西藏農(nóng)村人居建筑多功能窗體研究

鄧源，徐峰，2?

（1.湖南大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082；2.丘陵地區(qū)人居環(huán)境湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湖南大學(xué)），湖南長(zhǎng)沙 410082）

對(duì)人居環(huán)境重視程度和品質(zhì)要求的提升是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］.不斷優(yōu)化的建筑設(shè)計(jì)方法、多樣的建筑材料和提升的施工技術(shù)，為現(xiàn)代城市建筑倡導(dǎo)舒適性和健康性奠定了基礎(chǔ).為進(jìn)一步改善人居環(huán)境舒適度，對(duì)新型百葉窗［2］、通風(fēng)窗［3］、光伏窗［4-5］等新型窗體和節(jié)能型玻璃［6］的研究不斷深入，且研究方向逐漸偏向功能多元、使用高效、節(jié)能降耗的多功能節(jié)能窗體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，如光伏百葉窗［7］、光伏通風(fēng)窗［8-9］、遮陽(yáng)式光伏新風(fēng)系統(tǒng)［10］等.

西藏是全球太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)之一，發(fā)展被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑是緩解藏區(qū)農(nóng)村家庭能源匱乏的有效途徑［11］，也是解決經(jīng)濟(jì)落后與需求提升之間矛盾的最佳選擇.然而，受太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日溫差大等氣候特點(diǎn)的影響，形式多樣的西藏傳統(tǒng)民居均具有進(jìn)深大、墻體厚等特征.碉房作為西藏農(nóng)民最主要的住宅形式，門(mén)、窗尺寸小、數(shù)量少，因此室內(nèi)采光、通風(fēng)較差.面對(duì)亟待改善人居環(huán)境的中國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)，尤其是西藏等偏遠(yuǎn)地區(qū)，如何最大限度利用自然資源改善人居環(huán)境是全社會(huì)需共同關(guān)注的問(wèn)題.

通過(guò)對(duì)既有研究的梳理發(fā)現(xiàn)，各類(lèi)應(yīng)用技術(shù)研究尚未很好地應(yīng)用到西藏傳統(tǒng)建筑改造和人居環(huán)境改善之中.一方面，西藏地區(qū)太陽(yáng)能利用的技術(shù)研究相對(duì)成熟［12］，但人居環(huán)境改善和傳統(tǒng)民居改造研究極為有限［13］，特別是對(duì)建筑采光問(wèn)題關(guān)注度不高.另一方面，新型窗體設(shè)計(jì)研究廣泛深入，但在功能、尺寸、安裝等方面均與獨(dú)具特色的西藏傳統(tǒng)碉房建筑［14］并不適配.

本文提出的多功能窗體設(shè)計(jì)方法將太陽(yáng)能利用與窗體設(shè)計(jì)結(jié)合，不僅能保留傳統(tǒng)建筑特色、彌補(bǔ)原有窗體采光不足的缺點(diǎn)，還能利用太陽(yáng)能資源顯著改善室內(nèi)光、熱環(huán)境，并降低建筑能耗，具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值.

1 保溫、隔熱、發(fā)電與自然采光耦合一體化多功能窗體設(shè)計(jì)方法

1.1 多功能窗體架構(gòu)

基于西藏地區(qū)氣候特征和人居建筑特色，本文提出一種集保溫、隔熱、發(fā)電與自然采光于一體的多功能窗體設(shè)計(jì)方法，該多功能窗體整體尺寸與碉房窗戶尺寸一致，主要由光伏發(fā)電板、反光板、保溫板、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)瓦組成，如圖1所示.

