西藏农村人居建筑多功能窗体研究

邓源，徐峰，2†

（1.湖南大学建筑与规划学院，湖南长沙 410082；2.丘陵地区人居环境湖南省重点实验室（湖南大学），湖南长沙 410082）

对人居环境重视程度和品质要求的提升是社会发展的必然趋势［1］.不断优化的建筑设计方法、多样的建筑材料和提升的施工技术，为现代城市建筑倡导舒适性和健康性奠定了基础.为进一步改善人居环境舒适度，对新型百叶窗［2］、通风窗［3］、光伏窗［4-5］等新型窗体和节能型玻璃［6］的研究不断深入，且研究方向逐渐偏向功能多元、使用高效、节能降耗的多功能节能窗体和系统设计研究，如光伏百叶窗［7］、光伏通风窗［8-9］、遮阳式光伏新风系统［10］等.

西藏是全球太阳能资源最丰富的地区之一，发展被动式太阳能建筑是缓解藏区农村家庭能源匮乏的有效途径［11］，也是解决经济落后与需求提升之间矛盾的最佳选择.然而，受太阳辐射强、日温差大等气候特点的影响，形式多样的西藏传统民居均具有进深大、墙体厚等特征.碉房作为西藏农民最主要的住宅形式，门、窗尺寸小、数量少，因此室内采光、通风较差.面对亟待改善人居环境的中国广大农村地区，尤其是西藏等偏远地区，如何最大限度利用自然资源改善人居环境是全社会需共同关注的问题.

通过对既有研究的梳理发现，各类应用技术研究尚未很好地应用到西藏传统建筑改造和人居环境改善之中.一方面，西藏地区太阳能利用的技术研究相对成熟［12］，但人居环境改善和传统民居改造研究极为有限［13］，特别是对建筑采光问题关注度不高.另一方面，新型窗体设计研究广泛深入，但在功能、尺寸、安装等方面均与独具特色的西藏传统碉房建筑［14］并不适配.

本文提出的多功能窗体设计方法将太阳能利用与窗体设计结合，不仅能保留传统建筑特色、弥补原有窗体采光不足的缺点，还能利用太阳能资源显著改善室内光、热环境，并降低建筑能耗，具有重要的理论意义和实践价值.

1 保温、隔热、发电与自然采光耦合一体化多功能窗体设计方法

1.1 多功能窗体架构

基于西藏地区气候特征和人居建筑特色，本文提出一种集保温、隔热、发电与自然采光于一体的多功能窗体设计方法，该多功能窗体整体尺寸与碉房窗户尺寸一致，主要由光伏发电板、反光板、保温板、转轴和转瓦组成，如图1所示.

图1 多功能窗体轴测图Fig.1 Axonometric drawing of multifunctional window

如图2 所示，主转轴紧靠窗玻璃固定于室内窗台上，可调节主板倾角.多功能窗体正面为镜面铝制反光板，反面分别为挤塑保温板（主板）和多晶硅太阳能光伏发电板（副板），两侧材料由结构支撑板连接.副板通过次转轴与主板相连.次转轴由2个转轴和8 个转瓦组成，有上部和下部之分.上部转瓦固定于副板，次转轴和下部转瓦固定于主板.开启反向转瓦，利用同向转轴即可调节副板倾角.

图2 多功能窗体室内安装效果图Fig.2 Design sketch of multifunctional window

受碉房窗洞尺寸限制，多功能窗体主转轴直径不宜超过板厚，长度不宜超过800 mm；主、副板尽可能选择薄板材料，整体长度不宜超过窗洞高度的2倍.

1.2 多功能窗体工作模式

多功能窗体可针对夏季、冬季和过渡季不同时段的需求和气象变化，实时切换遮阳、保温、发电和自然采光四种模式，并调整倾角.

1.2.1 夏季工作模式

西藏地区夏季太阳辐射强度大、日照时间长，多功能窗体以遮阳和发电模式为主，如图3～5所示.

图3 夏季多功能窗体采光模式示意图Fig.3 Natural lighting mode in summer

工况1：12时前及16时后光线较柔和，可采用采光模式.展开副板，尽可能利用反光板将自然光线反射至室内天花板，提高室内光照亮度，增加采光进深.

