被动式太阳能建筑设计及其气候分区
本章首先总结了现今常采用几种被动式太阳能建筑形式及工作原理，依据影响被动 式太阳能建筑采暖的主要室外气候参数太阳辐照量及室外温度提出被动式太阳能建筑设 计气候分区原则和指标。并建立一组合式被动式太阳房计算模型，采用稳态传热原理进 行计算。利用典型气象年南向垂直面日太阳辐照量实测值与模型计算值进行比较，得出 各观测点的综合辐射百分比作为被动式太阳能建筑设计分区的最重要指标。
利用上述分析结果，对188个观测站进行统计计算分析，最后，定量的将各气候区
边界条件布置在气候分析图上，为建筑师在方案设计时提供被动式气候设计指导。量化 的分析结果不但可以使建浏币更准确的把握建造被动式太阳能建筑的方向，还可以使其 建造的更合理，更有效。同时，分析了三种常用集热部件的集热效率及集热效率曲线， 利用其分析结果，结合实测的垂直南向面总辐射强度及最冷月平均温度情况，得出各种 集热方式的最佳建造区域。
中国太阳能资源状况
影响被动式太阳能建筑设计气候分区的最重要的气候因素就是太阳辐射量，基于太 阳辐射与温度的关系，洲门可以认为温度升高的原因就是太阳辐射。我国疆域辽阔，气 候多样，其太阳能资源的分布也不均匀，因此，分析我国太阳能资源分布状况是本课题 研究的重要环节。 a、我国总辐射的分布
我国总辐射年总量大致在930一2330千瓦小时咪2·年之间。1630千瓦小时/米2·年 这条特征等值线自大兴安岭西麓向西南至云南和西藏处，将我国分为两大部分，其西北 在1630千瓦小时/米2·年以上，东南向皆在1630千瓦小时米2.年以下，也就是说，我 国总辐射年总量的分布趋势是西高东低。见图2.4。
西南部的青藏高原的总辐射量最大，全年可达2330千瓦小时/米2·年，而西北部新疆各盆地中总辐射年总量的值相对较小，塔里木盆地约为1740千瓦小时/米2·年，准葛 尔盆地约为巧00千瓦小时/米2·年左右。
东部地区以华北和内蒙古一带为最大，全年总辐射量可达1630一1740千瓦小时/
米2·年，东南沿海地区与东斗抛区的总辐射量数澎目当，约为1280一1400千瓦小时/米 2·年。剔氏值在川黔盆地，其总辐射量全年仅1050千瓦小帅米2·年。
我国各地区总辐射的季节变化具有明显的气候特征。总的趋势是冬季小，夏季大，
最大值和最小值也分别出现在夏季和冬季。由于受季风气候影响，冬季12月份的分布与 秋季9月份的分布形式比较相似。
这些季节的太阳辐射分布受天文条件影响最大，在西部地区等值线基本与纬圈平行， 自南向北减少。东半部因受环流作用遭到破坏，呈二高二低型。河套地区与华南为辐射 高值区，东北与长江流域是相对低值区，四川盆地形成一个很深的闭合低中心。 b、我国直接辐射的分布
我国的太阳直接辐射分布，由于受季风气候和地形条件的重大影响，在很大程度上 偏离纬向分布。分布特征是①由于直接辐射是太阳总辐射中的一个主要分量，因此，无 论是年总量还是月总量，其分布趋势都基本上与相应时段总辐射分布相一致。②与总辐 射一样，冬季直接辐射的分布趋势明显与我国海拔高度的分布相似，即随着海拔高度的 增加，直接辐射值也逐渐增大。冬季1月份直接辐射月总量与海拔高度的相关系数可达 .0734。n月至3月冬季五个月的直接辐射总量与海拔高度的相关系数也可达.0690。在 冬季，海拔高度是影响直接辐射的主要因子。
与总辐射分布相似，我国直接辐射总量的最大值和最小值也都分别出现在青藏高原
南侧和川黔地区，其数值范围约在330一1740千瓦小时/米2·年之间。直接辐射受海拔高 度影响的这种关系在我国西半部尤为明显，青藏高原为一闭合的高值区，其中心值可大 于1740千瓦小帅米2·年。而位于高原J印叮的新疆塔里木盆地和准葛尔盆地均为一闭合 的低值区，直接辐射年总量仅为810千瓦小时/米2·年。我国东半部直接辐射年总量以内 蒙古地区为最大，其最大值可超过1160千瓦小时/米2·年。最低值出现在闭合的川黔低 值区中，仅330千瓦小时米2·年。东南沿海地区及东北地区直接辐射年总量分布比较均 匀，均在580一810千瓦小印米2·年之间。 c、我国散射辐射的分布
不论是年平均分布还是各季节的逐月平均分布，散射辐射值都比相应总辐射和直接 辐射的分布均匀。
我国散射辐射平均年总量的分布特点是，等值线趋势于经向分布，东西二侧偏高， 中部四川盆地及云贵高原嘲氏。我国散射辐射平均年总量数值比较均匀，约在470~810 千瓦小时咪2·年之间。年总量平均最大值出现在塔里木盆地，为850千瓦小帅米2·年。 最小值出现在云贵高原，不足470千瓦小时米2·年。东部平原地区的散射辐射较为一致， 均在850一760千瓦小帅米2·年之间，其中华J呼原略偏高。
我国散射辐射季节分布规律大致都是春夏大，秋冬小。这是由于散射辐射量的大小 与太阳高度以及大气中的水汽、气溶胶等含量有着密切的关系。 我国太阳能资源利用区划
