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摘要：近年来，随着公共建筑的发展和老旧小区的更新，营造良好的人居环境与实现低碳节能已成为迫切需求，窗户作为建筑与外界的纽带，其通风与采光性能至关重要。实地调研发现，公共建筑和老旧小区普遍存在气体沉积、眩光及能耗问题。为此，本文提出了一种非耗能微循环百叶窗设计：通过被动式热压通风原理改善室内空气流动，利用智能百叶窗结合BIPV薄膜太阳能电池技术优化采光并减少眩光影响，实现非耗能微循环。本研究为居住建筑和公共建筑设计中的百叶窗优化提供了新思路，旨在提升人居环境质量与建筑节能效果本研究为未来居住建筑和公共建筑设计中的百叶窗优化提供了参考，旨在营造良好的人居环境并提升建筑节能效果。

关键词：株洲地区；非耗能微循环；百叶窗；建筑节能；采光通风

0引言

全球气候变化与可持续发展战略的深度融合，正推动建筑设计范式向低碳化方向转型。绿色建筑作为应对能源危机与生态失衡的关键载体，其核心价值已从单一功能优化转向全生命周期环境效益的综合提升。我国通过《绿色生活创建行动总体方案》[1]等政策体系构建制度保障框架，但受制于初始投资成本高企和技术转化瓶颈，绿色建筑普及率仍显著低于预期目标。

城镇化进程加速与居民生活质量诉求升级，使得既有建筑存量改造成为人居品质提升的主战场。数据显示，截至2023年底城镇老旧小区改造已惠及865万户，而新开工项目预计于2024年达到540万个，呈现量质齐升态势[2]。高等教育领域同步面临规模扩张压力，在学总规模五年间增长19.03%（4002万至4763.19万）[3]，催生出教育建筑功能升级与性能革新的双重需求。两类建筑均需突破传统设计思维，在采光系数优化、自然通风效率提升等关键参数上实现精准调控，以构建健康舒适的建成环境。

窗户是建筑围护结构的重要组成部分，在节能建筑设计中扮演着关键角色。其功能不仅限于采光与通风，还直接影响建筑的热工性能、声学性能及节能效果。在未来的绿色建筑设计中，窗构件的性能提升将是一个持续的研究重点，且应聚焦于材料创新与构造优化，通过成本效益分析与全生命周期评估，建立兼顾环境绩效与经济效益的协同设计模型，为建筑领域碳中和目标提供技术支撑。

1研究方法

1.1研究区域

株洲市位于湖南省东部，湘江下游。作为株潭城市群核心城市及长江中游城市群成员，株洲属亚热带季风气候，全年平均气温17～18℃，气候温和、四季分明。根据《民用建筑热工设计规范》（GB50176-2016）[4]，株洲市属夏热冬暖地区，建筑设计需优先满足夏季的防热需求。

1.1.1公共建筑分析

高等教学楼作为校园公共建筑的核心构成，具有空间集约化、功能复合化特征。在2000年之后株洲地区内新建的高等教学楼，主要以内走廊式布局为主，在进深较大的内走廊式建筑会设置了内廊高窗进行调节，在一些建筑会采用内外廊结合进行布局。

本文以湖南工业大学新校区崇学楼为实证研究对象，崇学楼始建于21世纪初，总建筑面积达33842.9㎡，五层框架结构，建筑高度21.35m，属典型内廊式布局教学建筑。经实测，其教室配置以90座标准教室和140座多媒体教室为主，符合高校专业班级规模（30-40人/班）的空间需求。

该建筑采用内廊式多层布局模式，形成高效集约的空间组织体系。相较于外廊式结构，内廊式在空间组织上效率更高，节省用地面积，密闭性相对更好，建筑热稳定性实用性更优。但是内廊式多层公共建筑通风采光能力较差，越往内廊中间越显著，在内廊中央地带存在气体沉淤、高窗采光效果甚微等情况。

通过以上实地调研，教学类公共建筑崇学楼的内廊式布局在通风和采光方面上存在布局方式的缺陷，同时教室窗墙比较小，在日常开窗通风和自然采光能力相对较弱。

1.1.2住宅建筑分析

株洲市芦淞区自来水社区始建于1985年，是典型的存量型老旧住区。该社区由10栋6-7层砖混住宅构成，总占地面积2.9万㎡，涉及282户居民，容积率达2.68，绿地率仅10%。建筑本体呈现显著的老化特征：90%楼栋存在外立面剥蚀现象，仅局部实施表皮更新；垂直交通系统缺失，未配置电梯设施。住区空间形态呈现西北-东南向三级台地布局，建筑排布离散，公共空间系统性不足。

