一种建筑太阳能获取潜力指标的计算方法

1.本发明属于建筑设计领域，特别是涉及一种建筑太阳能获取潜力指标的计算方法。


背景技术：

2.推进可再生能源在建筑中的应用是降低建筑碳排放的一个重要手段，太阳能作为一种普遍存在且清洁无污染的可再生能源，其在建筑领域的应用对于降低建筑能耗和碳排放具有重要意义。
3.当前建筑的太阳能利用，无论是通过外加设备的主动式利用、还是通过建筑形态、材料、构造设计的被动式利用，都有一个必要的前提，即建筑本身可以获取足够的太阳辐射。因此，建筑师在进行建筑太阳能利用设计时，首先需要估算建筑对日照辐射的获取潜力。
4.单栋建筑太阳能获取潜力受多种因素影响，比如建筑朝向、建筑面宽进深比、建筑高度、周围建筑间相互遮挡、建筑自身遮挡等。研究发现，随着城市建筑密度的增加，建筑屋顶和外立面往往被周围的建筑物遮挡，这成为了建筑获取太阳能的主要影响因素之一，同时严重影响了建筑物光伏和光热系统的太阳能利用效率。因此有必要通过考量建筑间相互遮挡的程度去评估建筑的太阳能获取潜力，并提出新的相关指标和计算方法，以最小化建筑间遮挡影响和最大化太阳能获取效率为目标，在建筑设计前期为建筑师提供针对性的指导。
5.目前建筑的太阳能获取潜力主要通过两种方法去评估，都需要借助比较复杂的模拟软件。第一，既有建筑设计标准中，多采用“日照时长”来表征太阳辐射获取量，例如《城市居住区规划设计标准》gb50180-2018要求不同地区建筑需要满足大寒日或者冬至日一定日照小时数。一些日照时长计算软件可以从建筑间相互遮挡的角度给建筑师在建筑方案设计前期提供一定指导，但此方法仅可以使建筑房间满足基本的日照时长需求，因不同时刻的太阳辐照度(物体在单位时间、单位面积上接收到的辐射能)并不相同，所以仅通过日照累计时长并不能相对准确评估建筑的太阳能获取潜力，需将太阳辐照度这一因素纳入到建筑太阳能获取潜力的计算过程中来。第二，通过计算建筑外表面(立面和屋顶)的年总日照辐射量或者单位外表面积年太阳辐射量，从“日照辐射量”的角度去评估新建或既有建筑的太阳能获取潜力。此方法可以比较精确地计算出建筑总外表面和单位面积获取的太阳辐射量，但所计算的结果是表征综合多种影响因素下的建筑获取太阳能的潜力大小，不能表征单一因素(如建筑间相互遮挡)对太阳能获取潜力的影响大小，而各影响因素对太阳能获取潜力的影响程度是建筑师进行前期方案调整优化的基础，因此，此办法不能指导前期方案设计，需要构建反映各影响因素的设计指标进行针对性的建筑太阳辐射获取潜力的评估。已有学者基于不同的影响因素提出了部分表征建筑太阳能利用潜力的设计指标，但尚未有从建筑间相互遮挡影响的视角提出设计指标以表征太阳能获取潜力。
6.对比发明名称为“一种建筑物三维太阳能潜力计算方法”的专利(申请号：
202010078768.6)。此发明专利针对既有建筑物太阳能潜力进行估算，具体估算方式是先对既有建筑模型进行屋顶和立面联合采样，然后进行遮挡分析和天空视域分析，以此进行太阳辐射的直射和散射计算，最终得出建筑可获得的平均年总辐射量。此发明着眼于既有建筑太阳能利用潜力的估算，所得出的结果也只是综合多种影响因素下的总体建筑获取太阳能的潜力大小，不能表征包括建筑间相互遮挡因素在内的各种因素对建筑太阳能获取的影响程度，同时不能在建筑方案早期比较明确地、有针对性地提供建筑形态布局设计及优化的路径和方法(基于影响建筑获取太阳能潜力的各种因素)，以引导建筑师进行前期方案设计，实现建筑太阳能获取潜力的最大化。因此，需要一种方法来表征建筑间相互遮挡因素对太阳能获取潜力的影响。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种建筑太阳能获取潜力指标的计算方法，以解决上述现有技术存在的问题。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种建筑太阳能获取潜力指标的计算方法，包括以下步骤：
