顾及建筑功能的城市建筑屋顶与立面光伏潜力评估

彭一诺， 罗忆帆， 招扬， 张健明， 李泳芯， 李桦， 林锦耀

（广州大学地理科学与遥感学院）

1 引言

随着社会经济的不断发展，能源需求将持续增长，太阳能以其清洁、高效的优势引起了国内外众多学者的关注。虽然我国拥有的太阳能资源相当于1.9万亿t标准煤，发电量可达96亿kW，然而目前装机容量仅有6000kW[1]。

光伏设备安装的价格高昂，而政府的成本预算有限，难以覆盖全部区域，而且并非所有建筑都适宜安装光伏板[2]。故需要对城市建筑进行选择性的光伏安装，而对城市建筑进行光伏潜力评估，有助于政府完成光伏发展布局的决策。国内外已有不少学者进行了城市光伏发电潜力的探索。例如，Liu[3]通过GIS提取建筑物集中区域，结合气象数据和航空地图，估计可用的屋顶光伏系统的潜力。Hofierka[4]利用3D城市模型和开源太阳辐射工具来评估建筑物屋顶的光伏潜力。一些学者利用激光雷达数据，结合太阳辐射模型和阴影遮挡模型，实现建筑物表面的精细光伏潜力模拟[5-7]。还有学者提出使用CityGML模型来量化城市和区域尺度上的光伏潜力[4,8]。随着航拍技术的发展，有学者利用航拍图像从而生成视觉上更加详细、更加逼真的3D城市模型[9]。此外，还能采用基于GIS和多标准决策方法的光伏发电潜力评估系统对不同国家的光伏潜力进行评估[10-11]。一些学者将机器学习方法，如随机森林、神经网络等与GIS集成，以预测和评估光伏能源系统和屋顶上太阳辐射潜力[5,12-15]。

然而，国内外学者对于屋顶立面一体化的光伏潜力评估研究较少，并且忽略了建筑功能对不同建筑物光伏潜力的影响。基于此，本研究将结合DSM、建筑轮廓、城市功能区、行政区划等数据，开展大范围尺度的建筑光伏潜力的精细评估，为城市规划和缓解能源紧缺问题提供参考。

2 数据与方法

2.1 研究区概况与数据

深圳市地处亚热带季风湿润气候，太阳辐射年总量在4759MJ/m2～5116MJ/m2之间，具有明显的太阳能资源优势。深圳政府也为发展大规模光伏发电提供了坚实的政策和财政支持，并且深圳建筑群落三维构造多样化，其研究的结果可以较好地为不同类型的建筑群提供参考。

本文首先在国家基础地理信息中心获取DSM数据，运用太阳辐射工具计算深圳地区地表的日照辐射量；然后根据高德地图的深圳市建筑数据，使用ArcMap进行建筑屋顶的朝向和坡度分析；利用来源于清华大学的城市功能区数据，为各建筑赋予功能属性；在立面三维分析方面，本项目选取典型居住建筑群——六约新村作为分析对象，结合ArcScene、Rhino7软件建立三维模型。本文研究流程见图1。

图1 建筑屋顶光伏潜户评估研究流程

2.2 研究方法

2.2.1 太阳能辐射区域分析

太阳能辐射区域分析可计算某处整个地表的日照，在计算过程中考虑大气效应、地点的纬度和高程、坡度和罗盘方向、太阳角度的日变化和季节性变化以及周围地形投射的阴影所带来的影响。

2.2.2 山体阴影分析

山体阴影分析通过为栅格中的每个像元确定照明度，来获取表面的假定照明度。通过设置假定光源的位置并计算每个像元相对于相邻像元的照明度值来实现此目的。该方法是将光源视为位于无穷远处，太阳属于平行光源，考虑光照入射角度和阴影，基于表面栅格创建地貌晕渲栅格，取值范围为0～255。

2.2.3 三维日照分析

本文使用的Ladybug Tools是基于Rhino中Grasshopper平台的参数化建筑及建筑群体热环境及能耗模拟系列插件。主要通过输入气象条件和日照数据，在对数据处理后可反映特定地区气候环境下的气象数据和变化，或与建筑模型结合，分析特定模型设计与环境数据之间的直接关系。

3 结果与分析

3.1 深圳市建筑屋顶光伏潜力

本研究针对深圳市131410栋建筑的屋顶展开包含朝向、坡度、日照、建筑功能四个尺度的光伏适宜性分析，最终筛选出24702栋在屋顶适宜发展光伏发电的建筑，占深圳市建筑总量的15.7%，面积总和约为20km2。同时，该部分高潜力建筑大多数集中于深圳市西南部如宝安区、南山区、福田区等人口数量大、建筑密集程度高的区域。在北部如光明区、龙华区、龙岗区也有较多适宜发展屋顶光伏发电的建筑，而东部地区如盐田区、坪山区、大鹏新区的高光伏潜力建筑则相对较少。总体而言，深圳市光伏发电的整体潜力较高，在屋顶布局光伏设施的可行性大。