在2020年省住建厅、省发改委、省财政厅联合印发《关于推进全省城镇老旧小区改造工作的通知》[5]，该社区被纳入湖南省城镇老旧小区改造试点，实施总建筑面积2.9万㎡的综合整治，重点推进建筑围护结构热工性能提升与环境适老化改造，总投资338万元。作为株洲市首批改造示范项目，其建筑规模、涉及人口及资金投入均具典型性，为后续研究提供实证样本。

1.2问卷调查和访谈

1.2.1公共建筑问卷调查

本研究采用电子问卷形式对湖南工业大学崇学楼使用者开展光热环境感知调研，有效样本量为128例，覆盖楼宇主要使用群体（师生）。

关于“教学楼停留时间”的调查分析中，受访者日均滞留时长呈现多峰分布：≤2h、2-4h、4-8h、＞8h占比分别为18%、42%、26%、14%，其中40%的受访者暴露时长超过4h，表征群体暴露于建筑环境的时间维度特征显著，凸显环境质量对学习效率的潜在影响。

在“教室位置选择”上，66%的受访者优先选择临窗座位，50%倾向后排区域，仅16%不选择靠窗位置。该行为模式映射出自然采光需求与空间利用策略的动态平衡。环境满意度评价中，33%的受访者反馈采光不足，31%指出风舒适度缺陷，揭示当前设计在光环境均匀度（与进深、眩光控制相关）和通风效率（受内廊式布局制约）方面的双重困境。

关于“教室拉窗帘情况”的问题，40%的受访者常闭窗帘以避免眩光干扰，40%采取间歇性遮光措施，而主动开窗率仅38%，54%依赖偶然性通风。这种矛盾性行为模式表明，现有设计既未充分满足基本舒适度需求，也未建立有效的环境调控机制。

从调查结果可以看出，大部分的学生对教室内的通风和采光都持有待改进的态度，并且会通过拉窗帘遮阳和开窗通风的手段改善情况，但是也会引发室内照度不足和风环境不舒适的情况，因此，教室内的采光和通风设计需要进一步优化。

1.2.2老旧小区访谈调查

为了更好了解自来水小区内部的建筑热工情况和居民反馈，在现场调研之后与居民进行访谈，共计有16个受访者接受了提问。

在“户外活动时间”问题里，居民日均户外活动呈现三阶分布：≤1h、3-5h、＞5h占比分别为13%、50%、6%，表征群体暴露于户外环境的时间维度有限（日均室内滞留时长超过18h），这与受访者职业周期及年龄结构密切相关，老年群体占比达62%。“室内整体采光与通风的评价”问题里81%大部分的受访者表示一般，而有13%的受访者认为采光和通风环境较差，其中部分受访者的评价标准不一，这与老年人对环境认知和感受退化有关。

在访谈中“常使用室内调节设备”，空调设备使用呈现极端化倾向：仅19%的受访者日均使用时间≤10h，38%超过20h，导致夏季电费支出激增。63%的家庭电费涨幅达100-200%，25%超过200%，凸显既有建筑热工性能与居民经济承受能力的尖锐矛盾。

在老旧居民区中，青年群体多外出学习或工作，而老年人和幼儿成为主要室内活动人群，所以室内环境的光环境和风环境格外重要，需要更高的水平要求满足人群的需求。同时空调的频繁使用导致夏季电费显著增加，建筑节能改造、推广节能设备和宣传节能减排措施也是居民经济与居住的必然需要。

2装置设计

2.1结构组成

本研究装置由一层 Low-e 玻璃与普通玻璃、智能百叶、半透明光伏发电薄膜、透明导电层、电器功能盒、胶合材料、半导体层、蓄电池、导热铜丝和传感器等部分组成。

2.2技术介绍

（1）Low-E中空玻璃

本研究采用Low-E镀膜玻璃构建双层中空窗体系，其光学与热工性能通过材料复合效应实现多目标优化。Low-E玻璃作为表面覆有纳米级金属氧化物涂层的功能材料，形成选择性光谱透过特性：可见光透射比≥75%，同时有效阻隔红外辐射和紫外线，在保障自然采光需求的同时降低光污染风险。