9.获取日出、日落时刻对应的太阳方位角、太阳高度角，形成扇形计算范围，并获取所述扇形计算范围内的若干条计算线段；
10.获取所述计算线段对应时刻的太阳高度角正切值、遮挡建筑高度与遮挡建筑和待测建筑的间距的比值，并将所述太阳高度角正切值与所述比值作差，获得差值；
11.获取所述计算线段对应时刻的近似太阳直射辐照度，并将所述近似太阳直射辐照度作为权重赋予所述差值，获得赋权值；
12.获取待测区域的圆心角占比，基于所述圆心角占比、赋权值，获得所述待测建筑的建筑遮挡因子的值。
13.优选的，所述扇形计算范围的获得过程包括，获取待测建筑基底轮廓线与南立面相交线的中心点作为测算点，基于所述日出、日落时刻对应的太阳方位角，以所述测算点为圆心绘制日出、日落时刻对应的太阳光线在地平面的投影线，获得所述扇形计算范围。
14.优选的，获得若干条计算线段的过程包括，以测算点为中心点，顺时针旋转所述计算范围的半径线段，获得所述半径线段与遮挡建筑的唯一交点；连接所述测算点、唯一交点，获得若干条边界线段，同时获得若干个遮挡区、未遮挡区；
15.获取所述遮挡区、未遮挡区域的角平分线段；所述若干条边界线段、若干条角平分线段、日出投影线、日落投影线为所述计算范围内的计算线段。
16.优选的，若所述差值为正数，则对待测建筑物不存在遮挡；若所述差值为负数，则对待测建筑物存在遮挡。
17.优选的，获得所述待测建筑的建筑遮挡因子的值的过程包括，对所述遮挡区和未遮挡区对应的赋权值的平均值赋予各自对应的角度范围的权重值，并进行求和处理，获得所述待测建筑的建筑遮挡因子的最终值。
18.优选的，获得所述遮挡区和未遮挡区对应的赋权值的平均值的过程包括，获取所述遮挡区、未遮挡区内对应的计算线段的赋权值，所述对应的计算线段的赋权值的平均值即为所述遮挡区和未遮挡区对应的赋权值的平均值。
19.优选的，获得所述遮挡区和未遮挡区角度范围的权重值的过程包括，基于所述遮挡区和未遮挡区对应的圆心角占扇形计算范围的比值，获得所述遮挡区和未遮挡区角度范围的权重值。
20.本发明的技术效果为：
21.(1)本发明获取每条计算线段对应时刻的近似太阳直射辐照度，将辐照度作为权重赋予差值得到赋权值，辐照度越高，差值的权重越大，该方位角下的太阳能质量更高，越应该被建筑获取，将不同时刻太阳能的质量高低纳入计算，比传统的建筑“日照时数”方法更科学和精确。
22.(2)本发明通过对建筑遮挡因子的计算，可以定量比较相同场地面积、相同容积率条件下，不同建筑群体形态布局下特定建筑单体受建筑间相互遮挡因素影响的差异，进而比较太阳能获取潜力的差异，由此可以在方案设计前期阶段，对特定建筑单体所在建筑群体的布局优化提供参考。
23.(3)本发明可用于太阳能获取潜力视角下不同建筑群布局方案的比较、优选和优化，也可用于既有建筑群体中特定建筑单体的太阳能利用潜力评估。
附图说明
24.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
25.图1为本发明实施例中的某条线段对应时刻的太阳高度角正切值和遮挡建筑高度与遮挡建筑和所测建筑的间距的比值作差的基本原理图；
26.图2为本发明实施例中的扇形计算范围的示意图；
27.图3为本发明实施例中的遮挡区和未遮挡区的示意图；
