城市高密度建筑空間太陽(yáng)能利用潛力研究

牛炳玲 ，李紀(jì)偉 ，蘇越怡 （河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002）

1 引言

上世紀(jì)末開始，我國(guó)城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口逐漸增加，城市空間面貌不斷改變。為了應(yīng)對(duì)城市人口的增長(zhǎng)，城市土地的不足，我國(guó)提出了發(fā)展緊湊型城市的要求。在這種情況下開始加快高層建筑建設(shè)，城市建筑密度越來(lái)越高。雖然這種方法較好地解決了城市用地和人口增長(zhǎng)問(wèn)題[1]，但是高密度的建設(shè)方式同樣產(chǎn)生了較多問(wèn)題，如建筑日照、建筑通風(fēng)等。而且高層建筑幾何條件越來(lái)越復(fù)雜，城市空間的日照環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，因此，需要對(duì)高密度城市空間的日照情況展開研究。

2 國(guó)內(nèi)外日照設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前我國(guó)進(jìn)行日照分析或研究通常采用眾智、斯維爾等軟件，國(guó)外則通常使用 UK.SHADOWPACK、TOWNSCOPE、GOSOL等。目前我國(guó)在日照設(shè)計(jì)中，通常以大寒日為計(jì)算日期，通過(guò)計(jì)算建筑的滿窗日照時(shí)間，來(lái)判斷是否達(dá)到日照要求，通常以2h或3h為判斷依據(jù)。國(guó)外的日照標(biāo)準(zhǔn)與我國(guó)略有不同，荷蘭的日照計(jì)算時(shí)間為2月19日，判斷標(biāo)準(zhǔn)是以建筑內(nèi)窗臺(tái)中點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)，測(cè)試日照時(shí)數(shù)，法國(guó)則對(duì)全年和每日的日照時(shí)間都提出了要求[2]，日本則根據(jù)建筑用地紅線作為計(jì)算基準(zhǔn)，要求在用地紅線10m以外不能產(chǎn)生日照陰影[3]?？梢?jiàn)目前國(guó)內(nèi)外的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)都是停留在對(duì)平面上的日照時(shí)數(shù)的要求，而高密度城市中空間日照環(huán)境尤為復(fù)雜，單純依靠平面分析很難考查出建筑空間中的日照情況，也不能分析出高密度建筑空間的太陽(yáng)能利用潛力情況[4]，因此有必要對(duì)高密度城市空間中的日照情況進(jìn)行分析，研究空間中的太陽(yáng)能利用潛力。

3 城市建筑密度區(qū)位分析

城市中建筑密度分布并不均勻，通常情況是老城區(qū)建筑密度低，新城區(qū)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況。以保定市為例對(duì)城市高建筑密度布局情況進(jìn)行分析，首先在衛(wèi)星圖進(jìn)上進(jìn)行截取，然后進(jìn)行矢量處理，再將其色階進(jìn)行調(diào)整，將其建筑所形成的陰影區(qū)繪制成圖，如圖1所示。低層建筑或者多層建筑的陰影較小，高層建筑形成的陰影面積較大，如圖中A、B、C位置。通過(guò)這張?zhí)幚磉^(guò)的地圖發(fā)現(xiàn)保定市城市北部的顏色較深，其次是東部。而南部和西部顏色較淺，并且深色區(qū)域集中在北部以及東部的周邊，尤其是東北部集中了大部分的陰影面。由此可以分析出，保定市的高層建筑基本分布在保定市中心城區(qū)的周邊，這是因?yàn)楸６ㄊ械闹行膮^(qū)域?yàn)槔铣菂^(qū)，而周邊有較大的場(chǎng)地。另外通過(guò)這張圖發(fā)現(xiàn)保定市的高層建筑基本分布在保定市的北側(cè)及東北側(cè)，這是由于保定市較為重視北部以及東北部的發(fā)展。綜合上述分析，研究將選取保定市北部某高層居住區(qū)作為研究對(duì)象，研究高密度城市日照規(guī)律。

4 高密度建筑空間日照分布情況

4.1 案例選取

圖2 小區(qū)總平面圖及建筑編號(hào)

以保定市北部某高層建筑小區(qū)為例進(jìn)行分析，提取總圖并進(jìn)行編號(hào)，如圖2所示。小區(qū)住宅中南向立面窗沿下均安裝有太陽(yáng)能熱水器，但由于層數(shù)不同，同一立面上不同高度的日照情況可能有所不同。因此，需要對(duì)建筑不同空間高度的日照情況進(jìn)行分析，找到規(guī)律，分析太陽(yáng)能利用潛力。根據(jù)保定市城市規(guī)劃管理規(guī)定，遮擋建筑為高層建筑及多、高層建筑混合布置時(shí)，需要進(jìn)行綜合日照分析，根據(jù)規(guī)范對(duì)選定小區(qū)進(jìn)行日照分析，主要對(duì)空間中的立面進(jìn)行分析，所得立面日照結(jié)果如圖3所示。

