基于日照問題的住宅選擇研究

胡泊 劉冰

【關鍵詞】日照;住宅選擇;研究

【中圖分類號】TU241.8 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）05-0098-03

1 太陽高度角的確定

太陽高度角指太陽直射光線與地平面間的夾角[1]。冬至日，太陽直射南回歸線，我國所有地區正午太陽高度達到最小值，因此，選擇冬至日這一天的太陽高度角作為研究目標點，如果這一天能夠獲得全天日照，那么全年其他日期也都能夠獲得全天日照[2]。此外，不同的經緯度，太陽高度角不同，正午太陽高度角計算公式為H=90°-|緯度差|，緯度差即所求地點緯度與太陽直射點所在緯度的差距（同半球減，異半球加）[3]。

以北京和遼寧省盤錦市為例計算其冬至日正午太陽高度角，依據計算公式，南回歸線維度為南緯23°（此處為方便計算，緯度取整數計算），北京緯度為北緯40°，北京市冬至日正午太陽高度角=90°-| 23°+40°|=27°，遼寧省盤錦市緯度為北緯41°，則盤錦市冬至日正午太陽高度角=90°-| 23°+41°|=26°。

2 樓間距和正南面建筑物高度的關系分析

全天中，正午太陽高度角最大，太陽方位近似正南，某一城市由于緯度是固定的，冬至日正午的太陽高度角就是固定的，現選擇±0.00 m標高處作為獲得日照的目標點，那么，測試點是否能夠獲得日照就由樓間距和正南面建筑物高度決定（如圖1所示）。

圖1中，α為冬至日正午太陽高度角，B為樓間距，H為正南面建筑物高度。三者的關系為tanα=H/B，以北京市為例，樓間距和正南面建筑物高度的關系為tan27°=0.51=H/B。比如，當樓間距為50 m時，正南面建筑物高度不能超過25.5 m，否則就無法獲得日照，反之，如果正南面建筑物高度為30 m，則樓間距至少為58.8 m才能保證獲得日照。此外，由于所選目標點標高在±0.00 m處，若實際選擇的住宅位置高于±0.00 m，則此時正南面建筑物高度就是指超過所選住宅標高的高度，比如所選住宅高度在15 m處，則正南面建筑物高度為45 m時，樓間距至少為58.8 m才能保證獲得日照。

3 太陽位置和高度角隨著時間的變化分析

全天除了正午以外，其他時間太陽的位置和高度角都不同，因此，如果側面建筑物過高或者與所選住宅較近，同樣無法全天獲得日照，對此需要確定不同時間點太陽的位置和該位置上的太陽高度角。現選擇±0.00 m標高處作為獲得日照的目標點，以太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角來確定太陽方位，則正東方向為0°，正南方向角度為90°（如圖2所示）。圖2中，α1為冬至日太陽高度角，β為太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角。

有關太陽方位和高度角的確定已有成熟的計算方法，兩者由當地緯度、太陽赤緯、太陽時角確定，利用已有公式代入相應數值即可確定太陽方位和該方位上太陽的高度角[4]。以北京市為例，分別計算冬至日當天β為0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°時的太陽高度角，計算結果見表1。其中，β為太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角，α1為冬至日太陽高度角，對應大致時間為北京市冬至日的北京時間。

從表1中的信息可以看出，當β為0°、15°、30°時，α1均為負角度，即太陽還未升到地平線以上，因此從β為45°開始算起，此時大致是北京時間早上8：44，太陽高度角為12°。隨著時間變化，太陽高度角逐漸變大，太陽的方位也逐漸由正東方向向正南方向移動，到中午12：00到達正南方向，此時的太陽高度角為27°。

此外，上下午太陽的位置對稱于正午，如9：00與15：00相對稱，兩個時點的太陽高度角相同，方位對稱于正午太陽直射光線在地平面上的投影線。

4 遮擋建筑物高度和位置隨時間的變化分析

了解太陽位置和高度角隨時間變化的規律后，就可以計算遮擋建筑物高度和位置隨時間的變化規律。比如，當太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為45°時，太陽高度角為12°，利用前述公式就可以計算出此時遮擋建筑物高度和距離±0.00 m研究目標點間距之間的關系，通過計算可知，tan12°=0.21，即當遮擋建筑物處于研究目標點東偏北45°時，如果兩者距離為60 m，該遮擋建筑物最多不能高于12.6 m，否則將會擋光。計算結果見表2。其中，β為太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角，α1為冬至日太陽高度角，對應大致時間為冬至日的北京時間，H1為遮擋建筑物高度，B1為遮擋建筑物與目標研究點之間的水平距離。

