拉薩市附加陽光間式住宅建筑被動式優化設計研究

李 恩，楊 柳，劉加平

（西安建筑科技大學建筑學院，陜西 西安710055）

拉薩市平均海拔為3 658 m.年平均氣溫為7.8℃，最熱月七月的平均溫度為15.5℃，最冷月一月的平均溫度為–1.6℃[1].拉薩氣候具有典型的高原城市氣候特征．太陽輻射強烈，空氣潔凈，氣壓低，空氣含氧量低，氣溫日較差大，冬季平均溫度并不是很低且采暖期長[2]．當地自然資源匱乏.資料表明[3-5]，拉薩居住建筑建設規模在城鎮化背景下正在大規模迅速提高，當地居民的生活水平與方式逐步向內陸經濟發達城市靠攏．城市建筑采暖能耗增加有不可避免的趨勢．在當地自然條件與社會經濟條件的雙重約束下，居住建筑利用高效被動式太陽能系統來緩解冬季采暖能耗大幅提高是當地避免能耗無序增長，實現可持續發展的途徑之一．

對于拉薩民用建筑熱環境設計與節能設計問題的研究，國內多位學者從不同角度做出了大量工作．文獻[6]分析了西藏太陽輻射對于室內供暖負荷的影響，解決了藏區供暖設備符合匹配與選擇問題.文獻[7]以藏西南地區為目標，通過對建筑外墻的穩態與動態傳熱計算的數值分析，解決無輔助熱源太陽能采暖的應用可行性問題．文獻[8-9]解決了室外綜合溫度對拉薩實體外墻傳熱的不同影響問題．文獻[10]詳細論述了太陽輻射對于當地朝向修正系數的影響，解決了熱工計算時的設計精度問題．

總體而言，拉薩民用建筑熱環境與節能設計研究目前已有成果大多以圍護結構的熱物理性能、熱工設計控制指標及圍護結構傳熱優化算法作為主要研究對象，提出了對應的圍護結構熱工設計方案或者更精準的熱工計算方法．研究結果對控制當地冬季采暖能耗做出了巨大貢獻．各項研究為本研究提供了一定的啟示與思路．然而，目前還沒有研究從建筑空間設計角度出發，結合圍護結構熱工性能對拉薩居住建筑進行被動式優化設計．本研究以拉薩附加陽光間式住宅為對象，綜合建筑戶型設計各項要素與圍護結構熱工設計要素進行被動式優化設計分析，研究結果能給當地此類居住建筑設計提供具有實際操作意義的建筑節能設計指導建議．

1 拉薩市集合式住宅建筑熱環境測試概況

由于特殊的地理氣候條件，以及社會、經濟等原因，拉薩高層建筑相對較少，城區的住宅類建筑大致分為兩種：集合式單元房和連排式別墅.拉薩常見的集合式住宅類型為四層三個單元，每個單元一梯兩戶的類型.連排式別墅指當地政府一項名為“安居苑”的福利性工程.連排式住宅建筑多數為兩層小樓附帶一個院子，建筑面積在 200 mm2以下．

前期調研表明，當地城鎮居住建筑在建造時一定程度上依靠經驗采用了被動式太陽能設計的某些手法．然而在使用過程中依然存在各種問題．本文的研究對象是當地城鎮住宅中分布較廣的附加陽光間式住宅，作為對比，另選取一戶直接受益窗式住宅進行對比測試分析．

1.1 測試簡介

課題組針對拉薩及周邊地區的居住建筑進行了持續的研究．2007～2015年期間多次對拉薩市進行居住建筑熱環境的現場測試與問卷調查．測試對象分為：農村獨院式住宅、市區集合式住宅以及聯排式別墅“安居苑”．實地測試內容包括室內外溫濕度測試、太陽輻射強度測試以及房間壁面溫度測試．問卷調查的主要內容包括建筑時間，常住人口，建筑面積，熱感覺，服裝熱阻，房間熱環境評價與建議，以及今后隨著經濟收入的增長，居民對居住環境的更高要求等信息．由于本文關注重點所限，文章以兩戶城鎮集合式住宅為例介紹其冬季的室內溫濕度測試情況．

1.2 測試結果分析

兩棟建筑均朝南向，磚混結構.住宅 A建成于1990年，外墻為450 mm厚石磚，無保溫，內墻為210 mm厚石磚．住宅B建成于2001年，屬于拉薩典型的單元式住宅建筑，其外墻采用240 mm厚實心混凝土砌塊，無保溫層，兩戶均未采暖．

