甘南藏区院落式阳光间热性能优化分析

王维，赵敬源，王琼

（长安大学建筑学院，西安71000）

0 引言

甘南藏区院落式阳光间是在原有的农宅建筑基础上进行扩建，具有跨度大，进深长的特点。因此，阳光间被赋予了娱乐、会客、聊天、吃饭等其它空间具有的功能，成为当地居民冬季下午的主要活动空间，阳光间的使用方式与其它地区有很大区别。

很多研究者对于国内建筑阳光间的使用与现状进行了分析与研究。戴亚威对农宅阳光对室内温度影响做了模拟分析，一般的农宅阳光间可以使冬季室内主要房间温度提升40%，但同时也会使夏季室内温度提升8%左右[1]。李一峰，王万江对新疆地区农宅附加阳光间的遮阳板设计进行研究，提出要根据建筑所在地的太阳照射角进行计算遮阳板长度，既要确保减少夏季阳光间接受的太阳直射以避免过热，又要确保冬季能够获得足够的受热面积[2]。谭良斌,徐浩对香格里拉庭院式阳光间和提附加阳光间式进行了对比评估，总结了两者的优劣势并提出庭院式阳光间优化建议[3]。

但目前对阳光间的研究主要集中于如何作为良好的保热空间，而对于居民对阳光间热环境要求研究较少[4]，对具有使用功能较强的院落式阳光间研究更少。因此，工作针对甘南藏区院落式阳光间展开调研与实测，确定居民对阳光间温度要求，并分析影响甘南藏区院落式阳光间使用时段温度的主要因素，提供优化建议。

1 调研分析

问卷调研时间选取甘南藏族自治州最冷的一段时间，开始于为2020 年12 月19 日，结束于2020 年12 月27 日；调研走访了临潭县、卓尼县、迭部县、玛曲县和合作市周边5 处地点，在走访过程中记录不同阳光间布局、形状、外观的同时进行问卷调查。问卷的主要内容主要包括:①受访者的背景资料如性别、年龄等;②受访者当时的衣着与活动情况;③院落式阳光间使用时段温湿度，黑球温度，风速等;④阳光间使用时段的热感觉与热期望。

1.1 调研对象

为保证信息真实性与有效性，所有问卷均以访谈当地居民的形式进行，现场测试都于冬季典型天气下进行。调研一共考查了甘南藏区100 户带有阳光间的农宅建筑，其中78 户农宅带有院落式阳光间。通过对78 户带有院落式阳光间农宅家庭发放调查问卷并进行现场测试，其中共有193 人参与问卷调查，有效问卷受访人数共180 人，占问卷调查总数的93.3%。有效受访者男女比例在5:4 左右，职业主要以务农与附近打工为主，共计142 人，占有效总人数的79%，符合当地实际情况。现场测试期间，院落式阳光间均能够正常使用，符合现场测试要求。有效受访人员样本基本情况见表1，阳光间样本情况见表2。

表1 受访者基本信息 人

表2 阳光间样本情况

1.2 阳光间修建方式与冬季使用习惯

调研发现，当地居民农宅的阳光间绝大多数都是在原有的建筑基础上进行扩建的，通常利用院落的东西墙作为阳光间两侧的围护结构，北向多与客厅和卧室相连接，而阳光间南向多为铝合金单层玻璃窗搭建而成，从而形成院落式阳光间，院落式阳光间顶部材料多为塑料板，彩钢板，保温板和普通单层玻璃，由于藏族居民的文化中对于白色的崇尚，同时院落式阳光间还具有较强的使用功能，因此当地居民通常铺设白色瓷砖作为阳光间的地面构造见图1。

图1 院落式阳光间实景图

当地居民多在冬季的13:00～17:00 时在院落式阳光间进行活动。在此时段内，院落式阳光间的温度达到一天当中的最高值，并且采光性能最佳，导致当地居民在此段时间内使用频率最高，当地居民常在此时间段内在院落式阳光间进行会客、休息、吃饭、娱乐等活动。

