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
——以嚴寒和寒冷地區城市為例＊

王晉 邵騰 劉煜

2020年9月，中國在第七十五屆聯合國大會上提出了“雙碳”目標，其中可再生能源的應用是實現碳達峰、碳中和目標的重要舉措之一。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域的節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，因此方案設計階段建筑朝向是影響太陽能利用潛力的關鍵因素之一，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能源的依賴。

現行的太陽能利用或建筑節能的相關標準中并沒有給出各地區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值，例如《被動式太陽能建筑技術規范》（JGJ/T 267?2012）[2]中規定：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；《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 26?2018）[3]中關于建筑朝向布局節能設計，提到建筑物宜朝向或接近朝向南北。但由于氣候分區內各地區仍存在細微差異，且太陽輻射熱利用方式的不同，可能會導致適宜的朝向范圍并不在標準給定的范圍內。此外，關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能耗，得出武漢地區板式居住建筑南偏東10°為最佳朝向；紀偉東等[5]以濟南地區某高校宿舍為例，分析得出該地區能耗為判斷標準時，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為目標，得出最佳朝向或范圍，較少考慮建筑朝向對不同地域建筑光伏利用、集熱利用等方式的影響。

本文以嚴寒和寒冷地區城市為例，將熱工分區和太陽能資源分布結合，形成六類區域，每類區域原則上選擇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，定量對比不同區域建筑朝向對太陽輻射量的影響程度，為建筑師進行建筑朝向的優化設計提供有效指導。

1 研究方法

1.1 區域劃分及城市選擇

根據《民用建筑熱工設計規范》（GB 50176?2016）[7]中劃分的熱工設計分區，以及《可再生能源建筑應用工程評價標準》（GB/T 50801?2013）[8]中附錄B太陽能資源區劃的規定，將熱工分區和太陽能資源分布相疊加，形成嚴寒-資源極富區、寒冷-資源極富區、嚴寒-資源豐富區、寒冷-資源豐富區、嚴寒-資源較富區、寒冷-資源較富區六類區域，原則上每個區域選擇2個城市，但由于嚴寒-資源極富區城市較少且中國標準氣象數據庫缺少相關氣象數據，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據分析，結合三種利用方式的太陽輻射量閾值，提出了符合標準規定且可利用范圍更廣的區間。針對光伏利用，嚴寒地區的可利用朝向集中在南偏西85°至南偏東35°；寒冷地區資源極富區和豐富區可利用朝向集中在南偏西80°至南偏東40°，資源較富區集中在南偏西50°至南偏西35°。針對集熱利用，嚴寒和寒冷地區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，嚴寒地區的可利用朝向集中在南偏西90°至南偏東80°；寒冷地區集中在南偏西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，且較寬的區間范圍使住宅布局有更大的靈活性，設計實踐中應結合采光、通風等要求合理確定住宅朝向。

1.3 太陽輻射模擬設置

1.3.7 腹腔引流管的使用 傳統組病人均常規使用腹腔引流管，并在術后腹腔引流管<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，并且在術后根據病人情況，盡早拔除。

1.4 敏感性系數計算

敏感性分析是從定量的角度去分析某一因素發生變化時對相關指標影響程度的一種不確定分析技術，評價指標為敏感性系數。敏感性系數的絕對值越高，表明該設計變量對目標函數的影響越大[10]。敏感度的表述形式有多種，參考相關研究，采用式（1）作為計算方法，其優勢是能表述輸入參數變化的絕對量與輸出參數變化的絕對量之間的關系，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參數之間的橫向比較。本文只對建筑朝向這一參數進行分析，故選擇該方法進行敏感性系數計算。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，但計算結果為南向單位建筑外表面積的太陽輻射量，也可以將其應用到公共建筑朝向設計，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計提供了可選擇性。

2 數據統計與結果分析

2.1 建筑朝向對太陽輻射獲取量的影響規律

全年的建筑朝向與南向立面太陽輻射獲取量的變化關系如圖1所示?？梢钥闯?，隨著建筑朝向由南偏西90°轉向南偏東90°，獲取的太陽輻射量均呈現出先增加后降低的趨勢，中間存在對應太陽輻射量獲取最大的適宜朝向范圍。但兩個氣候區的建筑朝向與太陽輻射量的互動規律又有所差異。如圖1（a）所示，針對嚴寒地區建筑，隨著建筑朝向轉向南偏東，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，嚴寒地區最大太陽輻射量對應的范圍集中在南偏西25°～60°，寒冷地區集中在南偏西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5°形成一個工況，共36個工況。為減少周邊環境對研究的干擾，更好地總結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。氣象參數采用中國標準氣象數據庫（Chinese Standard Weather Data,CSWD）中各城市的典型氣象數據。

