基于daysim 軟件對城市形態優化探析

曹家寅

(華中科技大學建筑城市規劃學院，湖北武漢 430000)

1 研究背景及意義

隨著世界城市化進程的加快，各種城市問題也隨之而來。因此，對于城市規劃和設計的研究人員來說，需要考慮的問題也是多方面的。其中包括環境污染，城市交通改善，城市熱導效應，以及清潔與可再生能源在城市規劃和建筑設計中的應用等等。

太陽能作為新興的清潔可再生能源，其利用越來越受到關注和發展。目前運用主要有太陽熱能和光伏發電。而影響太陽能使用效率的最重要的因素是單位時間單位面積的太陽輻射量。在城市規劃和設計中，城市的空間形態，建筑布局，單體建筑形式等都對此有著重要的影響。因此，考慮不同的城市空間形態以及建筑布局對于整個城市的太陽能利用有著直接和重要的意義。

太陽能建筑一體化(BIPV)是目前太陽能發電技術的一個趨勢，據估計，2010年建筑一體化PV已超過全世界PV安裝量的50%，如果在適宜的墻面和屋頂安裝PV的話，所產生的電能可以達到用電總需求的25%[1]。

因此，從宏觀的城市空間形態設計到微觀的單體建筑設計，對于太陽能的接收效率都有著重要的作用。在此背景下，文中著重討論不同城市形態空間下，對某棟建筑南立面全年太陽能曝光量的影響以及BIPV的具體運用，并給出相應的實例加以佐證。

2 研究概要

為了簡化問題，本研究以理想的城市街區模型為研究對象，分析模擬了六種不同的平面布局形式，以及分別對應的不同的建筑層高，共產生了16組不同的理想街區模型。本文運用daysim軟件，重點模擬分析其中某一棟理想建筑模型在16種不同的街區形式下，其南立面的某些點全年的自然采光量總和，通過數據的定量對比，得出最利于建筑自然采光的街區布局形式。

2.1 daysim軟件介紹

daysim由加拿大國家研究委員會和德國弗勞恩霍夫太陽能系統研究所共同開發，是一款基于Radiance內核的動態光環境模擬軟件，其主要用于模擬建筑在全年中的自然采光性能。動態光環境模擬可以動態的計算出指定點的全年逐時的自然采光照度。而目前國際上能用于模擬動態光環境的軟件以daysim最具代表性。其運算核心Radiance則是由美國勞倫斯伯克利國家實驗室和瑞士洛桑聯邦理工學院共同開發的，其精確的計算結果和模擬效果，使之在建筑光環境模擬領域具有著絕對的主導地位[2]。

2.2 數值模擬案例

本研究的對象模型分為點式建筑和點式板式結合建筑兩類。Case1—1理想的建筑模型采用長×寬15 m×15 m，高27 m的標準幾何形體，建筑間距為24 m(日照間距約0.9 h)，黑色體塊為本研究的模擬對象(見圖1)。

圖1 參照模型

圖2 各目標點分布圖

Case1，Case2，Case3，Case4，Case5—1，Case5—2，Case6—1，Case6—2分別給出了8種不同的平面布局形態，其中Case1，Case2，Case3，Case4 的建筑日照間距為 0.9 h，Case5 為 1.2 h，Case6 為1.4 h。Case1，Case2，Case3，Case4 又分別給出了三種不同的街區剖面形式，由南向北升高，目標建筑始終保持不變，并且建筑的容積率相同。不同Case的變化情況如表1所示。

表1 不同Case的建筑布局及高度差變化

如表2所示的是Case1為代表的理想模型鳥瞰圖以及各個Case的三種不同剖面的情況，其中所有的高度變化都是由南向北依次升高，研究對象始終保持不變。Case5與Case6，在改變日照系數情況下的建筑布局，不考慮前后建筑高度差的情況。

本研究選取的研究對象為南立面的9個點，如圖2所示。

2.3 邊界條件

本研究的模擬模型設定在湖北省武漢市，氣象數據選取來自于《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》，該數據庫收集了全國270個地面氣象站臺1971年～2003年的實測氣象數據[4]。該數據庫包括了根據觀測資料整理出的設計室外氣象參數，以及由實測數據生成的動態模擬分析用逐時氣象參數，具有較高的參考性。

