寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良光學(xué)折射模型

張一飛

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，150001 哈爾濱)

寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良光學(xué)折射模型

張一飛

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，150001 哈爾濱)

為了改善寒地居住區(qū)日照不足狀況，運用寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良模型和光學(xué)折射原理，通過光學(xué)折射元件使太陽輻射轉(zhuǎn)移到寒地居住區(qū)場地陰影區(qū)，擴(kuò)大場地日照范圍，改善日照質(zhì)量.光學(xué)仿真模擬結(jié)果表明理論模型具備可操作性，并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行驗證與優(yōu)化，初步確定模型的主要元件參數(shù)，推算動態(tài)日照時段下設(shè)備工作運行軌跡.寒地居住區(qū)場地日照質(zhì)量得以改良，能夠提高既定城市用地的建設(shè)容積率，使其開發(fā)使用效率得以提升，進(jìn)而節(jié)約城市建設(shè)資金.關(guān)鍵詞:寒地;居住區(qū);日照;容積率;光學(xué)折射

中國的緯度北至北緯 53.5°，南至北緯19.53°［1］，南方太陽高度角比北方高得多，導(dǎo)致南北方的日照間距系數(shù)存在巨大差異，最北部的黑龍江省日照間距系數(shù)為1.8，而最南部的海南島則為0.5.北方惡劣的自然條件決定了必須用數(shù)倍的城市用地來建設(shè)同樣的建筑面積，但即使這樣日照質(zhì)量也比南方低得多.

目前國內(nèi)關(guān)于日照質(zhì)量改良的研究方向有建筑朝向、居住區(qū)規(guī)劃布局形式［2］等領(lǐng)域，或從日照補償?shù)瘸鞘幸?guī)劃政策角度來研究［3］;對于太陽高度角以及入射角度［4］、建筑日照分布［5］、建筑日照模型等的研究相對比較成熟，這些研究都是運用各種仿真或測量手段來模擬居住區(qū)日照環(huán)境，選取最優(yōu)的建筑規(guī)劃布局形式，使建筑物之間彼此遮擋效應(yīng)最小化，進(jìn)而在既定的太陽輻射量下達(dá)到較為理想的日照條件.不過通過調(diào)整布局形式來優(yōu)化日照質(zhì)量畢竟是一種被動的優(yōu)化現(xiàn)狀方法，沒有從根本上提高太陽輻射量.

目前尚未發(fā)現(xiàn)在居住區(qū)規(guī)劃領(lǐng)域應(yīng)用太陽能光學(xué)折射、反射來提高日照質(zhì)量的相關(guān)研究;不過在其他研究領(lǐng)域一些學(xué)者取得了諸如球面折射型太陽能低倍聚光器［6］、改進(jìn)型太陽能最大功率點跟蹤控制與仿真［7］、新型太陽能光電自動跟蹤系統(tǒng)［8］等提高太陽能光學(xué)效率的相關(guān)研究成果.

寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良模型從另一種角度來進(jìn)行日照質(zhì)量優(yōu)化，運用光學(xué)原理使得太陽輻射進(jìn)行轉(zhuǎn)移，使太陽輻射轉(zhuǎn)移到寒地居住區(qū)場地陰影區(qū)，擴(kuò)大場地日照范圍，改善日照質(zhì)量.這是一種提高局部區(qū)域太陽輻射絕對量的改變現(xiàn)狀的主動方法.增加居住區(qū)內(nèi)部分被遮擋的建筑群體的絕對日照時長，提高居住區(qū)內(nèi)建筑群體的日照質(zhì)量可間接提高城市土地利用率.此研究的目的是提高寒地居住區(qū)居民活動頻率高發(fā)區(qū)的日照質(zhì)量;在不降低日照質(zhì)量的前提下提高規(guī)劃居住區(qū)的城市土地使用率.

采用國外光學(xué)行業(yè)認(rèn)可度極高的Tracepro光學(xué)仿真模擬軟件來對光學(xué)構(gòu)件參數(shù)及太陽輻射仿真環(huán)境進(jìn)行模擬，同時運用國內(nèi)的天正日照軟件來對太陽運行軌跡進(jìn)行定量分析.

1 模型工作原理及運作模式

寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良模型的核心思想是將較大區(qū)域的太陽輻射集中到較小區(qū)域中，進(jìn)而提高單位面積的日照質(zhì)量.實現(xiàn)這一目標(biāo)有賴于光學(xué)折射以及實現(xiàn)此光路的配套光學(xué)元件參數(shù)，通過光線折射原理將照射到南部建筑屋頂?shù)奶柟庹凵涞絻膳沤ㄖg的地面陰影區(qū)，進(jìn)而改善日照質(zhì)量.

