侯立强-建筑能耗模拟用太阳辐射模型研究

12014·建筑热工与节能建筑能耗模拟用太阳辐射模型研究侯立强，李红莲，杨柳,刘加平（西安建筑科技大学，西安710055）摘要：室外气象参数是建筑能耗模拟分析不可或缺的基本计算条件，其中太阳辐射参数占有重要比重。本文梳理了太阳辐射模型、逐时辐射模型以及辐射直散分离模型的研究状况，比较分析了不同辐射模型的特点及适用条件；对在建筑能耗模拟中选取适当的辐射模型具有基础科学意义。关键词：能耗模拟；气象参数；太阳辐射模型；逐时辐射模型；辐射直散分离模型1引言建筑节能应采用综合评价指标，在建筑设计初期，采用动态模拟分析空调采暖能耗是普遍技术手段,拥有代表建筑物所在地区的标准气象年数据是分析的先决条件，需要影响室内热状况的太阳辐射及室外温湿度等的逐时数据。目前我国气象数据客观现状是日值和定时观测资料较丰富,逐时气象资料(每天24次观测)稀少。太阳辐射参数是挑选标准气象年的重要指标，但与其他参数相比,其观测台站较少且只有日总辐射记录。因此,推测无辐射观测气象站的太阳总辐射值，并进行辐射模型的直散分离以及生成逐时太阳辐射数据是建筑能耗模拟分析的必要基础科学研究。2太阳辐射模型太阳辐射模型的研究主要分为理论方法、经验统计方法、卫星遥感估算和神经网络方法等[1]。2.1理论方法理论模型大多详细地考虑了大气中的主要成分对太阳短波福射的影响,根据直接辐射与散射辐射产生的不同机理，分别建立其辐射模型。理论模型主要有：BirdModel、IqbalModelC、METSTATmodel、RESTmodel、YangModel、ASHRAEModel和PageModel等。理论模型具有坚实的物理基础，但模型结构非常复杂，且输入参数中含有臭氧厚度、气溶胶含量、大气可降水量等很难获得的变量，限制了理论模式的推广应用。2.2经验统计方法经验统计模型主要有日照百分率模型、云量模型、气温日较差模型等。2.2.1日照百分率模型1922年Angtrom最先提出估算太阳辐射的日照百分率模型：基金资助：“十二五”国家科技支撑计划课题：可再生能源建筑应用与建筑节能设计基础数据库研发（编号：2014BAJ01B01）作者简介：侯立强（1990-），男，河南郑州，在读硕士email:[e-mail]22014·建筑热工与节能式中为实际太阳辐射,为可能太阳辐射,为日照百分率,、为经验系数,分别为0.2、0.5。该式物理意义比较明确,晴空指数与日照百分率成线性正相关关系。日照百分率模型拟合误差较小，精度较高，且其模型系数稳定可靠。太阳辐射日照百分率模型如表1所示。表1太阳辐射日照百分率估算模型ModelsEquation线性模型（Angstrommodel）二次方模型（Ogelmanmodel）三次方模型（Samuel,Bahelmodel）对数模型（AmpratwumandDorvlomodel）指数模型（AlmoroxandHontariamodel）变指数模型（KadirBakirci）线性-对数模型（Newland）线性-指数模型(KadirBakirci)2.2.2云量模型1928年Kimball从云对到达地面太阳辐射的遮蔽作用来考虑,得出云量模型:式中n为平均总云量。Kasten和Czeplak,Muneer和Gul,Lam和Li等人研究了基于云量估算地面总辐射模型，但云量资料是人工观测资料,比较主观，模型精度不高。2.2.3气温日较差模型Bristow和Campbell提出一个基于气温日较差的地面辐射估算模型：该模型认为逐日总辐射Q是天文福射Qo与气温日较差T的函数。随后大量学者对气温模型进行了改进,提出了更多的气温模型,Thornton和Running在Bristow和Campbll研究的基础上进行改进,提出了拟合精度更高的辐射估算模型。但总体气温日较差模型精度不高。2.3卫星遥感利用卫星数据估算太阳辐射主要有统计反演法和物理反演法两种方法。