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基于全景图的城市街谷太阳辐射分布规律及推测模型研究

张沫岩  
【摘要】:太阳辐射是调节城市气候和街道热能平衡的主要驱动力,同时也是影响建筑室外热湿环境的重要参数,了解城市太阳辐射的分布规律,有助于我们应对现有的城市环境问题,并提前对未来的问题做出预判。人为规划下的城市形态影响着城市中城市气候与太阳辐射的分布规律并使其区别于其他地区,其中天空开阔度SVF(Sky View Factor)是讨论最多的相关参数之一。现有的太阳辐射城市分布规律研究大多集中在较为发达的高密城区,缺少中低密度城区的相关研究,而我国内陆大部分地区城市还是以中低密度城区为主,且能够提供太阳辐射数据的气象台站较为稀少,多为一个至几个城市公用一个辐射台站,距离远误差大,因而将台站气象数据与城市形态结合,将单个台站数据扩展到整个城市是目前的研究重点。而西安具有复杂的城市形态与规整的街谷方向,适用于进行城市形态与街谷方向的分类分析研究。基于这样的研究背景,本研究以探究太阳辐射在城市街谷中分布规律为目标,在已有的太阳辐射推测模型研究及批量获取基础数据与计算的基础上,针对推测模型的验证与优化及城市形态对街谷太阳辐射的分布规律影响在西安地区开展了相关研究,主要内容如下:(1)通过对文献中的太阳日总辐射推测模型的梳理,整理出了适宜本研究的两个太阳日总辐射推测模型,一个是基于日总值辐射台站数据的推测模型,该模型适用于缺少逐时值辐射数据的地区,另一个是基于逐时值辐射台站数据的推测模型,该模型对太阳辐射的作用原理考虑较为全面。除此以外还梳理了其他太阳辐射推测模型,取长补短,对所选的两个太阳日总辐射推测模型进行优化,并通过实测对两个模型进行对比选择,验证了所选模型的准确性与优化过程的必要性。(2)针对研究城市范围内的数据量大的特点,以自编程的手段,开发了批量获取城市街谷太阳日总辐射的计算流程,并以此获得了西安市主城区(绕城高速内)范围内的街谷太阳日总辐射分布情况。(3)以西安市的明城区为例,研究了街谷方向与宽度对太阳辐射分布规律的影响,并得到了街谷形态对SVF与太阳辐射之间关系的影响规律。结果表明不同的街谷形态与太阳位置对天空开阔度SVF与太阳辐射强度都有着不同的影响:不同的街谷方向下,随着街谷宽度的变化,辐射强度的变化程度不同。南北向街谷的宽度对辐射强度的影响明显小于东西向街谷。除了在夏至(太阳高度角最高),东西向街谷不同宽度间均值的差异均大于南北向街谷。SVF与太阳辐射强度的相关性与街谷方向和宽度都有关,其中在东西向上小于南北向上,较宽街谷内大于较窄街谷内;东西向街谷内,SVF与太阳辐射强度关系更容易受到街谷宽度影响,街谷越窄,SVF对太阳辐射强度的影响越大(除冬季)。(4)获取并分析了西安市主城区(绕城高速内)的几个城市形态基本参数(容积率、建筑密度、建筑平均高度等)的分布情况,对其基本分布规律进行了研究,并结合太阳辐射的计算结果,对西安市主城区(绕城高速内)的街谷太阳辐射分布规律进行了研究。结果表明:容积率与太阳辐射的影响关系是相关性最高的,呈现负相关,街谷越窄,这一影响越强烈,其中在东西向街谷内,南侧地块的容积率变化对辐射强度的影响相较于北侧更为剧烈。建筑密度与平均建筑高度对太阳辐射的影响也呈现一定的规律,但是部分情况下相关性过低,因而在利用城市形态参数对太阳辐射强度进行预判的时候,可以将容积率作为主要参考值,建筑密度与平均建筑高度作为辅助参考。


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