關鍵詞：寒冷地區(qū)；陽臺形式；室內光照；軟件模擬；發(fā)展方向；DesignBuilder

引言

寒冷地區(qū)的住宅陽臺設計一直是提升住宅可持續(xù)性的重點，因寒冷地區(qū)的氣候條件，需要特定的解決方案，以確保室內舒適。陽臺也是影響室內熱環(huán)境的重要因素之一，對建筑的可持續(xù)性起著至關重要的作用。建筑作為能源消費的三大領域之一，如何提升環(huán)境舒適性、降低用能需求是建筑設計前期需要考慮的問題。[1]69% 相關的研究 是在過去10 年中發(fā)表的，這表明人們對陽臺對家居環(huán)境影響的認識不斷提高。[2] 陽臺是溝通室內外的重要過渡空間，在滿足實用功能及精神和心理需求方面具有重要的作用。[3] 開放式陽臺能夠最大限度地引入自然光，增加室內的明亮度；同時，也便于通風換氣，改善室內空氣質量。封閉式陽臺能夠有效隔絕外界的噪聲、灰塵和風雨，提供一個相對安靜的室內環(huán)境。并且保持相對穩(wěn)定的內部熱環(huán)境，減少損耗。半開放式陽臺既能保持一定的通風和采光效果，又能根據(jù)需要調節(jié)與室外環(huán)境的隔絕程度。在夏季，可以通過開啟窗戶增加室內通風；在冬季或惡劣天氣時，則可以關閉窗戶以保持室內溫度。這種設計方式使得陽臺在功能上更加靈活多變。但對具體條件下不同類型的陽臺對相鄰室內空間的影響具體有多大還沒有具體的研究。

一、研究方法

（一）不同陽臺設計形式

中國寒冷地區(qū)住宅通常使用完全封閉的形式，使用大面積的玻璃窗封閉陽臺，隔絕外界環(huán)境并方便采光。但封閉陽臺與住宅內部相鄰空間的連接方式多種多樣，通過文獻分析，可根據(jù)其連接方式和聯(lián)系強弱定義4 種類型的陽臺空間：

1. 分隔式陽臺，顧名思義，就是將陽臺空間通過一定的設計手段進行分割，通常是使用墻體分隔，并且在墻上開窗開門的方式與室內空間進行聯(lián)系，形成兩個或多個相對獨立的功能區(qū)域。這種設計方式不僅增加了陽臺的實用性，還提升了居住空間的舒適度和美觀性。

2. 半分隔式陽臺，通常是指陽臺空間在物理上進行了部分封閉或部分開放的設計，內外空間之間用玻璃推門等弱隔斷進行隔離，設計融合了封閉陽臺和開放陽臺的優(yōu)點，陽臺半開放的空間屬性使其成為住宅空間最活躍的元素，人們對其改造利用也最為多樣。[4] 為居住者提供了更加靈活和多樣化的使用空間。

3. 消隱式陽臺：陽臺與室內融合，成為一種全新的生活空間。如與客廳、臥室等其他房間直接貫通，很大程度上影響人們的日常生活。[5] 陽臺對室外通過窗戶完全封閉，對室內空間完全開放，被消隱并集成在室內起居區(qū)內。

陽臺可以改善景觀享受、增強通風和增加種植空間，陽臺還能充當懸垂部分，提供遮陽以及節(jié)省空調系統(tǒng)的電力。[6] 由于對全球氣候變化和能源依賴的擔憂日益增加，通過各種方式降低住宅能耗成為重中之重。例如2021 年，住宅能源消耗占全球能源消耗的30%[7]，這可以證明在陽臺上結合具體情況使用不同類型陽臺設計是合理的（如表1）。

