城市高密度建筑空間太陽能利用潛力研究

牛炳玲 ，李紀偉 ，蘇越怡 （河北大學建筑工程學院，河北 保定 071002）

1 引言

上世紀末開始，我國城市規模不斷擴大，城市人口逐漸增加，城市空間面貌不斷改變。為了應對城市人口的增長，城市土地的不足，我國提出了發展緊湊型城市的要求。在這種情況下開始加快高層建筑建設，城市建筑密度越來越高。雖然這種方法較好地解決了城市用地和人口增長問題[1]，但是高密度的建設方式同樣產生了較多問題，如建筑日照、建筑通風等。而且高層建筑幾何條件越來越復雜，城市空間的日照環境也越來越復雜，因此，需要對高密度城市空間的日照情況展開研究。

2 國內外日照設計現狀

目前我國進行日照分析或研究通常采用眾智、斯維爾等軟件，國外則通常使用 UK.SHADOWPACK、TOWNSCOPE、GOSOL等。目前我國在日照設計中，通常以大寒日為計算日期，通過計算建筑的滿窗日照時間，來判斷是否達到日照要求，通常以2h或3h為判斷依據。國外的日照標準與我國略有不同，荷蘭的日照計算時間為2月19日，判斷標準是以建筑內窗臺中點為計算點，測試日照時數，法國則對全年和每日的日照時間都提出了要求[2]，日本則根據建筑用地紅線作為計算基準，要求在用地紅線10m以外不能產生日照陰影[3]。可見目前國內外的法規和標準都是停留在對平面上的日照時數的要求，而高密度城市中空間日照環境尤為復雜，單純依靠平面分析很難考查出建筑空間中的日照情況，也不能分析出高密度建筑空間的太陽能利用潛力情況[4]，因此有必要對高密度城市空間中的日照情況進行分析，研究空間中的太陽能利用潛力。

3 城市建筑密度區位分析

城市中建筑密度分布并不均勻，通常情況是老城區建筑密度低，新城區建筑密度高，研究高密度城市首先需要研究城市建筑布局情況。以保定市為例對城市高建筑密度布局情況進行分析，首先在衛星圖進上進行截取，然后進行矢量處理，再將其色階進行調整，將其建筑所形成的陰影區繪制成圖，如圖1所示。低層建筑或者多層建筑的陰影較小，高層建筑形成的陰影面積較大，如圖中A、B、C位置。通過這張處理過的地圖發現保定市城市北部的顏色較深，其次是東部。而南部和西部顏色較淺，并且深色區域集中在北部以及東部的周邊，尤其是東北部集中了大部分的陰影面。由此可以分析出，保定市的高層建筑基本分布在保定市中心城區的周邊，這是因為保定市的中心區域為老城區，而周邊有較大的場地。另外通過這張圖發現保定市的高層建筑基本分布在保定市的北側及東北側，這是由于保定市較為重視北部以及東北部的發展。綜合上述分析，研究將選取保定市北部某高層居住區作為研究對象，研究高密度城市日照規律。

4 高密度建筑空間日照分布情況

4.1 案例選取

圖2 小區總平面圖及建筑編號

以保定市北部某高層建筑小區為例進行分析，提取總圖并進行編號，如圖2所示。小區住宅中南向立面窗沿下均安裝有太陽能熱水器，但由于層數不同，同一立面上不同高度的日照情況可能有所不同。因此，需要對建筑不同空間高度的日照情況進行分析，找到規律，分析太陽能利用潛力。根據保定市城市規劃管理規定，遮擋建筑為高層建筑及多、高層建筑混合布置時，需要進行綜合日照分析，根據規范對選定小區進行日照分析，主要對空間中的立面進行分析，所得立面日照結果如圖3所示。

