基于高品質(zhì)住宅目標(biāo)下寒冷地區(qū)不同陽臺(tái)形式設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：寒冷地區(qū)；陽臺(tái)形式；室內(nèi)光照；軟件模擬；發(fā)展方向；DesignBuilder

引言

寒冷地區(qū)的住宅陽臺(tái)設(shè)計(jì)一直是提升住宅可持續(xù)性的重點(diǎn)，因寒冷地區(qū)的氣候條件，需要特定的解決方案，以確保室內(nèi)舒適。陽臺(tái)也是影響室內(nèi)熱環(huán)境的重要因素之一，對(duì)建筑的可持續(xù)性起著至關(guān)重要的作用。建筑作為能源消費(fèi)的三大領(lǐng)域之一，如何提升環(huán)境舒適性、降低用能需求是建筑設(shè)計(jì)前期需要考慮的問題。[1]69% 相關(guān)的研究 是在過去10 年中發(fā)表的，這表明人們對(duì)陽臺(tái)對(duì)家居環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)不斷提高。[2] 陽臺(tái)是溝通室內(nèi)外的重要過渡空間，在滿足實(shí)用功能及精神和心理需求方面具有重要的作用。[3] 開放式陽臺(tái)能夠最大限度地引入自然光，增加室內(nèi)的明亮度；同時(shí)，也便于通風(fēng)換氣，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。封閉式陽臺(tái)能夠有效隔絕外界的噪聲、灰塵和風(fēng)雨，提供一個(gè)相對(duì)安靜的室內(nèi)環(huán)境。并且保持相對(duì)穩(wěn)定的內(nèi)部熱環(huán)境，減少損耗。半開放式陽臺(tái)既能保持一定的通風(fēng)和采光效果，又能根據(jù)需要調(diào)節(jié)與室外環(huán)境的隔絕程度。在夏季，可以通過開啟窗戶增加室內(nèi)通風(fēng)；在冬季或惡劣天氣時(shí)，則可以關(guān)閉窗戶以保持室內(nèi)溫度。這種設(shè)計(jì)方式使得陽臺(tái)在功能上更加靈活多變。但對(duì)具體條件下不同類型的陽臺(tái)對(duì)相鄰室內(nèi)空間的影響具體有多大還沒有具體的研究。

一、研究方法

（一）不同陽臺(tái)設(shè)計(jì)形式

中國寒冷地區(qū)住宅通常使用完全封閉的形式，使用大面積的玻璃窗封閉陽臺(tái)，隔絕外界環(huán)境并方便采光。但封閉陽臺(tái)與住宅內(nèi)部相鄰空間的連接方式多種多樣，通過文獻(xiàn)分析，可根據(jù)其連接方式和聯(lián)系強(qiáng)弱定義4 種類型的陽臺(tái)空間：

1. 分隔式陽臺(tái)，顧名思義，就是將陽臺(tái)空間通過一定的設(shè)計(jì)手段進(jìn)行分割，通常是使用墻體分隔，并且在墻上開窗開門的方式與室內(nèi)空間進(jìn)行聯(lián)系，形成兩個(gè)或多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能區(qū)域。這種設(shè)計(jì)方式不僅增加了陽臺(tái)的實(shí)用性，還提升了居住空間的舒適度和美觀性。

2. 半分隔式陽臺(tái)，通常是指陽臺(tái)空間在物理上進(jìn)行了部分封閉或部分開放的設(shè)計(jì)，內(nèi)外空間之間用玻璃推門等弱隔斷進(jìn)行隔離，設(shè)計(jì)融合了封閉陽臺(tái)和開放陽臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，陽臺(tái)半開放的空間屬性使其成為住宅空間最活躍的元素，人們對(duì)其改造利用也最為多樣。[4] 為居住者提供了更加靈活和多樣化的使用空間。

3. 消隱式陽臺(tái)：陽臺(tái)與室內(nèi)融合，成為一種全新的生活空間。如與客廳、臥室等其他房間直接貫通，很大程度上影響人們的日常生活。[5] 陽臺(tái)對(duì)室外通過窗戶完全封閉，對(duì)室內(nèi)空間完全開放，被消隱并集成在室內(nèi)起居區(qū)內(nèi)。

