基于太阳能利用潜力的居住建筑适宜朝向及差异性对比研究——以严寒和寒冷地区城市为例＊

王晋 邵腾 刘煜

2020年9月，中国在第七十五届联合国大会上提出了“双碳”目标，其中可再生能源的应用是实现碳达峰、碳中和目标的重要举措之一。而太阳能作为重要的可再生能源之一，充分挖掘其利用潜力对于建筑领域的节能减排具有重要意义。居住建筑中的太阳能利用主要包括光伏利用、集热利用和被动式热利用三种方式，各方式均需要满足一定的太阳辐射量值阈范围，才能达到良好的利用效果[1]。建筑可有效利用太阳能的主要界面为屋顶面和朝向太阳光线的立面，因此方案设计阶段建筑朝向是影响太阳能利用潜力的关键因素之一，适宜的建筑朝向有利于建筑表面获取更多的太阳辐射量，以最大限度降低对传统能源的依赖。

现行的太阳能利用或建筑节能的相关标准中并没有给出各地区居住建筑分别针对光伏、集热和被动式热利用的适宜朝向的明确数值，例如《被动式太阳能建筑技术规范》（JGJ/T 267−2012）[2]中规定：建筑的主要朝向宜为南向或南偏东至南偏西不大于30°范围；《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26−2018）[3]中关于建筑朝向布局节能设计，提到建筑物宜朝向或接近朝向南北。但由于气候分区内各地区仍存在细微差异，且太阳辐射热利用方式的不同，可能会导致适宜的朝向范围并不在标准给定的范围内。此外，关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]以武汉地区一栋典型板式住宅为例，分析了不同建筑朝向下的建筑全年采暖空调能耗，得出武汉地区板式居住建筑南偏东10°为最佳朝向；纪伟东等[5]以济南地区某高校宿舍为例，分析得出该地区能耗为判断标准时，最佳朝向为正南向，适宜朝向范围为南至南偏东15°，最不利朝向范围为北偏西45°～60°；胡达明等[6]以夏热冬暖地区的福州、柳州、南宁、广州为例，对八个朝向的建筑能耗进行分析，得出南北向时建筑能耗比东西向时低15%左右。既有研究主要以被动式热利用情况下的建筑能耗最优为目标，得出最佳朝向或范围，较少考虑建筑朝向对不同地域建筑光伏利用、集热利用等方式的影响。

本文以严寒和寒冷地区城市为例，将热工分区和太阳能资源分布结合，形成六类区域，每类区域原则上选择2个城市。采用Grasshopper的Ladybug插件对不同朝向下典型居住建筑模型的南向表面全年太阳辐射获取量、采暖期太阳辐射获取量等进行计算，依据光伏利用、集热利用、被动式热利用的有效太阳辐射阈值范围，确定不同利用形式下适宜的建筑朝向。通过计算建筑朝向变化对太阳辐射量影响的敏感性系数，定量对比不同区域建筑朝向对太阳辐射量的影响程度，为建筑师进行建筑朝向的优化设计提供有效指导。

1 研究方法

1.1 区域划分及城市选择

根据《民用建筑热工设计规范》（GB 50176−2016）[7]中划分的热工设计分区，以及《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T 50801−2013）[8]中附录B太阳能资源区划的规定，将热工分区和太阳能资源分布相叠加，形成严寒-资源极富区、寒冷-资源极富区、严寒-资源丰富区、寒冷-资源丰富区、严寒-资源较富区、寒冷-资源较富区六类区域，原则上每个区域选择2个城市，但由于严寒-资源极富区城市较少且中国标准气象数据库缺少相关气象数据，故最终选择11个城市（表1）。