圖1 多功能窗體軸測(cè)圖Fig.1 Axonometric drawing of multifunctional window

如圖2 所示，主轉(zhuǎn)軸緊靠窗玻璃固定于室內(nèi)窗臺(tái)上，可調(diào)節(jié)主板傾角.多功能窗體正面為鏡面鋁制反光板，反面分別為擠塑保溫板（主板）和多晶硅太陽(yáng)能光伏發(fā)電板（副板），兩側(cè)材料由結(jié)構(gòu)支撐板連接.副板通過(guò)次轉(zhuǎn)軸與主板相連.次轉(zhuǎn)軸由2個(gè)轉(zhuǎn)軸和8 個(gè)轉(zhuǎn)瓦組成，有上部和下部之分.上部轉(zhuǎn)瓦固定于副板，次轉(zhuǎn)軸和下部轉(zhuǎn)瓦固定于主板.開(kāi)啟反向轉(zhuǎn)瓦，利用同向轉(zhuǎn)軸即可調(diào)節(jié)副板傾角.

圖2 多功能窗體室內(nèi)安裝效果圖Fig.2 Design sketch of multifunctional window

受碉房窗洞尺寸限制，多功能窗體主轉(zhuǎn)軸直徑不宜超過(guò)板厚，長(zhǎng)度不宜超過(guò)800 mm；主、副板盡可能選擇薄板材料，整體長(zhǎng)度不宜超過(guò)窗洞高度的2倍.

1.2 多功能窗體工作模式

多功能窗體可針對(duì)夏季、冬季和過(guò)渡季不同時(shí)段的需求和氣象變化，實(shí)時(shí)切換遮陽(yáng)、保溫、發(fā)電和自然采光四種模式，并調(diào)整傾角.

1.2.1 夏季工作模式

西藏地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大、日照時(shí)間長(zhǎng)，多功能窗體以遮陽(yáng)和發(fā)電模式為主，如圖3～5所示.

圖3 夏季多功能窗體采光模式示意圖Fig.3 Natural lighting mode in summer

工況1：12時(shí)前及16時(shí)后光線較柔和，可采用采光模式.展開(kāi)副板，盡可能利用反光板將自然光線反射至室內(nèi)天花板，提高室內(nèi)光照亮度，增加采光進(jìn)深.

工況2：12 時(shí)至13 時(shí)、15 時(shí)至16 時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，宜采用發(fā)電模式.旋轉(zhuǎn)副板至光伏發(fā)電板朝外，將反光板與主板貼合.調(diào)整多功能窗體傾角，利用窗戶上半部分進(jìn)光.

工況3：13時(shí)至15時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大，采用遮陽(yáng)模式避免近窗口產(chǎn)生眩光.調(diào)整兩板傾角，通過(guò)窗戶上半部分進(jìn)光，并利用副板反光板為室內(nèi)提供漫射光.

圖4 夏季多功能窗體發(fā)電模式示意圖Fig.4 Power generation mode in summer

圖5 夏季多功能窗體遮陽(yáng)模式示意圖Fig.5 Shading mode in summer

1.2.2 冬季工作模式

西藏地區(qū)冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相對(duì)較小，晝夜溫差較大，以采光和保溫模式為主，如圖6、圖7所示.

圖6 冬季多功能窗體采光模式示意圖Fig.6 Natural lighting mode in winter

圖7 冬季多功能窗體保溫模式示意圖Fig.7 Insulation mode in winter

工況1：冬季日間采用采光模式增加室內(nèi)光照強(qiáng)度和太陽(yáng)輻射，展開(kāi)副板至與主板水平，為室內(nèi)提供漫射光.

工況2：冬季夜間寒冷，采用保溫模式降低建筑熱負(fù)荷.展開(kāi)副板至與正板水平，旋轉(zhuǎn)主轉(zhuǎn)軸至與原有窗戶鑲嵌材料貼合.

1.2.3 過(guò)渡季工作模式

西藏地區(qū)過(guò)渡季時(shí)間較長(zhǎng)，晴天時(shí)主要采用采光模式改善室內(nèi)光環(huán)境.如圖8 所示，根據(jù)太陽(yáng)直射角度調(diào)節(jié)兩板傾角，增加室內(nèi)采光進(jìn)深和光照強(qiáng)度.

圖8 過(guò)渡季多功能窗體采光模式示意圖Fig.8 Natural lighting mode in the transition season

如圖9 所示，陰天可采用非工作模式，折疊多功能窗體并放置于窗臺(tái)，降低對(duì)室內(nèi)空間的影響.

