本文摘要：太陽總輻射關系到建筑節(jié)能設計，本篇國家級職稱論文通過解釋水平面太陽總輻射計算模型 ，分析輻射模型的適用性 �！� 建筑節(jié)能 》2007年期刊榮獲中國首屆《CAJ-CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊獎，并相繼被美國《化學文摘》(CA)、《劍橋科學文摘》、英國《科學文摘》(網(wǎng)
太陽總輻射關系到建筑節(jié)能設計，本篇國家級職稱論文通過解釋水平面太陽總輻射計算模型 ，分析輻射模型的適用性 �！�建筑節(jié)能》2007年期刊榮獲中國"首屆《CAJ-CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊獎"，并相繼被美國《化學文摘》(CA)、《劍橋科學文摘》、英國《科學文摘》(網(wǎng)絡版，INSPEC)、中國核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫等收錄，為RCCSE中國核心學術期刊(擴展版)。通過宣傳和推介建筑節(jié)能政策與標準，大力推廣建筑節(jié)能技術與產(chǎn)品，以期加大建筑節(jié)能成熟技術和產(chǎn)品的推廣和應用力度，推動建筑節(jié)能技術的自主創(chuàng)新與發(fā)展，提升我國建筑節(jié)能技術水平，為建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會服務。
摘 要：太陽輻射是建筑節(jié)能分析的重要基礎氣象參數(shù)，實測數(shù)據(jù)遠遠不能滿足需求，理論計算是目前獲取輻射數(shù)據(jù)的主要途徑。將常用水平面太陽總輻射模型歸納為氣象參數(shù)、空間插值和基于DEM三類，詳述了各自的原理和計算方法。對三類模型在建筑節(jié)能分析中的適用性進行了分析，展望了建筑節(jié)能分析用太陽輻射模型的發(fā)展趨勢：氣象參數(shù)模型與DEM模型的融合。
關鍵詞：水平面太陽總輻射;氣象參數(shù)模型;空間插值模型;DEM輻射模型
太陽輻射數(shù)據(jù)是建筑節(jié)能設計、暖通空調設計、建筑采光設計、城市規(guī)劃和景觀設計等領域的重要氣象參數(shù)。實測數(shù)據(jù)是獲取太陽輻射最準確的途徑，但中國對太陽輻射數(shù)據(jù)的測量臺站少，測量歷史短，測量項目少。中國幅員遼闊，地形復雜，下墊面條件多樣，使得各地輻射條件相差懸殊，導致各地的太陽輻射強度相差很大。現(xiàn)有的測量太陽輻射數(shù)據(jù)遠遠不能滿足工程和科研需要。
太陽輻射模型是根據(jù)相關原理構建數(shù)學模型來獲取太陽輻射數(shù)據(jù)的理論計算方法。該方法不受測量條件和時空限制是彌補太陽輻射數(shù)據(jù)不足的有效途徑[1]。太陽輻射模型包括水平面總輻射模型、直散分離模型、逐時輻射模型等，主要對水平面日總輻射模型進行歸納整理。
1 水平面太陽總輻射計算模型
水平面太陽總輻射模型種類眾多，根據(jù)與太陽輻射的關聯(lián)方式和計算原理的不同，將其歸納為氣象參數(shù)模型、空間插值模型和基于DEM的輻射模型三類，下面對其分別進行論述。
1.1 氣象參數(shù)模型
1.1.1 計算原理 組成氣候系統(tǒng)的各氣象要素之間相互關聯(lián)，太陽輻射是氣候的主動因素，它對其他氣象參數(shù)產(chǎn)生影響，而這些參數(shù)反過來也反映了太陽輻射的特征。因此，選擇與太陽輻射關聯(lián)密切且便于測試的氣象要素，構建其與太陽輻射之間的函數(shù)關系，就可計算出太陽輻射值，這是氣象參數(shù)輻射模型的計算原理。用于構建太陽輻射模型的主要氣象參數(shù)有日照時數(shù)、溫差、云量。此外，使用相對濕度、降雨量、露點溫度等要素也能夠建立水平面太陽總輻射模型，但這類氣象要素與太陽輻射的關系較弱，不能單獨完成輻射的計算，必須與前3個要素中的一個或多個共同構建總輻射模型。云量與輻射具有重要相關性，但云量的單獨輻射模型很少，且應用也少，多數(shù)情況是和其他氣象參數(shù)共同構成總輻射模型，因此，文中沒有列出云量的單獨輻射模型，詳細內容可參考文獻[2-3]。
劉大龍，等：建筑節(jié)能分析太陽總輻射模型研究綜述
