太阳能供暖建筑设计的室外设计日构建方法：以中国拉萨为例

《Energy》：Method for constructing outdoor design days of solar heating building design: a case study of Lhasa, China

　　

提高可再生能源（renewable energy）的高渗透率对于降低建筑碳排放（carbon emissions）至关重要。在太阳能富集区，通过集成建筑与能源系统利用太阳能满足建筑的供暖和制冷需求在技术上是可行的。室外设计参数（outdoor design parameters）是优化气候资源利用和太阳能供暖建筑设计的基础。然而，传统的室外设计参数未能充分考虑室外气候条件的逐时变化特性，忽略了建筑性能与气候之间的动态交互作用。因此，有必要开发能够代表与建筑太阳能利用相关的逐时变化特征的室外供暖设计日（outdoor heating design days, OHDD）。本研究以位于青藏高原（Qinghai-Xizang Plateau）的拉萨市为例，建立了动态传热模型（dynamic heat transfer model），以分析不同建筑热工参数下室内热环境的响应。研究人员提出了一种基于层次聚类（hierarchical clustering）的室外供暖设计日构建方法，并通过欧氏距离（Euclidean distance）和热耗指数（heat consumption index）与传统室外设计参数进行了对比评估。结果表明，室外供暖设计日应包含空气温度（air temperature）、水平面太阳总辐射（horizontal global solar radiation）和南向太阳总辐射（global solar radiation on south facing）。与传统平均日选取方法相比，基于层次聚类的室外供暖设计日能更好地代表长期天气数据，并反映不同建筑热工性能对气候的适应性。该方法将热耗评估从静态估算改进为逐时负荷分析，为太阳能供暖建筑的精细化设计和性能评估提供了坚实基础。

**论文解读：太阳能供暖建筑室外设计日构建方法——以中国拉萨为例**

**研究背景与问题**
建筑行业消耗全球约37%的总能源，对实现碳中和目标至关重要。提高可再生能源渗透率是降低建筑碳排放的关键策略。在太阳能富集区，通过建筑与能源系统集成利用太阳能以满足供暖和制冷需求在技术上是可行的。太阳能供暖建筑设计的核心在于合理分配供暖负荷至建筑空间、围护结构及主动能源系统，从而量化各部分的负荷贡献并优化太阳能利用的时机与规模。这一过程高度依赖性能设计模型，而准确的室外设计参数是模型的基础输入。然而，传统室外设计参数主要依据前苏联的热惰性分级方法，仅基于历史极端条件提取室外空气温度，忽略了太阳辐射的逐时变化及其与建筑热工性能的动态耦合。在太阳能富集区，冬季南向透明围护结构可收集大量太阳辐射热，导致围护结构热流存在显著的日波动且不同朝向差异明显，单一日值无法捕捉气候的动态影响。因此，亟需开发能同时考虑温度和太阳辐射综合效应及逐时变化的室外供暖设计日（OHDD），以为太阳能供暖建筑的精细化设计提供支撑。

**研究内容与结论**
研究人员以青藏高原拉萨市为例，开展了以下工作：建立了基于一维非稳态传热模型和建筑热平衡方程的动态传热模型，以空气温度、太阳辐射等为边界条件，采用有限差分法求解逐时室内温度；通过问卷调查确定室内热舒适温度阈值（12°C），并采用5日滑动平均法确定设计供暖期（HPD）；分析了不同建筑热工参数（如外墙传热系数、窗墙比等）组合下室内热环境的响应，进行参数降维；基于层次聚类方法构建了OHDD，该设计日包含空气温度、水平面太阳总辐射及南向太阳总辐射；利用欧氏距离和热耗指数对OHDD进行了评估。结论表明：与传统平均日选取方法相比，基于层次聚类的OHDD能更好地代表长期气象数据，并反映不同建筑热工性能对气候的适应性；该方法将热耗评估从静态估算提升至逐时负荷分析，为太阳能供暖建筑的精细化设计和性能评估提供了可靠基础。该研究发表在《Energy》期刊。