地铁供电系统中刚性接触网常见故障和防范措施解析……………………………………………………… 钟人正（7-72）

表1 域划分及城市选择表

1.2 典型居住建筑模型

通过对选取城市的气象数据分析，结合三种利用方式的太阳辐射量阈值，提出了符合标准规定且可利用范围更广的区间。针对光伏利用，严寒地区的可利用朝向集中在南偏西85°至南偏东35°；寒冷地区资源极富区和丰富区可利用朝向集中在南偏西80°至南偏东40°，资源较富区集中在南偏西50°至南偏西35°。针对集热利用，严寒和寒冷地区的可利用朝向均为南偏西90°至南偏东90°。针对被动式热利用，严寒地区的可利用朝向集中在南偏西90°至南偏东80°；寒冷地区集中在南偏西65°至南偏东50°。三种太阳能利用方式的有效朝向范围均有交叉，且较宽的区间范围使住宅布局有更大的灵活性，设计实践中应结合采光、通风等要求合理确定住宅朝向。

1.3 太阳辐射模拟设置

1.3.7 腹腔引流管的使用 传统组病人均常规使用腹腔引流管，并在术后腹腔引流管<50 ml/d时，予拔出腹腔引流管。ERAS组病人选择性使用腹腔引流管，并且在术后根据病人情况，尽早拔除。

1.4 敏感性系数计算

敏感性分析是从定量的角度去分析某一因素发生变化时对相关指标影响程度的一种不确定分析技术，评价指标为敏感性系数。敏感性系数的绝对值越高，表明该设计变量对目标函数的影响越大[10]。敏感度的表述形式有多种，参考相关研究，采用式（1）作为计算方法，其优势是能表述输入参数变化的绝对量与输出参数变化的绝对量之间的关系，可以直接进行误差计算，缺点是具有量纲，不利于不同类型输入参数之间的横向比较。本文只对建筑朝向这一参数进行分析，故选择该方法进行敏感性系数计算。其基本定义如式（1）所示[11]。

(2)对于反射波模型来说，确定反射层深度之上的探地雷达测量结果与TDR非常接近，相差仅0.001 cm3/cm3。但由于自然条件下的土壤反射层并非固定深度的理想平面，相对难以与其他测量方法进行对比。

此外，本文虽然是针对住宅建筑开展的研究，但计算结果为南向单位建筑外表面积的太阳辐射量，也可以将其应用到公共建筑朝向设计，因研究得出的光伏利用、集热利用和被动式热利用的适宜朝向范围较广，使建筑师在建筑创作中的朝向选择上相对更自由，为有地形限制条件且日照要求不高的建筑朝向设计提供了可选择性。

2 数据统计与结果分析

2.1 建筑朝向对太阳辐射获取量的影响规律

全年的建筑朝向与南向立面太阳辐射获取量的变化关系如图1所示。可以看出，随着建筑朝向由南偏西90°转向南偏东90°，获取的太阳辐射量均呈现出先增加后降低的趋势，中间存在对应太阳辐射量获取最大的适宜朝向范围。但两个气候区的建筑朝向与太阳辐射量的互动规律又有所差异。如图1（a）所示，针对严寒地区建筑，随着建筑朝向转向南偏东，不同城市的太阳辐射获取量在南偏东30°左右的位置差异最小，进而差异逐渐变大。针对寒冷地区建筑，不同城市的太阳辐射获取量曲线呈缓慢聚集趋势，差异性逐渐变小。各城市建筑南向表面太阳辐射获取量最大的朝向，如表2所示，严寒地区最大太阳辐射量对应的范围集中在南偏西25°～60°，寒冷地区集中在南偏西25°～40°。

运用Rhino-Grasshopper中搭载的基于Radiance的太阳辐射模拟插件Ladybug对典型居住建筑模型的太阳辐射获取量进行计算。为了评估住宅是否有更多的可利用朝向，模拟时以南偏西90°（正西）至南偏东90°（正东）为研究范围，朝向每旋转5°形成一个工况，共36个工况。为减少周边环境对研究的干扰，更好地总结建筑朝向改变对太阳辐射获取量的影响，仅考虑不同地域城市的整体气候条件，不考虑住宅周边的建筑群。此外，屋顶不受建筑朝向影响，且南向范围立面是太阳能利用的主要界面，因此只计算建筑南向表面获取的太阳辐射量。气象参数采用中国标准气象数据库（Chinese Standard Weather Data,CSWD）中各城市的典型气象数据。