本研究装置窗户玻璃中空部分第一层玻璃与第二层玻璃间隔距离为6cm，中间创造一个 5cm 的空气层，前后玻璃均为 3mm。为了保证室内良好的光环境，采用第一层为Low-E玻璃与第二层普通玻璃结合的双层中空窗。

这样的双层中空窗设计保证了可见光透射率处于70%与90%之间[6]，太阳光透射率处于40%与70%之间，在可见光的范围内，中空玻璃可以透过较高比例的光线，使得室内更加明亮，中空结构中的干燥空气或惰性气体（如氩气）进一步增强了玻璃的隔热性能，减少了热量通过窗户的传递，同时适中的紫外线降低了对人体皮肤与眼睛的伤害，减少了眩光危害的程度，也避免室内物品的褪色和损坏。

（2）薄膜太阳能电池

太阳能作为可持续对环境无害的能源，可以通过主动或被动的方式提供建筑物所需的几乎所有形式的能源，建筑光伏集成（BIPV）是太阳能光伏发电与建筑结合的形式[7]，安装形式为一般为太阳能光伏组件连接或安装在建筑物的表面，光伏组件与建筑物结合衍生出了许多光伏产品，例如常见的太阳能电池板，可以作为立面或屋顶的建筑材料，或用于改造现有建筑。

薄膜太阳能电池是一种轻量化、柔性好、且成本相对较低的光伏电池组件，适合与建筑立面墙体、幕墙和窗户结合，具有较强的可透光性，一般使用价格低廉的陶瓷、石墨、金属片等材料作为基板，形成可产生电压的薄膜。常用的薄膜太阳能电池有非／微晶硅薄膜和碲化镉（CDTE）薄膜，纽约市地铁系统一个近6000m2 的项目是世界上最大的BIPV薄膜装置，于2005年完成，该装置使用定制设计的模块玻璃，部分透明的玻璃层板是透明玻璃和薄膜非晶硅太阳能电池模块的组合[8];国家大剧院舞美基地的光伏幕墙和光伏采光顶，中国光伏博物馆的墙体和整个建筑的顶面都是采用CDTE薄膜组件实现的。

本研究装置结合薄膜太阳能电池形成窗户光伏集成系统，通过在第一层玻璃安装半透明光伏发电薄膜，实现太阳能的收集与储存，该模块结合了电器功能盒、蓄电池等部件储存太阳能，在应用数量较少的情况可以满足装置自供能，在应用数量较多的情况，可以作为太阳能收集系统，为建筑额外储存太阳能。

（3）热压通风原理

热压通风是自然通风的基本形式之一，作为自然通风的核心机制，其动力学本质为空气密度梯度驱动的热浮力环流，即依托室内外温差诱导暖空气上升、冷空气下沉的物理特性实现空气置换。烟囱效应作为典型热压通风形式，通过垂直空间温度分层强化对流：上部热空气逸出形成负压区，下部冷空气持续补充，该特性被广泛用于中庭、楼梯间等腔体空间的气流组织优化。

通过这一原理可以合理设计通风路径，将新鲜空气引入室内，同时将室内的污浊空气排出。本研究装置的双层玻璃之间的空气层便是一个小型的“腔体”，根据气体温度沉降，室内外玻璃的上下端的气体密度各不同相同，通过对应特定的风道和开口设置形成自然的空气循环，实现了不同类型的通风模式。

热压通风效果取决于进出风口之间的高差 h 和室内外空气密度差 Δρ。其计算公式为：

Δρ=gh（ρw-ρn）

用室内外温度差来表示也可写作：

Δρ=ρwghβ（Tn-Tw）

式中：ρn，ρw—— 室内外的空气密度，单位 kg/m3；

H —— 进出风口中心的高差，单位 m；

Tn，Tw—— 室内外的空气温度平均值，单位 K；

β—— 热膨胀系数。

本研究装置在第一层玻璃与中间空气腔连接的表面设置导热铜丝，并将导热铜丝与蓄电池相连接。每层玻璃靠近上方楼板的地方和靠近下方窗台的位置均设可人工控制的开闭合气流出入口形成小型的热压通风装置。

依据空气密度公式，装置在薄膜太阳能电池在储能时可利用太阳能加热铜丝形成局部高温区，使玻璃之间的空腔与室内外形成“强迫温差”，阳光缺乏的冬季也可以利用平时所储存的能量加热构件空腔中的铜丝形成“强迫温差”通过气体温差造成通风口空气密度差加快空气流动。

