Optimum Building Shape in View of Energy Saving
Andrzej Skowronski
Wroclaw University of Technology, Faculty of Architecture,
ul. B. Prusa 53/55, 50-317 Wroclaw, Poland
andrzej.skowronski@pwr.wroc.pl
Abstract. In most highly developed countries there are standards applied to de- fine the requirements for the insulation coefficient of outer partitions, as well as adequate computer programs to both measure the heat loss in the buildings de- signed and calculate the amount of electrical and thermal energy needed for heating and ventilating the building. Although these programs are able to calcu- late the heat loss in the designed buildings, they cannot define their optimum shape. Apart from other numerous factors which influence the ecological and ergonomic value of the architectural project the building shape itself may sig- nificantly reduce the construction and maintenance costs of the object. An op- timum shape of the building is very important for energy effectiveness, as well as keeping ecological and ergonomic standards applied to solve the space of the building. These factors should be analyzed by the architect as early as in the initial design stage, i.e. while the visual concept of the object is being devel- oped. For different shapes of the object, with the same area of the plan and the same insulation quality of outer partitions, the area of these partitions can be very different, so the amount of the building materials necessary for the con- structing, as well as the heat loss resulting from its maintenance can also differ significantly.
Keywords: architecture, ecology, ergonomics, economy.
1 Introduction
For several years now, the political demand for limiting carbon dioxide emissions to the atmosphere has changed the attitude to the shape of buildings designed. The need to reduce the consumption of energy obtained from non-renewable sources, such as gas, crude oil or coal, and rather use the renewables, such as solar, wind and water power or geothermal energy, is becoming more and more important for contemporary economy and indirectly affects the architecture of buildings.
The systems for using alternative sources of energy have now appeared on the market as a mass product and gradually become cheaper. It is said that due to the extensive designer#39;s explorations, whose effectiveness have been examined for a few years now, some stable principles concerning the shape of building - in view of en- ergy saving and the renewables used - have been formulated in contemporary archi- tecture. The aim of this paper is to collect those basic rules so that the optimum shape of the building could be developed as early as at the design phase of the whole build- ing process.
C. Stephanidis and M. Antona (Eds.): UAHCI/HCII 2013, Part I, LNCS 8009, pp. 339–347, 2013.
copy; Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013
2 Design Principles of Energy- Saving Buildings
When it comes to a typical building in which solar energy is used, one can formulate a few basic principles concerning the designing process. Some of them do not signifi- cantly influence the shape of the building and refer to the situation when:
·The object is built from eco-friendly materials that can be easily bio-degraded or recycled;
·The object is built from the materials available in the neighbouring area, which reduces the cost of transport;
·The object is built from materials consuming only little energy, which helps reduce the cost of manufacturing;
·The insulation coefficient of the outer partitions is very high, which reduces the heat loss to a minimum.
The other principles define the shape of the building, such as:
·Geometry of the building;
·Functions of the building distributed according to the exposition to the sunlight;
·Glazed spaces, such as winter gardens, directed to the south;
·Appropriate size of windows in the elevations– according to the amount of sunlight;
·Protection of elevations and rooms from excessive sunlight;
·Appropriate selection of solar systems.
3 Geometry of the Building Shape
It is obvious that for the same building area it is observed that: the smaller the periph- ery of the building and the area of the external partitions are, the cheaper the construc- tion and the maintenance of the building. If a one-level building is to be built, the possibly smallest periphery would be achieved if the building is based on a circular plan. Every time when the circle has been extended into the ellipsis of the same area, we will end up with the periphery of the ellipsis bigger as compared to the periphery of the circle.
When it comes to a regular octagon of the same area, its periphery would grow by merely 2.5%- as compared with the periphery of the circle. The fewer sides of the polygon, the bigger its periphery, whereas more sides, which make the polygon look more like a circle, result in its smaller external periphery. The building of the same area which has been based on a square plan will have the total length of external walls bigger by 12.5% than the circle. If this building is to be more and more transformed into a rectangle, the length of external walls will grow bigger and bigger.
When it comes to a building designed on a regular triangular plan, the periphery of its external walls will be longer by 28% in relation to the circle periphery. If one of angles grows, the periphery of the walls grows as well. When we reach the form of the right-angled, isosceles triangle, the length of the external walls will be bigger by 36% than the periphery of the circle.
