哈尔滨市建筑表面太阳能利用潜力实测研究

白 洋 马 涛

(1.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.大唐黑龙江新能源开发有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

哈尔滨市建筑表面太阳能利用潜力实测研究

白 洋1马 涛2

(1.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；2.大唐黑龙江新能源开发有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

针对不同形态下的建筑表面的太阳辐射强度进行了实测，分析了影响建筑表面可利用太阳辐射的因素，进一步提高建筑表面太阳能的利用潜力。

建筑表面，太阳辐射强度，潜力

0 引言

在高密度的城市环境下，垂直面的太阳辐射资源总量大于屋顶面的，这对提高太阳能的利用潜力至关重要。Capeluto等人[1]以一个新建的商业区设计为例，使用SustArc进行日照设计，使新建商业区的建立并不影响周围居住区的日照权的情况下，得到了合理的最大的接收太阳辐射的面积。Compagnon等人[2]对形态布置混乱的住区进行了重新规划，强调城市形态对太阳利用的潜力的影响。Okeil[3]发展了居住区太阳能体块，以寻找在冬季可以最大化立面太阳能吸收，最小化屋顶和地面太阳能吸收的形态基本型。郑洁[4]分析了建筑高度差有规律的变化时，住区内的太阳辐射分布情况。Cheng等人[5]分别对住区内建筑物在水平和垂直方向规则或者不规则变化时，分析了住区内的太阳辐射变化情况。

1 哈尔滨市太阳辐射分布情况概述

从建筑表面太阳能利用的视角考虑，不同朝向上获得太阳辐射的情况存在显著差异。建筑各朝向在一年中各月份平均获得的太阳辐射强度值中，建筑屋顶在夏季接收的太阳辐射强度最大，其值远远超过建筑垂直立面的太阳辐射强度。在冬季，太阳高度角较低的时候，垂直立面的辐射强度甚至高于水平面。

2 哈尔滨市住区太阳辐射测试实验方案

本文中针对具有典型城市住区形态与建筑色彩的建筑进行实地测试，针对哈尔滨地区分布较为广泛的米黄色板式多层建筑、粉色板式多层建筑进行现场测试。

2.1测试地点选择

对于测试地点的选取，要求选取的测试区域能够涵盖影响住区建筑表面太阳辐射分布的影响因素，尤其是建筑布局、朝向的影响。因此，本文选取了2组测试地点，分别具有如下特征：

1)海星小区。小区容积率低、间距大，建筑之间遮挡不明显；周围环境中不存在树木等因素的影响；

2)哈尔滨工业大学五公寓。建筑行列式布局，受到周围树木的影响，但是南侧是平房，对测试建筑表面太阳辐射分布无影响；建筑存在“凸起”，自身受到遮挡。

2.2测试仪器

测试中使用的仪器为SM206太阳能辐射测量功率计，是一台手持式测试光强度的精密仪器，测试太阳辐射波长为0.4 μm～1.1 μm、分辨率为0.1 W/m2、取样时间0.5 s/次。

2.3测试方法

测试过程中测试者将测试仪器水平对准外侧，与建筑外饰面垂直放置，以保证测得数据为外饰面接收到的太阳辐射强度，每十分钟记录一次数据。测试过程中，测试者在固定的测试点重复实验。为了尽量避免空气中灰尘、PM2.5等粒子的影响，尽量选取空气质量优良的情况下测试。

3 测试结果与分析

3.1海星小区

该小区位于海滨街与海星街交叉口，如图1所示，地处老城区内且周围建筑均为多层，不存在高层建筑遮挡情况。该小区占地面积约为20 000 m2，小区建筑密度较低，建筑高度由5层、8层建筑组成，建筑之间的间距较大，遮挡现象不明显；小区建筑为钢筋混凝土结构，板式建筑，建筑外墙为米黄色，屋顶为红色；由于受到西侧小区的影响，住区内四栋建筑呈围合式布局；建筑朝向为北偏西7.13°。

为了得到住区建筑表面太阳辐射强度的分布特点，该测试共选取6处测点，测点分别分布在1楼地面位置和5楼高度(如图1所示)处，其中1楼测点分布在东、西、南、北四个方向，5楼测点分布在南、西方向。这样可以得到住区建筑各方向的太阳辐射强度对比与不同高度上太阳辐射强度的差异。