圖9 過(guò)渡季多功能窗體非工作模式示意圖Fig.9 Non-working mode in the transition season

2 多功能窗體性能分析與評(píng)價(jià)

2.1 系統(tǒng)介紹

2.1.1 地理位置

依據(jù)太陽(yáng)輻射量可將西藏地區(qū)劃分為資源豐富區(qū)、資源較豐富區(qū)、資源較貧乏區(qū)和資源貧乏區(qū)4類(lèi)地區(qū)［15］，如表1 所示.在本研究中，以位于太陽(yáng)資源豐富區(qū)的拉薩為應(yīng)用對(duì)象，其地理位置為東經(jīng)91°06′，北緯29°36′，太陽(yáng)赤緯為23°26′，平均日輻射量為20.29 MJ/m2.

表1 西藏各地區(qū)太陽(yáng)能資源統(tǒng)計(jì)表［15］Tab.1 Statistics of solar energy resource in various regions of Tibet［15］

2.1.2 尺寸規(guī)格

碉房多坐北朝南，三層空間由下至上依次用于牲畜圈養(yǎng)、主人起居和谷物晾曬，平面布局以正方形為主（約占50%），本研究以典型正方形碉房二層南向臥室為主要研究對(duì)象，如圖10 所示，正方形碉房平面尺寸約為11 m × 11 m，層高3.3 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為700 mm 厚的石砌墻.窗洞較小，整體呈內(nèi)寬外窄的喇叭口形，為外側(cè)上沿寬800 mm，下沿寬1 000 mm，高1 000 mm 的正梯形，里邊沿比外邊沿寬80 mm［16］.

圖10 正方形碉房二層平面圖（單位：mm）Fig.10 Floor plan of square blockhouse（unit：mm）

如圖11 所示，多功能窗體以碉房現(xiàn)有窗戶尺寸為基礎(chǔ)，存在2 種尺寸選擇.經(jīng)計(jì)算，在同等條件下，B系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)光環(huán)境改善作用較A系統(tǒng)不明顯，且對(duì)室內(nèi)空間影響較大.A 系統(tǒng)主轉(zhuǎn)軸直徑為60 mm，次轉(zhuǎn)軸直徑為20 mm，兩板實(shí)際長(zhǎng)度共920 mm，光伏發(fā)電板面積為0.379 m2.

圖11 系統(tǒng)A和B示意圖（單位：mm）Fig.11 Floor plan of system A and B（unit：mm）

2.1.3 材料選擇

碉房一般采用淺色涂料裝飾平天花，反光率達(dá)0.8.多功能窗體鏡面鋁制反光板光反射比達(dá)0.95.多晶硅太陽(yáng)能光伏發(fā)電板最大效率為18.5%［17］.

2.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與分析方法

多功能窗體各功能需獨(dú)立使用，鋁制鏡面反光板、太陽(yáng)能光伏發(fā)電板和擠塑保溫板在采光、發(fā)電和保溫隔熱方面的性能評(píng)定采用獨(dú)立的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與分析方法.

2.2.1 采光性能分析

經(jīng)理論和實(shí)踐研究，建筑采光性能常采用照度、照度均勻度和室內(nèi)采光系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo).本研究以晴天為例，探究反光板對(duì)室內(nèi)采光進(jìn)深的影響.以入射南窗并照射至地面最遠(yuǎn)光線的垂直距離為準(zhǔn)，通過(guò)采用多功能窗體后室內(nèi)采光進(jìn)深變化評(píng)定反光板性能.參考《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》［18］中太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角計(jì)算公式，利用公式（1）～（6）計(jì)算晴天狀態(tài)下拉薩地區(qū)春分、夏至、秋分和冬至4 天中不同時(shí)刻太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角.依據(jù)碉房、窗戶和多功能窗體尺寸，計(jì)算分析正方形碉房南窗采用反光板前后室內(nèi)采光進(jìn)深和光照時(shí)長(zhǎng)變化規(guī)律.

