徐燊 / XU Shen

城市空間中太陽能利用潛力評價的探析

徐燊 / XU Shen

近年來太陽能的開發(fā)與利用越來越普及，呈現(xiàn)由單體建筑向城市空間拓展的發(fā)展趨勢。本文探討城市空間中太陽能利用潛力的問題，對4個城市形態(tài)因素（建筑密度、容積率、平面形態(tài)及建筑高度）的變化對太陽能利用潛力進行評估。最后，通過案例總結(jié)出規(guī)律，為今后我國太陽能利用在城市規(guī)模的設(shè)計與實踐提供參考。

太陽能利用潛力 城市空間 評價方法 評價因子

1　相關(guān)背景與概述

1.1太陽能利用向城市規(guī)模的拓展

近年來，太陽能的開發(fā)和利用受到廣泛的關(guān)注，在我國和世界范圍內(nèi)都得到了快速普及。城市規(guī)模的太陽能利用也被逐漸提上日程，在歐美發(fā)達(dá)國家，城市規(guī)模利用太陽能的研究與實踐已開始出現(xiàn)。奧地利的林茨太陽能之城（SoIar City，Linz）在城市空間布局上充分考慮太陽輻射采集，以聯(lián)排建筑平行成列的方式控制建筑規(guī)劃布局，同時充分考慮建筑間距以保證太陽能的充分利用（Breuste J. et aI.，2007）；而柏林太陽能城市規(guī)劃（SoIar Urban PIanning BerIin，2004）則首次將太陽能利用應(yīng)用于城市總體規(guī)劃，通過多因子的評價方法，對城市片區(qū)利用或改造利用太陽能的潛力與價值進行了評價（Lindner S.，2008）；西班牙馬略卡島（MaIIorca IsIand， Spain）“太陽能村莊”（SoIar ViIIage）則強調(diào)城市形態(tài)與被動式太陽能利用的結(jié)合，通過“水”與“陽光”的組團式微氣候概念設(shè)計，以環(huán)繞放射狀的形態(tài)組織城市空間結(jié)構(gòu)（Ruano M.，1999）（表1）。此外，荷蘭、德國、西班牙、印度等國家均啟動了太陽能的城市計劃與實踐，相關(guān)研究與實踐在國外正如火如荼地開展。我國也出臺了促進太陽能連片化和規(guī)?；瘧?yīng)用的政策。在太陽能熱水方面，多個省市開始將擁有太陽能熱水作為住宅小區(qū)的強制要求；在太陽能光伏發(fā)電方面，國家頒布了多條“光伏新政”，鼓勵在綠色生態(tài)城區(qū)的公共建筑及民用建筑里集中連片推廣應(yīng)用光伏發(fā)電（財辦建［2011］9號）。今后，我國太陽能利用也將逐漸趨向于城市一體化的發(fā)展。

1.2城市空間中太陽能利用潛力的問題

太陽能的利用受到太陽軌跡和陽光遮擋關(guān)系的影響，城市空間對后者具有決定性的影響。近年來隨著太陽能利用問題在城市空間環(huán)境中逐漸浮現(xiàn)和凸顯，一個新的命題也隨之出現(xiàn)：什么樣的城市空間形態(tài)較有利于太陽能的利用？解決該問題的基礎(chǔ)和前提是對城市空間中太陽能利用潛力的評價，只有確定評價方法，才能有效地歸納總結(jié)有利于太陽能利用的城市空間形態(tài)。

目前，關(guān)于城市空間中太陽能利用潛力的研究主要包括：東京大學(xué)的大谷健二（Kenji Otani）（2001）對太陽能輻射在城市環(huán)境中陰影遮擋的研究；劍橋大學(xué)的程瑋琪（Vicky Cheng）（2006）對城市形態(tài)與密度對于太陽能資源潛力影響的研究；德蒙福特大學(xué)（De Montfort University）的約翰 · 馬達(dá)耶維奇（John Mardaljevic）（2003）對于太陽能輻射在城市中的圖形化分布研究。這些研究針對城市如何高效利用太陽能資源進行了廣泛的探討，但總體而言針對城市空間中太陽能利用，仍缺乏較為完整的評價方法研究。

由于我國城市建設(shè)呈現(xiàn)高密度化的特征，針對太陽能利用潛力的空間評價突顯了其特殊性和必要性。高密度的城市形態(tài)與太陽能利用是一種良性的博弈，一方面，建筑群的相互遮擋增加了太陽能利用的難度，立體化的城市形態(tài)使太陽輻射的分布變得十分復(fù)雜，難以揣測；另一方面，城市建筑群高度的提升開拓了垂直面利用太陽能的新的可能性。在高密度的城市環(huán)境下，垂直面的太陽輻射資源總量甚至高于屋頂面，對這部分太陽能利用潛力的研究將至關(guān)重要。