1)测试时间。测试时间为2016年1月23日9:00～16:00之间；

2)测试数据分析与整理。

a.5楼南墙表面的太阳辐射强度分布。图2显示了5楼南向测点的太阳辐射变化，其中9:00～11:50之间，随着太阳高度角的变化，使得直射太阳辐射与散射太阳辐射增长，因此太阳辐射强度持续增强；11:50～13:20之间，直射太阳辐射缓慢减少，散射辐射所占比例增加，因此辐射强度缓慢减弱；13:20～16:00之间，辐射强度会迅速下降。

b.5楼西墙表面的太阳辐射强度分布。图3显示了5楼西墙表面的太阳辐射强度变化情况，西墙表面的太阳辐射强度较低，9:00～12:40之间，太阳辐射变化较小；接着迅速增大，最大值出现在13:00相应的太阳辐射强度为176.5 W/m2；13:40开始迅速减弱，期间出现的小范围波动，是由于建筑本身的自遮挡造成的。

c.1楼地面测试数据。测试建筑物周围的东、西、南、北方向太阳辐射强度如表1所示，东向与南向的变化趋势基本相同，都在11:00取得最大值；西向变化突兀，13:00取得最大值，然后突然减弱；北向辐射强度较小，波动平缓。

表1 地面太阳辐射强度 W/m2

d.太阳辐射强度随测点高度的变化。对比5楼与1楼的南向测试数据如图4所示，上午10:00之前，1楼太阳辐射强度高于5楼；10:00之后，1楼略低于5楼。同样，对比5楼与1楼的西向测试数据，发现13:00之前，1楼的太阳辐射强度明显高于5楼；13:00之后，5楼高于1楼。

3.2哈尔滨工业大学五公寓

测试地点为联发街与公司街交口处，该建筑位于老城区内，周围不存在高层建筑遮挡。该建筑是多层、板式建筑，建筑长度约为100 m，进深约为15 m，建筑北侧与围合式建筑相连接，并且受到西侧5层建筑的遮挡；该建筑南向为平房区，因此无遮挡现象。建筑朝向为北偏西48.74°，属于沿街型布置。

测试时间为2016年1月21日9:00～16:00之间，测点位置与测试建筑实景如图5所示。

测试结果与分析。

1)南向辐射测试。

在南向测试时，选取的测试点西侧存在“凸”起处。由于太阳高度角的影响，建筑立面上太阳辐射随着测点高度变化而变化，并且建筑自身遮挡产生的阴影也随之变化，测试结果如图6所示。

测试结果表明，在该建筑朝向情况下，建筑自身的“凸”起对南向太阳辐射强度的影响较大，并且这种影响随着观测点高度的降低而增长，测试过程中的5楼测试点的累计太阳辐射强度仅为7楼测点的62.68%。因此，建筑的自身遮挡对建筑表面的太阳辐射强度分布影响较大，在设计过程中应予以重点考虑。

2)北向辐射测试。

建筑北侧与2层建筑相邻，测点处外立面平直，不存在自身遮挡。建筑北立面的直射太阳辐射较少，因此北立面的太阳辐射强度差异，主要由反射辐射与散射辐射的强弱所决定，测试结果如图7所示。

测试结果表明，在北侧2层建筑屋顶的影响下，使得5楼建筑表面的辐射强度普遍提升，并且在测试建筑朝向情况下，使得5楼北侧累计太阳辐射强度是7楼的140.94%。因此，其他表面的反射作用，对建筑立面上的太阳辐射分布具有较大的影响。

4 结语

通过对哈尔滨地区住区太阳辐射分布情况的实验测试和结果分析，得到影响住区太阳辐射分布的主要影响因素包括建筑高度、单体建筑形状、间距、建筑布局和朝向，测试结果也为建筑表面太阳能利用方式的选取奠定了基础。

[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] 郑 洁.夏热冬冷地区居住小区户外空间气候适应性设计策略研究[D].武汉：华中科技大学硕士学位论文，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，在读硕士；马 涛(1987- )，男，助理工程师