自父亲将奶奶家迁移到新公大楼后，很少有人提起它。每次询问父亲，他都会惊讶地说：“去那儿干什么？早就搬走了。”母亲在一旁附和：“怎么老念旧？”我要亲自寻觅过去的点点滴滴——小花园、东安公园、枫林新村……

表2 各城市建筑南向表面全年太阳辐射获取量最大的朝向

表3 各城市建筑南向表面采暖期太阳辐射获取量最大的朝向

1 建筑朝向与南向立面全年太阳辐射获取量的关系

2.2 不同太阳能利用方式的适宜朝向分析

对比严寒和寒冷两个气候区，在光伏利用方面，对于资源极富区，同样因为拉萨的太阳能资源明显高于其他地区，故在光伏利用上也具有南偏西90°至南偏东80°的范围；而格尔木和林芝相比，两个地区的太阳能资源相差不大，光伏利用的朝向范围也相差较小。资源丰富区的城市太阳能资源和光伏利用的朝向范围相差均较小。资源较富区的寒冷地区城市太阳辐射资源虽然略高于严寒地区，但可能受纬度影响，严寒地区城市的光伏利用适用朝向明显大于寒冷地区。在集热利用方面，所有地区可利用朝向均在给定范围内。在被动式热利用方面，由于严寒地区城市的住宅采暖期比寒冷地区的时间长，故在此期间获取的太阳辐射量也相对增加，适用的朝向范围略宽一些。

2 建筑朝向与南向立面采暖期太阳辐射获取量的关系

3 不同城市三种太阳能利用方式的适宜朝向范围

根据图3可以看出，在给定的建筑朝向范围内，对于严寒地区的三类太阳能资源区，虽然太阳辐照量相差较大，但各区域城市建筑的光伏利用、集热利用、被动式热利用的适用朝向范围差异较小。光伏利用的太阳辐射量标准最高，故其朝向的适用范围比集热利用的略窄，主要差别在南偏东的朝向区间；被动式热利用基本在给定的朝向范围内均可使用。对于寒冷地区的三类太阳能资源区，光伏利用的适用朝向范围相差较大，从资源极富区到资源较富区朝向范围逐渐变窄；集热利用的朝向范围一致，在南偏西90°至南偏东90°区间内均可使用；被动式热利用的适用范围相差不大，其中拉萨地区太阳能资源明显高于其他地区，故在给定的朝向范围内均可以使用。

建筑中利用太阳能的方式包括三种：光伏利用、集热利用和被动式热利用，三种利用方式对太阳辐射获取量的需求并不相同。瑞士学者Compagnon提出了三种利用方式的太阳辐射量阈值[1]，该标准被世界各地学者广泛接纳并使用。因此，本文以此作为临界值的设定标准，对不同太阳能利用方式的适宜朝向进行分析。其中，光伏利用和集热利用根据全年的太阳辐射获取量判定，适宜光伏利用的范围为满足单位建筑表面积太阳辐射量大于800kW·h/m2的区域，适宜集热利用的范围为满足单位建筑表面积太阳辐射量大于400kW·h/m2的区域；被动式热利用以采暖期的太阳辐射获取量作为判定依据，适宜被动式热利用的范围为满足单位建筑表面积太阳辐射量大于216kW·h/m2的区域。根据这一标准，结合图1、图2的数据得出各城市的适宜建筑朝向范围（图3）。

2.3 不同区域太阳能利用方式的敏感性分析

我国关于民用建筑太阳能光伏系统应用、太阳能热水系统应用的标准[12−13]中提出建筑单体或建筑群体的主朝向宜为南向；《太阳能供热采暖工程技术标准》（GB 50495−2019）[14]中提出被动式太阳采暖的建筑朝向宜采用南北或接近南北向设计。以低能耗为导向的《近零能耗建筑技术标准》（GBT 51350−2019）[15]中也提出建筑主朝向宜为南北朝向。在土地集约利用和地形、环境的限制下，给建筑创作带来了较大局限性。而作为全文强制的《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB 55015−2021）中并未对建筑朝向做出规定，这在建筑朝向设计上给出了更大的自由度。

