太陽能在單體建筑中的應(yīng)用研究

目前，許多太陽能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)沒有考慮建筑本身和建筑環(huán)境對(duì)太陽能資源的影響。由此,造成設(shè)計(jì)出來的太陽能系統(tǒng)與實(shí)際使用效果偏差很大,無法反映太陽能系統(tǒng)的真實(shí)效果。本文將從以下兩個(gè)方面對(duì)上海地區(qū)的建筑可利用太陽能資源進(jìn)行分析:即單體建筑可利用太陽能輻射資源(不考慮遮擋)以及建筑群可利用太陽能資源(考慮遮擋)。1屋面、立面或其他部位的太陽輻射資源分布規(guī)律單體建筑可利用太陽能輻射資源分析中,忽略周邊建筑對(duì)其太陽輻射遮擋的影響,單純分析單體建筑本身的屋面、立面或其他部位的太陽輻射資源分布規(guī)律,即分析無遮擋情況時(shí),不同傾角,不同方位角的太陽輻射資源變化規(guī)律。為了研究傾角、方位角對(duì)太陽輻射資源的影響,本節(jié)通過Ecotect日照分析軟件,導(dǎo)入上海地區(qū)全年太陽輻射資源數(shù)據(jù)庫,進(jìn)行建模分析,數(shù)據(jù)庫來源為《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》。1.1光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的類型設(shè)計(jì)不同建筑用太陽能系統(tǒng)所接受到的太陽輻射資源,主要考察的是系統(tǒng)組件在建筑中的位置,太陽能系統(tǒng)在建筑中的安裝位置主要有屋面、陽臺(tái)、凸臺(tái)以及墻面等。對(duì)于太陽能光伏并網(wǎng)系統(tǒng)需要更多考慮的是傾角的問題,而不需過多的考慮側(cè)重季節(jié)的問題。對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng),不同的建筑形式,不同使用功能,使用系統(tǒng)的側(cè)重季節(jié)也不相同,比如游泳池多為春秋季使用,夏季使用較少,冬季基本不用;而普通住宅則多在冬季使用;還有其他全年使用都比較頻繁的場所。1.2建筑自身豎向的影響建筑用太陽能系統(tǒng)安裝對(duì)方位角的要求,主要是受建筑本身朝向的影響。而從太陽輻射資源的角度考慮,在不同傾角的情況下,方位角對(duì)太陽輻射資源的影響程度不同。2太陽能屋頂布置方式建筑群可用太陽能資源分析則考慮到集熱器按照部位受周邊建筑遮擋,而使可利用太陽能資源減少,本節(jié)重點(diǎn)分析建筑群太陽能輻射資源的遮擋情況。建筑用太陽能系統(tǒng)按布置位置可分為屋面布置與立面布置,按布置對(duì)象可分為高層建筑群、多層建筑群以及多層、高層混合型。對(duì)于屋面布置,由于多層建筑群層數(shù)較少,一般屋頂面積均足夠并且不會(huì)互相遮擋,高層建筑群屋頂雖然不會(huì)相互遮擋,但由于層數(shù)較多,只需從具體建筑出發(fā)計(jì)算屋頂可利用面積就可確定是否能安裝。對(duì)于其他布置方式,目前規(guī)劃是否能滿足太陽能系統(tǒng)資源需求下面將分類討論。本文采用《上海市城市規(guī)劃管理技術(shù)規(guī)定(土地使用建筑管理)》中的要求(以下簡稱《規(guī)定》),作為上海地區(qū)建筑規(guī)劃布局的依據(jù)。2.1建筑物之間互相遮擋力根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律,對(duì)于地處北半球的上海地區(qū),夏至日對(duì)應(yīng)為太陽直射北回歸線,太陽輻射條件最好的時(shí)間;冬至日對(duì)應(yīng)太陽直射南回歸線,太陽輻射條件最差的時(shí)間。本文選取夏至日與冬至日為典型日,通過軟件分析,建筑群之間的互相遮擋情況如圖1所示。從圖1可以看到:冬至日,前排大樓會(huì)對(duì)后排大樓大約1/3的面積產(chǎn)生長時(shí)間的遮擋,而在夏至日,基本沒有遮擋。選取該小區(qū)中最具代表性的2號(hào)樓,表1為不同季節(jié)的南立面日均輻照量(傾角為90°,方位角為0°)及受遮擋情況。2.2高層建筑和社區(qū)之間的太陽能資源效應(yīng)根據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)規(guī)律,選取小區(qū)日照條件最好的夏至日,以及日照條件最差時(shí)的冬至日作為小區(qū)日照分析的典型日期,具體情況如下表2。2.3太陽能熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段在有高層建筑群中,即使在樓間距相當(dāng)大的情況下,高層建筑依然會(huì)對(duì)周邊較低矮建筑的屋面產(chǎn)生較嚴(yán)重的遮擋,故對(duì)于應(yīng)用太陽能熱系統(tǒng)的建筑周邊環(huán)境存在高層建筑的項(xiàng)目,建議在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段一定要進(jìn)行相應(yīng)的日照模擬,以尋找最佳安裝位置。2.4建筑物實(shí)施密度影響根據(jù)以上對(duì)典型建筑小區(qū)的太陽輻射資源分析情況,可見無論是低層建筑還是高層建筑,雖然都滿足《規(guī)定》中有關(guān)建筑物間距的要求,但建筑低樓層的太陽輻射資源都會(huì)受到不同程度的遮擋。對(duì)于現(xiàn)有建筑小區(qū)設(shè)計(jì)中,如何通過建筑間距的合理布置,最大限度的滿足建筑用太陽能資源的需求。為此,本文通過建立建筑模型,分析不同建筑南北間距情況下,各樓層太陽輻照量所受影響程度。從上表可看出,當(dāng)樓間距為0.5倍樓高時(shí),1樓的年總輻射量僅為6樓的42.2%,而在冬至日時(shí).1樓僅為6樓的18.1%,完全無法滿足太陽能熱利用系統(tǒng)的冬季熱水需求。而隨著樓間距的加大,當(dāng)樓間距達(dá)到1.5倍樓高時(shí),1樓的年總輻射量為6樓的83.2%。3傾角對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的影響分析(1)對(duì)單體建筑用太陽能資源的分析中發(fā)現(xiàn),對(duì)應(yīng)全年日均輻照量最大的傾角為20°左右,對(duì)應(yīng)夏季日均輻照量最大的傾角為0°左右,對(duì)應(yīng)春季為約10°,秋季約30°,冬季約40°;對(duì)于太陽能光伏系統(tǒng),宜采用20°左右傾角,使其全年發(fā)電量達(dá)到最大,對(duì)于住宅用的太陽能熱水系統(tǒng),其熱水需求主要集中在冬季,故宜采用40°左右的傾角,使其在冬季能夠得到更多的熱水;對(duì)于其他建筑用太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)按照系統(tǒng)不同的使用習(xí)慣,區(qū)別布置集熱器的安裝角度,即按照對(duì)應(yīng)季節(jié)的最大輻照量角度布置。(2)對(duì)單體建筑用太陽能資源分析中,不同傾角的情況下,方位角對(duì)太陽輻射資源的影響程度不同。傾角越大,方位角對(duì)太陽輻射的影響越大,即圖形越陡峭:太陽輻照量的極值點(diǎn)發(fā)生在南偏西方向,而非通常認(rèn)為的正南方向;太陽輻照量的極值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位角隨著傾角的增大而遞增,即傾角從0°～90°變化時(shí),太陽輻照量極值的方位角為0°～50°。(3)根