城市街道理論可照時(shí)數(shù)及住宅朝向分析

高 操 ，劉 倩，姚金雄

(1. 國電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇 南京 210031；2. 南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044；3.國網(wǎng)陜西省電力有限公司，陜西 西安 710048)

0 引言

光照條件對城市運(yùn)轉(zhuǎn)有許多有利的方面，比如，光照有益于人體健康，可以提高室內(nèi)溫度，有良好的取暖和干燥效應(yīng)，增強(qiáng)建筑物的立體感，促進(jìn)鈣的吸收，保證綠地生長等。隨著城市化進(jìn)程的加快，居民的生活水平也越來越高。與此同時(shí)，城市化也帶來了許多問題，比如，城市的建筑密度越來越大，建筑高度的增高和間距的減小，使得城市街道的可照時(shí)數(shù)越來越少。近年來，街道的日照條件問題也逐漸成為建筑開發(fā)和民眾關(guān)心的熱點(diǎn)，不斷出現(xiàn)的“陽光權(quán)”糾紛事件也反映了現(xiàn)代人們對健康生活條件的追求。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于復(fù)雜地形下的日照時(shí)間的計(jì)算進(jìn)行了不少研究。傅抱璞[1-2]首次提出了非水平面日出、可日落時(shí)角的計(jì)算公式，并分析了坡向、坡度、地形遮蔽對于山地的日照條件的影響；翁篤鳴[3-4]提出用圖解方法確定起伏地形中任一點(diǎn)的照時(shí)間，確定作物高度、行向、行距以及赤緯、地方緯度對農(nóng)田中的日照條件的影響；孫漢群[5]等提出用判別式方法來確定坡面的日出、日落時(shí)角；Williams[6]、Garnier[7-8]等給出了不同山地直接輻射日總量的計(jì)算方法。非水平面的日出、日落時(shí)角計(jì)算方法的提出為街道可照時(shí)數(shù)的計(jì)算提供基礎(chǔ)，基于該原理，周淑貞[9]研究了上海住宅朝向?qū)Τ鞘腥照盏挠绊?，左小瑞[10]等和蔣夢姣[11]等分別對黃山市和資陽市的街道的理論日照時(shí)間進(jìn)行了分析。那么，房屋建筑朝向、街道和房屋的相對高寬比對不同緯度的城市街道日照時(shí)間的影響是否一致呢？

本文基于非水平面的日出、日落時(shí)角計(jì)算方法，選擇位于三個(gè)不同緯度，研究街道可照時(shí)數(shù)隨緯度、街道高寬比、街道走向的季節(jié)變化規(guī)律，為城市建筑的設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃中合理利用光照條件提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取中國區(qū)域的三個(gè)不同緯度：黑龍江省的漠河市(52.97°N)、淮安市(33.58°N)和海南三沙市(16.86°N)為代表進(jìn)行研究。規(guī)定城市街道方向以正南方向?yàn)?°(街道法線方向γ)，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，計(jì)算不同緯度中不同街道走向S-N(南-北向)、E-W(東-西向)、SE-NW(東南-西北向)，不同樓層高度和街道寬度比H/L (0.5～5.0)下不同季節(jié)的街道可照時(shí)數(shù)。春/秋分、夏至和冬至的太陽赤緯δ分別為0°、23.5°、-23.5°。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 地平面上可能日照時(shí)數(shù)計(jì)算

可能日照時(shí)數(shù)是指某地點(diǎn)四周不存在任何地形、地物遮蔽的情況下接受日照的時(shí)間，它主要受該地點(diǎn)的地理緯度、經(jīng)度及季節(jié)的影響。太陽高度角的計(jì)算公式為[12]：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω(1)

式中：h太陽高度角；φ地理緯度；δ赤緯；ω時(shí)角。

在日出、日落時(shí)，太陽位于地平面上h=0，由公式(1)可知：

sinφsinδ+cosφcosδcosω=0(2)

