基于太陽輻射量最大化的坡屋頂坡度設計優化

范 波 李運江 王安琪

（1.三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學建筑技術科學研究所，湖北宜昌 443002；3.鄂西山地城鎮建設與發展三峽大學協同創新中心，湖北宜昌 443002；4.三峽旅游職業技術學院，湖北宜昌 443002）

建筑屋頂作為建筑的第五立面以及民用建筑中利用太陽的重要場所，越來越被建筑設計師所重視，因此如何在屋頂設計中采用合適的坡度來使嵌入屋頂的太陽能集熱器利用效率最大化成為所面臨的一個問題，特別是在坡屋頂的設計中.《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》（GB50364－2005）4.43條規定：集熱器的安裝傾角應與當地緯度一致；如側重夏季使用，則安裝傾角在當地緯度基礎上減10°；如側重冬季使用，則安裝傾角在當地緯度基礎上加10°［1］.本文以湖北省宜昌市花林寺鎮福利院項目的坡屋頂設計為例，通過對太陽能集熱器不同安裝傾角進行表面太陽輻射量、月以及年吸收熱量的模擬分析比較，來確定宜昌地區的集熱器最佳水平安裝傾角，從而得到該地區的坡屋頂最佳水平設計傾角.本項目位于湖北省宜昌市遠安縣花林寺鎮，基地為狹長帶形（如圖1所示），基地緯度為北緯30°1′，受基地限制，建筑朝向為南偏東42°（方位角為48°）.擬在南向灰色的坡屋頂上安裝嵌入式一體太陽能集熱器.

圖1 總平面圖

1 太陽輻射量的模擬與分析

本次分析采用Autodesk Ecotect Analysis軟件，經過軟件模擬仿真，得出結果并針對集熱器不同安裝角度下的模擬結果進行了對比分析［2］，從而找到適合本項目朝向的最佳坡屋頂水平設計傾角.

1.1 模型設置

本次分析采用軟件內置的宜昌市氣象資料，建模采用1m×1m×3m 的建筑模型，屋頂嵌入式集熱器尺寸為1m×1m，屋頂傾角參考規范設置了6個角度（如圖2所示），分別為0°（平屋頂）、20°（規范：側重夏季）、25°、30°（規范：和基地緯度一致）、35°、40°（規范：側重冬季）.

圖2 模擬仿真模型

1.2 集熱器表面太陽直接輻射量的模擬及驗算

1.2.1 計算機仿真模擬數據

根據模擬數據（如圖3所示），經過對比發現（如圖4所示），集熱器0°即水平安裝時，表面受到年太陽直接輻射量最大，25°次之.

圖3 集熱器在各個傾角條件下獲得的年太陽直射輻射量

圖4 集熱器表面年太陽輻射量對比

1.2.2 太陽直射輻射強度HB驗算［3－4］

根據К Я Кондратъев的理論［5］，傾斜面上太陽直接輻射量應為

上面各式中，θ 為集熱器水平傾角；γn為集熱器的方位角；φ為地理緯度；δ 為太陽赤緯角，由Cooper公式給出：

式（3）中，n為一年中某一天的日序，各月代表日的日序由表1給出.

表1 各月代表日序

式（2）中，ωo為水平面的日升時角；ωc，s為傾斜面上的日落時角；ωc，r為傾斜面上日升時角.其中ωo為

下面以1月份30°安裝時集熱器表面太陽直接輻射量計算為例進行分析：集熱器方位角γn＝48°，φ＝30°，θ＝30°，對于冬半年（即δ＜0），這時ωc，s＝ωo，ωc，r＝－ωo.

利用ECOTECT 模擬出1 月份30°安裝時集熱器表面太陽直接輻射量為43 517.44W·h／m2（如圖5所示）.通過與理論計算值的對比，證明軟件仿真模擬過程是可信的.

圖5 30°安裝時1月集熱器表面年太陽輻射量

1.3 集熱器吸收熱量的模擬

利用Ecotect對集熱器逐月吸收太陽熱量進行了模擬計算，得到了如圖6所示結果.

圖6 集熱器逐月吸收熱量對比

根據模擬數據，經過對比發現（如圖6所示），在夏季（6.1～8.31）時，集熱器逐月得熱量隨傾角增大而減??；冬季（11.1～2.28）時，集熱器逐月得熱量隨傾角增大而增大.這與規范的規律是相符合的.

通過對集熱器年累積吸收太陽熱量對比發現（如圖7所示），集熱器25°安裝時年吸收輻射量最大.

圖7 集熱器年吸收熱量對比

2 模擬結果分析

通過對不同安裝角度下集熱器表面太陽輻射量與月、年吸收熱量的對比，在以年為單位并只考慮集熱器吸收熱量的情況下，集熱器水平安裝角度為25°時效率最高，因此，本項目南向坡屋頂坡度設計為25°時能夠使嵌入式太陽能集熱器帶來最大的效率.（考慮到工程施工精度未向更細的角度進行模擬）

圖8 年太陽直接輻射量與集熱器吸收輻射量對比

集熱器水平（0°）安裝時表面所受太陽輻射最大，但集熱效率反而是25°安裝時最大，如圖14，原因在于在以年為單位的工作過程中，春、秋、冬季0°安裝時的吸收輻射量要比其他角度小的多，且集熱效率還受到集熱器自身材料的熱工性能如導熱系數、蓄熱系數等與太陽高度角變化的復合影響.

3 結 語

通過基于太陽輻射量的分析仿真，為建筑設計師對坡屋頂的設計優化提供參考，希望這種利用計算機仿真技術的方法能夠在建筑設計方案階段簡便快捷的得出某地區的最佳坡屋頂坡度，從而達到使建筑既美觀又實用的目的.

［1］ 中華人民共和國建設部.GB50364－2005民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范［S］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［2］ 云 朋.ECOTECT 建筑環境設計教程［M］.北京：中國建筑工業出社，2007.

［3］ 楊金煥，毛家俊，陳中華.不同方位傾斜面上太陽輻射量及最佳傾角的計算［J］.上海交通大學報，2002，36（7）：1032－1036.

［4］ 唐潤生，呂恩榮.集熱器最佳傾角的選擇［J］.太陽能學報，1988，9（4）：369－375.

［5］ K.Ya.Kondratyev.Radiation Resime of Inelined Surfaees［M］.Worid Meteorologieal Orgnization，1977：467.

［6］ S.A.Klein.Caleulation of Monthly Average Insolation on Tilted Surfaee［J］.Solar Energy，1977，19：325－329.