南陽臺設(shè)計對夏熱冬冷地區(qū)住宅能耗影響研究
——以合肥市為例

文／曹 賡 安徽建筑大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院 碩士研究生

引言

陽臺設(shè)計與戶型設(shè)計形影相隨，隨著戶型設(shè)計的變化而變化。在戶型設(shè)計演變中，住宅陽臺在數(shù)量上從無到有，從單個到多個，面積不斷變大；在形式上出現(xiàn)不規(guī)則陽臺、曲線陽臺等多種形式陽臺；在功能上出現(xiàn)入戶花園、陽光房、空中庭院等多種功能陽臺[1]。但這些變化多是從陽臺功能需求和形式美角度出發(fā)，很少關(guān)注其對住宅能耗的影響。

針對陽臺對住宅能耗的影響，國內(nèi)外的部分學(xué)者已有過類似研究。國外學(xué)者Faezeh Babaee①等在伊朗寒冷氣候條件下對不同封閉陽臺的進深、平面形式、剖面形式及窗材質(zhì)等進行對比，得出最佳方案可以節(jié)約能耗約46%[2]；Du?an，Ignjatovi?②等詳細(xì)介紹了在貝爾格萊德地區(qū)通過封閉陽臺作為一種有效節(jié)能措施的典型住宅案例[3]。國內(nèi)學(xué)者趙群等通過實測住宅陽臺熱環(huán)境，結(jié)合軟件模擬，探討嚴(yán)寒條件下北方住宅的位置、體形、構(gòu)造做法等對其內(nèi)部和相鄰房間熱環(huán)境的影響[4]；孔俊婷等通過軟件模擬天津市居住建筑陽臺能耗，分別從陽臺進深、分割方式和平面形式三方面進行對比，并提出北方居住建筑陽臺優(yōu)化設(shè)計方案[5]；劉加平等通過冬季現(xiàn)場調(diào)研與熱環(huán)境測試表明，合理設(shè)置封閉陽臺作為緩沖空間能明顯改善拉薩市居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境[6]。上述研究主要集中在嚴(yán)寒地區(qū)和寒冷地區(qū)，但建筑能耗控制與其所處的地域氣候條件息息相關(guān)，目前針對夏熱冬冷地區(qū)陽臺對住宅能耗影響研究相對較少。李波等討論了夏熱冬冷地區(qū)開敞陽臺與封閉陽臺的區(qū)別，并提供一種陽臺節(jié)能的設(shè)計方案，但未能量化陽臺對住宅能耗的影響[7]。因此，以夏熱冬冷地區(qū)典型城市合肥市為例，定量分析夏熱冬冷地區(qū)陽臺設(shè)計對住宅能耗的影響是本文研究的目的和意義所在。

1 夏熱冬冷地區(qū)住宅陽臺發(fā)展現(xiàn)狀

我國集合住宅設(shè)計變遷大致可分為三個階段：住房緊缺期、福利分房改革探索期、住宅商品化時期[8]。這期間陽臺設(shè)計也在不斷發(fā)生變化，早期因住房面積緊缺，陽臺功能不受重視，僅部分住宅有開敞陽臺；改革開放時期，住房條件改善，陽臺功能得到重視，開始出現(xiàn)很多自封陽臺；再到住宅商品化時期，陽臺成為開發(fā)商“偷面積”的關(guān)注焦點，開始出現(xiàn)形式各異的陽臺[9]。與我國大多數(shù)城市一樣，合肥市的住宅及陽臺發(fā)展也經(jīng)過類似階段，文章選取合肥市各時期典型住宅案例共計60 個，進行實地調(diào)研和資料整理，并將合肥市住宅設(shè)計變遷細(xì)分為住房緊缺期（1949—1978 年）、福利分房改革探索期（1979—1997 年）、住宅商品化發(fā)展期（1998—2007 年）、住宅商品化調(diào)整優(yōu)化期（2007 年至今），分析其陽臺設(shè)計演變和陽臺設(shè)計特征（表1）。

表1 合肥市居住建筑陽臺發(fā)展概況（表格來源：作者自繪）

調(diào)研結(jié)果顯示：（1）住宅陽臺面積呈增長趨勢。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計，近五年的新建住宅中，80%戶型有兩個陽臺，陽臺面積占戶型總面積的比值在13%～15%之間，南向雙面寬陽臺越來越受歡迎，南陽臺面積集中在7～11m2之間；（2）受國標(biāo)《建筑工程建筑面積計算規(guī)范》（GB/T 50353-2013）和地方規(guī)范《合肥市控制性詳細(xì)規(guī)劃通則》（2016 修）中對陽臺規(guī)定影響，目前合肥市新建住宅陽臺以凸陽臺為主，存在開敞陽臺和封閉陽臺兩種形式，部分開敞陽臺在后期使用中業(yè)主會自行封閉。（3）在功能使用上，與其他時期相比，現(xiàn)階段陽臺除滿足儲物、晾曬等基本需求外，陽臺的景觀需求越來越受到重視。為加強陽臺景觀性能，陽臺與室內(nèi)空間分割越來越弱，陽臺開窗面積也越來越大。部分住宅立面公建化處理，封閉陽臺使用全玻璃，使得陽臺作為熱緩沖區(qū)的功能被削弱。（4）目前合肥市新建住宅陽臺差異主要體現(xiàn)在陽臺進深、陽臺封閉或開敞形式、陽臺窗墻比三個方面。

