甘南藏區院落式陽光間熱性能優化分析

王維，趙敬源，王瓊

（長安大學建筑學院，西安71000）

0 引言

甘南藏區院落式陽光間是在原有的農宅建筑基礎上進行擴建，具有跨度大，進深長的特點。因此，陽光間被賦予了娛樂、會客、聊天、吃飯等其它空間具有的功能，成為當地居民冬季下午的主要活動空間，陽光間的使用方式與其它地區有很大區別。

很多研究者對于國內建筑陽光間的使用與現狀進行了分析與研究。戴亞威對農宅陽光對室內溫度影響做了模擬分析，一般的農宅陽光間可以使冬季室內主要房間溫度提升40%，但同時也會使夏季室內溫度提升8%左右[1]。李一峰，王萬江對新疆地區農宅附加陽光間的遮陽板設計進行研究，提出要根據建筑所在地的太陽照射角進行計算遮陽板長度，既要確保減少夏季陽光間接受的太陽直射以避免過熱，又要確保冬季能夠獲得足夠的受熱面積[2]。譚良斌,徐浩對香格里拉庭院式陽光間和提附加陽光間式進行了對比評估，總結了兩者的優劣勢并提出庭院式陽光間優化建議[3]。

但目前對陽光間的研究主要集中于如何作為良好的保熱空間，而對于居民對陽光間熱環境要求研究較少[4]，對具有使用功能較強的院落式陽光間研究更少。因此，工作針對甘南藏區院落式陽光間展開調研與實測，確定居民對陽光間溫度要求，并分析影響甘南藏區院落式陽光間使用時段溫度的主要因素，提供優化建議。

1 調研分析

問卷調研時間選取甘南藏族自治州最冷的一段時間，開始于為2020 年12 月19 日，結束于2020 年12 月27 日；調研走訪了臨潭縣、卓尼縣、迭部縣、瑪曲縣和合作市周邊5 處地點，在走訪過程中記錄不同陽光間布局、形狀、外觀的同時進行問卷調查。問卷的主要內容主要包括:①受訪者的背景資料如性別、年齡等;②受訪者當時的衣著與活動情況;③院落式陽光間使用時段溫濕度，黑球溫度，風速等;④陽光間使用時段的熱感覺與熱期望。

1.1 調研對象

為保證信息真實性與有效性，所有問卷均以訪談當地居民的形式進行，現場測試都于冬季典型天氣下進行。調研一共考查了甘南藏區100 戶帶有陽光間的農宅建筑，其中78 戶農宅帶有院落式陽光間。通過對78 戶帶有院落式陽光間農宅家庭發放調查問卷并進行現場測試，其中共有193 人參與問卷調查，有效問卷受訪人數共180 人，占問卷調查總數的93.3%。有效受訪者男女比例在5:4 左右，職業主要以務農與附近打工為主，共計142 人，占有效總人數的79%，符合當地實際情況?，F場測試期間，院落式陽光間均能夠正常使用，符合現場測試要求。有效受訪人員樣本基本情況見表1，陽光間樣本情況見表2。

表1 受訪者基本信息 人

表2 陽光間樣本情況

1.2 陽光間修建方式與冬季使用習慣

調研發現，當地居民農宅的陽光間絕大多數都是在原有的建筑基礎上進行擴建的，通常利用院落的東西墻作為陽光間兩側的圍護結構，北向多與客廳和臥室相連接，而陽光間南向多為鋁合金單層玻璃窗搭建而成，從而形成院落式陽光間，院落式陽光間頂部材料多為塑料板，彩鋼板，保溫板和普通單層玻璃，由于藏族居民的文化中對于白色的崇尚，同時院落式陽光間還具有較強的使用功能，因此當地居民通常鋪設白色瓷磚作為陽光間的地面構造見圖1。

圖1 院落式陽光間實景圖

當地居民多在冬季的13:00～17:00 時在院落式陽光間進行活動。在此時段內，院落式陽光間的溫度達到一天當中的最高值，并且采光性能最佳，導致當地居民在此段時間內使用頻率最高，當地居民常在此時間段內在院落式陽光間進行會客、休息、吃飯、娛樂等活動。