Theoretically,the circle is an ideal figure as it has the smallest periphery of the ex-ternal walls compared with other geometrical figures of the same area.The advan-tages of t
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节能视野下的建筑形态优化
Andrzej Skowronski
弗罗瓦夫理工大学，建筑学院
普鲁萨53/55，50-317波兰Wroclaw
andrzej.skowronski@pwr.wroc.pl
摘要。在大多数高度发达的国家，都有一些标准用于消除对外隔板绝缘系数的要求，同时也有适当的计算机程序对两者都适用。 测量设计建筑物的热损失，计算建筑供暖和通风所需的电能和热能。虽然这些程序可以计算但在设计建筑的后期，它们无法确定建筑的最佳形状。除了影响建筑工程生态和人体工程学价值的其他因素外，建筑物的形状本身可以显著地降低建筑的建造和维护费用。建筑物的形状对能源效率是非常重要的。采用平生态和人机工程学标准解决建筑空间问题。这些因素应早在设计初期，即视觉上的设计阶段就开始考虑。这个物体的概念正在发展。对于不同形状的物体，具有相同的平面面积和相同的外隔板的绝缘质量，这些分区的面积可以是可变的。不同的是，建筑所需的建筑材料的数量，以及其维护所造成的热量损失也会有很大的不同。
关键词：建筑，生态学，人机工程学，经济学。
1 介绍
近年来，限制二氧化碳向大气排放的政策要求改变了人们对设计建筑物形状的态度。减少从非可再生能源中获取的能源，如天然气、原油或煤炭，而使用太阳能、风能、水力发电或地热能等可再生能源，对当代经济来说正变得越来越重要，并间接影响着建筑的形状。
使用替代能源的系统现在已作为一种大规模产品在市场上出现，并逐渐变得更便宜。据说，由于设计师的广泛探索，其有效性已经过了几年的检验，从节能和使用可再生能源的角度出发，已经制定了一些关于建筑形状的稳定原则。从节能和可再生能源的角度来看。本文的目的是收集这些基本规则，以便在整个建造过程的设计阶段就能尽早开发出最优的建筑形状。
- Stephanidis和M.Antona(Eds.)：UAHCI/HCII 2013，第一部分，LNCS 8009，第339-347页，2013年
施普林格出版社柏林海德堡2013.
2节能建筑的设计原则
对于使用太阳能的典型建筑，我们可以制定一些有关设计过程的基本原则，例如：
·该建筑是用环保材料建造的，这些材料很容易被生物降解或回收利用；
·该建筑是用邻近地区现有的材料建造的，从而降低了运输成本；
·该建筑是用消耗很少能源的材料建造的，这有助于降低制造成本；
·外隔板保温系数高，将热损失降低到最小。
其他原则确定建筑物的形状，例如：
几何建筑；
·建筑功能按阳光照射分布；
·玻璃空间，如冬季花园，面向南方；
·根据日照量，适当大小的窗户；
·保护高地和房间不受过度阳光照射；
·适当选择太阳能系统。
3建筑形状的几何学
很明显，对于相同的建筑面积，人们观察到：建筑物的周长和外部隔墙的面积越小，建筑的构造和维护费用就越低。如果要建造一座单层建筑，如果建筑是以圆形规划为基础的，那么就可能实现外围最小化。每当圆被扩展到同一区域的椭圆时，我们最终会发现，相对于圆的外围，椭圆的外围要大一些。
当涉及到同一区域的一个常规八边形时，它的外围只会增长2.5%，与圆周的边缘相比。多边形的边越少，其外围越大。越多的边，使得多边形看起来更像一个圆，导致它的外部边缘较小。同一地区的建筑，按正方形规划，总面积为1。外围比圆形大12.5%。如果这座建筑越来越多地变成一个长方形，那么外墙的长度就会越来越大。
当涉及到一个建筑在一个规则的三角计划上，其墙壁外围将比圆形建筑周长长28%。如果一角生长，周边墙壁也会长出来。当我们到达直角等腰三角形的形状时，外墙的长度将比圆周大36%。
从理论上讲，圆形是一个理想的图形，因为它的外部墙的边缘最小。与同一区域的其他几何图形相比， 并在多年的建筑活动中，在许多不同的文化和不同的大陆上，圆形建筑的优势得到证明。如因纽特人的住宅---冰屋， 亚洲的蒙古包等。
