城市街道理论可照时数及住宅朝向分析

高 操 ，刘 倩，姚金雄

(1. 国电环境保护研究院，江苏 南京 210031；2. 南京信息工程大学应用气象学院，江苏 南京 210044；3.国网陕西省电力有限公司，陕西 西安 710048)

0 引言

光照条件对城市运转有许多有利的方面，比如，光照有益于人体健康，可以提高室内温度，有良好的取暖和干燥效应，增强建筑物的立体感，促进钙的吸收，保证绿地生长等。随着城市化进程的加快，居民的生活水平也越来越高。与此同时，城市化也带来了许多问题，比如，城市的建筑密度越来越大，建筑高度的增高和间距的减小，使得城市街道的可照时数越来越少。近年来，街道的日照条件问题也逐渐成为建筑开发和民众关心的热点，不断出现的“阳光权”纠纷事件也反映了现代人们对健康生活条件的追求。

目前，国内外学者对于复杂地形下的日照时间的计算进行了不少研究。傅抱璞[1-2]首次提出了非水平面日出、可日落时角的计算公式，并分析了坡向、坡度、地形遮蔽对于山地的日照条件的影响；翁笃鸣[3-4]提出用图解方法确定起伏地形中任一点的照时间，确定作物高度、行向、行距以及赤纬、地方纬度对农田中的日照条件的影响；孙汉群[5]等提出用判别式方法来确定坡面的日出、日落时角；Williams[6]、Garnier[7-8]等给出了不同山地直接辐射日总量的计算方法。非水平面的日出、日落时角计算方法的提出为街道可照时数的计算提供基础，基于该原理，周淑贞[9]研究了上海住宅朝向对城市日照的影响，左小瑞[10]等和蒋梦姣[11]等分别对黄山市和资阳市的街道的理论日照时间进行了分析。那么，房屋建筑朝向、街道和房屋的相对高宽比对不同纬度的城市街道日照时间的影响是否一致呢？

本文基于非水平面的日出、日落时角计算方法，选择位于三个不同纬度，研究街道可照时数随纬度、街道高宽比、街道走向的季节变化规律，为城市建筑的设计和城市规划中合理利用光照条件提供科学的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

选取中国区域的三个不同纬度：黑龙江省的漠河市(52.97°N)、淮安市(33.58°N)和海南三沙市(16.86°N)为代表进行研究。规定城市街道方向以正南方向为0°(街道法线方向γ)，顺时针为正，逆时针为负，计算不同纬度中不同街道走向S-N(南-北向)、E-W(东-西向)、SE-NW(东南-西北向)，不同楼层高度和街道宽度比H/L (0.5～5.0)下不同季节的街道可照时数。春/秋分、夏至和冬至的太阳赤纬δ分别为0°、23.5°、-23.5°。

1.2 计算方法

1.2.1 地平面上可能日照时数计算

可能日照时数是指某地点四周不存在任何地形、地物遮蔽的情况下接受日照的时间，它主要受该地点的地理纬度、经度及季节的影响。太阳高度角的计算公式为[12]：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω(1)

式中：h太阳高度角；φ地理纬度；δ赤纬；ω时角。

在日出、日落时，太阳位于地平面上h=0，由公式(1)可知：

sinφsinδ+cosφcosδcosω=0(2)

则此时日出、日落时角为：

ω0=arccos(-tgφ·tgδ)(3)

设ω0为开阔平地日出、日落时角，日出时角为负值，日落时角为正值[13]。设N为昼长，则地平面上可照时数为:

(4)

式中：N0地平面上可照时数，h；ω0单位为角度。

由于一般情况下，测站地平线上均有高度角不同的障碍物围绕，以及日出、日落时受大气层影响，太阳直接辐照度小等原因，实照时数总是小于可照时数[14-17]。这里，定义由于街道前后行的遮挡而造成的街道开始或终止日照时的实际日出、日落时角为ωs。也就是说实际日出、日落时角ωs不能大于水平面上没有任何遮挡时的时角ω0。

由此，得到决定街道实际可照时数的第一个条件是│ωs│≤│ω0│。若出现│ωs│>│ω0│的情况，由于我国地理纬度范围内不会出现极昼现象，所以此时的实际日照时数取0，全天无日照。

