我國農(nóng)宅附加陽光間研究熱點與趨勢分析

王朝紅，楊 陽，姚 勝

(河北工業(yè)大學(xué) 建筑與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，天津 300130)

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對于生活環(huán)境舒適度的要求不斷增強，面對可持續(xù)發(fā)展的新時代戰(zhàn)略目標，讓人民擁有溫度適宜、空氣清潔、居住健康的家，已經(jīng)成為實現(xiàn)中國社會和諧發(fā)展的重要內(nèi)容。目前北方地區(qū)以化石燃料燃燒為主的住宅取暖方式是促成冬季霧霾天的主要成因[1]，其帶來的環(huán)境污染、能源浪費等問題，嚴重降低了人們的生活品質(zhì)，對人們的身心健康產(chǎn)生了極大的影響。

近年來，被動式附加陽光間太陽房因其具有初期投入低、建設(shè)難度小、運行回報率高、適宜在我國北方地區(qū)推廣等特點，引起眾多學(xué)者的關(guān)注。有學(xué)者以太陽房采暖為主題進行了綜述研究，2017年鮑玲玲等[2]梳理和介紹了我國農(nóng)村在太陽房采暖方面的使用現(xiàn)狀、國家的相關(guān)政策、太陽房的分類及其具體概念，并總結(jié)了相關(guān)學(xué)者在太陽能采暖關(guān)鍵技術(shù)方面的研究；2019年韋笑[3]闡述了太陽能輔助供暖技術(shù)的相關(guān)概念，總結(jié)了其發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用實踐現(xiàn)狀。現(xiàn)有綜述大多以定性分析的方法進行梳理和闡述，受限于研究者文獻閱讀數(shù)量及其總結(jié)歸納的能力，主觀性較強。

文中針對附加陽光間的設(shè)計研究問題，采用定性與定量分析相結(jié)合的方法，運用CiteSpace可視化文獻分析軟件對來自中國知網(wǎng)(CNKI)數(shù)據(jù)庫附加陽光間領(lǐng)域的研究文獻進行可視化定量分析及定性討論，梳理附加陽光間設(shè)計的研究現(xiàn)狀，為今后相關(guān)研究提供方法和方向參考。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

由美國陳超美團隊利用Java編輯環(huán)境開發(fā)的CiteSpace軟件是在科學(xué)計量學(xué)、數(shù)據(jù)可視化背景下逐漸發(fā)展起來的一款引文可視化分析軟件。軟件能夠展現(xiàn)出學(xué)科主題之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，將樣本輸入到CiteSpace軟件中，運算可得到關(guān)鍵詞、主題、作者、共被引、突現(xiàn)度等可視化圖譜，幫助研究人員快速理清某一領(lǐng)域的發(fā)展歷程，找到該領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵文獻和主要研究團隊，分析出研究前沿和發(fā)展趨勢，極大地提高文獻調(diào)研效率[4]。

本研究以CNKI數(shù)據(jù)庫中的文獻作為數(shù)據(jù)源，以附加陽光間、陽光間、被動式太陽房等相關(guān)詞匯為主題詞進行初步檢索。文獻時間限定為1983—2020年，檢索結(jié)果共獲得1 056篇文獻，進行分析整理并去除重復(fù)性文獻、篩選刪減與主題不密切相關(guān)的文獻以及會議演講等，最后得出期刊論文、碩博論文共452篇。在此基礎(chǔ)上運用CiteSpace文獻可視化分析軟件進行系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，根據(jù)結(jié)果分析與討論，并提出附加陽光間領(lǐng)域未來的研究方向。