工况2：12 时至13 时、15 时至16 时太阳辐射强度较大，宜采用发电模式.旋转副板至光伏发电板朝外，将反光板与主板贴合.调整多功能窗体倾角，利用窗户上半部分进光.

工况3：13时至15时太阳辐射强度大，采用遮阳模式避免近窗口产生眩光.调整两板倾角，通过窗户上半部分进光，并利用副板反光板为室内提供漫射光.

图4 夏季多功能窗体发电模式示意图Fig.4 Power generation mode in summer

图5 夏季多功能窗体遮阳模式示意图Fig.5 Shading mode in summer

1.2.2 冬季工作模式

西藏地区冬季太阳辐射强度相对较小，昼夜温差较大，以采光和保温模式为主，如图6、图7所示.

图6 冬季多功能窗体采光模式示意图Fig.6 Natural lighting mode in winter

图7 冬季多功能窗体保温模式示意图Fig.7 Insulation mode in winter

工况1：冬季日间采用采光模式增加室内光照强度和太阳辐射，展开副板至与主板水平，为室内提供漫射光.

工况2：冬季夜间寒冷，采用保温模式降低建筑热负荷.展开副板至与正板水平，旋转主转轴至与原有窗户镶嵌材料贴合.

1.2.3 过渡季工作模式

西藏地区过渡季时间较长，晴天时主要采用采光模式改善室内光环境.如图8 所示，根据太阳直射角度调节两板倾角，增加室内采光进深和光照强度.

图8 过渡季多功能窗体采光模式示意图Fig.8 Natural lighting mode in the transition season

如图9 所示，阴天可采用非工作模式，折叠多功能窗体并放置于窗台，降低对室内空间的影响.

图9 过渡季多功能窗体非工作模式示意图Fig.9 Non-working mode in the transition season

2 多功能窗体性能分析与评价

2.1 系统介绍

2.1.1 地理位置

依据太阳辐射量可将西藏地区划分为资源丰富区、资源较丰富区、资源较贫乏区和资源贫乏区4类地区［15］，如表1 所示.在本研究中，以位于太阳资源丰富区的拉萨为应用对象，其地理位置为东经91°06′，北纬29°36′，太阳赤纬为23°26′，平均日辐射量为20.29 MJ/m2.

表1 西藏各地区太阳能资源统计表［15］Tab.1 Statistics of solar energy resource in various regions of Tibet［15］

2.1.2 尺寸规格

碉房多坐北朝南，三层空间由下至上依次用于牲畜圈养、主人起居和谷物晾晒，平面布局以正方形为主（约占50%），本研究以典型正方形碉房二层南向卧室为主要研究对象，如图10 所示，正方形碉房平面尺寸约为11 m × 11 m，层高3.3 m，围护结构为700 mm 厚的石砌墙.窗洞较小，整体呈内宽外窄的喇叭口形，为外侧上沿宽800 mm，下沿宽1 000 mm，高1 000 mm 的正梯形，里边沿比外边沿宽80 mm［16］.

图10 正方形碉房二层平面图（单位：mm）Fig.10 Floor plan of square blockhouse（unit：mm）

如图11 所示，多功能窗体以碉房现有窗户尺寸为基础，存在2 种尺寸选择.经计算，在同等条件下，B系统对室内光环境改善作用较A系统不明显，且对室内空间影响较大.A 系统主转轴直径为60 mm，次转轴直径为20 mm，两板实际长度共920 mm，光伏发电板面积为0.379 m2.

图11 系统A和B示意图（单位：mm）Fig.11 Floor plan of system A and B（unit：mm）

2.1.3 材料选择

碉房一般采用浅色涂料装饰平天花，反光率达0.8.多功能窗体镜面铝制反光板光反射比达0.95.多晶硅太阳能光伏发电板最大效率为18.5%［17］.

2.2 性能评价指标与分析方法

多功能窗体各功能需独立使用，铝制镜面反光板、太阳能光伏发电板和挤塑保温板在采光、发电和保温隔热方面的性能评定采用独立的性能评价指标与分析方法.

