南陽臺設計對夏熱冬冷地區住宅能耗影響研究
——以合肥市為例

文／曹 賡 安徽建筑大學建筑與規劃學院 碩士研究生

引言

陽臺設計與戶型設計形影相隨，隨著戶型設計的變化而變化。在戶型設計演變中，住宅陽臺在數量上從無到有，從單個到多個，面積不斷變大；在形式上出現不規則陽臺、曲線陽臺等多種形式陽臺；在功能上出現入戶花園、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，很少關注其對住宅能耗的影響。

針對陽臺對住宅能耗的影響，國內外的部分學者已有過類似研究。國外學者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、剖面形式及窗材質等進行對比，得出最佳方案可以節約能耗約46%[2]；Du?an，Ignjatovi?②等詳細介紹了在貝爾格萊德地區通過封閉陽臺作為一種有效節能措施的典型住宅案例[3]。國內學者趙群等通過實測住宅陽臺熱環境，結合軟件模擬，探討嚴寒條件下北方住宅的位置、體形、構造做法等對其內部和相鄰房間熱環境的影響[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化設計方案[5]；劉加平等通過冬季現場調研與熱環境測試表明，合理設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熱環境[6]。上述研究主要集中在嚴寒地區和寒冷地區，但建筑能耗控制與其所處的地域氣候條件息息相關，目前針對夏熱冬冷地區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開敞陽臺與封閉陽臺的區別，并提供一種陽臺節能的設計方案，但未能量化陽臺對住宅能耗的影響[7]。因此，以夏熱冬冷地區典型城市合肥市為例，定量分析夏熱冬冷地區陽臺設計對住宅能耗的影響是本文研究的目的和意義所在。

1 夏熱冬冷地區住宅陽臺發展現狀

我國集合住宅設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]。這期間陽臺設計也在不斷發生變化，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，開始出現很多自封陽臺；再到住宅商品化時期，陽臺成為開發商“偷面積”的關注焦點，開始出現形式各異的陽臺[9]。與我國大多數城市一樣，合肥市的住宅及陽臺發展也經過類似階段，文章選取合肥市各時期典型住宅案例共計60 個，進行實地調研和資料整理，并將合肥市住宅設計變遷細分為住房緊缺期（1949—1978 年）、福利分房改革探索期（1979—1997 年）、住宅商品化發展期（1998—2007 年）、住宅商品化調整優化期（2007 年至今），分析其陽臺設計演變和陽臺設計特征（表1）。

表1 合肥市居住建筑陽臺發展概況（表格來源：作者自繪）

調研結果顯示：（1）住宅陽臺面積呈增長趨勢。根據調研數據統計，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《建筑工程建筑面積計算規范》（GB/T 50353-2013）和地方規范《合肥市控制性詳細規劃通則》（2016 修）中對陽臺規定影響，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主會自行封閉。（3）在功能使用上，與其他時期相比，現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的功能被削弱。（4）目前合肥市新建住宅陽臺差異主要體現在陽臺進深、陽臺封閉或開敞形式、陽臺窗墻比三個方面。

2 基礎模型提取與能耗模擬設定

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 基礎模型提取和變量設置

本次模擬原型選取合肥市某新建小區獨棟住宅，該建筑11 層朝南，每層兩戶，層高2.9m，標準層如圖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，將標準層平面進行簡化，模型假定與陽臺相鄰的客廳為封閉空間，且客廳內墻保溫隔熱性能良好，陽臺與客廳之間根據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。模型構造根據實際構造在盡量還原其構造熱物理性能基礎上做適當簡化（表3）。

圖1 某住宅標準層平面（圖片來源：作者自繪）

表2 計算模型（表格來源：作者自繪）

表3 計算模型詳細構造（表格來源：作者自繪）

2.2 能耗模擬設定

本文模擬計算軟件選擇Energy Plus，根據《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ75-2012）、民用建筑綠色性能計算標準（JGJ/T449-2018）、《安徽省居住建筑節能設計標準》（DB34/1466-2019）等相關規范規定，實驗模擬參數設定如下：

（1）客廳室內計算溫度，冬季全天按18℃取值，夏季全天按26℃取值。

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

（3）室內熱擾設置：人員密度10m2/人；設備功率密度3.80W/m2；照明功率密度5.00W/m2。

（4）采暖和制冷時，室內換氣次數為1.0次/h。供暖、空調設備額定能效比（COP）冬季取值3.1，夏季取值2.5。

（5）人員在室率、照明開關時間、設備使用率等均按規定設定。

（6）方案中使用的建筑材料熱物理性能計算參數參見《安徽省居住建筑節能設計標準》附表。

3 結果分析與討論

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果如圖2 所示，從圖中可發現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約能耗約127kW·h，節能率約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果如圖3 所示，從圖中可發現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約能耗約443kW·h，節能率達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

調研發現，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，結果如圖4 所示。對比發現，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，可發現相同進深情況下，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，垂直遮陽效果要優于開敞陽臺，因此呈現出夏季節能率較高的特點。

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，因此房地產商常常以贈送半面積形式建開敞陽臺，后期交由業主自行封閉使用。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

封閉陽臺圍護結構變化主要在于窗墻比，即開窗面積與陽臺外露面積的比值。調研發現，目前合肥市封閉陽臺設計上呈現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，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計四種不同窗墻比封閉陽臺進行對比模擬，結果如圖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式遮陽卷簾等，隨季節調整控制陽臺得熱以節約能耗。

結語

針對合肥市住宅南陽臺設計對相鄰空間全年能耗的影響，得出以下結論：

（1）南向設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 范圍內呈輕微減少趨勢，1.2 ～1.8m 范圍呈穩定趨勢，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、剖面形式及窗材質等進行對比，得出最佳方案可以節約能耗約46%。

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