南阳台设计对夏热冬冷地区住宅能耗影响研究
——以合肥市为例

文／曹 赓 安徽建筑大学建筑与规划学院 硕士研究生

引言

阳台设计与户型设计形影相随，随着户型设计的变化而变化。在户型设计演变中，住宅阳台在数量上从无到有，从单个到多个，面积不断变大；在形式上出现不规则阳台、曲线阳台等多种形式阳台；在功能上出现入户花园、阳光房、空中庭院等多种功能阳台[1]。但这些变化多是从阳台功能需求和形式美角度出发，很少关注其对住宅能耗的影响。

针对阳台对住宅能耗的影响，国内外的部分学者已有过类似研究。国外学者Faezeh Babaee①等在伊朗寒冷气候条件下对不同封闭阳台的进深、平面形式、剖面形式及窗材质等进行对比，得出最佳方案可以节约能耗约46%[2]；Dušan，Ignjatović②等详细介绍了在贝尔格莱德地区通过封闭阳台作为一种有效节能措施的典型住宅案例[3]。国内学者赵群等通过实测住宅阳台热环境，结合软件模拟，探讨严寒条件下北方住宅的位置、体形、构造做法等对其内部和相邻房间热环境的影响[4]；孔俊婷等通过软件模拟天津市居住建筑阳台能耗，分别从阳台进深、分割方式和平面形式三方面进行对比，并提出北方居住建筑阳台优化设计方案[5]；刘加平等通过冬季现场调研与热环境测试表明，合理设置封闭阳台作为缓冲空间能明显改善拉萨市居住建筑室内热环境[6]。上述研究主要集中在严寒地区和寒冷地区，但建筑能耗控制与其所处的地域气候条件息息相关，目前针对夏热冬冷地区阳台对住宅能耗影响研究相对较少。李波等讨论了夏热冬冷地区开敞阳台与封闭阳台的区别，并提供一种阳台节能的设计方案，但未能量化阳台对住宅能耗的影响[7]。因此，以夏热冬冷地区典型城市合肥市为例，定量分析夏热冬冷地区阳台设计对住宅能耗的影响是本文研究的目的和意义所在。

1 夏热冬冷地区住宅阳台发展现状

我国集合住宅设计变迁大致可分为三个阶段：住房紧缺期、福利分房改革探索期、住宅商品化时期[8]。这期间阳台设计也在不断发生变化，早期因住房面积紧缺，阳台功能不受重视，仅部分住宅有开敞阳台；改革开放时期，住房条件改善，阳台功能得到重视，开始出现很多自封阳台；再到住宅商品化时期，阳台成为开发商“偷面积”的关注焦点，开始出现形式各异的阳台[9]。与我国大多数城市一样，合肥市的住宅及阳台发展也经过类似阶段，文章选取合肥市各时期典型住宅案例共计60 个，进行实地调研和资料整理，并将合肥市住宅设计变迁细分为住房紧缺期（1949—1978 年）、福利分房改革探索期（1979—1997 年）、住宅商品化发展期（1998—2007 年）、住宅商品化调整优化期（2007 年至今），分析其阳台设计演变和阳台设计特征（表1）。

表1 合肥市居住建筑阳台发展概况（表格来源：作者自绘）

调研结果显示：（1）住宅阳台面积呈增长趋势。根据调研数据统计，近五年的新建住宅中，80%户型有两个阳台，阳台面积占户型总面积的比值在13%～15%之间，南向双面宽阳台越来越受欢迎，南阳台面积集中在7～11m2之间；（2）受国标《建筑工程建筑面积计算规范》（GB/T 50353-2013）和地方规范《合肥市控制性详细规划通则》（2016 修）中对阳台规定影响，目前合肥市新建住宅阳台以凸阳台为主，存在开敞阳台和封闭阳台两种形式，部分开敞阳台在后期使用中业主会自行封闭。（3）在功能使用上，与其他时期相比，现阶段阳台除满足储物、晾晒等基本需求外，阳台的景观需求越来越受到重视。为加强阳台景观性能，阳台与室内空间分割越来越弱，阳台开窗面积也越来越大。部分住宅立面公建化处理，封闭阳台使用全玻璃，使得阳台作为热缓冲区的功能被削弱。（4）目前合肥市新建住宅阳台差异主要体现在阳台进深、阳台封闭或开敞形式、阳台窗墙比三个方面。

