寒地居住区日照质量改良光学折射模型

张一飞

(哈尔滨工业大学建筑学院，150001 哈尔滨)

寒地居住区日照质量改良光学折射模型

张一飞

(哈尔滨工业大学建筑学院，150001 哈尔滨)

为了改善寒地居住区日照不足状况，运用寒地居住区日照质量改良模型和光学折射原理，通过光学折射元件使太阳辐射转移到寒地居住区场地阴影区，扩大场地日照范围，改善日照质量.光学仿真模拟结果表明理论模型具备可操作性，并对关键参数进行验证与优化，初步确定模型的主要元件参数，推算动态日照时段下设备工作运行轨迹.寒地居住区场地日照质量得以改良，能够提高既定城市用地的建设容积率，使其开发使用效率得以提升，进而节约城市建设资金.关键词:寒地;居住区;日照;容积率;光学折射

中国的纬度北至北纬 53.5°，南至北纬19.53°［1］，南方太阳高度角比北方高得多，导致南北方的日照间距系数存在巨大差异，最北部的黑龙江省日照间距系数为1.8，而最南部的海南岛则为0.5.北方恶劣的自然条件决定了必须用数倍的城市用地来建设同样的建筑面积，但即使这样日照质量也比南方低得多.

目前国内关于日照质量改良的研究方向有建筑朝向、居住区规划布局形式［2］等领域，或从日照补偿等城市规划政策角度来研究［3］;对于太阳高度角以及入射角度［4］、建筑日照分布［5］、建筑日照模型等的研究相对比较成熟，这些研究都是运用各种仿真或测量手段来模拟居住区日照环境，选取最优的建筑规划布局形式，使建筑物之间彼此遮挡效应最小化，进而在既定的太阳辐射量下达到较为理想的日照条件.不过通过调整布局形式来优化日照质量毕竟是一种被动的优化现状方法，没有从根本上提高太阳辐射量.

目前尚未发现在居住区规划领域应用太阳能光学折射、反射来提高日照质量的相关研究;不过在其他研究领域一些学者取得了诸如球面折射型太阳能低倍聚光器［6］、改进型太阳能最大功率点跟踪控制与仿真［7］、新型太阳能光电自动跟踪系统［8］等提高太阳能光学效率的相关研究成果.

寒地居住区日照质量改良模型从另一种角度来进行日照质量优化，运用光学原理使得太阳辐射进行转移，使太阳辐射转移到寒地居住区场地阴影区，扩大场地日照范围，改善日照质量.这是一种提高局部区域太阳辐射绝对量的改变现状的主动方法.增加居住区内部分被遮挡的建筑群体的绝对日照时长，提高居住区内建筑群体的日照质量可间接提高城市土地利用率.此研究的目的是提高寒地居住区居民活动频率高发区的日照质量;在不降低日照质量的前提下提高规划居住区的城市土地使用率.

采用国外光学行业认可度极高的Tracepro光学仿真模拟软件来对光学构件参数及太阳辐射仿真环境进行模拟，同时运用国内的天正日照软件来对太阳运行轨迹进行定量分析.

1 模型工作原理及运作模式

寒地居住区日照质量改良模型的核心思想是将较大区域的太阳辐射集中到较小区域中，进而提高单位面积的日照质量.实现这一目标有赖于光学折射以及实现此光路的配套光学元件参数，通过光线折射原理将照射到南部建筑屋顶的太阳光折射到两排建筑之间的地面阴影区，进而改善日照质量.

此模型的基本构造及工作原理见图1，其主要构件是两个凸透镜.一天中太阳的运行轨迹与光线入射角时刻在变化，首先按照固定位置确定光学元件尺寸，然后根据确定的尺寸推算动态运行轨迹，以适应变化的太阳高度角.由于哈尔滨是中国北方较具代表性的寒地城市，因此初步试验是针对哈尔滨市(北纬 45°37'，东经 127°48')12月22日12:00来展开的，进而根据特定的太阳高度角来计算精确的光学设备参数指标.

图1中的两栋建筑正南北向，日照间距系数为1.8，全部为6层，高18 m.A点位于北部建筑的窗台处，距地面高度0.9 m;B点位于南部建筑的檐口处，距地面高度18.0 m.因此，根据日照间距计算公式可得出两栋建筑的合理间距为30.78 m.(D=1.8H=1.8×(18.00－0.90)=30.78 m).

