我国农宅附加阳光间研究热点与趋势分析

王朝红，杨 阳，姚 胜

(河北工业大学 建筑与艺术设计学院，天津 300130)

随着国民经济的快速发展，人们对于生活环境舒适度的要求不断增强，面对可持续发展的新时代战略目标，让人民拥有温度适宜、空气清洁、居住健康的家，已经成为实现中国社会和谐发展的重要内容。目前北方地区以化石燃料燃烧为主的住宅取暖方式是促成冬季雾霾天的主要成因[1]，其带来的环境污染、能源浪费等问题，严重降低了人们的生活品质，对人们的身心健康产生了极大的影响。

近年来，被动式附加阳光间太阳房因其具有初期投入低、建设难度小、运行回报率高、适宜在我国北方地区推广等特点，引起众多学者的关注。有学者以太阳房采暖为主题进行了综述研究，2017年鲍玲玲等[2]梳理和介绍了我国农村在太阳房采暖方面的使用现状、国家的相关政策、太阳房的分类及其具体概念，并总结了相关学者在太阳能采暖关键技术方面的研究；2019年韦笑[3]阐述了太阳能辅助供暖技术的相关概念，总结了其发展现状及关键技术的应用实践现状。现有综述大多以定性分析的方法进行梳理和阐述，受限于研究者文献阅读数量及其总结归纳的能力，主观性较强。

文中针对附加阳光间的设计研究问题，采用定性与定量分析相结合的方法，运用CiteSpace可视化文献分析软件对来自中国知网(CNKI)数据库附加阳光间领域的研究文献进行可视化定量分析及定性讨论，梳理附加阳光间设计的研究现状，为今后相关研究提供方法和方向参考。

1 研究方法和数据来源

由美国陈超美团队利用Java编辑环境开发的CiteSpace软件是在科学计量学、数据可视化背景下逐渐发展起来的一款引文可视化分析软件。软件能够展现出学科主题之间的结构关系，将样本输入到CiteSpace软件中，运算可得到关键词、主题、作者、共被引、突现度等可视化图谱，帮助研究人员快速理清某一领域的发展历程，找到该领域内的关键文献和主要研究团队，分析出研究前沿和发展趋势，极大地提高文献调研效率[4]。

本研究以CNKI数据库中的文献作为数据源，以附加阳光间、阳光间、被动式太阳房等相关词汇为主题词进行初步检索。文献时间限定为1983—2020年，检索结果共获得1 056篇文献，进行分析整理并去除重复性文献、筛选删减与主题不密切相关的文献以及会议演讲等，最后得出期刊论文、硕博论文共452篇。在此基础上运用CiteSpace文献可视化分析软件进行系统的梳理和总结，根据结果分析与讨论，并提出附加阳光间领域未来的研究方向。

2 文献统计分析

2.1 发文量增长趋势分析

发文量的变化是相关领域研究进展情况的直观展现，是衡量该领域研究进展的重要指标[5]。分析图1发文量的时间分布图，可以发现附加阳光间研究的态势总体呈上升趋势。1999年之前，年发文量均在5篇及以下，这一时间段国内对于附加阳光间的研究还处于起步阶段，研究内容集中于附加阳光间的基本概念、构造形式、热工机理、传热过程数学模型搭建、经济性评价方法、舒适度评价方法等基础理论的建立方面，总体研究力度较小。2000—2008年这一时间段，附加阳光间的研究处于稳步增长期，太阳房采暖开始受到学者们的关注，有赖于计算机技术的发展，研究者开始通过动态模拟手段结合实测方法分析附加阳光间的节能效果。2009年之后，发文量进入快速增长阶段，并于2019年达到峰值，得益于新农村建设、美丽乡村等国家政策的提出，附加阳光间这一降低农宅能耗的有效手段开始得到广泛关注，附加阳光间的研究热度不断上升，相关研究内容不断丰富与深入，研究方法也从一开始的定性研究逐步转换为定性和定量相结合的综合性研究，越来越多的学者通过动态模拟等方法探索附加阳光间热环境、节能性、经济性等方面的优化方法。随着国家大力实施乡村振兴战略，乡村住宅节能将会受到高度重视，而附加阳光间领域的发文量预计在未来也会持续增长。

图1 附加阳光间领域研究文献时间分布图Fig.1 Time distribution diagram of research literature in the field of additional sunspace

