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(tái)設(shè)計(jì)與戶型設(shè)計(jì)形影相隨，隨著戶型設(shè)計(jì)的變化而變化。在戶型設(shè)計(jì)演變中，住宅陽臺(tái)在數(shù)量上從無到有，從單個(gè)到多個(gè)，面積不斷變大；在形式上出現(xiàn)不規(guī)則陽臺(tái)、曲線陽臺(tái)等多種形式陽臺(tái)；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(tái)[1]。但這些變化多是從陽臺(tái)功能需求和形式美角度出發(fā)，很少關(guān)注其對(duì)住宅能耗的影響。

針對(duì)陽臺(tái)對(duì)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(duì)不同封閉陽臺(tái)的進(jìn)深、平面形式、剖面形式及窗材質(zhì)等進(jìn)行對(duì)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(tái)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(shí)測(cè)住宅陽臺(tái)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(duì)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(tái)能耗，分別從陽臺(tái)進(jìn)深、分割方式和平面形式三方面進(jìn)行對(duì)比，并提出北方居住建筑陽臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案[5]；劉加平等通過冬季現(xiàn)場調(diào)研與熱環(huán)境測(cè)試表明，合理設(shè)置封閉陽臺(tái)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(duì)夏熱冬冷地區(qū)陽臺(tái)對(duì)住宅能耗影響研究相對(duì)較少。李波等討論了夏熱冬冷地區(qū)開敞陽臺(tái)與封閉陽臺(tái)的區(qū)別，并提供一種陽臺(tái)節(jié)能的設(shè)計(jì)方案，但未能量化陽臺(tái)對(duì)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(tái)設(shè)計(jì)對(duì)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(tái)發(fā)展現(xiàn)狀

我國集合住宅設(shè)計(jì)變遷大致可分為三個(gè)階段：住房緊缺期、福利分房改革探索期、住宅商品化時(shí)期[8]。這期間陽臺(tái)設(shè)計(jì)也在不斷發(fā)生變化，早期因住房面積緊缺，陽臺(tái)功能不受重視，僅部分住宅有開敞陽臺(tái)；改革開放時(shí)期，住房條件改善，陽臺(tái)功能得到重視，開始出現(xiàn)很多自封陽臺(tái)；再到住宅商品化時(shí)期，陽臺(tái)成為開發(fā)商“偷面積”的關(guān)注焦點(diǎn)，開始出現(xiàn)形式各異的陽臺(tái)[9]。與我國大多數(shù)城市一樣，合肥市的住宅及陽臺(tái)發(fā)展也經(jīng)過類似階段，文章選取合肥市各時(shí)期典型住宅案例共計(jì)60 個(gè)，進(jìn)行實(shí)地調(diào)研和資料整理，并將合肥市住宅設(shè)計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)演變和陽臺(tái)設(shè)計(jì)特征（表1）。

表1 合肥市居住建筑陽臺(tái)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(tái)面積呈增長趨勢(shì)。根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，近五年的新建住宅中，80%戶型有兩個(gè)陽臺(tái)，陽臺(tái)面積占戶型總面積的比值在13%～15%之間，南向雙面寬陽臺(tái)越來越受歡迎，南陽臺(tái)面積集中在7～11m2之間；（2）受國標(biāo)《建筑工程建筑面積計(jì)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(duì)陽臺(tái)規(guī)定影響，目前合肥市新建住宅陽臺(tái)以凸陽臺(tái)為主，存在開敞陽臺(tái)和封閉陽臺(tái)兩種形式，部分開敞陽臺(tái)在后期使用中業(yè)主會(huì)自行封閉。（3）在功能使用上，與其他時(shí)期相比，現(xiàn)階段陽臺(tái)除滿足儲(chǔ)物、晾曬等基本需求外，陽臺(tái)的景觀需求越來越受到重視。為加強(qiáng)陽臺(tái)景觀性能，陽臺(tái)與室內(nèi)空間分割越來越弱，陽臺(tái)開窗面積也越來越大。部分住宅立面公建化處理，封閉陽臺(tái)使用全玻璃，使得陽臺(tái)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(tái)差異主要體現(xiàn)在陽臺(tái)進(jìn)深、陽臺(tái)封閉或開敞形式、陽臺(tái)窗墻比三個(gè)方面。