2 基础模型提取与能耗模拟设定

为探究阳台进深、阳台开敞或封闭、封闭阳台窗墙比对住宅能耗的影响，方案选取合肥市实际住宅项目为模拟原型，设计无阳台模型、不同进深开敞南阳台模型、不同进深封闭南阳台模型、不同窗墙比封闭南阳台模型共18 组。研究内容包括开敞阳台对相邻功能空间能耗影响、封闭阳台对相邻功能空间能耗影响、窗墙比对相邻功能空间能耗影响。

2.1 基础模型提取和变量设置

本次模拟原型选取合肥市某新建小区独栋住宅，该建筑11 层朝南，每层两户，层高2.9m，标准层如图1 所示。为进一步直观反映阳台对住宅相邻空间能耗的影响，将标准层平面进行简化，模型假定与阳台相邻的客厅为封闭空间，且客厅内墙保温隔热性能良好，阳台与客厅之间根据真实情况还原通过玻璃门窗相连。本次实验共建立18 个模型，分3 组进行实验（表2）。表中D 代表阳台进深尺寸，模拟时将D 值设计为0m（无阳台）、0.3m、0.6m、0.9m、1.2m、1.5m、1.8m、2.1m 八种进深阳台。第一组实验为开敞阳台不同进深模拟，第二组为封闭阳台不同进深模拟，第三组为1.8m 进深下封闭阳台不同窗墙比模拟。模型构造根据实际构造在尽量还原其构造热物理性能基础上做适当简化（表3）。

图1 某住宅标准层平面（图片来源：作者自绘）

表2 计算模型（表格来源：作者自绘）

表3 计算模型详细构造（表格来源：作者自绘）

2.2 能耗模拟设定

本文模拟计算软件选择Energy Plus，根据《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ75-2012）、民用建筑绿色性能计算标准（JGJ/T449-2018）、《安徽省居住建筑节能设计标准》（DB34/1466-2019）等相关规范规定，实验模拟参数设定如下：

（1）客厅室内计算温度，冬季全天按18℃取值，夏季全天按26℃取值。

（2）室外气象计算参数采用典型气象年，采暖期设定为12 月1 日—次年2 月28 日，制冷期为6 月15 日—8 月31 日（气象数据来源：中国气象局CSWD）。

（3）室内热扰设置：人员密度10m2/人；设备功率密度3.80W/m2；照明功率密度5.00W/m2。

（4）采暖和制冷时，室内换气次数为1.0次/h。供暖、空调设备额定能效比（COP）冬季取值3.1，夏季取值2.5。

（5）人员在室率、照明开关时间、设备使用率等均按规定设定。

（6）方案中使用的建筑材料热物理性能计算参数参见《安徽省居住建筑节能设计标准》附表。

3 结果分析与讨论

3.1 阳台进深分析

（1）开敞阳台进深分析

开敞阳台不同进深能耗模拟结果如图2 所示，从图中可发现无阳台的客厅夏季能耗明显高于有开敞阳台的客厅能耗，高出约30%。但有开敞阳台的客厅冬季能耗则明显高于无阳台的客厅能耗，高出约9%。全年综合来看，相比于无开敞阳台，有开敞阳台的客厅全年节约能耗约127kW·h，节能率约7%。比较阳台进深0.3 ～2.1m 的能耗模拟情况，整体上冬季客厅能耗随着阳台进深而增加，夏季能耗随着阳台进深而减少，变化趋势均较缓。将冬季能耗和夏季能耗相加可得全年累计能耗，从图2 可见全年累计能耗在0.3 ～1.2m 内呈小幅下降趋势，在1.2 ～1.8m 范围基本保持不变，1.8 ～2.1m呈轻微上升趋势。

图2 开敞阳台不同进深全年能耗（图片来源：作者自绘）

（2）封闭阳台进深分析

封闭阳台不同进深能耗模拟结果如图3 所示，从图中可发现无阳台的客厅能耗无论夏季还是冬季都明显高于有封闭阳台的客厅，冬季高出约11%，夏季高出约65%。全年综合来看，相比于无阳台，有封闭阳台的客厅全年节约能耗约443kW·h，节能率达32%。比较阳台进深0.3 ～2.1m 的能耗模拟情况，随着进深增大，冬季能耗减小，夏季能耗增大，整体变化幅度不大，全年累计能耗基本不变。