1.3 陽光間熱環境數據分析

通過對甘南藏區78 戶農宅的院落式陽光間熱環境測試，得到甘南藏區冬季院落式陽光間主要使用時段室內平均溫度為17.15℃，黑球平均溫度為22.3℃，平均濕度為37.5%，平均風速為0.11m/s。通過調查計算，院落式陽光間在使用時段的活動人員服裝平均熱阻為1.65Clo，新陳代謝產熱率在1.2～1.5met 之間。

依據陽光間使用時段溫度，黑球溫度，居民的新陳代謝率，服裝熱阻等數據計算出的熱感受投票值（PMV）和問卷調查時的收集的居民平均熱感覺（MTS）分別與室內操作溫度（top）進行線性回歸分析。陽光間PMV 與操作溫度（top）擬合方程為：PMV=0.221top-4.185，R2=0.739，當PMV=0 時，得到陽光間預測熱中性溫度為18.94℃。陽光間MTS 與操作溫度（top）擬合方程為：MTS=0.213top-3.784，R2=0.778，當MTS=0 時，陽光間實測熱中性溫度17.77℃見圖2。

圖2 PMV、MTS 與陽光間操作溫度關系

通過比較甘南藏區居民的預測熱中性溫度和實測熱中性溫度，我們發現當地居民的陽光間實測熱中性溫度均低于預測熱中性溫度，說明當地居民在使用陽光間時對于冷的承受力比預測值要高，也間接說明了當地居民對于本地區冬季適應性較強[5]。

通過線性回歸分析，我們確定了陽光間實測熱中性溫度17.77℃，此時通過計算得到對應的空氣溫度為16.03℃，因此我們確定了在陽光間使用時的人體最舒適空氣溫度16.03℃。

1.4 居民熱感覺分析

在調研受訪者對于冬季陽光間主觀熱感覺時，問卷的設置包括溫度感覺、濕度感覺、風速感覺、熱期望值，四者投票均參考采用通用的ASHRAE7 級投票指標。溫度投票均值為0.41，濕度投票均值為0.27，風速期望均值為0.36，熱期望投票均值為0.76。可以看出，對于陽光間濕度、風速，居民大多數可以接受或者感到舒適，從熱期望投票均值來看，在當地寒冷的冬季，即使當前使用時段的陽光間溫度能夠令居民接受，但是居民還是希望室內溫度能更高一些。

2 實測研究

2.1 測試對象

選取甘肅甘南藏族自治州卓尼縣（嚴寒地區）木耳鎮的一戶帶有陽光間的院落式農宅進行熱環境實測，木耳鎮是甘南藏族自治州的典型村落，并且入選了中國傳統村落名錄，因此該住宅非常有典型性。該農宅建筑為1 幢1 層，朝向為南偏西15.8°，建筑修建于2013 年，2015 年進行了院落式陽光間擴建。建筑共有7個空間:客廳、主臥室、次臥室、陽光間、儲藏室、廚房、廁所。院落式陽光間面朝南向，在冬季使用時兼有臥室、客廳與餐廳等空間功能，常作為冬季下午的主要生活空間來使用。房屋高度為3.1m，擴建的陽光間的高度為2.6m，空間采用大窗墻比結構，東西兩側以原有的住宅外墻為基礎，南向為鋁合金單層玻璃窗共同形成整個陽光間結構如表3 所示。

表3 院落式陽光間構造

2.2 測試概況

測試開始于為2020 年12 月24 日，結束于2020年12 月27 日，測試用到的儀器有溫濕度記錄儀（AZ-8828），熱線式風速儀（Testo425）和黑球溫度指數儀（JT2011）。測試共布置2個測點，分別位于住宅院落和陽光間，用來獲取室內外溫濕度和陽光間溫濕度、風速、黑球溫度等。溫濕度記錄儀設定采樣時間間隔為30min，在13:00～17:00 內不間斷記錄，風速儀和黑球每隔30min 對陽光間進行測試，測試期間門窗關閉，房間均無采暖措施，且3個房間均無人活動，測試結果沒有人為因素影響，測試房層平面見圖3。

圖3 測試房屋平面圖

2.3 測試結果分析

測試結果分析由于測試第一天與最后一天受測試人員等外部干擾較多，為了分析陽光間應用效果，選擇了天氣最為晴朗的26 日數據作為分析依據。在13:00～17:00 內室外氣溫在-1.7～4.4℃內變化，平均氣溫2.7℃，最高氣溫4.4℃，最低氣溫-1.7℃，二者差值為6.1℃，平均風速1.28m/s，室外溫度變化較快，風速較小。