（4）智能百叶调节

随着居民生活品质提升与物联网技术渗透，智能家居系统呈现规模化增长趋势。智能百叶窗作为建筑光电集成的典型应用，已形成多元化技术路径：国内研究采用STC15F2K60S2单片机架构实现多传感器信息融合调控[9]，乌克兰SolarGaps公司则开发光伏百叶系统[10]，通过光敏传感器优化叶片角度实现遮阳与发电的双重功能。

本装置智能百叶系统由百叶（帘）、电机、传感器以及控制线路组成。通过整合光照传感器和温度传感器，能够实时监测室外的光照强度和温度，并根据预设的参数自动调整百叶窗的角度，以控制进入室内的光线和热量。该系统可以与建筑的能源管理系统相结合，实现全自动或手动控制，从而在保持室内适宜温度的同时，最大限度地利用自然采光，减少人工照明和空调系统的能源消耗。

运作系统的根据从传感器收集当地日照信息所反馈的指令完成对遮阳百叶旋转角度的智能控制，在每天特定时间段进行对应角度的旋转，完成每个时间段最优的采光，阻断热辐射和避免阳光直射与眩光的角度，充分利用自然光，节约能源。对于用户而言，也可以将自己的需求传输给信息处理中心，对智能百叶系统的运行系统做出变更，以满足用户需求。

3结论

本文探究了当今公共建筑和老旧住宅存量情况和对碳排放的思考，本文结合公共建筑与老旧小区的现状及碳排放问题，提出了非耗能微循环百叶窗的设计方案，并对其技术可行性进行了探讨。

一方面本研究提出的非耗能微循环百叶窗设计为绿色建筑构件研究提供了新思路，但实际应用中仍需进一步验证其长期性能，未来研究可聚焦于装置的优化设计及在不同气候条件下的适用性，另一方面满足非耗能微循环百叶窗良好人居环境和可持续性的基础功能，运用双层玻璃提高建筑的隔热性能，同时在内外玻璃上下部位安置通风口，运用热压通风的被动式设计原理在窗户关闭的情况下提高室内外空气微循环，智能百叶的加入减少了眩光的产生，并且可以顺应环境与人居进行可控的调节，窗内置的薄膜太阳能电池为智能百叶调节供能，让窗与建筑成为可以自给自足可呼吸的整体，达到一个非耗能被动式空气微循环的效果。

参考文献

[1]国家发展改革委. 国家发展改革委关于印发《绿色生活创建行动总体方案》的通知：发改环资〔2019〕1696号[M]. 北京： 国家发展改革委， 2019

[2]CEIC. （2023）. 城镇老旧小区改造：涉及居民户数据. 数据来源于住房和城乡建设部，归类于中国经济数据库的房地产业 – Table CN.RKR： Renovation of Old Urban Residential Community. [CEIC官方网站链接]

[3]中国政府网. 高等教育_教育事业_中国政府网[EB/OL]. （2020-05-22）[2025-02-15].

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部. 民用建筑热工设计规范 GB 50176-2016[S]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2017

[5]湖南省住房和城乡建设厅， 湖南省发展和改革委员会， 湖南省财政厅. 关于推进全省城镇老旧小区改造工作的通知[EB/OL]. （2020-04-02）[2024-08-12].

[6]葛伟青，杨静.Low-E玻璃的性能分析及在节能建筑中的应用[J].陶瓷研究与职业教育，2008（02）：15-18. DOI：10.16825/j.cnki.cn13-1400/tb.2008.02.005.

[7]Quesada G， Rousse D， Dutil Y， et al. A comprehensive review of solar facades. opaque solar facades[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2012， 16（5）： 2820-2832.

[8]董磊. 柔性非晶硅薄膜太阳能电池组件与光伏建筑一体化[J]. 中国建筑防水， 2010（22）： 45-48.

[9]刘雪雪，赵梦慧，王楷.智能百叶窗的设计与研究[J].石河子科技，2021（03）：41-42.

[10]SolarGaps可以太阳能发电的智能百叶窗[J].中国建筑金属结构，2019（07）：62-63.

一作作者简介：姓名谢锟（出生年份2002年），性别男，民族汉族，籍贯湖南省怀化市，职务 学生，学历本科，研究方向可持续建筑，绿色建筑。