袁建刚, 高旭娜, 陈 建, 刘胜男

(1. 河海大学地球科学与工程学院, 南京 211100; 2. 江苏城乡建设职业学院, 江苏 常州 213147; 3. 南京晓庄学院环境科学学院, 南京 211171)

中国在巴黎气候变化大会上承诺, 要在2030年前后实现碳达峰和碳排放水平下降60%～65%(基于2005 年水平)的目标[1]．但伴随全球城市化的进程, 城市消耗了全球约2/3的一次能源[2]．其中, 建筑能耗占据了全球超过1/3 的终端能耗和 1/2 以上的电能消耗,故低碳生态城市已成为未来城市发展的方向, 如何推动城市建筑向绿色可持续方向发展是一个亟待解决的难题．开发城市建筑可再生能源利用潜力,则成为应对上述问题的一条重要途径．

1 计算模型

1.1 计算流程设计

基于ArcGIS平台二次开发建立建筑可利用太阳能计算模型的流程如图1所示．首先导入Shapefile文件, 并从中获取城市建筑的几何和方位信息,以及场地的地形地貌信息;然后,提取建筑物的屋面和侧立面数据,按照设定的计算网格大小对屋面和侧立面进行格网划分;最后,根据场地太阳网格、气象条件等参数,以及建筑相互遮挡情况,计算各格网单元一定周期内的太阳辐射量,并积分求和获得建筑屋面及侧立面可接收的太阳辐射总量,或根据需要的计算时间区间,计算特定时段内的太阳辐射总量．

该模型须预先建立全年太阳位置数据库,即以太阳方位角和高度角构成坐标网格,并在每个网格内累计全年太阳停留时间．太阳网格数据是利用半球视域法计算太阳辐射量的必要条件,且该数据提供的太阳位置信息结合建筑物之间的相对位置、几何关系信息,可以计算出建筑屋面和侧立面不同位置的受遮挡时间．

1.2 特定位置太阳辐射量计算方法

ArcGIS中用半球视域算法[10]计算某特定位置的太阳辐射量．由于反射辐射量通常在辐射总量中占比很小, 故ArcGIS中太阳总辐射量为直接辐射量和散射辐射量之和, 即I=Is+Id, 其中总直射辐射量Is=∑Sβm(θ)Tθ,αPθ,αcosAθ,α, 式中θ为太阳天顶角;α为太阳方位角;S为太阳常数, 世界辐射中心取值为1 367 W·m-2;β为朝向天顶方向的最短路径大气层透射率;m(θ)为相对的光路径长度, 以相对于天顶路径长度的比例形式测量;Tθ,α为天空扇区的持续时间, 可根据太阳网格数据、受遮挡时间计算;Pθ,α为太阳图扇区的孔隙度;Aθ,α为天空扇区质心与表面法线轴之间的入射角．总散射辐射量Id=∑IgCdTP′θ,αcosA′θ,α, 式中Ig为正常辐射总量;Cd为散射的正常辐射总量的比例, 在天空非常晴朗的条件下, 该值约等于0.2; 在天空云层极厚的条件下, 该值约等于0.7[10-11];T为分析的时间间隔;P′θ,α为天空扇区的孔隙度;A′θ,α为天空扇区的质心和截留表面之间的入射角．

1.3 建筑屋面及侧立面太阳辐射量计算方法

基于特定位置太阳辐射计算结果,在整个屋面或侧立面范围内对所有要素位置太阳辐射量进行积分,得到建筑屋面太阳总辐射量Ir=∬I(x,y)dxdy和建筑侧立面太阳总辐射量Ii=∬I(l,h)dldh, 其中I(x,y)表示(x,y)位置单位面积的太阳辐射量, 单位为J·m-2;I(l,h)表示(l,h)位置单位面积的太阳辐射量, 单位为J·m-2;l表示建筑物外水平轮廓线,h表示建筑物的高度．

需要注意的是, 虽然同一地区的太阳网格相同,但是建筑屋面或侧立面不同位置受周围建筑遮挡情况不同; 因此,计算一定周期内不同位置要素接收的太阳辐射量时,不仅要考虑太阳在天空不同位置的持续时间,还要通过太阳位置、建筑物的几何形状和相对位置等信息计算建筑表面特定位置的受遮挡时间,从而得到准确的日照时间．建筑屋面及侧立面的光伏发电潜力计算与太阳辐射量计算过程类似,在计算过程中要额外考虑光电转化效率、光伏有效面积、光伏板受遮挡时的发电衰减因子等因素．