2 基礎(chǔ)模型提取與能耗模擬設(shè)定

為探究陽臺進深、陽臺開敞或封閉、封閉陽臺窗墻比對住宅能耗的影響，方案選取合肥市實際住宅項目為模擬原型，設(shè)計無陽臺模型、不同進深開敞南陽臺模型、不同進深封閉南陽臺模型、不同窗墻比封閉南陽臺模型共18 組。研究內(nèi)容包括開敞陽臺對相鄰功能空間能耗影響、封閉陽臺對相鄰功能空間能耗影響、窗墻比對相鄰功能空間能耗影響。

2.1 基礎(chǔ)模型提取和變量設(shè)置

本次模擬原型選取合肥市某新建小區(qū)獨棟住宅，該建筑11 層朝南，每層兩戶，層高2.9m，標(biāo)準(zhǔn)層如圖1 所示。為進一步直觀反映陽臺對住宅相鄰空間能耗的影響，將標(biāo)準(zhǔn)層平面進行簡化，模型假定與陽臺相鄰的客廳為封閉空間，且客廳內(nèi)墻保溫隔熱性能良好，陽臺與客廳之間根據(jù)真實情況還原通過玻璃門窗相連。本次實驗共建立18 個模型，分3 組進行實驗（表2）。表中D 代表陽臺進深尺寸，模擬時將D 值設(shè)計為0m（無陽臺）、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m 八種進深陽臺。第一組實驗為開敞陽臺不同進深模擬，第二組為封閉陽臺不同進深模擬，第三組為1.8m 進深下封閉陽臺不同窗墻比模擬。模型構(gòu)造根據(jù)實際構(gòu)造在盡量還原其構(gòu)造熱物理性能基礎(chǔ)上做適當(dāng)簡化（表3）。

圖1 某住宅標(biāo)準(zhǔn)層平面（圖片來源：作者自繪）

表2 計算模型（表格來源：作者自繪）

表3 計算模型詳細(xì)構(gòu)造（表格來源：作者自繪）

2.2 能耗模擬設(shè)定

本文模擬計算軟件選擇Energy Plus，根據(jù)《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ75-2012）、民用建筑綠色性能計算標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T449-2018）、《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（DB34/1466-2019）等相關(guān)規(guī)范規(guī)定，實驗?zāi)M參數(shù)設(shè)定如下：

（1）客廳室內(nèi)計算溫度，冬季全天按18℃取值，夏季全天按26℃取值。

（2）室外氣象計算參數(shù)采用典型氣象年，采暖期設(shè)定為12 月1 日—次年2 月28 日，制冷期為6 月15 日—8 月31 日（氣象數(shù)據(jù)來源：中國氣象局CSWD）。

（3）室內(nèi)熱擾設(shè)置：人員密度10m2/人；設(shè)備功率密度3.80W/m2；照明功率密度5.00W/m2。

（4）采暖和制冷時，室內(nèi)換氣次數(shù)為1.0次/h。供暖、空調(diào)設(shè)備額定能效比（COP）冬季取值3.1，夏季取值2.5。

（5）人員在室率、照明開關(guān)時間、設(shè)備使用率等均按規(guī)定設(shè)定。

（6）方案中使用的建筑材料熱物理性能計算參數(shù)參見《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》附表。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 陽臺進深分析

（1）開敞陽臺進深分析

開敞陽臺不同進深能耗模擬結(jié)果如圖2 所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)無陽臺的客廳夏季能耗明顯高于有開敞陽臺的客廳能耗，高出約30%。但有開敞陽臺的客廳冬季能耗則明顯高于無陽臺的客廳能耗，高出約9%。全年綜合來看，相比于無開敞陽臺，有開敞陽臺的客廳全年節(jié)約能耗約127kW·h，節(jié)能率約7%。比較陽臺進深0.3 ～2.1m 的能耗模擬情況，整體上冬季客廳能耗隨著陽臺進深而增加，夏季能耗隨著陽臺進深而減少，變化趨勢均較緩。將冬季能耗和夏季能耗相加可得全年累計能耗，從圖2 可見全年累計能耗在0.3 ～1.2m 內(nèi)呈小幅下降趨勢，在1.2 ～1.8m 范圍基本保持不變，1.8 ～2.1m呈輕微上升趨勢。

圖2 開敞陽臺不同進深全年能耗（圖片來源：作者自繪）

（2）封閉陽臺進深分析

封閉陽臺不同進深能耗模擬結(jié)果如圖3 所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)無陽臺的客廳能耗無論夏季還是冬季都明顯高于有封閉陽臺的客廳，冬季高出約11%，夏季高出約65%。全年綜合來看，相比于無陽臺，有封閉陽臺的客廳全年節(jié)約能耗約443kW·h，節(jié)能率達32%。比較陽臺進深0.3 ～2.1m 的能耗模擬情況，隨著進深增大，冬季能耗減小，夏季能耗增大，整體變化幅度不大，全年累計能耗基本不變。

