基于参数仿真的中高层住宅封闭式凹进式阳台环境性能评估

《ENERGY AND BUILDINGS》：Parametric simulation-based environmental performance assessment of enclosed recessed balconies in mid-level residential buildings

　　•结合Grasshopper、Ladybug和Honeybee工具的参数化仿真功能。•确定的重点参数包括窗墙比、遮阳长度以及建筑围护结构材料。•针对炎热夏季与寒冷冬季地区的中层封闭式凹进阳台进行优化设计。•在自然采光、热舒适度及能源效率方面均有显著提升。•本研究为可持续住宅建筑提供了实用的设计方案。•该研究策略有效解决了极端气候条件下的物理环境优化问题。

引言
阳台作为连接室内与室外环境的重要过渡空间，在建筑物理学层面，对调节室内自然采光、通风状况、热舒适度以及整体建筑能耗起着关键作用。这些物理环境参数之间的相互制约使得提升阳台的环境性能成为一个多维度且需综合处理的课题，这与使用者的舒适度和满意度密切相关[1]。随着南京城市化的快速发展，新建的商业住宅数量不断增加，这推动了更为紧凑高效的建筑形式的发展。封闭式凹进阳台能够在确保结构安全的同时有效控制建设成本，从而带来显著的经济优势。此外，这种建筑形式便于外墙、保温层以及门窗系统的集成安装，减少了现场施工工作量及施工节点的处理成本，进而提升了整体施工效率。正因具备这些经济与施工效率方面的优势，这类阳台在南京的民用商业住宅中得到了广泛应用。然而，在典型的炎热夏季与寒冷冬季气候条件下，封闭式设计往往会削弱自然通风与自然光进入的效果；若没有合理的施工策略和参数控制，还可能导致阳台区域自然采光不足、热舒适度下降，进而影响周边室内区域的整体物理环境与能源性能[2][3]。

目前关于阳台空间环境性能的研究，主要从材料系统、空间形态、遮阳控制以及建筑性能模拟等方面展开探讨。由于阳台是室内与室外环境之间的重要过渡空间，基于仿真的自然光、热环境及风环境分析，结合参数化评估方法，为阳台性能研究提供了有力的方法参考（见表1）。在热环境方面，Afshari等人[4]研究了双层玻璃、黑色墙面、黑色地毯地板以及保温材料在太阳能玻璃阳台中的应用，结果表明，合理的保温层配置与高性能玻璃的使用能够改善封闭式阳台的热环境状况，降低供暖能耗。这些材料组合还能在寒冷季节显著提升阳台及其周边空间的热效率与能源性能。类似地，Cao等人[5]指出，通过使用新型复合材料可提升阳台的整体能源性能。Mirabi等人[6]利用EnergyPlus软件分析了不同类型阳台及配置参数对德黑兰住宅建筑能源性能的影响，表明阳台类型、朝向、深度以及封闭程度都会影响住宅建筑的能耗水平。在阳台空间形态与热环境的关系方面，Loche等人[7]借助建筑能源模拟工具分析了阳台深度比及形态特征对热舒适度与能源效率的影响，结果表明，合理的几何形态设计能够提升太阳辐射的利用率，一定程度上改善热环境状况。Liu和Chen以高雄的住宅建筑为案例，分析了建筑高度、阳台深度以及窗墙比对室内自然采光、热环境状况及空调能耗的影响，表明阳台的几何参数可通过调控太阳辐射的进入量来影响室内热环境与能源性能。此外，Baghoolizadeh等人[9]研究了住宅室内环境，发现暖通空调系统设置、新鲜空气供应以及建筑围护结构的导热性能共同影响着室内空气质量、热舒适度与能源性能，这为本研究探讨围护结构导热参数、暖通空调运行条件与热环境性能之间的关系提供了参考。

在自然光环境研究方面，Mahasneh等人[10]结合Ladybug和Honeybee工具分析了不同类型阳台、深度以及开口比例对客厅自然采光质量（DA）和视觉舒适度（ASE）的影响，表明阳台的配置会显著影响室内的自然光质量与视觉体验。Loche等人[7]和Kim[11]通过自然光模拟技术评估了阳台结构与遮阳设计对自然光获取量及眩光控制的影响，进一步证实了阳台设计在提升室内视觉舒适度方面的潜力。由于阳台是建筑系统中的重要组成部分，相关建筑环境性能研究可为这类分析提供有用的方法参考。因此，对建筑遮阳系统自然光性能的研究，为理解阳台的环境响应机制奠定了重要的技术基础。Miraba等人[12]研究了办公楼中自适应型BIPV遮阳系统，并利用EnergyPlus等工具分析了遮阳参数对自然光获取量（sDA）、眩光控制（DGP）以及建筑用电能耗的影响。这些研究表明，遮阳装置与窗户等组件能够同时影响自然采光、眩光控制以及建筑能源性能，其分析方法也为本研究探讨阳台参数与环境性能之间的关系提供了方法支持。

