曹家寅

(華中科技大學(xué)建筑城市規(guī)劃學(xué)院，湖北武漢 430000)

1 研究背景及意義

隨著世界城市化進(jìn)程的加快，各種城市問題也隨之而來。因此，對(duì)于城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)的研究人員來說，需要考慮的問題也是多方面的。其中包括環(huán)境污染，城市交通改善，城市熱導(dǎo)效應(yīng)，以及清潔與可再生能源在城市規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)中的應(yīng)用等等。

太陽能作為新興的清潔可再生能源，其利用越來越受到關(guān)注和發(fā)展。目前運(yùn)用主要有太陽熱能和光伏發(fā)電。而影響太陽能使用效率的最重要的因素是單位時(shí)間單位面積的太陽輻射量。在城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，城市的空間形態(tài)，建筑布局，單體建筑形式等都對(duì)此有著重要的影響。因此，考慮不同的城市空間形態(tài)以及建筑布局對(duì)于整個(gè)城市的太陽能利用有著直接和重要的意義。

太陽能建筑一體化(BIPV)是目前太陽能發(fā)電技術(shù)的一個(gè)趨勢(shì)，據(jù)估計(jì)，2010年建筑一體化PV已超過全世界PV安裝量的50%，如果在適宜的墻面和屋頂安裝PV的話，所產(chǎn)生的電能可以達(dá)到用電總需求的25%[1]。

因此，從宏觀的城市空間形態(tài)設(shè)計(jì)到微觀的單體建筑設(shè)計(jì)，對(duì)于太陽能的接收效率都有著重要的作用。在此背景下，文中著重討論不同城市形態(tài)空間下，對(duì)某棟建筑南立面全年太陽能曝光量的影響以及BIPV的具體運(yùn)用，并給出相應(yīng)的實(shí)例加以佐證。

2 研究概要

為了簡(jiǎn)化問題，本研究以理想的城市街區(qū)模型為研究對(duì)象，分析模擬了六種不同的平面布局形式，以及分別對(duì)應(yīng)的不同的建筑層高，共產(chǎn)生了16組不同的理想街區(qū)模型。本文運(yùn)用daysim軟件，重點(diǎn)模擬分析其中某一棟理想建筑模型在16種不同的街區(qū)形式下，其南立面的某些點(diǎn)全年的自然采光量總和，通過數(shù)據(jù)的定量對(duì)比，得出最利于建筑自然采光的街區(qū)布局形式。

2.1 daysim軟件介紹

daysim由加拿大國(guó)家研究委員會(huì)和德國(guó)弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所共同開發(fā)，是一款基于Radiance內(nèi)核的動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬軟件，其主要用于模擬建筑在全年中的自然采光性能。動(dòng)態(tài)光環(huán)境模擬可以動(dòng)態(tài)的計(jì)算出指定點(diǎn)的全年逐時(shí)的自然采光照度。而目前國(guó)際上能用于模擬動(dòng)態(tài)光環(huán)境的軟件以daysim最具代表性。其運(yùn)算核心Radiance則是由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院共同開發(fā)的，其精確的計(jì)算結(jié)果和模擬效果，使之在建筑光環(huán)境模擬領(lǐng)域具有著絕對(duì)的主導(dǎo)地位[2]。

2.2 數(shù)值模擬案例

本研究的對(duì)象模型分為點(diǎn)式建筑和點(diǎn)式板式結(jié)合建筑兩類。Case1—1理想的建筑模型采用長(zhǎng)×寬15 m×15 m，高27 m的標(biāo)準(zhǔn)幾何形體，建筑間距為24 m(日照間距約0.9 h)，黑色體塊為本研究的模擬對(duì)象(見圖1)。

圖1 參照模型

圖2 各目標(biāo)點(diǎn)分布圖

Case1，Case2，Case3，Case4，Case5—1，Case5—2，Case6—1，Case6—2分別給出了8種不同的平面布局形態(tài)，其中Case1，Case2，Case3，Case4 的建筑日照間距為 0.9 h，Case5 為 1.2 h，Case6 為1.4 h。Case1，Case2，Case3，Case4 又分別給出了三種不同的街區(qū)剖面形式，由南向北升高，目標(biāo)建筑始終保持不變，并且建筑的容積率相同。不同Case的變化情況如表1所示。