2 文獻統(tǒng)計分析

2.1 發(fā)文量增長趨勢分析

發(fā)文量的變化是相關(guān)領(lǐng)域研究進展情況的直觀展現(xiàn)，是衡量該領(lǐng)域研究進展的重要指標[5]。分析圖1發(fā)文量的時間分布圖，可以發(fā)現(xiàn)附加陽光間研究的態(tài)勢總體呈上升趨勢。1999年之前，年發(fā)文量均在5篇及以下，這一時間段國內(nèi)對于附加陽光間的研究還處于起步階段，研究內(nèi)容集中于附加陽光間的基本概念、構(gòu)造形式、熱工機理、傳熱過程數(shù)學(xué)模型搭建、經(jīng)濟性評價方法、舒適度評價方法等基礎(chǔ)理論的建立方面，總體研究力度較小。2000—2008年這一時間段，附加陽光間的研究處于穩(wěn)步增長期，太陽房采暖開始受到學(xué)者們的關(guān)注，有賴于計算機技術(shù)的發(fā)展，研究者開始通過動態(tài)模擬手段結(jié)合實測方法分析附加陽光間的節(jié)能效果。2009年之后，發(fā)文量進入快速增長階段，并于2019年達到峰值，得益于新農(nóng)村建設(shè)、美麗鄉(xiāng)村等國家政策的提出，附加陽光間這一降低農(nóng)宅能耗的有效手段開始得到廣泛關(guān)注，附加陽光間的研究熱度不斷上升，相關(guān)研究內(nèi)容不斷豐富與深入，研究方法也從一開始的定性研究逐步轉(zhuǎn)換為定性和定量相結(jié)合的綜合性研究，越來越多的學(xué)者通過動態(tài)模擬等方法探索附加陽光間熱環(huán)境、節(jié)能性、經(jīng)濟性等方面的優(yōu)化方法。隨著國家大力實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，鄉(xiāng)村住宅節(jié)能將會受到高度重視，而附加陽光間領(lǐng)域的發(fā)文量預(yù)計在未來也會持續(xù)增長。

圖1 附加陽光間領(lǐng)域研究文獻時間分布圖Fig.1 Time distribution diagram of research literature in the field of additional sunspace

2.2 關(guān)鍵作者及研究機構(gòu)分析

分析表1可以得出：附加陽光間研究發(fā)文量最多的作者是劉加平，共有18篇，其余發(fā)文量較多的作者有楊柳、金國輝、何泉等。從研究作者的中心性數(shù)據(jù)來看，除中心性為0.1的劉加平外，其余作者的中心性均為0，特性不顯著。從圖2中的圖譜也可以看出，劉加平及相關(guān)團隊網(wǎng)絡(luò)較為集中，其他網(wǎng)絡(luò)較為分散，表明該研究領(lǐng)域已形成幾個核心的研究團隊[6]，但相互間合作關(guān)聯(lián)性較弱，如劉加平團隊和金國輝團隊各自成一派，尚未形成具有重要影響力的合作網(wǎng)絡(luò)。從長期來看，這樣相互獨立的研究不利于附加陽光間研究的長遠發(fā)展，因此，加強學(xué)術(shù)團隊間的合作與深入交流，促進學(xué)術(shù)研究的長遠發(fā)展是十分必要的。

表1 高頻作者及中心性Tab.1 High-frequency authors and centrality

圖2 附加陽光間領(lǐng)域研究文獻發(fā)文作者的合作網(wǎng)絡(luò)Fig.2 Author cooperation network of literature in the field of additional sunspace

分析表2可知：以西安建筑科技大學(xué)為首的北方高校在附加陽光間領(lǐng)域發(fā)文量較多，研究成果豐厚，而相關(guān)的公司企業(yè)、設(shè)計院、研究院等機構(gòu)的研究成果較少，未能達到“產(chǎn)學(xué)研”之間的高效合作；因此，在以后的研究過程中，加強高校與企業(yè)、研究院(所)間的深入合作交流是十分重要的。

表2 發(fā)文數(shù)量排名前七的研究機構(gòu)Tab.2 Top7 institutes in additional sunspace research