此模型的基本構(gòu)造及工作原理見圖1，其主要構(gòu)件是兩個凸透鏡.一天中太陽的運行軌跡與光線入射角時刻在變化，首先按照固定位置確定光學(xué)元件尺寸，然后根據(jù)確定的尺寸推算動態(tài)運行軌跡，以適應(yīng)變化的太陽高度角.由于哈爾濱是中國北方較具代表性的寒地城市，因此初步試驗是針對哈爾濱市(北緯 45°37'，東經(jīng) 127°48')12月22日12:00來展開的，進(jìn)而根據(jù)特定的太陽高度角來計算精確的光學(xué)設(shè)備參數(shù)指標(biāo).

圖1中的兩棟建筑正南北向，日照間距系數(shù)為1.8，全部為6層，高18 m.A點位于北部建筑的窗臺處，距地面高度0.9 m;B點位于南部建筑的檐口處，距地面高度18.0 m.因此，根據(jù)日照間距計算公式可得出兩棟建筑的合理間距為30.78 m.(D=1.8H=1.8×(18.00－0.90)=30.78 m).

圖1 光學(xué)透鏡的結(jié)構(gòu)及工作原理

在安置兩組光學(xué)透鏡之前，臨界光線通過B點照射到A點，這種情況可對安置光學(xué)透鏡前后的照射區(qū)域進(jìn)行對比.在安置光學(xué)透鏡后，光線走向變得較為復(fù)雜.光線 S1、S2、S3、S4是 4條代表性的入射平行太陽光線，它們首先被透鏡C(其形狀為正常凸透鏡的下半部分)折射到了透鏡B(其形狀為正常凸透鏡的上半部分)處.根據(jù)光線折射定理［9］，折射光線 S1'、S2'、S3'、S4'的折射方向可被計算出來，從結(jié)果可看出它們被匯聚到了透鏡B所在的較小范圍.透鏡B比透鏡C要小得多，但是它接收到了相同當(dāng)量的光線.透鏡C的出射光線 S1'、S2'、S3'、S4'作為透鏡 B 的入射光線被透鏡 B 折射，產(chǎn)生的出射光線 S1″、S2″、S3″、S4″相對原始入射光線S1、S2、S3、S4發(fā)生了向下偏移，其地面投射范圍位于南部建筑形成的陰影區(qū).

新產(chǎn)生的日照投射區(qū)域包括兩部分，一部分是D點到A點的K區(qū)域，另一部分是L區(qū)域.L區(qū)域原本是陰影區(qū)，在試驗后轉(zhuǎn)變?yōu)槿照諈^(qū).而K區(qū)域則需要格外加以注意，這個區(qū)域是由透鏡B造成的遮擋范圍(由于透鏡B本身也會遮擋光線，所以透鏡B必須做得盡量小)，由于折射后的光線投射范圍包含了K區(qū)域，因此使這部分遮擋問題得以解決.

模型中實現(xiàn)的是日照輻射轉(zhuǎn)移，究其根本是將南部建筑屋頂接收的日照輻射量轉(zhuǎn)移到了兩排建筑之間的場地.場地中L區(qū)域日照得以增強，南部建筑屋頂日照有所削弱.由于太陽光對于輻射表面具有加溫效果，因此南部建筑屋頂日照減弱會造成一定程度的頂層房間室溫下降，不過這種日照帶來的加溫效果可以通過主動式太陽房、被動式太陽房、集熱墻體等技術(shù)手段加以替代;而場地日照增強與日照范圍擴(kuò)大目前卻還沒有成熟的技術(shù)手段來加以替代.模型中日照輻射轉(zhuǎn)移過程的核心主旨在于將有限地段內(nèi)稀缺的日照輻射集中到居民最需要的區(qū)域，經(jīng)過對南部建筑頂層房間室溫增強與場地日照增強是否具有可替代性的分析后，可得出日照轉(zhuǎn)移過程利大于弊的結(jié)論.

2 光學(xué)仿真模擬與參數(shù)修正

上述模型基于物理光學(xué)定理推算得出，需要進(jìn)一步的模擬分析加以證實.最初，研究人員試圖采用實體模型的方式來驗證模型的正確性，但在實際操作過程中，由于加工誤差的存在，使得實驗結(jié)果與理論模型差距較大.最終采用光學(xué)仿真模擬軟件Tracepro進(jìn)行模擬分析.