2.2.1 采光性能分析

经理论和实践研究，建筑采光性能常采用照度、照度均匀度和室内采光系数作为评价指标.本研究以晴天为例，探究反光板对室内采光进深的影响.以入射南窗并照射至地面最远光线的垂直距离为准，通过采用多功能窗体后室内采光进深变化评定反光板性能.参考《地面气象观测规范》［18］中太阳高度角和太阳方位角计算公式，利用公式（1）～（6）计算晴天状态下拉萨地区春分、夏至、秋分和冬至4 天中不同时刻太阳高度角和太阳方位角.依据碉房、窗户和多功能窗体尺寸，计算分析正方形碉房南窗采用反光板前后室内采光进深和光照时长变化规律.

式中：h为太阳高度角；A为太阳方位角；φ为当地纬度；DE为太阳赤纬；To为太阳时角.

DE计算公式如下：

Q计算公式如下：

式中：N为按天数顺序排列的积日；ΔN为积日订正值；No为与年份相关的积日订正值.

To计算公式如下：

式中：T为真太阳时.

2.2.2 光伏性能分析

采用光伏发电年发电量作为光伏发电性能评价指标，参考相关研究成果［19］，其计算公式如下：

式中：Ep为光伏发电年发电量，kW·h；HA为水平面太阳能总辐照量，kW·h·m-2；S为所有组件面积总和，m2；k1为组件转换效率系数；k2为综合效率系数.

2.2.3 保温隔热性能分析

建筑节能量能直接反映出多功能窗体作为遮阳构件和保温材料在建筑节能方面的性能.通过软件模拟采用挤塑保温板前后建筑能耗的变化规律，依据建筑节能量评定挤塑保温板的保温隔热性能.

2.3 性能分析结果

本研究以正方形碉房二层南向开窗的卧室为主要研究对象，以多功能窗体完全展开与原有窗户呈90°为例，分析多功能窗体的采光性能和光伏性能；以与原有窗户镶嵌材料贴合的保温模式为例分析保温隔热性能.

2.3.1 室内采光进深

如图12 所示，除夏季南窗因无直射光进入室内而无法判断采光性能外，过渡季和冬季采用反光板后采光进深提升明显.

图12 南窗不同时刻室内采光进深变化图Fig.12 Indoor light depth map of south window at different times

春分和秋分时采用反光板前后的采光进深变化趋势基本一致，采用前采光进深约0.45 m，采用后稳定在3.5 m 左右，采光进深提升5 倍以上，持续时间长达10 h以上，且光照时间延长4 h.

冬至时室内采光进深大幅增加，采用反光板后仍提升采光进深2.5倍以上，使室内采光进深保持在7.5 m以上.

2.3.2 光伏发电量

根据公式（7）计算，拉萨地区一扇南向窗户持续一年采用多功能窗体发电模式，并随太阳高度角实时调节光伏发电板至最佳倾角，理论上可提供电力144 kW·h.

2.3.3 建筑节能量

西藏夏季室外最高温度约为21 ℃，不需考虑室内夏季制冷，因此挤塑保温板保冷效果不明显.利用建筑能耗模拟软件EnergyPlus 对西藏碉房冬季制热能耗模拟发现，如图13 所示，冬季南向房间采用多功能窗体保温模式后，建筑热负荷平均减少360 W，约占总负荷2%，1 月份最高可减少3%左右.西藏碉房窗户尺寸和窗墙比较小，若窗户尺寸增加，多功能窗体保温隔热性能提升效果更为明显.

图13 多功能窗体保温模式对冬季建筑热负荷的影响Fig.13 The influence of multifunctional window with insulation mode on building heat load in winter

2.4 经济性评价

考虑到西藏农村地区的实际情况，多功能窗体的投资费用必须在居民可接受的范围内，且有较高性价比，才具有推广可行性，因此，有必要开展经济性分析.经济测算如表2所示.