2　太陽能利用潛力評價的框架與步驟

2.1評價框架分析

太陽能利用潛力的實質(zhì)是太陽輻射在城市環(huán)境中的分布，主要體現(xiàn)在4個方面：分布強度、分布界面、分布時段和分布總量，因而可以將上述要素作為太陽能利用潛力評估的評價因子。根據(jù)評估結(jié)果，可以推導(dǎo)出城市形態(tài)與太陽能利用潛力的關(guān)系，包括：（1）對太陽能輻射分布具有顯著影響的城市形態(tài)因素判定；（2）結(jié)果導(dǎo)向的優(yōu)化設(shè)計方法，即其影響對于城市規(guī)劃及城市設(shè)計在實際可操作層面的指導(dǎo)作用。由于城市空間形態(tài)對太陽輻射的分布具有顯著的影響，而城市空間形態(tài)的差異可以用建筑密度、容積率、城市平面形態(tài)和建筑高度予以量化表達(dá)，因此選取這4個因素作為針對太陽能利用潛力評估（圖1）的城市空間形態(tài)控制因素。

圖1　城市空間中太陽能利用潛力評價的框架

表1　城市規(guī)模太陽能利用的案例

表2　3個典型城市空間的相關(guān)信息

2.2評價步驟

城市空間中太陽能利用潛力評價的實現(xiàn)步驟包括：（1）獲取和建立城市空間的三維幾何模型；（2）通過計算機模擬，獲得城市空間中太陽輻射在建筑表面的分布；（3）對城市空間中太陽能輻射分布進行數(shù)據(jù)分析；（4）根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提出對規(guī)劃設(shè)計的指導(dǎo)和優(yōu)化建議。

3　典型城市空間中太陽能利用潛力評價的對比分析

3.1研究實例概況

本文選取了多層聯(lián)排住宅區(qū)、高層商住區(qū)、中央商務(wù)區(qū)（CBD）超高層核心區(qū)3個典型城市空間作為進行太陽能利用潛力評估的實例。為了控制變量，3個城市空間設(shè)定在同一個城市（廣州市），采用相同的標(biāo)準(zhǔn)氣象年數(shù)據(jù)（來源于美國能源局網(wǎng)站www.eia.gov）進行模擬。3個案例的城市空間基本概況如表2所示。

3.2獲得評價數(shù)據(jù)的方法

獲得太陽能利用潛力評價數(shù)據(jù)的方法是利用模擬軟件測算不同城市形態(tài)中太陽輻射的分布情況，本文采用的軟件模擬和輸出數(shù)據(jù)工具是基于Grasshopper平臺的HoneyBee工具集，該工具的內(nèi)核源于獲得業(yè)界公認(rèn)的Radiance及Daysim的算法，在計算精度和運算效率上均有較好的表現(xiàn)。在模擬軟件中建立城市形態(tài)的三維數(shù)據(jù)之后，模擬計算獲得太陽能在城市空間中的分布強度、分布界面、分布時段和分布總量等數(shù)據(jù)信息，以此作為太陽能利用潛力對比分析的依據(jù)。

3.3評價數(shù)據(jù)的對比分析

采用前文介紹的方法，本文對3個典型的城市空間進行了太陽能利用潛力的評價，并從分布強度、分布界面和分布總量3方面予以討論。

分布強度是指建筑表面在單位時間、單位面積上獲得的太陽能。就分布強度而言，多層聯(lián)排住宅區(qū)平行排布的空間布局形式較有利于太陽能資源的利用，其年輻射強度水平均為三者最高，尤其在南面的輻射資源聚集度上較大的領(lǐng)先于另外兩個城市空間。密集的高層商住區(qū)則在分布強度這一項中表現(xiàn)較差，該結(jié)果是由過于密集的分布和不足的日照間距導(dǎo)致的，CBD超高層核心區(qū)雖然在容積率和建筑高度上超過了高層商住區(qū)，但是由于其垂直面上豐富的輻射資源，CBD核心區(qū)的點式超高層城市形式依然具有較高的分布強度，通過光伏幕墻等技術(shù)手段，依然可以較為高效地利用這一空間形式的太陽能資源（表3）。

分布界面是指以城市空間中建筑表面獲得太陽能輻射分布強度的測算數(shù)據(jù)，比照各種太陽能利用類型（光伏、光熱、集熱）的臨界值，從而確定不同的建筑表面所適宜的太陽能應(yīng)用方式。目前學(xué)界對太陽能利用的臨界值并無統(tǒng)一的定論，一些研究者采用了孔帕尼翁（Compagnon R.）提出的標(biāo)準(zhǔn)（Compagnon R.，2004），太陽能集熱利用的臨界值是216kWh/m2；太陽能光伏利用的臨界值是800kWh/m2；太陽能光熱利用的臨界值是400kWh/m2，本文同樣采用該標(biāo)準(zhǔn)。在一定范圍的城市空間中，可以統(tǒng)計太陽能可利用界面所占的面積比值，比如多層聯(lián)排平行排布的空間形式依然在三者中具有明顯的優(yōu)勢，其中滿足集熱應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的界面超過了99%，適用于太陽能光熱及光伏的建筑界面面積占比也相對較高。CBD超高層核心區(qū)在這一數(shù)值上弱于聯(lián)排住宅，但優(yōu)于高層商住區(qū)。另外，從三者所占的比例也可以看出，太陽能熱水和集熱具有非常廣的利用潛力，在高密度的城市環(huán)境下也具有較高的可利用面積（表4）。