則此時(shí)日出、日落時(shí)角為：

ω0=arccos(-tgφ·tgδ)(3)

設(shè)ω0為開闊平地日出、日落時(shí)角，日出時(shí)角為負(fù)值，日落時(shí)角為正值[13]。設(shè)N為晝長，則地平面上可照時(shí)數(shù)為:

(4)

式中：N0地平面上可照時(shí)數(shù)，h；ω0單位為角度。

由于一般情況下，測站地平線上均有高度角不同的障礙物圍繞，以及日出、日落時(shí)受大氣層影響，太陽直接輻照度小等原因，實(shí)照時(shí)數(shù)總是小于可照時(shí)數(shù)[14-17]。這里，定義由于街道前后行的遮擋而造成的街道開始或終止日照時(shí)的實(shí)際日出、日落時(shí)角為ωs。也就是說實(shí)際日出、日落時(shí)角ωs不能大于水平面上沒有任何遮擋時(shí)的時(shí)角ω0。

由此，得到?jīng)Q定街道實(shí)際可照時(shí)數(shù)的第一個(gè)條件是│ωs│≤│ω0│。若出現(xiàn)│ωs│>│ω0│的情況，由于我國地理緯度范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)極晝現(xiàn)象，所以此時(shí)的實(shí)際日照時(shí)數(shù)取0，全天無日照。

1.2.2 最大仰角和正午太陽高度角計(jì)算

假設(shè)城市街道是按一定的行向行距排列，構(gòu)成了不同行向前后行房屋之間的相互遮蔽，并影響街道的日照條件。設(shè)街道兩側(cè)的房屋高度為H，街道間距為L，那么前后向房屋遮蔽的最大仰角α(指由街道的法線方向造成的遮蔽)就等于[4]：

北半球的正午太陽高度角h0為：

h0=90°-(φ-δ)(6)

對于東-西走向的街道來說，當(dāng)正午太陽高度角小于最大仰角時(shí)，街道南側(cè)的房屋始終都會(huì)對街道造成遮擋，街道中全天都無日照。由此，對于東-西走向的街道來說，除了第一個(gè)決定條件外，還要滿足 ，即若最大仰角α大于正午太陽高度角h0，則取全天無日照。

1.2.3 街道遮蔽時(shí)實(shí)際可照時(shí)數(shù)計(jì)算

在不考慮云的影響，街道的可照時(shí)間取決于受到太陽照射的時(shí)間。若街道足夠長，且房屋高度、走向、間距都保持大致不變的情況下，前排房屋對后排的遮蔽角。

計(jì)算得到太陽高度角等于前后向房屋的遮蔽角，即街道中開始或終止日照的實(shí)際日出、日落時(shí)角ωs計(jì)算公式[4]為：cosωs=

因此，街道實(shí)際日照時(shí)數(shù)Ns為

(8)

式中：Ns的單位為小時(shí)，ωs的單位為角度。

從上面兩個(gè)決定條件可知：若│ωs│> │ω0│則取全天無日照；對于東-西走向街道來說，若最大仰角α大于正午太陽高度角h0，全天無日照；若計(jì)算出來結(jié)果無解，則沒有日照。

2 結(jié)果與分析

2.1 可照時(shí)數(shù)隨地理緯度的變化

圖1給出了在春/秋分、夏至日和冬至日不同緯度上不同街道走向的可照時(shí)間。圖中a、b、c分別代表春/秋分、夏至日、冬至日；I和II分別代表不同段，Pi為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在春/秋分時(shí)(圖1a)，南-北走向街道的可照時(shí)數(shù)始終是隨著緯度的增加而減少。東南-西北走向街道可照時(shí)數(shù)隨緯度的變化不一致。東-西走向街道的可照時(shí)數(shù)曲線被分成了兩段(Ⅰ和Ⅱ)：在曲線Ⅰ段，不存在東側(cè)或西側(cè)房屋對街道日照的遮擋，可照時(shí)數(shù)均為12h；在曲線Ⅱ段，可照時(shí)數(shù)均為0h。