2.3 研究熱點分析

關(guān)鍵詞可以揭示相關(guān)文獻的主要研究內(nèi)容和核心思想，其共現(xiàn)圖譜可以直觀地呈現(xiàn)該研究領(lǐng)域的熱點。文中通過運用CiteSpace對附加陽光間452篇有關(guān)研究性文獻中的關(guān)鍵字和頻次進行共現(xiàn)分析，綜合統(tǒng)計出頻次≥4的關(guān)鍵詞，得到關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜，如圖3所示。

通過對高頻關(guān)鍵詞進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，附加陽光間領(lǐng)域的研究熱點集中于農(nóng)村住宅的附加陽光間優(yōu)化設(shè)計及其影響因素，特別是降低農(nóng)宅能耗、提高其室內(nèi)熱環(huán)境方面的研究尤為受到關(guān)注；另外，關(guān)于不同地區(qū)附加陽光間的適宜性設(shè)計研究也是該領(lǐng)域研究的另一個熱點。為了進一步探究附加陽光間的研究熱點，對含圖3中關(guān)鍵詞的部分文獻進行了定性分析，具體內(nèi)容見表3。

圖3 附加陽光間研究關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖譜Fig.3 Co-appearance network of keywords in additional sunspace

表3 附加陽光間的研究熱點定性分析Tab.3 Qualitative analysis of research hotspots of additional sunspace

3 主要研究內(nèi)容分析

通過閱讀文獻進行定性分析及運用Citespace進行文獻統(tǒng)計定量分析，可以發(fā)現(xiàn)我國附加陽光間領(lǐng)域的研究主要圍繞農(nóng)宅附加陽光間的優(yōu)化設(shè)計展開。以下主要從附加陽光間的概念內(nèi)涵與優(yōu)化設(shè)計兩個方面來闡述現(xiàn)階段我國農(nóng)宅附加陽光間研究的進展。

3.1 相關(guān)概念

太陽房一詞源于美國芝加哥，其定義是指主要依靠太陽能采暖的房屋，分為主動式和被動式兩大類：主動式太陽房的采暖方式與利用常規(guī)能源房屋的采暖系統(tǒng)基本相同，是以太陽能集熱器作為熱源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源進行供暖；而被動式太陽房則是指不依靠任何機械動力，通過建筑圍護結(jié)構(gòu)本身完成吸熱、蓄熱、放熱過程，從而實現(xiàn)利用太陽能采暖目的的房屋。如圖4所示，被動式太陽房主要分為以下3類：

1)直接受益式：直接讓陽光從窗戶照射進來，利用室內(nèi)墻體、地面等蓄熱，在夜間室內(nèi)溫度降低時再將熱量釋放出來，從而達到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的作用。

2)集熱蓄熱墻式：利用集熱蓄熱墻吸收并儲存透過玻璃的一部分陽光，另一部分陽光加熱墻體與玻璃之間的空氣，然后將收集到的熱量傳入室內(nèi)。

3)附加陽光間式：其為直接受益式和集熱蓄熱墻兩種方式的結(jié)合[16]。陽光間的基本結(jié)構(gòu)是在建筑主體的南側(cè)搭建一座由玻璃材質(zhì)、金屬框架及蓄熱墻體構(gòu)成的建筑空間，冬季白天利用附加陽光間接受太陽輻射向室內(nèi)提供熱量，或通過集熱蓄熱結(jié)構(gòu)將熱量貯存起來在陰雪天或夜晚使用，以達到建筑采暖的目的[17]。

圖4 太陽房集熱原理圖Fig.4 Schematic diagram of solar building heat collection

3.2 優(yōu)化設(shè)計

我國附加陽光間優(yōu)化設(shè)計研究主要針對農(nóng)村住宅，研究思路主要是基于文獻研究、問卷調(diào)查、實地測繪與數(shù)據(jù)監(jiān)測建立附加陽光間農(nóng)宅建筑標準模型，篩選建筑主體與附加陽光間相關(guān)設(shè)計參數(shù)與建筑能耗、預(yù)測平均熱感覺指標(predicted mean vote，PMV)、采光系數(shù)與投資回收期等評價指標，然后通過數(shù)學(xué)模型靜態(tài)計算或者是軟件動態(tài)模擬進行單目標或多目標優(yōu)化，最終提出適宜的附加陽光間優(yōu)化設(shè)計策略，具體流程如圖5所示。

