宋扬逸, 崔彤,2*, 王一钧

1. 中国科学院大学建筑研究与设计中心，北京 100190；2. 中国科学院建筑设计研究院有限公司，北京 100086

引言

据统计，建筑能耗占全球总能耗的比例已超过40%[1]，其产生的碳排放远远超过了交通运输，在全球总能耗中占比最重[2]。建筑的全生命周期能耗涵盖设计、建造、使用、维护和拆除的全过程，使用阶段的运行能耗是其中最重要的部分，包括建筑的采暖、制冷、通风、照明、家电、生活热水、炊事等等[3]。美国和欧盟各国的建筑运行能耗占其全国能源消费总量的30%～40%[4,5]，这一比例在中国也超过了20%[6]。毫无疑问，研究建筑节能问题对解决能源短缺、降低碳排放、促进可持续发展具有重大意义。

建筑节能设计关乎两个层面。第一个层面是建筑师所主导的形态创作层面，第二个层面是工程师应用的材料与技术层面。前者通过方案创作，对功能布局与建筑形态进行综合考量来实现节能；后者通过提升材料性能、建造技术以及设备效率来改善建筑的整体性能，提高能源利用率。优化形态设计，遵循传热和采光规律的建筑方案能够节省大量的采暖、制冷以及照明能耗。有研究表明，如果在建筑设计阶段就优化自然采光、传热和通风等因素，仅通过形态设计手段和被动式策略就能提升20%的能效，并减少25%的采暖能耗和10%～30%的制冷能耗[7]。较之于选用高性能材料、改善主动措施来解决节能问题（如采用先进技术，提高设备效率），采取科学合理、朴素的设计手法能大幅地降低成本，提高能源利用效率[8]。

建筑方案创作作为建筑项目的起始环节，是建筑节能设计的源头。建筑师对形态因素的各项决策将对建筑节能产生重大影响。Yildiz等[9]指出，想要通过后续的节能措施来弥补前期设计阶段的不足，须付出相当大的代价。特别是当下建筑设计实践的某些传统观念已经与最新的研究成果相左。因此，本文拟归纳近十年一些重要的基于形态设计的建筑节能研究文献成果，讨论各设计要素对建筑能耗的影响。并探讨一些现行规范和固有认知中的不合理之处，提出批判性建议，以期推陈出新，与时俱进。

1 形态设计的研究范畴

建筑节能的目标是以较小的能耗代价达到最理想的室内环境。在给定的地理位置和气候条件下，进行合理的冷热设计，优化传热、照明采光、通风等相关因素是建筑节能设计的核心[10]。Chen等[11]归纳了所有的建筑能耗内外部影响因素。本文总结这些因素后将其分为三个层级：建筑气候、节能设计与运行管理，如图1所示。其中，节能设计中的形态设计层面是建筑师所主导的，也是本文主要的讨论范畴，包括：体形系数、朝向、窗墙比和遮阳设计。

图1 影响建筑能耗的三个层级Figure 1 Three levels affecting building energy consumption

2 形态设计的先决因素——建筑气候

建筑所处的地理位置和气候条件是影响建筑采暖和制冷的决定因素。室外温度、相对湿度、风向和风速、太阳辐射和大气条件等参数与建筑能耗密切相关[12]，室外温度是其中最重要的因素[13]。

目前，国内外对建筑气候分类的标准存在差异，但都包含以气温为基础的采暖度日数HDD和制冷度日数CDD指标[14]。它是根据稳态传热的理论发展起来、最初用于估计建筑全年供暖能耗的一种方法，能衡量当地寒冷和炎热的程度[15]。它们的计算公式如下：

式中，HDD为采暖度日数；CDD为制冷度日数；To1、To2分别为采暖、制冷度日基础温度，Ti是典型年第i天的日均温度。括号上方的加号表示只计算正值。

我国民用建筑热工设计标准GB 50176—2016按照最冷月和最热月平均温度以及HDD 18、CDD26等指标将全国划分为严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和等5个一级区域[16]。美国采暖、制冷与空调工程师学会（America Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）以HDD18和CDD10为标准，将建筑气候从极端炎热到极端寒冷划分为0～8共9个区域[17]。由于本文所回顾的研究成果涵盖国内外，故以国际通用的ASHRAE 90.1分类标准作为参照依据，表1给出了其详细的区划指标。