1.2.2 最大仰角和正午太阳高度角计算

假设城市街道是按一定的行向行距排列，构成了不同行向前后行房屋之间的相互遮蔽，并影响街道的日照条件。设街道两侧的房屋高度为H，街道间距为L，那么前后向房屋遮蔽的最大仰角α(指由街道的法线方向造成的遮蔽)就等于[4]：

北半球的正午太阳高度角h0为：

h0=90°-(φ-δ)(6)

对于东-西走向的街道来说，当正午太阳高度角小于最大仰角时，街道南侧的房屋始终都会对街道造成遮挡，街道中全天都无日照。由此，对于东-西走向的街道来说，除了第一个决定条件外，还要满足 ，即若最大仰角α大于正午太阳高度角h0，则取全天无日照。

1.2.3 街道遮蔽时实际可照时数计算

在不考虑云的影响，街道的可照时间取决于受到太阳照射的时间。若街道足够长，且房屋高度、走向、间距都保持大致不变的情况下，前排房屋对后排的遮蔽角。

计算得到太阳高度角等于前后向房屋的遮蔽角，即街道中开始或终止日照的实际日出、日落时角ωs计算公式[4]为：cosωs=

因此，街道实际日照时数Ns为

(8)

式中：Ns的单位为小时，ωs的单位为角度。

从上面两个决定条件可知：若│ωs│> │ω0│则取全天无日照；对于东-西走向街道来说，若最大仰角α大于正午太阳高度角h0，全天无日照；若计算出来结果无解，则没有日照。

2 结果与分析

2.1 可照时数随地理纬度的变化

图1给出了在春/秋分、夏至日和冬至日不同纬度上不同街道走向的可照时间。图中a、b、c分别代表春/秋分、夏至日、冬至日；I和II分别代表不同段，Pi为转折点。在春/秋分时(图1a)，南-北走向街道的可照时数始终是随着纬度的增加而减少。东南-西北走向街道可照时数随纬度的变化不一致。东-西走向街道的可照时数曲线被分成了两段(Ⅰ和Ⅱ)：在曲线Ⅰ段，不存在东侧或西侧房屋对街道日照的遮挡，可照时数均为12h；在曲线Ⅱ段，可照时数均为0h。

在夏至日时(图1b)，东南-西北走向街道的可照时数始终随着纬度的增加而增加。南-北走向街道的可照时数随纬度的变化不一致。东-西走向街道的可照时数在不同的纬度呈现不同的变化，低纬的可照时数小于中纬；高纬度被分成两段，在转折点P前，可照时数随着纬度的增加而增加；当大于临界高宽比，可照时数为0。

在冬至日时(图1c)，南-北走向街道的可照时数始终是随着纬度的增加而减少。东南-西北走向街道的可照时数随纬度的变化并不一致。东-西走向街道的可照时数曲线被分成了两段，曲线Ⅰ段可照时数随着纬度的增加而减少，曲线Ⅱ段可照时数均为0。转折点P对应的临界高宽比大小是P3>P2>P1，即随着纬度的增加，影响街道中可照时数的临界高宽比是减小的。

图1 不同纬度的不同街道走向在不同赤纬的可照时数变化

2.2 楼层与街道高宽比的影响

从图1可以看出，对于不同纬度来说，街道高宽比对街道可照时数的影响趋势是一致的。因此，以中纬度为例，分析楼层与街道高宽比对街道可照时数的影响，得到三种街道走向，春/秋分、夏至和冬至可照时数随街道高宽比的变化如图2所示。图中a、b、c分别代表南-北走向、东南-西北走向和东-西走向街道；I和II分别代表不同段，Pi为转折点。对于南-北走向和东南-西北走向街道(图2a-2b)，春/秋分、夏至和冬至时街道可照时数始终随街道高宽比的增加而减少。对于东-西走向街道(图2c)，在夏至日时，街道中可照时数最长，可照时数随街道高宽比增加而减少；春/秋分和冬至时，可照时数曲线被分为两段(Ⅰ和Ⅱ段)。对应的转折点分别为P2和P1，转折点对应的临界高宽比是P2>P1，即随着赤纬的增加，街道中存在日照的临界高宽比是增加的。