太阳能资源分布图反映的只是一种多年平均状况，利用这种多年平均的状况，对于 本文被动式太阳能建筑设计气候分区指标的确定有指导性作用。
根据我国的实际情况，用三级区划系统，将全国划分为30个区或亚区P0l。 a、第一级区划的分区指标是总辐射年总量。
b、第二级区划是利用各月日照时数大于6小时的天数这一要素为指标的，一年中各 月日照时数大于6小时的天数最大值与最小值之比，可看作当地太阳能资源全年变幅大 小的一种度量，比值越小说明太阳能资源全年变化越稳定，就越有利于太阳能资源的利 用。此外，最大值与最小值出现的季节也说明了当地太阳能资源分布的一种特征，在春、 夏、秋、冬四季极值出现的符号分别用C、X、Q、D表示。
c、第三级区划是利用太阳能日变化的特征值作为指标的。其规定为:以当地真太阳 时9~10时的年平均日照时数作为上午日照情况的代表，同样以11~13时代表中午，以 14一15时代表下午。哪一段的年平均日照时数长，则表示该段有利于太阳育断d用。第三 级区划指标说明了一天中太阳能利用的最佳或不利的时段。其分布区域见表.23及图.25。 表.23太阳能资源分布
2.43其它分区成果
a、杨柳博士以被动式设计方法的年时间利用率转化为冬半年和夏半年时间利用百分 比，包括太阳能采暖设计的冬半年利用率，自然通风，蓄热降温和蒸发冷却夏半年利用 率为指标，并以夏季热、湿不舒适度做为辅助指标进行被动式气候设计分区。其结果见 表2.10。
b、李元哲口刀等人从被动式太阳能利用角度将我国北纬300以北地区，以垂直南向太 阳辐射总量与采暖度日值的比值作为分类标准将我国可利用太阳能采暖地区分为三个 区，分别为最佳区、次佳区、适宜区。见表2.11。
被动式太阳能建筑设计气候分区原则及依据
本章着重介绍被动式太阳能建筑基本建筑形式及其工作原理利用被动式太阳能建
筑室内热环境的主要影响因素，通过假定一常用被动式太阳能建筑计算模型，选用稳态 热工设计计算方法，在保证太阳能建筑室内热环境质量达到满足人们正常生活需要的前 提下，明确分区指标及不同地区被动式太阳能建筑分区边界条件。
本文的被动式太阳能建筑热工计算是建立在稳定传热理论计算基础上的一种建筑热 工计算，其核心是通过建立房间的热平衡方程来求得分区所需参数一一南向垂直面总日 射月平均日辐照量。
利用已知数据库中水平面总，散日总辐照量，即可计算出垂直南向面的实测日总辐 照量。其计算方法为:
南墙面上所接受到的日辐照量:
综合辐射百分比
依据上述稳态传热分析及我国气候特点，影响被动式太阳能建筑设计气候分区的主 要指标即是模型在不同地区所需垂直南向面月平均太阳辐照量和该地区实测垂直南向面 日总太阳辐照量的关系。简单的说，即为在满足冬季室内基础温度的前提下，每月能达 到太阳房所需太阳辐照量的天数越多，证明该地区越适合被动式太阳能建筑的建造。因 此确定每月中，实测垂直南向面日总太阳辐照量大于太阳房计算模型所需的垂直南向 月平均太阳辐照量的天数与该月天数的比值作为被动式太阳能建筑设计气候分区的综 评价指标之一。也是分区最重要的指标。并定义为综合辐射百分比。 .35被动式太阳能建筑气候设计分区原则及依据
被动式太阳能建筑设计气候分区是为建筑方案设计作正确决策提供帮助，因此在分 区时采用综合分析的原则，重点考虑气候参数中太阳辐射，温度的直接影响。 根据建筑热工设计分区的要求，最冷月平均温势10℃，最热月平均温度25~29℃
时，必须考虑夏季防热，一般可不考虑冬季保温，由此可见，在这样的地区应采用蒸发 冷却、自然通乒得被动式降温的被动式设计手法，被动式暖房并不适用于这种气候条件。 因此首先以最冷月室外平均温度和最热月室外平均温度做为第一级分区指标。并结合综 合辐射百分比做第一步分区，即最冷月平均温度>10℃，最热月平均温度25~29℃，综合 辐射百分比达到1〕界/0时，不需要采暖，故达到这个指标的地区不适做被动式太阳能建筑 设计。并将其定义为VI区。
其次，太阳辐射对于没有辅助热源的太阳能建筑而言是唯一的热源。因此太阳房南
向集热面上的，即垂直南向面上的太阳辐射量直接影响室内热环境。因此选用上述分析 的综合辐射百分比作为第二级分区指标。
再次，以冬季最冷月温度为第三级分区指标。将二级分区后的结果做细化。具体分 区指标见表3.4
36设计分区
本课题以我国典型城市气候的科学分析为基础，根据以节能舒适为目的的被动式太 阳能建筑设计区划方法和依据，确定最冷月平均温度，最热月平均温度，综合辐射百分 比做为划分适合建造被动式太阳能建筑的区划指标，从被动式气候调控方法的角度，将 我国划分为六个被动式太阳能建筑气候设计区，具体分析结果归纳如下，见表3.5，文中 只罗列各气候分区典型城市分析结果，全部分区结果见附表B。 表3.5部分城市被动式太阳能建筑设计气候分区指标