甘南藏區(qū)院落式陽光間熱性能優(yōu)化分析

王維，趙敬源，王瓊

（長安大學(xué)建筑學(xué)院，西安71000）

0 引言

甘南藏區(qū)院落式陽光間是在原有的農(nóng)宅建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建，具有跨度大，進(jìn)深長的特點(diǎn)。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(dāng)?shù)鼐用穸鞠挛绲闹饕顒涌臻g，陽光間的使用方式與其它地區(qū)有很大區(qū)別。

很多研究者對于國內(nèi)建筑陽光間的使用與現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與研究。戴亞威對農(nóng)宅陽光對室內(nèi)溫度影響做了模擬分析，一般的農(nóng)宅陽光間可以使冬季室內(nèi)主要房間溫度提升40%，但同時也會使夏季室內(nèi)溫度提升8%左右[1]。李一峰，王萬江對新疆地區(qū)農(nóng)宅附加陽光間的遮陽板設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出要根據(jù)建筑所在地的太陽照射角進(jìn)行計(jì)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(jìn)行了對比評估，總結(jié)了兩者的優(yōu)劣勢并提出庭院式陽光間優(yōu)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(huán)境要求研究較少[4]，對具有使用功能較強(qiáng)的院落式陽光間研究更少。因此，工作針對甘南藏區(qū)院落式陽光間展開調(diào)研與實(shí)測，確定居民對陽光間溫度要求，并分析影響甘南藏區(qū)院落式陽光間使用時段溫度的主要因素，提供優(yōu)化建議。

1 調(diào)研分析

問卷調(diào)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(jié)束于2020 年12 月27 日；調(diào)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(diǎn)，在走訪過程中記錄不同陽光間布局、形狀、外觀的同時進(jìn)行問卷調(diào)查。問卷的主要內(nèi)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(dāng)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(fēng)速等;④陽光間使用時段的熱感覺與熱期望。

1.1 調(diào)研對象

為保證信息真實(shí)性與有效性，所有問卷均以訪談當(dāng)?shù)鼐用竦男问竭M(jìn)行，現(xiàn)場測試都于冬季典型天氣下進(jìn)行。調(diào)研一共考查了甘南藏區(qū)100 戶帶有陽光間的農(nóng)宅建筑，其中78 戶農(nóng)宅帶有院落式陽光間。通過對78 戶帶有院落式陽光間農(nóng)宅家庭發(fā)放調(diào)查問卷并進(jìn)行現(xiàn)場測試，其中共有193 人參與問卷調(diào)查，有效問卷受訪人數(shù)共180 人，占問卷調(diào)查總數(shù)的93.3%。有效受訪者男女比例在5:4 左右，職業(yè)主要以務(wù)農(nóng)與附近打工為主，共計(jì)142 人，占有效總?cè)藬?shù)的79%，符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況。現(xiàn)場測試期間，院落式陽光間均能夠正常使用，符合現(xiàn)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(xí)慣

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)鼐用褶r(nóng)宅的陽光間絕大多數(shù)都是在原有的建筑基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建的，通常利用院落的東西墻作為陽光間兩側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，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(qiáng)的使用功能，因此當(dāng)?shù)鼐用裢ǔｄ佋O(shè)白色瓷磚作為陽光間的地面構(gòu)造見圖1。

圖1 院落式陽光間實(shí)景圖

當(dāng)?shù)鼐用穸嘣诙镜?3:00～17:00 時在院落式陽光間進(jìn)行活動。在此時段內(nèi)，院落式陽光間的溫度達(dá)到一天當(dāng)中的最高值，并且采光性能最佳，導(dǎo)致當(dāng)?shù)鼐用裨诖硕螘r間內(nèi)使用頻率最高，當(dāng)?shù)鼐用癯Ｔ诖藭r間段內(nèi)在院落式陽光間進(jìn)行會客、休息、吃飯、娛樂等活動。

1.3 陽光間熱環(huán)境數(shù)據(jù)分析

通過對甘南藏區(qū)78 戶農(nóng)宅的院落式陽光間熱環(huán)境測試，得到甘南藏區(qū)冬季院落式陽光間主要使用時段室內(nèi)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(fēng)速為0.11m/s。通過調(diào)查計(jì)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(chǎn)熱率在1.2～1.5met 之間。

依據(jù)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(shù)據(jù)計(jì)算出的熱感受投票值（PMV）和問卷調(diào)查時的收集的居民平均熱感覺（MTS）分別與室內(nèi)操作溫度（top）進(jìn)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(dāng)PMV=0 時，得到陽光間預(yù)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(dāng)MTS=0 時，陽光間實(shí)測熱中性溫度17.77℃見圖2。