首先在AutoCAD中建立精確的實驗對象三維模型，輸出生成的三維模型文件，然后將其導(dǎo)入Tracepro進(jìn)行進(jìn)一步的精確運算.與事先預(yù)料的結(jié)果相似，前幾輪的模擬分析結(jié)果與理論模型并不完美吻合，存在一定程度偏差.為使模擬分析結(jié)果更理想，在后幾輪的模擬分析中，對透鏡的材質(zhì)、尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，最終得出較為理想的實驗結(jié)果(圖2).最終試驗結(jié)果的實驗對象材質(zhì)、折射率、尺寸等關(guān)鍵參數(shù)參見表1.

圖2 Tracepro軟件光學(xué)模擬分析圖像

表1 光學(xué)模擬分析參數(shù)

最后的模擬分析結(jié)果令人滿意，但是也存在一些不可忽視的問題，就是透鏡元件的厚度過大，直接導(dǎo)致成本增加、加工難度加大、自身重量過大，也降低了現(xiàn)實操作可能性.為了解決這一問題，實驗人員采用了厚度更薄、效率更高的菲涅爾透鏡來替代傳統(tǒng)透鏡［10］.

3 光學(xué)透鏡的運行軌跡計算

固定的光學(xué)透鏡雖然能夠發(fā)揮一定的作用，但是如果能根據(jù)太陽光入射角而進(jìn)行位置改變，那么光學(xué)透鏡將發(fā)揮最大功效.前面試驗是針對哈爾濱市12月22日12:00這一時刻展開的，下面將根據(jù)所確定的光學(xué)元件尺寸來推算12月22日日照時段光學(xué)透鏡的最佳運行軌跡.

前面已確定建筑的剖面尺寸，現(xiàn)在把與該剖面相垂直的縱墻長度設(shè)定為64 m.此次分析采用了6棟相同的建筑作為分析對象，它們山墻間距13 m，縱墻間距仍然為32.4 m.運用天正日照分析軟件，可得出既定建筑的陰影投射區(qū)(圖3).圖3中提供了從9:00到15:00(24小時制)的陰影范圍，分析間隔為半小時，共有13個陰影范圍.

根據(jù)圖3已有的地面陰影范圍，可反向推算得出這一時刻的太陽高度角，9點鐘的高度角為9.65°，見圖 4.

圖3 6棟建筑的全天候陰影投射區(qū)分析

圖4 9點鐘的太陽高度角推算

圖4中B代表入射太陽光的水平投影線與建筑西邊緣線的夾角，其值為41.1°;C代表入射太陽光的西墻投影線與建筑西邊緣線的夾角，其值為12.75°.而x則代表光學(xué)透鏡中心到建筑屋頂?shù)拇怪本嚯x，它是最重要的一項參數(shù);z代表建筑的進(jìn)深，它是已知值，為12 m;y代表由x、z構(gòu)成的三角形的另一邊.計算目的是根據(jù)所有A、B、C、z等已知元素推算出x值.

根據(jù)上式可推算出從9:00到15:00之間A、B的所有數(shù)值，見表2.

表2 各時刻A、B數(shù)值(°)

光學(xué)透鏡由于具備凸透鏡的光學(xué)特性，因此如果入射光線水平方向發(fā)生偏移、旋轉(zhuǎn)，光線仍然能夠匯聚到焦點所在的平行線上.由于光學(xué)透鏡恰好是沿東西平行方向布置，因此圖3中y值的改變不會對最終改良結(jié)果造成影響.同時A、B值是由太陽位置決定，因此最關(guān)鍵數(shù)值就是x的確定，這就決定了光學(xué)透鏡只需在垂直方向可移動即可.根據(jù)A、B數(shù)值可計算得出x在各時刻的數(shù)值，見圖5.

圖5 各時刻光學(xué)透鏡垂直位置數(shù)值

圖5數(shù)值代表了光學(xué)透鏡在各時刻需要在垂直方向做出的位移，其最大值為6.002 m，最小值為2.709 m.由于垂直方向與水平方向位移值的不同變化趨勢，最終導(dǎo)致了下午時段x值基本穩(wěn)定在6.000 m左右，這對于設(shè)備節(jié)能來說非常有益.由于最初試驗將光學(xué)透鏡尺寸規(guī)定為6.000 m高，而動態(tài)軌跡推算試驗的結(jié)果是上午時段并不需要總是維持這一高度，因此縱向可伸縮式結(jié)構(gòu)就可滿足這一功能的實現(xiàn).

