城市高密度建筑空间太阳能利用潜力研究

牛炳玲 ，李纪伟 ，苏越怡 （河北大学建筑工程学院，河北 保定 071002）

1 引言

上世纪末开始，我国城市规模不断扩大，城市人口逐渐增加，城市空间面貌不断改变。为了应对城市人口的增长，城市土地的不足，我国提出了发展紧凑型城市的要求。在这种情况下开始加快高层建筑建设，城市建筑密度越来越高。虽然这种方法较好地解决了城市用地和人口增长问题[1]，但是高密度的建设方式同样产生了较多问题，如建筑日照、建筑通风等。而且高层建筑几何条件越来越复杂，城市空间的日照环境也越来越复杂，因此，需要对高密度城市空间的日照情况展开研究。

2 国内外日照设计现状

目前我国进行日照分析或研究通常采用众智、斯维尔等软件，国外则通常使用 UK.SHADOWPACK、TOWNSCOPE、GOSOL等。目前我国在日照设计中，通常以大寒日为计算日期，通过计算建筑的满窗日照时间，来判断是否达到日照要求，通常以2h或3h为判断依据。国外的日照标准与我国略有不同，荷兰的日照计算时间为2月19日，判断标准是以建筑内窗台中点为计算点，测试日照时数，法国则对全年和每日的日照时间都提出了要求[2]，日本则根据建筑用地红线作为计算基准，要求在用地红线10m以外不能产生日照阴影[3]。可见目前国内外的法规和标准都是停留在对平面上的日照时数的要求，而高密度城市中空间日照环境尤为复杂，单纯依靠平面分析很难考查出建筑空间中的日照情况，也不能分析出高密度建筑空间的太阳能利用潜力情况[4]，因此有必要对高密度城市空间中的日照情况进行分析，研究空间中的太阳能利用潜力。

3 城市建筑密度区位分析

城市中建筑密度分布并不均匀，通常情况是老城区建筑密度低，新城区建筑密度高，研究高密度城市首先需要研究城市建筑布局情况。以保定市为例对城市高建筑密度布局情况进行分析，首先在卫星图进上进行截取，然后进行矢量处理，再将其色阶进行调整，将其建筑所形成的阴影区绘制成图，如图1所示。低层建筑或者多层建筑的阴影较小，高层建筑形成的阴影面积较大，如图中A、B、C位置。通过这张处理过的地图发现保定市城市北部的颜色较深，其次是东部。而南部和西部颜色较浅，并且深色区域集中在北部以及东部的周边，尤其是东北部集中了大部分的阴影面。由此可以分析出，保定市的高层建筑基本分布在保定市中心城区的周边，这是因为保定市的中心区域为老城区，而周边有较大的场地。另外通过这张图发现保定市的高层建筑基本分布在保定市的北侧及东北侧，这是由于保定市较为重视北部以及东北部的发展。综合上述分析，研究将选取保定市北部某高层居住区作为研究对象，研究高密度城市日照规律。

4 高密度建筑空间日照分布情况

4.1 案例选取

图2 小区总平面图及建筑编号

以保定市北部某高层建筑小区为例进行分析，提取总图并进行编号，如图2所示。小区住宅中南向立面窗沿下均安装有太阳能热水器，但由于层数不同，同一立面上不同高度的日照情况可能有所不同。因此，需要对建筑不同空间高度的日照情况进行分析，找到规律，分析太阳能利用潜力。根据保定市城市规划管理规定，遮挡建筑为高层建筑及多、高层建筑混合布置时，需要进行综合日照分析，根据规范对选定小区进行日照分析，主要对空间中的立面进行分析，所得立面日照结果如图3所示。

4.2 整体日照情况分析

从整体立面日照分析图中可看出该小区立面日照基本能够满足保定地区日照标准要求，但每栋楼的日照辐射情况各有不同，差异较大。通过统计分析可以发现该小区高层建筑中的1到3层中，只有7%的建筑日照时间可以达到8h，11%的建筑日照时间可以达到7h，13%的建筑日照时间可以达到6h，18%的建筑日照时间可以达到5h，37%的建筑日照时间可以达到4h，大约64%的建筑日照时间在3h以内。

图3 小区立面日照分析

4.3 立面区段日照情况分析

继续针对立面进行更深入的分析，选取每3层作为一个区段进行分析。

1～3层区段日照情况分析，除第一排的1～3号楼和第二排的3～10号楼外，该小区1到3层的日照时间大部分在3h左右或不足3h，30%左右建筑的1～3层日照时间在2h及以下，随着楼层向北布置逐渐趋近2h，日照辐射条件较差。可以看出该小区1到3层的太阳能构件在冬季时候大部分时候会处于无法正常工作状态，建筑获得的日照辐射也较为有限。

4～6层区段日照情况分析，在该区段大约14%的日照时间可达到8h左右，16%的建筑日照时间可达到6h，17%的日照时间可达到5h，37%的建筑日照时间可达到4h，63%的日照时间在4h以下。立面日照时间随着楼层向北布置逐渐趋近2h，日照情况同样不太理想。

7～10层区段日照情况分析，大约14%的建筑日照时间可以达到8h，17%的建筑日照时间可达到6 h，21%的建筑日照时间可达到5 h，50%的建筑日照时间可达到4 h，日照情况有所改善。

该小区的11层到14层立面日照时间随着楼座从南向北布置逐渐由8 h向4 h趋近，15层到18层立面日照时间从南向北逐渐由8 h向5 h趋近，19层到22层立面日照时间从南向北逐渐由8 h向6h趋近，23层到25层立面日照时间从南向北逐渐由8h向7h趋近，26层以上建筑立面日照时间基本能够全部达到8h以上。

5 高密度建筑空间利用太阳能利用分析

我国制定了相关政策推动太阳能建筑的快速发展，在此之下，各个城市开始推广太阳能技术在建筑中进行应用。但是，随着城市化过程的加速，建筑密度不断提高，高大的建筑会对后排建筑产生遮挡，日照辐射削弱比较严重，太阳能构件获得的能量也会减少，建筑对太阳能的利用总量也会减少。冬季气温低，日照时间短，日照辐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]，我国《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中对建筑太阳能利用提出要求，要求应满足不少于4h的日照[6]。

通过对保定地区高密度城区立面日照环境进行分析可以发现，在高密度建筑居住区，以第一、第二排建筑对太阳能利用潜力最高，均可以达到4h以上的太阳能利用日照时数要求；第三、四排建筑7层以下大部分建筑立面不能满足4h日照时数要求；第四、五排建筑11层以下大部分建筑立面不能满足4h日照时数要求。因此通过研究可以发现，在本小区太阳能构件安装时并不需要每户都进行安装，在前两排可以全部安装，三、四排7层以上住户安装，四、五排11层以上住户安装。

可见，在高密度城区布置太阳能构件时需要考虑空间中的日照辐射分布情况，根据立面上的日照分布情况进行布置，才能最大的发挥太阳能构件的利用价值，挖掘出最佳的太阳能利用潜力。

6 结语

我国寒冷地区城市太阳能资源丰富，但是在太阳能利用时需要考虑高密度城市所带来的影响，充分考虑空间中的太阳辐射分布情况，根据高层建筑周边的环境，对高层建筑街区形态进行调整，挖掘太阳能利用潜力。同时，要分析高层建筑的空间日照情况，根据太阳辐射在高层建筑空间分布情况与特点，适当布置太阳能构件，充分发挥太阳能构件的利用潜力。