高层建筑形态生态效益评价与设计策略研究

数学模型的评价一般是以计算机模拟技术评价为依据，可更为精确地从数学模型的比较中获得相关节能系数。从而用数据反映研究对象的生态效益。下面以体形系数优化指标的数学模型评价为例。

根据上节中日照辐射量实验数据与计算机模拟数据，对现有的体形系数进行优化，用数学模型确定不同建筑形体的节能系数，以此反映与评价高层建筑形态的生态效益。

1. 评价依据

（1） 建立实验室微缩模型，形成初步评价指标。在实验室中制作标准化实体缩尺模型，依据实地测量、文献查找、案例研究等收集的参数数据，通过微缩模型模拟进行参数的校核与数据记录，建立初步评价指标。

（2） 数值模拟校准。将计算机模型的多种虚拟形体转化为实体微缩模型，与标准化实体微缩模型及计算机模拟数据进行比较、验证，在此基础上对计算机模拟数据进行校准。

（3） 建立数学模型评价系统。根据实验室与计算机模拟数据的比照，确定太阳辐射是影响建筑能耗的重要因素之一，将日照辐射量作为高层建筑形态设计节能评价依据，对现有的体形系数进行拓展。课题以夏热冬冷地区，以上海市为代表，将建筑形体按照角度分为东、南、西、北、东南、东北、西南和西北八个方向的面域，分别计算冬、夏两季建筑形体各面域的总日照辐射量，最终通过冬、夏两季的综合效应确定建筑形体的节能系数，作为建筑节能评价指标之一。

2. 评价操作

居住建筑体形系数S在《民用建筑节能设计标准》（JGJ26—95）中定义为“建筑物与室外大气接触的外表面积与其所包围的体积的比值”。

式中，S为建筑体形系数；F0为建筑的外表面积（m2）；V0为建筑体积（m3）。体形系数反映了一栋建筑体形的复杂程度和围护结构散热面积大小，体形系数越大，则体形越复杂，其围护结构散热面积越大，建筑物围护结构传热耗热量越大，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，也是居住建筑节能设计重要指标之一。

但是，体形系数只考虑了建筑物与室外大气接触外表面积单一要素对建筑能耗的影响，其在建筑能耗分析中具有局限性。太阳辐射是影响建筑能耗的重要因素，本课题以太阳辐射为主导因子，以夏热冬冷地区为例，对体形系数进行了深化，关系式如下：

式中，S节能为体形节能系数；S冬为冬季体形节能系数；S夏为夏季体形节能系数；WE， WS， WW， WN， WES， WEN， WWS， WWN—冬季东、南、西、北、东南、东北、西南、西北墙热辐射系数；SE， SS， SW， SN， SES， SEN， SWS， SWN为夏季东、南、西、北、东南、东北、西南、西北墙热辐射系数；FE， FS， FW， FN， FES， FEN， FWS， FWN为东、南、西、北、东南、东北、西南、西北墙面积（m2），V0为建筑体积（m3）。

夏热冬冷地区夏季闷热、冬季湿冷，夏季空调冬季采暖，建筑能耗较之于春、秋两季最大，为建筑节能的目标季节。关系式基于对冬、夏两季体形节能系数的综合考量，考虑夏季太阳辐射与建筑能耗成正比关系，而冬季辐射量与建筑能耗成反比，分别计算夏、冬两季东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向墙体总传热值与体积的比值得出。其中八个方向墙体定义为（图3—16）北向 （0°—22.5°， 337.5°—360°）、西北向（22.5°—67.5°）、西向（67.5°—112.5°）、西南向（112.5°—157.5°）、南向（157.5°—202.5°）、东南向（202.5°—247.5°）、东向（247.5°—292.5°）、东北向（292.5°—337.5°）。(www.xing528.com)

各墙体传热值的计算考虑各方向墙体受热辐射影响的差异性，加入热辐射系数，具体计算值见表3—2、表3—3。基于数值模拟与实验校正，首先分别计算标准条件下建筑八个方向墙体每平方米冬（1月）、夏（7月）两季接收的太阳辐射合计辐射量（直射辐射与散射辐射总量）（表3—2），在各合计辐射量中选取最大值，设为标准系数1，其他合计辐射量与其比值计算相应的标准系数，精度为0.0（表3—3）。

图3—16　八个方向墙体方位角度示意

表3—2　不同方向墙体冬夏两季接收的太阳辐射量

表3—3　不同方向墙体冬夏两季接收太阳辐射系数

（续表）

3. 应用特点

体形系数优化指标，基于数值模拟，并经实验室修正，可在一定程度上以某个地区太阳辐射为导向，对建筑的能耗进行评价。指标综合考虑了夏、冬两季太阳辐射量对建筑能耗的影响差异，因此，具有一定的可行性。通过实验室模拟得到的热辐射系数有效地反应了冬、夏两季建筑体八个方向建筑表面接受热辐射的强度。基于太阳辐射的体形系数优化指标对建筑初期的概念和方案设计的比选和优化具有较大的指引性，为建筑选型和朝向选择提供了理论支持，对基于性能优化的节能设计具有辅助作用。

但是限于各地区有限的气象数据，本指标在数值模拟和实验模拟阶段均在一些方面做了相应的简化，如云层对太阳辐射的散射、大气透明系数的变化函数等，研究未来将继续不断改进这些问题，将太阳辐射的散射等部分加入模型研究，以获得更精确、完善的评价指标。