基于太陽能利用潛力的居住建筑適宜朝向及差異性對比研究
——以嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)城市為例＊

王晉 邵騰 劉煜

2020年9月，中國在第七十五屆聯(lián)合國大會上提出了“雙碳”目標(biāo)，其中可再生能源的應(yīng)用是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標(biāo)的重要舉措之一。而太陽能作為重要的可再生能源之一，充分挖掘其利用潛力對于建筑領(lǐng)域的節(jié)能減排具有重要意義。居住建筑中的太陽能利用主要包括光伏利用、集熱利用和被動式熱利用三種方式，各方式均需要滿足一定的太陽輻射量值閾范圍，才能達到良好的利用效果[1]。建筑可有效利用太陽能的主要界面為屋頂面和朝向太陽光線的立面，因此方案設(shè)計階段建筑朝向是影響太陽能利用潛力的關(guān)鍵因素之一，適宜的建筑朝向有利于建筑表面獲取更多的太陽輻射量，以最大限度降低對傳統(tǒng)能源的依賴。

現(xiàn)行的太陽能利用或建筑節(jié)能的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有給出各地區(qū)居住建筑分別針對光伏、集熱和被動式熱利用的適宜朝向的明確數(shù)值，例如《被動式太陽能建筑技術(shù)規(guī)范》（JGJ/T 267?2012）[2]中規(guī)定：建筑的主要朝向宜為南向或南偏東至南偏西不大于30°范圍；《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 26?2018）[3]中關(guān)于建筑朝向布局節(jié)能設(shè)計，提到建筑物宜朝向或接近朝向南北。但由于氣候分區(qū)內(nèi)各地區(qū)仍存在細微差異，且太陽輻射熱利用方式的不同，可能會導(dǎo)致適宜的朝向范圍并不在標(biāo)準(zhǔn)給定的范圍內(nèi)。此外，關(guān)于居住建筑朝向的研究主要集中在基于建筑能耗的最佳朝向分析等方面，如李云江等[4]以武漢地區(qū)一棟典型板式住宅為例，分析了不同建筑朝向下的建筑全年采暖空調(diào)能耗，得出武漢地區(qū)板式居住建筑南偏東10°為最佳朝向；紀(jì)偉東等[5]以濟南地區(qū)某高校宿舍為例，分析得出該地區(qū)能耗為判斷標(biāo)準(zhǔn)時，最佳朝向為正南向，適宜朝向范圍為南至南偏東15°，最不利朝向范圍為北偏西45°～60°；胡達明等[6]以夏熱冬暖地區(qū)的福州、柳州、南寧、廣州為例，對八個朝向的建筑能耗進行分析，得出南北向時建筑能耗比東西向時低15%左右。既有研究主要以被動式熱利用情況下的建筑能耗最優(yōu)為目標(biāo)，得出最佳朝向或范圍，較少考慮建筑朝向?qū)Σ煌赜蚪ㄖ夥谩⒓療崂玫确绞降挠绊憽?/p>

本文以嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)城市為例，將熱工分區(qū)和太陽能資源分布結(jié)合，形成六類區(qū)域，每類區(qū)域原則上選擇2個城市。采用Grasshopper的Ladybug插件對不同朝向下典型居住建筑模型的南向表面全年太陽輻射獲取量、采暖期太陽輻射獲取量等進行計算，依據(jù)光伏利用、集熱利用、被動式熱利用的有效太陽輻射閾值范圍，確定不同利用形式下適宜的建筑朝向。通過計算建筑朝向變化對太陽輻射量影響的敏感性系數(shù)，定量對比不同區(qū)域建筑朝向?qū)μ栞椛淞康挠绊懗潭?，為建筑師進行建筑朝向的優(yōu)化設(shè)計提供有效指導(dǎo)。