住宅A和住宅B的測試時間為2009年11月22日上午 11:00至11月24上午 11:00. 圖1為兩戶住宅的戶型圖及溫度測試結果．兩戶室內溫度的測試結果中的數字序號（如No.5）為溫濕度記錄儀的編號，在圖1相應的戶型圖中對應的位置放置．由室內溫度的對比分析可知， 住宅A和B的室內熱環境差別較大．住宅A在測試期間的室內平均溫度測試結果羅列如下: 記錄儀No.5（南向） 9.82 ℃；記錄儀No.4(北向)，7.49 ℃．同期住宅B的測試結果為：記錄儀 No.1(南向)，16.91 ℃；記錄儀 No.2(南向)，15.03 ℃；No.6(南向)，14.38 ℃；No.3(北向)，13.32 ℃；No.13(室外)，4.38 ℃．

由戶型圖可以看出兩戶都采用了一定程度的被動式太陽能利用手段.但是兩戶的北向房間室內溫度都偏低，室內熱環境有待改善．住宅B相對較新，屬于拉薩市現有城市住宅的典型代表，直接受益窗、陽光間的設計以及新型建筑材料的使用對改善住宅B的室內熱環境有較為明顯的作用．而住宅A建造時間較久，沒有陽光間的設計，南向得熱面相對較小，室內溫度相對較低．

圖1 測試住宅信息：Fig.1 Housing measurement information：

2 附加陽光間式太陽房被動式設計要素對室內熱環境影響分析

在實際建筑設計流程中，空間設計是其中的主要內容.同時，圍護結構的熱工設計是影響建筑能耗的重要因素．本文從建筑空間設計與圍護結構熱工性能設計兩方面討論附加陽光間式太陽房的被動式設計要素對冬季采暖能耗的影響．

2.1 計算模型介紹

圖2 計算模型標準層平面圖Fig.2 Standard floor plan

基本模型由拉薩市常見的單元式住宅為例生成，共4層，層高3 m，南向外墻窗墻面積比0.58，北向0.18，體型系數0.36．圖2為基礎模型標準層平面圖．計算戶型為圖中白色標示戶型，如圖示，計算對象在建筑內部，戶型左右及上下均與其他戶型拼接．模型的構造形式如表1所示．文中如無特殊說明，計算模型無保溫，朝向南向．

表1 基礎模型構造Tab.1 Configuration of basic model

2.2 附加陽光間式住宅單體建筑設計要素分析

影響被動式太陽房冬季采暖能耗的因素有很多，包括：室外空氣溫度，太陽輻射強度，建筑平面布局，建筑外窗類型與窗墻面積比，外圍護結構熱工性能等．如果對以上所有因素之間的相互影響同時分析，則排列組合太多，計算量太大，無法確定最終結果．為簡化計算，上述要素可以簡化為建筑自身基本參數，包括：建筑設計要素如建筑朝向、陽光間進深、開間進深組合設計；以及圍護結構熱工設計要素如外窗材質、圍護結構保溫性能等．

本文模擬工具采用日本THERB軟件．THERB是計算室內溫濕度，熱負荷及評價室內熱環境等的動態計算軟件，已經過日本建筑協會及日本國土交通省制定的關于日本住宅環境品質確保與促進法規的認定[11-12]．軟件設定如下：計算步長為1h，通風狀況為所有房間 0.5次/h，內外表面換熱系數分別為8.7 W/m2K與23 W/m2K，采暖房間為圖2中Room1-Room7，陽光間不采暖．

計算分析拉薩采暖期內各模型的采暖能耗，拉薩采暖期為 130 d，但為便于計算，采暖周期采用整數月，即11月1日到2月28日不間斷采暖.室內設定溫度為18℃，室外參數采用文獻[13]．

2.2.1 采暖能耗隨建筑朝向變化規律分析

實地調研表明當地基本上所有的住宅建筑均朝南向，這樣對太陽能采暖非常有利.然而隨著當地社會經濟的發展及城市化進程的推進，拉薩很有可能跟其他城市一樣面臨市區土地緊缺的問題，因此本文針對建筑朝向與采暖期能耗的關系進行模擬分析．表2為朝向計算模型的基本信息．

表2 朝向計算模型信息Tab.2 Aspect models information

按照朝向每 15°設置一個模型，模擬共設置24個模型.朝向0°為正南向，90°為正西向，180°為正北向，270°為正東向.圖3為計算結果．

如圖3所示，在正南，正西，正北，正東四個朝向中，正南向的采暖季能耗最小．正北向模型的能耗大于正南向，小于正東、正西向.這是由于在正北向模型中，原本朝向北側的外窗變為朝向南方．與正東正西模型相比，建筑能夠接收太陽直射輻射的外窗面積相對較大．

