袁建剛, 高旭娜, 陳 建, 劉勝男

(1. 河海大學地球科學與工程學院, 南京 211100; 2. 江蘇城鄉(xiāng)建設職業(yè)學院, 江蘇 常州 213147; 3. 南京曉莊學院環(huán)境科學學院, 南京 211171)

中國在巴黎氣候變化大會上承諾, 要在2030年前后實現(xiàn)碳達峰和碳排放水平下降60%～65%(基于2005 年水平)的目標[1]．但伴隨全球城市化的進程, 城市消耗了全球約2/3的一次能源[2]．其中, 建筑能耗占據(jù)了全球超過1/3 的終端能耗和 1/2 以上的電能消耗,故低碳生態(tài)城市已成為未來城市發(fā)展的方向, 如何推動城市建筑向綠色可持續(xù)方向發(fā)展是一個亟待解決的難題．開發(fā)城市建筑可再生能源利用潛力,則成為應對上述問題的一條重要途徑．

1 計算模型

1.1 計算流程設計

基于ArcGIS平臺二次開發(fā)建立建筑可利用太陽能計算模型的流程如圖1所示．首先導入Shapefile文件, 并從中獲取城市建筑的幾何和方位信息,以及場地的地形地貌信息;然后,提取建筑物的屋面和側立面數(shù)據(jù),按照設定的計算網(wǎng)格大小對屋面和側立面進行格網(wǎng)劃分;最后,根據(jù)場地太陽網(wǎng)格、氣象條件等參數(shù),以及建筑相互遮擋情況,計算各格網(wǎng)單元一定周期內(nèi)的太陽輻射量,并積分求和獲得建筑屋面及側立面可接收的太陽輻射總量,或根據(jù)需要的計算時間區(qū)間,計算特定時段內(nèi)的太陽輻射總量．

該模型須預先建立全年太陽位置數(shù)據(jù)庫,即以太陽方位角和高度角構成坐標網(wǎng)格,并在每個網(wǎng)格內(nèi)累計全年太陽停留時間．太陽網(wǎng)格數(shù)據(jù)是利用半球視域法計算太陽輻射量的必要條件,且該數(shù)據(jù)提供的太陽位置信息結合建筑物之間的相對位置、幾何關系信息,可以計算出建筑屋面和側立面不同位置的受遮擋時間．

1.2 特定位置太陽輻射量計算方法

ArcGIS中用半球視域算法[10]計算某特定位置的太陽輻射量．由于反射輻射量通常在輻射總量中占比很小, 故ArcGIS中太陽總輻射量為直接輻射量和散射輻射量之和, 即I=Is+Id, 其中總直射輻射量Is=∑Sβm(θ)Tθ,αPθ,αcosAθ,α, 式中θ為太陽天頂角;α為太陽方位角;S為太陽常數(shù), 世界輻射中心取值為1 367 W·m-2;β為朝向天頂方向的最短路徑大氣層透射率;m(θ)為相對的光路徑長度, 以相對于天頂路徑長度的比例形式測量;Tθ,α為天空扇區(qū)的持續(xù)時間, 可根據(jù)太陽網(wǎng)格數(shù)據(jù)、受遮擋時間計算;Pθ,α為太陽圖扇區(qū)的孔隙度;Aθ,α為天空扇區(qū)質(zhì)心與表面法線軸之間的入射角．總散射輻射量Id=∑IgCdTP′θ,αcosA′θ,α, 式中Ig為正常輻射總量;Cd為散射的正常輻射總量的比例, 在天空非常晴朗的條件下, 該值約等于0.2; 在天空云層極厚的條件下, 該值約等于0.7[10-11];T為分析的時間間隔;P′θ,α為天空扇區(qū)的孔隙度;A′θ,α為天空扇區(qū)的質(zhì)心和截留表面之間的入射角．

1.3 建筑屋面及側立面太陽輻射量計算方法

基于特定位置太陽輻射計算結果,在整個屋面或側立面范圍內(nèi)對所有要素位置太陽輻射量進行積分,得到建筑屋面太陽總輻射量Ir=?I(x,y)dxdy和建筑側立面太陽總輻射量Ii=?I(l,h)dldh, 其中I(x,y)表示(x,y)位置單位面積的太陽輻射量, 單位為J·m-2;I(l,h)表示(l,h)位置單位面積的太陽輻射量, 單位為J·m-2;l表示建筑物外水平輪廓線,h表示建筑物的高度．

需要注意的是, 雖然同一地區(qū)的太陽網(wǎng)格相同,但是建筑屋面或側立面不同位置受周圍建筑遮擋情況不同; 因此,計算一定周期內(nèi)不同位置要素接收的太陽輻射量時,不僅要考慮太陽在天空不同位置的持續(xù)時間,還要通過太陽位置、建筑物的幾何形狀和相對位置等信息計算建筑表面特定位置的受遮擋時間,從而得到準確的日照時間．建筑屋面及側立面的光伏發(fā)電潛力計算與太陽輻射量計算過程類似,在計算過程中要額外考慮光電轉化效率、光伏有效面積、光伏板受遮擋時的發(fā)電衰減因子等因素．