1 研究方法

1.1 區(qū)域劃分及城市選擇

根據(jù)《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176?2016）[7]中劃分的熱工設(shè)計分區(qū)，以及《可再生能源建筑應(yīng)用工程評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50801?2013）[8]中附錄B太陽能資源區(qū)劃的規(guī)定，將熱工分區(qū)和太陽能資源分布相疊加，形成嚴(yán)寒-資源極富區(qū)、寒冷-資源極富區(qū)、嚴(yán)寒-資源豐富區(qū)、寒冷-資源豐富區(qū)、嚴(yán)寒-資源較富區(qū)、寒冷-資源較富區(qū)六類區(qū)域，原則上每個區(qū)域選擇2個城市，但由于嚴(yán)寒-資源極富區(qū)城市較少且中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫缺少相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，故最終選擇11個城市（表1）。

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表1 域劃分及城市選擇表

1.2 典型居住建筑模型

通過對選取城市的氣象數(shù)據(jù)分析，結(jié)合三種利用方式的太陽輻射量閾值，提出了符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定且可利用范圍更廣的區(qū)間。針對光伏利用，嚴(yán)寒地區(qū)的可利用朝向集中在南偏西85°至南偏東35°；寒冷地區(qū)資源極富區(qū)和豐富區(qū)可利用朝向集中在南偏西80°至南偏東40°，資源較富區(qū)集中在南偏西50°至南偏西35°。針對集熱利用，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的可利用朝向均為南偏西90°至南偏東90°。針對被動式熱利用，嚴(yán)寒地區(qū)的可利用朝向集中在南偏西90°至南偏東80°；寒冷地區(qū)集中在南偏西65°至南偏東50°。三種太陽能利用方式的有效朝向范圍均有交叉，且較寬的區(qū)間范圍使住宅布局有更大的靈活性，設(shè)計實踐中應(yīng)結(jié)合采光、通風(fēng)等要求合理確定住宅朝向。

1.3 太陽輻射模擬設(shè)置

1.3.7 腹腔引流管的使用 傳統(tǒng)組病人均常規(guī)使用腹腔引流管，并在術(shù)后腹腔引流管<50 ml/d時，予拔出腹腔引流管。ERAS組病人選擇性使用腹腔引流管，并且在術(shù)后根據(jù)病人情況，盡早拔除。

1.4 敏感性系數(shù)計算

敏感性分析是從定量的角度去分析某一因素發(fā)生變化時對相關(guān)指標(biāo)影響程度的一種不確定分析技術(shù)，評價指標(biāo)為敏感性系數(shù)。敏感性系數(shù)的絕對值越高，表明該設(shè)計變量對目標(biāo)函數(shù)的影響越大[10]。敏感度的表述形式有多種，參考相關(guān)研究，采用式（1）作為計算方法，其優(yōu)勢是能表述輸入?yún)?shù)變化的絕對量與輸出參數(shù)變化的絕對量之間的關(guān)系，可以直接進行誤差計算，缺點是具有量綱，不利于不同類型輸入?yún)?shù)之間的橫向比較。本文只對建筑朝向這一參數(shù)進行分析，故選擇該方法進行敏感性系數(shù)計算。其基本定義如式（1）所示[11]。

(2)對于反射波模型來說，確定反射層深度之上的探地雷達測量結(jié)果與TDR非常接近，相差僅0.001 cm3/cm3。但由于自然條件下的土壤反射層并非固定深度的理想平面，相對難以與其他測量方法進行對比。

此外，本文雖然是針對住宅建筑開展的研究，但計算結(jié)果為南向單位建筑外表面積的太陽輻射量，也可以將其應(yīng)用到公共建筑朝向設(shè)計，因研究得出的光伏利用、集熱利用和被動式熱利用的適宜朝向范圍較廣，使建筑師在建筑創(chuàng)作中的朝向選擇上相對更自由，為有地形限制條件且日照要求不高的建筑朝向設(shè)計提供了可選擇性。