2.2 关键作者及研究机构分析

分析表1可以得出：附加阳光间研究发文量最多的作者是刘加平，共有18篇，其余发文量较多的作者有杨柳、金国辉、何泉等。从研究作者的中心性数据来看，除中心性为0.1的刘加平外，其余作者的中心性均为0，特性不显著。从图2中的图谱也可以看出，刘加平及相关团队网络较为集中，其他网络较为分散，表明该研究领域已形成几个核心的研究团队[6]，但相互间合作关联性较弱，如刘加平团队和金国辉团队各自成一派，尚未形成具有重要影响力的合作网络。从长期来看，这样相互独立的研究不利于附加阳光间研究的长远发展，因此，加强学术团队间的合作与深入交流，促进学术研究的长远发展是十分必要的。

表1 高频作者及中心性Tab.1 High-frequency authors and centrality

图2 附加阳光间领域研究文献发文作者的合作网络Fig.2 Author cooperation network of literature in the field of additional sunspace

分析表2可知：以西安建筑科技大学为首的北方高校在附加阳光间领域发文量较多，研究成果丰厚，而相关的公司企业、设计院、研究院等机构的研究成果较少，未能达到“产学研”之间的高效合作；因此，在以后的研究过程中，加强高校与企业、研究院(所)间的深入合作交流是十分重要的。

表2 发文数量排名前七的研究机构Tab.2 Top7 institutes in additional sunspace research

2.3 研究热点分析

关键词可以揭示相关文献的主要研究内容和核心思想，其共现图谱可以直观地呈现该研究领域的热点。文中通过运用CiteSpace对附加阳光间452篇有关研究性文献中的关键字和频次进行共现分析，综合统计出频次≥4的关键词，得到关键词共现网络图谱，如图3所示。

通过对高频关键词进行分析，可以发现，附加阳光间领域的研究热点集中于农村住宅的附加阳光间优化设计及其影响因素，特别是降低农宅能耗、提高其室内热环境方面的研究尤为受到关注；另外，关于不同地区附加阳光间的适宜性设计研究也是该领域研究的另一个热点。为了进一步探究附加阳光间的研究热点，对含图3中关键词的部分文献进行了定性分析，具体内容见表3。

图3 附加阳光间研究关键词共现网络图谱Fig.3 Co-appearance network of keywords in additional sunspace

表3 附加阳光间的研究热点定性分析Tab.3 Qualitative analysis of research hotspots of additional sunspace

3 主要研究内容分析

通过阅读文献进行定性分析及运用Citespace进行文献统计定量分析，可以发现我国附加阳光间领域的研究主要围绕农宅附加阳光间的优化设计展开。以下主要从附加阳光间的概念内涵与优化设计两个方面来阐述现阶段我国农宅附加阳光间研究的进展。

3.1 相关概念

太阳房一词源于美国芝加哥，其定义是指主要依靠太阳能采暖的房屋，分为主动式和被动式两大类：主动式太阳房的采暖方式与利用常规能源房屋的采暖系统基本相同，是以太阳能集热器作为热源代替传统能源进行供暖；而被动式太阳房则是指不依靠任何机械动力，通过建筑围护结构本身完成吸热、蓄热、放热过程，从而实现利用太阳能采暖目的的房屋。如图4所示，被动式太阳房主要分为以下3类：

1)直接受益式：直接让阳光从窗户照射进来，利用室内墙体、地面等蓄热，在夜间室内温度降低时再将热量释放出来，从而达到调节室内温度的作用。

2)集热蓄热墙式：利用集热蓄热墙吸收并储存透过玻璃的一部分阳光，另一部分阳光加热墙体与玻璃之间的空气，然后将收集到的热量传入室内。

3)附加阳光间式：其为直接受益式和集热蓄热墙两种方式的结合[16]。阳光间的基本结构是在建筑主体的南侧搭建一座由玻璃材质、金属框架及蓄热墙体构成的建筑空间，冬季白天利用附加阳光间接受太阳辐射向室内提供热量，或通过集热蓄热结构将热量贮存起来在阴雪天或夜晚使用，以达到建筑采暖的目的[17]。

图4 太阳房集热原理图Fig.4 Schematic diagram of solar building heat collection

3.2 优化设计

我国附加阳光间优化设计研究主要针对农村住宅，研究思路主要是基于文献研究、问卷调查、实地测绘与数据监测建立附加阳光间农宅建筑标准模型，筛选建筑主体与附加阳光间相关设计参数与建筑能耗、预测平均热感觉指标(predicted mean vote，PMV)、采光系数与投资回收期等评价指标，然后通过数学模型静态计算或者是软件动态模拟进行单目标或多目标优化，最终提出适宜的附加阳光间优化设计策略，具体流程如图5所示。