（二）山東濟南當?shù)貧夂?/p>

濟南地區(qū)的氣候具有四季分明、雨熱同期、季風顯著、光照充足的特點。通過分析2020 年2 月到2024 年7 月，由中國氣象局發(fā)布的濟南各項氣候數(shù)據(jù)變化趨勢可知：春季（3 月至5 月）：氣溫回升快，但多風少雨，空氣干燥。夏季（6 月至8 月）：炎熱多雨，是濟南的雨季，也是氣溫最高的季節(jié)，平均氣溫在26℃以上，極端高溫可達40℃左右。秋季（9 月至11 月）：氣溫逐漸下降，秋高氣爽，是濟南較為舒適的季節(jié)。冬季（12 月至2 月）：寒冷干燥，氣溫較低，平均氣溫在0℃以下。濟南的年降水量較為適中，一般在600～800毫米之間，但降水分布不均，主要集中在夏季。夏季降水最多，占全年降水量的60% 以上，常出現(xiàn)雷雨、暴雨等強對流天氣。春秋季降水較少，冬季降水最少，多為小雪或雨夾雪。氣候變暖導致降水和日照異常，已經(jīng)給自然生態(tài)、工農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟各方面帶來了許多新問題。[8] 快速的城市化改變了區(qū)域水文過程，對城市的可持續(xù)發(fā)展構成了巨大挑戰(zhàn)。[9] 濟南市表現(xiàn)出一定程度的雨島效應，短時降水事件的頻率顯著增加，降水事件的強度普遍增加。[10] 濟南地區(qū)的氣候具有鮮明的季節(jié)性和地域性特點，對人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生著重要影響（如圖1、2）。

（三）選取典型住宅形式

優(yōu)化陽臺設計以改善住宅環(huán)境質量是對高品質住宅設計的具體要求之一。而中國房地產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已進入深度調整期。人們的“住房觀”也正在從“有房住”向“住好房”轉變，對綠色、健康、智慧的高品質住宅需求日益增長，根據(jù) 2006 年至 2018年濟南市的土地利用數(shù)據(jù)，濟南市中心的綠化和住宅空間均顯著增加。[11]2023 年7 月發(fā)布了《山東省高品質住宅開發(fā)建設指導意見》用以推動房地產(chǎn)業(yè)良性循環(huán)和健康發(fā)展。綠色住宅、被動住宅是我國當前高標準住宅的代表。[12] 如表2 所示部分已建成項目。

仁恒·公園世紀位于濟南中央商務區(qū)CBD 的核心區(qū)，作為高品質住宅項目提供了多種4 居室戶型，包括建面約96 ㎡、129 ㎡、135 ㎡、167 ㎡以及190 ㎡等不同面積的戶型，以滿足家庭成員的不同需求。其中主力戶型為建面約96 ㎡，129 ㎡，190 ㎡的3 種戶型，這些戶型設計南北通透，全明格局，居住舒適，符合大多數(shù)人需求適宜作為結合不同形式家居陽臺3 種典型對象（如圖3）。

通過表3 可以發(fā)現(xiàn)，基本上隨著住宅面積的增加，陽臺面積也隨之增加，但住宅面積中的陽臺占比卻隨之減小，且更大面積的戶型往往享受有更好的配套設施，景觀，采光，價格也會更高。此時陽臺形式就會趨向于更加開放，不僅能增加室內的采光，也可以使室內的人與室外的景觀有更多交流。反之，小面積戶型因為住宅密度高，人均面積小，環(huán)境質量相對下降，陽臺形式就會更趨向于封閉，保護私密性。

（四）Design Builder 軟件模擬

DesignBuilder 是一款針對建筑能耗動態(tài)模擬程序（EnergyPlus）開發(fā)的模擬軟件。旨在從建筑設計的初期階段就通過提供性能數(shù)據(jù)來優(yōu)化設計和評估。文化和技術的發(fā)展深刻改變了建筑模擬和可視化，徹底改變了建筑師溝通和執(zhí)行項目的方式。[13] 適當?shù)臒峤Ｊ强刂茻崾孢m性和降低能耗的第一步。[14] 具體來說，DesignBuilder 可以模擬不同陽臺形式下的自然通風效果。在寒冷地區(qū)，合理的陽臺設計可以減少室內熱損失，提高室內熱舒適度。通過模擬不同陽臺分隔方式，可以評估陽臺采光及其相鄰房間室內熱損失效果。此外，DesignBuilder 還可以模擬不同陽臺形式下的太陽輻射的熱量和室內熱負荷，分析其對冬季采暖和夏季制冷能耗的影響。

