您好,欢迎访问三七文档
当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 国内几个日照分析软件的计算误差对比研究概要
国内几个日照分析软件的计算误差对比研究(中国建筑科学研究院建筑工程软件研究所,北京100013)【摘要】本文针对国内日照分析软件实际应用中计算结果存在一定的误差,使用SUNLIGHT、天正和众智日照分析软件进行了较为深入的对比分析,初步得出了造成日照分析误差的几个重要来源,如太阳方位计算误差,计算精度造成的误差和日照分析结果后处理方面造成的误差。本文除深入对比剖析原因外还给出了相应的改进建议,对解决国内目前日照分析计算误差问题,更好的促进日照分析软件的良性发展和进一步推广应用具有一定的参考价值。【关键词】计算机应用;日照分析;多点分析;平面等时线【中图分类号】TP391.72【文献标识码】A1前言20世纪80年代,日照分析开始采用计算机辅助设计,最初主要采用计算机绘制阴影图和日照等时线,随着CAD技术的普及,国内设计部门较多地应用以Autodesk公司的AutoCAD软件作为支撑平台二次开发出的建筑日照软件。但是其具有很多局限性,首先受制于国外图形平台,应用开发存在众多限制,最终用户使用要涉及平台正版问题,AutoCAD二维图形平台对于三维建模、三维观察浏览和后期效果表现方面目前也不尽人意。目前国内主要的几家日照分析软件都通过了建设部验收和国家建筑工程质量监督检验中心试验检测,但在日照分析软件实际应用中发现使用不同日照分析软件的计算结果可能存在一定范围内的误差,如果用户使用的日照分析软件和规划审批部门使的软件不同,可能在审批校核中出现计算结果存在误差而无法通过审批的问题。PKPMSUNLIGHT是基于完全自主知识产权的三维图形平台PKPM3D的日照分析软件,是国家建筑工程质量监督检验中心指定使用的检测工作应用软件,主要用于建筑日照的检测测算、评估和鉴定工作。本文使用SUNLIGHT软件4.2版和天正日照分析软件7.5版、众智日照分析软件8.1版的分析计算结果进行了较为深入的对比分析,通过大量实例的比较计算,验证了目前国内几个主要的日照分析软件其计算结果可能会存在一定误差,其结果误差范围可能为1~5分钟,本文对误差原因从日照计算太阳方位计算、分析计算精度到结果计算后期处理方法等多个方面对计算产生误差的原因进行了分析研究,并得出了初步的分析结论。希望文中提出和讨论的软件计算误差问题能够引起国内相关部门和单位的足够重视,共同解决不同软件计算误差问题对国内日照分析软件良性发展和进一步应用起到推动作用,使得日照软件能够更好的为国内广大日照分析用户服务。2太阳位置计算误差分析本文首先从基本计算原理入手,使用完全一致的日照分析模型和计算参数进行分析计算,排除上述两个因素可能造成的误差干扰。日照分析计算中的基本原理是计算太阳的位置,根据日地相对运动,从地球上观测太阳在天空中的运行轨迹。太阳位置由高度角h和方位角A两个因素决定,然后进行遮挡分析计算,后者实质是线面相交问题。目前国内日照分析软件包含本文对比用软件太阳位置计算都采用《建筑设计资料集》第二版第9章中提供的太阳位置计算公式作为计算依据进行计算。2.1建筑设计资料集推算公式真太阳时:太阳位置计算采用真太阳时。换算公式:真太阳时=北京时间+时差-(120°-当地经度)/15°(1)太阳方位角(直射阳光与水平投影和正南方位的夹角,正南为0º,午前为负值):cosA=(sinh×sinф-sinδ)/(cosh×cosф)(2)-180°≤A≤180°或0°≤A≤360°;-180°≤t≤180°或0°≤t≤360°。太阳高度角(直射阳光与水平面夹角):sinh=sinф×sinδ+cosф×cosδ×cost;-90°≤h≤90°(3)日出时间与日落时间:cost=-tgф×tgδ;(4)日出时角,正值为日落时角。时角:t=15°(n–12);(5)n为时间(24时制)。赤纬近似公式:δ=23.45°×[(N-80.25)×(1-N/9500)];(6)式中:N--从元旦到计算日的总天数;ф--纬度。