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太陽輻射的計(jì)算管理論文
摘要：
逐時(shí)氣象參數(shù)是建筑物全年能耗計(jì)算機(jī)模擬的必要輸入?yún)?shù)之一，其中的太陽輻射數(shù)據(jù)通常難以得到。本文提出了一種基于統(tǒng)計(jì)的逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)計(jì)算方法，在計(jì)算出大氣層外水平面逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用典型氣象年逐時(shí)氣象參數(shù)中的太陽輻射數(shù)據(jù)，擬合出水平面逐時(shí)太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時(shí)太陽總輻射量之間的關(guān)系，以及法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽總輻射量之間的關(guān)系，再結(jié)合實(shí)際氣象年的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，從而可以計(jì)算得到實(shí)際氣象年的逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：氣象參數(shù)太陽輻射統(tǒng)計(jì)。
前言：
當(dāng)前，采用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)建筑物的全年能耗進(jìn)行分析越來越普遍，這種方法既可以在設(shè)計(jì)階段，對(duì)新建建筑的能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)建筑物能源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使之符合國(guó)家相關(guān)的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，也可以用于已建建筑，對(duì)建筑物的能耗進(jìn)行評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，并為對(duì)其進(jìn)行節(jié)能改造的可能性及其效果進(jìn)行預(yù)估。目前，常用于建筑物全年能耗模擬的計(jì)算機(jī)軟件有DOE—2（包括VisualDOE）、EnergyPlus、eQUEST和DeST等。由于空調(diào)系統(tǒng)在整個(gè)建筑物的全年能耗中占有相當(dāng)大的比例，因此，在對(duì)建筑物的全年能耗進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的時(shí)候，不可避免地要計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)的全年能耗，而空調(diào)系統(tǒng)的能耗，與當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，特別是溫度、濕度和太陽輻射強(qiáng)度緊密相關(guān)。
通常，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行建筑物能耗預(yù)測(cè)時(shí)，一般采用典型氣象年數(shù)據(jù)；而在對(duì)已建建筑進(jìn)行全年能耗分析的時(shí)候，由于已經(jīng)可以取得建筑物運(yùn)行的實(shí)際能耗數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)實(shí)際能耗數(shù)據(jù)和實(shí)際氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行校準(zhǔn)（calibration），以保證模型具有足夠的精度，然后再采用標(biāo)準(zhǔn)氣象年數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)和比較。這種建模→模型校準(zhǔn)→計(jì)算及結(jié)果評(píng)價(jià)的方法也是IPMVP20xx（International Performance and Measurement Verification Protocol）中所推薦的方法。
一、基本計(jì)算方法。
根據(jù)DOE—2程序的要求，計(jì)算空調(diào)負(fù)荷用的逐時(shí)氣象參數(shù)有濕球溫度、干球溫度、大氣壓力、云量、雪、雨、風(fēng)向、空氣絕對(duì)含濕量、空氣密度、空氣焓值、水平面太陽總輻射量、法線方向太陽直射輻射量、云的類型與風(fēng)速等14項(xiàng)。除了與太陽輻射有關(guān)的兩項(xiàng)參數(shù)外，都可以由當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站公布的逐時(shí)氣象參數(shù)直接取得，或者通過一定的計(jì)算和量化取得。
