胡泊 劉冰

【關(guān)鍵詞】日照;住宅選擇;研究

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU241.8 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）05-0098-03

1 太陽(yáng)高度角的確定

太陽(yáng)高度角指太陽(yáng)直射光線與地平面間的夾角[1]。冬至日，太陽(yáng)直射南回歸線，我國(guó)所有地區(qū)正午太陽(yáng)高度達(dá)到最小值，因此，選擇冬至日這一天的太陽(yáng)高度角作為研究目標(biāo)點(diǎn)，如果這一天能夠獲得全天日照，那么全年其他日期也都能夠獲得全天日照[2]。此外，不同的經(jīng)緯度，太陽(yáng)高度角不同，正午太陽(yáng)高度角計(jì)算公式為H=90°-|緯度差|，緯度差即所求地點(diǎn)緯度與太陽(yáng)直射點(diǎn)所在緯度的差距（同半球減，異半球加）[3]。

以北京和遼寧省盤(pán)錦市為例計(jì)算其冬至日正午太陽(yáng)高度角，依據(jù)計(jì)算公式，南回歸線維度為南緯23°（此處為方便計(jì)算，緯度取整數(shù)計(jì)算），北京緯度為北緯40°，北京市冬至日正午太陽(yáng)高度角=90°-| 23°+40°|=27°，遼寧省盤(pán)錦市緯度為北緯41°，則盤(pán)錦市冬至日正午太陽(yáng)高度角=90°-| 23°+41°|=26°。

2 樓間距和正南面建筑物高度的關(guān)系分析

全天中，正午太陽(yáng)高度角最大，太陽(yáng)方位近似正南，某一城市由于緯度是固定的，冬至日正午的太陽(yáng)高度角就是固定的，現(xiàn)選擇±0.00 m標(biāo)高處作為獲得日照的目標(biāo)點(diǎn)，那么，測(cè)試點(diǎn)是否能夠獲得日照就由樓間距和正南面建筑物高度決定（如圖1所示）。

圖1中，α為冬至日正午太陽(yáng)高度角，B為樓間距，H為正南面建筑物高度。三者的關(guān)系為tanα=H/B，以北京市為例，樓間距和正南面建筑物高度的關(guān)系為tan27°=0.51=H/B。比如，當(dāng)樓間距為50 m時(shí)，正南面建筑物高度不能超過(guò)25.5 m，否則就無(wú)法獲得日照，反之，如果正南面建筑物高度為30 m，則樓間距至少為58.8 m才能保證獲得日照。此外，由于所選目標(biāo)點(diǎn)標(biāo)高在±0.00 m處，若實(shí)際選擇的住宅位置高于±0.00 m，則此時(shí)正南面建筑物高度就是指超過(guò)所選住宅標(biāo)高的高度，比如所選住宅高度在15 m處，則正南面建筑物高度為45 m時(shí)，樓間距至少為58.8 m才能保證獲得日照。

3 太陽(yáng)位置和高度角隨著時(shí)間的變化分析

全天除了正午以外，其他時(shí)間太陽(yáng)的位置和高度角都不同，因此，如果側(cè)面建筑物過(guò)高或者與所選住宅較近，同樣無(wú)法全天獲得日照，對(duì)此需要確定不同時(shí)間點(diǎn)太陽(yáng)的位置和該位置上的太陽(yáng)高度角。現(xiàn)選擇±0.00 m標(biāo)高處作為獲得日照的目標(biāo)點(diǎn)，以太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角來(lái)確定太陽(yáng)方位，則正東方向?yàn)?°，正南方向角度為90°（如圖2所示）。圖2中，α1為冬至日太陽(yáng)高度角，β為太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角。

有關(guān)太陽(yáng)方位和高度角的確定已有成熟的計(jì)算方法，兩者由當(dāng)?shù)鼐暥?、太?yáng)赤緯、太陽(yáng)時(shí)角確定，利用已有公式代入相應(yīng)數(shù)值即可確定太陽(yáng)方位和該方位上太陽(yáng)的高度角[4]。以北京市為例，分別計(jì)算冬至日當(dāng)天β為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°時(shí)的太陽(yáng)高度角，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。其中，β為太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角，α1為冬至日太陽(yáng)高度角，對(duì)應(yīng)大致時(shí)間為北京市冬至日的北京時(shí)間。

從表1中的信息可以看出，當(dāng)β為0°、15°、30°時(shí)，α1均為負(fù)角度，即太陽(yáng)還未升到地平線以上，因此從β為45°開(kāi)始算起，此時(shí)大致是北京時(shí)間早上8：44，太陽(yáng)高度角為12°。隨著時(shí)間變化，太陽(yáng)高度角逐漸變大，太陽(yáng)的方位也逐漸由正東方向向正南方向移動(dòng)，到中午12：00到達(dá)正南方向，此時(shí)的太陽(yáng)高度角為27°。

此外，上下午太陽(yáng)的位置對(duì)稱于正午，如9：00與15：00相對(duì)稱，兩個(gè)時(shí)點(diǎn)的太陽(yáng)高度角相同，方位對(duì)稱于正午太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線。

4 遮擋建筑物高度和位置隨時(shí)間的變化分析

了解太陽(yáng)位置和高度角隨時(shí)間變化的規(guī)律后，就可以計(jì)算遮擋建筑物高度和位置隨時(shí)間的變化規(guī)律。比如，當(dāng)太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為45°時(shí)，太陽(yáng)高度角為12°，利用前述公式就可以計(jì)算出此時(shí)遮擋建筑物高度和距離±0.00 m研究目標(biāo)點(diǎn)間距之間的關(guān)系，通過(guò)計(jì)算可知，tan12°=0.21，即當(dāng)遮擋建筑物處于研究目標(biāo)點(diǎn)東偏北45°時(shí)，如果兩者距離為60 m，該遮擋建筑物最多不能高于12.6 m，否則將會(huì)擋光。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。其中，β為太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角，α1為冬至日太陽(yáng)高度角，對(duì)應(yīng)大致時(shí)間為冬至日的北京時(shí)間，H1為遮擋建筑物高度，B1為遮擋建筑物與目標(biāo)研究點(diǎn)之間的水平距離。

