基于太阳辐射量最大化的坡屋顶坡度设计优化

范 波 李运江 王安琪

（1.三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002；2.三峡大学建筑技术科学研究所，湖北宜昌 443002；3.鄂西山地城镇建设与发展三峡大学协同创新中心，湖北宜昌 443002；4.三峡旅游职业技术学院，湖北宜昌 443002）

建筑屋顶作为建筑的第五立面以及民用建筑中利用太阳的重要场所，越来越被建筑设计师所重视，因此如何在屋顶设计中采用合适的坡度来使嵌入屋顶的太阳能集热器利用效率最大化成为所面临的一个问题，特别是在坡屋顶的设计中.《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB50364－2005）4.43条规定：集热器的安装倾角应与当地纬度一致；如侧重夏季使用，则安装倾角在当地纬度基础上减10°；如侧重冬季使用，则安装倾角在当地纬度基础上加10°［1］.本文以湖北省宜昌市花林寺镇福利院项目的坡屋顶设计为例，通过对太阳能集热器不同安装倾角进行表面太阳辐射量、月以及年吸收热量的模拟分析比较，来确定宜昌地区的集热器最佳水平安装倾角，从而得到该地区的坡屋顶最佳水平设计倾角.本项目位于湖北省宜昌市远安县花林寺镇，基地为狭长带形（如图1所示），基地纬度为北纬30°1′，受基地限制，建筑朝向为南偏东42°（方位角为48°）.拟在南向灰色的坡屋顶上安装嵌入式一体太阳能集热器.

图1 总平面图

1 太阳辐射量的模拟与分析

本次分析采用Autodesk Ecotect Analysis软件，经过软件模拟仿真，得出结果并针对集热器不同安装角度下的模拟结果进行了对比分析［2］，从而找到适合本项目朝向的最佳坡屋顶水平设计倾角.

1.1 模型设置

本次分析采用软件内置的宜昌市气象资料，建模采用1m×1m×3m 的建筑模型，屋顶嵌入式集热器尺寸为1m×1m，屋顶倾角参考规范设置了6个角度（如图2所示），分别为0°（平屋顶）、20°（规范：侧重夏季）、25°、30°（规范：和基地纬度一致）、35°、40°（规范：侧重冬季）.

图2 模拟仿真模型

1.2 集热器表面太阳直接辐射量的模拟及验算

1.2.1 计算机仿真模拟数据

根据模拟数据（如图3所示），经过对比发现（如图4所示），集热器0°即水平安装时，表面受到年太阳直接辐射量最大，25°次之.

图3 集热器在各个倾角条件下获得的年太阳直射辐射量

图4 集热器表面年太阳辐射量对比

1.2.2 太阳直射辐射强度HB验算［3－4］

根据К Я Кондратъев的理论［5］，倾斜面上太阳直接辐射量应为

上面各式中，θ 为集热器水平倾角；γn为集热器的方位角；φ为地理纬度；δ 为太阳赤纬角，由Cooper公式给出：

式（3）中，n为一年中某一天的日序，各月代表日的日序由表1给出.

表1 各月代表日序

式（2）中，ωo为水平面的日升时角；ωc，s为倾斜面上的日落时角；ωc，r为倾斜面上日升时角.其中ωo为

下面以1月份30°安装时集热器表面太阳直接辐射量计算为例进行分析：集热器方位角γn＝48°，φ＝30°，θ＝30°，对于冬半年（即δ＜0），这时ωc，s＝ωo，ωc，r＝－ωo.

利用ECOTECT 模拟出1 月份30°安装时集热器表面太阳直接辐射量为43 517.44W·h／m2（如图5所示）.通过与理论计算值的对比，证明软件仿真模拟过程是可信的.

图5 30°安装时1月集热器表面年太阳辐射量

1.3 集热器吸收热量的模拟

利用Ecotect对集热器逐月吸收太阳热量进行了模拟计算，得到了如图6所示结果.

图6 集热器逐月吸收热量对比

根据模拟数据，经过对比发现（如图6所示），在夏季（6.1～8.31）时，集热器逐月得热量随倾角增大而减小；冬季（11.1～2.28）时，集热器逐月得热量随倾角增大而增大.这与规范的规律是相符合的.

通过对集热器年累积吸收太阳热量对比发现（如图7所示），集热器25°安装时年吸收辐射量最大.

图7 集热器年吸收热量对比

2 模拟结果分析

通过对不同安装角度下集热器表面太阳辐射量与月、年吸收热量的对比，在以年为单位并只考虑集热器吸收热量的情况下，集热器水平安装角度为25°时效率最高，因此，本项目南向坡屋顶坡度设计为25°时能够使嵌入式太阳能集热器带来最大的效率.（考虑到工程施工精度未向更细的角度进行模拟）

图8 年太阳直接辐射量与集热器吸收辐射量对比

集热器水平（0°）安装时表面所受太阳辐射最大，但集热效率反而是25°安装时最大，如图14，原因在于在以年为单位的工作过程中，春、秋、冬季0°安装时的吸收辐射量要比其他角度小的多，且集热效率还受到集热器自身材料的热工性能如导热系数、蓄热系数等与太阳高度角变化的复合影响.

3 结 语

通过基于太阳辐射量的分析仿真，为建筑设计师对坡屋顶的设计优化提供参考，希望这种利用计算机仿真技术的方法能够在建筑设计方案阶段简便快捷的得出某地区的最佳坡屋顶坡度，从而达到使建筑既美观又实用的目的.

［1］ 中华人民共和国建设部.GB50364－2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［2］ 云 朋.ECOTECT 建筑环境设计教程［M］.北京：中国建筑工业出社，2007.

［3］ 杨金焕，毛家俊，陈中华.不同方位倾斜面上太阳辐射量及最佳倾角的计算［J］.上海交通大学报，2002，36（7）：1032－1036.

［4］ 唐润生，吕恩荣.集热器最佳倾角的选择［J］.太阳能学报，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.