2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與結(jié)果分析

2.1 建筑朝向?qū)μ栞椛浍@取量的影響規(guī)律

全年的建筑朝向與南向立面太陽輻射獲取量的變化關(guān)系如圖1所示?？梢钥闯?，隨著建筑朝向由南偏西90°轉(zhuǎn)向南偏東90°，獲取的太陽輻射量均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，中間存在對應(yīng)太陽輻射量獲取最大的適宜朝向范圍。但兩個氣候區(qū)的建筑朝向與太陽輻射量的互動規(guī)律又有所差異。如圖1（a）所示，針對嚴(yán)寒地區(qū)建筑，隨著建筑朝向轉(zhuǎn)向南偏東，不同城市的太陽輻射獲取量在南偏東30°左右的位置差異最小，進而差異逐漸變大。針對寒冷地區(qū)建筑，不同城市的太陽輻射獲取量曲線呈緩慢聚集趨勢，差異性逐漸變小。各城市建筑南向表面太陽輻射獲取量最大的朝向，如表2所示，嚴(yán)寒地區(qū)最大太陽輻射量對應(yīng)的范圍集中在南偏西25°～60°，寒冷地區(qū)集中在南偏西25°～40°。

運用Rhino-Grasshopper中搭載的基于Radiance的太陽輻射模擬插件Ladybug對典型居住建筑模型的太陽輻射獲取量進行計算。為了評估住宅是否有更多的可利用朝向，模擬時以南偏西90°（正西）至南偏東90°（正東）為研究范圍，朝向每旋轉(zhuǎn)5°形成一個工況，共36個工況。為減少周邊環(huán)境對研究的干擾，更好地總結(jié)建筑朝向改變對太陽輻射獲取量的影響，僅考慮不同地域城市的整體氣候條件，不考慮住宅周邊的建筑群。此外，屋頂不受建筑朝向影響，且南向范圍立面是太陽能利用的主要界面，因此只計算建筑南向表面獲取的太陽輻射量。氣象參數(shù)采用中國標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫（Chinese Standard Weather Data,CSWD）中各城市的典型氣象數(shù)據(jù)。

自父親將奶奶家遷移到新公大樓后，很少有人提起它。每次詢問父親，他都會驚訝地說：“去那兒干什么？早就搬走了?！蹦赣H在一旁附和：“怎么老念舊？”我要親自尋覓過去的點點滴滴——小花園、東安公園、楓林新村……

表2 各城市建筑南向表面全年太陽輻射獲取量最大的朝向

表3 各城市建筑南向表面采暖期太陽輻射獲取量最大的朝向

1 建筑朝向與南向立面全年太陽輻射獲取量的關(guān)系

2.2 不同太陽能利用方式的適宜朝向分析

對比嚴(yán)寒和寒冷兩個氣候區(qū)，在光伏利用方面，對于資源極富區(qū)，同樣因為拉薩的太陽能資源明顯高于其他地區(qū)，故在光伏利用上也具有南偏西90°至南偏東80°的范圍；而格爾木和林芝相比，兩個地區(qū)的太陽能資源相差不大，光伏利用的朝向范圍也相差較小。資源豐富區(qū)的城市太陽能資源和光伏利用的朝向范圍相差均較小。資源較富區(qū)的寒冷地區(qū)城市太陽輻射資源雖然略高于嚴(yán)寒地區(qū)，但可能受緯度影響，嚴(yán)寒地區(qū)城市的光伏利用適用朝向明顯大于寒冷地區(qū)。在集熱利用方面，所有地區(qū)可利用朝向均在給定范圍內(nèi)。在被動式熱利用方面，由于嚴(yán)寒地區(qū)城市的住宅采暖期比寒冷地區(qū)的時間長，故在此期間獲取的太陽輻射量也相對增加，適用的朝向范圍略寬一些。