1.3 阳光间热环境数据分析

通过对甘南藏区78 户农宅的院落式阳光间热环境测试，得到甘南藏区冬季院落式阳光间主要使用时段室内平均温度为17.15℃，黑球平均温度为22.3℃，平均湿度为37.5%，平均风速为0.11m/s。通过调查计算，院落式阳光间在使用时段的活动人员服装平均热阻为1.65Clo，新陈代谢产热率在1.2～1.5met 之间。

依据阳光间使用时段温度，黑球温度，居民的新陈代谢率，服装热阻等数据计算出的热感受投票值（PMV）和问卷调查时的收集的居民平均热感觉（MTS）分别与室内操作温度（top）进行线性回归分析。阳光间PMV 与操作温度（top）拟合方程为：PMV=0.221top-4.185，R2=0.739，当PMV=0 时，得到阳光间预测热中性温度为18.94℃。阳光间MTS 与操作温度（top）拟合方程为：MTS=0.213top-3.784，R2=0.778，当MTS=0 时，阳光间实测热中性温度17.77℃见图2。

图2 PMV、MTS 与阳光间操作温度关系

通过比较甘南藏区居民的预测热中性温度和实测热中性温度，我们发现当地居民的阳光间实测热中性温度均低于预测热中性温度，说明当地居民在使用阳光间时对于冷的承受力比预测值要高，也间接说明了当地居民对于本地区冬季适应性较强[5]。

通过线性回归分析，我们确定了阳光间实测热中性温度17.77℃，此时通过计算得到对应的空气温度为16.03℃，因此我们确定了在阳光间使用时的人体最舒适空气温度16.03℃。

1.4 居民热感觉分析

在调研受访者对于冬季阳光间主观热感觉时，问卷的设置包括温度感觉、湿度感觉、风速感觉、热期望值，四者投票均参考采用通用的ASHRAE7 级投票指标。温度投票均值为0.41，湿度投票均值为0.27，风速期望均值为0.36，热期望投票均值为0.76。可以看出，对于阳光间湿度、风速，居民大多数可以接受或者感到舒适，从热期望投票均值来看，在当地寒冷的冬季，即使当前使用时段的阳光间温度能够令居民接受，但是居民还是希望室内温度能更高一些。

2 实测研究

2.1 测试对象

选取甘肃甘南藏族自治州卓尼县（严寒地区）木耳镇的一户带有阳光间的院落式农宅进行热环境实测，木耳镇是甘南藏族自治州的典型村落，并且入选了中国传统村落名录，因此该住宅非常有典型性。该农宅建筑为1 幢1 层，朝向为南偏西15.8°，建筑修建于2013 年，2015 年进行了院落式阳光间扩建。建筑共有7个空间:客厅、主卧室、次卧室、阳光间、储藏室、厨房、厕所。院落式阳光间面朝南向，在冬季使用时兼有卧室、客厅与餐厅等空间功能，常作为冬季下午的主要生活空间来使用。房屋高度为3.1m，扩建的阳光间的高度为2.6m，空间采用大窗墙比结构，东西两侧以原有的住宅外墙为基础，南向为铝合金单层玻璃窗共同形成整个阳光间结构如表3 所示。

表3 院落式阳光间构造

2.2 测试概况

测试开始于为2020 年12 月24 日，结束于2020年12 月27 日，测试用到的仪器有温湿度记录仪（AZ-8828），热线式风速仪（Testo425）和黑球温度指数仪（JT2011）。测试共布置2个测点，分别位于住宅院落和阳光间，用来获取室内外温湿度和阳光间温湿度、风速、黑球温度等。温湿度记录仪设定采样时间间隔为30min，在13:00～17:00 内不间断记录，风速仪和黑球每隔30min 对阳光间进行测试，测试期间门窗关闭，房间均无采暖措施，且3个房间均无人活动，测试结果没有人为因素影响，测试房层平面见图3。

图3 测试房屋平面图

2.3 测试结果分析

测试结果分析由于测试第一天与最后一天受测试人员等外部干扰较多，为了分析阳光间应用效果，选择了天气最为晴朗的26 日数据作为分析依据。在13:00～17:00 内室外气温在-1.7～4.4℃内变化，平均气温2.7℃，最高气温4.4℃，最低气温-1.7℃，二者差值为6.1℃，平均风速1.28m/s，室外温度变化较快，风速较小。