4.2 整體日照情況分析

從整體立面日照分析圖中可看出該小區(qū)立面日照基本能夠滿足保定地區(qū)日照標(biāo)準(zhǔn)要求，但每棟樓的日照輻射情況各有不同，差異較大。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)該小區(qū)高層建筑中的1到3層中，只有7%的建筑日照時(shí)間可以達(dá)到8h，11%的建筑日照時(shí)間可以達(dá)到7h，13%的建筑日照時(shí)間可以達(dá)到6h，18%的建筑日照時(shí)間可以達(dá)到5h，37%的建筑日照時(shí)間可以達(dá)到4h，大約64%的建筑日照時(shí)間在3h以內(nèi)。

圖3 小區(qū)立面日照分析

4.3 立面區(qū)段日照情況分析

繼續(xù)針對(duì)立面進(jìn)行更深入的分析，選取每3層作為一個(gè)區(qū)段進(jìn)行分析。

1～3層區(qū)段日照情況分析，除第一排的1～3號(hào)樓和第二排的3～10號(hào)樓外，該小區(qū)1到3層的日照時(shí)間大部分在3h左右或不足3h，30%左右建筑的1～3層日照時(shí)間在2h及以下，隨著樓層向北布置逐漸趨近2h，日照輻射條件較差?？梢钥闯鲈撔^(qū)1到3層的太陽(yáng)能構(gòu)件在冬季時(shí)候大部分時(shí)候會(huì)處于無(wú)法正常工作狀態(tài)，建筑獲得的日照輻射也較為有限。

4～6層區(qū)段日照情況分析，在該區(qū)段大約14%的日照時(shí)間可達(dá)到8h左右，16%的建筑日照時(shí)間可達(dá)到6h，17%的日照時(shí)間可達(dá)到5h，37%的建筑日照時(shí)間可達(dá)到4h，63%的日照時(shí)間在4h以下。立面日照時(shí)間隨著樓層向北布置逐漸趨近2h，日照情況同樣不太理想。

7～10層區(qū)段日照情況分析，大約14%的建筑日照時(shí)間可以達(dá)到8h，17%的建筑日照時(shí)間可達(dá)到6 h，21%的建筑日照時(shí)間可達(dá)到5 h，50%的建筑日照時(shí)間可達(dá)到4 h，日照情況有所改善。

該小區(qū)的11層到14層立面日照時(shí)間隨著樓座從南向北布置逐漸由8 h向4 h趨近，15層到18層立面日照時(shí)間從南向北逐漸由8 h向5 h趨近，19層到22層立面日照時(shí)間從南向北逐漸由8 h向6h趨近，23層到25層立面日照時(shí)間從南向北逐漸由8h向7h趨近，26層以上建筑立面日照時(shí)間基本能夠全部達(dá)到8h以上。

5 高密度建筑空間利用太陽(yáng)能利用分析

我國(guó)制定了相關(guān)政策推動(dòng)太陽(yáng)能建筑的快速發(fā)展，在此之下，各個(gè)城市開始推廣太陽(yáng)能技術(shù)在建筑中進(jìn)行應(yīng)用。但是，隨著城市化過(guò)程的加速，建筑密度不斷提高，高大的建筑會(huì)對(duì)后排建筑產(chǎn)生遮擋，日照輻射削弱比較嚴(yán)重，太陽(yáng)能構(gòu)件獲得的能量也會(huì)減少，建筑對(duì)太陽(yáng)能的利用總量也會(huì)減少。冬季氣溫低，日照時(shí)間短，日照輻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]，我國(guó)《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中對(duì)建筑太陽(yáng)能利用提出要求，要求應(yīng)滿足不少于4h的日照[6]。

通過(guò)對(duì)保定地區(qū)高密度城區(qū)立面日照環(huán)境進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在高密度建筑居住區(qū)，以第一、第二排建筑對(duì)太陽(yáng)能利用潛力最高，均可以達(dá)到4h以上的太陽(yáng)能利用日照時(shí)數(shù)要求；第三、四排建筑7層以下大部分建筑立面不能滿足4h日照時(shí)數(shù)要求；第四、五排建筑11層以下大部分建筑立面不能滿足4h日照時(shí)數(shù)要求。因此通過(guò)研究可以發(fā)現(xiàn)，在本小區(qū)太陽(yáng)能構(gòu)件安裝時(shí)并不需要每戶都進(jìn)行安裝，在前兩排可以全部安裝，三、四排7層以上住戶安裝，四、五排11層以上住戶安裝。

可見(jiàn)，在高密度城區(qū)布置太陽(yáng)能構(gòu)件時(shí)需要考慮空間中的日照輻射分布情況，根據(jù)立面上的日照分布情況進(jìn)行布置，才能最大的發(fā)揮太陽(yáng)能構(gòu)件的利用價(jià)值，挖掘出最佳的太陽(yáng)能利用潛力。

6 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)寒冷地區(qū)城市太陽(yáng)能資源豐富，但是在太陽(yáng)能利用時(shí)需要考慮高密度城市所帶來(lái)的影響，充分考慮空間中的太陽(yáng)輻射分布情況，根據(jù)高層建筑周邊的環(huán)境，對(duì)高層建筑街區(qū)形態(tài)進(jìn)行調(diào)整，挖掘太陽(yáng)能利用潛力。同時(shí)，要分析高層建筑的空間日照情況，根據(jù)太陽(yáng)輻射在高層建筑空間分布情況與特點(diǎn)，適當(dāng)布置太陽(yáng)能構(gòu)件，充分發(fā)揮太陽(yáng)能構(gòu)件的利用潛力。