基于太阳能利用潜力的济南市高校公寓设计

尹红梅张灵芝房涛郑仲意

(1.山东建筑大学 建筑城规学院，山东 济南250101；2.山东省绿色建筑协同创新中心，山东 济南250101；3.同圆设计集团有限公司，山东 济南250101)

0 引言

截至2019年，全国高校数量已达到2 956 所。面对不断增长的学生数量，高校的建设规模也逐步扩大，同时伴随学生对学习和生活环境舒适度要求的提升，高校校园的能耗问题日益突出。目前，正在大力推行的绿色校园事业，目标是在不降低舒适度的前提下，尽可能地节约资源、保护环境，因此发展校园的可再生能源利用势在必行。太阳能作为现阶段利用技术最为成熟的可再生能源，具有建筑密度小、容积率低的先天优势，将会成为高校能源补充的最佳选择[1]。在高校用能结构中，尤以科研类建筑与生活居住类建筑用能最大，其中科研建筑能耗主要来自科研设备。由于各高校的研究方向不同，科研水平也参差不齐，因此不能一概而论；而生活居住类建筑能耗则主要来自于日常用电、用水，具有较大的同一性[2]。因此，合理评估高校公寓的太阳能利用潜力，研究设计参数对太阳辐射的接收影响，可对高校新建、扩建的学生公寓太阳能利用规划提供重要参照依据，对建筑设计具有重要的现实指导意义。

太阳能利用潜力研究主要分为物理潜力、地理潜力和技术潜力等3类[3]，而与建筑相关的分析主要集中于地理和技术潜力。Mohajeri等[4]从地理潜力的角度将欧洲各个地区的城市形态设计参数中的密度、容积率、场地覆盖率与太阳能潜力进行了相关性分析。Lee等[5]发现即使在相同的建筑密度条件下，改变建筑高度的组合，能够影响太阳辐射接收水平。Chatzipoulaka 等[6]量化了城市空间形态的关键设计因素，提出了建筑物平均间距、建筑形式、建筑高度会显著影响太阳能利用潜力。Lobaccaro等[7]利用Rhinoceros软件参数化分析方法，实现了建筑方案的太阳能获取最大化。张华等[8]利用GIS分析方法计算天津市中心城区现有建筑屋顶及未来发展中建筑屋顶的太阳能利用潜力。徐燊[9]从地理潜力的角度对城市空间的太阳能利用进行了潜力评价。Lu等[10]利用Radiance 软件从技术潜力的角度对我国高纬度严寒地区城市住宅区规划设计提出了太阳能利用设计策略。综上所述，学者们从物理、地理、技术3个方向分别进行了大尺度空间的太阳能潜力评估和特定类型、较小尺度空间的详细研究，且其方向多集中于居住区及商业街区，但针对高校公寓类的研究可供借鉴的成果较为缺乏。

文章以济南市高校公寓建筑为研究载体，通过分析高校学生公寓设计参数对太阳能利用潜力的影响，得到学生公寓单体设计与规划布局的优化策略，以期为绿色大学校园的建设提供科学的指导性建议。

1 区域概况与研究方法介绍

济南地处中纬度地带，由于受太阳辐射、大气环流和地理环境的影响，属于暖温带半湿润季风型气候，其特点是季风明显、四季分明，春季干旱少雨、夏季温热多雨、秋季凉爽干燥、冬季寒冷少雪。其年平均气温为13.8℃，年日照时数为2 400 h。该区域属于太阳能资源较丰富区[11]，单位面积内接收到的月总辐射量统计值如图1所示。尽管济南地区属于太阳能资源较丰富的地区，众多高校公寓在使用过程中也进行了太阳能热水系统的安装与使用，但在设计过程中明显存在太阳能资源评估滞后于建筑设计，以及太阳能集热器安装不合理等现象。

图1 济南市单位面积内接收的月总辐射量图

1.1 高校公寓建筑平面形式与布局形态调研统计

为保证调研数据的科学性和可靠性，分别对济南市市域范围内的8所全日制普通高校(如山东大学兴隆山校区、山东师范大学长清校区、山东建筑大学新校区、山东体育学院、山东女子学院、齐鲁工业大学、山东工艺美术学院以及济南大学)的学生公寓进行基础数据调研，并在以上调研高校的公寓区内选定77栋学生公寓作为数据来源。经调研统计，公寓建筑平面共分为矩形、U形、Z形和回字形等4种平面形式，其中矩形平面学生公寓数量最多，共有61栋，其占比为79%；Z形平面公寓为8栋，其占比为11%；U形公寓为7栋，其占比为9%；而回字形平面公寓有1栋，其占比为1%。

