北方乡镇建筑太阳能辅助供暖潜力评估

韩少卿¹，何理霞²，祖文超³，崔萍¹

（1.山东建筑大学热能工程学院，山东济南250101；2.腾远设计事务所有限公司，山东青岛266100；3.山东省建筑设计研究院有限公司，山东济南250001）

参考文献示例：

韩少卿，何理霞，祖文超，等. 北方乡镇建筑太阳能辅助供暖潜力评估［J］. 煤气与热力，2025，45（2）：A13-A17.

加强农村基础设施建设、改善农村人居环境成为农村建设的工作重点。山东农村建筑具有规模小、居住分散等特点，不适宜采用集中供热系统。利用太阳能、空气能等可再生能源实施分散供暖，对于缓解环境污染具有重要意义^［1-2］。近年来，太阳能供暖技术发展迅速，但该技术难以长期、连续、稳定供热^［3-4］。空气源热泵供暖技术虽然实现了大面积推广，但存在低温情况下室外机易结霜、能效低、运行费用高等问题^［5-7］。因此，单一能源在农村供暖改造中很难承担建筑供暖用能需求。若将太阳能热水系统与空气源热泵结合，既可有效提升空气源热泵效率，还可提高太阳能集热器利用率^［8］，在保证供暖效果的同时提高系统综合能效比，具有较高的经济效益、环境效益与社会效益。

山东省太阳能资源相对丰富^［4］，具有太阳能辅助供暖的潜力。对北方新型农村社区的建筑屋顶可利用太阳能光热资源进行评估，有助于太阳能辅助供暖项目的科学合理规划与建设，以及相关系统的设备选择及优化设计。

在区域大尺度上，太阳辐射强弱由地理纬度、大气条件、地形起伏等因素决定^［9］。随着地理信息系统（GIS）技术的发展，国内外研究者将太阳能资源评估研究与地理信息系统相结合。Izquierdo等人^［10］结合西班牙地图与卫星图像的矢量数据库，计算得到可用屋顶，在可用屋顶上配置光伏系统，并评估屋顶太阳能光伏开发潜力。Wiginton等人^［11］预测加拿大某区域屋顶的太阳能储量，评估显示光伏系统发电量能满足用户约30%的用电需求。Vardimon^［12］获取完整的西班牙地理信息数据，对建筑屋顶光伏开发潜力进行评估，结果表明，屋顶光伏发电量能满足32%国家电力消费的需求。

本文采用太阳能总辐射量、日照时间两个自然属性指标评估研究区域的太阳能资源等级，以确保研究区域具有足够的太阳能资源。考虑建筑屋顶形态、集热器参数等条件，计算太阳能集热器（简称集热器）日集热量占建筑日供热量比例，评价建筑太阳能辅助供暖潜力。以济南某乡镇新型农村社区为研究区域，对别墅、住宅小区、学校、办公楼等太阳能辅助供暖潜力进行评估。

研究区域为山东济南彩石镇，距市区20 km，全镇总面积161 km²，人口4.5×10⁴ 人。气候属于暖温带大陆性半湿润气候，年平均温度、年平均相对湿度分别为14.3 ℃、58%。

选取太阳能总辐射量、日照时间两个自然属性指标评估彩石镇的太阳能资源。当地太阳能总辐射量可直接使用ArcGIS软件获取。笔者利用GIS技术从该地区数字高程模型（DEM）中提取海拔、经纬度、坡向、坡度等栅格数据^［13］，结合方位角、高度角、太阳时角、地形遮蔽、日出日落时间等基础参数生成连续分布的空间数据，使用ArcGIS软件绘制出日照时间的空间分布图。从该镇典型气象年供暖期（11月15日—次年3月15日）太阳能总辐射量、日照时间分布图看，彩石镇供暖期太阳能总辐射量变化幅度较小，因此主要依据日照时间对彩石镇太阳能资源进行评估。

