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太陽輻射的計算管理論文
摘要：
逐時氣象參數(shù)是建筑物全年能耗計算機模擬的必要輸入?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)計的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)計算方法，在計算出大氣層外水平面逐時太陽輻射數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用典型氣象年逐時氣象參數(shù)中的太陽輻射數(shù)據(jù)，擬合出水平面逐時太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時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)合實際氣象年的相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，從而可以計算得到實際氣象年的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)。
關(guān)鍵詞：氣象參數(shù)太陽輻射統(tǒng)計。
前言：
當(dāng)前，采用計算機模擬的方法對建筑物的全年能耗進行分析越來越普遍，這種方法既可以在設(shè)計階段，對新建建筑的能耗進行預(yù)測，從而指導(dǎo)建筑物能源系統(tǒng)的設(shè)計，使之符合國家相關(guān)的節(jié)能標準。同時，也可以用于已建建筑，對建筑物的能耗進行評價和預(yù)測，并為對其進行節(jié)能改造的可能性及其效果進行預(yù)估。目前，常用于建筑物全年能耗模擬的計算機軟件有DOE—2（包括VisualDOE）、EnergyPlus、eQUEST和DeST等。由于空調(diào)系統(tǒng)在整個建筑物的全年能耗中占有相當(dāng)大的比例，因此，在對建筑物的全年能耗進行計算機模擬的時候，不可避免地要計算空調(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、濕度和太陽輻射強度緊密相關(guān)。
通常，在設(shè)計階段進行建筑物能耗預(yù)測時，一般采用典型氣象年數(shù)據(jù)；而在對已建建筑進行全年能耗分析的時候，由于已經(jīng)可以取得建筑物運行的實際能耗數(shù)據(jù)，通常需要根據(jù)實際能耗數(shù)據(jù)和實際氣象年逐時數(shù)據(jù)對計算機模型進行校準（calibration），以保證模型具有足夠的精度，然后再采用標準氣象年數(shù)據(jù)進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果進行評價和比較。這種建模→模型校準→計算及結(jié)果評價的方法也是IPMVP20xx（International Performance and Measurement Verification Protocol）中所推薦的方法。
一、基本計算方法。
根據(jù)DOE—2程序的要求，計算空調(diào)負荷用的逐時氣象參數(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。除了與太陽輻射有關(guān)的兩項參數(shù)外，都可以由當(dāng)?shù)貧庀笈_站公布的逐時氣象參數(shù)直接取得，或者通過一定的計算和量化取得。
與此不同的是，有關(guān)太陽輻射的兩項參數(shù)的取得則比較困難。由于我國的氣象臺站均不公布逐時太陽輻射數(shù)據(jù)，因此有些學(xué)者采用半正弦模型進行插值，有些采用混合回歸的方法，在一些要求不高的場合，則干脆直接采用典型氣象年的數(shù)據(jù)。
筆者認為，由于大氣層外水平面逐時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)公式精確計算得到，所以我們需要求取的，只是水平面逐時太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時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太陽總輻射量，得到水平面逐時太陽輻射總量；然后再從水平面逐時太陽輻射總量，得到法線方向逐時太陽直射輻射量。而這些關(guān)系和及其影響因子，筆者認為，都可以從當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀竽曛饡r數(shù)據(jù)中采用統(tǒng)計的方法取得。為了敘述方便，以下均以求取上海地區(qū)20xx年逐時太陽輻射數(shù)據(jù)為例。
二、數(shù)據(jù)分析、計算、擬合及應(yīng)用。
首先考慮水平面逐時太陽總輻射量與大氣層外水平面逐時太陽總輻射量（以下簡稱為總輻射/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：云量、太陽入射角和空氣絕對含濕量。其中，云的多少直接對太陽輻射起了遮擋作用，因此云量多少對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太陽輻射起散射和吸收作用，水蒸氣濃度越高（即絕對含濕量越高），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，還應(yīng)當(dāng)考慮大氣污染對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“中國建筑用標準氣象數(shù)據(jù)庫”中上海典型氣象年的逐時氣象參數(shù)，以云量、太陽入射角和空氣絕對含濕量作為影響因子，采用SPSS程序分析它們對總輻射/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含濕量對總輻射/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)。
對于這個結(jié)果，筆者是這樣認為的：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太陽總輻射量的變動中了；而空氣絕對含濕量的影響幾乎為零，可能有兩個原因，一是在上海地區(qū)，空氣中水蒸氣對太陽輻射的吸收和散射并不是很嚴重，二是空氣絕對含濕量與云量之間多少有些關(guān)系，這個因子的部分影響已經(jīng)包含在云量這個因子中了。
這樣，在忽略大氣污染對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，就簡化為求取在各個云量水平下，與不同云量相對應(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間為4385小時，對應(yīng)與每個云量的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)基本上都有上百個之多，個別的甚至超過了一千個，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，所以同一云量所對應(yīng)的水平面太陽輻射總量會有很大的差異，在云量較少的情況下尤為明顯。
同時，如果筆者這個想法是正確的，那么，由于太陽與云的相對位置的隨機性，在各個云量水平下，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，筆者對每個云量水平所對應(yīng)的總輻射/天文輻射數(shù)據(jù)進行了正態(tài)分布檢驗，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影響因子，所以問題就同樣簡化為求取在各個云量水平下，若干個與不同云量對應(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間僅3845小時，但是，各云量水平所對應(yīng)的直接輻射/總輻射數(shù)據(jù)基本上也都有成百上千個，根據(jù)與前述相同的原因，同樣需要進行正態(tài)分布檢驗。檢驗結(jié)果表明，在各個云量水平下，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，因此筆者認為，如果直接采用它們的算術(shù)平均值或中位值可能會帶來較大的誤差。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)典型氣象年逐時數(shù)據(jù)，在各個云量水平下，采用Hampel''sredescendingM—estimator最大似然均值估計算法得到的總輻射/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地面；
（2）當(dāng)云量為2、3和4時，到達地面的太陽輻射能量最多；
（3）當(dāng)云量為3和4時，在到達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、上述兩個與不同云量水平相對應(yīng)的比例系數(shù)，可以采用Hampel''sredescendingM—estimator最大似然均值估計算法計算得到，這種算法能得到比算術(shù)平均更加接近真值的平均值。這兩個比例系數(shù)的最大似然均值與云量的對應(yīng)關(guān)系，可以很好地分別用一個二次三項式來擬合。
4、結(jié)合采用天文學(xué)公式計算得到的當(dāng)?shù)卮髿鈱油馑矫嬷饡r太陽輻射總量數(shù)據(jù)，以及從當(dāng)?shù)貙嶋H氣象年的逐時天氣狀況中得到的云量數(shù)據(jù)，應(yīng)用上述兩個比例系數(shù)，就可以得到實際氣象年的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)。
5、由于本計算方法的基礎(chǔ)是當(dāng)?shù)氐牡湫蜌庀竽曛饡r太陽輻射數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貙嶋H氣象年的逐時云量數(shù)據(jù)，因此本方法可以適用于任何地點和任何年份的逐時太陽輻射數(shù)據(jù)計算。
參考文獻：
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