日照间距是日照标准的一种简化表达式,指建筑存在日照遮挡情况下满足规范建筑之间需要保持的距离.以南北行列式住宅为例,如 Fig.1 Analysis of sunshine distance">图1所示,其计算公式如下.

Fig.1 Analysis of sunshine distance">

图1 日照间距分析示意
Fig.1 Analysis of sunshine distance

D₀=H₀ctgβcosγ(1)

式中:D₀为建筑间距,m; H₀为遮挡建筑物的计算高度(一般为北侧檐口高度),m; β为太阳高度角,°; γ为建筑方位与太阳方位的水平夹角,°.

建筑能耗即建筑耗热量,包括外窗、非透明围护结构(墙体、门)和冷风渗透等组成.

Q=Q_win+Q_non+Q_wind(2)

式中:Q为建筑耗热量,W; Q_win为外窗耗热量,W; Q_non为非透明围护结构耗热量,W; Q_wind为冷风渗透耗热量,W.

Tab.1 Average solar radiation incidence at different orientations">表1是不同朝向平均太阳辐射入射量.总体来看,混合错位行列式平均太阳辐射入射量最小,且东立面的太阳辐射平均值要高于西立面.这是由于混合错列式布局形式复杂,同时存在横向错纵和纵向错纵,建筑之间容易形成复杂的遮挡关系,且对住宅西立面有一定影响.纵向错列式各朝向太阳辐射入射量均在四种布局模式中呈现最大值,主要是因为纵向错列式在横向和纵向方位都形成了间隙,降低了建筑之间的遮挡.横向错位行列式虽平均太阳辐射入射量高于平行行列式,但是南北辐射量明显偏低,说明横向错列式住宅的错纵关系不利于建筑太阳辐射利用.

Tab.1 Average solar radiation incidence at different orientations">

表1 不同朝向平均太阳辐射入射量
Tab.1 Average solar radiation incidence at different orientations

比较不同布局模式住区太阳辐射获得量,应同时考虑住区内各住宅楼获得太阳辐射的均匀性. Tab.2 Analysis of variation range of solar radiation gain in South facade">表2是四种行列式南立面太阳辐射量入射量变化幅度.虽然混合错列式太阳辐射入射量相比其他四种均匀性最好,但是其入射量偏小,不利于太阳辐射利用.而纵向错列式太阳辐射量最高,但同时不均匀性也最强,不同建筑之间太阳能利用差异较大.总体来看,平行行列式太阳辐射入射量及均匀性在四种行列式中都较高,推荐优先采用的建筑群布局模式.

Tab.2 Analysis of variation range of solar radiation gain in South facade">

表2 南立面太阳辐射获得量变化幅度分析
Tab.2 Analysis of variation range of solar radiation gain in South facade

以平行行列式建筑群为例,不同朝向下(正南方向为0°)建筑群南立面采暖季平均太阳辐射入射量及相对南立面太阳辐射变化率如 Fig.6 Average solar radiation from each layout of residential area">图6所示.

Fig.6 Average solar radiation from each layout of residential area">

图6 住区各布局朝向太阳辐射均值
Fig.6 Average solar radiation from each layout of residential area

由图可以看出,随着偏转角度的增大,南偏东朝向的多层平行行列式住区太阳辐射获得量相较于正南朝向,分别增加(降低)1.3%、0.3%、-7.14%、-20.12%、-35.77%、-42.93%,南偏西朝向多层平行行列式住区太阳辐射获得量相较于正南朝向,分别增加(降低)-1.02%、-1.75%、-3.62%、-11.57%、-26.39%、-40.46%.住宅朝向为15°时,住区太阳辐射获得量最大.因此,拉萨平行行列式多层住区最利于太阳辐射利用的布局朝向为南偏东15°.

不同最小日照时间下,不同楼层高度(每层高度为3 m)的建筑与日照间距之间的变化规律如 Fig.7 Variation of building height and sunshine distance under different sunshine time">图7所示.从图中可以看出,当楼层小于5层(15 m),随着建筑高度的增加,日照间距增加较为平缓.楼层每增加一层,平均日照间距增加3.5 m.而对于5层以上建筑,当最小日照时间在1～3 h时,日照间距随建筑高度增加缓慢上升,平均每增加一层,建筑间距增大1.02 m.当最小日照时间大于3 h,日照间距随建筑高度急剧增加,平均每增加一层,建筑间距增大3.80 m.