统计法利用大量的观测数据与卫星测量值,建立经验关系式,这对于缺少观测资料的地区似乎不可行；物理反演法利用辅射传输理论,结合卫星资料计算得到地表和空间的辐射,通常根据天空条件的不同,分为晴天、全阴天和部分云天的情况来分别考虑,一般用阈值法来判别云,而阈值的设置带有主观人为性质；气溶胶变化是影响太阳辐射的重要因子,其在遥感反演地面到达太阳福射中完全得到合理解决。2.4神经网络方法神经网络方法具有学习推广能力、非线性建模等特点，利用此可预测太阳辐射。但神经网络方法模型的建立过分依赖经验，预测的准确性很大取决于网络输入项，容易导致结果的不确定性，往32014·建筑热工与节能往在天气类型稳定的情况下具有较高的精度，能够反映太阳辐射的日变化状况和辐射量级大小，但在天气类型剧烈变化的情况下预测精度有限[2]。同时推理过程复杂，不具有便捷操作性。3无辐射记录气象站的辐射计算英国学者Liu&Jordan通过对许多气象站的多年气象数据的研究与分析发现:月平均晴空指数相近的气象站具有相似的“晴空指数一日照百分比”统计分布。可以根据已知气象站的“晴空指数一日照百分比”的统计分布推知另一与其有相等或相近的月平均晴空指数的“晴空指数一日照百分比”的统计分布,然后根据Angsortm-Persoctt模型由日照百分比计算出这个气象站的晴空指数,进一步计算出日总辐射[3]。4逐时辐射模型4.1国外研究现状1956年，Whiller通过分析不同地区逐时太阳辐射数据，得到了逐时太阳辐射和逐日太阳辐射之比与日落时角的关系；1977年，Orgill&Hollands得出了日散射透射系数与日晴空指数的逐时关系；Bruras在此基础上得到了逐时散射辐射和逐时总辐射之比；1979年，Collares-PereiraandRabl对美国五个站点的数据进行分析，提出了逐时太阳辐射和逐日太阳辐射之比与日落时角的关系；2000年，OlegAntonicetal根据实际太阳高度，日最高太阳高度和纬度来估算逐时太阳直接辐射，模型的决定系数达到了0.98；2002年，Sukens提出了采用最小二乘支持向量机（LS-SVM）来解决模式识别和函数估计问题，简化了计算的复杂性；2007年，S.KaplanisandE.Kaplani对C-P&R模型进行了改良，并估算了逐时太阳总辐射，得到的精确度较好。4.2国内研究现状张素宁、田胜元（1997）提出AMRA模型，该模型采用半正弦模型和C-P&R模型中效果较好的计算太阳总辐射逐时序列{Zt}的确定性部分,将计算残差作为随机性部分进行建模,该模型能够将太阳辐射随天气变化的随机性较好的模拟出来，并与C-P&R模型进行比较，发现预测结果精度更高。苏华（2002）利用傅里叶方法建立逐时总辐射模型，但该模型需要输入75个参数，不具有实际操作性。张晴原（2004）著的《中国建筑用标准气象数据库》中，利用2个数据库，建立了由云量、干球温度、相对湿度的瞬时太阳辐射模型并进行了验证，得到了较高的准确率。清华大学和中国气象局（2004）联合编著的《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中，利用国家气象局提供的逐日辐射数据，首先采用C-P&R模型计算太阳辐射的逐时值，然后根据一天中的天气状况，对计算的结果进行修正。黄洽钟（2005）等对影响太阳辐射的三个因子(云量、太阳高度角和空气绝对含湿量)对水平面逐时太阳总辐射量与大气层外水平面逐时太阳总辐射量的关系的影响进行分析,得出其仅与云量有关。此方法需要逐时云量,但气象站一般记录4次定时云量,应用受到一定限制。王金奎（2006）在论文中根据日晴空指数等于逐时晴空指数，建立了日总辐射转化为逐时辐射的模型，并用对比分析和拟合曲线对比分析的方法进行验证，发现效果较好[4]。42014·建筑热工与节能苏高利等（2007）采用最小二乘支持向量机方法（LS-SVM），建立了晴空逐时太阳辐射模型。结果表明，LS-SVM方法能够很好的模拟气象要素对太阳辐射的非线性影响。