**关键技术方法**（不超过250字）
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）动态传热模型：基于一维非稳态传热理论与建筑热平衡方程，以室外空气温度、太阳辐射、围护结构传热和窗户得热为核心边界条件，利用有限差分法逐时求解室内温度；（2）设计供暖期（HPD）判定：通过问卷调查确定拉萨地区室内热舒适温度阈值（12°C），采用5日滑动平均法从逐时气象数据中提取HPD；（3）建筑热工参数降维：模拟不同热工参数（如外墙传热系数、窗墙比等）组合下的室内热环境变化，筛选关键参数；（4）层次聚类方法：基于逐时气象数据（空气温度、太阳辐射）及建筑热工性能参数，对日数据进行聚类以生成代表性OHDD；（5）评估方法：采用欧氏距离（Euclidean distance）衡量OHDD与长期数据的相似性，采用热耗指数（heat consumption index）比较OHDD与传统参数在热负荷计算上的差异。气象数据来自中国气象局国家气象信息中心拉萨站（1988–2017年逐时数据）。

**研究结果**

**室内空气温度计算**
研究人员根据世界气象组织标准，选取拉萨市1988–2017年共30年逐时气象数据。基于动态传热模型，以室外空气温度、太阳辐射等为边界条件，利用有限差分法计算逐时室内空气温度。通过问卷调查确定室内热舒适温度下限为12°C，并采用5日滑动平均法确定设计供暖期（HPD）。结果表明，HPD的起止时间及室内温度变化受建筑热工参数显著影响。

**建筑围护结构对室内热环境的影响**
基于一维非稳态传热模型和建筑热平衡方程，分析了不同热工参数组合下室内热环境的响应。关键参数包括外墙传热系数、窗墙比等。研究发现，在太阳能富集区，南向透明围护结构收集的太阳辐射热导致室内温度在白天显著升高，而传统设计参数无法反映这种逐时动态；建筑热工性能越好，室内温度波动越小，对气候的适应性越强。通过对各参数进行降维分析，确定对室内热环境影响最大的参数为外墙传热系数和南向窗墙比。

**室外供暖设计日（OHDD）的构建方法**
研究人员提出基于层次聚类（hierarchical clustering）的OHDD构建方法。首先，将1988–2017年每年供暖期内的每日气候数据（包括空气温度、水平面太阳总辐射、南向太阳总辐射）与对应建筑热工参数组合下的室内温度响应作为聚类特征。通过层次聚类将相似日归为一类，并选取每类中的中心日作为代表性OHDD。该方法考虑了气象要素的物理关联及建筑热工性能的差异，所得OHDD能同时反映室外气候的逐时变化和建筑的热响应特性。

**室外供暖设计日的评估**
采用欧氏距离（Euclidean distance）和热耗指数（heat consumption index）对构建的OHDD进行评估。与传统平均日方法（即选取供暖期内所有日的平均气象数据）相比，基于层次聚类的OHDD在欧氏距离上更接近长期气象数据的分布特征，表明其代表性更强；在热耗指数上，OHDD计算得到的逐时热负荷与长期模拟结果更吻合，而传统方法则显著低估了峰值负荷。评估证实，OHDD能从静态估算改进为逐时负荷分析，尤其适用于太阳能供暖建筑中考虑太阳辐射动态贡献的场合。

**讨论与结论总结**
（总结讨论部分）研究讨论指出，传统室外设计参数基于极端条件，导致太阳能系统规模偏大、经济性下降；而所提出的OHDD方法通过层次聚类融合了气象要素的逐时变化与建筑热工性能，使得设计日更贴近实际运行工况，有助于优化建筑围护结构保温性能和系统能效。该方法实现了从被动抵抗气候到主动利用气候资源的范式转变，为动态建筑模拟、系统性能精细化评估及太阳能利用潜力分析提供了基础。
（翻译研究结论部分）本研究人员提出了一种易于实施的OHDD确定方法，该方法考虑了室外空气温度和太阳辐射对建筑的逐时动态影响。研究人员利用动态传热模型分析了不同热工性能参数组合下室内热环境的变化，随后基于建筑热工性能参数，采用层次聚类方法构建了OHDD生成方法。研究人员通过对比热耗指数和欧氏距离，验证了OHDD在代表长期天气数据和反映建筑热工性能适应性方面的优越性。该方法有效支持了太阳能供暖建筑的精细化设计与性能评价。