表1 ASHRAE热工气候分区标准Table 1 ASHRAE thermal climate zone definitions

3 体形系数

体形系数与建筑的几何特征相关联，其定义是建筑的外表面积与其所包围的体积之比，体现了建筑暴露于外部环境的程度，对建筑的采暖和制冷能耗有着重要的影响。图2所示的两栋建筑体积相同，图2(a)建筑对应的体形系数较小，其单位体积所对应的外表面积更小。从建筑节能设计的角度来看，减小体形系数意味着减小建筑围护结构与外界环境的相对热接触面，进而降低室内与室外的热交换速率。

图2 同体积不同体形系数建筑示意图Figure 2 Schematic diagram of buildings with the same volume but different shape coefficients

3.1 体形系数设计的节能研究回顾

体形系数与建筑能耗之间的关系一直都被广泛地研究，在传统认知中体形系数越小越节能，这在我国现行的相关规范标准中得到了体现，以控制体形系数的限值为规定性指标[18-21]。

在极端的气候条件下，减小体形系数能明显地节省采暖、制冷能耗[22]。冷红等[23]研究指出，在严寒的哈尔滨地区（ASHRAE 7区），住宅建筑的单位体积能耗与其体形系数呈高度正相关性，形式规整的矩形住宅能耗最低，与不规整的“凹”形住宅相比平均能耗低34.2%。而在极其炎热的赤道或撒哈拉沙漠地区，减小体形系数对降低制冷空调能耗、改善热舒适性也具有重要的意义[24]。马来西亚学者Rashdi 等[25]研究发现，在吉隆坡（ASHRAE 0区）体形系数为1.1的庭院式建筑比体形系数为0.7的圆柱形建筑制冷能耗多22%。

但是，在温暖/温和地区，改变体形系数对建筑能耗的影响很小[26]。新西兰学者Su[27]实地调查了奥克兰（ASHRAE 3区）大量校园建筑的能耗状况（共57所学校4221栋建筑），通过统计分析后得出的结论是：建筑的体形系数对学校的冬季采暖、热水等能耗略有影响，但是对全年的建筑总能耗几乎无影响。林美顺等[28]研究指出，在气候温和的上海（ASHRAE 3区），无论是多层板式还是高层塔式建筑，体形系数越大，其建筑总能耗反而越低。结论与之相类似的还有武汉天河机场（ASHRAE 3区），由于T2航站楼的建筑体量和高度远大于旧的T1航站楼，其体形系数比T1航站楼小得多，但实际运行结果却是T2的单位建筑面积能耗远大于T1航站楼，体形系数的降低并没有使其更节能[29]。而张明等[30]的全能耗模拟研究结果表明，即使是在气候较为炎热的广州地区（ASHRAE 2区），体形系数较小的圆柱形塔式办公楼与体形系数较大的三棱柱形办公楼之间年度能耗差异仅为1.5%。基于上述研究，近年来也有国内学者对规范中相关规定的全面性和合理性提出了质疑[29,31]。

3.2 评价

上述研究成果说明，通过控制体形系数来实现节能有一定的前提：

（1）在极端的气候条件下，体形系数对建筑能耗的影响很大。这是因为当室内外温差越大时，建筑通过其表面与外界环境的热交换量也越大，控制体形系数可在一定程度上减少建筑的热增益或热散失。而在气候温和的区域，建筑内部热环境与外界差距较小，由体形系数增加而引起的建筑得热与失热不明显，采暖和制冷能耗的增量有限。但体形系数的增大意味着建筑与外界的接触更充分，被动采光及自然通风的效果更好，故人工照明和通风换气的能耗有所减少。所以，在气候温和的地区不用刻意控制体形系数，增加建筑对风、阳光及空气等自然资源的利用率对节能设计反而有利。