表1 不同Case的建筑布局及高度差變化

如表2所示的是Case1為代表的理想模型鳥瞰圖以及各個(gè)Case的三種不同剖面的情況，其中所有的高度變化都是由南向北依次升高，研究對(duì)象始終保持不變。Case5與Case6，在改變?nèi)照障禂?shù)情況下的建筑布局，不考慮前后建筑高度差的情況。

本研究選取的研究對(duì)象為南立面的9個(gè)點(diǎn)，如圖2所示。

2.3 邊界條件

本研究的模擬模型設(shè)定在湖北省武漢市，氣象數(shù)據(jù)選取來自于《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》，該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了全國(guó)270個(gè)地面氣象站臺(tái)1971年～2003年的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)[4]。該數(shù)據(jù)庫(kù)包括了根據(jù)觀測(cè)資料整理出的設(shè)計(jì)室外氣象參數(shù)，以及由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成的動(dòng)態(tài)模擬分析用逐時(shí)氣象參數(shù)，具有較高的參考性。

表2 Case1建筑布局平面以及鳥瞰，剖面高差表

選取的9個(gè)對(duì)象點(diǎn)，離建筑表面50 mm，由于研究的是對(duì)象的全年的曝光量，因此與建筑選取的材料特性無關(guān)。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

1)Case1—1，Case2—1，Case3—1，Case4—1 的建筑無高度差，根據(jù)模擬計(jì)算，所得的模擬結(jié)果見圖3。

由圖3中各點(diǎn)的變化情況看出，在建筑無高度差時(shí)，無論點(diǎn)式布局還是點(diǎn)式板式結(jié)合布局，當(dāng)建筑呈現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)的時(shí)候，相對(duì)于無錯(cuò)動(dòng)式建筑布局，對(duì)象建筑全年得到的光照將有所提高。隨著高度的增加，位于頂部的7，8，9號(hào)點(diǎn)所得的全年采光量要明顯高于其他各點(diǎn)，均達(dá)到5.1E+07 lx。位于底部的1，2，3號(hào)點(diǎn)全年采光量維持在3.9E+07 lx左右。根據(jù)模擬，除1號(hào)點(diǎn)，8號(hào)點(diǎn)外，均呈現(xiàn)出有錯(cuò)動(dòng)的建筑布局，建筑南立面獲得的全年采光量要比無錯(cuò)動(dòng)時(shí)要高。

Case3與Case4是點(diǎn)式板式結(jié)合布局，在模擬結(jié)果中，與點(diǎn)式布局的Case1與Case2所得出的結(jié)果并沒有明顯的規(guī)律。其采光量略低于點(diǎn)式布局。

圖3 無高度差模擬結(jié)果分析圖

圖4 有高度差（9 m）模擬結(jié)果分析圖

2)Case1—2，Case2—2，Case3—2，Case4—2 中，由于研究對(duì)象前后建筑有高差(高差9 m，由南向北升高)，呈現(xiàn)出的模擬結(jié)果如圖4所示。

當(dāng)存在高度差時(shí)，位于頂部的7，8，9號(hào)點(diǎn)采光量同樣較高，達(dá)到5.3E+07 lx。而位于底部的 1，2，3 號(hào)點(diǎn)也達(dá)到了 4.5E+07 lx，分別高于無高度差時(shí)的情況。1號(hào)點(diǎn)～5號(hào)點(diǎn)，無論是點(diǎn)式布局還是點(diǎn)式板式結(jié)合布局，在建筑布局有錯(cuò)動(dòng)時(shí)，全年采光量要高于無錯(cuò)動(dòng)情況。6號(hào)點(diǎn)點(diǎn)式布局有錯(cuò)動(dòng)采光量高，點(diǎn)式板式結(jié)合，有錯(cuò)動(dòng)時(shí)采光量低。而7，8，9號(hào)點(diǎn)與1號(hào)點(diǎn)～5號(hào)點(diǎn)相反，有錯(cuò)動(dòng)布局時(shí)，采光量降低，可能由于這3個(gè)點(diǎn)的布局偏高，偏東，而全年太陽運(yùn)動(dòng)的軌跡受到建筑平面布局影響，產(chǎn)生相反的效果。