與此不同的是，有關(guān)太陽輻射的兩項(xiàng)參數(shù)的取得則比較困難。由于我國(guó)的氣象臺(tái)站均不公布逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)，因此有些學(xué)者采用半正弦模型進(jìn)行插值，有些采用混合回歸的方法，在一些要求不高的場(chǎng)合，則干脆直接采用典型氣象年的數(shù)據(jù)。
筆者認(rèn)為，由于大氣層外水平面逐時(shí)太陽總輻射量只與當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度和緯度有關(guān)，而這可以通過天文學(xué)的有關(guān)公式精確計(jì)算得到，所以我們需要求取的，只是水平面逐時(shí)太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時(shí)太陽總輻射量之間的關(guān)系及其影響因子，以及法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽總輻射量之間的關(guān)系及其影響因子。只要能夠得到這些關(guān)系，我們就可以從大氣層外水平面逐時(shí)太陽總輻射量，得到水平面逐時(shí)太陽輻射總量；然后再?gòu)乃矫嬷饡r(shí)太陽輻射總量，得到法線方向逐時(shí)太陽直射輻射量。而這些關(guān)系和及其影響因子，筆者認(rèn)為，都可以從當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀竽曛饡r(shí)數(shù)據(jù)中采用統(tǒng)計(jì)的方法取得。為了敘述方便，以下均以求取上海地區(qū)20xx年逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)為例。
二、數(shù)據(jù)分析、計(jì)算、擬合及應(yīng)用。
首先考慮水平面逐時(shí)太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時(shí)太陽總輻射量（以下簡(jiǎn)稱為總輻射/天文輻射）之間的關(guān)系。筆者首先假定，影響總輻射/天文輻射之間的關(guān)系的因子有三項(xiàng)：云量、太陽入射角和空氣絕對(duì)含濕量。其中，云的多少直接對(duì)太陽輻射起了遮擋作用，因此云量多少對(duì)水平面太陽總輻射量的影響是不言而喻的；太陽入射角的大小將影響水平面太陽總輻射量，入射角越小，則太陽總輻射量越低；空氣中的水蒸氣將對(duì)太陽輻射起散射和吸收作用，水蒸氣濃度越高（即絕對(duì)含濕量越高），則水平面太陽總輻射量就越低。當(dāng)然，在考慮總輻射/天文輻射之間的關(guān)系時(shí)，還應(yīng)當(dāng)考慮大氣污染對(duì)水平面太陽總輻射量的影響，可是由于筆者無法取得有關(guān)大氣污染情況的數(shù)據(jù)，所以只能將這一因子忽略了。
基于這樣的考慮，筆者利用“中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)”中上海典型氣象年的逐時(shí)氣象參數(shù)，以云量、太陽入射角和空氣絕對(duì)含濕量作為影響因子，采用SPSS程序分析它們對(duì)總輻射/天文輻射之間關(guān)系的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，太陽入射角和空氣絕對(duì)含濕量對(duì)總輻射/天文輻射的影響幾乎為零，總輻射/天文輻射之間的關(guān)系僅與云量相關(guān)。
對(duì)于這個(gè)結(jié)果，筆者是這樣認(rèn)為的：云量作為主要影響因子是符合預(yù)期的；太陽入射角的影響幾乎為零，只是說明這一因子的影響已經(jīng)包含在大氣層外水平面逐時(shí)太陽總輻射量的變動(dòng)中了；而空氣絕對(duì)含濕量的影響幾乎為零，可能有兩個(gè)原因，一是在上海地區(qū)，空氣中水蒸氣對(duì)太陽輻射的吸收和散射并不是很嚴(yán)重，二是空氣絕對(duì)含濕量與云量之間多少有些關(guān)系，這個(gè)因子的部分影響已經(jīng)包含在云量這個(gè)因子中了。
這樣，在忽略大氣污染對(duì)太陽輻射影響的前提下，求取總輻射/天文輻射之間的關(guān)系，就簡(jiǎn)化為求取在各個(gè)云量水平下，與不同云量相對(duì)應(yīng)的總輻射/天文輻射比例系數(shù)。
由于20xx年上海地區(qū)太陽位于地平線以上的時(shí)間為4385小時(shí)，對(duì)應(yīng)與每個(gè)云量的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)基本上都有上百個(gè)之多，個(gè)別的甚至超過了一千個(gè)，數(shù)據(jù)分布范圍也很廣（見圖1，其中紅色部分為50%置信區(qū)間）。
這些數(shù)據(jù)的分布范圍比較廣的原因，筆者認(rèn)為，在氣象學(xué)中，云量是指云遮蔽天空視野的成數(shù)（0~10），它并不反映太陽與云的相對(duì)位置。因此，由于太陽既可能被云遮擋，也可能不被云遮擋，所以同一云量所對(duì)應(yīng)的水平面太陽輻射總量會(huì)有很大的差異，在云量較少的情況下尤為明顯。
同時(shí)，如果筆者這個(gè)想法是正確的，那么，由于太陽與云的相對(duì)位置的隨機(jī)性，在各個(gè)云量水平下，總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)的分布應(yīng)當(dāng)服從正態(tài)分布。因此，在求取比例系數(shù)前，必須首先檢查在各個(gè)云量水平下，總輻射/天文輻射的比例系數(shù)是否符合正態(tài)分布。