陽臺(tái)可以改善景觀享受、增強(qiáng)通風(fēng)和增加種植空間，陽臺(tái)還能充當(dāng)懸垂部分，提供遮陽以及節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)的電力。[6] 由于對(duì)全球氣候變化和能源依賴的擔(dān)憂日益增加，通過各種方式降低住宅能耗成為重中之重。例如2021 年，住宅能源消耗占全球能源消耗的30%[7]，這可以證明在陽臺(tái)上結(jié)合具體情況使用不同類型陽臺(tái)設(shè)計(jì)是合理的（如表1）。

（二）山東濟(jì)南當(dāng)?shù)貧夂?/p>

濟(jì)南地區(qū)的氣候具有四季分明、雨熱同期、季風(fēng)顯著、光照充足的特點(diǎn)。通過分析2020 年2 月到2024 年7 月，由中國氣象局發(fā)布的濟(jì)南各項(xiàng)氣候數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可知：春季（3 月至5 月）：氣溫回升快，但多風(fēng)少雨，空氣干燥。夏季（6 月至8 月）：炎熱多雨，是濟(jì)南的雨季，也是氣溫最高的季節(jié)，平均氣溫在26℃以上，極端高溫可達(dá)40℃左右。秋季（9 月至11 月）：氣溫逐漸下降，秋高氣爽，是濟(jì)南較為舒適的季節(jié)。冬季（12 月至2 月）：寒冷干燥，氣溫較低，平均氣溫在0℃以下。濟(jì)南的年降水量較為適中，一般在600～800毫米之間，但降水分布不均，主要集中在夏季。夏季降水最多，占全年降水量的60% 以上，常出現(xiàn)雷雨、暴雨等強(qiáng)對(duì)流天氣。春秋季降水較少，冬季降水最少，多為小雪或雨夾雪。氣候變暖導(dǎo)致降水和日照異常，已經(jīng)給自然生態(tài)、工農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)各方面帶來了許多新問題。[8] 快速的城市化改變了區(qū)域水文過程，對(duì)城市的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。[9] 濟(jì)南市表現(xiàn)出一定程度的雨島效應(yīng)，短時(shí)降水事件的頻率顯著增加，降水事件的強(qiáng)度普遍增加。[10] 濟(jì)南地區(qū)的氣候具有鮮明的季節(jié)性和地域性特點(diǎn)，對(duì)人們的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生著重要影響（如圖1、2）。

（三）選取典型住宅形式

優(yōu)化陽臺(tái)設(shè)計(jì)以改善住宅環(huán)境質(zhì)量是對(duì)高品質(zhì)住宅設(shè)計(jì)的具體要求之一。而中國房地產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40 多年的發(fā)展，現(xiàn)在已進(jìn)入深度調(diào)整期。人們的“住房觀”也正在從“有房住”向“住好房”轉(zhuǎn)變，對(duì)綠色、健康、智慧的高品質(zhì)住宅需求日益增長(zhǎng)，根據(jù) 2006 年至 2018年濟(jì)南市的土地利用數(shù)據(jù)，濟(jì)南市中心的綠化和住宅空間均顯著增加。[11]2023 年7 月發(fā)布了《山東省高品質(zhì)住宅開發(fā)建設(shè)指導(dǎo)意見》用以推動(dòng)房地產(chǎn)業(yè)良性循環(huán)和健康發(fā)展。綠色住宅、被動(dòng)住宅是我國當(dāng)前高標(biāo)準(zhǔn)住宅的代表。[12] 如表2 所示部分已建成項(xiàng)目。

仁恒·公園世紀(jì)位于濟(jì)南中央商務(wù)區(qū)CBD 的核心區(qū)，作為高品質(zhì)住宅項(xiàng)目提供了多種4 居室戶型，包括建面約96 ㎡、129 ㎡、135 ㎡、167 ㎡以及190 ㎡等不同面積的戶型，以滿足家庭成員的不同需求。其中主力戶型為建面約96 ㎡，129 ㎡，190 ㎡的3 種戶型，這些戶型設(shè)計(jì)南北通透，全明格局，居住舒適，符合大多數(shù)人需求適宜作為結(jié)合不同形式家居陽臺(tái)3 種典型對(duì)象（如圖3）。

