哈爾濱市建筑表面太陽能利用潛力實(shí)測研究

白 洋 馬 濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大唐黑龍江新能源開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

哈爾濱市建筑表面太陽能利用潛力實(shí)測研究

白 洋1馬 濤2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；2.大唐黑龍江新能源開發(fā)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

針對不同形態(tài)下的建筑表面的太陽輻射強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)測，分析了影響建筑表面可利用太陽輻射的因素，進(jìn)一步提高建筑表面太陽能的利用潛力。

建筑表面，太陽輻射強(qiáng)度，潛力

0 引言

在高密度的城市環(huán)境下，垂直面的太陽輻射資源總量大于屋頂面的，這對提高太陽能的利用潛力至關(guān)重要。Capeluto等人[1]以一個(gè)新建的商業(yè)區(qū)設(shè)計(jì)為例，使用SustArc進(jìn)行日照設(shè)計(jì)，使新建商業(yè)區(qū)的建立并不影響周圍居住區(qū)的日照權(quán)的情況下，得到了合理的最大的接收太陽輻射的面積。Compagnon等人[2]對形態(tài)布置混亂的住區(qū)進(jìn)行了重新規(guī)劃，強(qiáng)調(diào)城市形態(tài)對太陽利用的潛力的影響。Okeil[3]發(fā)展了居住區(qū)太陽能體塊，以尋找在冬季可以最大化立面太陽能吸收，最小化屋頂和地面太陽能吸收的形態(tài)基本型。鄭潔[4]分析了建筑高度差有規(guī)律的變化時(shí)，住區(qū)內(nèi)的太陽輻射分布情況。Cheng等人[5]分別對住區(qū)內(nèi)建筑物在水平和垂直方向規(guī)則或者不規(guī)則變化時(shí)，分析了住區(qū)內(nèi)的太陽輻射變化情況。

1 哈爾濱市太陽輻射分布情況概述

從建筑表面太陽能利用的視角考慮，不同朝向上獲得太陽輻射的情況存在顯著差異。建筑各朝向在一年中各月份平均獲得的太陽輻射強(qiáng)度值中，建筑屋頂在夏季接收的太陽輻射強(qiáng)度最大，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建筑垂直立面的太陽輻射強(qiáng)度。在冬季，太陽高度角較低的時(shí)候，垂直立面的輻射強(qiáng)度甚至高于水平面。

2 哈爾濱市住區(qū)太陽輻射測試實(shí)驗(yàn)方案

本文中針對具有典型城市住區(qū)形態(tài)與建筑色彩的建筑進(jìn)行實(shí)地測試，針對哈爾濱地區(qū)分布較為廣泛的米黃色板式多層建筑、粉色板式多層建筑進(jìn)行現(xiàn)場測試。

2.1測試地點(diǎn)選擇

對于測試地點(diǎn)的選取，要求選取的測試區(qū)域能夠涵蓋影響住區(qū)建筑表面太陽輻射分布的影響因素，尤其是建筑布局、朝向的影響。因此，本文選取了2組測試地點(diǎn)，分別具有如下特征：

1)海星小區(qū)。小區(qū)容積率低、間距大，建筑之間遮擋不明顯；周圍環(huán)境中不存在樹木等因素的影響；

2)哈爾濱工業(yè)大學(xué)五公寓。建筑行列式布局，受到周圍樹木的影響，但是南側(cè)是平房，對測試建筑表面太陽輻射分布無影響；建筑存在“凸起”，自身受到遮擋。

2.2測試儀器

測試中使用的儀器為SM206太陽能輻射測量功率計(jì)，是一臺(tái)手持式測試光強(qiáng)度的精密儀器，測試太陽輻射波長為0.4 μm～1.1 μm、分辨率為0.1 W/m2、取樣時(shí)間0.5 s/次。