式中：h為太陽(yáng)高度角；A為太陽(yáng)方位角；φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；DE為太陽(yáng)赤緯；To為太陽(yáng)時(shí)角.

DE計(jì)算公式如下：

Q計(jì)算公式如下：

式中：N為按天數(shù)順序排列的積日；ΔN為積日訂正值；No為與年份相關(guān)的積日訂正值.

To計(jì)算公式如下：

式中：T為真太陽(yáng)時(shí).

2.2.2 光伏性能分析

采用光伏發(fā)電年發(fā)電量作為光伏發(fā)電性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，參考相關(guān)研究成果［19］，其計(jì)算公式如下：

式中：Ep為光伏發(fā)電年發(fā)電量，kW·h；HA為水平面太陽(yáng)能總輻照量，kW·h·m-2；S為所有組件面積總和，m2；k1為組件轉(zhuǎn)換效率系數(shù)；k2為綜合效率系數(shù).

2.2.3 保溫隔熱性能分析

建筑節(jié)能量能直接反映出多功能窗體作為遮陽(yáng)構(gòu)件和保溫材料在建筑節(jié)能方面的性能.通過(guò)軟件模擬采用擠塑保溫板前后建筑能耗的變化規(guī)律，依據(jù)建筑節(jié)能量評(píng)定擠塑保溫板的保溫隔熱性能.

2.3 性能分析結(jié)果

本研究以正方形碉房二層南向開(kāi)窗的臥室為主要研究對(duì)象，以多功能窗體完全展開(kāi)與原有窗戶呈90°為例，分析多功能窗體的采光性能和光伏性能；以與原有窗戶鑲嵌材料貼合的保溫模式為例分析保溫隔熱性能.

2.3.1 室內(nèi)采光進(jìn)深

如圖12 所示，除夏季南窗因無(wú)直射光進(jìn)入室內(nèi)而無(wú)法判斷采光性能外，過(guò)渡季和冬季采用反光板后采光進(jìn)深提升明顯.

圖12 南窗不同時(shí)刻室內(nèi)采光進(jìn)深變化圖Fig.12 Indoor light depth map of south window at different times

春分和秋分時(shí)采用反光板前后的采光進(jìn)深變化趨勢(shì)基本一致，采用前采光進(jìn)深約0.45 m，采用后穩(wěn)定在3.5 m 左右，采光進(jìn)深提升5 倍以上，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10 h以上，且光照時(shí)間延長(zhǎng)4 h.

冬至?xí)r室內(nèi)采光進(jìn)深大幅增加，采用反光板后仍提升采光進(jìn)深2.5倍以上，使室內(nèi)采光進(jìn)深保持在7.5 m以上.

2.3.2 光伏發(fā)電量

根據(jù)公式（7）計(jì)算，拉薩地區(qū)一扇南向窗戶持續(xù)一年采用多功能窗體發(fā)電模式，并隨太陽(yáng)高度角實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏發(fā)電板至最佳傾角，理論上可提供電力144 kW·h.

2.3.3 建筑節(jié)能量

西藏夏季室外最高溫度約為21 ℃，不需考慮室內(nèi)夏季制冷，因此擠塑保溫板保冷效果不明顯.利用建筑能耗模擬軟件EnergyPlus 對(duì)西藏碉房冬季制熱能耗模擬發(fā)現(xiàn)，如圖13 所示，冬季南向房間采用多功能窗體保溫模式后，建筑熱負(fù)荷平均減少360 W，約占總負(fù)荷2%，1 月份最高可減少3%左右.西藏碉房窗戶尺寸和窗墻比較小，若窗戶尺寸增加，多功能窗體保溫隔熱性能提升效果更為明顯.

圖13 多功能窗體保溫模式對(duì)冬季建筑熱負(fù)荷的影響Fig.13 The influence of multifunctional window with insulation mode on building heat load in winter

2.4 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

考慮到西藏農(nóng)村地區(qū)的實(shí)際情況，多功能窗體的投資費(fèi)用必須在居民可接受的范圍內(nèi)，且有較高性價(jià)比，才具有推廣可行性，因此，有必要開(kāi)展經(jīng)濟(jì)性分析.經(jīng)濟(jì)測(cè)算如表2所示.

