哈爾濱市建筑表面太陽能利用潛力實測研究

白 洋 馬 濤

(1.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大唐黑龍江新能源開發有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

哈爾濱市建筑表面太陽能利用潛力實測研究

白 洋1馬 濤2

(1.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大唐黑龍江新能源開發有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

針對不同形態下的建筑表面的太陽輻射強度進行了實測，分析了影響建筑表面可利用太陽輻射的因素，進一步提高建筑表面太陽能的利用潛力。

建筑表面，太陽輻射強度，潛力

0 引言

在高密度的城市環境下，垂直面的太陽輻射資源總量大于屋頂面的，這對提高太陽能的利用潛力至關重要。Capeluto等人[1]以一個新建的商業區設計為例，使用SustArc進行日照設計，使新建商業區的建立并不影響周圍居住區的日照權的情況下，得到了合理的最大的接收太陽輻射的面積。Compagnon等人[2]對形態布置混亂的住區進行了重新規劃，強調城市形態對太陽利用的潛力的影響。Okeil[3]發展了居住區太陽能體塊，以尋找在冬季可以最大化立面太陽能吸收，最小化屋頂和地面太陽能吸收的形態基本型。鄭潔[4]分析了建筑高度差有規律的變化時，住區內的太陽輻射分布情況。Cheng等人[5]分別對住區內建筑物在水平和垂直方向規則或者不規則變化時，分析了住區內的太陽輻射變化情況。

1 哈爾濱市太陽輻射分布情況概述

從建筑表面太陽能利用的視角考慮，不同朝向上獲得太陽輻射的情況存在顯著差異。建筑各朝向在一年中各月份平均獲得的太陽輻射強度值中，建筑屋頂在夏季接收的太陽輻射強度最大，其值遠遠超過建筑垂直立面的太陽輻射強度。在冬季，太陽高度角較低的時候，垂直立面的輻射強度甚至高于水平面。

2 哈爾濱市住區太陽輻射測試實驗方案

本文中針對具有典型城市住區形態與建筑色彩的建筑進行實地測試，針對哈爾濱地區分布較為廣泛的米黃色板式多層建筑、粉色板式多層建筑進行現場測試。

2.1測試地點選擇

對于測試地點的選取，要求選取的測試區域能夠涵蓋影響住區建筑表面太陽輻射分布的影響因素，尤其是建筑布局、朝向的影響。因此，本文選取了2組測試地點，分別具有如下特征：

1)海星小區。小區容積率低、間距大，建筑之間遮擋不明顯；周圍環境中不存在樹木等因素的影響；

2)哈爾濱工業大學五公寓。建筑行列式布局，受到周圍樹木的影響，但是南側是平房，對測試建筑表面太陽輻射分布無影響；建筑存在“凸起”，自身受到遮擋。

2.2測試儀器

測試中使用的儀器為SM206太陽能輻射測量功率計，是一臺手持式測試光強度的精密儀器，測試太陽輻射波長為0.4 μm～1.1 μm、分辨率為0.1 W/m2、取樣時間0.5 s/次。

2.3測試方法

測試過程中測試者將測試儀器水平對準外側，與建筑外飾面垂直放置，以保證測得數據為外飾面接收到的太陽輻射強度，每十分鐘記錄一次數據。測試過程中，測試者在固定的測試點重復實驗。為了盡量避免空氣中灰塵、PM2.5等粒子的影響，盡量選取空氣質量優良的情況下測試。

3 測試結果與分析

3.1海星小區

該小區位于海濱街與海星街交叉口，如圖1所示，地處老城區內且周圍建筑均為多層，不存在高層建筑遮擋情況。該小區占地面積約為20 000 m2，小區建筑密度較低，建筑高度由5層、8層建筑組成，建筑之間的間距較大，遮擋現象不明顯；小區建筑為鋼筋混凝土結構，板式建筑，建筑外墻為米黃色，屋頂為紅色；由于受到西側小區的影響，住區內四棟建筑呈圍合式布局；建筑朝向為北偏西7.13°。

為了得到住區建筑表面太陽輻射強度的分布特點，該測試共選取6處測點，測點分別分布在1樓地面位置和5樓高度(如圖1所示)處，其中1樓測點分布在東、西、南、北四個方向，5樓測點分布在南、西方向。這樣可以得到住區建筑各方向的太陽輻射強度對比與不同高度上太陽輻射強度的差異。

