基于太陽輻射量最大化的坡屋頂坡度設(shè)計(jì)優(yōu)化

范 波 李運(yùn)江 王安琪

（1.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.三峽大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)研究所，湖北宜昌 443002；3.鄂西山地城鎮(zhèn)建設(shè)與發(fā)展三峽大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌 443002；4.三峽旅游職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shè)計(jì)師所重視，因此如何在屋頂設(shè)計(jì)中采用合適的坡度來使嵌入屋頂?shù)奶柲芗療崞骼眯首畲蠡蔀樗媾R的一個(gè)問題，特別是在坡屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)中.《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB50364－2005）4.43條規(guī)定：集熱器的安裝傾角應(yīng)與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢拢蝗鐐?cè)重夏季使用，則安裝傾角在當(dāng)?shù)鼐暥然A(chǔ)上減10°；如側(cè)重冬季使用，則安裝傾角在當(dāng)?shù)鼐暥然A(chǔ)上加10°［1］.本文以湖北省宜昌市花林寺鎮(zhèn)福利院項(xiàng)目的坡屋頂設(shè)計(jì)為例，通過對(duì)太陽能集熱器不同安裝傾角進(jìn)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(qū)的集熱器最佳水平安裝傾角，從而得到該地區(qū)的坡屋頂最佳水平設(shè)計(jì)傾角.本項(xiàng)目位于湖北省宜昌市遠(yuǎn)安縣花林寺鎮(zhèn)，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?yàn)槟掀珫|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(jīng)過軟件模擬仿真，得出結(jié)果并針對(duì)集熱器不同安裝角度下的模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析［2］，從而找到適合本項(xiàng)目朝向的最佳坡屋頂水平設(shè)計(jì)傾角.

1.1 模型設(shè)置

本次分析采用軟件內(nèi)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(guī)范設(shè)置了6個(gè)角度（如圖2所示），分別為0°（平屋頂）、20°（規(guī)范：側(cè)重夏季）、25°、30°（規(guī)范：和基地緯度一致）、35°、40°（規(guī)范：側(cè)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(yàn)算

1.2.1 計(jì)算機(jī)仿真模擬數(shù)據(jù)

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)（如圖3所示），經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)（如圖4所示），集熱器0°即水平安裝時(shí)，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(gè)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(duì)比

1.2.2 太陽直射輻射強(qiáng)度HB驗(yàn)算［3－4］

根據(jù)К Я Кондратъев的理論［5］，傾斜面上太陽直接輻射量應(yīng)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(shí)角；ωc，s為傾斜面上的日落時(shí)角；ωc，r為傾斜面上日升時(shí)角.其中ωo為

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

利用ECOTECT 模擬出1 月份30°安裝時(shí)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(jì)算值的對(duì)比，證明軟件仿真模擬過程是可信的.

圖5 30°安裝時(shí)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(duì)集熱器逐月吸收太陽熱量進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了如圖6所示結(jié)果.

圖6 集熱器逐月吸收熱量對(duì)比

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)（如圖6所示），在夏季（6.1～8.31）時(shí)，集熱器逐月得熱量隨傾角增大而減??；冬季（11.1～2.28）時(shí)，集熱器逐月得熱量隨傾角增大而增大.這與規(guī)范的規(guī)律是相符合的.

通過對(duì)集熱器年累積吸收太陽熱量對(duì)比發(fā)現(xiàn)（如圖7所示），集熱器25°安裝時(shí)年吸收輻射量最大.

圖7 集熱器年吸收熱量對(duì)比

2 模擬結(jié)果分析

通過對(duì)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(duì)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(shí)效率最高，因此，本項(xiàng)目南向坡屋頂坡度設(shè)計(jì)為25°時(shí)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(xì)的角度進(jìn)行模擬）

圖8 年太陽直接輻射量與集熱器吸收輻射量對(duì)比

集熱器水平（0°）安裝時(shí)表面所受太陽輻射最大，但集熱效率反而是25°安裝時(shí)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(shí)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(dǎo)熱系數(shù)、蓄熱系數(shù)等與太陽高度角變化的復(fù)合影響.

3 結(jié) 語

通過基于太陽輻射量的分析仿真，為建筑設(shè)計(jì)師對(duì)坡屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考，希望這種利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的方法能夠在建筑設(shè)計(jì)方案階段簡便快捷的得出某地區(qū)的最佳坡屋頂坡度，從而達(dá)到使建筑既美觀又實(shí)用的目的.

［1］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB50364－2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］ 云 朋.ECOTECT 建筑環(huán)境設(shè)計(jì)教程［M］.北京：中國建筑工業(yè)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(jì)算［J］.上海交通大學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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.