表2 多功能窗體經(jīng)濟(jì)測(cè)算表Tab.2 Economic calculation table of multifunctional window

如表2 所述，多功能窗體總成本在165 元左右，設(shè)計(jì)壽命為20 年，可通過(guò)直線折舊法、投資回收期法和年平均壽命周期費(fèi)用法等評(píng)價(jià)方法判定多功能窗體經(jīng)濟(jì)性.

1）直線折舊法（平均年限法）

年折舊額=（設(shè)備原值+預(yù)計(jì)清理費(fèi)-預(yù)計(jì)殘值）÷預(yù)計(jì)使用年限×100%

2）投資回收期法

投資回收期（年）=設(shè)備投資額÷采用新設(shè)備后年凈收益或節(jié)約額

3）年平均壽命周期費(fèi)用法

年平均壽命周期費(fèi)用=（購(gòu)置費(fèi)+壽命周期內(nèi)的使用費(fèi)）÷經(jīng)濟(jì)壽命

經(jīng)計(jì)算，采用多功能窗體一年可節(jié)電153 kW·h，年折舊額為7.8%，投資回收期為2.2 年，年平均壽命周期費(fèi)用為8.3 元.同時(shí)，多功能窗體安裝、拆卸簡(jiǎn)單，使用周期內(nèi)基本不需要維護(hù)費(fèi)用，費(fèi)用有效率為806.7%，具有成本較低、節(jié)能效果明顯的特點(diǎn)，性價(jià)比極高，適宜在西藏農(nóng)村地區(qū)推廣使用.

3 多功能窗體性能實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象

為進(jìn)一步檢驗(yàn)多功能窗體應(yīng)用效果，本次實(shí)驗(yàn)在拉薩搭建了兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖14 所示.實(shí)驗(yàn)臺(tái)坐北朝南，四周無(wú)樹(shù)木等障礙物遮擋.實(shí)驗(yàn)房間凈長(zhǎng)5 m，凈寬2.7 m，層高3 m，僅有一扇南向采光窗，尺寸與上文所述典型梯形窗戶一致，窗地比為6.7%.其中，1 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為對(duì)照組，不安裝多功能窗體，2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)組，安裝多功能窗體.

圖14 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖Fig.14 The photograph of test bench

3.2 實(shí)驗(yàn)研究方案

基于上述性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，本次共設(shè)計(jì)了4 組實(shí)驗(yàn)以測(cè)試多功能窗體采光性能、發(fā)電性能和保溫隔熱性能.

3.2.1 采光性能實(shí)驗(yàn)

為提高采光性能實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了采光進(jìn)深實(shí)驗(yàn)和采光系數(shù)實(shí)驗(yàn)2個(gè)實(shí)驗(yàn)方案.

1）采光進(jìn)深實(shí)驗(yàn)

兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)在晴天狀態(tài)下同時(shí)進(jìn)行采光進(jìn)深實(shí)驗(yàn).1 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在地面安裝標(biāo)有刻度的平面鏡，逐時(shí)監(jiān)測(cè)地面光斑最遠(yuǎn)點(diǎn)與南墻的垂直距離.2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)在天花板安裝標(biāo)有刻度的平面鏡，并在窗口安裝標(biāo)有刻度的多功能窗體，且保持反光板完全展開(kāi)與南墻呈90°，逐時(shí)監(jiān)測(cè)反光板光斑和天花板光斑最遠(yuǎn)點(diǎn)與南墻的垂直距離.兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)北墻與地面中心交接點(diǎn)為固定站立觀察點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持位置不變.

2）采光系數(shù)實(shí)驗(yàn)

照度計(jì)測(cè)定采光系數(shù)只適用于全陰天，在其他天氣下，特別是晴天受室外天空條件變化的影響較大［20］.兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)保持多功能窗體完全展開(kāi)與南墻呈90°.

