基于日照问题的住宅选择研究

胡泊 刘冰

【关键词】日照;住宅选择;研究

【中图分类号】TU241.8 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）05-0098-03

1 太阳高度角的确定

太阳高度角指太阳直射光线与地平面間的夹角[1]。冬至日，太阳直射南回归线，我国所有地区正午太阳高度达到最小值，因此，选择冬至日这一天的太阳高度角作为研究目标点，如果这一天能够获得全天日照，那么全年其他日期也都能够获得全天日照[2]。此外，不同的经纬度，太阳高度角不同，正午太阳高度角计算公式为H=90°-|纬度差|，纬度差即所求地点纬度与太阳直射点所在纬度的差距（同半球减，异半球加）[3]。

以北京和辽宁省盘锦市为例计算其冬至日正午太阳高度角，依据计算公式，南回归线维度为南纬23°（此处为方便计算，纬度取整数计算），北京纬度为北纬40°，北京市冬至日正午太阳高度角=90°-| 23°+40°|=27°，辽宁省盘锦市纬度为北纬41°，则盘锦市冬至日正午太阳高度角=90°-| 23°+41°|=26°。

2 楼间距和正南面建筑物高度的关系分析

全天中，正午太阳高度角最大，太阳方位近似正南，某一城市由于纬度是固定的，冬至日正午的太阳高度角就是固定的，现选择±0.00 m标高处作为获得日照的目标点，那么，测试点是否能够获得日照就由楼间距和正南面建筑物高度决定（如图1所示）。

图1中，α为冬至日正午太阳高度角，B为楼间距，H为正南面建筑物高度。三者的关系为tanα=H/B，以北京市为例，楼间距和正南面建筑物高度的关系为tan27°=0.51=H/B。比如，当楼间距为50 m时，正南面建筑物高度不能超过25.5 m，否则就无法获得日照，反之，如果正南面建筑物高度为30 m，则楼间距至少为58.8 m才能保证获得日照。此外，由于所选目标点标高在±0.00 m处，若实际选择的住宅位置高于±0.00 m，则此时正南面建筑物高度就是指超过所选住宅标高的高度，比如所选住宅高度在15 m处，则正南面建筑物高度为45 m时，楼间距至少为58.8 m才能保证获得日照。

3 太阳位置和高度角随着时间的变化分析

全天除了正午以外，其他时间太阳的位置和高度角都不同，因此，如果侧面建筑物过高或者与所选住宅较近，同样无法全天获得日照，对此需要确定不同时间点太阳的位置和该位置上的太阳高度角。现选择±0.00 m标高处作为获得日照的目标点，以太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角来确定太阳方位，则正东方向为0°，正南方向角度为90°（如图2所示）。图2中，α1为冬至日太阳高度角，β为太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角。

有关太阳方位和高度角的确定已有成熟的计算方法，两者由当地纬度、太阳赤纬、太阳时角确定，利用已有公式代入相应数值即可确定太阳方位和该方位上太阳的高度角[4]。以北京市为例，分别计算冬至日当天β为0°、15°、30°、45°、60°、75°和90°时的太阳高度角，计算结果见表1。其中，β为太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角，α1为冬至日太阳高度角，对应大致时间为北京市冬至日的北京时间。

从表1中的信息可以看出，当β为0°、15°、30°时，α1均为负角度，即太阳还未升到地平线以上，因此从β为45°开始算起，此时大致是北京时间早上8：44，太阳高度角为12°。随着时间变化，太阳高度角逐渐变大，太阳的方位也逐渐由正东方向向正南方向移动，到中午12：00到达正南方向，此时的太阳高度角为27°。

此外，上下午太阳的位置对称于正午，如9：00与15：00相对称，两个时点的太阳高度角相同，方位对称于正午太阳直射光线在地平面上的投影线。

4 遮挡建筑物高度和位置随时间的变化分析

了解太阳位置和高度角随时间变化的规律后，就可以计算遮挡建筑物高度和位置随时间的变化规律。比如，当太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角为45°时，太阳高度角为12°，利用前述公式就可以计算出此时遮挡建筑物高度和距离±0.00 m研究目标点间距之间的关系，通过计算可知，tan12°=0.21，即当遮挡建筑物处于研究目标点东偏北45°时，如果两者距离为60 m，该遮挡建筑物最多不能高于12.6 m，否则将会挡光。计算结果见表2。其中，β为太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角，α1为冬至日太阳高度角，对应大致时间为冬至日的北京时间，H1为遮挡建筑物高度，B1为遮挡建筑物与目标研究点之间的水平距离。