图1.同一区域基本几何图的外周边生长（来源：作者2012年12月附图）
在当代文明中，房屋通常是用长方形的平面图建造的，这主要是工业化制造的结果，因为它很容易使简单、重复和平等的建筑元素以及内部毛皮制品的大量生产变得容易。制造一个矩形承重梁，以及一个矩形床或衣柜比制作一个不典型的圆形床，一个模制衣橱要便宜得多。此外， 钢梁或弯曲钢结构梁，更容易将矩形构件组合在一起，从而构成更复杂的功能结构。此外，也不可能设计出每一个构件。 由于建筑用地的尺寸和形状，以及住宅建筑的功能和可用性，不可能设计出圆形计划中的每一栋建筑。
图2.矩形剖面的几何缺陷(资料来源：作者2012年12月绘图)
比较同一区域的两个矩形布条，可以很容易地观察到越来越多的雕刻计划对外立面长度的影响，从而导致建筑和能量损失的增加，建筑的机翼成本和建筑中的能量损失在同一区域的两个矩形中(图2)，设计了3个凸起或凹陷的壁板，外部墙的长度增加了57%，这导致了建筑外围面积的增大，数学可以被看作是“矩形投影的几何缺陷”，并通过适当的数学公式来描述。
外部分区的面积如何增长，可以很好地说明另一个8个立方模块的例子，与这些立方体的排列有关，该地区建筑墙体、地板和天花板，以及由于投资成本本身和后来的加热成本，当这些小块被安排为单一的、独立的对象时，它的加热成本甚至会增加两倍。
- Skowronski
图3.外部分区的面积如何与建筑模块的布置有关(资料来源：作者12月20日的图)
总而言之，应该承认，为了减少建造建筑物所需的能源成本，并在其后数年进行维修，直至循环再造阶段为止。 即使已经磨损，建筑的最佳形状应该被理解为一种简单而紧凑的形状，它可能看起来像半球(圆顶)或矩形盒子，其比例类似于立方体。 很明显，上面的反射只涉及这样的问题，如建造时的能耗和维护时的节能。 然而，那些建筑方面，如功能和审美价值，以及居住在一个独特而美丽的地方的用户的满意，还没有被讨论过。吴的灵感来自于“简单就是美丽”的理念，我们不需要复杂的建筑形状，也不需要让它看起来很奇怪，因为这可能会导致成本的增长，矛盾的是，这也是一种审美上的损失。
4 建筑中的功能分布
在设计节能型建筑时，要根据地理方向合理地布置可用区域，为了达到这个目的，应该考虑以下几点建议：
·人们停留时间最长的房间，需要最高的温暖舒适度，应该位于阳光最大的南边、东侧和西侧；
·北侧附属房，温度较低，应设置为一种热缓冲(在独立的房子里：地下室车库、储藏室、更衣室、锅炉房、洗衣房等)。
为Mostostal Warszawa S.A.[2]公司编写一份研究报告的专家组根据其地理方向确定了住宅的最佳尺寸：
·南面、东面和西侧的房间不得超过5.5米；
·北侧的房间不超过3.5米。
5 南侧的琉璃立方空间
节能建筑的特色之一是冬季花园或温室，它们位于阳光最充足的一侧。
在现有建筑物中，这些空间大多是在原有建筑形式中增加的立方体空间，而在新设计的建筑物中，冬季花园功能可以成为整个建筑的组成部分。温室功能可以带来一些好处，例如：
·南部海拔高度的热缓冲层，它是受阳光照射最多的地方；
·在冬季，特别是在晴天，它捕获并吸收太阳能。
图4.从花园里的房子到“房子里的房子”的概念
然而，在夏季，冬季花园可以加热超过需要，因此有必要将提供一个适当的遮蔽和通风系统。
温室的概念非常接近“房子中的房子”的概念，这个有趣的解决方案可以用立陶宛的一个例子来描述，这里是一座中世纪的建筑，还有周围的土地。 它由一位银行持有人拥有，离维尔纽斯不远。该公司的建筑师G.Naktevictusamp;Parts-ner修复了这座旧建筑，并用玻璃立方体覆盖了它[3]。
6电梯窗口的大小
波兰气候温和，夏季和冬季的温差可高达60摄氏度，日照量约为4500小时，夏季约8周气温高达32摄氏度，而在冬季，夜间气温降至零下30摄氏度。在白天约6周的时间里，可以观测到广泛的云层，这实际上使其不可能出现。 在分析了前面提到的华沙一家建筑公司的专家小组所做的研究结果后，我们可以得出结论： 像这样的最佳窗口大小如下[2]：
·南立面：海拔高度的50%；
·东西部高地：高达30%；
·北面海拔：高达25%。
关于窗口的其他建议有：
·安装南方、东方和西方影子系统的义务；
·窗的最小热穿透系数：U=1.0W/M2K。
7 防晒
