曹家寅

(华中科技大学建筑城市规划学院，湖北武汉 430000)

1 研究背景及意义

随着世界城市化进程的加快，各种城市问题也随之而来。因此，对于城市规划和设计的研究人员来说，需要考虑的问题也是多方面的。其中包括环境污染，城市交通改善，城市热导效应，以及清洁与可再生能源在城市规划和建筑设计中的应用等等。

太阳能作为新兴的清洁可再生能源，其利用越来越受到关注和发展。目前运用主要有太阳热能和光伏发电。而影响太阳能使用效率的最重要的因素是单位时间单位面积的太阳辐射量。在城市规划和设计中，城市的空间形态，建筑布局，单体建筑形式等都对此有着重要的影响。因此，考虑不同的城市空间形态以及建筑布局对于整个城市的太阳能利用有着直接和重要的意义。

太阳能建筑一体化(BIPV)是目前太阳能发电技术的一个趋势，据估计，2010年建筑一体化PV已超过全世界PV安装量的50%，如果在适宜的墙面和屋顶安装PV的话，所产生的电能可以达到用电总需求的25%[1]。

因此，从宏观的城市空间形态设计到微观的单体建筑设计，对于太阳能的接收效率都有着重要的作用。在此背景下，文中着重讨论不同城市形态空间下，对某栋建筑南立面全年太阳能曝光量的影响以及BIPV的具体运用，并给出相应的实例加以佐证。

2 研究概要

为了简化问题，本研究以理想的城市街区模型为研究对象，分析模拟了六种不同的平面布局形式，以及分别对应的不同的建筑层高，共产生了16组不同的理想街区模型。本文运用daysim软件，重点模拟分析其中某一栋理想建筑模型在16种不同的街区形式下，其南立面的某些点全年的自然采光量总和，通过数据的定量对比，得出最利于建筑自然采光的街区布局形式。

2.1 daysim软件介绍

daysim由加拿大国家研究委员会和德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所共同开发，是一款基于Radiance内核的动态光环境模拟软件，其主要用于模拟建筑在全年中的自然采光性能。动态光环境模拟可以动态的计算出指定点的全年逐时的自然采光照度。而目前国际上能用于模拟动态光环境的软件以daysim最具代表性。其运算核心Radiance则是由美国劳伦斯伯克利国家实验室和瑞士洛桑联邦理工学院共同开发的，其精确的计算结果和模拟效果，使之在建筑光环境模拟领域具有着绝对的主导地位[2]。

2.2 数值模拟案例

本研究的对象模型分为点式建筑和点式板式结合建筑两类。Case1—1理想的建筑模型采用长×宽15 m×15 m，高27 m的标准几何形体，建筑间距为24 m(日照间距约0.9 h)，黑色体块为本研究的模拟对象(见图1)。

图1 参照模型

图2 各目标点分布图

Case1，Case2，Case3，Case4，Case5—1，Case5—2，Case6—1，Case6—2分别给出了8种不同的平面布局形态，其中Case1，Case2，Case3，Case4 的建筑日照间距为 0.9 h，Case5 为 1.2 h，Case6 为1.4 h。Case1，Case2，Case3，Case4 又分别给出了三种不同的街区剖面形式，由南向北升高，目标建筑始终保持不变，并且建筑的容积率相同。不同Case的变化情况如表1所示。

表1 不同Case的建筑布局及高度差变化

如表2所示的是Case1为代表的理想模型鸟瞰图以及各个Case的三种不同剖面的情况，其中所有的高度变化都是由南向北依次升高，研究对象始终保持不变。Case5与Case6，在改变日照系数情况下的建筑布局，不考虑前后建筑高度差的情况。

本研究选取的研究对象为南立面的9个点，如图2所示。

2.3 边界条件

本研究的模拟模型设定在湖北省武汉市，气象数据选取来自于《中国建筑热环境分析专用气象数据集》，该数据库收集了全国270个地面气象站台1971年～2003年的实测气象数据[4]。该数据库包括了根据观测资料整理出的设计室外气象参数，以及由实测数据生成的动态模拟分析用逐时气象参数，具有较高的参考性。

