高山峡谷对建筑光热环境及太阳能利用的影响研究

Alpine gorge is a typical topographical pattern in the west part of China. Greatly influenced by surrounding mountains, building locations and energy-efficiency design in alpine gorge areas are largely confined by current standards, regulations and technical systems, which are targeting plain and shallow hill areas. Building constructions within the topography of alpine gorge in the west of China are focused in this program, and fundamental scientific theories and new problems in promoting the application of the green house, of which including the influential mechanism of alpine gorge on building luminous and thermal environment and solar energy utilization, are also proposed. First, common model-building method, which requires enough resolutions for solar analyses but with minimum geographical details, is refined by extracting the spatial patterns between alpine gorge and construction base. Second, temporal and spatial distributions of solar energy capturing capacity within bases and sunlight durations of each facade are analyzed, clarifying the influential mechanism of alpine gorge on building luminous and thermal environment and solar energy utilization. Third, the systematic methods of building energy conservation that suit alpine gorge, of which including passive solar energy utilization design, the optimization on allocations of solar energy-collection panels, indoor thermal environment, and complementary energy system matching, are further explored in this program, which fill the basic research blank of building energy efficiency design and solar energy application in alpine gorge areas.

高山峡谷是我国西部一种典型的地貌特征。高山峡谷地区建筑受周边山体地形的影响很大，因此基于平原浅丘的现有标准规范和技术体系进行基地内建筑规划布局和节能设计面临系统性瓶颈。本项目针对西部崇山峻岭特殊地貌中的建筑工程，提出了研究高山峡谷对建筑光热环境的影响机理及太阳能应用等西部绿色建筑实践出现的应用基础科学新问题。通过研究任意高山峡谷与建筑基地的空间关系，提炼了该类特殊地形条件下日照分析精度足够、地理信息需求量最少的通用建模新方法；通过研究在崇山峻岭包围中基地不同位置、建筑各立面的日照时数及太阳能捕获潜力的空间及时间分布特性，揭示了独特的高山峡谷对谷底基地及低矮建筑的光热特性的影响机理；进而探索出适合高山峡谷地区的被动式太阳能利用设计、太阳能集热器布置优化、建筑室内热环境及供暖负荷、多能互补系统匹配等建筑节能设计系统新方法，填补了高山峡谷地区建筑节能设计及太阳能应用的基础研究空白。

高山峡谷是我国西部一种典型的地貌特征。高山峡谷地区的建筑受周边山体地形的影响很大，因此基于平原浅丘的现有标准规范和技术体系进行基地内建筑规划布局和节能设计面临系统性瓶颈。本项目针对西部崇山峻岭特殊地貌中的建筑工程，对高山峡谷对建筑光热环境的影响机理及太阳能应用等西部绿色建筑实践出现的应用基础科学新问题进行了系统深入研究。首先，针对川西地区复杂的地形遮挡影响，课题组基于未考虑地形遮挡影响的传统经典太阳辐射预测模型，量化分析了山区地形对太阳辐射的遮挡影响，提出了修正模型，可对复杂山区地形和任意斜面倾角、方位角耦合影响下的太阳辐射进行预测。进而针对川西复杂地形，课题组系统性地对川西140个城镇周边地形进行了量化研究与科学分类，提出了一种适用于地形对太阳辐射遮挡影响分析的山区城镇地形分类方法。然后，为探究不同山区地形对城镇太阳辐射遮挡的影响，定义了表征山体对水平面太阳辐射遮挡程度的新参数，建立了川西城镇太阳辐射遮挡率数据库，实现了川西城镇太阳辐射遮挡率的全覆盖研究。为进一步探究山区地形对太阳辐射遮挡的影响，课题组系统研究了在不同时间维度下，各类地形对城镇场地的太阳辐射遮挡的影响规律。由于地形要素是影响山区城镇太阳辐射分布的关键因素，通过分析川西夹谷城镇周边山体平均坡度、太阳方位角上山体平均坡度、不同方位山体平均坡度、夹谷走向等多个地形因素和太阳辐射遮挡率之间的相关性，建立回归模型，分别计算了直射辐射遮挡率和散射辐射遮挡率，深入分析城镇地形特性与太阳辐射遮挡率之间的内在规律及影响机理。最后，基于山区地形遮挡下任意面太阳辐射预测修正模型，提出了在复杂地形耦合条件下任意规划设计布局斜面的太阳辐射采集能力寻优的新方法，为各类太阳能主动利用工程或各朝向建筑外表面的太阳能应用设计优化提供技术支撑。