根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB/T5700—2008）［21］，室內(nèi)布點(diǎn)一般選取邊長(zhǎng)1 m 的正方形網(wǎng)格，且網(wǎng)格邊線一般距房間各邊0.5～1 m.采用中心布點(diǎn)法或四角布點(diǎn)法，連續(xù)觀測(cè)測(cè)試點(diǎn)3 次，取算術(shù)平均值計(jì)算室內(nèi)平均照度和照度均勻度.本實(shí)驗(yàn)旨在探究不同進(jìn)深的采光系數(shù)變化規(guī)律，且室內(nèi)光照強(qiáng)度在距離上的衰減較大.因此，縮小網(wǎng)格尺寸，取網(wǎng)格交叉點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)，確保測(cè)試點(diǎn)縱橫對(duì)稱(chēng)，取同一進(jìn)深4 個(gè)測(cè)試點(diǎn)光照強(qiáng)度的算術(shù)平均值為該進(jìn)深光照強(qiáng)度計(jì)算值.

實(shí)驗(yàn)前，將兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)劃分為0.3 m×1 m 的矩形網(wǎng)格，并在測(cè)試點(diǎn)做好標(biāo)記，如圖15 所示.實(shí)驗(yàn)時(shí)完全關(guān)閉人工照明設(shè)備，在測(cè)試點(diǎn)距地面0.75 m 處水平使用照度計(jì)測(cè)試光照強(qiáng)度.

圖15 室內(nèi)光照強(qiáng)度測(cè)試布點(diǎn)圖（單位：mm）Fig.15 Layout map of indoor light intensity test（unit：mm）

3.2.2 發(fā)電性能實(shí)驗(yàn)

發(fā)電性能實(shí)驗(yàn)選取2個(gè)實(shí)驗(yàn)周期，連續(xù)監(jiān)測(cè)2號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)太陽(yáng)能光伏發(fā)電板月發(fā)電量，并對(duì)重點(diǎn)月份進(jìn)行逐時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)太陽(yáng)高度角實(shí)時(shí)調(diào)整光伏發(fā)電板傾角.

3.2.3 保溫隔熱性能實(shí)驗(yàn)

保溫隔熱性能實(shí)驗(yàn)采用溫度測(cè)試，使用紅外測(cè)溫儀逐時(shí)監(jiān)測(cè)兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)冬、夏兩季南墻和窗戶內(nèi)外表面溫度變化.兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)保持門(mén)、窗緊閉，同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn).2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)調(diào)整多功能窗體至保溫模式.選取室外、兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)南墻和窗戶內(nèi)外表面共7 處作為測(cè)試點(diǎn).

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 采光性能驗(yàn)證結(jié)果

如圖16 所示，1 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)室內(nèi)采光進(jìn)深穩(wěn)定保持在0.3 m 左右.2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采光進(jìn)深基本保持在1.5 m 以上，其中采光進(jìn)深維持在2 m 以上的時(shí)長(zhǎng)為8 h，采光進(jìn)深維持3 m左右的時(shí)長(zhǎng)約為4 h，室內(nèi)采光進(jìn)深增加5倍以上，與理論計(jì)算結(jié)果基本保持一致.

圖16 時(shí)間對(duì)采光進(jìn)深變化的影響特性Fig.16 The influence of time on the change of indoor light depth

依據(jù)《建筑采光規(guī)范》（GB50033—2013）［22］，居住建筑室內(nèi)最低采光系數(shù)為1%.如圖17 所示，在陰天狀態(tài)下，兩間實(shí)驗(yàn)臺(tái)均滿足室內(nèi)采光最低標(biāo)準(zhǔn)，但2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)平均采光系數(shù)較1 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)增加0.5%左右.其中，進(jìn)深0.6 m 內(nèi)的近窗口區(qū)采光系數(shù)提高0.8%以上，0.3m 內(nèi)甚至提高1.3%；進(jìn)深0.6～1.2 m 的中距離區(qū)采光系數(shù)提高0.5%以上；1.2 m外的遠(yuǎn)窗口區(qū)采光系數(shù)則提高0.2%左右.由此可知，反光板對(duì)近窗口區(qū)的遮光影響較小，近窗口區(qū)采光效果仍有明顯提升.