图1 光学透镜的结构及工作原理

在安置两组光学透镜之前，临界光线通过B点照射到A点，这种情况可对安置光学透镜前后的照射区域进行对比.在安置光学透镜后，光线走向变得较为复杂.光线 S1、S2、S3、S4是 4条代表性的入射平行太阳光线，它们首先被透镜C(其形状为正常凸透镜的下半部分)折射到了透镜B(其形状为正常凸透镜的上半部分)处.根据光线折射定理［9］，折射光线 S1'、S2'、S3'、S4'的折射方向可被计算出来，从结果可看出它们被汇聚到了透镜B所在的较小范围.透镜B比透镜C要小得多，但是它接收到了相同当量的光线.透镜C的出射光线 S1'、S2'、S3'、S4'作为透镜 B 的入射光线被透镜 B 折射，产生的出射光线 S1″、S2″、S3″、S4″相对原始入射光线S1、S2、S3、S4发生了向下偏移，其地面投射范围位于南部建筑形成的阴影区.

新产生的日照投射区域包括两部分，一部分是D点到A点的K区域，另一部分是L区域.L区域原本是阴影区，在试验后转变为日照区.而K区域则需要格外加以注意，这个区域是由透镜B造成的遮挡范围(由于透镜B本身也会遮挡光线，所以透镜B必须做得尽量小)，由于折射后的光线投射范围包含了K区域，因此使这部分遮挡问题得以解决.

模型中实现的是日照辐射转移，究其根本是将南部建筑屋顶接收的日照辐射量转移到了两排建筑之间的场地.场地中L区域日照得以增强，南部建筑屋顶日照有所削弱.由于太阳光对于辐射表面具有加温效果，因此南部建筑屋顶日照减弱会造成一定程度的顶层房间室温下降，不过这种日照带来的加温效果可以通过主动式太阳房、被动式太阳房、集热墙体等技术手段加以替代;而场地日照增强与日照范围扩大目前却还没有成熟的技术手段来加以替代.模型中日照辐射转移过程的核心主旨在于将有限地段内稀缺的日照辐射集中到居民最需要的区域，经过对南部建筑顶层房间室温增强与场地日照增强是否具有可替代性的分析后，可得出日照转移过程利大于弊的结论.

2 光学仿真模拟与参数修正

上述模型基于物理光学定理推算得出，需要进一步的模拟分析加以证实.最初，研究人员试图采用实体模型的方式来验证模型的正确性，但在实际操作过程中，由于加工误差的存在，使得实验结果与理论模型差距较大.最终采用光学仿真模拟软件Tracepro进行模拟分析.

首先在AutoCAD中建立精确的实验对象三维模型，输出生成的三维模型文件，然后将其导入Tracepro进行进一步的精确运算.与事先预料的结果相似，前几轮的模拟分析结果与理论模型并不完美吻合，存在一定程度偏差.为使模拟分析结果更理想，在后几轮的模拟分析中，对透镜的材质、尺寸参数进行优化调整，最终得出较为理想的实验结果(图2).最终试验结果的实验对象材质、折射率、尺寸等关键参数参见表1.

图2 Tracepro软件光学模拟分析图像

表1 光学模拟分析参数

最后的模拟分析结果令人满意，但是也存在一些不可忽视的问题，就是透镜元件的厚度过大，直接导致成本增加、加工难度加大、自身重量过大，也降低了现实操作可能性.为了解决这一问题，实验人员采用了厚度更薄、效率更高的菲涅尔透镜来替代传统透镜［10］.

3 光学透镜的运行轨迹计算

固定的光学透镜虽然能够发挥一定的作用，但是如果能根据太阳光入射角而进行位置改变，那么光学透镜将发挥最大功效.前面试验是针对哈尔滨市12月22日12:00这一时刻展开的，下面将根据所确定的光学元件尺寸来推算12月22日日照时段光学透镜的最佳运行轨迹.

前面已确定建筑的剖面尺寸，现在把与该剖面相垂直的纵墙长度设定为64 m.此次分析采用了6栋相同的建筑作为分析对象，它们山墙间距13 m，纵墙间距仍然为32.4 m.运用天正日照分析软件，可得出既定建筑的阴影投射区(图3).图3中提供了从9:00到15:00(24小时制)的阴影范围，分析间隔为半小时，共有13个阴影范围.