陽光間在使用時段內平均溫度為16.05℃，使用時段最高溫度出現在16 點，能夠達到17.7℃。使用時段最低溫度出現在13 點，溫度為14.1℃，在使用時段內，陽光間只15:00～16:30 這一較短時段能夠達到MTS=0 時的陽光間空氣溫度16.03℃見圖4。

圖4 室內外溫度對比

在13:00～17:00 內，室外濕度變化較為明顯，濕度在19.9%～36.4%內變化，室外平均濕度23.4%。陽光間濕度在17.8%～22.8%內變化，平均濕度19.75%，濕度變化較為穩定。陽光間濕度變化范圍低于我國GB/T 18883-2002《室內空氣質量標準》規定的冬季室內濕度應控30%～60%，說明冬季陽光間在使用時段內較為干燥見圖5。

圖5 室內外濕度對比

3 陽光間熱性能優化模擬研究

通過對冬季使用時段內陽光間的熱性能主要影響因素進行排序，使得居民能夠根據對對院落式陽光間新建或改造時選擇更有效的設計方案見圖6。

圖6 典型民居基準模型

3.1 正交試驗設計

甘南藏區院落式陽光間在使用時段時，溫度主要受不同朝向、進深、開間、高度、窗體材料、頂部構造、陽光間東西墻構造、地面構造的因素影響，考慮到院落式陽光間較強的使用功能和藏族居民文化習慣，對于地面構造默認設置為當地最普遍使用的白色瓷磚，此外甘南藏區院落式陽光間東西兩側以原有的住宅外墻為基礎，開間數值難以改變。因此以除地面構造和開間外的6個主要因素來進行陽光間使用時段溫度模擬分析。為了避免模擬時影響因素與每種因素的水平較多而導致實驗次數過于龐大，模擬采用正交試驗法來減少試驗次數如表4 所示。

表4 各因素不同水平設置

根據甘南藏區實際調研的結果，參照甘南藏區院落式陽光間最常見的幾種做法，我們選取了各影響因素的水平個數。模擬利用DeST-H 模擬軟件進行模擬，確定測試時間內的冬季陽光間使用時段的溫度。

3.2 模擬結果分析

通過建立的正交試驗表進行模擬分析，得到不同因素和水平條件下的冬季陽光間使用時段達到熱中性溫度的時間占比，如表5 所示。

表5 各因素極差分析（陽光間使用時段達到最舒適空氣溫度的時間占比）

由表5 可知，甘南藏區院落式陽光間在冬季使用時段內影響達到最舒適空氣溫度的時間占比的主次順序為：頂部材質＞窗體材料＞陽光間進深＞南向窗墻比＞陽光間高度＞建筑朝向＞東西墻傳熱系。若在冬季想提升陽光間使用時段溫度，優先改造敏感性高的因素，以達到較好的效果。

對于院落式陽光間使用時段而言，建筑朝向選擇南偏西方向優于正南向和南偏東方向，南向窗墻比也不是越大越好，而是保持在0.8 左右為最佳，東西墻傳熱系數對于陽光間使用時段溫度影響很小，可以忽略。對于陽光間進深和高度而言，在不影響居民在陽光間活動的情況下，都應該盡量保持較小的數值。窗體材料對于陽光間使用時段溫度僅次于屋頂材質，對于使用時段陽光間溫度而言，中空玻璃＞普通單層玻璃＞雙層玻璃，這主要是由于中空玻璃透光率和單層玻璃相差無幾且傳熱系數較低，雙層玻璃雖然傳熱系數低于單層玻璃，在透光率上低于單層玻璃。屋頂材質是影響甘南藏區院落式陽光間使用時段溫度最關鍵的因素，屋頂材質在使用普通單層玻璃時明顯優于其它任何材料，這主要是由于冬季陽光間的主要使用時段為下午太陽輻射最強時，而玻璃相比于其他頂部材料而言，擁有良好的透光率，從而使陽光能從頂部很好的進入陽光間，提高了室內溫度。因此，當玻璃作為陽光間的屋頂材質時，提升玻璃透光率會對使用時段陽光間溫度產生一定的提升作用。

