西藏農(nóng)村人居建筑多功能窗體研究

鄧源，徐峰，2?

（1.湖南大學建筑與規(guī)劃學院，湖南長沙 410082；2.丘陵地區(qū)人居環(huán)境湖南省重點實驗室（湖南大學），湖南長沙 410082）

對人居環(huán)境重視程度和品質(zhì)要求的提升是社會發(fā)展的必然趨勢［1］.不斷優(yōu)化的建筑設(shè)計方法、多樣的建筑材料和提升的施工技術(shù)，為現(xiàn)代城市建筑倡導舒適性和健康性奠定了基礎(chǔ).為進一步改善人居環(huán)境舒適度，對新型百葉窗［2］、通風窗［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)計研究，如光伏百葉窗［7］、光伏通風窗［8-9］、遮陽式光伏新風系統(tǒng)［10］等.

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

通過對既有研究的梳理發(fā)現(xiàn)，各類應(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)太陽能利用的技術(shù)研究相對成熟［12］，但人居環(huán)境改善和傳統(tǒng)民居改造研究極為有限［13］，特別是對建筑采光問題關(guān)注度不高.另一方面，新型窗體設(shè)計研究廣泛深入，但在功能、尺寸、安裝等方面均與獨具特色的西藏傳統(tǒng)碉房建筑［14］并不適配.

本文提出的多功能窗體設(shè)計方法將太陽能利用與窗體設(shè)計結(jié)合，不僅能保留傳統(tǒng)建筑特色、彌補原有窗體采光不足的缺點，還能利用太陽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踐價值.

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.副板通過次轉(zhuǎn)軸與主板相連.次轉(zhuǎn)軸由2個轉(zhuǎn)軸和8 個轉(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)軸直徑不宜超過板厚，長度不宜超過800 mm；主、副板盡可能選擇薄板材料，整體長度不宜超過窗洞高度的2倍.

1.2 多功能窗體工作模式

多功能窗體可針對夏季、冬季和過渡季不同時段的需求和氣象變化，實時切換遮陽、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)夏季太陽輻射強度大、日照時間長，多功能窗體以遮陽和發(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時前及16時后光線較柔和，可采用采光模式.展開副板，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，增加采光進深.

工況2：12 時至13 時、15 時至16 時太陽輻射強度較大，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光.

工況3：13時至15時太陽輻射強度大，采用遮陽模式避免近窗口產(chǎn)生眩光.調(diào)整兩板傾角，通過窗戶上半部分進光，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)冬季太陽輻射強度相對較小，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)光照強度和太陽輻射，展開副板至與主板水平，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荷.展開副板至與正板水平，旋轉(zhuǎn)主轉(zhuǎn)軸至與原有窗戶鑲嵌材料貼合.

1.2.3 過渡季工作模式

西藏地區(qū)過渡季時間較長，晴天時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)太陽直射角度調(diào)節(jié)兩板傾角，增加室內(nèi)采光進深和光照強度.

圖8 過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，降低對室內(nèi)空間的影響.

圖9 過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價

2.1 系統(tǒng)介紹

2.1.1 地理位置

依據(jù)太陽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類地區(qū)［15］，如表1 所示.在本研究中，以位于太陽資源豐富區(qū)的拉薩為應(yīng)用對象，其地理位置為東經(jīng)91°06′，北緯29°36′，太陽赤緯為23°26′，平均日輻射量為20.29 MJ/m2.

表1 西藏各地區(qū)太陽能資源統(tǒng)計表［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)計算，在同等條件下，B系統(tǒng)對室內(nèi)光環(huán)境改善作用較A系統(tǒng)不明顯，且對室內(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，兩板實際長度共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0.8.多功能窗體鏡面鋁制反光板光反射比達0.95.多晶硅太陽能光伏發(fā)電板最大效率為18.5%［17］.

2.2 性能評價指標與分析方法

多功能窗體各功能需獨立使用，鋁制鏡面反光板、太陽能光伏發(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定采用獨立的性能評價指標與分析方法.

2.2.1 采光性能分析

經(jīng)理論和實踐研究，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)作為評價指標.本研究以晴天為例，探究反光板對室內(nèi)采光進深的影響.以入射南窗并照射至地面最遠光線的垂直距離為準，通過采用多功能窗體后室內(nèi)采光進深變化評定反光板性能.參考《地面氣象觀測規(guī)范》［18］中太陽高度角和太陽方位角計算公式，利用公式（1）～（6）計算晴天狀態(tài)下拉薩地區(qū)春分、夏至、秋分和冬至4 天中不同時刻太陽高度角和太陽方位角.依據(jù)碉房、窗戶和多功能窗體尺寸，計算分析正方形碉房南窗采用反光板前后室內(nèi)采光進深和光照時長變化規(guī)律.