28.图4为本发明实施例中的所有计算线段及每条线段对应的太阳方位角的示意图；
29.图5为本发明实施例中的计算所有线段对应的太阳高度角的正切值、计算遮挡建筑高度与遮挡建筑和所测建筑的间距的比值的三维示意图；
30.图6为本发明实施例中的总体三维示意图；
31.图7为本发明实施例中的拉萨市某住宅开发项目方案一的设计示意图；
32.图8为本发明实施例中的拉萨市某住宅开发项目方案二的设计示意图；
33.图9为本发明实施例中的计算方法流程图。
具体实施方式
34.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
35.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
36.实施例一
37.如图1-9所示，本实施例中提供一种建筑太阳能获取潜力指标的计算方法，针对拉萨某住宅开发项目中，在既有周边建筑环境条件下的两种设计方案，选出其中具有较大太
阳能获取潜力的一个方案。
38.具体步骤：首先进行方案一的遮挡因子vof1计算。
39.步骤1：计算建筑所在地拉萨冬至日(12月21日)日出、日落时刻对应的太阳方位角。有两种方式，一种是根据公式(1)计算；另一种是通过读取建筑用典型气象年cswd气象数据，可获得所在地日出、日落的时间及太阳方位角。
40.asn＝180
°‑
arccos[(sinhs
·
sinφ-sin(-23
°
26
′
))/(coshs
·
cosφ)](1)
[0041]
其中asn为太阳方位角(正北向为0
°
，顺时针为正的方位角)，hs为太阳高度角，φ为地理纬度。
[0042]
令∠hs＝0
°
，计算得出日出日落时的方位角分别为：117.3
°
、242.7
°
，可得计算范围为117.3
°‑
242.7
°
之间。
[0043]
步骤2：绘制扇形计算范围。取所测建筑(b0)基底轮廓线与南立面相交线的中心点作为测算点a，根据日出、日落时刻方位角，以点a为圆心绘制日出、日落时刻太阳光线在地平面的投影线ls、lj，并形成圆心角为α(α＝125.4
°
)，一定半径长度(长度覆盖遮挡建筑和所测建筑范围即可)的扇形范围(南向扇形)，即为计算范围。
[0044]
步骤3：划分出遮挡区和未遮挡区。在圆心角α范围内，以测算点(a)为中心点，顺时针旋转扇形计算范围的半径线段ls(日出投影线)，当ls各遮挡建筑(b1，b2，b3)建筑平面只有唯一相交点时，连接测算点a和此交点即生成一条计算范围内的边界线段，总共生成6条边界线段，分别表示为l
1a
、l
1b
、l
2a
、l
2b
、l
3a
、l
3b
，同时形成3个圆心角为β1、β2、β3的扇形扇形遮挡区；也自然形成4个未遮挡区，分别表示为圆心角为γ1、γ2、γ3、γ4的扇形未遮挡区。
[0045]
步骤4：确定计算范围(包括遮挡区和未遮挡区)内所有计算线段。绘制扇形遮挡区圆心角的角平分线与遮挡建筑相交生成3条线段，分别表示为l
1c
、l
2c
、l
3c
；做扇形未遮挡区圆心角的角平分线l
1w
、l
2w
、l
3w
、l
4w
。因此可确定所有计算线段(下称“线段”)包括：边界线段l
1a
、l
1b
、l
2a
、l
2b
、l
3a
、l
3b
，遮挡区的角平分线段l
1c
、l
2c
、l
3c
以及未遮挡区的角平分线段l
1w
、l
2w
、l
3w
、l
4w
，最后还包括日出、日落对应的线段ls、lj。后边步骤都以这些线段进行展开计算(因未遮挡区的角平分线段以及日出、日落时刻对应线段的长度大小不会影响计算结果，所以在绘制时其长度等于步骤2中的扇形半径长度即可)。