同樣采用SPSS程序，筆者對(duì)每個(gè)云量水平所對(duì)應(yīng)的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)分布檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)分布均很好地滿足正態(tài)分布，這為下一步求取比例系數(shù)提供了基礎(chǔ)。
上述方法也可應(yīng)用于分析法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽總輻射量（以下簡(jiǎn)稱直接輻射/總輻射）之間的關(guān)系。同樣，筆者發(fā)現(xiàn)直接輻射/總輻射之間的關(guān)系也只有云量這一個(gè)影響因子，所以問題就同樣簡(jiǎn)化為求取在各個(gè)云量水平下，若干個(gè)與不同云量對(duì)應(yīng)的直接輻射/總輻射比例系數(shù)。盡管2004年上海有太陽直接照射的時(shí)間僅3845小時(shí)，但是，各云量水平所對(duì)應(yīng)的直接輻射/總輻射數(shù)據(jù)基本上也都有成百上千個(gè)，根據(jù)與前述相同的原因，同樣需要進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明，在各個(gè)云量水平下，直接輻射/總輻射數(shù)據(jù)也都很好地服從正態(tài)分布。
盡管在各個(gè)云量水平下，總輻射/天文輻射和直接輻射/總輻射的比例系數(shù)分布都滿足正態(tài)分布，但是由于數(shù)據(jù)分布范圍較廣，其中還存在一些極端值，因此筆者認(rèn)為，如果直接采用它們的算術(shù)平均值或中位值可能會(huì)帶來較大的誤差。因此，筆者采用了Hampel''sredescendingM—estimator最大似然均值估計(jì)算法，這種算法在數(shù)據(jù)分布符合正態(tài)分布規(guī)律，但是分布范圍較廣，以及有少數(shù)極端值存在的情況下，可以得到比算術(shù)平均更加接近真值的平均值。表1中列出了根據(jù)典型氣象年逐時(shí)數(shù)據(jù)，在各個(gè)云量水平下，采用Hampel''sredescendingM—estimator最大似然均值估計(jì)算法得到的總輻射/天文輻射比例系數(shù)和直接輻射/總輻射比例系數(shù)。
可以看出：
（1）最多只有不到30%的太陽天文輻射能量到達(dá)地面；
（2）當(dāng)云量為2、3和4時(shí)，到達(dá)地面的太陽輻射能量最多；
（3）當(dāng)云量為3和4時(shí)，在到達(dá)地面的太陽輻射能量中，直接輻射所占的比例最大，超過了80%。
三、結(jié)論。
1、根據(jù)影響因子分析的結(jié)果，在忽略大氣污染影響的前提下，水平面太陽輻射總量與大氣層外水平面太陽輻射總量之間的關(guān)系只與云量相關(guān)。同樣，法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽輻射總量的關(guān)系也只與云量相關(guān)。
2、盡管在各個(gè)不同的云量水平下，水平面太陽輻射總量與大氣層外水平面太陽輻射總量的比例系數(shù)，以及法線方向太陽直射輻射量與水平面太陽輻射總量的比例系數(shù)，都分布在一個(gè)相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，但是這些數(shù)據(jù)都很好地服從正態(tài)分布。
3、上述兩個(gè)與不同云量水平相對(duì)應(yīng)的比例系數(shù)，可以采用Hampel''sredescendingM—estimator最大似然均值估計(jì)算法計(jì)算得到，這種算法能得到比算術(shù)平均更加接近真值的平均值。這兩個(gè)比例系數(shù)的最大似然均值與云量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以很好地分別用一個(gè)二次三項(xiàng)式來擬合。
4、結(jié)合采用天文學(xué)公式計(jì)算得到的當(dāng)?shù)卮髿鈱油馑矫嬷饡r(shí)太陽輻射總量數(shù)據(jù)，以及從當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象年的逐時(shí)天氣狀況中得到的云量數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述兩個(gè)比例系數(shù)，就可以得到實(shí)際氣象年的逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)。
5、由于本計(jì)算方法的基礎(chǔ)是當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀竽曛饡r(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貙?shí)際氣象年的逐時(shí)云量數(shù)據(jù)，因此本方法可以適用于任何地點(diǎn)和任何年份的逐時(shí)太陽輻射數(shù)據(jù)計(jì)算。
參考文獻(xiàn)：
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