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系

2.2 不同太陽能利用方式的適宜朝向分析

對比嚴寒和寒冷兩個氣候區，在光伏利用方面，對于資源極富區，同樣因為拉薩的太陽能資源明顯高于其他地區，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。資源較富區的寒冷地區城市太陽輻射資源雖然略高于嚴寒地區，但可能受緯度影響，嚴寒地區城市的光伏利用適用朝向明顯大于寒冷地區。在集熱利用方面，所有地區可利用朝向均在給定范圍內。在被動式熱利用方面，由于嚴寒地區城市的住宅采暖期比寒冷地區的時間長，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系

3 不同城市三種太陽能利用方式的適宜朝向范圍

根據圖3可以看出，在給定的建筑朝向范圍內，對于嚴寒地區的三類太陽能資源區，雖然太陽輻照量相差較大，但各區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準最高，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間；被動式熱利用基本在給定的朝向范圍內均可使用。對于寒冷地區的三類太陽能資源區，光伏利用的適用朝向范圍相差較大，從資源極富區到資源較富區朝向范圍逐漸變窄；集熱利用的朝向范圍一致，在南偏西90°至南偏東90°區間內均可使用；被動式熱利用的適用范圍相差不大，其中拉薩地區太陽能資源明顯高于其他地區，故在給定的朝向范圍內均可以使用。

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。瑞士學者Compagnon提出了三種利用方式的太陽輻射量閾值[1]，該標準被世界各地學者廣泛接納并使用。因此，本文以此作為臨界值的設定標準，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，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的區域。根據這一標準，結合圖1、圖2的數據得出各城市的適宜建筑朝向范圍（圖3）。

2.3 不同區域太陽能利用方式的敏感性分析

我國關于民用建筑太陽能光伏系統應用、太陽能熱水系統應用的標準[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標準》（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計。以低能耗為導向的《近零能耗建筑技術標準》（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、環境的限制下，給建筑創作帶來了較大局限性。而作為全文強制的《建筑節能與可再生能源利用通用規范》（GB 55015?2021）中并未對建筑朝向做出規定，這在建筑朝向設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對太陽輻射獲取量的敏感性系數

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，資源極富區和豐富區中隨著太陽輻射量的降低，各城市建筑朝向對太陽輻射量的敏感性系數降低，資源較富區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，敏感性系數的變化規律基本一致，只是數值有所降低。由圖4（b）可知，隨著太陽輻照量的降低，敏感性系數總體呈逐漸降低的趨勢，承德地區受高緯度的影響且太陽輻射量相差不大，其敏感性系數有所增大。集熱利用和被動式熱利用時，敏感性系數的變化趨勢和光伏利用時基本一致，但是數值有所降低。敏感性系數越大，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，嚴寒地區城市的建筑朝向對太陽輻射量的敏感性系數普遍高于寒冷地區，表明嚴寒地區的住宅設計應更注重建筑朝向的選擇。

2.4 在建筑設計中的應用與討論

根據前文分析可知，不同區域的建筑朝向對太陽輻射獲取量的影響規律雖然基本一致，但影響程度并不相同，即建筑朝向改變同樣的角度，不同區域的建筑南向外表面太陽輻射獲取量的響應程度不同。為了量化建筑朝向對太陽輻射獲取量的敏感性，采用1.4節中提出的敏感性系數計算方法，對三種太陽能利用方式下建筑朝向對太陽輻射獲取量的敏感性進行分析，計算結果如圖4所示。

基于文獻研究及典型城市的居住建筑調研分析，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《嚴寒和寒冷地區居住建筑節能設計標準》（JGJ 26?2018）相關規定。為了提高計算速度，減少建筑表皮凹凸、遮陽體系、陽臺、雨篷等構件的影響，將實際建筑簡化為規整的長方體，根據所選地區的氣候特征設置遮陽構件[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，系統綜合運行成本為0.625元/m3，系統運行成本較低。因此，根據工廠的布局條件因地制宜優化設計中水回收系統在經濟上具有很大的發展空間。

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

3 結語

本文以嚴寒和寒冷地區城市為例，選擇不同區域的11個城市對建筑朝向與太陽輻射獲取量的互動規律進行了分析，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，但嚴寒和寒冷地區有所差異。根據光伏利用、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，在此基礎上計算了三種利用方式下建筑朝向對太陽輻射獲取量的敏感性系數，明確了不同城市建筑朝向變化對太陽輻射量的影響程度，表明嚴寒地區的住宅設計應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，實際設計中應結合日照標準等強制性規定的要求合理選擇建筑朝向。

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

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