表3　太陽輻射分布強度年平均值對比分析（單位：kWh/m2）

表4　太陽能可利用界面所占的面積比值（單位：%）

表5　太陽能可利用的分布總量（單位：kWh）

分布總量是對城市空間中不同界面進行太陽能可利用總量的測算，本文分別按城市街道的表面、建筑屋面、建筑墻面進行統(tǒng)計。就分布總量而言，CBD超高層核心區(qū)由于建筑尺度巨大，公共空間的規(guī)模較大，界面上獲得太陽能總量非常高，對這些太陽能加以利用，可以緩解CBD區(qū)域大量樓宇高能耗的問題，在該區(qū)域的大型公共建筑具有規(guī)?；锰柲艿臐摿Γ绕鋵τ诠夥l(fā)電的并網(wǎng)而言具有很好的規(guī)模優(yōu)勢；多層聯(lián)排住宅小區(qū)因為規(guī)模相對較小，雖然資源集中，但可利用總量較少，對于光伏利用而言并網(wǎng)價值相對較低，因此分戶獨立式的利用方式對此類城市區(qū)域空間顯得更為合適；高層商住區(qū)的規(guī)模也比較大，也具有較大的太陽能可利用總量（表5）。

4　結(jié)語

在能源與環(huán)境危機的背景下，太陽能的利用必將向城市規(guī)?；卣?，因此，城市空間與太陽能利用之間的關(guān)聯(lián)研究將成為重要內(nèi)容。本文提出的城市空間中太陽能利用潛力的評價方法對該領(lǐng)域相關(guān)研究的深入開展具有基礎(chǔ)作用，同時對于城市規(guī)模的太陽能應(yīng)用也具有引導(dǎo)作用，并將對規(guī)劃設(shè)計和相關(guān)政策法規(guī)的出臺提供科學(xué)依據(jù)和支撐。隨著該方面研究的不斷進步，針對我國氣候條件和城市環(huán)境將會提出具有更廣泛和深入的研究結(jié)論，從而促進我國城市規(guī)?；柲芾玫耐茝V普及。

注釋

［1］ Breuste， J. and J. Riepel. Solarcity Linz/Austria-a European example for urban ecological settlements and its ecological evaluation［M］//Faculty of Geography and Regional Studies，University of Warsaw. The Role of Landscape Studies for Sustainable Development， 2007.

［2］ Lindner， S. Solar Urban Planning Berlin［EB/OL］. http://www. pvupscale.org/IMG/pdf/Berlin.pdf.

［3］ Ruano， M. Eco-urbanism: Sustainable Human Settlements: 60 case studies［M］.Watson-Guptill Pubns， 1999.

［4］ Kenji Otani， Koichi Sakuta， Toshiyuki Tomori and Kosuke Kurokawa. Shading loss analysis of PV systems in urban area［C］. 12th International Photovoltaic Science and Engineering Conference （PVSEC-12）， June 11-15， 2001， Jeju，Korea.

［5］ Cheng， V.， et al. Urban form， Density and Solar Potential［C］. International Conference on Passive and Low Energy Architecture， 2006.

［6］ John Mardaljevic， Mark Rylatt. Irradiation mapping of complex urban environments: an image-based approach［J］. Energy and Buildings， 2003， 35（1）.

［7］ Compagnon， R. Solar and daylight availability in the urban fabric［J］. Energy and Buildings， 2004（36）.

［8］ 關(guān)于組織實施太陽能光電建筑應(yīng)用一體化示范的通知［J］. 建筑節(jié)能，2011.

本文受國家自然科學(xué)基金（編號：51008136）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費（編號：HUST 2015QN055）資助。

徐燊，華中科技大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院副教授

2016-07-20

DISCUSSION ON THE ASSESSMENT OF UTILIZATION POTENTIAL OF SOLAR ENERGY

RecentIy the deveIopment and utiIization of soIar energy have become more and more popuIar， which presents deveIopment trend from singIe buiIding to urban areas. This paper discusses the utiIization potentiaI of soIar energy in urban areas and evaIuates it in terms of four urban form factors （buiIding density， fl oor area ratio， pIane shape and the buiIding height）. By assessing cases， it summarizes the ruIes and hopes to provide reference for the design and practice of soIar energy utiIization in the urban-scaIe in the future.

UtiIization PotentiaI of SoIar Energy， Urban Space， Assessment Method， EvaIuation Factor