韓少卿¹，何理霞²，祖文超³，崔萍¹

（1.山東建筑大學熱能工程學院，山東濟南250101；2.騰遠設計事務所有限公司，山東青島266100；3.山東省建筑設計研究院有限公司，山東濟南250001）

參考文獻示例：

韓少卿，何理霞，祖文超，等. 北方鄉鎮建筑太陽能輔助供暖潛力評估［J］. 煤氣與熱力，2025，45（2）：A13-A17.

加強農村基礎設施建設、改善農村人居環境成為農村建設的工作重點。山東農村建筑具有規模小、居住分散等特點，不適宜采用集中供熱系統。利用太陽能、空氣能等可再生能源實施分散供暖，對于緩解環境污染具有重要意義^［1-2］。近年來，太陽能供暖技術發展迅速，但該技術難以長期、連續、穩定供熱^［3-4］。空氣源熱泵供暖技術雖然實現了大面積推廣，但存在低溫情況下室外機易結霜、能效低、運行費用高等問題^［5-7］。因此，單一能源在農村供暖改造中很難承擔建筑供暖用能需求。若將太陽能熱水系統與空氣源熱泵結合，既可有效提升空氣源熱泵效率，還可提高太陽能集熱器利用率^［8］，在保證供暖效果的同時提高系統綜合能效比，具有較高的經濟效益、環境效益與社會效益。

山東省太陽能資源相對豐富^［4］，具有太陽能輔助供暖的潛力。對北方新型農村社區的建筑屋頂可利用太陽能光熱資源進行評估，有助于太陽能輔助供暖項目的科學合理規劃與建設，以及相關系統的設備選擇及優化設計。

在區域大尺度上，太陽輻射強弱由地理緯度、大氣條件、地形起伏等因素決定^［9］。隨著地理信息系統（GIS）技術的發展，國內外研究者將太陽能資源評估研究與地理信息系統相結合。Izquierdo等人^［10］結合西班牙地圖與衛星圖像的矢量數據庫，計算得到可用屋頂，在可用屋頂上配置光伏系統，并評估屋頂太陽能光伏開發潛力。Wiginton等人^［11］預測加拿大某區域屋頂的太陽能儲量，評估顯示光伏系統發電量能滿足用戶約30%的用電需求。Vardimon^［12］獲取完整的西班牙地理信息數據，對建筑屋頂光伏開發潛力進行評估，結果表明，屋頂光伏發電量能滿足32%國家電力消費的需求。

本文采用太陽能總輻射量、日照時間兩個自然屬性指標評估研究區域的太陽能資源等級，以確保研究區域具有足夠的太陽能資源。考慮建筑屋頂形態、集熱器參數等條件，計算太陽能集熱器（簡稱集熱器）日集熱量占建筑日供熱量比例，評價建筑太陽能輔助供暖潛力。以濟南某鄉鎮新型農村社區為研究區域，對別墅、住宅小區、學校、辦公樓等太陽能輔助供暖潛力進行評估。

研究區域為山東濟南彩石鎮，距市區20 km，全鎮總面積161 km²，人口4.5×10⁴ 人。氣候屬于暖溫帶大陸性半濕潤氣候，年平均溫度、年平均相對濕度分別為14.3 ℃、58%。

選取太陽能總輻射量、日照時間兩個自然屬性指標評估彩石鎮的太陽能資源。當地太陽能總輻射量可直接使用ArcGIS軟件獲取。筆者利用GIS技術從該地區數字高程模型（DEM）中提取海拔、經緯度、坡向、坡度等柵格數據^［13］，結合方位角、高度角、太陽時角、地形遮蔽、日出日落時間等基礎參數生成連續分布的空間數據，使用ArcGIS軟件繪制出日照時間的空間分布圖。從該鎮典型氣象年供暖期（11月15日—次年3月15日）太陽能總輻射量、日照時間分布圖看，彩石鎮供暖期太陽能總輻射量變化幅度較小，因此主要依據日照時間對彩石鎮太陽能資源進行評估。