（2）体形系数与建筑能耗之间的关系还与围护结构的性能有关。对于围护结构性能良好的建筑，体形系数的变化对能耗影响较小。提高建筑围护结构的性能可以降低能耗对体形系数变化的敏感性[32]。由于科学技术的进步，建设标准更高，新建筑的性能远超旧建筑，这使得体形系数在节能设计中的地位有所降低。

所以，仅当气候条件极端或建筑的维护结构性能较差时，降低建筑体形系数才对其节能效果有显著影响。

4 建筑朝向

朝向是建筑设计中影响能耗的又一因素，选择合理的建筑朝向能借助自然规律来减少主动措施的能耗。因其几乎不需要额外的节能成本，是代价最低的被动式节能设计策略。朝向对建筑能耗的影响取决于建筑所在的地理位置和气候条件，方位角决定了建筑立面所能接收的太阳辐射和光照强度，而建筑的通风状况取决于朝向和当地主导风向的契合度，故朝向的改变影响着室内温度、自然通风和采光，进而影响建筑总能耗。

4.1 朝向设计的节能研究回顾

在所有的主动措施中，采暖、制冷的能耗随朝向的改变最为显著，而与照明和通风相关的能耗分别排在第二位和第三位[33]。位于北半球的建筑，综合考虑上述因素后通常建议应尽量朝南[34]。Abanda等[35]用BIM模型计算了伦敦地区（ASHRAE 4区）一栋住宅建筑在11组不同朝向下各自的运行能耗经济成本。研究结果表明，最佳朝向为主立面朝南，最不利的朝向是东北向，两者间每年的能源成本差距为3.98%。Florides等[36]根据采暖能耗最低的原则评估了塞浦路斯（ASHRAE 3区）建筑的最佳朝向：对于平面为矩形的建筑，其最佳方案是四个立面正对四个基本方向且主立面朝南，而主立面朝东相对不利。Mulyani等[37]以印尼地区（ASHRAE 0区）一栋公共建筑为研究对象，模拟分析其不同朝向下的总能耗指标。得出的结论是：朝南最佳，朝东最不理想，总能耗差距为3.8% 。李榕榕等[38]以哈尔滨、北京、上海和广州四地典型办公建筑为研究对象（分别对应ASHRAE 7区、4区、3区和2区），采用DeST软件模拟了建筑各朝向对其采暖和制冷能耗的影响。结果表明：无论在何地，南北朝向皆为“相对理想朝向”。受各地主导风向的影响，不同地区的最佳朝向在朝南的基础上存在略微的偏差。但无论在哪座城市，改变建筑朝向导致的年度冷热负荷差异均在3%以内。

4.2 评价

上述研究都有一个共同点：作为单体研究对象，它们的围护结构性能都很好，改变建筑朝向对总能耗的影响很小，其最大差距不超过4%[35-38]，巩玉发等[39]对沈阳市（ASHRAE 6区）办公楼的研究结果甚至低于2%。这意味着朝向对单体建筑的能耗影响较小，尤其是围护结构性能良好的公共建筑；但对于节能标准较宽松、建筑整体性能较差的棚户、旧改建筑和乡村建筑群，控制其整体的朝向就具有重要的意义了。Chi等[33]和Hemsath[40]分别在研究乡村住宅建筑群和社区独栋建筑群时都得到了类似的结论：即控制朝向对建筑单体影响较小，但对于建筑群而言其节能潜力不可忽视。由此可总结，在进行大体量、大规模的城市规划和城市设计时，应该争取建筑群的朝向在大致上是合理的。

5 窗墙比

据美国能源部（DOE）统计，建筑内部空间的热增益或热损失，约70%由维护结构（外墙、门、窗、屋顶及基础）所贡献[41]。而在围护结构中，玻璃又是最薄弱的部分，其传热系数通常是其余非透明结构的3～6倍，建筑与外界环境的热交换大部分是通过窗户进行的。在严寒的北欧地区，大约有20%～40%的建筑能耗经由窗户所浪费[42]；而在近赤道的新加坡地区，经由建筑窗户的室内热增益高达35%[43]。与此同时，开窗还影响着自然采光和人工照明。因此，窗墙比配置是建筑节能设计中最为关键的因素[44]。