2 系統(tǒng)結構設計

城市建筑太陽能資源評估信息系統(tǒng)在結構層次設計上包括原始數(shù)據(jù)資料準備、空間數(shù)據(jù)庫支持、基于ArcGIS的應用開發(fā)和用戶層界面設計4個部分,如圖2所示．數(shù)據(jù)資料準備主要是獲取目標區(qū)域的GIS+BIM(信息數(shù)據(jù)和單體建筑數(shù)據(jù)),并按照規(guī)定的格式整理后導入到原始資料數(shù)據(jù)庫中．空間數(shù)據(jù)庫部分采用SQL Server 2008 R2語言,由于其原生支持空間數(shù)據(jù)存儲的屬性,因此無須調(diào)用ArcGIS中ArcSDE數(shù)據(jù)引擎．數(shù)據(jù)庫整體架構包括原始資料數(shù)據(jù)庫、太陽能輻射計算過程數(shù)據(jù)庫和建筑物太陽輻射能量計算成果數(shù)據(jù)庫,其中成果數(shù)據(jù)庫可包含大量的建筑信息以及太陽能資源評估結果,經(jīng)過整理可以形成不同的專題地圖,用于數(shù)據(jù)發(fā)布．ArcGIS開發(fā)部分總體分為2個方向: 一方面是基于ArcGIS Engine進行的面向桌面端應用程序的二次開發(fā);另一方面是基于 ArcGIS Server進行的面向網(wǎng)絡端應用程序的開發(fā)．用戶界面層設計則主要是為用戶和系統(tǒng)交互提供良好界面．

系統(tǒng)用戶可分為系統(tǒng)決策人員、系統(tǒng)管理員和系統(tǒng)用戶3類．系統(tǒng)決策人員主要負責建筑太陽能資源評估模型的建立和維護;系統(tǒng)管理員通過web端登入系統(tǒng)后,可進行數(shù)據(jù)導入、系統(tǒng)運行參數(shù)設置、地圖發(fā)布等工作,并可控制用戶權限;系統(tǒng)用戶可以通過web端對已經(jīng)正式發(fā)布的地圖數(shù)據(jù)按照二維、三維模式進行瀏覽及相關專題地圖的生成、相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)的生成和導出等,也可通過桌面應用端,計算分析未發(fā)布成果區(qū)域的太陽能資源．當系統(tǒng)用戶獲得數(shù)據(jù)導入等權限時就能充分利用該系統(tǒng)對特定區(qū)域和建筑形態(tài)的太陽能資源進行評估,用于對城市或建筑設計的指導．

3 案例分析

本文以常州地區(qū)為例(北緯31°09′～32°05′,東經(jīng)119°08′～120°13′, 海拔3米,氣壓101 kPa), 評估1 a內(nèi)該地區(qū)建筑的可利用太陽能資源．根據(jù)常州地區(qū)氣象站數(shù)據(jù)獲得該地區(qū)各月的日照時數(shù),得到常州地區(qū)2018年各月日照時數(shù)與日照百分率統(tǒng)計圖,如圖3所示．該地區(qū)日照資源在時間分布上呈現(xiàn)出不均衡的特征,各季節(jié)日照時數(shù)由高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季．同時,各月日照時數(shù)差異較大,其中夏季(6—8月)日照時數(shù)最高總值可達695 h, 遠大于冬季(1—2月和12月)的285 h．日照百分率定義為日照時數(shù)與可照時數(shù)的比值, 該值隨日照時數(shù)增加而升高．

將上述信息以及該地區(qū)的經(jīng)緯度、全年氣象參數(shù)、太陽高度角和方位角等數(shù)據(jù), 以及包含建筑和場地信息的Shapefile文件導入系統(tǒng), 并以1 m為步長設置計算網(wǎng)格單元,通過系統(tǒng)計算得到該地區(qū)建筑屋面及側立面可利用太陽能資源的評估結果, 如圖4所示．結果中包括各個建筑物的光照時間、遮擋比例、太陽能輻射量、光伏發(fā)電量等信息,這些評價結果還可根據(jù)行政區(qū)域、太陽輻射量等級、建筑物類型等條件進行查詢,并可通過二維或三維地圖的形式進行可視化展示．圖5展示了常州市鐘樓區(qū)和裕路某建筑接收到太陽能輻射量的計算結果, 其中不同顏色代表了建筑接收到的不同太陽能輻射量．

4 總結

1) 基于半球視域算法建立了建筑可利用太陽能資源計算模型．該模型利用太陽網(wǎng)格數(shù)據(jù),結合周圍建筑和環(huán)境因素的幾何、方位信息,能夠合理計算它們的遮擋效應,獲得時間區(qū)間內(nèi)建筑可接收的太陽輻射總量,進而能較為準確地對建筑屋面及側立面的太陽能利用潛力進行評估．

2) 城市建筑太陽能資源評估信息系統(tǒng)集成上述計算模型,并將計算成果進行存儲,建立了不同城市或地區(qū)的建筑太陽能資源數(shù)據(jù)庫．該信息系統(tǒng)包含Web端應用和桌面端應用, 數(shù)據(jù)庫計算成果通過專題地圖的形式在Web端進行發(fā)布,用戶可以根據(jù)具體需求進行成果查詢和導出．桌面端應用則提供了建筑太陽能資源評估功能,用戶可根據(jù)自身需求對特定地區(qū)或建筑進行太陽能利用潛力評估．這一功能能夠解決計算時間過長和用戶快速查詢之間的矛盾．

3) 運用信息系統(tǒng)對常州地區(qū)建筑太陽能資源:太陽能輻射量、光伏發(fā)電量、光照時間等進行計算評估,并對部分成果進行可視化展示．