通過表3 可以發(fā)現(xiàn)，基本上隨著住宅面積的增加，陽臺(tái)面積也隨之增加，但住宅面積中的陽臺(tái)占比卻隨之減小，且更大面積的戶型往往享受有更好的配套設(shè)施，景觀，采光，價(jià)格也會(huì)更高。此時(shí)陽臺(tái)形式就會(huì)趨向于更加開放，不僅能增加室內(nèi)的采光，也可以使室內(nèi)的人與室外的景觀有更多交流。反之，小面積戶型因?yàn)樽≌芏雀撸司娣e小，環(huán)境質(zhì)量相對(duì)下降，陽臺(tái)形式就會(huì)更趨向于封閉，保護(hù)私密性。

（四）Design Builder 軟件模擬

DesignBuilder 是一款針對(duì)建筑能耗動(dòng)態(tài)模擬程序（EnergyPlus）開發(fā)的模擬軟件。旨在從建筑設(shè)計(jì)的初期階段就通過提供性能數(shù)據(jù)來優(yōu)化設(shè)計(jì)和評(píng)估。文化和技術(shù)的發(fā)展深刻改變了建筑模擬和可視化，徹底改變了建筑師溝通和執(zhí)行項(xiàng)目的方式。[13] 適當(dāng)?shù)臒峤Ｊ强刂茻崾孢m性和降低能耗的第一步。[14] 具體來說，DesignBuilder 可以模擬不同陽臺(tái)形式下的自然通風(fēng)效果。在寒冷地區(qū)，合理的陽臺(tái)設(shè)計(jì)可以減少室內(nèi)熱損失，提高室內(nèi)熱舒適度。通過模擬不同陽臺(tái)分隔方式，可以評(píng)估陽臺(tái)采光及其相鄰房間室內(nèi)熱損失效果。此外，DesignBuilder 還可以模擬不同陽臺(tái)形式下的太陽輻射的熱量和室內(nèi)熱負(fù)荷，分析其對(duì)冬季采暖和夏季制冷能耗的影響。

（五）提取典型模型建模

選擇典型建筑住宅模型時(shí)，主要考慮陽臺(tái)的特點(diǎn)和普適性，因此選擇了190 平方米，96 平方米以及售額最高的129 平方米，3 種不同住宅戶型。在進(jìn)行建模時(shí)，需要考慮的一點(diǎn)是從陽臺(tái)到住宅區(qū)域的熱傳遞。之前的一項(xiàng)研究提到了建模的重要性，使其通過陽臺(tái)窗戶的太陽輻射到達(dá)帶有陽臺(tái)的住宅區(qū)[15]（如圖4、5）。

（六）天氣和活動(dòng)設(shè)置

為了完成室內(nèi)環(huán)境的評(píng)估和對(duì)比分析，根據(jù)收集到的圖紙和材料信息，對(duì)房間尺寸、窗戶、室外遮擋、室內(nèi)房間排布等影響室內(nèi)天然采光的重要因素進(jìn)行建模[16]，使用濟(jì)南地區(qū)的天氣數(shù)據(jù)作為計(jì)算的背景天氣文件（如表4、5）。

（七）相鄰空間的采光效果

96 平方米住宅僅有一個(gè)陽臺(tái)，根據(jù)已建成項(xiàng)目的實(shí)際情況設(shè)定陽臺(tái)窗戶距地面高度0.8 米，為長(zhǎng)3.1m× 寬1.5m 的長(zhǎng)方形。陽臺(tái)與室內(nèi)相鄰空間的分隔主要分為3 類：分隔式采用的分隔墻為保溫層為0.05m 的XPS Extruded Polystyrene（CO ? Blowing）的0.24m厚的Standard wall construction，分隔墻上開窗大小為 長(zhǎng)2m× 寬1.45m，距地面高0.8m，材質(zhì)為project internal glazing，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺(tái)分隔墻材質(zhì)厚度與分隔式陽臺(tái)相同，分隔墻上采用大小為高2.3m× 長(zhǎng)2.4m 可雙向推動(dòng)的大面積玻璃推拉門。消解式陽臺(tái)則在材質(zhì)厚度相同的分隔墻上開高2.5m×長(zhǎng)3.1m 的洞，3 種不同類型陽臺(tái)具體的采光情況如圖6 所示。