（五）提取典型模型建模

選擇典型建筑住宅模型時，主要考慮陽臺的特點和普適性，因此選擇了190 平方米，96 平方米以及售額最高的129 平方米，3 種不同住宅戶型。在進行建模時，需要考慮的一點是從陽臺到住宅區(qū)域的熱傳遞。之前的一項研究提到了建模的重要性，使其通過陽臺窗戶的太陽輻射到達帶有陽臺的住宅區(qū)[15]（如圖4、5）。

（六）天氣和活動設置

為了完成室內環(huán)境的評估和對比分析，根據(jù)收集到的圖紙和材料信息，對房間尺寸、窗戶、室外遮擋、室內房間排布等影響室內天然采光的重要因素進行建模[16]，使用濟南地區(qū)的天氣數(shù)據(jù)作為計算的背景天氣文件（如表4、5）。

（七）相鄰空間的采光效果

96 平方米住宅僅有一個陽臺，根據(jù)已建成項目的實際情況設定陽臺窗戶距地面高度0.8 米，為長3.1m× 寬1.5m 的長方形。陽臺與室內相鄰空間的分隔主要分為3 類：分隔式采用的分隔墻為保溫層為0.05m 的XPS Extruded Polystyrene（CO ? Blowing）的0.24m厚的Standard wall construction，分隔墻上開窗大小為 長2m× 寬1.45m，距地面高0.8m，材質為project internal glazing，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺分隔墻材質厚度與分隔式陽臺相同，分隔墻上采用大小為高2.3m× 長2.4m 可雙向推動的大面積玻璃推拉門。消解式陽臺則在材質厚度相同的分隔墻上開高2.5m×長3.1m 的洞，3 種不同類型陽臺具體的采光情況如圖6 所示。

129 平方米戶型的住宅是銷量最高的住宅類型，有一個陽臺，位于南向。陽臺開窗為長3.1m× 寬1.5m 的長方形。分隔式采用與96平方米戶型相同的0.24m 厚的Standard wall construction，分隔墻上開窗大小為 長2m× 寬1.45m，距地面高0.8m，材質為projectinternal glazing，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺：采用高2.3m× 長2.4m 的大面積雙向玻璃推拉門，既分隔又聯(lián)通。消解式陽臺通過分隔墻上開高2.5m× 長3.1m 的洞口，直接連通陽臺與起居室，營造寬敞通透的居住空間。3 種不同類型陽臺具體的采光情況如圖7 所示。

190 平方米住宅戶型是正在出售的住宅類型中面積最大的，有兩個陽臺南向陽臺較大約為6.5 ㎡，北向較小陽臺面積約為4.0 ㎡。南向陽臺窗戶距地面高度0.8 米，為長4.6m× 寬1.5m 的長方形。陽臺與室內相鄰空間的分隔主要分為3 類：分隔式分隔墻上開窗大小為 長3m× 寬1.45m，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺分隔墻上采用大小為高2.3m× 長3.5m 可推動的多扇連續(xù)玻璃推拉門。消解式陽臺則在分隔墻上開高2.5m× 長4.6m 的洞，直接將陽臺與相鄰的起居室連通如下圖所示。北向陽臺窗戶距地面高度0.8米，為長1.85m× 寬1.5m 的長方形。陽臺與室內相鄰空間的分隔主要分為3 類：分隔式分隔墻上開窗大小為 長1.45m× 寬1.5m，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺分隔墻上采用大小為高2.2m× 長1.6m 可雙向推動的玻璃推拉門。消解式陽臺則在分隔墻上開高2.5m× 長2.4m 的洞口，使用3 種不同類型陽臺具體的采光情況如圖8 所示。

（八）結果與討論

不同陽臺形式的圍護結構材料、厚度、構造等差異會影響其熱傳導性能，進而影響室內環(huán)境的熱穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)熱損失（kW）這一指標用于量化在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于陽臺與室內環(huán)境之間的熱交換所導致的熱量損失。已經(jīng)廣泛地對玻璃陽臺的節(jié)能和熱效應研究進行了研究。在空間布局逐漸固化后，建造技術的升級讓科技賦能成為居住需求新的增長點。[17] 事實上，這些環(huán)境因素對居住者的可接受性和工作表現(xiàn)有顯著的綜合影響。