[0046]
步骤5：计算所有线段对应的太阳方位角asx。将所有线段视为某时刻的太阳光线在地平面的投影线，其与正北向的顺时针夹角即方位角asx。可得边界线段l
1a
、l
1b
、l
2a
、l
2b
、l
3a
、l
3b
对应方位角∠1a、∠1b、∠2a、∠2b、∠3a、∠3b数值，遮挡区角平分线段l
1c
、l
2c
、l
3c
对应的方位角∠1c、∠2c、∠3c数值，未遮挡区角平分线l
1w
、l
2w
、l
3w
、l
4w
对应方位角∠1w、∠2w、∠3w数值。
[0047]
步骤6：计算所有线段对应的太阳高度角的正切值t。通过公式(1)计算各方位角对应的太阳高度角。可得边界线段l
1a
、l
1b
、l
2a
、l
2b
、l
3a
、l
3b
对应太阳高度角∠h
1a
、∠h
1b
、∠h
2a
、∠h
2b
、∠h
3a
、∠h
3b
的数值；遮挡区角平分线段l
1c
、l
2c
、l
3c
对应的太阳高度角∠h
1c
、∠h
2c
、∠h
3c
数值；未遮挡区角平分线l
1w
、l
2w
、l
3w
、l
4w
对应的高度角∠h
1w
、∠h
2w
、∠h
3w
、、∠h
4w
数值。计算以上所有线段对应太阳高度角的正切值t，分别为t
1a
、t
1b
、t
1c
、t
1w
…
t
3a
、t
3b
、t
3c
、t
4w
。注：计算范围内的各条线段对应的高度角有且只有一个(因在冬至日白天方位角确定了，高度角就是唯一值)。
[0048]
步骤7：各遮挡建筑(b1、b2、b3)高度为h，遮挡建筑(b1、b2、b3...)和所测建筑(b0)的
间距为l(即各线段长度)，计算h与l的比值s。遮挡区遮挡建筑高度(h1、h2、h3)与对应的边界线段长度(l
1a
、l
1b
、l
2a
、l
2b
、l
3a
、l
3b
)、遮挡区角平分线段长度(l
1c
、l
2c
、l
3c
)的比值(s
1a
、s
1b
、s
1c
...)，以遮挡建筑b1为例分别是s
1a
＝h1/l
1a
、s
1b
＝h1/l
1b
、s
1c
＝h1/l
1c
；因未遮挡区没有建筑，也即建筑高度h均为0，所以未遮挡区三条线段的s值均记作sw＝0。注：计算范围内的边界线段有两个s值，有不同的意义，未遮挡区的s值表示该区无建筑，遮挡区的s值表示该区有遮挡建筑。
[0049]
步骤8：计算所有线段对应太阳高度角正切值t与上述比值s的差值c。第一个遮挡区域各线段对应差值c
1a
＝t
1a-s
1a
、c
1b
＝t
1b-s
1b
、c
1c
＝t
1c-s
1c
。第一个未遮挡区各线段对应差值：c
1x
＝0-sw＝0(因第一个未遮挡区的第一条线段是日落时的太阳投影线，太阳高度角为0，同时sw＝0)、c
1y
＝t
1b-sw＝t
1b
、c
1w
＝t
1w-sw＝t
1w
，以此类推计算其他遮挡区、未遮挡区的二者差值。注：与上述s值类似，相应的边界线段的差值c也有两个值。
[0050]
步骤9：读取所测建筑所在地区的建筑用典型气象年数据cswd，获得冬至日气象数据。获取建筑用典型气象年数据cswd，读取所在地冬至日白天的气象数据(以下气象数据均指冬至日的气象数据)，包括：逐时太阳直射辐照度(direct solar radiation)数据i、逐时太阳方位角数据asq，且两组数据逐时一一对应(见表1)。根据读取的气象数据获得白天最大辐照度i
max
＝912(w/m2)。
[0051]
表1
[0052][0053]