模擬結果顯示，當建筑物朝東西兩個方向時，建筑的采暖能耗明顯增加.意味著今后面臨土地資源限制時，若戶型設計必須朝東西向，則建筑物應當對戶型及圍護結構的熱工性能進行專門設計以應對朝向帶來的能耗問題．

圖3 不同朝向陽光間模型的采暖能耗模擬結果Fig.3 Simulation result of heating consumption in different orientation of Sunroom models

2.2.2 采暖能耗隨陽光間進深變化規律分析

通常住宅建筑設計中，陽光間也被稱為南向封閉陽臺．在建筑空間設計中，陽臺的功能較為豐富，例如景觀，采光空間等等.從建筑設計角度，滿足其使用功能要求是第一位的．同時陽光間作為被動式設計的一個關鍵集熱構件，獲取太陽能是其設計要求的重點．陽光間的進深設計除了會影響其使用功能外，也會影響集熱效果.本文對陽光間的進深設計對采暖能耗的影響進行模擬計算分析．.

圖4為兩個不同進深陽光間模型的示意圖.圖4（a）為陽光間進深0.6 m的模型，圖4（b）為陽光間進深2.4 m的模型．表3為不同進深陽光間模型的基本信息，本計算案例中共有5個陽光間進深計算模型.其中陽光間進深 0 m案例意為沒有陽光間設計，戶型呈現直接受益式太陽房形式.建筑模型的熱工設定在前文及表格3中已有說明．

圖4 陽光間進深模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of the sunroom depth models：

表3 陽光間進深計算模型信息Tab.3 Information of sunroom depth models

圖5 陽光間進深模型計算結果Fig.5 Simulation results of sunroom depth models

圖5為模擬計算結果.如圖所示，與陽光間進深為0的模型（直接受益式模型）相比，陽光間模型的能耗相對較?。柟忾g模型之間對比，隨著陽光間進深增大，采暖季計算能耗呈現增大趨勢．因此從建筑采暖能耗削減角度考慮，陽光間的進深尺寸越小越好．然而陽光間作為一個建筑空間有其固有的建筑功能，因此在滿足使用功能的前提下，陽光間的進深應該控制為較小的尺寸．在本文計算案例中，進深1.2 m與1.8 m為較適宜的進深尺寸．

2.2.3 采暖能耗隨戶型開間進深組合設計變化規律分析

在相同面積下，建筑平面布局可以由不同的開間進深組合而成.在建筑空間組合理論中，大進深設計被認為能夠節約土地資源.在建筑節能理論中，定性分析，不同的建筑形體設計有不同的南向太陽能集熱面積及不同的南、北向失熱面積.因此，增加面寬對于建筑節能而言，既有積極影響，又有消極影響．為了更清楚的了解建筑平面設計中的面寬進深組合設計與其采暖能耗之間的關系，圖6展示了三個平面布局組合的模型，表4為模型信息．

圖6 相同面積下不同開間進深組合模示意圖Fig.6 Different unit shape design for attached sunroom models with same layout area

表4 戶型開間進深組合模型信息Tab.4 Information of layout models

計算結果如圖7所示，在前述計算條件下，大進深單元的采暖能耗最低．但模型間差異較小，能耗最低值大進深單元與能耗最高值大開間單元相比，采暖能耗減少量為8%.考慮到在建筑學理論中大進深設計能夠相對節約土地．因此建議在戶型設計中采用大進深設計.需要說明的是，計算結果基于主要房間全采暖設計，在無采暖情況下，北向房間的熱環境很差．在進行大進深戶型設計時應尤其注意這一點．

圖7 開間進深組合模型采暖能耗計算結果Fig.7 Simulation results of different unit shape design models with same area

2.3 附加陽光間式住宅單體圍護結構熱工設計要素分析

2.3.1 采暖能耗隨外窗材質變化規律分析

建筑圍護結構中的透明部分是建筑物獲得太陽直射輻射的主要來源，同時外窗也是建筑失熱的主要途徑．外窗的材質不同，其熱工性能有較大差異，為了得到外窗材質對拉薩居住建筑的能耗影響，本文針對外窗的類型進行模擬分析．表5為單玻、雙波與low-e窗3種不同外窗構造模型的基本信息．圍護結構其他熱工性能及建筑模型信息已在3.1節中論述．