2 建筑朝向與南向立面采暖期太陽輻射獲取量的關(guān)系

3 不同城市三種太陽能利用方式的適宜朝向范圍

根據(jù)圖3可以看出，在給定的建筑朝向范圍內(nèi)，對于嚴(yán)寒地區(qū)的三類太陽能資源區(qū)，雖然太陽輻照量相差較大，但各區(qū)域城市建筑的光伏利用、集熱利用、被動式熱利用的適用朝向范圍差異較小。光伏利用的太陽輻射量標(biāo)準(zhǔn)最高，故其朝向的適用范圍比集熱利用的略窄，主要差別在南偏東的朝向區(qū)間；被動式熱利用基本在給定的朝向范圍內(nèi)均可使用。對于寒冷地區(qū)的三類太陽能資源區(qū)，光伏利用的適用朝向范圍相差較大，從資源極富區(qū)到資源較富區(qū)朝向范圍逐漸變窄；集熱利用的朝向范圍一致，在南偏西90°至南偏東90°區(qū)間內(nèi)均可使用；被動式熱利用的適用范圍相差不大，其中拉薩地區(qū)太陽能資源明顯高于其他地區(qū)，故在給定的朝向范圍內(nèi)均可以使用。

建筑中利用太陽能的方式包括三種：光伏利用、集熱利用和被動式熱利用，三種利用方式對太陽輻射獲取量的需求并不相同。瑞士學(xué)者Compagnon提出了三種利用方式的太陽輻射量閾值[1]，該標(biāo)準(zhǔn)被世界各地學(xué)者廣泛接納并使用。因此，本文以此作為臨界值的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，對不同太陽能利用方式的適宜朝向進行分析。其中，光伏利用和集熱利用根據(jù)全年的太陽輻射獲取量判定，適宜光伏利用的范圍為滿足單位建筑表面積太陽輻射量大于800kW·h/m2的區(qū)域，適宜集熱利用的范圍為滿足單位建筑表面積太陽輻射量大于400kW·h/m2的區(qū)域；被動式熱利用以采暖期的太陽輻射獲取量作為判定依據(jù)，適宜被動式熱利用的范圍為滿足單位建筑表面積太陽輻射量大于216kW·h/m2的區(qū)域。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合圖1、圖2的數(shù)據(jù)得出各城市的適宜建筑朝向范圍（圖3）。

2.3 不同區(qū)域太陽能利用方式的敏感性分析

我國關(guān)于民用建筑太陽能光伏系統(tǒng)應(yīng)用、太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)[12?13]中提出建筑單體或建筑群體的主朝向宜為南向；《太陽能供熱采暖工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50495?2019）[14]中提出被動式太陽采暖的建筑朝向宜采用南北或接近南北向設(shè)計。以低能耗為導(dǎo)向的《近零能耗建筑技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 51350?2019）[15]中也提出建筑主朝向宜為南北朝向。在土地集約利用和地形、環(huán)境的限制下，給建筑創(chuàng)作帶來了較大局限性。而作為全文強制的《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》（GB 55015?2021）中并未對建筑朝向做出規(guī)定，這在建筑朝向設(shè)計上給出了更大的自由度。

4 三種太陽能利用方式下建筑朝向?qū)μ栞椛浍@取量的敏感性系數(shù)

由于集熱利用的朝向范圍和給定的朝向范圍相同，故代表全朝向范圍進行分析，從圖4（a）中可以看出，資源極富區(qū)和豐富區(qū)中隨著太陽輻射量的降低，各城市建筑朝向?qū)μ栞椛淞康拿舾行韵禂?shù)降低，資源較富區(qū)的兩個城市雖然太陽輻射量有所減少，但可能受高緯度的影響，其敏感性系數(shù)反而有所增長。被動式熱利用的適宜朝向和給定的朝向范圍相差不大，該方式下的敏感性系數(shù)變化趨勢和集熱利用一致，但略有降低。光伏利用的適宜朝向范圍有所縮小，敏感性系數(shù)的變化規(guī)律基本一致，只是數(shù)值有所降低。由圖4（b）可知，隨著太陽輻照量的降低，敏感性系數(shù)總體呈逐漸降低的趨勢，承德地區(qū)受高緯度的影響且太陽輻射量相差不大，其敏感性系數(shù)有所增大。集熱利用和被動式熱利用時，敏感性系數(shù)的變化趨勢和光伏利用時基本一致，但是數(shù)值有所降低。敏感性系數(shù)越大，表明太陽輻射獲取量隨建筑朝向的變化幅度越大，這些城市中建筑朝向的選擇對太陽能利用影響較大。對比兩個氣候區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)城市的建筑朝向?qū)μ栞椛淞康拿舾行韵禂?shù)普遍高于寒冷地區(qū)，表明嚴(yán)寒地區(qū)的住宅設(shè)計應(yīng)更注重建筑朝向的選擇。