除了在冬天获得太阳能外，建筑物在夏季还应受到阳光的保护。为了减少太阳光的含量，应考虑生物磷。 艺术是一种自然和生态的解决方案。它通常会在南侧种植一棵树和一只爬行者在墙上长大，他们会在夏天给建筑物投下阴影 秋天落叶落下来，阳光就很容易到达，保护海拔高度不受过度加热的影响，可以通过各种百叶窗实现更多或更少的自动化。 安装在建筑物上的永久外部百叶窗，直至复杂的智能可移动百叶窗或滚筒双压头。这些自动校准的可移动系统用于遮蔽吊臂。 但这只是对整个建筑形式的技术补充，本身并没有提供这样的保障。
为了防止建筑自然过热，建筑师可以从南、东、西设计突出的屋顶、拱廊或阳台，作为一种被动的解决方案。 冬季太阳光线的角度与夏季不同，因此，在设计建筑物时，应该预测出暴露在阳光下的弧形。屋檐或深阳台设计提供一种被动式的保护，以抵御过度的阳光，在这里的冬天。使太阳的光线有可能穿过。
图5.建筑物的防过度阳光防护(资料来源：作者的图2012)
在上釉的建筑物中观察到过多的能量可能会导致更多的能量用于夏天的建筑物的冷却而不是冬天的加热。在这种情况下，一种温室效应可以通过使用坚硬的玻璃表面来限制，也可以通过使用低排放玻璃来限制，但是，这是有负效应的，即热风加速产生的噪音。非常高的建筑物有一些特殊的系统用来降低空气的速度，这主要是通过将气流分成几个部分来实现的。理论上，热风之间的自然流动。 双层外墙的玻璃可以用来驱动风力涡轮机，从而产生电能。
图6.在温室和高楼中，人们可以使用玻璃间的热风(资料来源：作者12月20日的画)
8太阳能系统
例如，就所使用的组装方法而言，太阳能系统可分为：
·添加剂，即可组装到现有建筑物的液体集热器或光伏集热器；
·活动，即太阳后旋转--主要是在屋顶或建筑物附近的地面上安装光伏收集器；
·与建筑形式相结合，主要是在建筑物的屋顶和建筑物的屋顶上建造的光伏电池——这些执行保护功能，取代了外部的分区。
每提到一定程度的类型影响建筑外观，添加剂和活性收集器是最明显的，在这些不同的部门中，这些collctor被集成在一起，并可能创造出有趣的视觉效果。
至于地热能收集系统，这些系统不会影响建筑物的形状。地源热泵需要的是足够大的面积来安装管道系统。 在地上。至于那些对建筑外观空气源热泵的影响有限，外界空气通过百叶窗的标高。
形势的变化，当能量从风中获取。这种情况在Polandthere有很多的限制，由于法律要求保护自然环境，事实上，不允许安装任何涡轮机，即使这些涡轮是在较低的杆子上安装的。因此，风力发电站只允许在没有噪音的空旷地区安装风力发电站，因为噪音和风力发电站本身可能会对景观产生负面影响。
9 结论
当代对节能方法的认识使得合理设计建筑成为可能，考虑到建筑的成本效益和能源需求，不幸的是，在设计过程的最后阶段，当构建器几乎完全被设计出来时，这个因素往往没有被检查。 维修费用，特别是冬季取暖和夏季冷却的费用，必须采用一些非常昂贵的技术解决办法。然而，为了降低这些成本，人们往往应该在设计过程开始时，应分析以下几个问题：
·建筑的几何形状；
·按照适当的方向，适当地分配建筑物内的功能：适当的东部、南部等；
·使设计南面的玻璃空间成为可能；在每一种海拔高度上，窗户的尺寸都是适当的；
·保护南部、东部和西部高地不受过度阳光照射；
·选择适当的太阳能系统。
考虑到能源危机和普遍的经济衰退，以及社会的成长意识，建筑的投资者和使用者越来越重视建筑工程的人体工程学、化学等方面。建筑的质量不仅仅是建筑的外部形式，更幸运的是，没有人能做到这一点。 定义了各个因素对建筑质量的影响，并确定给出的解决方案中哪一个是最重要的：形式、功能、经济生态。然而，要做到这一点，是要向建筑师提供支持，并阻止他们将建筑的空间模型变得过于复杂，除非它是强有力的、合理的。
参考文献
I.Dudzik，P.，Kozniewski，E.：建筑物的几何因素
西里西亚理工大学第19届会议，地球科学与科学计算机2012，Ustron(2012)
2。Podpora，E.，萨辛，T. Szymariska Rzeznik，K.，它Ach、J：城市建筑标准设计mbj2030明天-形状的假设，标准后高度和外部partitionsof建筑 莫斯托尔·华泽，沃索(2010)
3.http：//www.na
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