在附加陽光間相關(guān)數(shù)學(xué)模型靜態(tài)計算方面，1980年Balcomb[18-19]創(chuàng)建了附加陽光間式被動房的傳熱過程數(shù)學(xué)模型，編寫了被動式太陽房設(shè)計手冊。90年代初王德芳[20-23]提出了關(guān)于附加陽光間和相鄰房間之間通過門洞的自然對流換熱計算公式，采用Carroll的平均輻射溫度網(wǎng)絡(luò)法進行室內(nèi)各表面之間的換熱計算。1991年李元哲等[24]基于Balcomb提出的SLR(solar load ratio)理論，結(jié)合我國的建筑特點及國情，提出了多種集熱部件的效率曲線以及太陽房平均室溫預(yù)測計算方法，編寫了《被動式太陽能熱工設(shè)計手冊》，該書至今仍是我國被動式太陽房設(shè)計最為系統(tǒng)和科學(xué)的參考資料。

通過數(shù)學(xué)模型靜態(tài)計算分析對附加陽光間進行優(yōu)化設(shè)計的方法，主要出現(xiàn)在該領(lǐng)域研究的早期，通常應(yīng)用于對附加陽光間的熱工性能進行評估，通過評估結(jié)果來篩選合適的設(shè)計參數(shù)。2008年金虹等[25]通過對吉林地區(qū)的傳統(tǒng)農(nóng)宅進行調(diào)研實測，并對“直接受益式+附加陽光間式”組合式太陽房與傳統(tǒng)農(nóng)宅進行計算比較，結(jié)果表明該組合式太陽房能夠達到超過70%的節(jié)能率。2013年王登甲等[26]通過對青藏地區(qū)某農(nóng)宅附加陽光間進行實測數(shù)據(jù)分析，計算出Trombe墻的日平均熱效率能夠達到69.7%、陽光間的節(jié)能率為72.8%，分析結(jié)果表明該地區(qū)Trombe式附加陽光間具有較好的集熱和蓄熱性能。2015年楊艷霞[27]分析了附加陽光間對建筑的熱作用機理，采用動態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)法建立了附加陽光間的熱平衡方程，對遼南地區(qū)附加陽光間冬季傳熱過程進行實驗研究，得到適用于遼南地區(qū)的附加陽光間對流換熱系數(shù)和空氣循環(huán)熱流率的計算方法，以及該地區(qū)對流換熱系數(shù)的經(jīng)驗值。綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)化方法計算速度較快，但計算結(jié)果不夠精確，且不能計算全年逐時能耗，只適用于粗略定性分析及簡單的優(yōu)化選型。

動態(tài)模擬優(yōu)化是一種計算機技術(shù)與各建筑專業(yè)技術(shù)相結(jié)合的數(shù)字模擬技術(shù)，是目前較為主流的優(yōu)化方法，其優(yōu)勢在于：1)能夠根據(jù)氣象數(shù)據(jù)、室內(nèi)人員情況等信息得出逐時建筑能耗，其結(jié)果相較于數(shù)學(xué)模型靜態(tài)計算更加準確[16]。2)能夠靈活調(diào)整各設(shè)計參量取值，更有利于附加陽光間優(yōu)化設(shè)計。3)能夠搭載優(yōu)化算法進行多目標優(yōu)化。該方法適用于經(jīng)過較為準確的模型信息調(diào)研基礎(chǔ)之上的模擬研究，模型參數(shù)的準確性很大程度地影響了動態(tài)模擬的準確性。目前，我國關(guān)于附加陽光間優(yōu)化設(shè)計的動態(tài)模擬分析通常是運用DOE-2、TRNSYS、DeST、EnergyPlus、DesignBuilder等動態(tài)模擬軟件進行單一優(yōu)化目標的模擬分析，得出相應(yīng)的優(yōu)化策略。吳皓俊[28]利用DeST-h對基于北京地區(qū)農(nóng)村節(jié)能住宅實測數(shù)據(jù)建立的被動式太陽房預(yù)測模型與傳統(tǒng)農(nóng)宅模型進行模擬分析，結(jié)果表明太陽房采暖的節(jié)能率達到了69%。李棟等[11]運用EnergyPlus動態(tài)模擬軟件分析附加陽光間對東北嚴寒地區(qū)農(nóng)宅冬季采暖能耗的影響，并通過模擬分析得出附加陽光間使用雙層中空玻璃時中空層填充9 mm氪氣的節(jié)能效果最好。王芳等[29]為提高迪慶藏區(qū)農(nóng)宅的冬季熱環(huán)境，通過實測數(shù)據(jù)分析及DesignBuilder模擬優(yōu)化，提出對該地區(qū)附加陽光間具有針對性的量化提升策略。