4.2 整體日照情況分析

從整體立面日照分析圖中可看出該小區立面日照基本能夠滿足保定地區日照標準要求，但每棟樓的日照輻射情況各有不同，差異較大。通過統計分析可以發現該小區高層建筑中的1到3層中，只有7%的建筑日照時間可以達到8h，11%的建筑日照時間可以達到7h，13%的建筑日照時間可以達到6h，18%的建筑日照時間可以達到5h，37%的建筑日照時間可以達到4h，大約64%的建筑日照時間在3h以內。

圖3 小區立面日照分析

4.3 立面區段日照情況分析

繼續針對立面進行更深入的分析，選取每3層作為一個區段進行分析。

1～3層區段日照情況分析，除第一排的1～3號樓和第二排的3～10號樓外，該小區1到3層的日照時間大部分在3h左右或不足3h，30%左右建筑的1～3層日照時間在2h及以下，隨著樓層向北布置逐漸趨近2h，日照輻射條件較差。可以看出該小區1到3層的太陽能構件在冬季時候大部分時候會處于無法正常工作狀態，建筑獲得的日照輻射也較為有限。

4～6層區段日照情況分析，在該區段大約14%的日照時間可達到8h左右，16%的建筑日照時間可達到6h，17%的日照時間可達到5h，37%的建筑日照時間可達到4h，63%的日照時間在4h以下。立面日照時間隨著樓層向北布置逐漸趨近2h，日照情況同樣不太理想。

7～10層區段日照情況分析，大約14%的建筑日照時間可以達到8h，17%的建筑日照時間可達到6 h，21%的建筑日照時間可達到5 h，50%的建筑日照時間可達到4 h，日照情況有所改善。

該小區的11層到14層立面日照時間隨著樓座從南向北布置逐漸由8 h向4 h趨近，15層到18層立面日照時間從南向北逐漸由8 h向5 h趨近，19層到22層立面日照時間從南向北逐漸由8 h向6h趨近，23層到25層立面日照時間從南向北逐漸由8h向7h趨近，26層以上建筑立面日照時間基本能夠全部達到8h以上。

5 高密度建筑空間利用太陽能利用分析

我國制定了相關政策推動太陽能建筑的快速發展，在此之下，各個城市開始推廣太陽能技術在建筑中進行應用。但是，隨著城市化過程的加速，建筑密度不斷提高，高大的建筑會對后排建筑產生遮擋，日照輻射削弱比較嚴重，太陽能構件獲得的能量也會減少，建筑對太陽能的利用總量也會減少。冬季氣溫低，日照時間短，日照輻射的能量主要集中在早上9:00至下午15:00，占全天90%以上[5]，我國《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》中對建筑太陽能利用提出要求，要求應滿足不少于4h的日照[6]。

通過對保定地區高密度城區立面日照環境進行分析可以發現，在高密度建筑居住區，以第一、第二排建筑對太陽能利用潛力最高，均可以達到4h以上的太陽能利用日照時數要求；第三、四排建筑7層以下大部分建筑立面不能滿足4h日照時數要求；第四、五排建筑11層以下大部分建筑立面不能滿足4h日照時數要求。因此通過研究可以發現，在本小區太陽能構件安裝時并不需要每戶都進行安裝，在前兩排可以全部安裝，三、四排7層以上住戶安裝，四、五排11層以上住戶安裝。

可見，在高密度城區布置太陽能構件時需要考慮空間中的日照輻射分布情況，根據立面上的日照分布情況進行布置，才能最大的發揮太陽能構件的利用價值，挖掘出最佳的太陽能利用潛力。

6 結語

我國寒冷地區城市太陽能資源豐富，但是在太陽能利用時需要考慮高密度城市所帶來的影響，充分考慮空間中的太陽輻射分布情況，根據高層建筑周邊的環境，對高層建筑街區形態進行調整，挖掘太陽能利用潛力。同時，要分析高層建筑的空間日照情況，根據太陽輻射在高層建筑空間分布情況與特點，適當布置太陽能構件，充分發揮太陽能構件的利用潛力。