將彩石鎮太陽能資源按照供暖期日照時間分為5個等級：極度豐富區、豐富區、較豐富區、一般區、貧瘠區，見表1。彩石鎮北部、東北部、北宅科村、朝陽村等較為平坦的地區，由于沒有地形遮擋，供暖期日照時間大于1 200 h，屬于太陽能資源極度豐富區，適合推行太陽能輔助供暖系統。彩石鎮南部山谷底部的平坦地區，太陽輻射受地形遮擋的影響較少，屬于太陽能資源豐富區，且該地區面積也比較大，可作為彩石鎮未來太陽能規模化利用的重點開發區域。

太陽能輔助供暖潛力評估包括以下步驟：a.確定屋頂利用系數：借助ArcGIS軟件獲取建筑屋頂正投影面積、建筑屋頂形態，從而確定屋頂利用系數（可用屋頂面積與ArcGIS軟件提取的建筑屋頂正投影面積的比值）。b.確定集熱器參數（集熱器類型、安裝傾角、集熱效率等），計算太陽能集熱器安裝面積、日均集熱量。c.計算集熱器日集熱量占日供熱量比例，比例越高說明建筑太陽能輔助供暖潛力越大。

① 屋頂利用系數確定

屋頂功能設施、陰影部分、屋頂坡度等均影響可用屋頂面積，進而決定集熱器安裝面積。因此，需識別建筑屋頂形態，以估算可用屋頂面積。

由于缺失建筑圖紙，利用ArcGIS軟件提取屋頂的外部輪廓和屋脊線條，并與航拍視頻結合后識別出建筑屋頂形態。彩石鎮的建筑屋頂形態可歸納成6種（見圖1）。

類型a：平屋頂部分屋頂被陰影遮擋。類型b、c：平屋頂上設置有電梯設備間。類型d、e：坡屋頂結構復雜。類型f：坡屋頂的坡度較大。根據工程經驗引入屋頂利用系數估算可用屋頂面積。6種建筑屋頂形態的屋頂利用系數見表2。

② 集熱器安裝面積、日集熱量

選用全玻璃真空管太陽能集熱器，安裝傾角為30°，根據測試結果集熱效率取0.55。

集熱器安裝面積A的計算式為：

集熱器日集熱量Q的計算式為：

③ 集熱器日集熱量占日供熱量比例

集熱器日集熱量占日供熱量比例γ的計算式為：

根據調研及查閱文獻，獲得彩石鎮不同類型建筑的平均單位面積熱指標、建筑日供暖時間，見表3。

彩石鎮北部地區的供暖期日照時間大，屬于太陽能資源極度豐富區。因此，選取彩石鎮北部地區的建筑進行太陽能輔助供暖潛力評估。彩石鎮北部地區的新型農村社區已初具規模，建筑類型有別墅、住宅、學校建筑（包括辦公樓、食堂、圖書館、教學樓、宿舍等）、辦公樓等。由于各區域中建筑屋頂形態存在差別，因此僅對各區域的建筑類型、建筑層數進行介紹，屋頂利用系數按實際建筑屋頂形態選取。

區域1包括3層、4層的別墅。區域2、4、5、9、11分別為18層、6層、5層、6層、17層住宅的小區，區域10為包括3層、6層住宅的小區。區域3、6、8為學校建筑，區域7為辦公樓，學校建筑、辦公樓大多數為3~6層建筑。

利用ArcGIS軟件中經典的太陽輻射工具，計算得到供暖期太陽能總輻射量為750 MJ/m²。將ArcGIS軟件提取的建筑屋頂正投影面積、不同建筑屋頂形態類型對應的屋頂利用系數等已知條件代入相關計算式，可計算得到每棟建筑集熱器日集熱量、集熱量占比。每棟建筑集熱器日集熱量、集熱量占比分布分別見圖2、3。

各區域建筑平均集熱量占比見表4。

由表4可知，6層及以下的住宅建筑的平均集熱量占比大于20%，17層、18層住宅建筑的平均集熱量占比僅為6.3%。因此，6層及以下的住宅建筑適合采用太陽能輔助供暖。目前，我國北方大部分新型農村社區的住宅建筑多為6層左右，這為采用太陽能輔助供暖提供了基礎條件。學校建筑的平均集熱量占比大于30%，辦公樓的平均集熱量占比為26.7%，考慮到大部分學校建筑、辦公樓主要以日間使用為主，因此適合采用太陽能輔助供暖。

新型農村社區6層及以下住宅建筑以及學校建筑、辦公樓的集熱量占比均比較高，適合采用太陽能輔助供暖。