2 基礎(chǔ)模型提取與能耗模擬設(shè)定

為探究陽臺(tái)進(jìn)深、陽臺(tái)開敞或封閉、封閉陽臺(tái)窗墻比對(duì)住宅能耗的影響，方案選取合肥市實(shí)際住宅項(xiàng)目為模擬原型，設(shè)計(jì)無陽臺(tái)模型、不同進(jìn)深開敞南陽臺(tái)模型、不同進(jìn)深封閉南陽臺(tái)模型、不同窗墻比封閉南陽臺(tái)模型共18 組。研究內(nèi)容包括開敞陽臺(tái)對(duì)相鄰功能空間能耗影響、封閉陽臺(tái)對(duì)相鄰功能空間能耗影響、窗墻比對(duì)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(dú)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(jìn)一步直觀反映陽臺(tái)對(duì)住宅相鄰空間能耗的影響，將標(biāo)準(zhǔn)層平面進(jìn)行簡化，模型假定與陽臺(tái)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(tái)與客廳之間根據(jù)真實(shí)情況還原通過玻璃門窗相連。本次實(shí)驗(yàn)共建立18 個(gè)模型，分3 組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（表2）。表中D 代表陽臺(tái)進(jìn)深尺寸，模擬時(shí)將D 值設(shè)計(jì)為0m（無陽臺(tái)）、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m 八種進(jìn)深陽臺(tái)。第一組實(shí)驗(yàn)為開敞陽臺(tái)不同進(jìn)深模擬，第二組為封閉陽臺(tái)不同進(jìn)深模擬，第三組為1.8m 進(jìn)深下封閉陽臺(tái)不同窗墻比模擬。模型構(gòu)造根據(jù)實(shí)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(jì)算模型（表格來源：作者自繪）

表3 計(jì)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(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ75-2012）、民用建筑綠色性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)（JGJ/T449-2018）、《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DB34/1466-2019）等相關(guān)規(guī)范規(guī)定，實(shí)驗(yàn)?zāi)M參數(shù)設(shè)定如下：

（1）客廳室內(nèi)計(jì)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(jì)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(shí)，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(shí)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(jì)算參數(shù)參見《安徽省居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附表。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 陽臺(tái)進(jìn)深分析

（1）開敞陽臺(tái)進(jìn)深分析

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

圖2 開敞陽臺(tái)不同進(jìn)深全年能耗（圖片來源：作者自繪）

（2）封閉陽臺(tái)進(jìn)深分析

封閉陽臺(tái)不同進(jìn)深能耗模擬結(jié)果如圖3 所示，從圖中可發(fā)現(xiàn)無陽臺(tái)的客廳能耗無論夏季還是冬季都明顯高于有封閉陽臺(tái)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(tái)，有封閉陽臺(tái)的客廳全年節(jié)約能耗約443kW·h，節(jié)能率達(dá)32%。比較陽臺(tái)進(jìn)深0.3 ～2.1m 的能耗模擬情況，隨著進(jìn)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(jì)能耗基本不變。

圖3 封閉陽臺(tái)不同進(jìn)深全年能耗（圖片來源：作者自繪）

3.2 封閉陽臺(tái)與開敞陽臺(tái)對(duì)比分析

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

圖4 兩種形式陽臺(tái)全年能耗對(duì)比（圖片來源：作者自繪）

因此，僅從能耗角度來看,封閉陽臺(tái)要優(yōu)于開敞陽臺(tái)。但目前新建住宅中仍存在開敞陽臺(tái),主要原因是開敞陽臺(tái)只計(jì)算一半投影面積，而封閉陽臺(tái)計(jì)算投影全面積，因此房地產(chǎn)商常常以贈(zèng)送半面積形式建開敞陽臺(tái)，后期交由業(yè)主自行封閉使用。但后期自封陽臺(tái)在保溫性能和氣密性上都會(huì)有損失，達(dá)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(tái)窗墻比

封閉陽臺(tái)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化主要在于窗墻比，即開窗面積與陽臺(tái)外露面積的比值。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前合肥市封閉陽臺(tái)設(shè)計(jì)上呈現(xiàn)出窗戶面積增大實(shí)墻面積減少的趨勢(shì)。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(shí)墻的不同熱性能參數(shù)，通透也會(huì)帶來大量熱損失。為了解封閉陽臺(tái)窗墻比對(duì)相鄰空間能耗影響，在1.8m 的相同進(jìn)深情況下設(shè)計(jì)四種不同窗墻比封閉陽臺(tái)進(jìn)行對(duì)比模擬，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 封閉陽臺(tái)不同窗墻比能耗對(duì)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(shì)大于冬季減小趨勢(shì)，所以全年整體呈增大趨勢(shì)。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(jì)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(tái)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(tái)時(shí)，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(tái)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(tái)得熱以節(jié)約能耗。

結(jié)語

針對(duì)合肥市住宅南陽臺(tái)設(shè)計(jì)對(duì)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(tái)可明顯減少相鄰空間能耗。與無陽臺(tái)相比，開敞陽臺(tái)夏季能耗減少，冬季能耗增多；封閉陽臺(tái)冬季能耗和夏季能耗均減少。比較0.3 ～2.1m 進(jìn)深范圍，開敞全年能耗在進(jìn)深0.3 ～1.2m 范圍內(nèi)呈輕微減少趨勢(shì)，1.2 ～1.8m 范圍呈穩(wěn)定趨勢(shì)，1.8 ～2.1m范圍呈輕微增加趨勢(shì)；封閉陽臺(tái)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(jìn)深情況下，封閉陽臺(tái)相鄰空間夏季能耗和冬季能耗均小于開敞陽臺(tái)，全年減少能耗約23%。

（3）封閉陽臺(tái)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(shì)。

注釋：

①國外學(xué)者Faezeh Babaee等在伊朗寒冷氣候條件下對(duì)不同封閉陽臺(tái)進(jìn)深、平面形式、剖面形式及窗材質(zhì)等進(jìn)行對(duì)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(tái)作為一種有效節(jié)能措施的典型住宅案例。