式中：h為太陽高度角；A為太陽方位角；φ為當?shù)鼐暥?；DE為太陽赤緯；To為太陽時角.

DE計算公式如下：

Q計算公式如下：

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計算公式如下：

式中：T為真太陽時.

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)電性能評價指標，參考相關(guān)研究成果［19］，其計算公式如下：

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構(gòu)件和保溫材料在建筑節(jié)能方面的性能.通過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窗的臥室為主要研究對象，以多功能窗體完全展開與原有窗戶呈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)采光進深

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

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

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

冬至時室內(nèi)采光進深大幅增加，采用反光板后仍提升采光進深2.5倍以上，使室內(nèi)采光進深保持在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，并隨太陽高度角實時調(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，建筑熱負荷平均減少360 W，約占總負荷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冬季建筑熱負荷的影響Fig.13 The influence of multifunctional window with insulation mode on building heat load in winter

2.4 經(jīng)濟性評價

考慮到西藏農(nóng)村地區(qū)的實際情況，多功能窗體的投資費用必須在居民可接受的范圍內(nèi)，且有較高性價比，才具有推廣可行性，因此，有必要開展經(jīng)濟性分析.經(jīng)濟測算如表2所示.

表2 多功能窗體經(jīng)濟測算表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)計壽命為20 年，可通過直線折舊法、投資回收期法和年平均壽命周期費用法等評價方法判定多功能窗體經(jīng)濟性.

1）直線折舊法（平均年限法）

年折舊額=（設(shè)備原值+預(yù)計清理費-預(yù)計殘值）÷預(yù)計使用年限×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）年平均壽命周期費用法

年平均壽命周期費用=（購置費+壽命周期內(nèi)的使用費）÷經(jīng)濟壽命

經(jīng)計算，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，年平均壽命周期費用為8.3 元.同時，多功能窗體安裝、拆卸簡單，使用周期內(nèi)基本不需要維護費用，費用有效率為806.7%，具有成本較低、節(jié)能效果明顯的特點，性價比極高，適宜在西藏農(nóng)村地區(qū)推廣使用.

3 多功能窗體性能實驗研究

3.1 實驗研究對象

為進一步檢驗多功能窗體應(yīng)用效果，本次實驗在拉薩搭建了兩間實驗臺，如圖14 所示.實驗臺坐北朝南，四周無樹木等障礙物遮擋.實驗房間凈長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 號實驗臺作為對照組，不安裝多功能窗體，2 號實驗臺作為實驗組，安裝多功能窗體.

圖14 實驗臺實景圖Fig.14 The photograph of test bench

3.2 實驗研究方案

基于上述性能評價指標，本次共設(shè)計了4 組實驗以測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 采光性能實驗

為提高采光性能實驗準確性，設(shè)計了采光進深實驗和采光系數(shù)實驗2個實驗方案.

1）采光進深實驗

兩間實驗臺在晴天狀態(tài)下同時進行采光進深實驗.1 號實驗臺在地面安裝標有刻度的平面鏡，逐時監(jiān)測地面光斑最遠點與南墻的垂直距離.2 號實驗臺在天花板安裝標有刻度的平面鏡，并在窗口安裝標有刻度的多功能窗體，且保持反光板完全展開與南墻呈90°，逐時監(jiān)測反光板光斑和天花板光斑最遠點與南墻的垂直距離.兩間實驗臺北墻與地面中心交接點為固定站立觀察點，實驗過程中保持位置不變.

2）采光系數(shù)實驗

照度計測定采光系數(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］.兩間實驗臺同時進行實驗，2 號實驗臺保持多功能窗體完全展開與南墻呈90°.

根據(jù)《照明測量方法》（GB/T5700—2008）［21］，室內(nèi)布點一般選取邊長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.采用中心布點法或四角布點法，連續(xù)觀測測試點3 次，取算術(shù)平均值計算室內(nèi)平均照度和照度均勻度.本實驗旨在探究不同進深的采光系數(shù)變化規(guī)律，且室內(nèi)光照強度在距離上的衰減較大.因此，縮小網(wǎng)格尺寸，取網(wǎng)格交叉點為測試點，確保測試點縱橫對稱，取同一進深4 個測試點光照強度的算術(shù)平均值為該進深光照強度計算值.