2.3測試方法

測試過程中測試者將測試儀器水平對準(zhǔn)外側(cè)，與建筑外飾面垂直放置，以保證測得數(shù)據(jù)為外飾面接收到的太陽輻射強(qiáng)度，每十分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。測試過程中，測試者在固定的測試點(diǎn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)。為了盡量避免空氣中灰塵、PM2.5等粒子的影響，盡量選取空氣質(zhì)量優(yōu)良的情況下測試。

3 測試結(jié)果與分析

3.1海星小區(qū)

該小區(qū)位于海濱街與海星街交叉口，如圖1所示，地處老城區(qū)內(nèi)且周圍建筑均為多層，不存在高層建筑遮擋情況。該小區(qū)占地面積約為20 000 m2，小區(qū)建筑密度較低，建筑高度由5層、8層建筑組成，建筑之間的間距較大，遮擋現(xiàn)象不明顯；小區(qū)建筑為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板式建筑，建筑外墻為米黃色，屋頂為紅色；由于受到西側(cè)小區(qū)的影響，住區(qū)內(nèi)四棟建筑呈圍合式布局；建筑朝向?yàn)楸逼?.13°。

為了得到住區(qū)建筑表面太陽輻射強(qiáng)度的分布特點(diǎn)，該測試共選取6處測點(diǎn)，測點(diǎn)分別分布在1樓地面位置和5樓高度(如圖1所示)處，其中1樓測點(diǎn)分布在東、西、南、北四個(gè)方向，5樓測點(diǎn)分布在南、西方向。這樣可以得到住區(qū)建筑各方向的太陽輻射強(qiáng)度對比與不同高度上太陽輻射強(qiáng)度的差異。

1)測試時(shí)間。測試時(shí)間為2016年1月23日9:00～16:00之間；

2)測試數(shù)據(jù)分析與整理。

a.5樓南墻表面的太陽輻射強(qiáng)度分布。圖2顯示了5樓南向測點(diǎn)的太陽輻射變化，其中9:00～11:50之間，隨著太陽高度角的變化，使得直射太陽輻射與散射太陽輻射增長，因此太陽輻射強(qiáng)度持續(xù)增強(qiáng)；11:50～13:20之間，直射太陽輻射緩慢減少，散射輻射所占比例增加，因此輻射強(qiáng)度緩慢減弱；13:20～16:00之間，輻射強(qiáng)度會(huì)迅速下降。

b.5樓西墻表面的太陽輻射強(qiáng)度分布。圖3顯示了5樓西墻表面的太陽輻射強(qiáng)度變化情況，西墻表面的太陽輻射強(qiáng)度較低，9:00～12:40之間，太陽輻射變化較?。唤又杆僭龃?，最大值出現(xiàn)在13:00相應(yīng)的太陽輻射強(qiáng)度為176.5 W/m2；13:40開始迅速減弱，期間出現(xiàn)的小范圍波動(dòng)，是由于建筑本身的自遮擋造成的。

c.1樓地面測試數(shù)據(jù)。測試建筑物周圍的東、西、南、北方向太陽輻射強(qiáng)度如表1所示，東向與南向的變化趨勢基本相同，都在11:00取得最大值；西向變化突兀，13:00取得最大值，然后突然減弱；北向輻射強(qiáng)度較小，波動(dòng)平緩。

表1 地面太陽輻射強(qiáng)度 W/m2

d.太陽輻射強(qiáng)度隨測點(diǎn)高度的變化。對比5樓與1樓的南向測試數(shù)據(jù)如圖4所示，上午10:00之前，1樓太陽輻射強(qiáng)度高于5樓；10:00之后，1樓略低于5樓。同樣，對比5樓與1樓的西向測試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)13:00之前，1樓的太陽輻射強(qiáng)度明顯高于5樓；13:00之后，5樓高于1樓。