图3 封闭阳台不同进深全年能耗（图片来源：作者自绘）

3.2 封闭阳台与开敞阳台对比分析

调研发现，目前合肥市南阳台存在开敞和封闭两种形式，为探究这两种形式对住宅能耗的影响，将相同进深情况下开敞阳台与封闭阳台能耗进行对比，结果如图4 所示。对比发现，在相同进深情况下，封闭阳台的相邻房间的全年能耗明显小于开敞阳台能耗，平均可减少能耗320kW·h，减少约23%。且将图2、图3对比，可发现相同进深情况下，封闭阳台夏季能耗、冬季能耗均小于开敞阳台。分析其原因，封闭阳台除提供一个热缓冲空间外，垂直遮阳效果要优于开敞阳台，因此呈现出夏季节能率较高的特点。

图4 两种形式阳台全年能耗对比（图片来源：作者自绘）

因此，仅从能耗角度来看,封闭阳台要优于开敞阳台。但目前新建住宅中仍存在开敞阳台,主要原因是开敞阳台只计算一半投影面积，而封闭阳台计算投影全面积，因此房地产商常常以赠送半面积形式建开敞阳台，后期交由业主自行封闭使用。但后期自封阳台在保温性能和气密性上都会有损失，达不到好的节能效果，而且还存在一定安全隐患。

3.3 封闭阳台窗墙比

封闭阳台围护结构变化主要在于窗墙比，即开窗面积与阳台外露面积的比值。调研发现，目前合肥市封闭阳台设计上呈现出窗户面积增大实墙面积减少的趋势。开窗面积增大一方面可以增加相邻空间室内采光以及太阳辐射量；另一方面由于窗和实墙的不同热性能参数，通透也会带来大量热损失。为了解封闭阳台窗墙比对相邻空间能耗影响，在1.8m 的相同进深情况下设计四种不同窗墙比封闭阳台进行对比模拟，结果如图5 所示。

图5 封闭阳台不同窗墙比能耗对比（图片来源：作者自绘）

从模拟结果可以看出，随着窗墙比的增大，夏季客厅能耗逐渐增大，冬季客厅能耗逐渐减小，但由于夏季增大趋势大于冬季减小趋势，所以全年整体呈增大趋势。将窗墙比1 与窗墙比0.4 模型相比，夏季增加能耗73kW·h，冬季减少能耗27kW·h，全年累计增加能耗46kW·h，增加约3.3%。因此仅从能耗角度来看，窗墙比越小越利于节能，但是从使用角度来看，全玻璃窗阳台因其良好的景观视野和采光效果更受追捧。因此在使用全玻璃阳台时，可使用自身保温和遮阳效果都良好的Low-e 玻璃，并且在阳台外窗也可添加可调式遮阳卷帘等，随季节调整控制阳台得热以节约能耗。

结语

针对合肥市住宅南阳台设计对相邻空间全年能耗的影响，得出以下结论：

（1）南向设置阳台可明显减少相邻空间能耗。与无阳台相比，开敞阳台夏季能耗减少，冬季能耗增多；封闭阳台冬季能耗和夏季能耗均减少。比较0.3 ～2.1m 进深范围，开敞全年能耗在进深0.3 ～1.2m 范围内呈轻微减少趋势，1.2 ～1.8m 范围呈稳定趋势，1.8 ～2.1m范围呈轻微增加趋势；封闭阳台全年能耗在0.3 ～2.1m 范围内全年能耗基本保持不变。

（2）相同进深情况下，封闭阳台相邻空间夏季能耗和冬季能耗均小于开敞阳台，全年减少能耗约23%。

（3）封闭阳台随着窗墙比增大，相邻空间夏季能耗增大，冬季能耗减少，全年能耗呈增大趋势。

注释：

①国外学者Faezeh Babaee等在伊朗寒冷气候条件下对不同封闭阳台进深、平面形式、剖面形式及窗材质等进行对比，得出最佳方案可以节约能耗约46%。

②Ignjatovic，Dusan等详细介绍了在贝尔格莱德地区通过封闭阳台作为一种有效节能措施的典型住宅案例。