表2 多功能窗体经济测算表Tab.2 Economic calculation table of multifunctional window

如表2 所述，多功能窗体总成本在165 元左右，设计寿命为20 年，可通过直线折旧法、投资回收期法和年平均寿命周期费用法等评价方法判定多功能窗体经济性.

1）直线折旧法（平均年限法）

年折旧额=（设备原值+预计清理费-预计残值）÷预计使用年限×100%

2）投资回收期法

投资回收期（年）=设备投资额÷采用新设备后年净收益或节约额

3）年平均寿命周期费用法

年平均寿命周期费用=（购置费+寿命周期内的使用费）÷经济寿命

经计算，采用多功能窗体一年可节电153 kW·h，年折旧额为7.8%，投资回收期为2.2 年，年平均寿命周期费用为8.3 元.同时，多功能窗体安装、拆卸简单，使用周期内基本不需要维护费用，费用有效率为806.7%，具有成本较低、节能效果明显的特点，性价比极高，适宜在西藏农村地区推广使用.

3 多功能窗体性能实验研究

3.1 实验研究对象

为进一步检验多功能窗体应用效果，本次实验在拉萨搭建了两间实验台，如图14 所示.实验台坐北朝南，四周无树木等障碍物遮挡.实验房间净长5 m，净宽2.7 m，层高3 m，仅有一扇南向采光窗，尺寸与上文所述典型梯形窗户一致，窗地比为6.7%.其中，1 号实验台作为对照组，不安装多功能窗体，2 号实验台作为实验组，安装多功能窗体.

图14 实验台实景图Fig.14 The photograph of test bench

3.2 实验研究方案

基于上述性能评价指标，本次共设计了4 组实验以测试多功能窗体采光性能、发电性能和保温隔热性能.

3.2.1 采光性能实验

为提高采光性能实验准确性，设计了采光进深实验和采光系数实验2个实验方案.

1）采光进深实验

两间实验台在晴天状态下同时进行采光进深实验.1 号实验台在地面安装标有刻度的平面镜，逐时监测地面光斑最远点与南墙的垂直距离.2 号实验台在天花板安装标有刻度的平面镜，并在窗口安装标有刻度的多功能窗体，且保持反光板完全展开与南墙呈90°，逐时监测反光板光斑和天花板光斑最远点与南墙的垂直距离.两间实验台北墙与地面中心交接点为固定站立观察点，实验过程中保持位置不变.

2）采光系数实验

照度计测定采光系数只适用于全阴天，在其他天气下，特别是晴天受室外天空条件变化的影响较大［20］.两间实验台同时进行实验，2 号实验台保持多功能窗体完全展开与南墙呈90°.

根据《照明测量方法》（GB/T5700—2008）［21］，室内布点一般选取边长1 m 的正方形网格，且网格边线一般距房间各边0.5～1 m.采用中心布点法或四角布点法，连续观测测试点3 次，取算术平均值计算室内平均照度和照度均匀度.本实验旨在探究不同进深的采光系数变化规律，且室内光照强度在距离上的衰减较大.因此，缩小网格尺寸，取网格交叉点为测试点，确保测试点纵横对称，取同一进深4 个测试点光照强度的算术平均值为该进深光照强度计算值.

实验前，将两间实验台划分为0.3 m×1 m 的矩形网格，并在测试点做好标记，如图15 所示.实验时完全关闭人工照明设备，在测试点距地面0.75 m 处水平使用照度计测试光照强度.

图15 室内光照强度测试布点图（单位：mm）Fig.15 Layout map of indoor light intensity test（unit：mm）

3.2.2 发电性能实验

发电性能实验选取2个实验周期，连续监测2号实验台太阳能光伏发电板月发电量，并对重点月份进行逐时监测和记录.实验过程中，根据太阳高度角实时调整光伏发电板倾角.

3.2.3 保温隔热性能实验

保温隔热性能实验采用温度测试，使用红外测温仪逐时监测两间实验台冬、夏两季南墙和窗户内外表面温度变化.两间实验台保持门、窗紧闭，同时进行实验.2 号实验台调整多功能窗体至保温模式.选取室外、两间实验台南墙和窗户内外表面共7 处作为测试点.