1.1.2 日照時數(shù)模型 日照時數(shù)模型是氣象參數(shù)模型，是所有水平面太陽總輻射模型中使用最廣泛、計算結果最準確且計算參數(shù)最容易獲得的一類模型。在該類模型中，很多情況以日照百分率(S/S0)為參數(shù)進行計算，日照百分率是實際日照時數(shù)與日最大日照時數(shù)的比值。最早提出日照時數(shù)模型的是ngstrm [4]，該模型如式(1)所示，直觀簡潔地給出了月均日總輻射量與晴天日總輻射量的比值同日照百分比之間的線性關系。孫治安等[5]指出ngstrm 模型在晴天條件下太陽總輻射計算值的誤差最小。
GGc=a+bSS0(1)
式中：G為月均日總輻射量;Gc為月均日晴天總輻射量;S為測量的月均日日照時數(shù);S0為月均日最大可能日照時數(shù);a、b為回歸系數(shù)。
系數(shù)a和b是使用ngstrm 模型的關鍵問題。可在已知輻射和日照時數(shù)的情況下通過回歸獲得系數(shù)a和b，然后將其用于氣候相近地區(qū)計算當?shù)氐奈粗椛渲怠２煌赜虻南禂?shù)a、b不同。高國棟等[6]以該模型計算了我國不同地區(qū)的a、b值，指出兩系數(shù)的分布與地理條件和氣候狀況有密切。兩個系數(shù)反映了輻射與日照率關系模型具有較強的地域性。系數(shù)a、b不僅具有地域特性，而且還具有季節(jié)特性，Soler[7]根據(jù)歐洲100個氣象站的輻射數(shù)據(jù)，通過回歸給出了每個月不同的系數(shù)a、b，見表 1。鞠曉慧等[8]根據(jù)我國建站30年以上的輻射資料研究也表明，需按不同月份確定系數(shù)a、b。
該模型在使用中月均日晴天總輻射量較難獲得。Prescott等[11]對該模型進行了修正，如式(4)所示，將日晴天總輻射量用天文輻射替換。天文輻射根據(jù)緯度、赤緯角等信息便于計算。王炳忠等[1]提出采用理想大氣日總輻射量代替天文輻射量，原因是理想大氣輻射量的計算中考慮了海拔和緯度的因素，而海拔因素是影響輻射的重要因素。
有學者根據(jù)當?shù)貧夂蛱卣鳎瑢⑷照諘r數(shù)模型發(fā)展為非線性關系。Newland[12]在模型中引入了對數(shù)關系，如式(5)所示。Bakirci[13]提出了指數(shù)關系的日照時數(shù)模型，如式6所示。
Bahel等[15]在Ogelman模型基礎上將日照時數(shù)模型發(fā)展成為了三次非線性模型。日照時數(shù)模型變得越來越復雜，隨著模型復雜性的提高，其地域的適用性比計算準確性的改善更為顯著，即高次非線性的日照時數(shù)模型能夠在更廣泛的地區(qū)適用[3]。
1.1.3 溫差模型 日照時數(shù)模型雖然準確度較高，但是日照時數(shù)并不是常用的氣象參數(shù)，其數(shù)據(jù)獲取有一定的局限性，這一點限制了該模型的廣泛應用。氣溫是最常見、也最方便測量的氣象參數(shù)，但是研究表明，最容易獲取的平均氣溫與水平面日總輻射之間并無有效的函數(shù)關系[16]，而日最高與最低氣溫之差與總輻射之間具有函數(shù)關系。
Hargreaves等人[17]提出了一個溫差的非線性模型，如式8所示。式中系數(shù)a體現(xiàn)了地域性差異，內陸地區(qū)a取值0.16，沿海地區(qū)取值0.19。Allen[18]發(fā)展了Hargreaves模型，在模型中考慮了大氣壓的影響，如式9所示。
1.1.4 多參數(shù)模型 除了日照時數(shù)、溫差等單氣象參數(shù)以外，還有多參數(shù)構成的日總輻射模型，這類模型是以日照時數(shù)或者溫差為主要參數(shù)，綜合了云量、大氣壓、相對濕度等參數(shù)對太陽輻射的影響。
1.2 空間插值模型
1.2.1 計算原理 空間插值輻射模型是無輻射測量地域獲取輻射數(shù)據(jù)的另一類重要方法。在一定區(qū)域內當氣候具有較好的相似性，而獲得氣象參數(shù)較為困難時，空間插值模型是計算太陽輻射數(shù)據(jù)的較好途徑�？臻g插值模型對于觀測臺站十分稀少而臺站分布又非常不合理的地區(qū)具有十分重要的實際意義[30]。