根据图3已有的地面阴影范围，可反向推算得出这一时刻的太阳高度角，9点钟的高度角为9.65°，见图 4.

图3 6栋建筑的全天候阴影投射区分析

图4 9点钟的太阳高度角推算

图4中B代表入射太阳光的水平投影线与建筑西边缘线的夹角，其值为41.1°;C代表入射太阳光的西墙投影线与建筑西边缘线的夹角，其值为12.75°.而x则代表光学透镜中心到建筑屋顶的垂直距离，它是最重要的一项参数;z代表建筑的进深，它是已知值，为12 m;y代表由x、z构成的三角形的另一边.计算目的是根据所有A、B、C、z等已知元素推算出x值.

根据上式可推算出从9:00到15:00之间A、B的所有数值，见表2.

表2 各时刻A、B数值(°)

光学透镜由于具备凸透镜的光学特性，因此如果入射光线水平方向发生偏移、旋转，光线仍然能够汇聚到焦点所在的平行线上.由于光学透镜恰好是沿东西平行方向布置，因此图3中y值的改变不会对最终改良结果造成影响.同时A、B值是由太阳位置决定，因此最关键数值就是x的确定，这就决定了光学透镜只需在垂直方向可移动即可.根据A、B数值可计算得出x在各时刻的数值，见图5.

图5 各时刻光学透镜垂直位置数值

图5数值代表了光学透镜在各时刻需要在垂直方向做出的位移，其最大值为6.002 m，最小值为2.709 m.由于垂直方向与水平方向位移值的不同变化趋势，最终导致了下午时段x值基本稳定在6.000 m左右，这对于设备节能来说非常有益.由于最初试验将光学透镜尺寸规定为6.000 m高，而动态轨迹推算试验的结果是上午时段并不需要总是维持这一高度，因此纵向可伸缩式结构就可满足这一功能的实现.

5 结 语

寒地居住区日照质量改良模型能将南部建筑屋顶接受的日照辐射转移到南部建筑北部的场地上，进而缩小南部建筑造成的阴影区，为北侧建筑提供更大的日照区域.通过光学仿真模拟测算能够高效地优化模型参数，动态轨迹推算使得理论模型能够适应不同的太阳光入射角度.

对于建成居住区来说，寒地居住区日照质量改良模型能够在不改变现状规划布局形式的情况下达到更高的日照质量.如果在规划设计阶段应用此理论模型，可在维持居住品质不变情况下提高城市用地使用效率.这种效果可减少投资建设成本，节约城市土地资源，对于缓解中国大城市人口压力是一种有效的改良措施.

上述理论模型已基本构建了日照增强的原理体系，如进一步投入实践应用则需克服太阳入射角自动跟踪、建筑顶层热能补偿等技术环节，这有赖于建筑节能与自动控制技术结合研究的展开进行.除技术攻关外，后续研究也会结合规划布局、建筑间距、建筑朝向等设计因素来对理论模型进行优化，使其实践可行性得以增强，能够应对更多复杂情况.

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［4］徐丰，王波，张海龙.建筑日照分析中太阳位置计算公式的改进研究［J］.重庆建筑大学学报，2008，30(5):130－134.

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Optical refraction model of improving insolation quality of residential sites in cold region

ZHANG Yifei
(School of Architecture，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China)

Insufficient insolation condition is one of the urgent problems to be solved in north China because of its cold climate and smaller solar elevation angle.To improve this situation，we are working on a theoretical model for optical facilities based on the principles of rays refraction，which can concentrate solar energy from larger scope to smaller scope，then insolation standard can be improved in the specific region.A theoretical model on the structures and working principles of the insolation lens is explained in detail，its validity is proved by optical simulation，and trajectory of rotating Insolation Lens is analyzed at length.This theoretical model could improve the insolation conditions of the existing residential buildings and reduce the land use in the urban construction processes.

cold region;residential site;insolation;plot ratio;optical refraction

TU984.12;TU18

A

0367－6234(2014)02－0016－05

2013－03－21.

中央高校基本科研业务费专项基金资助(HIT.NSRIF.2013073).

张一飞(1979—)，男，讲师.

张一飞，29598757@qq.com.

(编辑 赵丽莹)