步骤10：获取所有线段对应时刻的太阳直射辐照度。在逐时太阳方位角asq数据(步骤9)中查找与各线段对应方位角asx(步骤5)最相近的方位角值，记作方位角近似值asj，因逐时太阳直射辐照度数据i(步骤9)和逐时太阳方位角asq是一一对应的，所以可获得方位角近似值asj对应时刻的太阳直射辐照度数据ij。例如，步骤5中某线段的方位角∠1a＝135.1
°
，在逐时太阳方位角asq数据中查找到与∠1a近似值，为下午16时的太阳方位角235.1
°
，可得对应下午16时的太阳直射辐照度为659w/m2，则记i
1a
＝659w/m2。以此类推可获得所有线段对应的太阳直射辐照度数据ij，包括：i
1a
、i
1b
、i
1c
、i
1w
…i3a
、i
3b
、i
3c
、i
4w
。
[0054]
步骤11：计算所有线段对应的太阳直射辐照度数据ij与白天最大直射辐照度i
max
(步骤9)的比值ir，作为各线段太阳辐照度的权重值。即：ir
1a
＝i
1a
/i
max
、ir
1b
＝i
1b
/i
max
、ir
1c
＝i
1c
/i
max
、ir
1w
＝i
1w
/i
max
…
。
[0055]
步骤12：各线段太阳辐照度的权重值ir(步骤11所得)与差值c(步骤8所得)相乘作为赋权，赋权后的值记作f。第一个遮挡区f
1a
＝ir
1a
·c1a
、f
1b
＝ir
1b
·c1b
、f
1c
＝ir
1c
·c1c
、第一个未遮挡区：f
1x
＝ir
1x
·c1x
＝0、f
1y
＝ir
1b
·c1y
、f
1w
＝ir
1w
·c1w
…
，以此类推。
[0056]
步骤13：计算遮挡区和未遮挡区分别赋权后f值的平均值，记作v。如第一个遮挡区的平均值：v
z1
＝(f
1a
+f
1b
+f
1c
)/3，以此类推，分别计算出3遮挡区的f值的平均值v
z1
，v
z2
、v
z3
；计算第一个未遮挡区的f值的平均值为：v
w1
＝(f
1x
+f
1y
+f
1w
)/3，以此类推，同时分别计算出4
个遮挡区的f值的平均值:v
w1
，v
w2
、v
w3
、v
w4
。
[0057]
步骤14：计算各扇形遮挡区和扇形未遮挡区角度范围的权重值x。通过各区扇形的圆心角(步骤3所得)占总计算范围扇形圆心角α的比值，计算各扇形遮挡区和扇形未遮挡区角度范围的权重值，分别为x
z1
＝β1/α，x
z2
＝β2/α、x
z3
＝β3/α，及x
w1
＝γ1/α，x
w2
＝γ2/α、x
w3
＝γ3/α、x
w4
＝γ4/α。
[0058]
步骤15：计算最终遮挡因子vof的值。将各遮挡扇形范围和未遮挡扇形范围内平均差值(步骤13所得)v
z1
、v
z2
、v
z3
及v
w1
、v
w2
、v
w3
、v
w4
赋予各自对应的角度权重x
z1
、x
z2
、x
z3
及x
w1
、x
w2
、x
w3
、x
w4
，并求其总和得到遮挡因子最终值，即vof＝v
z1
·
x
z1
+v
z2
·
x
z2
+v
z3
·
x
z3
+v
w1
·
x
w1
+v
w2
·
x
w2
+v
w3
·
x
w3
+v
w4
·
x
w4
。vof值越大，意味着所测建筑(b0)日照受遮挡因素的影响较小，其太阳能获取潜力越大。
[0059]
步骤16：得到方案一遮挡因子vof1的值。
[0060]
步骤17：同理可计算得到方案二遮挡因子vof2的值。
[0061]