在夏至日時(shí)(圖1b)，東南-西北走向街道的可照時(shí)數(shù)始終隨著緯度的增加而增加。南-北走向街道的可照時(shí)數(shù)隨緯度的變化不一致。東-西走向街道的可照時(shí)數(shù)在不同的緯度呈現(xiàn)不同的變化，低緯的可照時(shí)數(shù)小于中緯；高緯度被分成兩段，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)P前，可照時(shí)數(shù)隨著緯度的增加而增加；當(dāng)大于臨界高寬比，可照時(shí)數(shù)為0。

在冬至日時(shí)(圖1c)，南-北走向街道的可照時(shí)數(shù)始終是隨著緯度的增加而減少。東南-西北走向街道的可照時(shí)數(shù)隨緯度的變化并不一致。東-西走向街道的可照時(shí)數(shù)曲線被分成了兩段，曲線Ⅰ段可照時(shí)數(shù)隨著緯度的增加而減少，曲線Ⅱ段可照時(shí)數(shù)均為0。轉(zhuǎn)折點(diǎn)P對應(yīng)的臨界高寬比大小是P3>P2>P1，即隨著緯度的增加，影響街道中可照時(shí)數(shù)的臨界高寬比是減小的。

圖1 不同緯度的不同街道走向在不同赤緯的可照時(shí)數(shù)變化

2.2 樓層與街道高寬比的影響

從圖1可以看出，對于不同緯度來說，街道高寬比對街道可照時(shí)數(shù)的影響趨勢是一致的。因此，以中緯度為例，分析樓層與街道高寬比對街道可照時(shí)數(shù)的影響，得到三種街道走向，春/秋分、夏至和冬至可照時(shí)數(shù)隨街道高寬比的變化如圖2所示。圖中a、b、c分別代表南-北走向、東南-西北走向和東-西走向街道；I和II分別代表不同段，Pi為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。對于南-北走向和東南-西北走向街道(圖2a-2b)，春/秋分、夏至和冬至?xí)r街道可照時(shí)數(shù)始終隨街道高寬比的增加而減少。對于東-西走向街道(圖2c)，在夏至日時(shí)，街道中可照時(shí)數(shù)最長，可照時(shí)數(shù)隨街道高寬比增加而減少；春/秋分和冬至?xí)r，可照時(shí)數(shù)曲線被分為兩段(Ⅰ和Ⅱ段)。對應(yīng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為P2和P1，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對應(yīng)的臨界高寬比是P2>P1，即隨著赤緯的增加，街道中存在日照的臨界高寬比是增加的。

2.3 街道走向的影響

從圖3可以看出，不同緯度在冬至日時(shí)都是東南-西北走向街道可照時(shí)數(shù)最多，但是隨著街道和樓房高度比的變化，不同街道走向的影響也不同。圖中a、b、c分別表示低緯度、中緯度、高緯度；I和II分別代表不同段不同緯度。在春/秋分時(shí)，在H/L達(dá)到臨界高寬比前，東-西走向街道可照時(shí)數(shù)最多，東南-西北走向次之，南-北走向最少；當(dāng)H/L超過臨界高寬比時(shí)，東-西走向街道可照時(shí)數(shù)均為0，并且這個(gè)臨界高寬比是隨著緯度的增加而減小。在夏至日時(shí)，對于中低緯度，東-西走向街道可照時(shí)數(shù)最多，東南-西北走向次之，南-北走向最少；東南-西北和南-北走向的可照時(shí)數(shù)在低緯度差別很小，隨著緯度增加而變大。對于高緯度，在H/L達(dá)到臨界高寬比前，東-西走向街道可照時(shí)數(shù)最多，東南-西北走向次之，南-北走向最少，但是達(dá)到臨界高度后，東-西走向街道可照時(shí)數(shù)為0。