129 平方米戶型的住宅是銷量最高的住宅類型，有一個(gè)陽臺(tái)，位于南向。陽臺(tái)開窗為長(zhǎng)3.1m× 寬1.5m 的長(zhǎng)方形。分隔式采用與96平方米戶型相同的0.24m 厚的Standard wall construction，分隔墻上開窗大小為 長(zhǎng)2m× 寬1.45m，距地面高0.8m，材質(zhì)為projectinternal glazing，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺(tái)：采用高2.3m× 長(zhǎng)2.4m 的大面積雙向玻璃推拉門，既分隔又聯(lián)通。消解式陽臺(tái)通過分隔墻上開高2.5m× 長(zhǎng)3.1m 的洞口，直接連通陽臺(tái)與起居室，營(yíng)造寬敞通透的居住空間。3 種不同類型陽臺(tái)具體的采光情況如圖7 所示。

190 平方米住宅戶型是正在出售的住宅類型中面積最大的，有兩個(gè)陽臺(tái)南向陽臺(tái)較大約為6.5 ㎡，北向較小陽臺(tái)面積約為4.0 ㎡。南向陽臺(tái)窗戶距地面高度0.8 米，為長(zhǎng)4.6m× 寬1.5m 的長(zhǎng)方形。陽臺(tái)與室內(nèi)相鄰空間的分隔主要分為3 類：分隔式分隔墻上開窗大小為 長(zhǎng)3m× 寬1.45m，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺(tái)分隔墻上采用大小為高2.3m× 長(zhǎng)3.5m 可推動(dòng)的多扇連續(xù)玻璃推拉門。消解式陽臺(tái)則在分隔墻上開高2.5m× 長(zhǎng)4.6m 的洞，直接將陽臺(tái)與相鄰的起居室連通如下圖所示。北向陽臺(tái)窗戶距地面高度0.8米，為長(zhǎng)1.85m× 寬1.5m 的長(zhǎng)方形。陽臺(tái)與室內(nèi)相鄰空間的分隔主要分為3 類：分隔式分隔墻上開窗大小為 長(zhǎng)1.45m× 寬1.5m，開門大小為高2.1m× 寬0.8m。半分隔式陽臺(tái)分隔墻上采用大小為高2.2m× 長(zhǎng)1.6m 可雙向推動(dòng)的玻璃推拉門。消解式陽臺(tái)則在分隔墻上開高2.5m× 長(zhǎng)2.4m 的洞口，使用3 種不同類型陽臺(tái)具體的采光情況如圖8 所示。

（八）結(jié)果與討論

不同陽臺(tái)形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料、厚度、構(gòu)造等差異會(huì)影響其熱傳導(dǎo)性能，進(jìn)而影響室內(nèi)環(huán)境的熱穩(wěn)定性。穩(wěn)態(tài)熱損失（kW）這一指標(biāo)用于量化在穩(wěn)定狀態(tài)下，由于陽臺(tái)與室內(nèi)環(huán)境之間的熱交換所導(dǎo)致的熱量損失。已經(jīng)廣泛地對(duì)玻璃陽臺(tái)的節(jié)能和熱效應(yīng)研究進(jìn)行了研究。在空間布局逐漸固化后，建造技術(shù)的升級(jí)讓科技賦能成為居住需求新的增長(zhǎng)點(diǎn)。[17] 事實(shí)上，這些環(huán)境因素對(duì)居住者的可接受性和工作表現(xiàn)有顯著的綜合影響。

根據(jù)分析，我們發(fā)現(xiàn)不同陽臺(tái)類型對(duì)不同面積的住宅在各方面能耗上的影響如下：

不論采用何種陽臺(tái)形式，在寒冷地區(qū)的住宅中，隨著面積的增大，住宅穩(wěn)態(tài)熱損失也有所增加。例如，96 平方米的住宅穩(wěn)態(tài)熱損失為1.78kW，而190 平方米的住宅則增加到2.69kW。這表明更大體積的住宅散失的熱量更多。這表明住宅面積的增加會(huì)導(dǎo)致熱損失和所需供熱或制冷量也會(huì)相應(yīng)增加。