依據表2的計算結果，可以確定北京市冬至日當天各個時間的太陽方位和高度角，進而可知該方向上遮擋建筑與所選住宅的直線距離的關系，從而確定是否擋光。

5 以遼寧省盤錦市為例進行住宅選擇分析

遼寧省盤錦市位于遼寧省西南部，地理坐標為北緯40°39'～41°27'、東經121°25'～122°31'，計算時取北緯41°和東經122°。現以盤錦市為例進行冬至日各時間太陽高度角和方位的計算，進而得出各方位上遮擋建筑物高度和與所選住宅±0.00 m標高處的水平距離之間的關系，以便確定在什么情況下可以保證所選住宅全年全天獲得日照。

首先選擇太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為45°、60°、75°和90°的時間點作為研究時間，根據前述方法的計算，可以得到的結果見表3。其中，β為太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角，α1為冬至日太陽高度角，對應大致時間為冬至日的北京時間，H1為遮擋建筑物高度，B1為遮擋建筑物與目標研究點之間的水平距離。

由計算結果可以看出，盤錦市冬至日8：43時，太陽高度角為11°，太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為45°，即在所選住宅東偏北45°的方位上，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.19，即H1/B1=0.19。

如果建筑物高度H1=30 m，則與所選住宅水平距離B1=158 m，意味著遮擋建筑物與所選住宅水平距離要大于158 m才能不擋光，反之，如果遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過13.3 m，否則就會擋光。

盤錦市冬至日9：56時，太陽高度角為19°，太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為60°，即在所選住宅東偏北60°的方位上，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.34，即H1/B1=0.34。此時，遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過23.8 m，否則就會擋光。

盤錦市冬至日11：00時，太陽高度角為24°，太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為75°，即在所選住宅東偏北75°的方位上，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.45，即H1/B1=0.45。此時，遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過31.5 m，否則就會擋光。

盤錦市冬至日12：00時，太陽高度角為26°，太陽直射光線在正南方向，如果有遮擋建筑物，該建筑物高度與所選住宅水平距離之比為0.49，即H1/B1=0.49。此時，遮擋建筑物與所選住宅水平距離為70 m，則該建筑物不能超過34.3 m，否則就會擋光。

需要說明的是，此時所選住宅的標高設定在±0.00m標高處，若所選住宅窗臺底標高高于0 m，遮擋建筑物的高度也相應增加，例如所選住宅窗臺底標高為15 m，則此時遮擋建筑物高度最高不能超過34.3+15=49.5 m。

另外，上下午太陽的位置對稱于正午，如11：00與13：00相對稱，兩個時點的太陽高度角相同，方位對稱于正午太陽直射光線在地平面上的投影線，即對稱于正南方太陽直射光線在地平面上的投影線，因此13：00時太陽高度角也為24°，太陽直射光線在地平面上的投影線與正東方向夾角為105°，即在所選住宅南偏西15°的方位上，有關遮擋建筑物的要求與11：00時相同。

由于冬至日是全年太陽高度角最小的一天，因此如果能滿足這一天的全天日照要求，則全年全天都可獲得日照。

6 結語

日照問題在住宅選擇時是一項較為重要的內容，但要求全年全天獲得日照的情況并不多，通常人們在住宅選擇時，只要日照時間達到一定時長即可，同時我國在建筑設計規劃中有關日照的規定也不是要求全年全天。因此，本文所研究問題屬于臨界點問題，后續有待加入新的變量繼續研究，例如在日照時長符合國家有關規定和滿足人們意愿的前提下，如何確定所選住宅的最低高度。

參 考 文 獻

[1]王國安，米鴻濤，鄧天宏，等.太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算[J].氣象與環境科學，2007（增刊1）：161-164.

[2]金向榮，郝卓敏.如何計算夏至日（冬至日）我國南北方正午太陽高度[J].昭烏達蒙族師專學報（自然科學版），2001（4）：19-20.

[3]車家漩，陳家升，張潤，等.“正午太陽高度角測量”研究性學習[J].地理教育，2017（6）：54-55.

[4]王慧，崔連延.太陽高度角和方位角的計算算法[J].電子技術與軟件工程，2015（17）：167.