表5 外窗材質計算模型信息Tab.5 Information of windows materials

圖8 外窗材質模型采暖能耗計算結果Fig.8 Simulation results of windows materials models

圖8為計算結果，如圖所示，三個計算模型的采暖季能耗差別較大．單玻窗的熱工性能最差，其采暖季的采暖能耗最大．low-e玻璃模型的能耗最小．最大值為最小值的約1.5倍.雙玻窗的能耗為中間值，且其與low-e窗能耗差別相對較?。?/p>

3.3.2 外墻熱阻與外窗材質綜合作用下的建筑采暖能耗變化規律分析

在一般的建筑熱工設計中，實體墻的保溫性能是影響建筑采暖能耗的重要因素之一．本節結合外窗類型及外墻保溫性能的共同作用，模擬計算在兩者共同作用下模型的采暖能耗變化規律.表6為外墻熱阻與外窗類型的計算模型基本信息．其他計算條件同前．

表6 外墻熱阻與外窗類型模型信息Tab.6 Information of external wall thermal resistance and windows types models

圖 9為模擬計算結果.從圖中明顯可以看出無論是單玻窗、雙玻窗還是low-e窗模型，外墻保溫層0～2 cm時，建筑的采暖能耗均有明顯的下降．且隨著保溫層厚度的增加，能耗越來越小.但是各組中能耗差最大的兩個模型均出現在保溫層0～2 cm變化時．隨著保溫層厚度的增加，節能率的增幅越來越小．說明對于當地居住建筑節能設計而言，對于外墻保溫設計，第一步應該解決從無保溫設計到有保溫設計的情況．

圖9 外墻保溫與外窗材質組合模型采暖能耗計算結果Fig.9 Simulation results of the thermal resistance and windows material models

三種外窗類型組別之間能耗進行對比，單玻窗模型明顯大于雙玻窗模型與low-e窗模型.總體來講low-e組各個模型能耗相比較另外兩種外窗材質組的對應模型來說，能耗最小．分析外墻熱阻相同條件下外窗材質對能耗的影響可知，外窗類型由雙玻窗變為low-e窗的節能量小于由單玻窗變為雙玻窗時的節能量．考慮到low-e窗的實際成本問題，當地建筑節能策略在外窗上第一步應該表現為先將單玻窗換為雙玻窗．

最后，需要說明的是，文中的所有計算結果基于前文的設定條件．其中，模擬戶型位于中間樓層的中間位置對于建筑能耗的影響較為重要．如果計算對象為建筑的端頭或者頂層及底層，計算結論將會有所差異．另外，由于實際條件的限制，文中的模擬計算結果無法與當地實際建筑采暖能耗進行對比分析．但是通過對基本模型進行采暖能耗的穩態計算對比分析，計算結果與軟件模擬趨勢一致，模擬結論是可靠的．

3 附加陽光間式太陽房被動式設計要素優化效果對比對分析

3.1 附加陽光間式太陽房模型被動式設計要素優化方案

實際住宅建筑設計項目中，戶型千變萬化，影響要素繁多，面臨的矛盾各不相同．很難通過針對某一數字模型的優化描述來確定住宅建筑的節能設計最優方案．但是在目前我國大多數建筑設計院的設計流程中，影響建筑物單體設計的各項要素總有改善的余地，結合文章第三節的研究內容，分別建立兩個附加陽光間式太陽房計算模型，對文章研究內容進行采暖能耗節能效果驗證分析．基礎模型為3.1節中描述的基本模型.以文章第三節內容為依據進行基礎模型的能耗改造設計．改進方案如下：依照實地調研的情況，建筑朝向不做變動；陽光間進深由1.5 m減小至1.2 m．考慮到當地的單元式集合住宅并未采用能耗大的大開間設計，因此，開間進深組合設計保持不變.外窗材質方面，考慮到當地的經濟承受能力，將基礎模型中的單玻窗優化為雙玻窗.外墻熱阻方面，基于同樣的考慮，采用計算案例中2 cm保溫層的做法．

3.2 節能效果驗證對比分析

為了驗證優化模型的改善效果，對兩個模型進行對比分析．采暖期等各項計算參數同3.1節所述，在此不再重復．

在計算條件下，模擬結果如下：原模型的采暖季采暖能耗為1 024.7 kWh，改進模型的采暖季采暖能耗為551.7 kWh.改進模型與原始模型的采暖能耗對比減少了 54%.計算結果表明上述能耗改進方案能夠大幅降低建筑的采暖能耗．應該在當地的陽光間式住宅建筑中推廣．