Fig.7 Variation of building height and sunshine distance under different sunshine time">

图7 不同日照时间下建筑高度与日照间距变化
Fig.7 Variation of building height and sunshine distance under different sunshine time

Fig.8 Sunshine duration distribution under different sunshine spacing">

图8 不同日照间距下日照时间分布图
Fig.8 Sunshine duration distribution under different sunshine spacing

以六层建筑为例,不同日照间距下建筑日照时间分布图,分别对应最小日照时间1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h,如 Fig.8 Sunshine duration distribution under different sunshine spacing">图8所示.从图中可以看出,当最小日照时间从1 h到6 h之间变化时,一层平均日照时间分别为1.25 h、3.00 h、3.72 h、4.43 h、5.36h、5.66 h,二层平均日照时间分别为3.06 h、5.52 h、5.75 h、5.78 h、5.98 h、6.00 h,三层及以上几乎无遮挡,平均日照时间为6.00 h.可见,日照间距对一层日照时间影响较大,对三层及以上几乎无影响,当最小日照时间大于2 h,即日照间距大于21.5 m时,日照间距对于二层也几乎无影响.

由上述分析可知,三层及以上日照时间随日照间距增大不变.因此,以1～3层能耗为例分析, Fig.9 Changes of building energy consumption under different sunshine spacing">图9是该建筑1～3层不同日照间距下,各层建筑能耗变化图.

Fig.9 Changes of building energy consumption under different sunshine spacing">

图9 不同日照间距下建筑能耗变化
Fig.9 Changes of building energy consumption under different sunshine spacing

由图可知,随着日照间距增大,一层建筑能耗急剧降低,从1.70 kWh/m²降低至0.97 kWh/m²,降低幅度达43%,其中当最小日照间距从17.5 m(1 h)增大至21.5 m(6 h),建筑能耗降低速率最大,降低了20.4%(0.35 kWh/m²).二层建筑变化相对较小,由1.77 kWh/m²降低至1.56 kWh/m²,降低幅度达23.5%,其中,当最小日照间距其中当最小日照间距从17.5 m增大至21.5 m,建筑能耗降低速率最大,降低了20.5%(0.36 kWh/m²). Fig.10 Changes of building energy consumption with different window wall area ratio">图 10是不同日照间距下,1～2层不同窗墙面积比与建筑能耗变化图.总体来看,随着窗墙面积比增大,建筑能耗持续降低,当最小窗墙面积比从0.3增大到0.9时,一层建筑能耗平均降低72.6%,二层建筑能耗平均降低78.3%.当窗墙面积比大于0.6,一层和二层建筑能耗降低趋势相对较平缓.当最小日照间距大于21.5 m,一层建筑能耗降低趋势较平缓,而二层建筑能耗几乎不再降低.因此,拉萨地区推荐窗墙比面积应不大于0.6,虽然继续增大窗墙面积比,可降低建筑能耗,但效果不明显.对于一层和二层建筑能耗占比较大的低层建筑(建筑层数小于等于4),最小日照时间应大于等于2 h.当建筑层数大于等于5层时,此时一层和二层建筑能耗占总建筑能耗较小,为节约用地面积,可采用最小日照间距,即满足大寒日底层最小日照时间为1 h.

Fig.10 Changes of building energy consumption with different window wall area ratio">

图 10 不同窗墙面积比建筑能耗变化
Fig.10 Changes of building energy consumption with different window wall area ratio

通过以上模拟分析,研究了拉萨城市典型住区布局模式和日照间距对住区整体太阳辐射入射量和建筑能耗的定量影响关系,得出了基于太阳能利用的最优布局模式和设计要素,如 Tab.3 Optimal layout of Lhasa building complex">表3.

Tab.3 Optimal layout of Lhasa building complex">

表3 拉萨建筑群最优布局
Tab.3 Optimal layout of Lhasa building complex