阳光间在使用时段内平均温度为16.05℃，使用时段最高温度出现在16 点，能够达到17.7℃。使用时段最低温度出现在13 点，温度为14.1℃，在使用时段内，阳光间只15:00～16:30 这一较短时段能够达到MTS=0 时的阳光间空气温度16.03℃见图4。

图4 室内外温度对比

在13:00～17:00 内，室外湿度变化较为明显，湿度在19.9%～36.4%内变化，室外平均湿度23.4%。阳光间湿度在17.8%～22.8%内变化，平均湿度19.75%，湿度变化较为稳定。阳光间湿度变化范围低于我国GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》规定的冬季室内湿度应控30%～60%，说明冬季阳光间在使用时段内较为干燥见图5。

图5 室内外湿度对比

3 阳光间热性能优化模拟研究

通过对冬季使用时段内阳光间的热性能主要影响因素进行排序，使得居民能够根据对对院落式阳光间新建或改造时选择更有效的设计方案见图6。

图6 典型民居基准模型

3.1 正交试验设计

甘南藏区院落式阳光间在使用时段时，温度主要受不同朝向、进深、开间、高度、窗体材料、顶部构造、阳光间东西墙构造、地面构造的因素影响，考虑到院落式阳光间较强的使用功能和藏族居民文化习惯，对于地面构造默认设置为当地最普遍使用的白色瓷砖，此外甘南藏区院落式阳光间东西两侧以原有的住宅外墙为基础，开间数值难以改变。因此以除地面构造和开间外的6个主要因素来进行阳光间使用时段温度模拟分析。为了避免模拟时影响因素与每种因素的水平较多而导致实验次数过于庞大，模拟采用正交试验法来减少试验次数如表4 所示。

表4 各因素不同水平设置

根据甘南藏区实际调研的结果，参照甘南藏区院落式阳光间最常见的几种做法，我们选取了各影响因素的水平个数。模拟利用DeST-H 模拟软件进行模拟，确定测试时间内的冬季阳光间使用时段的温度。

3.2 模拟结果分析

通过建立的正交试验表进行模拟分析，得到不同因素和水平条件下的冬季阳光间使用时段达到热中性温度的时间占比，如表5 所示。

表5 各因素极差分析（阳光间使用时段达到最舒适空气温度的时间占比）

由表5 可知，甘南藏区院落式阳光间在冬季使用时段内影响达到最舒适空气温度的时间占比的主次顺序为：顶部材质＞窗体材料＞阳光间进深＞南向窗墙比＞阳光间高度＞建筑朝向＞东西墙传热系。若在冬季想提升阳光间使用时段温度，优先改造敏感性高的因素，以达到较好的效果。

对于院落式阳光间使用时段而言，建筑朝向选择南偏西方向优于正南向和南偏东方向，南向窗墙比也不是越大越好，而是保持在0.8 左右为最佳，东西墙传热系数对于阳光间使用时段温度影响很小，可以忽略。对于阳光间进深和高度而言，在不影响居民在阳光间活动的情况下，都应该尽量保持较小的数值。窗体材料对于阳光间使用时段温度仅次于屋顶材质，对于使用时段阳光间温度而言，中空玻璃＞普通单层玻璃＞双层玻璃，这主要是由于中空玻璃透光率和单层玻璃相差无几且传热系数较低，双层玻璃虽然传热系数低于单层玻璃，在透光率上低于单层玻璃。屋顶材质是影响甘南藏区院落式阳光间使用时段温度最关键的因素，屋顶材质在使用普通单层玻璃时明显优于其它任何材料，这主要是由于冬季阳光间的主要使用时段为下午太阳辐射最强时，而玻璃相比于其他顶部材料而言，拥有良好的透光率，从而使阳光能从顶部很好的进入阳光间，提高了室内温度。因此，当玻璃作为阳光间的屋顶材质时，提升玻璃透光率会对使用时段阳光间温度产生一定的提升作用。