當(dāng)控制住宅的面積相同時(shí)，消解式陽臺(tái)的穩(wěn)態(tài)熱損失要低于其余兩種陽臺(tái)形式，這是因?yàn)槠溆鄡煞N陽臺(tái)形式的室內(nèi)環(huán)境更封閉，通過陽臺(tái)的熱損失更少，因此陽臺(tái)溫度通常更低，不適合長(zhǎng)時(shí)間停留，但室內(nèi)溫度通常比消解式陽臺(tái)住宅更高。

總體來看：陽臺(tái)作為既有住宅建筑的一部分，由于其玻璃面積大，熱惰性差，導(dǎo)致陽臺(tái)成為能量耗散的主要部分[18]。對(duì)于所有陽臺(tái)類型，隨著陽臺(tái)在住宅總面積中占比的增加，穩(wěn)態(tài)熱損失和設(shè)計(jì)容量均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，這符合能量散失與空間大小成正比的常識(shí)。因此，分隔式陽臺(tái)在所有面積類別中通常具有最低的熱損失和能量需求，而半分隔式陽臺(tái)和分隔式陽臺(tái)的熱損失情況相對(duì)接近，而半分隔式陽臺(tái)的采光面積更大，室內(nèi)光照效果更好。在氣候較冷或?qū)δ芎囊筝^高的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用半分隔式陽臺(tái)設(shè)計(jì)，以提高住宅的能源效率和視覺效果。[19]

綜合分析可以得出，開放性的陽臺(tái)更適合周圍環(huán)境優(yōu)美，住宅總面積大的戶型，封閉性的陽臺(tái)則更適合于周圍環(huán)境不佳，高密度小面積的戶型。寒冷地區(qū)住宅則優(yōu)先考慮半分隔式陽臺(tái)，在保證室內(nèi)熱環(huán)境的條件下，對(duì)采光影響也較小。

結(jié)論

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論與建議：

（1）開放式陽臺(tái)一般情況下不適用于寒冷地區(qū)住宅，但由于面積與能耗的關(guān)系：隨著住宅面積的增加，無論是哪種陽臺(tái)類型，其穩(wěn)態(tài)熱損失和設(shè)計(jì)容量均呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)大面積的高品質(zhì)住宅時(shí)，應(yīng)更加注重保溫隔熱材料的使用和高效能源系統(tǒng)的配置，開放式陽臺(tái)對(duì)住宅整體的熱損失影響較小的情況下，適合在以露臺(tái)等觀賞功能優(yōu)先的情況下使用。

（2）分隔式陽臺(tái)與半分隔式在相同面積條件下，通常具有最低的熱損失和能量需求，因?yàn)榉指羰疥柵_(tái)更有效地隔斷了內(nèi)外環(huán)境，減少了熱量的直接交換，其開放性最低，私密性最好。半分隔式陽臺(tái)在熱損失較低的同時(shí)開放性更好。分隔式陽臺(tái)設(shè)計(jì)十分適合寒冷地區(qū)高密度小面積住宅，而半分隔式陽臺(tái)更適合高品質(zhì)中大戶型的寒冷地區(qū)住宅。

（3）對(duì)于消解式陽臺(tái)，和半分隔式陽臺(tái)相比對(duì)外界的開放性上差別不大，但熱損失較大，適用于氣候寒冷且希望增強(qiáng)與外界的聯(lián)系的環(huán)境，如住宅密度較低，景觀優(yōu)美的寒冷地區(qū)高檔住宅。此類住宅重視與環(huán)境的交互，居住成本往往也更高。

綜上所述，建筑師和工程師在進(jìn)行住宅設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮住宅面積、陽臺(tái)類型以及其他設(shè)計(jì)要素對(duì)能耗的影響。通常來說陽臺(tái)的設(shè)計(jì)隨著住宅面積的增加以及周圍環(huán)境的改善趨向更加開放的形式，陽臺(tái)的保溫能力則隨著陽臺(tái)的封閉性提高而提高，通過平衡環(huán)境因素的影響可以更好地應(yīng)用不同的陽臺(tái)形式。