城市建筑屋顶光伏利用潜力评估研究

太阳能利用是解决能源危机,缓解气候变化,实现城市可持续发展的重要手段。太阳能光伏建筑一体化的技术已经发展成熟,具备了在城市环境中规模化应用的条件,评估城市建筑屋顶光伏利用潜力是城市中进行太阳能利用规划的关键环节。结合城市规划指标,从城市规划方面研究建筑屋顶的光伏利用潜力,可以为我国规模化应用光伏系统、合理制定分布式光伏发电的目标提供理论依据和实践指导。论文的研究内容依次如下:(1)问题探索。阐述了太阳能光伏建筑一体化、光伏利用潜力评估的层次和太阳能资源评估的相关理论;回顾了太阳能光伏技术在城市环境中规模化应用、城市规划和设计阶段提高建筑表面光伏利用潜力的探索以及已建城区光伏利用潜力量化评估的发展现状,为后文研究提供基础资料。(2)分析提炼。对城市建筑屋顶组成和日照环境的复杂性进行分析,凝练了建筑屋顶光伏利用的三个层级的影响因素;提出了针对我国城市控制性详细规划阶段的建筑屋顶光伏利用潜力的评估理论;建立了以中国“满足冬至日3小时日照时数标准”为屋顶光伏安装条件的评价指标——“屋顶光伏安装密度”。并在此基础上,提出了具体的评估方法和步骤,为后文研究打下原理性基础。(3)研究解决。采用利用系数法,研究了城市建筑屋顶光伏可利用面积的计算方法:包括从控规指标计算屋顶总面积的方法,通过确定街道空间、建筑布局和单体建筑三个层级的折减系数,确定了屋顶光伏可利用系数的计算公式和取值范围等;研究了光伏组件表面辐射量和有效面积的计算方法以及光伏系统发电量的预测方法等。(4)实证结论。以天津市中心城区为例,立足于天津市太阳能资源状况和城市控制性详细规划指标,利用GIS分析方法,计算天津市中心城区建筑屋顶现有的以及未来发展中可能的建筑屋顶的太阳能光伏利用潜力。论文创新性的成果为:提出了与城市控制性详细规划阶段相结合的建筑屋顶光伏利用潜力评估理论、确定了“屋顶光伏安装密度”评价指标以及确定了屋顶光伏可利用系数的计算方法和取值范围。这些成果的意义在于可以用来评估城市范围中已建建筑屋顶和未来可能的建筑屋顶光伏利用的潜力分布;指导在城市规划体系中进行的太阳能光伏利用规划;增强建筑师和规划师在设计初期考虑建筑太阳能光伏利用的意识,从而提高城市中建筑光伏的利用效率。