建筑自身承担的功能对在其表面推进光伏工程会产生重要影响，如公共用地因政府相关政策对光伏的大力推广和自身较大的用电需求，更利于发展光伏建设。本文充分考虑了各类建筑功能对发展光伏发电的影响，筛选了7199栋不适宜发展屋顶光伏的建筑。在此基础上，本文将高光伏潜力建筑根据建筑功能分类。从数量上看，住宅建筑适宜发展光伏的建筑最多，共有10646栋建筑，其次为公共建筑，有6449栋；工业建筑和商务建筑中高潜力的个体明显少于前两者，分别为1956栋和4337栋。高潜力的工业建筑在空间上分布比较均匀，而其余的公共、住宅、商务建筑则都呈现向西南聚集，东部稀疏的分布特征。

本文基于DSM数据进行太阳辐射量计算，得出深圳全市年辐射总量。统计得出高光伏潜力地区建筑的年均辐射，进行一定的单位换算以及发电损耗效率的考虑后，得到结果：高潜力建筑一年可发电75亿kW·h电，是深圳年用电量的7%，相当于一年可节省标准煤30亿kg、二氧化碳75亿kg。由此可见，在深圳市进行合理的光伏布局可以有效缓解城市用电资源紧张，同时降低碳排放，助力绿色低碳城市构建的同时还能带来可观的经济效益。

3.2 深圳市六约新村建筑群立面的三维光伏潜力

六约新村位于深圳市龙岗区，是横岗街道各项活动走在前头的龙头社区，作为较为典型的深圳住宅建筑群，其中包含单体住宅楼二十栋（为便于识别，本文将二十栋建筑分别编号为字母A至T）。通过Rhino的ladybug工具，本文计算冬至日内该建筑群每一立面受到太阳直射的时间（见图2、图3）。在朝南的立面中，建筑F、G、H、I、M、L部分立面在冬至日内接受太阳直射的时长低于3h；建筑C、D则受到南边的B栋遮挡，部分立面（特别是中低层）接受太阳直射的小于6h；A因其建筑自身的形状弧度，立面有较大部分太阳直射时长低于3h的区域；此外，其余建筑的朝南立面在冬至日内，大多超过9h；同时，在朝北一方的立面上，基本上所有建筑在冬至日这一天被太阳光直射的时间都小于等于1h，部分侧立面在4h～6h之间，光照条件较差。

图2 六约新村遥感图

作为城市化的象征和农民上楼的典范工程，六约新村的楼距布局合理，南面的J、K、Q、R、S、T六栋建筑以及B、O、N、P四栋向外凸出的部分日照条件最优，预计能达到较好的发电效果，同时具有安装光伏的光照条件和技术条件，可判定为高光伏潜力区域，推荐在这部分建筑立面上进行光伏发电板的铺设和安装。与此同时，六约新村朝北的立面在冬至日内的太阳直射时长堪忧，发展潜力低下，不建议安装。在屋顶部分，朝向良好且光照条件优良，故该建筑群的屋顶都具有较高的光伏发展潜力，判定为高光伏潜力屋顶。

4 讨论与结论

4.1 讨论

高光伏潜力屋顶呈现西南多，东部少的现象，原因在于深圳市人口数量大、经济活力高的地区主要集中在西部；东部的人口相对来说较少，建筑也更稀疏；其次，光伏设施布局对光照的要求高，南部的建筑有更好的日照优势，在冬至日内符合光照要求的建筑数量更多。

在光伏发电设施铺设的过程中，除了建筑表面的辐射、热量等自然因素，也应当考虑社会经济因素，因此，对建筑开展表面光伏潜力的评估，应当结合建筑本身在城市区域中所承担的职能。研究发现在完成了朝向、光照、坡度三个层次的适宜性分析基础上，深圳市共有7199座因其建筑功能不适宜而被剔除，被剔除的建筑一般是道路与交通建设、绿地和广场建筑等，虽然有部分机场、高铁站等会安装光伏设施，但其发电量比较小，收益不高，安装的技术要求也比较高；而绿地和广场可供安装光伏发电设施的载体十分有限，而且其承担的生态效益也使得其他功能的改造更加艰难。

最后，光伏屋顶的技术在目前来说较为成熟，但尽管如此，在冬冷夏热又人口数量大的深圳，加之建筑高度越来越高，相对可利用的屋顶面积远远满足不了城市的需求，因而本项目积极寻找在建筑立面发展光伏发电的可能，为后续开展更大范围的光伏建筑一体化提供理论支持和实践参考。

4.2 结论

①在建筑屋顶的光伏潜力评估中，对于深圳市而言，在建筑屋顶发展光伏的可行性较高、潜力大；高潜力建筑大多集中于深圳市西南部。东部则较少适宜发展屋顶光伏的建筑。②在建筑功能上看，住宅建筑适宜发展光伏的建筑最多，其次为公共建筑，工业建筑和商务建筑最少。③本文对深圳高光伏潜力屋顶进行了收益预估计算，高光伏建筑屋顶发展光伏发电后，一年可发电75亿kW·h电，相当于可节省标准煤30亿kg、二氧化碳75亿kg。④本文选取深圳典型住宅建筑群六约新村，进行三维建筑的光伏潜力分析，分析结果得到，处于建筑群西边及南边的十栋建筑，可选取其朝南立面进行光伏发电设备的安装和铺设；其次，该建筑群所有单体建筑的屋顶均具有较高的光伏潜力，推荐进行光伏发电设施的安装。