依据表2的计算结果，可以确定北京市冬至日当天各个时间的太阳方位和高度角，进而可知该方向上遮挡建筑与所选住宅的直线距离的关系，从而确定是否挡光。

5 以辽宁省盘锦市为例进行住宅选择分析

辽宁省盘锦市位于辽宁省西南部，地理坐标为北纬40°39'～41°27'、东经121°25'～122°31'，计算时取北纬41°和东经122°。现以盘锦市为例进行冬至日各时间太阳高度角和方位的计算，进而得出各方位上遮挡建筑物高度和与所选住宅±0.00 m标高处的水平距离之间的关系，以便确定在什么情况下可以保证所选住宅全年全天获得日照。

首先选择太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角为45°、60°、75°和90°的时间点作为研究时间，根据前述方法的计算，可以得到的结果见表3。其中，β为太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角，α1为冬至日太阳高度角，对应大致时间为冬至日的北京时间，H1为遮挡建筑物高度，B1为遮挡建筑物与目标研究点之间的水平距离。

由计算结果可以看出，盘锦市冬至日8：43时，太阳高度角为11°，太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角为45°，即在所选住宅东偏北45°的方位上，如果有遮挡建筑物，该建筑物高度与所选住宅水平距离之比为0.19，即H1/B1=0.19。

如果建筑物高度H1=30 m，则与所选住宅水平距离B1=158 m，意味着遮挡建筑物与所选住宅水平距离要大于158 m才能不挡光，反之，如果遮挡建筑物与所选住宅水平距离为70 m，则该建筑物不能超过13.3 m，否则就会挡光。

盤锦市冬至日9：56时，太阳高度角为19°，太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角为60°，即在所选住宅东偏北60°的方位上，如果有遮挡建筑物，该建筑物高度与所选住宅水平距离之比为0.34，即H1/B1=0.34。此时，遮挡建筑物与所选住宅水平距离为70 m，则该建筑物不能超过23.8 m，否则就会挡光。

盘锦市冬至日11：00时，太阳高度角为24°，太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角为75°，即在所选住宅东偏北75°的方位上，如果有遮挡建筑物，该建筑物高度与所选住宅水平距离之比为0.45，即H1/B1=0.45。此时，遮挡建筑物与所选住宅水平距离为70 m，则该建筑物不能超过31.5 m，否则就会挡光。

盘锦市冬至日12：00时，太阳高度角为26°，太阳直射光线在正南方向，如果有遮挡建筑物，该建筑物高度与所选住宅水平距离之比为0.49，即H1/B1=0.49。此时，遮挡建筑物与所选住宅水平距离为70 m，则该建筑物不能超过34.3 m，否则就会挡光。

需要说明的是，此时所选住宅的标高设定在±0.00m标高处，若所选住宅窗台底标高高于0 m，遮挡建筑物的高度也相应增加，例如所选住宅窗台底标高为15 m，则此时遮挡建筑物高度最高不能超过34.3+15=49.5 m。

另外，上下午太阳的位置对称于正午，如11：00与13：00相对称，两个时点的太阳高度角相同，方位对称于正午太阳直射光线在地平面上的投影线，即对称于正南方太阳直射光线在地平面上的投影线，因此13：00时太阳高度角也为24°，太阳直射光线在地平面上的投影线与正东方向夹角为105°，即在所选住宅南偏西15°的方位上，有关遮挡建筑物的要求与11：00时相同。

由于冬至日是全年太阳高度角最小的一天，因此如果能满足这一天的全天日照要求，则全年全天都可获得日照。

6 结语

日照问题在住宅选择时是一项较为重要的内容，但要求全年全天获得日照的情况并不多，通常人们在住宅选择时，只要日照时间达到一定时长即可，同时我国在建筑设计规划中有关日照的规定也不是要求全年全天。因此，本文所研究问题属于临界点问题，后续有待加入新的变量继续研究，例如在日照时长符合国家有关规定和满足人们意愿的前提下，如何确定所选住宅的最低高度。

参 考 文 献

[1]王国安，米鸿涛，邓天宏，等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算[J].气象与环境科学，2007（增刊1）：161-164.

[2]金向荣，郝卓敏.如何计算夏至日（冬至日）我国南北方正午太阳高度[J].昭乌达蒙族师专学报（自然科学版），2001（4）：19-20.

[3]车家漩，陈家升，张润，等.“正午太阳高度角测量”研究性学习[J].地理教育，2017（6）：54-55.

[4]王慧，崔连延.太阳高度角和方位角的计算算法[J].电子技术与软件工程，2015（17）：167.