5 結(jié) 語

寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良模型能將南部建筑屋頂接受的日照輻射轉(zhuǎn)移到南部建筑北部的場地上，進(jìn)而縮小南部建筑造成的陰影區(qū)，為北側(cè)建筑提供更大的日照區(qū)域.通過光學(xué)仿真模擬測算能夠高效地優(yōu)化模型參數(shù)，動態(tài)軌跡推算使得理論模型能夠適應(yīng)不同的太陽光入射角度.

對于建成居住區(qū)來說，寒地居住區(qū)日照質(zhì)量改良模型能夠在不改變現(xiàn)狀規(guī)劃布局形式的情況下達(dá)到更高的日照質(zhì)量.如果在規(guī)劃設(shè)計階段應(yīng)用此理論模型，可在維持居住品質(zhì)不變情況下提高城市用地使用效率.這種效果可減少投資建設(shè)成本，節(jié)約城市土地資源，對于緩解中國大城市人口壓力是一種有效的改良措施.

上述理論模型已基本構(gòu)建了日照增強的原理體系，如進(jìn)一步投入實踐應(yīng)用則需克服太陽入射角自動跟蹤、建筑頂層熱能補償?shù)燃夹g(shù)環(huán)節(jié)，這有賴于建筑節(jié)能與自動控制技術(shù)結(jié)合研究的展開進(jìn)行.除技術(shù)攻關(guān)外，后續(xù)研究也會結(jié)合規(guī)劃布局、建筑間距、建筑朝向等設(shè)計因素來對理論模型進(jìn)行優(yōu)化，使其實踐可行性得以增強，能夠應(yīng)對更多復(fù)雜情況.

［1］SCHWINGENSCHUH K，MAGNES W，ZHANG T L，et al.Low latitude magnetometer chain in China in the frame of the meridian project［J］.Adv Space Res，2000，25(7/8):1353－1356.

［2］李成剛，朱小紅，凌玲，等.面向住區(qū)規(guī)劃設(shè)計的日照分析研究［J］.計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28(8):43－47.

［3］顧秀莉，馮葉菁，周筱蘭.日照分析在城市規(guī)劃中的若干問題探討［J］.規(guī)劃師，2008，24(z1):78－81.

［4］徐豐，王波，張海龍.建筑日照分析中太陽位置計算公式的改進(jìn)研究［J］.重慶建筑大學(xué)學(xué)報，2008，30(5):130－134.

［5］羅慶，李百戰(zhàn)，姚潤明.城市建筑日照分布數(shù)字圖像分析［J］.太陽能學(xué)報，2006，27(12):1247－1252.

［6］王建平，王梓嵐，徐曉冰，等.一種球面折射型太陽能低倍聚光器的設(shè)計［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2012，26(2):107－112.

［7］陳剛，鄭桂斌，彭紅衛(wèi).一種改進(jìn)型的太陽能最大功率點跟蹤控制與仿真［J］.節(jié)能，2009，28(7):27－29.

［8］向歡，匡迎春，姚幫松，等.一種新型太陽能光電自動跟蹤系統(tǒng)［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2013，39(1):103－106.

［9］PARAZZOLI C G，GREEGOR R B，NIELSEN J A，et al.Performance of a negative index of refraction lens［J］.Applied PhysicsLetters， 2004，84(4):3232－3234.

［10］XIE W T，DAI Y J，WANG R Z，et al.Concentrated solar energy applications using Fresnel lenses:a review［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15(8):2588－2606.

Optical refraction model of improving insolation quality of residential sites in cold region

ZHANG Yifei
(School of Architecture，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

Insufficient insolation condition is one of the urgent problems to be solved in north China because of its cold climate and smaller solar elevation angle.To improve this situation，we are working on a theoretical model for optical facilities based on the principles of rays refraction，which can concentrate solar energy from larger scope to smaller scope，then insolation standard can be improved in the specific region.A theoretical model on the structures and working principles of the insolation lens is explained in detail，its validity is proved by optical simulation，and trajectory of rotating Insolation Lens is analyzed at length.This theoretical model could improve the insolation conditions of the existing residential buildings and reduce the land use in the urban construction processes.

cold region;residential site;insolation;plot ratio;optical refraction

TU984.12;TU18

A

0367－6234(2014)02－0016－05

2013－03－21.

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助(HIT.NSRIF.2013073).

張一飛(1979—)，男，講師.

張一飛，29598757@qq.com.

(編輯 趙麗瑩)