日影长度计算公式:l=H×ctgh;(7)式中:H为建筑物高度,h为太阳高度角,l为日影长度。使用建筑设计资料集提供的例题和表格,首先对SUNLIGHT日照分析软件的太阳方位计算结果进行验证,验证使用棒影图工具进行验证,棒影图其可以计算出某个时刻的方位角和高度角,如下图所示,计算时间为冬至日12月22日,北纬21°0′。图1SUNLIGHT棒影图建筑设计资料集第一册(第二版)180页,例2求北京市夏至日午后2时(真太阳时)的太阳位置结果计算结果:北京夏至日午后2时(真太阳时)高度角59°50′,方位角65°55′。经验证,SUNLIGHT日照分析软件棒影图计算的方位角和高度角和手册计算结果是完全一致的。SUNLIGHT日照分析软件棒影图和建筑设计资料集第一册(第二版)195页表一的计算结果进行了对比,其计算结果是一致的。(注:某些结果存在1′误差其原因是计算机计算精度高保留小数位数多造成的。)表格中的分析计算时间是冬至日12月22日。表格1建筑设计资料集太阳方位计算结果时刻北纬1211/1310/149/158/167/1720°0′h46°33′44°9′37°37′28°16′17°9′5°0′A0°19°20′35°23′47°26′56°15′62°49′20°30′h46°3′43°41′37°13′27°55′16°53′4°46′A0°19°10′35°10′47°14′56°7′62°47′21°0′h45°33′43°13′36°48′27°35′16°36′4°32′A0°19°1′34°57′47°3′56°0′62°44′表格2SUNLIGHT日照分析软件计算结果时刻北纬1211/1310/149/158/167/1720°0′h46°33′44°9′37°37′28°16′17°9′5°0′A0°19°20′35°23′47°26′56°15′62°49′20°30′h46°3′43°41′37°13′27°55′16°53′4°46′A0°19°10′35°10′47°14′56°7′62°47′21°0′h45°33′43°13′36°48′27°35′16°36′4°32′A0°1′19°1′34°57′47°3′56°0′62°44′注:h高度角A方位角表格第一行12,11/13,10/14等数字代表计算时刻通过以上多个对比结果,不考虑计算机计算较高精度造成的精度误差,可以得出SUNLIGHT日照分析软件的太阳方位计算结果和建筑设计资料集公式计算结果是完全一致的。2.2太阳方位高精度NREL算法SUNLIGHT软件实际应用中,有用户反映软件使用建筑设计资料集公式计算出的日出日落时间和实际日出日落时间有出入,本文研究对比后发现建筑设计资料集公式计算结果和精确值存在数分钟误差,这里对建筑设计资料集公式计算结果误差也进行了初步研究。目前国内包括建筑设计资料集公式太阳方位计算误差均大于±0.01度。为了方便对比研究,下面介绍一种新的太阳方位计算高精度算法SolarPositionAlgorithm(太阳方位算法),该算法由美国国家可再生能源实验室NationalRenewableEnergyLaboratory(NREL)提出,可计算-2000到6000年之间的太阳方位角和高度角,误差不大于±0.0003度,其计算方式更符合计算机计算的特点,能够更好满足某些应用领域对太阳方位计算精度要求很高的场合。实际校核后本文发现其计算结果如日出日落时间和国内权威天文台提供的日出日落时间最大误差不大于1分钟,其太阳方位计算结果和第三方如美国海军实验室等权威机构计算结果能够完全吻合。下文准备使用NREL的计算结果作为第三方参照,首先直观的通过对比日出日落时间简单验证NREL算法的准确性。本文对NREL算法计算的日出日落时间结果和表格中的北京升降旗时间,即北京日出日落时间准确时间进行了对比,计算纬度使用建筑设计资料集提供的北京地区纬度39°57′,计算结果对比误差不大于一分钟,验证了NREL算法的计算准确性。