圖2 PMV、MTS 與陽光間操作溫度關(guān)系

通過比較甘南藏區(qū)居民的預(yù)測熱中性溫度和實(shí)測熱中性溫度，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)鼐用竦年柟忾g實(shí)測熱中性溫度均低于預(yù)測熱中性溫度，說明當(dāng)?shù)鼐用裨谑褂藐柟忾g時對于冷的承受力比預(yù)測值要高，也間接說明了當(dāng)?shù)鼐用駥τ诒镜貐^(qū)冬季適應(yīng)性較強(qiáng)[5]。

通過線性回歸分析，我們確定了陽光間實(shí)測熱中性溫度17.77℃，此時通過計(jì)算得到對應(yīng)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(diào)研受訪者對于冬季陽光間主觀熱感覺時，問卷的設(shè)置包括溫度感覺、濕度感覺、風(fēng)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(biāo)。溫度投票均值為0.41，濕度投票均值為0.27，風(fēng)速期望均值為0.36，熱期望投票均值為0.76?？梢钥闯觯瑢τ陉柟忾g濕度、風(fēng)速，居民大多數(shù)可以接受或者感到舒適，從熱期望投票均值來看，在當(dāng)?shù)睾涞亩?，即使?dāng)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(nèi)溫度能更高一些。

2 實(shí)測研究

2.1 測試對象

選取甘肅甘南藏族自治州卓尼縣（嚴(yán)寒地區(qū)）木耳鎮(zhèn)的一戶帶有陽光間的院落式農(nóng)宅進(jìn)行熱環(huán)境實(shí)測，木耳鎮(zhèn)是甘南藏族自治州的典型村落，并且入選了中國傳統(tǒng)村落名錄，因此該住宅非常有典型性。該農(nóng)宅建筑為1 幢1 層，朝向?yàn)槟掀?5.8°，建筑修建于2013 年，2015 年進(jìn)行了院落式陽光間擴(kuò)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(kuò)建的陽光間的高度為2.6m，空間采用大窗墻比結(jié)構(gòu)，東西兩側(cè)以原有的住宅外墻為基礎(chǔ)，南向?yàn)殇X合金單層玻璃窗共同形成整個陽光間結(jié)構(gòu)如表3 所示。

表3 院落式陽光間構(gòu)造

2.2 測試概況

測試開始于為2020 年12 月24 日，結(jié)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(fēng)速儀（Testo425）和黑球溫度指數(shù)儀（JT2011）。測試共布置2個測點(diǎn)，分別位于住宅院落和陽光間，用來獲取室內(nèi)外溫濕度和陽光間溫濕度、風(fēng)速、黑球溫度等。溫濕度記錄儀設(shè)定采樣時間間隔為30min，在13:00～17:00 內(nèi)不間斷記錄，風(fēng)速儀和黑球每隔30min 對陽光間進(jìn)行測試，測試期間門窗關(guān)閉，房間均無采暖措施，且3個房間均無人活動，測試結(jié)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(jié)果分析

測試結(jié)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(yīng)用效果，選擇了天氣最為晴朗的26 日數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)。在13:00～17:00 內(nèi)室外氣溫在-1.7～4.4℃內(nèi)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(fēng)速1.28m/s，室外溫度變化較快，風(fēng)速較小。

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

圖4 室內(nèi)外溫度對比

在13:00～17:00 內(nèi)，室外濕度變化較為明顯，濕度在19.9%～36.4%內(nèi)變化，室外平均濕度23.4%。陽光間濕度在17.8%～22.8%內(nèi)變化，平均濕度19.75%，濕度變化較為穩(wěn)定。陽光間濕度變化范圍低于我國GB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的冬季室內(nèi)濕度應(yīng)控30%～60%，說明冬季陽光間在使用時段內(nèi)較為干燥見圖5。

圖5 室內(nèi)外濕度對比

3 陽光間熱性能優(yōu)化模擬研究

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

圖6 典型民居基準(zhǔn)模型

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

甘南藏區(qū)院落式陽光間在使用時段時，溫度主要受不同朝向、進(jìn)深、開間、高度、窗體材料、頂部構(gòu)造、陽光間東西墻構(gòu)造、地面構(gòu)造的因素影響，考慮到院落式陽光間較強(qiáng)的使用功能和藏族居民文化習(xí)慣，對于地面構(gòu)造默認(rèn)設(shè)置為當(dāng)?shù)刈钇毡槭褂玫陌咨纱u，此外甘南藏區(qū)院落式陽光間東西兩側(cè)以原有的住宅外墻為基礎(chǔ)，開間數(shù)值難以改變。因此以除地面構(gòu)造和開間外的6個主要因素來進(jìn)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)次數(shù)過于龐大，模擬采用正交試驗(yàn)法來減少試驗(yàn)次數(shù)如表4 所示。

表4 各因素不同水平設(shè)置

根據(jù)甘南藏區(qū)實(shí)際調(diào)研的結(jié)果，參照甘南藏區(qū)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(shù)。模擬利用DeST-H 模擬軟件進(jìn)行模擬，確定測試時間內(nèi)的冬季陽光間使用時段的溫度。