在附加阳光间相关数学模型静态计算方面，1980年Balcomb[18-19]创建了附加阳光间式被动房的传热过程数学模型，编写了被动式太阳房设计手册。90年代初王德芳[20-23]提出了关于附加阳光间和相邻房间之间通过门洞的自然对流换热计算公式，采用Carroll的平均辐射温度网络法进行室内各表面之间的换热计算。1991年李元哲等[24]基于Balcomb提出的SLR(solar load ratio)理论，结合我国的建筑特点及国情，提出了多种集热部件的效率曲线以及太阳房平均室温预测计算方法，编写了《被动式太阳能热工设计手册》，该书至今仍是我国被动式太阳房设计最为系统和科学的参考资料。

通过数学模型静态计算分析对附加阳光间进行优化设计的方法，主要出现在该领域研究的早期，通常应用于对附加阳光间的热工性能进行评估，通过评估结果来筛选合适的设计参数。2008年金虹等[25]通过对吉林地区的传统农宅进行调研实测，并对“直接受益式+附加阳光间式”组合式太阳房与传统农宅进行计算比较，结果表明该组合式太阳房能够达到超过70%的节能率。2013年王登甲等[26]通过对青藏地区某农宅附加阳光间进行实测数据分析，计算出Trombe墙的日平均热效率能够达到69.7%、阳光间的节能率为72.8%，分析结果表明该地区Trombe式附加阳光间具有较好的集热和蓄热性能。2015年杨艳霞[27]分析了附加阳光间对建筑的热作用机理，采用动态热网络法建立了附加阳光间的热平衡方程，对辽南地区附加阳光间冬季传热过程进行实验研究，得到适用于辽南地区的附加阳光间对流换热系数和空气循环热流率的计算方法，以及该地区对流换热系数的经验值。综合上述研究可以发现，该优化方法计算速度较快，但计算结果不够精确，且不能计算全年逐时能耗，只适用于粗略定性分析及简单的优化选型。

动态模拟优化是一种计算机技术与各建筑专业技术相结合的数字模拟技术，是目前较为主流的优化方法，其优势在于：1)能够根据气象数据、室内人员情况等信息得出逐时建筑能耗，其结果相较于数学模型静态计算更加准确[16]。2)能够灵活调整各设计参量取值，更有利于附加阳光间优化设计。3)能够搭载优化算法进行多目标优化。该方法适用于经过较为准确的模型信息调研基础之上的模拟研究，模型参数的准确性很大程度地影响了动态模拟的准确性。目前，我国关于附加阳光间优化设计的动态模拟分析通常是运用DOE-2、TRNSYS、DeST、EnergyPlus、DesignBuilder等动态模拟软件进行单一优化目标的模拟分析，得出相应的优化策略。吴皓俊[28]利用DeST-h对基于北京地区农村节能住宅实测数据建立的被动式太阳房预测模型与传统农宅模型进行模拟分析，结果表明太阳房采暖的节能率达到了69%。李栋等[11]运用EnergyPlus动态模拟软件分析附加阳光间对东北严寒地区农宅冬季采暖能耗的影响，并通过模拟分析得出附加阳光间使用双层中空玻璃时中空层填充9 mm氪气的节能效果最好。王芳等[29]为提高迪庆藏区农宅的冬季热环境，通过实测数据分析及DesignBuilder模拟优化，提出对该地区附加阳光间具有针对性的量化提升策略。

图5 附加阳光间优化设计流程图Fig.5 Flow chart of additional sunspace optimal design

3.2.1设计参数

附加阳光间的主要设计参数分为附加阳光间本体参数以及建筑主体参数两个方面(见图6)。附加阳光间本体参数主要包括阳光间形式、保温设计、窗体材质、进深、窗墙比、屋顶材料、入口位置、遮阳设置等，建筑主体参数包括建筑主体的朝向、院落布局、体形系数、墙体围护结构、屋顶结构、窗墙比等。这些因素都会对农宅的室内热环境、光环境、全年能耗等产生一定的影响。