圖5 附加陽光間優(yōu)化設(shè)計流程圖Fig.5 Flow chart of additional sunspace optimal design

3.2.1設(shè)計參數(shù)

附加陽光間的主要設(shè)計參數(shù)分為附加陽光間本體參數(shù)以及建筑主體參數(shù)兩個方面(見圖6)。附加陽光間本體參數(shù)主要包括陽光間形式、保溫設(shè)計、窗體材質(zhì)、進深、窗墻比、屋頂材料、入口位置、遮陽設(shè)置等，建筑主體參數(shù)包括建筑主體的朝向、院落布局、體形系數(shù)、墻體圍護結(jié)構(gòu)、屋頂結(jié)構(gòu)、窗墻比等。這些因素都會對農(nóng)宅的室內(nèi)熱環(huán)境、光環(huán)境、全年能耗等產(chǎn)生一定的影響。

圖6 附加陽光間設(shè)計參數(shù)Fig.6 Design parameters of additional sunspace

3.2.2評價指標

圖7 附加陽光間評價指標Fig.7 Evaluation indexes of additional sunspace

目標優(yōu)化。以上研究進一步表明，對建筑能耗和人居環(huán)境舒適度產(chǎn)生影響的因素有很多，并且在附加陽光間設(shè)計和推廣過程中經(jīng)濟性因素也是非常重要的一環(huán)。各因素可能存在相互作用、相互影響的情況，僅通過單目標的計算或模擬分析不一定能得出最適宜的優(yōu)化策略，對于附加陽光間各影響因素的綜合優(yōu)化研究還有待學(xué)者們更近一步的探索。

3.2.3優(yōu)化策略

目前，關(guān)于附加陽光間優(yōu)化策略的研究著重圍繞降低建筑能耗、改善建筑熱環(huán)境開展，同時，部分研究也綜合考慮能效、經(jīng)濟性等因素。

李恩等[16]通過現(xiàn)場實測方法，基于拉薩市集合式住宅建筑的熱環(huán)境測試資料建立了熱工模擬計算數(shù)據(jù)分析模型，確定了影響住宅冬季采暖能耗的各種被動式建筑設(shè)計因素，其中包含空間布局、開間進深組合設(shè)計，圍護結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計(如外窗材質(zhì)、圍護結(jié)構(gòu)保溫性能等)。呂環(huán)宇[31]針對我國寒地村鎮(zhèn)住宅建筑進行了實地調(diào)查和研究總結(jié)，并在嚴寒地區(qū)進行了寒地實驗農(nóng)宅的設(shè)計、建造、試驗與計算分析，研究了附加陽光間對于我國寒地農(nóng)宅熱環(huán)境的影響，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化策略。鄒廣宇[32]對東北嚴寒地區(qū)附加陽光間被動式太陽房最能影響室內(nèi)熱舒適性及室內(nèi)溫度的因素進行研究，通過實地調(diào)研建立了東北地區(qū)村鎮(zhèn)典型住宅模型，運用DeST-h模擬軟件進行單一變量分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計策略。劉闊[33]以河北石家莊地區(qū)的村鎮(zhèn)住宅為主要研究對象，基于現(xiàn)場調(diào)研建立了河北地區(qū)典型農(nóng)宅模型，通過定量計算提出適宜的優(yōu)化策略，并進行了冬季輔助熱源的經(jīng)濟性評價，進而為該地區(qū)今后的太陽能建筑設(shè)計及建造提供依據(jù)。黨琦[34]探討了包頭市附加陽光間各影響因素變化對農(nóng)宅全年采暖能耗以及主臥室采光系數(shù)的影響規(guī)律，并通過對附加陽光間的經(jīng)濟性及節(jié)能性指標進行分析，給出了符合當?shù)剞r(nóng)民自身經(jīng)濟條件的陽光間建造方案。相關(guān)學(xué)者針對農(nóng)宅附加陽光間優(yōu)化設(shè)計提出的具體策略如圖8、表4所示。