圖3 封閉陽臺不同進深全年能耗（圖片來源：作者自繪）

3.2 封閉陽臺與開敞陽臺對比分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前合肥市南陽臺存在開敞和封閉兩種形式，為探究這兩種形式對住宅能耗的影響，將相同進深情況下開敞陽臺與封閉陽臺能耗進行對比，結(jié)果如圖4 所示。對比發(fā)現(xiàn)，在相同進深情況下，封閉陽臺的相鄰房間的全年能耗明顯小于開敞陽臺能耗，平均可減少能耗320kW·h，減少約23%。且將圖2、圖3對比，可發(fā)現(xiàn)相同進深情況下，封閉陽臺夏季能耗、冬季能耗均小于開敞陽臺。分析其原因，封閉陽臺除提供一個熱緩沖空間外，垂直遮陽效果要優(yōu)于開敞陽臺，因此呈現(xiàn)出夏季節(jié)能率較高的特點。

圖4 兩種形式陽臺全年能耗對比（圖片來源：作者自繪）

因此，僅從能耗角度來看,封閉陽臺要優(yōu)于開敞陽臺。但目前新建住宅中仍存在開敞陽臺,主要原因是開敞陽臺只計算一半投影面積，而封閉陽臺計算投影全面積，因此房地產(chǎn)商常常以贈送半面積形式建開敞陽臺，后期交由業(yè)主自行封閉使用。但后期自封陽臺在保溫性能和氣密性上都會有損失，達不到好的節(jié)能效果，而且還存在一定安全隱患。

3.3 封閉陽臺窗墻比

封閉陽臺圍護結(jié)構(gòu)變化主要在于窗墻比，即開窗面積與陽臺外露面積的比值。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前合肥市封閉陽臺設(shè)計上呈現(xiàn)出窗戶面積增大實墻面積減少的趨勢。開窗面積增大一方面可以增加相鄰空間室內(nèi)采光以及太陽輻射量；另一方面由于窗和實墻的不同熱性能參數(shù)，通透也會帶來大量熱損失。為了解封閉陽臺窗墻比對相鄰空間能耗影響，在1.8m 的相同進深情況下設(shè)計四種不同窗墻比封閉陽臺進行對比模擬，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 封閉陽臺不同窗墻比能耗對比（圖片來源：作者自繪）

從模擬結(jié)果可以看出，隨著窗墻比的增大，夏季客廳能耗逐漸增大，冬季客廳能耗逐漸減小，但由于夏季增大趨勢大于冬季減小趨勢，所以全年整體呈增大趨勢。將窗墻比1 與窗墻比0.4 模型相比，夏季增加能耗73kW·h，冬季減少能耗27kW·h，全年累計增加能耗46kW·h，增加約3.3%。因此僅從能耗角度來看，窗墻比越小越利于節(jié)能，但是從使用角度來看，全玻璃窗陽臺因其良好的景觀視野和采光效果更受追捧。因此在使用全玻璃陽臺時，可使用自身保溫和遮陽效果都良好的Low-e 玻璃，并且在陽臺外窗也可添加可調(diào)式遮陽卷簾等，隨季節(jié)調(diào)整控制陽臺得熱以節(jié)約能耗。

結(jié)語

針對合肥市住宅南陽臺設(shè)計對相鄰空間全年能耗的影響，得出以下結(jié)論：

（1）南向設(shè)置陽臺可明顯減少相鄰空間能耗。與無陽臺相比，開敞陽臺夏季能耗減少，冬季能耗增多；封閉陽臺冬季能耗和夏季能耗均減少。比較0.3 ～2.1m 進深范圍，開敞全年能耗在進深0.3 ～1.2m 范圍內(nèi)呈輕微減少趨勢，1.2 ～1.8m 范圍呈穩(wěn)定趨勢，1.8 ～2.1m范圍呈輕微增加趨勢；封閉陽臺全年能耗在0.3 ～2.1m 范圍內(nèi)全年能耗基本保持不變。

（2）相同進深情況下，封閉陽臺相鄰空間夏季能耗和冬季能耗均小于開敞陽臺，全年減少能耗約23%。

（3）封閉陽臺隨著窗墻比增大，相鄰空間夏季能耗增大，冬季能耗減少，全年能耗呈增大趨勢。

注釋：

①國外學(xué)者Faezeh Babaee等在伊朗寒冷氣候條件下對不同封閉陽臺進深、平面形式、剖面形式及窗材質(zhì)等進行對比，得出最佳方案可以節(jié)約能耗約46%。

②Ignjatovic，Dusan等詳細(xì)介紹了在貝爾格萊德地區(qū)通過封閉陽臺作為一種有效節(jié)能措施的典型住宅案例。