当采用最优方案建造当前院落式阳光间时，冬季阳光间使用时段达到最舒适温度的时间占比可达到87.6%，若采用最差方案，只能达到11.3%。最优方案与当前的基准模型相比较而言，冬季阳光间使用时段达到最舒适空气温度的时间占比提高了62.7%见图7。

图7 最优方案温度与实测阳光间温度对比

3.3 阳光间夏季通风遮阳优化模拟研究

由于院落式阳光间具有较强的使用性，所以必须考虑夏季阳光间过热问题。模拟当前最优方案下的甘南藏区院落式阳光间温度时发现，夏季阳光间高温时段出现在13:00～17:30 左右，此段时间内阳光间均温高达到30.3℃，这主要是由于甘南藏区院落式阳光间内没有做任何的遮阳措施，可开启的南向门面积较小导致通风不利造成。通过针对以上两个问题进行模拟优化。

3.3.1 阳光间遮阳优化

因院落式阳光间顶部面积和南立面面积较大，使用遮阳卷材，百叶窗等造价较高且不方便，同时要满足遮挡太阳直射的条件下避免室内光线较差，我们选用当地常见的草制遮阳帘作为夏季阳光间玻璃屋顶的遮阳材料，由于草制遮阳帘重量轻、造价低、环保，且不会对玻璃屋顶造成高荷载而产生安全问题，同时还可以减少太阳直射对于阳光间温度的影响。通过模拟分析，夏季院落式阳光间玻璃屋顶使用草制遮阳帘后，高温时段均温为27.1℃，降低了3.2℃，使用草制遮阳帘降温效果明显。

3.3.2 阳光间南立面门面积优化

院落式阳光间由于身处空旷的院落之中，基本不受到相邻建筑阻挡自然风的情况，有着可充分利用自然风的优势。调研发现，院落式阳光间可开启门面积较小，门面积占南立面面积的10%左右。为了增加夏季通风，分别模拟增加门面积至15%、20%、25%通风时阳光间高温时段的温度变化。通过模拟分析，夏季院落式阳光间门面积增加至15%、20%、25%进行通风时，高温时段均温分别为29.5、28.7、28.1℃，分降低了0.8、1.8、2.2℃。因此，在保证不影响阳光间使用功能的前提下，南向门开启通风时面积越大，降温效果越好，门面积提升至20%时，降温幅度最大，提升至25%时，降幅开始缩小。

4 结语

通过对甘南藏区室内阳光间调研和对典型的院落式阳光间热环境测试及模拟研究得到以下结论：

（1）冬季当地居民在室内有着相对固定的行为活动轨迹，冬季13:00～17:00 时为阳光间温度最高时段，也是使用频率最高的时段。

（2）阳光间预测热中性温度为18.94℃，实测热中性温度17.77℃，最舒适空气温度为16.03℃。实测热中性温度均低于预测热中性温度，因此证明该地区居民对当地冬季气候有一定的适应性，抗寒能力较强，即使如此，当地农宅居民对于室内温度也有着有更高的期望。

（3）甘南藏区院落式阳光间在冬季使用时段内影响达到最舒适空气温度时间占比的主次顺序为：顶部材质＞窗体材料＞阳光间进深＞南向窗墙比＞阳光间高度＞建筑朝向＞东西墙传热系数，使用单层玻璃材质作为阳光间顶部材料时对使用时段阳光间温度提升最为明显。

（4）对于甘南藏区院落式阳光间优化建议：最佳朝向为南偏西15°。南向窗墙比控制在0.8 时最佳。阳光间顶部材质采用单层6mm 普通玻璃。窗体材料采用中空玻璃（6+9+6）mm。对于阳光间高度而言，不影响居民正常活动前提下采用2.2m 高度最佳，建议不超过3m。阳光间进深在满足居民活动的条件下越小越好，最小进深处1.5m 时最佳，建议最小进深处不超过2.7m。东西墙几乎对阳光间温度没有影响，可不做保温处理。南向门面积设置因占南立面面积的20%以上。

（5）为了避免夏季阳光间过热，夏季院落式阳光间玻璃顶部应布置草制遮阳帘进行降温，同时应保持高温时段南向门打开通风，以避免阳光间过热。