4 三种太阳能利用方式下建筑朝向对太阳辐射获取量的敏感性系数

由于集热利用的朝向范围和给定的朝向范围相同，故代表全朝向范围进行分析，从图4（a）中可以看出，资源极富区和丰富区中随着太阳辐射量的降低，各城市建筑朝向对太阳辐射量的敏感性系数降低，资源较富区的两个城市虽然太阳辐射量有所减少，但可能受高纬度的影响，其敏感性系数反而有所增长。被动式热利用的适宜朝向和给定的朝向范围相差不大，该方式下的敏感性系数变化趋势和集热利用一致，但略有降低。光伏利用的适宜朝向范围有所缩小，敏感性系数的变化规律基本一致，只是数值有所降低。由图4（b）可知，随着太阳辐照量的降低，敏感性系数总体呈逐渐降低的趋势，承德地区受高纬度的影响且太阳辐射量相差不大，其敏感性系数有所增大。集热利用和被动式热利用时，敏感性系数的变化趋势和光伏利用时基本一致，但是数值有所降低。敏感性系数越大，表明太阳辐射获取量随建筑朝向的变化幅度越大，这些城市中建筑朝向的选择对太阳能利用影响较大。对比两个气候区，严寒地区城市的建筑朝向对太阳辐射量的敏感性系数普遍高于寒冷地区，表明严寒地区的住宅设计应更注重建筑朝向的选择。

2.4 在建筑设计中的应用与讨论

根据前文分析可知，不同区域的建筑朝向对太阳辐射获取量的影响规律虽然基本一致，但影响程度并不相同，即建筑朝向改变同样的角度，不同区域的建筑南向外表面太阳辐射获取量的响应程度不同。为了量化建筑朝向对太阳辐射获取量的敏感性，采用1.4节中提出的敏感性系数计算方法，对三种太阳能利用方式下建筑朝向对太阳辐射获取量的敏感性进行分析，计算结果如图4所示。

基于文献研究及典型城市的居住建筑调研分析，本文以典型的矩形平面作为居住建筑模型的平面形状，建筑设定为26层2单元住宅，进深16m，面宽55m，高度80m，各朝向的窗墙面积比符合《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》（JGJ 26−2018）相关规定。为了提高计算速度，减少建筑表皮凹凸、遮阳体系、阳台、雨篷等构件的影响，将实际建筑简化为规整的长方体，根据所选地区的气候特征设置遮阳构件[9]。

通过综合成本核算，每年仅需多支出0.5万元，即可完成生活污水回收处理，系统综合运行成本为0.625元/m3，系统运行成本较低。因此，根据工厂的布局条件因地制宜优化设计中水回收系统在经济上具有很大的发展空间。

式中：∆IP为输入参数（建筑朝向）的变化量，∆OP为输出参数（太阳辐射量）的变化值。

3 结语

本文以严寒和寒冷地区城市为例，选择不同区域的11个城市对建筑朝向与太阳辐射获取量的互动规律进行了分析，随着建筑朝向由南偏西90°到南偏东90°变化，太阳辐射获取量均呈先增加后降低的趋势，但严寒和寒冷地区有所差异。根据光伏利用、集热利用和被动式热利用三种利用方式的太阳辐射量阈值，确定了各城市建筑的适宜朝向范围，在此基础上计算了三种利用方式下建筑朝向对太阳辐射获取量的敏感性系数，明确了不同城市建筑朝向变化对太阳辐射量的影响程度，表明严寒地区的住宅设计应更注重建筑朝向的选择。需要说明的是，文章只是挑选了部分城市进行分析，受纬度、地形和环境等因素的影响，其他城市可能存在差异。同时，本研究只对住宅单体进行分析，未考虑建筑之间的遮挡，实际设计中应结合日照标准等强制性规定的要求合理选择建筑朝向。

高良乡另外一个习俗——祭“母猪神”，目前也已经少见，其原因就是杀猪祭祀，负担过重。祭“母猪神”跟祭家神不同，并不是每家都祭祀，通常是养母猪的人家，遇到猪瘟以及各种不顺才需要。但由于有这位“母猪神”，以致养母猪的成本增加，所以，陶兴文说，在高良乡，很多苗族现在都不养母猪。

图片来源

1−4 作者自绘

表格来源

1−3 作者自绘