将彩石镇太阳能资源按照供暖期日照时间分为5个等级：极度丰富区、丰富区、较丰富区、一般区、贫瘠区，见表1。彩石镇北部、东北部、北宅科村、朝阳村等较为平坦的地区，由于没有地形遮挡，供暖期日照时间大于1 200 h，属于太阳能资源极度丰富区，适合推行太阳能辅助供暖系统。彩石镇南部山谷底部的平坦地区，太阳辐射受地形遮挡的影响较少，属于太阳能资源丰富区，且该地区面积也比较大，可作为彩石镇未来太阳能规模化利用的重点开发区域。

太阳能辅助供暖潜力评估包括以下步骤：a.确定屋顶利用系数：借助ArcGIS软件获取建筑屋顶正投影面积、建筑屋顶形态，从而确定屋顶利用系数（可用屋顶面积与ArcGIS软件提取的建筑屋顶正投影面积的比值）。b.确定集热器参数（集热器类型、安装倾角、集热效率等），计算太阳能集热器安装面积、日均集热量。c.计算集热器日集热量占日供热量比例，比例越高说明建筑太阳能辅助供暖潜力越大。

① 屋顶利用系数确定

屋顶功能设施、阴影部分、屋顶坡度等均影响可用屋顶面积，进而决定集热器安装面积。因此，需识别建筑屋顶形态，以估算可用屋顶面积。

由于缺失建筑图纸，利用ArcGIS软件提取屋顶的外部轮廓和屋脊线条，并与航拍视频结合后识别出建筑屋顶形态。彩石镇的建筑屋顶形态可归纳成6种（见图1）。

类型a：平屋顶部分屋顶被阴影遮挡。类型b、c：平屋顶上设置有电梯设备间。类型d、e：坡屋顶结构复杂。类型f：坡屋顶的坡度较大。根据工程经验引入屋顶利用系数估算可用屋顶面积。6种建筑屋顶形态的屋顶利用系数见表2。

② 集热器安装面积、日集热量

选用全玻璃真空管太阳能集热器，安装倾角为30°，根据测试结果集热效率取0.55。

集热器安装面积A的计算式为：

集热器日集热量Q的计算式为：

③ 集热器日集热量占日供热量比例

集热器日集热量占日供热量比例γ的计算式为：

根据调研及查阅文献，获得彩石镇不同类型建筑的平均单位面积热指标、建筑日供暖时间，见表3。

彩石镇北部地区的供暖期日照时间大，属于太阳能资源极度丰富区。因此，选取彩石镇北部地区的建筑进行太阳能辅助供暖潜力评估。彩石镇北部地区的新型农村社区已初具规模，建筑类型有别墅、住宅、学校建筑（包括办公楼、食堂、图书馆、教学楼、宿舍等）、办公楼等。由于各区域中建筑屋顶形态存在差别，因此仅对各区域的建筑类型、建筑层数进行介绍，屋顶利用系数按实际建筑屋顶形态选取。

区域1包括3层、4层的别墅。区域2、4、5、9、11分别为18层、6层、5层、6层、17层住宅的小区，区域10为包括3层、6层住宅的小区。区域3、6、8为学校建筑，区域7为办公楼，学校建筑、办公楼大多数为3~6层建筑。

利用ArcGIS软件中经典的太阳辐射工具，计算得到供暖期太阳能总辐射量为750 MJ/m²。将ArcGIS软件提取的建筑屋顶正投影面积、不同建筑屋顶形态类型对应的屋顶利用系数等已知条件代入相关计算式，可计算得到每栋建筑集热器日集热量、集热量占比。每栋建筑集热器日集热量、集热量占比分布分别见图2、3。

各区域建筑平均集热量占比见表4。

由表4可知，6层及以下的住宅建筑的平均集热量占比大于20%，17层、18层住宅建筑的平均集热量占比仅为6.3%。因此，6层及以下的住宅建筑适合采用太阳能辅助供暖。目前，我国北方大部分新型农村社区的住宅建筑多为6层左右，这为采用太阳能辅助供暖提供了基础条件。学校建筑的平均集热量占比大于30%，办公楼的平均集热量占比为26.7%，考虑到大部分学校建筑、办公楼主要以日间使用为主，因此适合采用太阳能辅助供暖。

新型农村社区6层及以下住宅建筑以及学校建筑、办公楼的集热量占比均比较高，适合采用太阳能辅助供暖。