图2北京天安门升降旗时间来源:天安门地区管理委员会升降旗时间网址:目前NREL算法在美国得到了很广泛的应用,大多数太阳方位应用计算均使用该算法,其算法的权威性和准确性已得到了广泛的验证。本文对比评估一下建筑设计资料集的计算误差。NREL算法说明提供的日出日落时间计算误差为30″,所以表格中时间精度仅提供到分钟数。通过大量对比验证,建筑设计资料集的时间误差也控制保持在在一个稳定的时间范围内。表格3建筑设计资料集公式和NREL计算日出日落时间对比日期:12.22北纬日出日落时间建筑设计资料集NREL最大误差20°0′6:38:20~17:23:296:31~17:267分钟20°30′6:37:20~17:22:296:32~17:255分钟21°0′6:38:20~17:21:396:33~17:245分钟AutodeskECOTECTAnalysis2010是国外一款功能较为丰富的建筑性能分析和优化软件,其具有阴影遮蔽等分析功能,下图为ECOTECT的太阳数据计算结果截图。相同纬度和日期其日出日落计算结果和NREL计算结果的误差也较大。计算条件:北纬39.9°日期1-15其日出日落时间为:07:40~17:07,NREL的计算结果为:7:20~16:59图3ECOTECT计算太阳数据下文对SUNLIGHT、众智、建筑设计资料集和NREL的太阳位置计算结果,即高度角和方位角进行了对比,众智软件界面提供了太阳方位角和高度角计算结果显示功能,从表中看到,虽然同样使用建筑设计资料集公式进行计算,众智和SUNLIGHT的计算结果仍存在一定误差,而前文已说明SUNLIGHT计算结果与建筑设计资料集的计算结果是一致的。表格4太阳高度角计算结果对比高度角(单位度)h对比方时刻(真太阳时)众智SUNLIGHT资料集NREL09:0020°19′20°26′20°26′20°39′10:0028°01′28°09′28°09′28°20′11:0033°09′33°17′33°17′33°26′12:0034°58′35°06′35°06′35°13′13:0033°09′33°17′33°17′33°21′14:0028°01′28°09′28°09′28°11′15:0020°19′20°26′20°26′20°27′计算条件北纬34°42′东经111°20′日期大寒日1-20表格5太阳方位角计算结果对比方位角(单位度)A对比方时刻(真太阳时)众智SUNLIGHT资料集NREL09:0045°0′45°05′45°05′44°58′10:0032°05′32°09′32°08′31°59′11:0016°51′16°54′16°54′16°42′12:000000°14′13:0016°51′16°54′16°54′17°8′14:0032°05′32°09′32°08′32°24′15:0045°0′45°05′45°05′45°19′计算条件北纬34°42′东经111°20′日期大寒日1-20建筑设计资料集太阳位置计算公式较为简单,适用于手工计算,但其计算结果和使用天文算法的NREL算法的结果还是存在一定的误差,在进行一些如太阳能利用方面对太阳位置计算结果精度要求较高的时候推荐使用这种较高精度的算法。2.3棒影图对比因为天正日照分析软件界面不直接提供太阳位置计算结果和日出日落计算,所以使用棒影图工具对三个软件的分析结果进行了对比。日影棒图是用不同高度的虚拟直竿产生阴影,分别按指定测算时刻模拟日照,获得一系列的放射线,表示落影的长度和方向,称为“日影棒图”。通过观察对比某个时刻的阴影线可以直观的比较太阳位置计算结果是否相同。计算参数为大寒日1月20日,北纬34°42′,杆高为10米,分析时间间隔为60分钟,日照分析起止时刻为9:00~15:00。图4棒影图叠加对比图4是三个软件的棒影图叠加比较结果,整体看基本一
本文标题:国内几个日照分析软件的计算误差对比研究概要
链接地址:https://www.777doc.com/doc-4807798 .html