表2 Case1建筑布局平面以及鸟瞰，剖面高差表

选取的9个对象点，离建筑表面50 mm，由于研究的是对象的全年的曝光量，因此与建筑选取的材料特性无关。

3 数值模拟结果分析

1)Case1—1，Case2—1，Case3—1，Case4—1 的建筑无高度差，根据模拟计算，所得的模拟结果见图3。

由图3中各点的变化情况看出，在建筑无高度差时，无论点式布局还是点式板式结合布局，当建筑呈现错动的时候，相对于无错动式建筑布局，对象建筑全年得到的光照将有所提高。随着高度的增加，位于顶部的7，8，9号点所得的全年采光量要明显高于其他各点，均达到5.1E+07 lx。位于底部的1，2，3号点全年采光量维持在3.9E+07 lx左右。根据模拟，除1号点，8号点外，均呈现出有错动的建筑布局，建筑南立面获得的全年采光量要比无错动时要高。

Case3与Case4是点式板式结合布局，在模拟结果中，与点式布局的Case1与Case2所得出的结果并没有明显的规律。其采光量略低于点式布局。

图3 无高度差模拟结果分析图

图4 有高度差（9 m）模拟结果分析图

2)Case1—2，Case2—2，Case3—2，Case4—2 中，由于研究对象前后建筑有高差(高差9 m，由南向北升高)，呈现出的模拟结果如图4所示。

当存在高度差时，位于顶部的7，8，9号点采光量同样较高，达到5.3E+07 lx。而位于底部的 1，2，3 号点也达到了 4.5E+07 lx，分别高于无高度差时的情况。1号点～5号点，无论是点式布局还是点式板式结合布局，在建筑布局有错动时，全年采光量要高于无错动情况。6号点点式布局有错动采光量高，点式板式结合，有错动时采光量低。而7，8，9号点与1号点～5号点相反，有错动布局时，采光量降低，可能由于这3个点的布局偏高，偏东，而全年太阳运动的轨迹受到建筑平面布局影响，产生相反的效果。

Case1—3，Case2—3，Case3—3，Case4—3，当高度差达到 18 m时(未列表)，位于顶部的7，8，9号点采光量更高，均超过5.31E+07，位于中间和底层的各点较之前的无高差和高差9 m时各点均高。1号点～7号点，当点式布局时，有错动要比无错动情况下采光量高，与前几种情况相同，而8号点，9号点相反，可能由于有错动对于全年某些偏高，偏东的点的采光产生了一定的影响。而点式板式结合布局，各种情况下，并没有呈现出较强的规律性。可能由于目标建筑南侧的建筑较低，全年对目标建筑产生的影响较小，因而，无论是错动，或者不错动，对于其影响都较前两种情况小。

3)考虑所有点，如图5所示，在16种不同的情况下，全年采光量的变化情况，Case1，Case2，Case3，Case4中，都是随着高度差的增加，全年采光量也随着增加，Case5，Case6两种由于日照间距的增加，全年采光量的增加更加明显，Case5—1～Case5—2全年日照量略微有所减少，Case6—1～Case6—2基本保持不变。由此可见，建筑间距的改变对于研究对象全年的采光量影响最为显著，南北建筑高度差的变化影响也较为显著，而建筑平面布局的错动，对于建筑全年采光起到的是消极的作用。

图5 16种Case结果对比图

4 结语

本文以daysim模拟为手法，模拟某栋建筑南立面全年采光的总量，通过对不同建筑平面布局以及高度差变化的对比模拟，从太阳能接受率角度出发，得出相对优化的建筑平面布局，以及街区立面形式。

通过分析得出:

1)在建筑无高度差时，无论点式布局还是点式板式结合布局，当建筑呈现错动的时候，相对于无错动式建筑布局，对象建筑全年得到的光照将有所提高。

2)无论是点式布局还是点式板式结合布局，在建筑布局有错动时，全年采光量要高于无错动情况。

3)当建筑前后高度差较大时，对于目标建筑全年采光无明显区别。

4)建筑间距的改变对于研究对象全年的采光量影响最为显著，南北建筑高度差的变化影响也较为显著，而建筑平面布局的错动，对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 亿.清华大学建筑技术科学系[A].中国建筑热环境分析专用气象数据集[C].北京:中国建筑工业出版社，2005.