空間位置上越靠近的點，越可能具有相似的特征值;而距離越遠的點，其特征值相似的可能性越小[31]，這是“地理學第一定律的假設”，是最早的幾何空間插值技術基本原理， 距離權重法(Distance Weighting)屬于幾何空間插值法�？臻g統(tǒng)計學被引入了空間插值方法，用統(tǒng)計的概念去研究空間中的相近性問題，提出空間相似的程度是通過點對的平均方差度量的[32]�？肆⒏穹�(Kriging)屬于空間統(tǒng)計法的空間插值。樣條插值法(Spline methods)屬于函數(shù)類空間插值方法，通過構造平滑的函數(shù)曲線來進行插值，不需要對空間結構進行預估計，也不需要做統(tǒng)計假設[30]�？臻g插值法多種多樣，但將任何一種插值技術應用于太陽輻射的計算，必須充分考慮其輻射資源的相似性，插值技術理論假設和應用條件等因素。
1.2.2 距離權重法 距離權重法較為簡便，只以兩地距離為依據(jù)進行插值，如式(20)所示[33]。該方法的實質是以插值點與采樣點間距離為權重的一種加權平均法，其權重賦予離插值點越近的采樣點賦予估值權重越大。這對于與緯度、海拔等多種因素相關的太陽輻射不太合適。
1.2.3 普通克立格法
普通克立格法來源于地統(tǒng)計學中[34]，以區(qū)域化變量理論為基礎，半變異函數(shù)為分析工具，能提供最佳線性無偏估計而逐漸被廣泛運用于需要空間插值的諸多領域，但是計算復雜且計算量大。其插值公式如式22所示。
1.2.4 樣條插值法
樣條插值是根據(jù)已知點值來擬合出平滑的樣條函數(shù)，然后使用樣條函數(shù)值作為插值結果。樣條函數(shù)易操作，計算量不大，多用于氣象要素的時間序列插值。它適合于已知點密度較大的情況，缺點是難以對誤差進行估計，點稀時效果不好。樣條插值是函數(shù)逼近的方法，3次樣條函數(shù)和薄盤光滑樣條函數(shù)是兩類常用的樣條函數(shù)。
3次樣條函數(shù)的定義是[35]：已知平面上n個點(xi，yi)(i=1，2，…，n)，其中x1
薄盤光滑樣條函數(shù)是對樣條函數(shù)法的曲面擴展， 常用于不規(guī)則分布數(shù)據(jù)的多變量平滑插值。利用光滑參數(shù)來達到數(shù)據(jù)逼真度和擬合曲面光滑度之間的優(yōu)化平衡， 保證了插值曲面光滑連續(xù)， 且精度可靠。它除通常的樣條自變量外， 允許引入線性協(xié)變量子模型。薄盤光滑樣條函數(shù)如式(25)所示[37]。
1.3 基于數(shù)字高程的輻射計算模型
1.3.1 計算原理
地形對太陽輻射具有重要影響，坡度、坡向以及周圍地形的遮蔽都會顯著影響水平地面接收到的總輻射，前面介紹的氣候模型和空間插值模型都不能解決復雜地形下的輻射計算問題。隨著地理信息系統(tǒng)技術的發(fā)展，數(shù)字高程技術被用于復雜地形條件下的輻射計算。
數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)是對地球表面地形屬性為高程時的一種離散的數(shù)字表達。通過DEM可以直接獲得地形的坡度、坡向等地形信息，用于計算地形遮擋狀態(tài)下的地面接收到的水平總輻射數(shù)據(jù)。數(shù)字高程的優(yōu)勢表現(xiàn)在坡度、坡向、地形遮蔽度的計算以及模擬結果可視化表達方面。采用DEM技術輻射模型主要是考慮地形對輻射的遮蔽作用，用地形遮蔽因子來體現(xiàn)，不同的DEM輻射計算模型主要是地形遮蔽因子的計算方法不同，遮蔽因子可作用于散射或者反射分量的計算。圖1是采用數(shù)字高程模型進行總輻射計算的流程圖。
1.3.2 DEM輻射模型
Dozier[38]最早提出了利用數(shù)字高程模型模擬太陽輻射的方法。中國基于DEM的輻射模型起源于對山地地形輻射計算模型的研究。傅抱璞 [39]對于任意地形條件下太陽輻射進行了開創(chuàng)性研究。翁篤鳴、李占清[40-41]等發(fā)展了這一方法，之后李新[42]、楊昕[43]等開展了基于 DEM技術的復雜地形輻射計算模型研究。
李新等[42]提出了依據(jù)DEM技術計算我國任意地形條件下太陽輻射模型，模型中利用計算機圖形學的光線追蹤算法生成形狀因子計算地形對坡面的反射輻射。其模型如式(26)所示。
2 輻射模型的適用性分析
2.1 其他模型分析