步骤18：对比方案一及方案二对应遮挡因子vof1和vof2值的大小，若vof1》vof2，则方案一中被测算建筑太阳能获取潜力更大，反之则方案二的更大，如两者相等则太阳能获取潜力一致，但这种可能性极小。如需在遮挡因子vof低的方案基础上提高所测建筑的太阳能获取潜力，首先进行优化布局，降低周围建筑对所测建筑的遮挡影响。如需某在遮挡因子vof高的方案基础上提高所测建筑的太阳能获取潜力，可忽略周围建筑对所测建筑的遮挡，应从其他影响因素入手去提高。
[0062]
概念界定：
[0063]
所测建筑(b0)：需要测算遮挡因子(vof)大小的一栋建筑。
[0064]
遮挡建筑(b1，b2，b3...)：在计算范围内(步骤2确定计算范围)，可能存在遮挡所测建筑应获日照辐射的周围其他单体建筑或建筑群。
[0065]
测算点a：所测建筑(b0)基底轮廓线与南立面相交线的中心点作为测算点a(附图2)。
[0066]
太阳高度角：某时刻太阳直射光线与测算点a所在地平面的夹角。
[0067]
方位角：太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面上正北方向之间的夹角(顺时针方向)。
[0068]
建筑遮挡因子(vof)的定义为：建筑在日出至日落之间的时间段内，应获日照辐射被周围其他建筑遮挡的程度。具体为选定的某一太阳位置，遮挡建筑高度与遮挡建筑和所测建筑的间距的比值，与对应方位角上太阳高度角正切值差值的加权平均值，记作vof。
[0069]
鉴于太阳高度角越低，建筑间相互遮挡日照的可能性越大、越不利于太阳能获取，本实施例特选择太阳高度角最低时段(冬至日)，也是日照获取最不利的时段进行测算，以表征建筑太阳能获取潜力。
[0070]
本实施例首先计算建筑所在地冬至日日出和日落的太阳方位角，形成日出到日落可形成扇形计算范围，在计算范围内划分多个遮挡区和未遮挡区，以及多条计算线段l(每个区有3条线段)，每条计算线段对应一个时刻的太阳方位角以及太阳高度角。在此基础上主要计算两个值，一个是每条线段对应的太阳高度角正切值t，另一个是遮挡建筑高度与遮挡建筑和所测建筑的间距的比值s，通过将t值和s值作差得差值c(前者减去后者)，差值c为正数表示不遮挡，为负数表示存在遮挡，且差值越大表示所测建筑被遮挡建筑遮挡程度越
小，反之则越大(附图1)。同时通过所在地的建筑用典型气象年cswd气象数据，获取每条计算线段对应时刻的近似太阳直射辐照度，将辐照度作为权重赋予差值c得到f值，辐照度越高，差值c的权重越大，意味着该方位角下的太阳能质量更高，越应该被建筑获取，将不同时刻太阳能的质量高低纳入计算，比传统的建筑“日照时数”方法更科学和精确。将遮挡区和未遮挡区内线段对应的f值进行平均，得到各区的平均差值v。因各区的区域大小不同，其大小以各区扇形的圆心角占总计算范围扇形圆心角的比值x表示，将各区的平均差值v与各区圆心角占比x进行乘积，并将每个区的乘积求和就可得到最终遮挡因子的值vof。
[0071]
vof值越大，意味着所测建筑太阳能获取潜力受周边建筑遮挡的影响较小，其太阳能获取潜力越大；反之，则影响较大。
[0072]
单栋建筑太阳能获取潜力受多种因素影响，本实施例通过对建筑遮挡因子的计算，可以定量比较相同场地面积、相同容积率条件下，不同建筑群体形态布局下特定建筑单体受建筑间相互遮挡因素影响的差异，进而比较太阳能获取潜力的差异，由此可以在方案设计前期阶段，对特定建筑单体所在建筑群体的布局优化提供参考。本实施例可用于太阳能获取潜力视角下不同建筑群布局方案的比较、优选和优化，也可用于既有建筑群体中特定建筑单体的太阳能利用潜力评估。
[0073]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。