在风环境方面，Izadyar等人[13]通过经过实地测量验证的CFD模拟，分析了阳台深度与开口尺寸对单侧自然通风、室内气流分布以及热舒适度的影响。此外，Izadyar等人[14]和Zheng等人[15]也通过CFD模拟系统地分析了阳台深度、开口配置以及楼层高度对自然通风效率及近立面风速分布的影响，结果表明阳台的几何形状是决定通风性能的关键因素。Omrani等人[16]运用CFD方法比较了无阳台、带开放式阳台以及带半封闭式阳台的高层住宅建筑的自然通风情况，发现阳台的形式会改变室内气流模式、平均风速、气流均匀性以及空气置换率。Tanumidjaja等人[17]对安装在高层住宅建筑凹进式阳台上的室外空调机组进行了CFD分析，发现凹进式阳台容易形成低风速区域并滞留热空气，进而影响局部气流模式、室内空气质量以及热环境性能。

随着参数化设计方法的发展，建筑物的物理环境性能越来越被纳入建筑设计流程之中。Li等人[18]利用Grasshopper平台，通过参数化建模与性能模拟，研究了关键阳台设计参数对热舒适度与能源效率的影响，为设计决策提供了支撑。Ghasaban等人[19]着眼于阳台等开放式与半开放式空间在环境调节中的作用，利用Grasshopper、Ladybug和Honeybee工具进行了参数化模拟，分析了在中层办公建筑中结合封闭式与半开放式空间对能耗与热舒适度的影响。Ji等人[20]对寒冷地区高校宿舍的凹进式阳台进行了以性能为导向的参数化分析，通过整合多目标优化算法，找到了六种能够提升热舒适度与能源效率的优化设计方案。从以性能为驱动的设计视角出发，Elgohary等人[21]研究了建筑形态、窗墙比、建筑体量以及阳台布置对自然光利用、遮阳效果以及能耗的影响，为将环境性能评估纳入建筑设计的早期阶段提供了参考。这些研究表明，参数化建模与性能模拟能够有效揭示阳台设计参数与室内热舒适度、自然采光以及能源性能之间的关系，从而为基于性能的阳台空间设计评估与决策提供支持。

尽管以往的研究已经从材料系统、空间形态、遮阳控制以及建筑性能模拟等方面探讨了阳台空间对室内环境的影响，但通常是将阳台视为辅助空间或独立的建筑构件，往往只关注单一的环境指标或有限的一组性能指标[22]。此外，现有的案例研究多来自不同的气候区域，针对炎热夏季与寒冷冬季气候条件下中层住宅建筑中封闭式凹进阳台的参数化研究仍然较为有限。封闭式凹进阳台与客厅等相邻的室内空间直接相连，因此其环境效应具有跨空间传递的特性[23]。窗墙比、遮阳配置、隔墙布置以及建筑围护结构材料的变化，不仅会影响阳台本身的环境性能，还会影响相邻主要空间的自然采光、通风状况、热舒适度以及能源性能。在这种气候条件下，阳台空间需要同时满足夏季的遮阳与降温需求、冬季的隔热与自然采光需求以及通风需求。因此，对其性能评估不应仅局限于阳台本身，而应基于“阳台-相邻空间”这一整体单元，这样才能明确各关键设计参数的响应关系与适宜值。为弥补现有研究的不足，本研究聚焦于南京地区中层住宅建筑中的封闭式凹进阳台，结合实地调研与基于Grasshopper的参数化模拟，同时整合Ladybug、Honeybee和Butterfly工具，对多种环境性能指标进行了分析。研究结果旨在为炎热夏季与寒冷冬季气候区域住宅建筑中封闭式凹进阳台的基于性能的设计提供可参考的定量参数依据。

数据来源
本研究选择南京作为案例研究城市。南京属于ASHRAE气候区3A，其气候特征与中国建筑气候分区体系中所定义的典型炎热夏季与寒冷冬季区域一致，因此非常适合用于研究不同设计参数对住宅阳台环境性能的影响。研究采用了EPW提供的南京典型气象年度数据作为气候输入文件，这些数据来源于……

自然光环境模拟结果
模拟结果表明，窗墙比显著影响着自然光环境指标（自然采光系数DA、紫外线得光系数UDI、直射光得光系数DF）、眩光自主度GA以及最冷日期的自然光时长（见图6）。随着窗墙比的增加，自然采光相关指标（DA、UDI、DF）会有明显提升，尤其是在0.4到0.6的窗墙比范围内提升最为显著：当窗墙比为0.3时，自然采光系数为67.87%，而达到0.4时则上升至85.54%。不过在0.6到0.9的窗墙比范围内，提升幅度则逐渐变小。相比之下……

封闭式凹进阳台多维度环境性能的综合响应特性
中层封闭式凹进阳台在自然光条件、风环境、热舒适度以及能源消耗等方面的物理环境性能上表现出明显的综合响应特征。模拟结果表明，窗墙比、遮阳板长度、建筑围护结构以及内墙设置等设计变量并非独立发挥作用，而是相互关联，共同影响太阳得热量、眩光风险、外部气候波动以及室内环境状况。

结论
本研究以南京炎热夏季与寒冷冬季气候区域新建的商业住宅建筑中的中层封闭式凹进阳台为研究对象，以朝南的阳台作为主要模拟对象，朝北的阳台作为对比分析对象。通过结合实地调研、定量分析以及环境模拟方法，并在Grasshopper平台上整合Ladybug、Honeybee和Butterfly工具，本研究开展了……

CRediT作者贡献声明
吕一林：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，软件应用，资源收集，实地调查，数据整理。张希如：软件应用，资源收集，数据整理。徐晨佳：软件应用。周超：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

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