2.3 街道走向的影响

从图3可以看出，不同纬度在冬至日时都是东南-西北走向街道可照时数最多，但是随着街道和楼房高度比的变化，不同街道走向的影响也不同。图中a、b、c分别表示低纬度、中纬度、高纬度；I和II分别代表不同段不同纬度。在春/秋分时，在H/L达到临界高宽比前，东-西走向街道可照时数最多，东南-西北走向次之，南-北走向最少；当H/L超过临界高宽比时，东-西走向街道可照时数均为0，并且这个临界高宽比是随着纬度的增加而减小。在夏至日时，对于中低纬度，东-西走向街道可照时数最多，东南-西北走向次之，南-北走向最少；东南-西北和南-北走向的可照时数在低纬度差别很小，随着纬度增加而变大。对于高纬度，在H/L达到临界高宽比前，东-西走向街道可照时数最多，东南-西北走向次之，南-北走向最少，但是达到临界高度后，东-西走向街道可照时数为0。

2.4 太阳赤纬的影响

由上述分析可知，东-西走向街道在不同的季节有日照，必须保证H/L小于临界高宽比，否则由于南侧房屋对北侧的遮挡，可照时数为0。为尽量减少房屋遮蔽的影响，选取街道高宽比H/L为0.5研究不同纬度在不同街道走向时可照时数随太阳赤纬的变化(图4)。图中a、b、c分别表示低纬度、中纬度、高纬度。

图2 淮安市三种街道走向不同赤纬下可照时数随高宽比变化

图3 三个城市同一赤纬不同街道走向可照时数变化

图4 三个城市可照时数随太阳赤纬的变化(H/L=0.5)

从图4中可以看出，对于南-北和东南-西北走向的街道，三个城市街道可照时数都是随着赤纬的增加而线性增加，只是纬度不同，变化率不同。对于南-北走向街道，纬度越高，可照时数随赤纬的变化率越大；而对于东南-西北走向的街道，变化率最小的是在中纬度，最大是在高纬度。对于东-西走向街道，当太阳赤纬≤-5°时，三个纬度的街道均无日照，当太阳赤纬>0°时，低纬度的可照时数随太阳赤纬增加而减少，但是夏至日与春/秋分的差异仅为0.57h，中纬度的可照时数始终为12h，高纬度的可照时数随太阳赤纬的增加而增加，夏至日与春/秋分相差1.66h。

3 结论与建议

(1)街道和楼层的高宽比对不同街道走向的可照时数影响有很大区别。在本研究中，随着高宽比的增加(0～5.0)，南-北走向和东-西走向的街道没有达到临界高宽比，故此，一年四季都存在光照。而东-西走向的街道出现临界高宽比，并且临界高宽比随着纬度的增加而减小。

(2)街道走向对可照时数也有明显的差异。冬至日时东南-西北走向街道可照时数最多，南-北走向次之，东-西走向最少；在春/秋分和夏至日时在临界高度前东-西走向街道可照时数最多，东南-西北走向次之，南-北走向最少，在达到临界高度后东-西走向街道可照时数为0。

(3)对于南-北和东南-西北走向的街道，街道可照时数都是随着赤纬的增加而线性增加，但是对于东-西走向的街道，在赤纬小于临界赤纬时，没有日照，而大于临界赤纬后，可照时数随着赤纬先快速增加而后缓慢增加。

总体来说，街道和楼层的高宽、赤纬等对东-西走向街道的影响要复杂些。对于城市规划，要根据各地的实际情况，选择比较合适的街道走向、街道和楼层高宽比，合理的提高光照条件。城市街道的规划除了要考虑日照的因素，还要结合风速、风向等因素。近年来，城市的建筑密度越来越大，城市热岛效应也越来越受到关注，建设城市的通风廊道可以有效缓解城市热岛现象。特别是主导风向的迎风面，通风廊道的导风作用明显，街道界面与通风廊道交接处风速增加，对于街区内部空气流动有积极作用。

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