2.4 太陽赤緯的影響

由上述分析可知，東-西走向街道在不同的季節(jié)有日照，必須保證H/L小于臨界高寬比，否則由于南側(cè)房屋對北側(cè)的遮擋，可照時(shí)數(shù)為0。為盡量減少房屋遮蔽的影響，選取街道高寬比H/L為0.5研究不同緯度在不同街道走向時(shí)可照時(shí)數(shù)隨太陽赤緯的變化(圖4)。圖中a、b、c分別表示低緯度、中緯度、高緯度。

圖2 淮安市三種街道走向不同赤緯下可照時(shí)數(shù)隨高寬比變化

圖3 三個(gè)城市同一赤緯不同街道走向可照時(shí)數(shù)變化

圖4 三個(gè)城市可照時(shí)數(shù)隨太陽赤緯的變化(H/L=0.5)

從圖4中可以看出，對于南-北和東南-西北走向的街道，三個(gè)城市街道可照時(shí)數(shù)都是隨著赤緯的增加而線性增加，只是緯度不同，變化率不同。對于南-北走向街道，緯度越高，可照時(shí)數(shù)隨赤緯的變化率越大；而對于東南-西北走向的街道，變化率最小的是在中緯度，最大是在高緯度。對于東-西走向街道，當(dāng)太陽赤緯≤-5°時(shí)，三個(gè)緯度的街道均無日照，當(dāng)太陽赤緯>0°時(shí)，低緯度的可照時(shí)數(shù)隨太陽赤緯增加而減少，但是夏至日與春/秋分的差異僅為0.57h，中緯度的可照時(shí)數(shù)始終為12h，高緯度的可照時(shí)數(shù)隨太陽赤緯的增加而增加，夏至日與春/秋分相差1.66h。

3 結(jié)論與建議

(1)街道和樓層的高寬比對不同街道走向的可照時(shí)數(shù)影響有很大區(qū)別。在本研究中，隨著高寬比的增加(0～5.0)，南-北走向和東-西走向的街道沒有達(dá)到臨界高寬比，故此，一年四季都存在光照。而東-西走向的街道出現(xiàn)臨界高寬比，并且臨界高寬比隨著緯度的增加而減小。

(2)街道走向?qū)烧諘r(shí)數(shù)也有明顯的差異。冬至日時(shí)東南-西北走向街道可照時(shí)數(shù)最多，南-北走向次之，東-西走向最少；在春/秋分和夏至日時(shí)在臨界高度前東-西走向街道可照時(shí)數(shù)最多，東南-西北走向次之，南-北走向最少，在達(dá)到臨界高度后東-西走向街道可照時(shí)數(shù)為0。

(3)對于南-北和東南-西北走向的街道，街道可照時(shí)數(shù)都是隨著赤緯的增加而線性增加，但是對于東-西走向的街道，在赤緯小于臨界赤緯時(shí)，沒有日照，而大于臨界赤緯后，可照時(shí)數(shù)隨著赤緯先快速增加而后緩慢增加。

總體來說，街道和樓層的高寬、赤緯等對東-西走向街道的影響要復(fù)雜些。對于城市規(guī)劃，要根據(jù)各地的實(shí)際情況，選擇比較合適的街道走向、街道和樓層高寬比，合理的提高光照條件。城市街道的規(guī)劃除了要考慮日照的因素，還要結(jié)合風(fēng)速、風(fēng)向等因素。近年來，城市的建筑密度越來越大，城市熱島效應(yīng)也越來越受到關(guān)注，建設(shè)城市的通風(fēng)廊道可以有效緩解城市熱島現(xiàn)象。特別是主導(dǎo)風(fēng)向的迎風(fēng)面，通風(fēng)廊道的導(dǎo)風(fēng)作用明顯，街道界面與通風(fēng)廊道交接處風(fēng)速增加，對于街區(qū)內(nèi)部空氣流動(dòng)有積極作用。

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