2.4 在建筑設(shè)計中的應(yīng)用與討論

根據(jù)前文分析可知，不同區(qū)域的建筑朝向?qū)μ栞椛浍@取量的影響規(guī)律雖然基本一致，但影響程度并不相同，即建筑朝向改變同樣的角度，不同區(qū)域的建筑南向外表面太陽輻射獲取量的響應(yīng)程度不同。為了量化建筑朝向?qū)μ栞椛浍@取量的敏感性，采用1.4節(jié)中提出的敏感性系數(shù)計算方法，對三種太陽能利用方式下建筑朝向?qū)μ栞椛浍@取量的敏感性進行分析，計算結(jié)果如圖4所示。

基于文獻研究及典型城市的居住建筑調(diào)研分析，本文以典型的矩形平面作為居住建筑模型的平面形狀，建筑設(shè)定為26層2單元住宅，進深16m，面寬55m，高度80m，各朝向的窗墻面積比符合《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 26?2018）相關(guān)規(guī)定。為了提高計算速度，減少建筑表皮凹凸、遮陽體系、陽臺、雨篷等構(gòu)件的影響，將實際建筑簡化為規(guī)整的長方體，根據(jù)所選地區(qū)的氣候特征設(shè)置遮陽構(gòu)件[9]。

通過綜合成本核算，每年僅需多支出0.5萬元，即可完成生活污水回收處理，系統(tǒng)綜合運行成本為0.625元/m3，系統(tǒng)運行成本較低。因此，根據(jù)工廠的布局條件因地制宜優(yōu)化設(shè)計中水回收系統(tǒng)在經(jīng)濟上具有很大的發(fā)展空間。

式中：?IP為輸入?yún)?shù)（建筑朝向）的變化量，?OP為輸出參數(shù)（太陽輻射量）的變化值。

3 結(jié)語

本文以嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)城市為例，選擇不同區(qū)域的11個城市對建筑朝向與太陽輻射獲取量的互動規(guī)律進行了分析，隨著建筑朝向由南偏西90°到南偏東90°變化，太陽輻射獲取量均呈先增加后降低的趨勢，但嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)有所差異。根據(jù)光伏利用、集熱利用和被動式熱利用三種利用方式的太陽輻射量閾值，確定了各城市建筑的適宜朝向范圍，在此基礎(chǔ)上計算了三種利用方式下建筑朝向?qū)μ栞椛浍@取量的敏感性系數(shù)，明確了不同城市建筑朝向變化對太陽輻射量的影響程度，表明嚴(yán)寒地區(qū)的住宅設(shè)計應(yīng)更注重建筑朝向的選擇。需要說明的是，文章只是挑選了部分城市進行分析，受緯度、地形和環(huán)境等因素的影響，其他城市可能存在差異。同時，本研究只對住宅單體進行分析，未考慮建筑之間的遮擋，實際設(shè)計中應(yīng)結(jié)合日照標(biāo)準(zhǔn)等強制性規(guī)定的要求合理選擇建筑朝向。

高良鄉(xiāng)另外一個習(xí)俗——祭“母豬神”，目前也已經(jīng)少見，其原因就是殺豬祭祀，負擔(dān)過重。祭“母豬神”跟祭家神不同，并不是每家都祭祀，通常是養(yǎng)母豬的人家，遇到豬瘟以及各種不順才需要。但由于有這位“母豬神”，以致養(yǎng)母豬的成本增加，所以，陶興文說，在高良鄉(xiāng)，很多苗族現(xiàn)在都不養(yǎng)母豬。

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