Case1—3，Case2—3，Case3—3，Case4—3，當(dāng)高度差達(dá)到 18 m時(shí)(未列表)，位于頂部的7，8，9號(hào)點(diǎn)采光量更高，均超過5.31E+07，位于中間和底層的各點(diǎn)較之前的無高差和高差9 m時(shí)各點(diǎn)均高。1號(hào)點(diǎn)～7號(hào)點(diǎn)，當(dāng)點(diǎn)式布局時(shí)，有錯(cuò)動(dòng)要比無錯(cuò)動(dòng)情況下采光量高，與前幾種情況相同，而8號(hào)點(diǎn)，9號(hào)點(diǎn)相反，可能由于有錯(cuò)動(dòng)對(duì)于全年某些偏高，偏東的點(diǎn)的采光產(chǎn)生了一定的影響。而點(diǎn)式板式結(jié)合布局，各種情況下，并沒有呈現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性。可能由于目標(biāo)建筑南側(cè)的建筑較低，全年對(duì)目標(biāo)建筑產(chǎn)生的影響較小，因而，無論是錯(cuò)動(dòng)，或者不錯(cuò)動(dòng)，對(duì)于其影響都較前兩種情況小。

3)考慮所有點(diǎn)，如圖5所示，在16種不同的情況下，全年采光量的變化情況，Case1，Case2，Case3，Case4中，都是隨著高度差的增加，全年采光量也隨著增加，Case5，Case6兩種由于日照間距的增加，全年采光量的增加更加明顯，Case5—1～Case5—2全年日照量略微有所減少，Case6—1～Case6—2基本保持不變。由此可見，建筑間距的改變對(duì)于研究對(duì)象全年的采光量影響最為顯著，南北建筑高度差的變化影響也較為顯著，而建筑平面布局的錯(cuò)動(dòng)，對(duì)于建筑全年采光起到的是消極的作用。

圖5 16種Case結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)語

本文以daysim模擬為手法，模擬某棟建筑南立面全年采光的總量，通過對(duì)不同建筑平面布局以及高度差變化的對(duì)比模擬，從太陽能接受率角度出發(fā)，得出相對(duì)優(yōu)化的建筑平面布局，以及街區(qū)立面形式。

通過分析得出:

1)在建筑無高度差時(shí)，無論點(diǎn)式布局還是點(diǎn)式板式結(jié)合布局，當(dāng)建筑呈現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)的時(shí)候，相對(duì)于無錯(cuò)動(dòng)式建筑布局，對(duì)象建筑全年得到的光照將有所提高。

2)無論是點(diǎn)式布局還是點(diǎn)式板式結(jié)合布局，在建筑布局有錯(cuò)動(dòng)時(shí)，全年采光量要高于無錯(cuò)動(dòng)情況。

3)當(dāng)建筑前后高度差較大時(shí)，對(duì)于目標(biāo)建筑全年采光無明顯區(qū)別。

4)建筑間距的改變對(duì)于研究對(duì)象全年的采光量影響最為顯著，南北建筑高度差的變化影響也較為顯著，而建筑平面布局的錯(cuò)動(dòng)，對(duì)于建筑全年采光起到的作用最弱。

[1]Caroline Hachem.Parametric investigation of geometric form effects on solar potential of housing units.Department of Building Civil and Environmental Engineering(BCEE)，Concordia University，Montreal，Canada.

[2]Christoph F.Reinhart，Dr.Ing.Monitoring Manual Control of E-lectric Lighting and Blinds.Research ＆ Technology，2003，35(3):243-260.

[3]Christoph F.Reinhart.Electric Lighting Energy Savings For An On/Off Photocell Control-A Comparative Simulation Study U-sing Doe2.1 And Daysim.Proceedings of eSim，Vancouver，B.C.，2004:183-189.

[4]熊安元，江 億.清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系[A].中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[C].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.