在空间布局形态方面，通过对8所高校学生公寓的布局形式进行调研后发现，学生公寓区均以双车道为边界进行公寓群的区域划定，对样本中8所高校的61栋矩形平面公寓楼进行统计后发现，空间布局形式多以平行行列式布局为主，容积率平均值为1.6。由此确定，文中针对高校公寓的研究类型将以量大面广的矩形平面类公寓及行列式布局作为主要研究对象，其他平面类型和布局形态将在后续研究中进行讨论。

1.2 高校公寓设计参数统计与模型建立

针对61栋矩形平面高校公寓设计参数进行统计后得到样例数据见表1。建筑进深的取值范围相对较小，其为15～21 m；建筑面宽则跨度较大，其跨度为39～105 m。其中，面宽为39 m的矩形公寓仅有一栋，且在39 ～54 m 范围内并无相应案例对应，因此矩形平面的尺寸变化区间设定为54 ～105 m、进深变化范围为15 ～21 m、建筑层数则均为6 层。由于公寓建筑层高较难获取准确数据，因此借用朱秩蕾等[12]的研究成果，即我国高校学生公寓内部净高以2.8 m 为宜，考虑结构构件及地面、屋顶装饰层厚度，建筑层高约为3.1 m，计入女儿墙高度后，6层学生公寓的建筑高度为21 m 较合理。借用此研究结论对文章调研公寓的层高进行统一设定，即建筑层高为3.1 m、总高度为21 m。

表1 矩形平面公寓设计参数统计分析表

综上所述，在不考虑旋转偏角的情况下，矩形平面建筑接收太阳能辐射量的规律是有相似性的。因此，可建立54 m×15 m×21 m 的长方体建筑为初始模型，以此典型模型为代表进行阈值范围内的设计参数变量对太阳能利用潜力的影响分析。

1.3 太阳能利用潜力的评价标准遴选

针对建筑单体的太阳能利用潜力评估，太阳辐射在建筑表面的有效辐照量是重要的评判依据，因此需对建筑表面能够达到有效利用标准的面积进行精确计算。目前，孔帕尼翁标准作为建筑表面太阳能利用潜力的评判依据已被国内外众多学者所采用，其根据光热和光电设备的使用特性及安装方位，将建筑不同方位表面的年太阳辐射量划分为4个评定指标[13]，见表2。因此，在计算分析时应当以年总辐射量作为重要评价指标，并根据其最低限值进行建筑表面划分和面积统计[14]。

表2 计算相应太阳能技术潜力的阈值表/(kWh·m-2)

1.4 分析工具与方法

目前，国内学者大多使用Ecotect Analysis作为主要工具对建筑表面太阳辐射接收量的模拟进行计算。这款由Autodesk公司开发的仿真计算软件可使AutoCAD的图形文件直接导入建模，可快速准确地模拟目标建筑的热环境、光环境、声环境、建筑能耗等多项重要的建筑环境和指标[15]。该软件在计算建筑表面太阳辐射量时，可通过较细的建筑表面网格划分，精确计算建筑外表面的太阳辐射量和遮蔽百分比。因此，文章针对不同设计参数取值下的参照模型外表面进行年太阳辐射量计算统计，并根据孔帕尼翁标准，按照不同辐射量级分别对计算结果进行面域划分和面积统计，由此形成针对公寓的太阳能利用潜力的评估，同时以该项数据进行公寓设计参数与太阳能利用潜力之间的相关性分析。

2 高校公寓太阳能利用潜力与设计参数相关性分析

2.1 公寓单体太阳能辐射量计算与评估

根据1.2中调研数据，公寓建筑平面宽度为54～105 m、建筑进深为15～21 m、层数均为6层、高度为21 m。由此，针对面宽、进深的取值范围，取最小面宽进深和最大面宽进深分别建模，即建立54 m×15 m×21 m 和105 m×21 m×21 m两个矩形，以此作为太阳能利用潜力的基础模型。将以上两个基础模型在分析软件中同时建模，朝向均为正南向，地理位置设定为济南，气象参数调用清华大学与中国气象局数据共同发布的Weather DATA数据库数据，计算内容设定为计算全年建筑表面太阳辐射接收量，计算时间为1月1日至12月31日。针对模型，因建筑层高设定为3.1 m，所以针对建筑表面计算网格划分取值为3 m×3 m。因研究重点为分析设计参数对建筑外表面的太阳辐射接收量的影响关系，所以实际建筑中有可能出现的树木、建筑外挑构件和建筑表面材质的影响在研究中暂未纳入计算范围，计算后得到两个初始模型的表面辐射量如图2 所示。