表2 Case1建筑布局平面以及鳥瞰，剖面高差表

選取的9個對象點，離建筑表面50 mm，由于研究的是對象的全年的曝光量，因此與建筑選取的材料特性無關。

3 數值模擬結果分析

1)Case1—1，Case2—1，Case3—1，Case4—1 的建筑無高度差，根據模擬計算，所得的模擬結果見圖3。

由圖3中各點的變化情況看出，在建筑無高度差時，無論點式布局還是點式板式結合布局，當建筑呈現錯動的時候，相對于無錯動式建筑布局，對象建筑全年得到的光照將有所提高。隨著高度的增加，位于頂部的7，8，9號點所得的全年采光量要明顯高于其他各點，均達到5.1E+07 lx。位于底部的1，2，3號點全年采光量維持在3.9E+07 lx左右。根據模擬，除1號點，8號點外，均呈現出有錯動的建筑布局，建筑南立面獲得的全年采光量要比無錯動時要高。

Case3與Case4是點式板式結合布局，在模擬結果中，與點式布局的Case1與Case2所得出的結果并沒有明顯的規律。其采光量略低于點式布局。

圖3 無高度差模擬結果分析圖

圖4 有高度差（9 m）模擬結果分析圖

2)Case1—2，Case2—2，Case3—2，Case4—2 中，由于研究對象前后建筑有高差(高差9 m，由南向北升高)，呈現出的模擬結果如圖4所示。

當存在高度差時，位于頂部的7，8，9號點采光量同樣較高，達到5.3E+07 lx。而位于底部的 1，2，3 號點也達到了 4.5E+07 lx，分別高于無高度差時的情況。1號點～5號點，無論是點式布局還是點式板式結合布局，在建筑布局有錯動時，全年采光量要高于無錯動情況。6號點點式布局有錯動采光量高，點式板式結合，有錯動時采光量低。而7，8，9號點與1號點～5號點相反，有錯動布局時，采光量降低，可能由于這3個點的布局偏高，偏東，而全年太陽運動的軌跡受到建筑平面布局影響，產生相反的效果。

Case1—3，Case2—3，Case3—3，Case4—3，當高度差達到 18 m時(未列表)，位于頂部的7，8，9號點采光量更高，均超過5.31E+07，位于中間和底層的各點較之前的無高差和高差9 m時各點均高。1號點～7號點，當點式布局時，有錯動要比無錯動情況下采光量高，與前幾種情況相同，而8號點，9號點相反，可能由于有錯動對于全年某些偏高，偏東的點的采光產生了一定的影響。而點式板式結合布局，各種情況下，并沒有呈現出較強的規律性。可能由于目標建筑南側的建筑較低，全年對目標建筑產生的影響較小，因而，無論是錯動，或者不錯動，對于其影響都較前兩種情況小。

3)考慮所有點，如圖5所示，在16種不同的情況下，全年采光量的變化情況，Case1，Case2，Case3，Case4中，都是隨著高度差的增加，全年采光量也隨著增加，Case5，Case6兩種由于日照間距的增加，全年采光量的增加更加明顯，Case5—1～Case5—2全年日照量略微有所減少，Case6—1～Case6—2基本保持不變。由此可見，建筑間距的改變對于研究對象全年的采光量影響最為顯著，南北建筑高度差的變化影響也較為顯著，而建筑平面布局的錯動，對于建筑全年采光起到的是消極的作用。

圖5 16種Case結果對比圖

4 結語

本文以daysim模擬為手法，模擬某棟建筑南立面全年采光的總量，通過對不同建筑平面布局以及高度差變化的對比模擬，從太陽能接受率角度出發，得出相對優化的建筑平面布局，以及街區立面形式。

通過分析得出:

1)在建筑無高度差時，無論點式布局還是點式板式結合布局，當建筑呈現錯動的時候，相對于無錯動式建筑布局，對象建筑全年得到的光照將有所提高。

2)無論是點式布局還是點式板式結合布局，在建筑布局有錯動時，全年采光量要高于無錯動情況。

3)當建筑前后高度差較大時，對于目標建筑全年采光無明顯區別。

4)建筑間距的改變對于研究對象全年的采光量影響最為顯著，南北建筑高度差的變化影響也較為顯著，而建筑平面布局的錯動，對于建筑全年采光起到的作用最弱。

[1]Caroline Hachem.Parametric investigation of geometric form effects on solar potential of housing units.Department of Building Civil and Environmental Engineering(BCEE)，Concordia University，Montreal，Canada.

[2]Christoph F.Reinhart，Dr.Ing.Monitoring Manual Control of E-lectric Lighting and Blinds.Research ＆ Technology，2003，35(3):243-260.

[3]Christoph F.Reinhart.Electric Lighting Energy Savings For An On/Off Photocell Control-A Comparative Simulation Study U-sing Doe2.1 And Daysim.Proceedings of eSim，Vancouver，B.C.，2004:183-189.

[4]熊安元，江 億.清華大學建筑技術科學系[A].中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[C].北京:中國建筑工業出版社，2005.