圖17 進(jìn)深對(duì)采光系數(shù)變化的影響特性Fig.17 The influence of depth on the change of daylighting coefficient

由采光性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在建筑層高3 m、多功能窗體完全展開(kāi)且與南墻呈90 °時(shí)，過(guò)渡季采用反光板后室內(nèi)采光進(jìn)深增加5 倍以上，持續(xù)時(shí)間達(dá)10 h以上，夏季采光系數(shù)提高0.5%左右，可明顯改善室內(nèi)光環(huán)境.

3.3.2 光伏性能驗(yàn)證結(jié)果

如圖18 所示，光伏發(fā)電板月累計(jì)發(fā)電量受月份影響較大，2 個(gè)實(shí)驗(yàn)周期實(shí)驗(yàn)結(jié)果相近，發(fā)電效率較為穩(wěn)定.光伏發(fā)電板年均累計(jì)發(fā)電量約為90 kW·h，其中夏季月均累計(jì)發(fā)電量最多，為9 kW·h，6 月達(dá)到峰值.春、秋兩季次之，為7.5 kW·h，冬季月均累計(jì)發(fā)電量最少，約為夏季發(fā)電量的2/3.

圖18 光伏發(fā)電板月累計(jì)發(fā)電量Fig.18 Monthly cumulative power generation of photovoltaic power generation panels

3.3.3 保溫隔熱性能驗(yàn)證結(jié)果

如圖19 所示，冬季保溫性能實(shí)驗(yàn)中，1 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)夜間窗戶內(nèi)外表面溫差為2～7 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差為2～5 ℃；2 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)窗戶內(nèi)外表面溫差高達(dá)5～12 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差降至0～1 ℃.同時(shí)，2號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)南墻內(nèi)表面溫度較1號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)提高約1 ℃.

圖19 冬季實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度變化Fig.19 Temperature change of test bench in winter

如圖20 所示，夏季隔熱性能實(shí)驗(yàn)中，1 號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)午間窗戶內(nèi)外表面溫差為2～4 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差為1～2 ℃；2號(hào)實(shí)驗(yàn)臺(tái)窗戶內(nèi)外表面溫差為2～7 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差為2～3 ℃.

圖20 夏季實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度變化Fig.20 Temperature change of test bench in summer

從冬、夏兩季溫度變化趨勢(shì)來(lái)看，采用擠塑保溫板后，室內(nèi)溫度受外界溫度影響降低，整體趨于穩(wěn)定.同時(shí)，窗戶內(nèi)外表面溫差增大，且窗戶內(nèi)表面溫度更接近墻體內(nèi)表面溫度，冬季建筑保溫性能提升效果尤為明顯.

4 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與同尺寸傳統(tǒng)窗體相比，多功能窗體在過(guò)渡季能提升傳統(tǒng)碉房南向采光進(jìn)深5 倍以上且持續(xù)10 h，冬季提升采光進(jìn)深2.5 倍，使室內(nèi)采光進(jìn)深保持在7.5 m 以上且持續(xù)9 h，夏季室內(nèi)采光系數(shù)提高0.5%左右；夏季月累計(jì)發(fā)電約9 kW·h，年累計(jì)發(fā)電量近90 kW·h；冬、夏季窗戶內(nèi)外表面溫差分別提高3～8 ℃、2～4 ℃，且冬季窗戶與墻體內(nèi)表面溫差降低2～4 ℃，窗戶內(nèi)表面溫度更接近室內(nèi)溫度.

針對(duì)西藏地區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)、日溫差大等氣候特點(diǎn)，以及藏區(qū)傳統(tǒng)民居南北進(jìn)深大、墻體較厚等特征，本研究提出的多功能窗體可彌補(bǔ)原有窗體不足，提升室內(nèi)光、熱環(huán)境舒適性，有效降低建筑能耗，具有成本低廉、功能多樣、性能顯著、綜合經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，適宜在西藏農(nóng)村地區(qū)原有建筑窗體改造與新建建筑中廣泛使用與推廣.