2 系统结构设计

城市建筑太阳能资源评估信息系统在结构层次设计上包括原始数据资料准备、空间数据库支持、基于ArcGIS的应用开发和用户层界面设计4个部分,如图2所示．数据资料准备主要是获取目标区域的GIS+BIM(信息数据和单体建筑数据),并按照规定的格式整理后导入到原始资料数据库中．空间数据库部分采用SQL Server 2008 R2语言,由于其原生支持空间数据存储的属性,因此无须调用ArcGIS中ArcSDE数据引擎．数据库整体架构包括原始资料数据库、太阳能辐射计算过程数据库和建筑物太阳辐射能量计算成果数据库,其中成果数据库可包含大量的建筑信息以及太阳能资源评估结果,经过整理可以形成不同的专题地图,用于数据发布．ArcGIS开发部分总体分为2个方向: 一方面是基于ArcGIS Engine进行的面向桌面端应用程序的二次开发;另一方面是基于 ArcGIS Server进行的面向网络端应用程序的开发．用户界面层设计则主要是为用户和系统交互提供良好界面．

系统用户可分为系统决策人员、系统管理员和系统用户3类．系统决策人员主要负责建筑太阳能资源评估模型的建立和维护;系统管理员通过web端登入系统后,可进行数据导入、系统运行参数设置、地图发布等工作,并可控制用户权限;系统用户可以通过web端对已经正式发布的地图数据按照二维、三维模式进行浏览及相关专题地图的生成、相关统计数据的生成和导出等,也可通过桌面应用端,计算分析未发布成果区域的太阳能资源．当系统用户获得数据导入等权限时就能充分利用该系统对特定区域和建筑形态的太阳能资源进行评估,用于对城市或建筑设计的指导．

3 案例分析

本文以常州地区为例(北纬31°09′～32°05′,东经119°08′～120°13′, 海拔3米,气压101 kPa), 评估1 a内该地区建筑的可利用太阳能资源．根据常州地区气象站数据获得该地区各月的日照时数,得到常州地区2018年各月日照时数与日照百分率统计图,如图3所示．该地区日照资源在时间分布上呈现出不均衡的特征,各季节日照时数由高到低依次为夏季、春季、秋季、冬季．同时,各月日照时数差异较大,其中夏季(6—8月)日照时数最高总值可达695 h, 远大于冬季(1—2月和12月)的285 h．日照百分率定义为日照时数与可照时数的比值, 该值随日照时数增加而升高．

将上述信息以及该地区的经纬度、全年气象参数、太阳高度角和方位角等数据, 以及包含建筑和场地信息的Shapefile文件导入系统, 并以1 m为步长设置计算网格单元,通过系统计算得到该地区建筑屋面及侧立面可利用太阳能资源的评估结果, 如图4所示．结果中包括各个建筑物的光照时间、遮挡比例、太阳能辐射量、光伏发电量等信息,这些评价结果还可根据行政区域、太阳辐射量等级、建筑物类型等条件进行查询,并可通过二维或三维地图的形式进行可视化展示．图5展示了常州市钟楼区和裕路某建筑接收到太阳能辐射量的计算结果, 其中不同颜色代表了建筑接收到的不同太阳能辐射量．

4 总结

1) 基于半球视域算法建立了建筑可利用太阳能资源计算模型．该模型利用太阳网格数据,结合周围建筑和环境因素的几何、方位信息,能够合理计算它们的遮挡效应,获得时间区间内建筑可接收的太阳辐射总量,进而能较为准确地对建筑屋面及侧立面的太阳能利用潜力进行评估．

2) 城市建筑太阳能资源评估信息系统集成上述计算模型,并将计算成果进行存储,建立了不同城市或地区的建筑太阳能资源数据库．该信息系统包含Web端应用和桌面端应用, 数据库计算成果通过专题地图的形式在Web端进行发布,用户可以根据具体需求进行成果查询和导出．桌面端应用则提供了建筑太阳能资源评估功能,用户可根据自身需求对特定地区或建筑进行太阳能利用潜力评估．这一功能能够解决计算时间过长和用户快速查询之间的矛盾．

3) 运用信息系统对常州地区建筑太阳能资源:太阳能辐射量、光伏发电量、光照时间等进行计算评估,并对部分成果进行可视化展示．