5辐射直散分离模型宋爱国（1997）介绍了日本各直散分离模型（松尾公式、永田公式、宇田川公式、渡边公式、赤板公式、三木公式）并进行了比较，结果表明，由宇田川提出的直散分离模型误差较小,较具有代表性[5]。张晴原（2004）著的《中国建筑用标准气象数据库》中建立了Gompertz型分离模型，并与其他模型（Erbs模型、宇田川模型、渡边模型）进行比较，结果表明Gompertz型分离模型的推定误差较小，且其仅用一个函数就能进行直散分离，减小了繁杂性以及不同函数之间的不自然连接。水平面日太阳散射辐射模型大体可分为5类[6]：第一类模型(线性模型)：此类模型通常由一阶线性回归分析得到，其中较为典型有Orgill&Hollands模型Spencer模型、Reindl模型、Lam&Li模型，其一般形式为：或=a,0，，1式中，a、b、c、d、e、为常数；为日太阳辐射散射比；/G,其中，为水平面日散射辐射照度，MJ/㎡;:日晴空指数，=G/，其中，G：水平面日总辐射照度，MJ/㎡；：大气层外水平面日总辐射照度，MJ/㎡。其中Lam&Li模型计算出的散射辐射较为准确。第二类模型(多项式模型)：此类模型较多，其中较为典型的有Soares模型、苏华和田胜元模型，其一般形式为：+c,0其中苏华和田胜元模型计算出的散射辐射较为准确。第三类模型(两段式多项式模型)两段式多项式模型一般将数据分为两部分，一部分采用线性拟合，另一部分采用多项式拟合，较典型的模型有Liu&Jordan模型、Collares-Pereira&Rabl模型、Vignola&McDaniels模型、王炳忠和张纬敏模型；其一般形式为：+c，0，1其中Liu&Jordan模型计算出的散射辐射较为准确。第四类模型(三段式多项式模型)三段式多项式模型与两段式多项式模型相似，只是增加了一段线性拟合，较典型的模型有Erbs模型、Newland模型、Chandrasekaran&Kumar模型、CLIMED1模型、Oliveira模型、Karatasou模型；其一般形式为：+c,,152014·建筑热工与节能其中CLIMED1模型计算出的散射辐射较为准确。第五类模型(其他模型)除了线性模型和多项式模型外，一些学者还提出其他形式的模型，比较典型的有Logistic模型、Boland模型1、Boland模型2，该类模型无一般形式。其中Boland模型2计算出的散射辐射较为准确。6结语太阳辐射是建筑能耗模拟的重要气象参数，太阳辐射模型选取的恰当与否对于建筑能耗模拟的准确性具有重要影响。本文介绍了建筑能耗模拟用太阳辐射模型、逐时辐射模型及辐射直散分离模型的发展过程，分析了各辐射模型的特点。分析结果表明：1）太阳辐射模型类型较多，而建筑能耗模拟用的太阳辐射的精度要求较高，当计算太阳辐射值时，应结合当地的地理环境和气象数据条件恰当的选取能获取精度较高的太阳辐射模型。2）目前太阳辐射模型的研究距离建筑能耗模要求的全面性还有一定距离，研究建立覆盖面广且达到精度要求的太阳辐射模型仍是建筑能耗模拟研究的基础科学问题。致谢：感谢陕西省重点科技创新团队“西安建筑科技大学低能耗建筑设计创新团队”给予的研究支持。参考文献：[1]邓艳君.日太阳辐射分布式模型研究[D].南京信息工程大学硕士学位论文,2012.[2]成驰，陈正洪，张礼平.神经网络模型在逐时太阳辐射预测中应用[J].太阳能，2012,3:30-33.[3]张晴原，杨洪兴.《建筑用标准气象数据手册》[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.45-53.[4]王金奎.日总辐射及逐时辐射模型的适用性分析[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2006.[5]宋爱国.日本太阳辐射模型的研究概况与评析[J].首都师范大学学报(自然科学版),1997,18：68-72.[6]李峥嵘，姚万祥,赵群，等.水平面日太阳散射辐射模型对比研究[J].太阳能学报,2013,34(5):794-799.