗户节能是建筑节能的一个重要突破口。
一般说来，窗墙比越大，建筑物的能耗也越大，窗墙比越小，建筑物的能耗也越小；但窗墙比过小，会影响建筑采光、通风等建筑环境。因此，如何根据不同地区的气象条件，不同的建筑使用性质，选择合理的窗墙面积比，至关重要。一般情况，在保证室内采光的前提下，确定合理的窗墙比，减少窗面积，对建筑节能大有裨益。因此，《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 75—2003）、《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 134—2010）、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ26—2010）等建筑节能设计规范，对不同地区不同性质建筑的各个朝向的窗墙比给出了相应的规定，建筑窗墙面积比不应大于规定限值，当窗墙面积比大于限值时，必须进行围护结构热工性能的权衡判断，以满足节能要求。在设计中，应依据节能规范按下列表3-8至表3-10选取。
表3-8 夏热冬暖地区居住建筑的窗墙面积比
表3-9 夏热冬冷地区居住建筑的窗墙面积比
表3-10 严寒和寒冷地区居住建筑的窗墙面积比
窗墙比的确定需要同时兼顾保温和太阳辐射得热两方面的要求。在冬天，由于太阳高度角低，阳光经由南窗入射进室内的深度大，使得南窗可以接受较多的太阳热量，这对严寒和寒冷地区居住建筑非常重要，因此可以适当加大南窗面积。但在夏季，太阳辐射强烈，透过外窗向室外传递热量会增加，尤其对于夏热地区和夏热冬冷地区，因此需要设置合理的门窗遮阳措施。而对于公共建筑，如果开窗面积过小会影响建筑的外观和通透性，因此可适当放宽窗墙比的限制，《公共建筑节能设计标准》（GB 50189—2005）规定“建筑物每个朝向的窗（包括透明幕墙）墙面积比均不应大于0.70”，门窗的节能通常采用保温隔热性能玻璃，改善对太阳辐射的透过、吸收和反射特性。