圖8 農(nóng)宅附加陽光間設(shè)計策略示意圖Fig.8 Schematic diagram of design strategy of additional sunspace for rural housing

表4 農(nóng)宅附加陽光間設(shè)計策略Tab.4 Design strategy of additional sunspace for rural housing

4 問題與展望

通過對文獻的閱讀和整理，可以發(fā)現(xiàn)我國在農(nóng)宅附加陽光間優(yōu)化領(lǐng)域的研究頗多，在附加陽光間冬季熱工性能以及熱環(huán)境優(yōu)化方面的研究正逐步走向成熟，尤其是針對不同地域附加陽光間的優(yōu)化，不同學(xué)者給出了不同的優(yōu)化策略，主要研究地區(qū)集中在新疆、拉薩、西北等太陽輻射資源豐富的地區(qū)，以及有較好太陽輻射資源且附加陽光間能在冬季有較好節(jié)能效果的其他嚴寒、寒冷地區(qū)；但目前對于我國附加陽光間的優(yōu)化設(shè)計研究還存在以下問題：

1)針對冬季采暖耗能及熱舒適度優(yōu)化的研究較多，但在農(nóng)宅附加陽光間夏季遮陽及耗能方面的優(yōu)化研究較少，欠缺整體地考慮農(nóng)宅陽光間全年的舒適度及節(jié)能問題。

2)大部分研究只分析了附加陽光間對建筑能耗的影響，較少的研究能夠考慮到附加陽光間對建筑主體采光的影響以及給出相應(yīng)的優(yōu)化策略。

3)我國基于優(yōu)化算法的農(nóng)宅附加陽光間的多目標優(yōu)化設(shè)計研究還較為欠缺，對于綜合考量各評價指標間相互影響作用的最佳優(yōu)化策略研究還有待開展。

4)對于優(yōu)化后的附加陽光間缺乏實際能耗數(shù)據(jù)的監(jiān)測，大多數(shù)預(yù)測模型未得到驗證。

5)我國現(xiàn)有附加陽光間研究集中于設(shè)計策略及性能研究，尚未與企業(yè)生產(chǎn)以及使用者實際需求相結(jié)合，設(shè)計生產(chǎn)目前未能實現(xiàn)規(guī)模化、標準化生產(chǎn)與經(jīng)營?，F(xiàn)有附加陽光間產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，對附加陽光間的推廣與普及造成較大的阻礙，這在一定程度上影響了附加陽光間的發(fā)展。

在當今全球都在尋求可持續(xù)發(fā)展的背景之下，利用新能源來降低建筑能耗的研究具有光明的前景。我國地域遼闊，太陽能資源豐富，發(fā)展太陽能與農(nóng)村住宅相結(jié)合的被動式附加陽光間技術(shù)，能夠推進農(nóng)村建筑節(jié)能的腳步，對我國農(nóng)村清潔取暖工程意義重大，也將為我國2030年碳達峰、2060年碳中和目標發(fā)揮應(yīng)有的作用。