實驗前，將兩間實驗臺劃分為0.3 m×1 m 的矩形網(wǎng)格，并在測試點做好標記，如圖15 所示.實驗時完全關(guān)閉人工照明設(shè)備，在測試點距地面0.75 m 處水平使用照度計測試光照強度.

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

3.2.2 發(fā)電性能實驗

發(fā)電性能實驗選取2個實驗周期，連續(xù)監(jiān)測2號實驗臺太陽能光伏發(fā)電板月發(fā)電量，并對重點月份進行逐時監(jiān)測和記錄.實驗過程中，根據(jù)太陽高度角實時調(diào)整光伏發(fā)電板傾角.

3.2.3 保溫隔熱性能實驗

保溫隔熱性能實驗采用溫度測試，使用紅外測溫儀逐時監(jiān)測兩間實驗臺冬、夏兩季南墻和窗戶內(nèi)外表面溫度變化.兩間實驗臺保持門、窗緊閉，同時進行實驗.2 號實驗臺調(diào)整多功能窗體至保溫模式.選取室外、兩間實驗臺南墻和窗戶內(nèi)外表面共7 處作為測試點.

3.3 實驗結(jié)果

3.3.1 采光性能驗證結(jié)果

如圖16 所示，1 號實驗臺室內(nèi)采光進深穩(wěn)定保持在0.3 m 左右.2 號實驗臺采光進深基本保持在1.5 m 以上，其中采光進深維持在2 m 以上的時長為8 h，采光進深維持3 m左右的時長約為4 h，室內(nèi)采光進深增加5倍以上，與理論計算結(jié)果基本保持一致.

圖16 時間對采光進深變化的影響特性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，兩間實驗臺均滿足室內(nèi)采光最低標準，但2 號實驗臺平均采光系數(shù)較1 號實驗臺增加0.5%左右.其中，進深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外的遠窗口區(qū)采光系數(shù)則提高0.2%左右.由此可知，反光板對近窗口區(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 進深對采光系數(shù)變化的影響特性Fig.17 The influence of depth on the change of daylighting coefficient

由采光性能實驗結(jié)果可知，在建筑層高3 m、多功能窗體完全展開且與南墻呈90 °時，過渡季采用反光板后室內(nèi)采光進深增加5 倍以上，持續(xù)時間達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 光伏性能驗證結(jié)果

如圖18 所示，光伏發(fā)電板月累計發(fā)電量受月份影響較大，2 個實驗周期實驗結(jié)果相近，發(fā)電效率較為穩(wěn)定.光伏發(fā)電板年均累計發(fā)電量約為90 kW·h，其中夏季月均累計發(fā)電量最多，為9 kW·h，6 月達到峰值.春、秋兩季次之，為7.5 kW·h，冬季月均累計發(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 保溫隔熱性能驗證結(jié)果

如圖19 所示，冬季保溫性能實驗中，1 號實驗臺夜間窗戶內(nèi)外表面溫差為2～7 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差為2～5 ℃；2 號實驗臺窗戶內(nèi)外表面溫差高達5～12 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差降至0～1 ℃.同時，2號實驗臺南墻內(nèi)表面溫度較1號實驗臺提高約1 ℃.

圖19 冬季實驗臺溫度變化Fig.19 Temperature change of test bench in winter

如圖20 所示，夏季隔熱性能實驗中，1 號實驗臺午間窗戶內(nèi)外表面溫差為2～4 ℃，窗戶與南墻內(nèi)表面溫差為1～2 ℃；2號實驗臺窗戶內(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 夏季實驗臺溫度變化Fig.20 Temperature change of test bench in summer

從冬、夏兩季溫度變化趨勢來看，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，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

實驗結(jié)果表明，與同尺寸傳統(tǒng)窗體相比，多功能窗體在過渡季能提升傳統(tǒng)碉房南向采光進深5 倍以上且持續(xù)10 h，冬季提升采光進深2.5 倍，使室內(nèi)采光進深保持在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；夏季月累計發(fā)電約9 kW·h，年累計發(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.

針對西藏地區(qū)太陽輻射強、日溫差大等氣候特點，以及藏區(qū)傳統(tǒng)民居南北進深大、墻體較厚等特征，本研究提出的多功能窗體可彌補原有窗體不足，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)濟競爭性強的特點，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.