5.1 窗墙比设计的节能研究回顾

从冷、热负荷的角度来看，在绝大部分情况下小窗墙比的能源性能优于大窗墙比[45]。这一点在我国和美国的规范中都能得到体现：即以设置窗墙比限值为规定性指标[17-21]。但最近也有很多研究指出，需要考虑自然采光的因素，窗墙比并不是越小越好，而是在某个区间内存在一个最优解[42]。Goia[46]研究发现，在严寒的北欧地区（ASHRAE 7区），当建筑维护结构性能良好时，最佳窗墙比区间大多在0.4附近。Marino等[47]以气候条件较温和的中欧（ASHRAE 3区）地区为研究对象，得到的结论是，无论朝向与体形系数如何，建筑的最佳窗墙比范围在0.35～0.45之间。Chi等[48]以我国夏热冬冷的浙江地区（ASHRAE 3区）传统民居为研究对象，综合考虑采光、室温和通风等因素分析得出，江浙传统民居的最佳窗墙比值在0.35～0.4之间，北立面的窗墙比推荐值比南立面稍大。朱新荣等[49]研究发现，使西安地区（ASHRAE 4区）某实验房总体热舒适性达到最佳的窗墙比为0.3。

也有学者得出的结论不一致。Alwetaishi[50]认为沙特阿拉伯地区（ASHRAE 0区）建筑的窗墙比越小越好，建议将炎热干燥地区建筑的窗墙比设为10%左右，气候条件稍微温和的地区可放宽至20%以内。而徐燊等[51]研究指出，严寒地区（ASHRAE 7区）朝南办公建筑的总能耗随窗墙比的增大反而减小，窗墙比越大越好。

5.2 评价

上述偏差源于各研究对象之间的围护结构性能差异。徐燊等[51]研究中的建筑维护结构性能很好[其外墙U值=0.226，玻璃U值=1.8，单位：W/（m2∙K）]，优良的保温隔热导致采暖能耗大幅度降低，人工照明从影响能耗的次要因素上升为主要因素，采光较好的大窗户能有效地降低照明能耗从而影响总能耗；而Alwetaishi[50]研究中的维护结构性能与前者差异较大 （外墙U值=0.43，玻璃U值=5.53，单位同前），空调制冷能耗远高于照明，冷热平衡是节能设计时最关键的要素，故窗墙比越小越有利于节能。由此可见，当建筑维护结构性能一定时，最佳窗墙比就是综合采暖、制冷和照明等因素的平衡点。目前，我国建筑的合理窗墙比大都在0.3～0.45之间。

6 建筑遮阳设计

遮阳构件通常设置在建筑立面的窗口附近，用来遮挡阳光，减少太阳辐射对建筑内部空间的影响，可以减少制冷能耗需求、降低室内眩光的风险。在我国的相关规范标准[16,21]中，外遮阳系数SD是用来评价遮阳性能的指标参数，其定义为：在遮阳设施的作用下进入室内的辐射热量与在相同条件下无外遮阳设施时进入室内辐射热量的比值。研究表明，接近80%的太阳热增益可以通过遮阳措施来削减[52]。图3为Valladares-Rendón等[53]归纳总结的一些不同形式的外遮阳构造。

图3 各类形式外遮阳构造图[53]Figure 3 Structural drawing of various forms of external sunshade[53]

6.1 遮阳设计的节能研究回顾

对于制冷需求较高的地区，遮阳设计对能耗的影响很大。Marino等[47]的研究成果表明，在气候温暖的中欧(ASHRAE 3区)，当建筑表面的玻璃面积占比超过1/4时，遮阳措施成为了节能设计中最关键的因素，其重要性甚至超过了围护结构本身的隔热性能。Xue等[54]对低纬度海南地区(ASHRAE 1区)宾馆建筑的制冷能耗与采光需求综合分析后得，当采用深度最大的综合遮阳板时(1.8 m)，建筑南立面的窗墙比可从0.32增至0.78。

虽然遮阳系统对降低制冷能耗有明显的效果，但同时也减少了日光的可用性，导致采暖和照明需求的增加。适当的遮阳设计在防止夏季建筑过热的同时，还应保证冬季进入室内光照量的充足。遮阳系统的设计需要综合考虑窗户尺寸、建筑朝向和太阳路径等因素[55]。表2和图4是依据北半球地理纬度和太阳路径给出的建筑南立面太阳角度简易指南[53]，可据此进行遮阳尺寸设计。