3.3 实验结果

3.3.1 采光性能验证结果

如图16 所示，1 号实验台室内采光进深稳定保持在0.3 m 左右.2 号实验台采光进深基本保持在1.5 m 以上，其中采光进深维持在2 m 以上的时长为8 h，采光进深维持3 m左右的时长约为4 h，室内采光进深增加5倍以上，与理论计算结果基本保持一致.

图16 时间对采光进深变化的影响特性Fig.16 The influence of time on the change of indoor light depth

依据《建筑采光规范》（GB50033—2013）［22］，居住建筑室内最低采光系数为1%.如图17 所示，在阴天状态下，两间实验台均满足室内采光最低标准，但2 号实验台平均采光系数较1 号实验台增加0.5%左右.其中，进深0.6 m 内的近窗口区采光系数提高0.8%以上，0.3m 内甚至提高1.3%；进深0.6～1.2 m 的中距离区采光系数提高0.5%以上；1.2 m外的远窗口区采光系数则提高0.2%左右.由此可知，反光板对近窗口区的遮光影响较小，近窗口区采光效果仍有明显提升.

图17 进深对采光系数变化的影响特性Fig.17 The influence of depth on the change of daylighting coefficient

由采光性能实验结果可知，在建筑层高3 m、多功能窗体完全展开且与南墙呈90 °时，过渡季采用反光板后室内采光进深增加5 倍以上，持续时间达10 h以上，夏季采光系数提高0.5%左右，可明显改善室内光环境.

3.3.2 光伏性能验证结果

如图18 所示，光伏发电板月累计发电量受月份影响较大，2 个实验周期实验结果相近，发电效率较为稳定.光伏发电板年均累计发电量约为90 kW·h，其中夏季月均累计发电量最多，为9 kW·h，6 月达到峰值.春、秋两季次之，为7.5 kW·h，冬季月均累计发电量最少，约为夏季发电量的2/3.

图18 光伏发电板月累计发电量Fig.18 Monthly cumulative power generation of photovoltaic power generation panels

3.3.3 保温隔热性能验证结果

如图19 所示，冬季保温性能实验中，1 号实验台夜间窗户内外表面温差为2～7 ℃，窗户与南墙内表面温差为2～5 ℃；2 号实验台窗户内外表面温差高达5～12 ℃，窗户与南墙内表面温差降至0～1 ℃.同时，2号实验台南墙内表面温度较1号实验台提高约1 ℃.

图19 冬季实验台温度变化Fig.19 Temperature change of test bench in winter

如图20 所示，夏季隔热性能实验中，1 号实验台午间窗户内外表面温差为2～4 ℃，窗户与南墙内表面温差为1～2 ℃；2号实验台窗户内外表面温差为2～7 ℃，窗户与南墙内表面温差为2～3 ℃.

图20 夏季实验台温度变化Fig.20 Temperature change of test bench in summer

从冬、夏两季温度变化趋势来看，采用挤塑保温板后，室内温度受外界温度影响降低，整体趋于稳定.同时，窗户内外表面温差增大，且窗户内表面温度更接近墙体内表面温度，冬季建筑保温性能提升效果尤为明显.

4 结论

实验结果表明，与同尺寸传统窗体相比，多功能窗体在过渡季能提升传统碉房南向采光进深5 倍以上且持续10 h，冬季提升采光进深2.5 倍，使室内采光进深保持在7.5 m 以上且持续9 h，夏季室内采光系数提高0.5%左右；夏季月累计发电约9 kW·h，年累计发电量近90 kW·h；冬、夏季窗户内外表面温差分别提高3～8 ℃、2～4 ℃，且冬季窗户与墙体内表面温差降低2～4 ℃，窗户内表面温度更接近室内温度.

针对西藏地区太阳辐射强、日温差大等气候特点，以及藏区传统民居南北进深大、墙体较厚等特征，本研究提出的多功能窗体可弥补原有窗体不足，提升室内光、热环境舒适性，有效降低建筑能耗，具有成本低廉、功能多样、性能显著、综合经济竞争性强的特点，适宜在西藏农村地区原有建筑窗体改造与新建建筑中广泛使用与推广.