依據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，可以確定北京市冬至日當(dāng)天各個(gè)時(shí)間的太陽(yáng)方位和高度角，進(jìn)而可知該方向上遮擋建筑與所選住宅的直線距離的關(guān)系，從而確定是否擋光。

5 以遼寧省盤(pán)錦市為例進(jìn)行住宅選擇分析

遼寧省盤(pán)錦市位于遼寧省西南部，地理坐標(biāo)為北緯40°39'～41°27'、東經(jīng)121°25'～122°31'，計(jì)算時(shí)取北緯41°和東經(jīng)122°?，F(xiàn)以盤(pán)錦市為例進(jìn)行冬至日各時(shí)間太陽(yáng)高度角和方位的計(jì)算，進(jìn)而得出各方位上遮擋建筑物高度和與所選住宅±0.00 m標(biāo)高處的水平距離之間的關(guān)系，以便確定在什么情況下可以保證所選住宅全年全天獲得日照。

首先選擇太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為45°、60°、75°和90°的時(shí)間點(diǎn)作為研究時(shí)間，根據(jù)前述方法的計(jì)算，可以得到的結(jié)果見(jiàn)表3。其中，β為太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角，α1為冬至日太陽(yáng)高度角，對(duì)應(yīng)大致時(shí)間為冬至日的北京時(shí)間，H1為遮擋建筑物高度，B1為遮擋建筑物與目標(biāo)研究點(diǎn)之間的水平距離。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，盤(pán)錦市冬至日8：43時(shí)，太陽(yáng)高度角為11°，太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為45°，即在所選住宅東偏北45°的方位上，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.19，即H1/B1=0.19。

如果建筑物高度H1=30 m，則與所選住宅水平距離B1=158 m，意味著遮擋建筑物與所選住宅水平距離要大于158 m才能不擋光，反之，如果遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過(guò)13.3 m，否則就會(huì)擋光。

盤(pán)錦市冬至日9：56時(shí)，太陽(yáng)高度角為19°，太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為60°，即在所選住宅東偏北60°的方位上，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.34，即H1/B1=0.34。此時(shí)，遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過(guò)23.8 m，否則就會(huì)擋光。

盤(pán)錦市冬至日11：00時(shí)，太陽(yáng)高度角為24°，太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為75°，即在所選住宅東偏北75°的方位上，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.45，即H1/B1=0.45。此時(shí)，遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過(guò)31.5 m，否則就會(huì)擋光。

盤(pán)錦市冬至日12：00時(shí)，太陽(yáng)高度角為26°，太陽(yáng)直射光線在正南方向，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.49，即H1/B1=0.49。此時(shí)，遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過(guò)34.3 m，否則就會(huì)擋光。

需要說(shuō)明的是，此時(shí)所選住宅的標(biāo)高設(shè)定在±0.00m標(biāo)高處，若所選住宅窗臺(tái)底標(biāo)高高于0 m，遮擋建筑物的高度也相應(yīng)增加，例如所選住宅窗臺(tái)底標(biāo)高為15 m，則此時(shí)遮擋建筑物高度最高不能超過(guò)34.3+15=49.5 m。

另外，上下午太陽(yáng)的位置對(duì)稱于正午，如11：00與13：00相對(duì)稱，兩個(gè)時(shí)點(diǎn)的太陽(yáng)高度角相同，方位對(duì)稱于正午太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線，即對(duì)稱于正南方太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線，因此13：00時(shí)太陽(yáng)高度角也為24°，太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為105°，即在所選住宅南偏西15°的方位上，有關(guān)遮擋建筑物的要求與11：00時(shí)相同。

由于冬至日是全年太陽(yáng)高度角最小的一天，因此如果能滿足這一天的全天日照要求，則全年全天都可獲得日照。

6 結(jié)語(yǔ)

日照問(wèn)題在住宅選擇時(shí)是一項(xiàng)較為重要的內(nèi)容，但要求全年全天獲得日照的情況并不多，通常人們?cè)谧≌x擇時(shí)，只要日照時(shí)間達(dá)到一定時(shí)長(zhǎng)即可，同時(shí)我國(guó)在建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃中有關(guān)日照的規(guī)定也不是要求全年全天。因此，本文所研究問(wèn)題屬于臨界點(diǎn)問(wèn)題，后續(xù)有待加入新的變量繼續(xù)研究，例如在日照時(shí)長(zhǎng)符合國(guó)家有關(guān)規(guī)定和滿足人們意愿的前提下，如何確定所選住宅的最低高度。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王國(guó)安，米鴻濤，鄧天宏，等.太陽(yáng)高度角和日出日落時(shí)刻太陽(yáng)方位角一年變化范圍的計(jì)算[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2007（增刊1）：161-164.

[2]金向榮，郝卓敏.如何計(jì)算夏至日（冬至日）我國(guó)南北方正午太陽(yáng)高度[J].昭烏達(dá)蒙族師專(zhuān)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001（4）：19-20.

[3]車(chē)家漩，陳家升，張潤(rùn)，等.“正午太陽(yáng)高度角測(cè)量”研究性學(xué)習(xí)[J].地理教育，2017（6）：54-55.

[4]王慧，崔連延.太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算算法[J].電子技術(shù)與軟件工程，2015（17）：167.