表2 北半球建筑南立面遮阳设计太阳角度与纬度对照表[53]Table 2 Comparison of sun angle and latitude in the south facade shading design of buildings in the northern hemisphere[53]

图4 北半球建筑南立面夏季与冬季太阳角度与遮阳悬挑几何关系示意[53]Figure 4 Schematic diagram of the geometric relationship between the sun angle and shading overhang on the southern facade of buildings in the northern hemisphere in summer and winter[53]

6.2 评价

即便是在气候炎热的地区，遮阳深度也不是越大越好，应根据实际情况设计合适的遮阳尺寸；而对于气候寒冷的北方地区，则不需要过多地考虑遮阳。随着新技术的出现，自动、可调节式遮阳系统也是一种不错的选择，它能根据感应到的外部光照强度来调整自身的开关以及档位，可以最大限度地利用自然光来实现节能。但这些新兴技术往往涉及额外的劳动成本和高性能材料，没有固定式遮阳设施经济[56]，应综合考虑各方面的因素进行选择。

7 讨论

在建筑设计的起始阶段，建筑师的脑海中有很多潜在的方案选项。这些选项是感性的，很多设计因素不可能在刚开始就被精确地“定量”。建筑创作往往被建筑师个人的基本认知和主观倾向所主导，这些认知和倾向未必全部合理，但却对建筑的初始成本和运行能耗有着很大的影响[57]。如Jaber等[58]对地中海气候下的（ASHRAE 3区）典型住宅建筑进行了综合的模拟能耗试验。他们以建筑朝向、各立面窗墙比以及遮阳尺寸为控制变量，在一定范围内调节各变量的设计参数，得到了建筑能耗的最优解。研究发现，使得建筑运行能耗最小的设计方案为：（1）建筑朝向正南方；（2）调整北立面与西立面的窗墙比分别为10%与20%、南立面与东立面的窗墙比均为40%；（3）在南立面设置尺寸合适的遮阳板。较之试验中最不利的情形，该方案每年可节约25.31%的耗电量。

因此，本文对基于形态设计的建筑节能研究进行了初步的归纳总结，旨在提升建筑师们的建筑节能认知，为他们从大方向上把握概念方案阶段各设计因素的“定性”问题提供参考，防止在形态设计时由于认知谬误而南辕北辙。表3总结了过往的一些研究成果。

表3 形态设计对建筑节能影响的研究成果Table 3 Research results on the impact of form design on building energy efficiency

8 结语

近年来，研究者们进行了大量的基于形态设计的建筑节能研究工作，包括：体形系数、建筑朝向、窗墙比以及遮阳设计等四个方面。这些工作让建筑师们在关注建筑的形式、立面、内部空间及功能的同时也注意到了能耗、成本问题，对推进建筑的绿色化、低碳化有着重要的意义。重要进展总结如下。

（1）在建筑创作阶段，充分考虑气候条件来优化建筑形态设计，可以通过较小的初始成本和后期代价实现良好的节能效果；（2）在近十几年中，随着围护结构和建筑设备性能的提升、用户的用能习惯和建筑运行状况的改变，影响建筑节能的形态设计关键因素与过去已有所不同，这导致了一些对节能设计的传统认知逐渐失去了科学性与合理性；（3）在非极端气候条件区域或建筑围护结构的性能较好时，体形系数对建筑能耗的影响十分有限，可不必限制体形系数；（4）无论气候条件如何，建筑朝向对规范严格、建设标准较高的单体公共建筑影响很小，但对大体量的棚户旧改、乡村建筑群的总能耗有明显的影响；（5）窗墙比并非越小越节能，“最佳窗墙比”是综合考虑采暖、制冷和照明能耗的平衡值，应根据地理位置、气候条件以及材料性能来求解；（6）温暖/炎热地区的建筑遮阳深度应根据建筑朝向和当地太阳路径来确定，在防止夏季过热的同时保证冬季充足的辐射量和日常采光需求。