图2 两个典型模型表面太阳辐射模拟计算值图

由图2可知，在建筑高度一定的情况下，建筑平面的面宽和进深无论如何取值，建筑南向立面的单位面积太阳辐射量均相等，即南向立面在无遮挡前提下，单位面积太阳辐射量不受设计参数的变化影响。对54 m×15 m×21 m初始模型的建筑外表面进行太阳辐射量计算，以孔帕尼翁标准作为评价指标，得到统计数据见表3。

表3 公寓全年总辐射量达标占比统计表

2.2 公寓单体设计参数与太阳能利用潜力的相关性分析

由表3可知，在太阳能光伏利用方面，初始模型外表面中仅屋顶达到最低年辐射量标准，东、西、南3个立面均未达到。在太阳能光热利用方面，东、西、南3个立面均100%满足标准。北向立面因无太阳直接辐射，所以无法进行太阳能光伏与光热利用。由此，对初始模型外表面的太阳能利用率进行计算，计算式由式(1)和(2)表示为

式中：φ光热、φ光伏分别为公寓外表面光热、光伏利用率，%；S为面积，m2。

由式(1)和(2)的计算过程来看，公寓外表面的光热利用率受北向立面占总外表面积比值的影响；光伏利用率受屋顶面积占总表面积之比的影响。由此，将公寓设计参数中的面宽、进深、高度分别代入式(1)和(2)后，其计算式由式(3)和(4)表示为

式中：a、c、h分别为建筑面宽、进深和高度，m。

将1.2 中提供的调研数据，即54 m≤a≤105 m、15 m≤c≤21 m、h＝21 m 代入公式(3)和(4)后，其计算式由式(5)和(6)表示为

由式(5)和(6)可以看出，光热利用率是一个关于面宽a的减函数和关于c的增函数；光伏利用率是一个同时关于a和c的增函数，其计算式由式(7)和(8)表示为

即当建筑高度为统一值时，为实现太阳能光热利用率最大化，针对初始模型设计参数取值面宽取最小值为54 m、进深取最大值为21 m 和利用率为73.5%；为实现太阳能光伏利用最大化，应对面宽取最大值为105 m，同时进深取最大值为21 m，利用率为29.4%。因此，在公寓建筑设计时，应根据公寓的能耗构成特点，进行相应的设计参数取值。

2.3 公寓群体太阳能辐射量计算与评估

通过调研统计可知，对于矩形平面公寓均选用平行行列式布局，因此在研究过程中，将根据公寓的布局形式，以及公寓区调研得到的建筑容积率，对一定用地范围内的公寓进行设计参数在不同取值下的多方案设计布局。以太阳能利用潜力值作为评估标准，同时研究二者之间相互影响关系，从而达到基于太阳能利用潜力下的学生公寓布局设计优化。

在实际工程设计中，济南市所属建筑项目依据《济南市城乡规划管理技术规定》第二十一条、第二十二条规定进行设计。要求均为＜24 m 的南北向生活居住类建筑之间间距应≥1.5 倍前排建筑高度并≥15 m；东西向生活居住类建筑的建筑间距在满足国家强制性规范要求的基础上按照南北向生活类建筑间距规定的0.8倍确定；生活居住类多层建筑侧向间距≥6 m(生活居住类建筑侧向主要生活居住空间开窗的，相应侧向间距宜增加2 m)。因此，结合研究初始模型高度h＝21 m 的设定，公寓南北向间距应≥31.5 m，而东西侧向间距应≥6 m。与此同时，学生公寓在高校中属于生活类建筑，学生日常生活对热水需求要高于用电需求，因此，单体模型以光热利用最大化为目标进行选择，依据前述研究结论，单体模型设计参数选用面宽为54 m、进深为21 m。同时，按照调研公寓空间行列式布局形式，结合1.6的容积率，以最大间距确定在210 m×180 m的基地上建立54 m×21 m×21 m矩形公寓9栋。令各公寓之间分别等距，可作三行三列平行式布局，在设计参数取值方面，南北向间距取最小值为31.5 m、最大值为58.5 m；东西向间距取最小值为6 m、最大值为24 m。由此对选用的设计参数进行排列组合，形成4种排布方式，如图3所示。