图6 附加阳光间设计参数Fig.6 Design parameters of additional sunspace

3.2.2评价指标

图7 附加阳光间评价指标Fig.7 Evaluation indexes of additional sunspace

目标优化。以上研究进一步表明，对建筑能耗和人居环境舒适度产生影响的因素有很多，并且在附加阳光间设计和推广过程中经济性因素也是非常重要的一环。各因素可能存在相互作用、相互影响的情况，仅通过单目标的计算或模拟分析不一定能得出最适宜的优化策略，对于附加阳光间各影响因素的综合优化研究还有待学者们更近一步的探索。

3.2.3优化策略

目前，关于附加阳光间优化策略的研究着重围绕降低建筑能耗、改善建筑热环境开展，同时，部分研究也综合考虑能效、经济性等因素。

李恩等[16]通过现场实测方法，基于拉萨市集合式住宅建筑的热环境测试资料建立了热工模拟计算数据分析模型，确定了影响住宅冬季采暖能耗的各种被动式建筑设计因素，其中包含空间布局、开间进深组合设计，围护结构的热工设计(如外窗材质、围护结构保温性能等)。吕环宇[31]针对我国寒地村镇住宅建筑进行了实地调查和研究总结，并在严寒地区进行了寒地实验农宅的设计、建造、试验与计算分析，研究了附加阳光间对于我国寒地农宅热环境的影响，并提出了相应的优化策略。邹广宇[32]对东北严寒地区附加阳光间被动式太阳房最能影响室内热舒适性及室内温度的因素进行研究，通过实地调研建立了东北地区村镇典型住宅模型，运用DeST-h模拟软件进行单一变量分析，并提出了相应的优化设计策略。刘阔[33]以河北石家庄地区的村镇住宅为主要研究对象，基于现场调研建立了河北地区典型农宅模型，通过定量计算提出适宜的优化策略，并进行了冬季辅助热源的经济性评价，进而为该地区今后的太阳能建筑设计及建造提供依据。党琦[34]探讨了包头市附加阳光间各影响因素变化对农宅全年采暖能耗以及主卧室采光系数的影响规律，并通过对附加阳光间的经济性及节能性指标进行分析，给出了符合当地农民自身经济条件的阳光间建造方案。相关学者针对农宅附加阳光间优化设计提出的具体策略如图8、表4所示。

图8 农宅附加阳光间设计策略示意图Fig.8 Schematic diagram of design strategy of additional sunspace for rural housing

表4 农宅附加阳光间设计策略Tab.4 Design strategy of additional sunspace for rural housing

4 问题与展望

通过对文献的阅读和整理，可以发现我国在农宅附加阳光间优化领域的研究颇多，在附加阳光间冬季热工性能以及热环境优化方面的研究正逐步走向成熟，尤其是针对不同地域附加阳光间的优化，不同学者给出了不同的优化策略，主要研究地区集中在新疆、拉萨、西北等太阳辐射资源丰富的地区，以及有较好太阳辐射资源且附加阳光间能在冬季有较好节能效果的其他严寒、寒冷地区；但目前对于我国附加阳光间的优化设计研究还存在以下问题：

1)针对冬季采暖耗能及热舒适度优化的研究较多，但在农宅附加阳光间夏季遮阳及耗能方面的优化研究较少，欠缺整体地考虑农宅阳光间全年的舒适度及节能问题。

2)大部分研究只分析了附加阳光间对建筑能耗的影响，较少的研究能够考虑到附加阳光间对建筑主体采光的影响以及给出相应的优化策略。

3)我国基于优化算法的农宅附加阳光间的多目标优化设计研究还较为欠缺，对于综合考量各评价指标间相互影响作用的最佳优化策略研究还有待开展。

4)对于优化后的附加阳光间缺乏实际能耗数据的监测，大多数预测模型未得到验证。

5)我国现有附加阳光间研究集中于设计策略及性能研究，尚未与企业生产以及使用者实际需求相结合，设计生产目前未能实现规模化、标准化生产与经营。现有附加阳光间产品的质量参差不齐，对附加阳光间的推广与普及造成较大的阻碍，这在一定程度上影响了附加阳光间的发展。

在当今全球都在寻求可持续发展的背景之下，利用新能源来降低建筑能耗的研究具有光明的前景。我国地域辽阔，太阳能资源丰富，发展太阳能与农村住宅相结合的被动式附加阳光间技术，能够推进农村建筑节能的脚步，对我国农村清洁取暖工程意义重大，也将为我国2030年碳达峰、2060年碳中和目标发挥应有的作用。