1)測試時間。測試時間為2016年1月23日9:00～16:00之間；

2)測試數據分析與整理。

a.5樓南墻表面的太陽輻射強度分布。圖2顯示了5樓南向測點的太陽輻射變化，其中9:00～11:50之間，隨著太陽高度角的變化，使得直射太陽輻射與散射太陽輻射增長，因此太陽輻射強度持續增強；11:50～13:20之間，直射太陽輻射緩慢減少，散射輻射所占比例增加，因此輻射強度緩慢減弱；13:20～16:00之間，輻射強度會迅速下降。

b.5樓西墻表面的太陽輻射強度分布。圖3顯示了5樓西墻表面的太陽輻射強度變化情況，西墻表面的太陽輻射強度較低，9:00～12:40之間，太陽輻射變化較小；接著迅速增大，最大值出現在13:00相應的太陽輻射強度為176.5 W/m2；13:40開始迅速減弱，期間出現的小范圍波動，是由于建筑本身的自遮擋造成的。

c.1樓地面測試數據。測試建筑物周圍的東、西、南、北方向太陽輻射強度如表1所示，東向與南向的變化趨勢基本相同，都在11:00取得最大值；西向變化突兀，13:00取得最大值，然后突然減弱；北向輻射強度較小，波動平緩。

表1 地面太陽輻射強度 W/m2

d.太陽輻射強度隨測點高度的變化。對比5樓與1樓的南向測試數據如圖4所示，上午10:00之前，1樓太陽輻射強度高于5樓；10:00之后，1樓略低于5樓。同樣，對比5樓與1樓的西向測試數據，發現13:00之前，1樓的太陽輻射強度明顯高于5樓；13:00之后，5樓高于1樓。

3.2哈爾濱工業大學五公寓

測試地點為聯發街與公司街交口處，該建筑位于老城區內，周圍不存在高層建筑遮擋。該建筑是多層、板式建筑，建筑長度約為100 m，進深約為15 m，建筑北側與圍合式建筑相連接，并且受到西側5層建筑的遮擋；該建筑南向為平房區，因此無遮擋現象。建筑朝向為北偏西48.74°，屬于沿街型布置。

測試時間為2016年1月21日9:00～16:00之間，測點位置與測試建筑實景如圖5所示。

測試結果與分析。

1)南向輻射測試。

在南向測試時，選取的測試點西側存在“凸”起處。由于太陽高度角的影響，建筑立面上太陽輻射隨著測點高度變化而變化，并且建筑自身遮擋產生的陰影也隨之變化，測試結果如圖6所示。

測試結果表明，在該建筑朝向情況下，建筑自身的“凸”起對南向太陽輻射強度的影響較大，并且這種影響隨著觀測點高度的降低而增長，測試過程中的5樓測試點的累計太陽輻射強度僅為7樓測點的62.68%。因此，建筑的自身遮擋對建筑表面的太陽輻射強度分布影響較大，在設計過程中應予以重點考慮。

2)北向輻射測試。

建筑北側與2層建筑相鄰，測點處外立面平直，不存在自身遮擋。建筑北立面的直射太陽輻射較少，因此北立面的太陽輻射強度差異，主要由反射輻射與散射輻射的強弱所決定，測試結果如圖7所示。

測試結果表明，在北側2層建筑屋頂的影響下，使得5樓建筑表面的輻射強度普遍提升，并且在測試建筑朝向情況下，使得5樓北側累計太陽輻射強度是7樓的140.94%。因此，其他表面的反射作用，對建筑立面上的太陽輻射分布具有較大的影響。

4 結語

通過對哈爾濱地區住區太陽輻射分布情況的實驗測試和結果分析，得到影響住區太陽輻射分布的主要影響因素包括建筑高度、單體建筑形狀、間距、建筑布局和朝向，測試結果也為建筑表面太陽能利用方式的選取奠定了基礎。

[1] Capeluto, I. G., Yezioro, A. and Shaviv, E. Climatic aspects in urban design a case[J].Building and Environment,2003,38(6):827-835.

[2] Compagnon, R. Solar and daylight availability in the urban fabric[J]. Energy and Buildings,2004(36):321-328.

[3] Okeil A. In search for energy efficient urban forms: the residential solar block[A]. CIB World Building Congress[C].2004.

[4] 鄭 潔.夏熱冬冷地區居住小區戶外空間氣候適應性設計策略研究[D].武漢：華中科技大學碩士學位論文，2005：33-63.

[5] Cheng, V., Steemers, K., Montavon, M., et al.Urban form, density and solar potential[A]. Proceedings of the 23th conference. PLEA, Geneva, Switzerland[C].2006:701-706.

TheexperimentalstudyonsolarenergyutilizationpotentialofbuildingsurfaceinHarbin

BaiYang1MaTao2

(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.DatangHeilongjiangNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Harbin150028,China)

The solar radiation intensity of building surfaces under different forms is measured. The factors which effect the utilization of solar radiation on building surface are analyzed, and the potential is further improved.

building surface, solar radiation intensity, potential

TU201.5

A

1009-6825(2017)26-0177-03

2017-07-03

白 洋(1988- )，女，在讀碩士；馬 濤(1987- )，男，助理工程師