根據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)不同陽臺類型對不同面積的住宅在各方面能耗上的影響如下：

不論采用何種陽臺形式，在寒冷地區(qū)的住宅中，隨著面積的增大，住宅穩(wěn)態(tài)熱損失也有所增加。例如，96 平方米的住宅穩(wěn)態(tài)熱損失為1.78kW，而190 平方米的住宅則增加到2.69kW。這表明更大體積的住宅散失的熱量更多。這表明住宅面積的增加會導致熱損失和所需供熱或制冷量也會相應增加。

當控制住宅的面積相同時，消解式陽臺的穩(wěn)態(tài)熱損失要低于其余兩種陽臺形式，這是因為其余兩種陽臺形式的室內環(huán)境更封閉，通過陽臺的熱損失更少，因此陽臺溫度通常更低，不適合長時間停留，但室內溫度通常比消解式陽臺住宅更高。

總體來看：陽臺作為既有住宅建筑的一部分，由于其玻璃面積大，熱惰性差，導致陽臺成為能量耗散的主要部分[18]。對于所有陽臺類型，隨著陽臺在住宅總面積中占比的增加，穩(wěn)態(tài)熱損失和設計容量均呈現(xiàn)出增加趨勢，這符合能量散失與空間大小成正比的常識。因此，分隔式陽臺在所有面積類別中通常具有最低的熱損失和能量需求，而半分隔式陽臺和分隔式陽臺的熱損失情況相對接近，而半分隔式陽臺的采光面積更大，室內光照效果更好。在氣候較冷或對能耗要求較高的地區(qū)，應優(yōu)先考慮采用半分隔式陽臺設計，以提高住宅的能源效率和視覺效果。[19]

綜合分析可以得出，開放性的陽臺更適合周圍環(huán)境優(yōu)美，住宅總面積大的戶型，封閉性的陽臺則更適合于周圍環(huán)境不佳，高密度小面積的戶型。寒冷地區(qū)住宅則優(yōu)先考慮半分隔式陽臺，在保證室內熱環(huán)境的條件下，對采光影響也較小。

結論

通過上述分析，可以得出以下結論與建議：

（1）開放式陽臺一般情況下不適用于寒冷地區(qū)住宅，但由于面積與能耗的關系：隨著住宅面積的增加，無論是哪種陽臺類型，其穩(wěn)態(tài)熱損失和設計容量均呈現(xiàn)出增加趨勢。在設計大面積的高品質住宅時，應更加注重保溫隔熱材料的使用和高效能源系統(tǒng)的配置，開放式陽臺對住宅整體的熱損失影響較小的情況下，適合在以露臺等觀賞功能優(yōu)先的情況下使用。

（2）分隔式陽臺與半分隔式在相同面積條件下，通常具有最低的熱損失和能量需求，因為分隔式陽臺更有效地隔斷了內外環(huán)境，減少了熱量的直接交換，其開放性最低，私密性最好。半分隔式陽臺在熱損失較低的同時開放性更好。分隔式陽臺設計十分適合寒冷地區(qū)高密度小面積住宅，而半分隔式陽臺更適合高品質中大戶型的寒冷地區(qū)住宅。

（3）對于消解式陽臺，和半分隔式陽臺相比對外界的開放性上差別不大，但熱損失較大，適用于氣候寒冷且希望增強與外界的聯(lián)系的環(huán)境，如住宅密度較低，景觀優(yōu)美的寒冷地區(qū)高檔住宅。此類住宅重視與環(huán)境的交互，居住成本往往也更高。

綜上所述，建筑師和工程師在進行住宅設計時，應綜合考慮住宅面積、陽臺類型以及其他設計要素對能耗的影響。通常來說陽臺的設計隨著住宅面積的增加以及周圍環(huán)境的改善趨向更加開放的形式，陽臺的保溫能力則隨著陽臺的封閉性提高而提高，通過平衡環(huán)境因素的影響可以更好地應用不同的陽臺形式。