图3 4种公寓平行行列式布局形式图/m

利用计算软件Ecotect Analysis对4个方案分别进行建模，软件计算边界参数取值参照2.1进行相同设置，在模型数据统计选择过程中，因公寓之间进行等距布局，位于中心位置的公寓受到左、右公寓的遮挡，在太阳能利用方面最为不利，所以选用该公寓的外表面接受太阳辐射值达标情况(见表2孔帕尼翁标准)作为空间布局优劣的评价依据。

对计算结果分别进行统计，得到数据见表4。

表4 4 种方案中各立面与屋顶太阳辐射量计算统计结果表

从表4 的统计数据可以看出，由于建立的9栋公寓单体设计参数为统一值，屋顶面积均相等，所以太阳能光伏利用并无差异，后续将以建筑外表面光热利用率作为主要研究目标。依据孔帕尼翁标准对立面进行评估，发现立面均无法达到光电利用标准。当东西向间距较大时，即方案②和④的东、西立面有部分面积可达到光热利用标准要求，对计算数据进一步整理后得到统计数据见表5。

表5 4种方案统计结果汇总表

对表5中各项数据进行对比发现，对于平行行列式布局而言，当保持东西间距为6 m时，建筑东、西、南3个立面上的太阳能光热利用率不随南北间距增大而变化，建筑表面总的光热利用率也不变；当公寓东西向间距设定为24 m时，此时东、西两个立面上的太阳能光热利用率随着公寓南北间距增大而增大，建筑表面的光热利用率也随之增大。

2.4 公寓群体太阳能利用潜力与设计参数相关性分析

针对表5得到的结论，建筑表面太阳能可利用面积随东西向增大而增大，但上述计算均只采用空间布局确定的间距最大值和最小值进行计算，而忽略了中间取值对建筑外表面可利用面积的影响。因此，对行列式布局的公寓群体东西向间距进行6 ～24 m 之间的变化取值，建立不同组合方案，进一步分析。建筑东西向间距以3 m为单位作为步进值，分别计算其在31.5和58.5 m两个南北向间距条件下的公寓太阳能利用潜力计算，最终计算数据统计见表6。

当公寓南北向间距保持为31.5 m 时，公寓建筑西立面光热利用率随公寓东西向间距的增大而增大，而东立面在间距＞12 m后处于稳定不变状态。当公寓南北向间距保持为58.5 m 时，建筑西立面光热利用率随公寓东西间距的增大而增大，建筑东向立面间距＞12 m 后基本处于稳定状态，到间距达到24 m时出现较大增长。与此同时，对南北向间距31.5和58.5 m的两组数据进行横向对比发现，当公寓东西间距保持不变且东西间距＜18 m时，建筑外表面光热利用率保持一致；当公寓东西间距保持不变且东西间距≥18 m 时，建筑外表面光热利用率与其南北间距同向递增。

表6 不同间距对应东、西立面太阳能集热达标面积比表

3 结论

通过上述研究，可以得到以下结论：

(1)针对调研数据所建立的基础模型，当高度一定时，建筑外表面太阳能光热利用率最大化的设计参数取值分别为面宽取最小值为54 m、进深取最大值为21 m，其利用率为73.5%；建筑外表面太阳能光伏利用率最大的设计参数取值分别为面宽取最大值为105 m、进深取最大值为21 m，其利用率为29.4%。因此，建筑面宽与光热利用率负相关、与光伏利用率正相关而建筑进深与光热利用率和光伏利用率均正相关。

(2)针对公寓的平行行列式空间组合形式，当公寓南北间距保持不变时，公寓外表面光热利用率随公寓东西向间距的增大而增大，当其≥12 m时，东向立面可利用面积处于稳定状态，而西立面可利用面积则随东西向间距的增大而持续增长。在东西向间距保持不变，即其值＜18 m时，建筑外表面光热利用率随南北向间距的变化而保持不变；当东西向间距≥18 m时，建筑外表面光热利用率与其南北间距同向递增。

(3)针对目前高校公寓的能耗使用构成，在公寓单体设计中建议以满足光热使用需求为主要设计目标。同时，在获取相同建筑使用面积的前提下，建筑应在满足使用需求的前提下，尽量增加建筑进深，以此增大建筑外表面光热可利用面积。

(4)针对目前公寓群体的常用平行行列式布局形式，从太阳能利用潜力最大化的角度进行设计时，东西向间距可在规范要求范围内尽量增大，间距以12 m为宜，条件允许时以间隔＞18 m为最佳。