[科研-52期-12月](2.0P阅2本)-建筑物遮挡对房屋日照时长的影响

建筑物遮挡对房屋日照时长的影响

赵春艳 孙 静 马龙强 陈炳成

华北电力大学（北京）可再生能源学院, 北京 昌平 102206

摘要：由于建筑楼房日益密集，阳光遮挡现象严重，住户对房屋的采光效果愈加关注。本文通过经纬度和日期时刻，计算出一天内的太阳运行轨迹，结合建筑物间的位置关系，进一步计算出阳光遮挡的时长与分布，可以作为建筑采光性能的评估。 关键词：日照分析；建筑遮挡；时长计算 中图分类号：TU113 文献标识码：A 文章编号：

0 引言

根据我国对城市居住区规划设计的有关规定，在大城市里住宅的日照标准是大寒日大于等于2小时，冬至日大于等于1小时。在原来的建筑物周围增建任何的建筑都不应该使该建筑物或者期相邻建筑物的原有日照时长减少。

居民买房或者房地产商都需要考虑到各个楼层房屋的采光性能。采光时间长的房屋要相对价值更高。因为太阳轨迹一天之内存在连续变化，也随日期改变，同时建筑物存在前后遮挡，房屋采光性能的评估非常复杂，具体采光的时空分布难以获得。本项工作的目的是根据分析目标所在的经纬度，计算出每一日的太阳轨迹，建立目标与太阳之间的向量直线分布，对向量与周围建筑物立面的相交关系进行遍历解算，获得详细的日照时长统计与有效采光时间分布。

1 采光时间分析流程

分析流程主要包括：针对中国不同的地区，根据该地区的经纬度得到太阳运行轨迹，然后依据运行轨迹计算出房屋未遮挡下的总光照时间，最后根据遮挡情况，计算得到房屋采光时间。

图1采光时间分析基本流程

对于遮挡情况的分析，先将建筑物各表面分离，分别建立平面方程，然后利用直线与平面的关系确定各个时刻是否遮挡，得出遮挡时间占总日照时间的比例。根据总日照时间以及得到的比例，计算得到遮挡时间，总日照时间去掉遮挡时间，就可以得到房屋大致的采光时间。依据整个的流程制作软件，让用户能够直观的了解到所选房屋的采光情况。

2 采光时间具体计算（以2011年8月13日江苏省南京市为例）

（1）确定人的所在城市，得到所在地的经纬度 江苏省南京市的经度为119°E ，纬度为32°N 。 （2）依据太阳运行规律，得到高度角、方位角和日出日落时刻

太阳高度角即我们站在地面上观察太阳时候的仰角，也就是太阳光线与地平面的夹角。针对地球上的各个地点，当地方时间和太阳赤纬变化时，太阳高度角也随之变化。为了计算

出某地的太阳高度角，用δ表示太阳赤纬，用φ表示该地的地理纬度，用t 表示该地的地方时，则有太阳高度角H 的计算公式（北纬为正，南纬为负）

：

太阳方位角就是太阳所在的方位，也可以看作是与地表垂直的直线在太阳光照射下的阴影与正南方向的夹角。太阳方位角的范围是0度～360度，它的起始方向是所测量地的正北方向，终止方向是太阳光的入射方向，是按顺时针方向测量得到的角度。为了计算出某地的太阳方位角，用δ表示太阳赤纬，用φ表示该地的地理纬度，假设太阳高度角为H ，则有太阳方位角A 的计算公式：

图2 2011年8月13日江苏省南京市当天太阳运行高度角和方位角

一天当中，太阳高度角初次为0时对应当天的日出时刻，第二次为0时对应当天的日落时刻。太阳高度角大于0的总时间对应当天的总日照时间。

（3）对遮挡建筑物建模

图3三维立体模型示意图

以用户的所在位置为坐标原点（0,0,0），建立三维空间直角坐标系。从日出时刻起，每隔6分钟计算一次太阳的高度角H 和方位角A 。以坐标原点为基点，利用算出的高度角和方位角画出一条射线。把到日落为止的这一天内的每隔6

分钟所画出的所有射线整合成如图3所示的圆锥面。

把遮挡建筑物除底面外的五个表面分别简化成平面，此建筑物即可等效为由这五个平面和地面围成的封闭的长方体模型。

圆锥面与长方体模型相交的部分即为遮挡的部分。 具体计算过程： 图4计算原理示意图 在某一时刻：

设长方体模型上方四个顶点的坐标分别为

上表面方

程为

前后两侧面方程分别为

左右两侧面方程分别为

圆锥面上的射线方程为

将射线方程与长方体模型的五个平面方程联立，得到五个交点，分别如下：

上表面交点坐标：

四个侧面交点坐标分别是：

其中，

假设a1为a1、a2、a3、a4中的最小值，a4为其中最大值，b1为b1、b2、b3、b4中的最小值，b4为其中最大值，若五个交点的x 分量大于a1小于a4， y分量大于b1小于b4且四个侧面交点的z 分量小于c0，则为遮挡。

每隔6分钟重复一次，计算全天的遮挡时长。 （4）采光时间最终结果和完善 利用公式：

采光时间=总日照时长-遮挡时长

为使用户能更直观的了解采光时间占总时间的比例关系，编程制作如下曲线图：

图5采光时间与总时间的关系曲线

通过计算能够得到：一天中总日照时长；一天中采光时间；遮挡时长占总日照时长的比例；日出以及日落的时刻；如图5所示曲线图。

参考文献

【1】马丁·格林【著】，李秀文，等【译】．太阳能电池工作原理、工艺和系统的应用【M 】．北京：电子工业出版社，1987．

【2】方艳，江丕文，刘俊．日照分析技术在规划管理中的应用【A 】．城市规划和科学发展——2009中国城市规划年会论文集【C 】，2009

【3】王炳忠. 太阳能中天文参数的计算. 太阳能,1999,2:8~10.

【4】国家技术监督局等, 城市居住区规划设计规范. 北京:中国建筑工业出版社

【5】张颖．基于三维城市模型的日照分析研究【D 】．武汉：武汉大学，2005．

【6】杨钢，荆华．用计算机求解建筑日照问题【J 】．哈尔滨建筑大学学报，2000（1）．

中央高校基本科研业务费专项资金资助（项目名称：太阳能聚焦能流全息检测与调控）