4 結論

通過上面的分析，對于拉薩市的多層居住建筑可以得到以下幾個結論：

（1）拉薩市住宅建筑朝向能夠大幅影響建筑的采暖能耗.南向是建筑節能的最有利朝向；若無法朝南，需要進行額外的節能設計；

（2）在南向陽光間進深設計中，有陽光間設計明顯比同等條件下無陽光間設計有利于節能.同時，隨著陽光間進深的增大，建筑能耗有增大趨勢．考慮到陽光間的功能，1.2 m進深比較合適；

（3）在相同面積下，大進深設計比大開間設計更有利于節能.但是各個模型之間能耗差別不大；

（4）外窗熱工性能的改善能夠有效降低建筑采暖能耗.建議不再使用單玻窗；

（5）外墻熱工性能研究表明，有無外墻保溫對于模型的采暖能耗差有重要影響.有保溫設計能夠明顯降低采暖能耗.同時隨著保溫層的增厚，模型間的能耗差越來越小.說明當地保溫設計的第一步應該是從零保溫層到有保溫設計的推進方式．

最后，由于篇幅所限，本文只進行了拉薩市常見的居住建筑中的一種類型的模擬計算，并且只進行了附加陽光間式太陽房的設計要素優化分析，對于其他類型的居住建筑的被動式優化分析，將在今后的研究中進行．

References

[1]楊柳,朱欣榮,劉艷峰,等. 西藏自治區《居住建筑節能設計標準》編制說明[J]. 暖通空調,2010(09):51～54.YANG Liu, ZHU Xinrong, LIU Yanfeng, et al. Review of design standard for energy efficiency of residential buildings in Tibet autonomous region[J]. HV&AC. 2010(09):51～54.

[2]LI En, AKASHI Yasunori, LIU Jiaping, Design methodology of energy saving building in developing cities—the geography, climate, society and indoor environment of Tibet[J]. Journal of Habitat Engineering, 2009,1(1):125～134.

[3]LI EN. Passive design strategy on residential buildings for sustainable development of Lhasa[D]. Fukuoka: Kyushu University, 2013.

[4]拉薩市統計局. 拉薩統計年鑒2009[M]. 北京：中國統計出版社，2010.Bureau of Statistics of Lhasa. Lhasa statistical yearbook 2009. Beijing: China Statistics Press, 2010.

[5]拉薩市統計局. 拉薩統計年鑒2010[M]. 北京：中國統計出版社，2011.Bureau of Statistics of Lhasa. Lhasa statistical yearbook 2010. Beijing: China Statistics Press, 2011.

[6]王磊．西藏地區被動太陽能建筑采暖研究[D]．成都：西南交通大學，2008.WANG Lei. Study on the passive solar heating building in Tibet[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2008.

[7]肖偉．藏西南邊遠地區直接受益式太陽能采暖研究[D]．北京：清華大學，2010．XIAO Wei. Study of the direct gain solar heating in remote southwest Tibet[D]. Beijing : Tsinghua University, 2010.

[8]李恩．太陽能富集地區居住建筑墻體節能分析與構造優化[D]．西安：西安建筑科技大學，2008．LI En. The energy saving analysis for residential building walls and optimization of solar energy reception of structures in areas of high exposure[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2008.

[9]桑國臣．西藏高原低能耗居住建筑構造體系研究[D]．西安：西安建筑科技大學，2009．SANG Guochen. Study on construction system of low energy consumption residential buildings in Tibet Plateau[D]. Xi'an: Xi'an University of Architecture and Technology, 2009.

[10]王東．西藏節能居住建筑圍護結構傳熱系數的修正系數研究[D]．重慶：重慶大學，2006．WANG Dong. Research on correct factor of envelope k factor for energy efficiency resident building in Tibet [D].Chongqing: Chongqing University, 2006.

[11]OZAKI A, WATANABE T, TAKASE S.Simulation software of the hydrothermal environment of buildings based on detailed thermodynamic models[C]//eSim 2004 of the Canadian Conference on Building Energy Simulation.Vancouver (Canada): CANMET Energy Technology Branch, 2004.

[12]OZAKI A, WATANABE T. Simulation software to describe the thermal environment of residential buildings based on detailed physical models [C]//eSim 2001 of the Canadian Conference on Building Energy Simulation.Vancouver (Canada): CANMET Energy Technology Branch, 2001.

[13]GB50736-2012 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范[S]. 北京. 中國建筑工業出版社, 2012.GB50736-2012 Design code for heating ventilation and air conditioning of civil buildings [S]. Beijing: China Architecture Industy Press, 2012.