3.2 模擬結(jié)果分析

通過建立的正交試驗(yàn)表進(jìn)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(dá)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(dá)到最舒適空氣溫度的時間占比）

由表5 可知，甘南藏區(qū)院落式陽光間在冬季使用時段內(nèi)影響達(dá)到最舒適空氣溫度的時間占比的主次順序?yàn)椋喉敳坎馁|(zhì)＞窗體材料＞陽光間進(jìn)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(yōu)先改造敏感性高的因素，以達(dá)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(yōu)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(shù)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(jìn)深和高度而言，在不影響居民在陽光間活動的情況下，都應(yīng)該盡量保持較小的數(shù)值。窗體材料對于陽光間使用時段溫度僅次于屋頂材質(zhì)，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(shù)較低，雙層玻璃雖然傳熱系數(shù)低于單層玻璃，在透光率上低于單層玻璃。屋頂材質(zhì)是影響甘南藏區(qū)院落式陽光間使用時段溫度最關(guān)鍵的因素，屋頂材質(zhì)在使用普通單層玻璃時明顯優(yōu)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(qiáng)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(jìn)入陽光間，提高了室內(nèi)溫度。因此，當(dāng)玻璃作為陽光間的屋頂材質(zhì)時，提升玻璃透光率會對使用時段陽光間溫度產(chǎn)生一定的提升作用。

當(dāng)采用最優(yōu)方案建造當(dāng)前院落式陽光間時，冬季陽光間使用時段達(dá)到最舒適溫度的時間占比可達(dá)到87.6%，若采用最差方案，只能達(dá)到11.3%。最優(yōu)方案與當(dāng)前的基準(zhǔn)模型相比較而言，冬季陽光間使用時段達(dá)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(yōu)方案溫度與實(shí)測陽光間溫度對比

3.3 陽光間夏季通風(fēng)遮陽優(yōu)化模擬研究

由于院落式陽光間具有較強(qiáng)的使用性，所以必須考慮夏季陽光間過熱問題。模擬當(dāng)前最優(yōu)方案下的甘南藏區(qū)院落式陽光間溫度時發(fā)現(xiàn)，夏季陽光間高溫時段出現(xiàn)在13:00～17:30 左右，此段時間內(nèi)陽光間均溫高達(dá)到30.3℃，這主要是由于甘南藏區(qū)院落式陽光間內(nèi)沒有做任何的遮陽措施，可開啟的南向門面積較小導(dǎo)致通風(fēng)不利造成。通過針對以上兩個問題進(jìn)行模擬優(yōu)化。

3.3.1 陽光間遮陽優(yōu)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(jià)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(nèi)光線較差，我們選用當(dāng)?shù)爻Ｒ姷牟葜普陉柡熥鳛橄募娟柟忾g玻璃屋頂?shù)恼陉柌牧?，由于草制遮陽簾重量輕、造價(jià)低、環(huán)保，且不會對玻璃屋頂造成高荷載而產(chǎn)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(yōu)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(fēng)的情況，有著可充分利用自然風(fēng)的優(yōu)勢。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，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(fēng)，分別模擬增加門面積至15%、20%、25%通風(fēng)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(jìn)行通風(fēng)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(fēng)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(jié)語

通過對甘南藏區(qū)室內(nèi)陽光間調(diào)研和對典型的院落式陽光間熱環(huán)境測試及模擬研究得到以下結(jié)論：

（1）冬季當(dāng)?shù)鼐用裨谑覂?nèi)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(yù)測熱中性溫度為18.94℃，實(shí)測熱中性溫度17.77℃，最舒適空氣溫度為16.03℃。實(shí)測熱中性溫度均低于預(yù)測熱中性溫度，因此證明該地區(qū)居民對當(dāng)?shù)囟練夂蛴幸欢ǖ倪m應(yīng)性，抗寒能力較強(qiáng)，即使如此，當(dāng)?shù)剞r(nóng)宅居民對于室內(nèi)溫度也有著有更高的期望。

（3）甘南藏區(qū)院落式陽光間在冬季使用時段內(nèi)影響達(dá)到最舒適空氣溫度時間占比的主次順序?yàn)椋喉敳坎馁|(zhì)＞窗體材料＞陽光間進(jìn)深＞南向窗墻比＞陽光間高度＞建筑朝向＞東西墻傳熱系數(shù)，使用單層玻璃材質(zhì)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(qū)院落式陽光間優(yōu)化建議：最佳朝向?yàn)槟掀?5°。南向窗墻比控制在0.8 時最佳。陽光間頂部材質(zhì)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(jìn)深在滿足居民活動的條件下越小越好，最小進(jìn)深處1.5m 時最佳，建議最小進(jìn)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(shè)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(yīng)布置草制遮陽簾進(jìn)行降溫，同時應(yīng)保持高溫時段南向門打開通風(fēng)，以避免陽光間過熱。