3.2哈爾濱工業(yè)大學(xué)五公寓

測試地點(diǎn)為聯(lián)發(fā)街與公司街交口處，該建筑位于老城區(qū)內(nèi)，周圍不存在高層建筑遮擋。該建筑是多層、板式建筑，建筑長度約為100 m，進(jìn)深約為15 m，建筑北側(cè)與圍合式建筑相連接，并且受到西側(cè)5層建筑的遮擋；該建筑南向?yàn)槠椒繀^(qū)，因此無遮擋現(xiàn)象。建筑朝向?yàn)楸逼?8.74°，屬于沿街型布置。

測試時(shí)間為2016年1月21日9:00～16:00之間，測點(diǎn)位置與測試建筑實(shí)景如圖5所示。

測試結(jié)果與分析。

1)南向輻射測試。

在南向測試時(shí)，選取的測試點(diǎn)西側(cè)存在“凸”起處。由于太陽高度角的影響，建筑立面上太陽輻射隨著測點(diǎn)高度變化而變化，并且建筑自身遮擋產(chǎn)生的陰影也隨之變化，測試結(jié)果如圖6所示。

測試結(jié)果表明，在該建筑朝向情況下，建筑自身的“凸”起對南向太陽輻射強(qiáng)度的影響較大，并且這種影響隨著觀測點(diǎn)高度的降低而增長，測試過程中的5樓測試點(diǎn)的累計(jì)太陽輻射強(qiáng)度僅為7樓測點(diǎn)的62.68%。因此，建筑的自身遮擋對建筑表面的太陽輻射強(qiáng)度分布影響較大，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。

2)北向輻射測試。

建筑北側(cè)與2層建筑相鄰，測點(diǎn)處外立面平直，不存在自身遮擋。建筑北立面的直射太陽輻射較少，因此北立面的太陽輻射強(qiáng)度差異，主要由反射輻射與散射輻射的強(qiáng)弱所決定，測試結(jié)果如圖7所示。

測試結(jié)果表明，在北側(cè)2層建筑屋頂?shù)挠绊懴拢沟?樓建筑表面的輻射強(qiáng)度普遍提升，并且在測試建筑朝向情況下，使得5樓北側(cè)累計(jì)太陽輻射強(qiáng)度是7樓的140.94%。因此，其他表面的反射作用，對建筑立面上的太陽輻射分布具有較大的影響。

4 結(jié)語

通過對哈爾濱地區(qū)住區(qū)太陽輻射分布情況的實(shí)驗(yàn)測試和結(jié)果分析，得到影響住區(qū)太陽輻射分布的主要影響因素包括建筑高度、單體建筑形狀、間距、建筑布局和朝向，測試結(jié)果也為建筑表面太陽能利用方式的選取奠定了基礎(chǔ)。

[1] Capeluto, I. G., Yezioro, A. and Shaviv, E. Climatic aspects in urban design a case[J].Building and Environment,2003,38(6):827-835.

[2] Compagnon, R. Solar and daylight availability in the urban fabric[J]. Energy and Buildings,2004(36):321-328.

[3] Okeil A. In search for energy efficient urban forms: the residential solar block[A]. CIB World Building Congress[C].2004.

[4] 鄭 潔.夏熱冬冷地區(qū)居住小區(qū)戶外空間氣候適應(yīng)性設(shè)計(jì)策略研究[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005：33-63.

[5] Cheng, V., Steemers, K., Montavon, M., et al.Urban form, density and solar potential[A]. Proceedings of the 23th conference. PLEA, Geneva, Switzerland[C].2006:701-706.

TheexperimentalstudyonsolarenergyutilizationpotentialofbuildingsurfaceinHarbin

BaiYang1MaTao2

(1.HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China;2.DatangHeilongjiangNewEnergyDevelopmentCo.,Ltd,Harbin150028,China)

The solar radiation intensity of building surfaces under different forms is measured. The factors which effect the utilization of solar radiation on building surface are analyzed, and the potential is further improved.

building surface, solar radiation intensity, potential

TU201.5

A

1009-6825(2017)26-0177-03

2017-07-03

白 洋(1988- )，女，在讀碩士；馬 濤(1987- )，男，助理工程師