除過文中介紹的氣象參數(shù)模型、空間插值模型和基于DEM的輻射模型之外，還有概率統(tǒng)計模型和衛(wèi)星遙感模型。概率統(tǒng)計模型以人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法 [44]和時間序列方法[45]為主要代表，其模型的計算需要大量實測輻射數(shù)據(jù)作為輸入，以統(tǒng)計學原理從海量數(shù)據(jù)中構造出經(jīng)驗模型。衛(wèi)星遙感模型是根據(jù)統(tǒng)計反演法或者物理反演法采用衛(wèi)星的可見光和紅外光波段測量數(shù)據(jù)建立的[46]，主要用于研究太陽輻射的垂直空間分布和大氣對輻射吸收等問題。上述兩類輻射模型尚處于發(fā)展階段，技術趨待完善，且因計算復雜計算結果存在較大的不確定性，因此，很少應用于建筑節(jié)能分析。
2.2 輻射模型節(jié)能計算的適用性分析
太陽輻射數(shù)據(jù)在建筑節(jié)能領域應用廣泛，而且具有重要作用，面對眾多輻射計算模型，對模型的選擇是個重要問題。從計算簡便性和準確性來看，氣象參數(shù)輻射模型最簡單，而且其計算準確度也高，劉大龍等[47]比較了日照時數(shù)和梯度距離平方反比法模型，研究表明日照時數(shù)模型在我國地域內更為準確。該模型由左大康最早應用于中國[48]，并得到廣泛應用，已成為中國氣象行業(yè)的標準輻射計算方法[49]。鄧艷君等[50]采用中國實測輻射數(shù)據(jù)對三種氣象參數(shù)輻射模型進行了對比，日照百分率和溫差模型精度高，但經(jīng)典日照模型更為穩(wěn)定，而溫差模型誤差較大。如果測量的氣象參數(shù)具有較長的時間序列，則可得到長時間序列的輻射值，這是氣象參數(shù)模型的另一優(yōu)點。
日照時數(shù)等氣象參數(shù)類模型主要是用于晴天條件下輻射的計算，非晴天條件下該類模型誤差較大[5]。當需要計算有輻射值的相近站點的輻射值時，空間插值模型是較好的選擇�？臻g插值計算輻射有直接法和間接法兩種應用方式，直接法就是對輻射數(shù)據(jù)進行插值;間接法可以對氣象參數(shù)模型中的相關參數(shù)進行插值，然后應用再通過計算得到輻射數(shù)據(jù)。然而， 在眾多的氣象要素空間插值方法中， 并沒有一種適合每一個氣象要素的普適的最佳插值方法[51]。梯度距離平方反比法包含了經(jīng)緯度和海拔信息，比較適合輻射的直接插值;普通克立格法能夠準確控制計算誤差，但計算較為復雜，研究表明在溫度插值時其準確度和梯度距離平方反比法相當[51];樣條插值比較適合氣溫和氣象要素的時間序列插值。
當缺乏用于計算輻射的氣象參數(shù)時，且地形對輻射具有重要影響時可采用基于DEM的輻射模型，這類模型根據(jù)天文輻射和地理要素可計算出不同季節(jié)、不同時刻的輻射值，而且還便于計算直射輻射和散射輻射。DEM輻射模型已成為我國研究復雜地形輻射數(shù)據(jù)主要方法[52-53]。DEM輻射模型具有一個非常適合建筑節(jié)能分析的特點，就是能夠計算建筑周圍微環(huán)境的輻射值。建筑節(jié)能分析絕大多數(shù)情況需要的是建筑周圍微環(huán)境的輻射數(shù)據(jù)。建筑更多的集中于城市，人為因素導致城市中出現(xiàn)了特殊的城市氣候，而城市氣候一個顯著特點就是差異性、下墊面、建筑布局、綠化等眾多因素導致城市不同區(qū)域具有明顯不同的微氣候環(huán)境，這就是城市氣候的差異性。因此，準確計算建筑周圍微環(huán)境對于建筑節(jié)能分析具有重要作用。
2.3 節(jié)能分析用輻射模型展望
建筑節(jié)能技術主要應用于城市建筑，因此，城市中微環(huán)境的輻射數(shù)據(jù)成為節(jié)能分析用輻射數(shù)據(jù)的重點。隨著我國氣象觀測能力的增強，輻射臺站密度有顯著增加，但其與城市的快速擴張速度相比相差甚遠，因此城市中微環(huán)境的輻射數(shù)據(jù)獲取依然離不開模型計算方法。節(jié)能分析用太陽輻射模型的發(fā)展趨勢是建筑周邊微氣候的輻射計算，輻射模型將會走氣象參數(shù)模型與DEM模型相結合的道路。通過氣象參數(shù)獲得大范圍、長時間序列的基本輻射數(shù)據(jù)，然后從DEM中依據(jù)地形、考慮建筑間的遮擋進行微環(huán)境、小尺度空間的精確化輻射計算。在采用DEM模型時，將坡元對輻射的影響用相鄰建筑來替代，這是城市環(huán)境輻射計算的新特征。
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