當采用最優方案建造當前院落式陽光間時，冬季陽光間使用時段達到最舒適溫度的時間占比可達到87.6%，若采用最差方案，只能達到11.3%。最優方案與當前的基準模型相比較而言，冬季陽光間使用時段達到最舒適空氣溫度的時間占比提高了62.7%見圖7。

圖7 最優方案溫度與實測陽光間溫度對比

3.3 陽光間夏季通風遮陽優化模擬研究

由于院落式陽光間具有較強的使用性，所以必須考慮夏季陽光間過熱問題。模擬當前最優方案下的甘南藏區院落式陽光間溫度時發現，夏季陽光間高溫時段出現在13:00～17:30 左右，此段時間內陽光間均溫高達到30.3℃，這主要是由于甘南藏區院落式陽光間內沒有做任何的遮陽措施，可開啟的南向門面積較小導致通風不利造成。通過針對以上兩個問題進行模擬優化。

3.3.1 陽光間遮陽優化

因院落式陽光間頂部面積和南立面面積較大，使用遮陽卷材，百葉窗等造價較高且不方便，同時要滿足遮擋太陽直射的條件下避免室內光線較差，我們選用當地常見的草制遮陽簾作為夏季陽光間玻璃屋頂的遮陽材料，由于草制遮陽簾重量輕、造價低、環保，且不會對玻璃屋頂造成高荷載而產生安全問題，同時還可以減少太陽直射對于陽光間溫度的影響。通過模擬分析，夏季院落式陽光間玻璃屋頂使用草制遮陽簾后，高溫時段均溫為27.1℃，降低了3.2℃，使用草制遮陽簾降溫效果明顯。

3.3.2 陽光間南立面門面積優化

院落式陽光間由于身處空曠的院落之中，基本不受到相鄰建筑阻擋自然風的情況，有著可充分利用自然風的優勢。調研發現，院落式陽光間可開啟門面積較小，門面積占南立面面積的10%左右。為了增加夏季通風，分別模擬增加門面積至15%、20%、25%通風時陽光間高溫時段的溫度變化。通過模擬分析，夏季院落式陽光間門面積增加至15%、20%、25%進行通風時，高溫時段均溫分別為29.5、28.7、28.1℃，分降低了0.8、1.8、2.2℃。因此，在保證不影響陽光間使用功能的前提下，南向門開啟通風時面積越大，降溫效果越好，門面積提升至20%時，降溫幅度最大，提升至25%時，降幅開始縮小。

4 結語

通過對甘南藏區室內陽光間調研和對典型的院落式陽光間熱環境測試及模擬研究得到以下結論：

（1）冬季當地居民在室內有著相對固定的行為活動軌跡，冬季13:00～17:00 時為陽光間溫度最高時段，也是使用頻率最高的時段。

（2）陽光間預測熱中性溫度為18.94℃，實測熱中性溫度17.77℃，最舒適空氣溫度為16.03℃。實測熱中性溫度均低于預測熱中性溫度，因此證明該地區居民對當地冬季氣候有一定的適應性，抗寒能力較強，即使如此，當地農宅居民對于室內溫度也有著有更高的期望。

（3）甘南藏區院落式陽光間在冬季使用時段內影響達到最舒適空氣溫度時間占比的主次順序為：頂部材質＞窗體材料＞陽光間進深＞南向窗墻比＞陽光間高度＞建筑朝向＞東西墻傳熱系數，使用單層玻璃材質作為陽光間頂部材料時對使用時段陽光間溫度提升最為明顯。

（4）對于甘南藏區院落式陽光間優化建議：最佳朝向為南偏西15°。南向窗墻比控制在0.8 時最佳。陽光間頂部材質采用單層6mm 普通玻璃。窗體材料采用中空玻璃（6+9+6）mm。對于陽光間高度而言，不影響居民正?；顒忧疤嵯虏捎?.2m 高度最佳，建議不超過3m。陽光間進深在滿足居民活動的條件下越小越好，最小進深處1.5m 時最佳，建議最小進深處不超過2.7m。東西墻幾乎對陽光間溫度沒有影響，可不做保溫處理。南向門面積設置因占南立面面積的20%以上。

（5）為了避免夏季陽光間過熱，夏季院落式陽光間玻璃頂部應布置草制遮陽簾進行降溫，同時應保持高溫時段南向門打開通風，以避免陽光間過熱。