國(guó)家級(jí)職稱(chēng)論文建筑節(jié)能太陽(yáng)總輻射模型

　　太陽(yáng)總輻射關(guān)系到建筑節(jié)能設(shè)計(jì)，本篇國(guó)家級(jí)職稱(chēng)論文通過(guò)解釋水平面太陽(yáng)總輻射計(jì)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(guó)"首屆《CAJ-CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀期刊獎(jiǎng)"，并相繼被美國(guó)《化學(xué)文摘》(CA)、《劍橋科學(xué)文摘》、英國(guó)《科學(xué)文摘》(網(wǎng)絡(luò)版，INSPEC)、中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫(kù)等收錄，為RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊(擴(kuò)展版)。通過(guò)宣傳和推介建筑節(jié)能政策與標(biāo)準(zhǔn)，大力推廣建筑節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品，以期加大建筑節(jié)能成熟技術(shù)和產(chǎn)品的推廣和應(yīng)用力度，推動(dòng)建筑節(jié)能技術(shù)的自主創(chuàng)新與發(fā)展，提升我國(guó)建筑節(jié)能技術(shù)水平，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)服務(wù)。

　　摘 要：太陽(yáng)輻射是建筑節(jié)能分析的重要基礎(chǔ)氣象參數(shù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，理論計(jì)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(yáng)總輻射模型歸納為氣象參數(shù)、空間插值和基于DEM三類(lèi)，詳述了各自的原理和計(jì)算方法。對(duì)三類(lèi)模型在建筑節(jié)能分析中的適用性進(jìn)行了分析，展望了建筑節(jié)能分析用太陽(yáng)輻射模型的發(fā)展趨勢(shì)：氣象參數(shù)模型與DEM模型的融合。

　　關(guān)鍵詞：水平面太陽(yáng)總輻射;氣象參數(shù)模型;空間插值模型;DEM輻射模型

　　太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)、暖通空調(diào)設(shè)計(jì)、建筑采光設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃和景觀設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的重要?dú)庀髤��?shù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是獲取太陽(yáng)輻射最準(zhǔn)確的途徑，但中國(guó)對(duì)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的測(cè)量臺(tái)站少，測(cè)量歷史短，測(cè)量項(xiàng)目少。中國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜，下墊面條件多樣，使得各地輻射條件相差懸殊，導(dǎo)致各地的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相差很大�，F(xiàn)有的測(cè)量太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足工程和科研需要。

　　太陽(yáng)輻射模型是根據(jù)相關(guān)原理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型來(lái)獲取太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的理論計(jì)算方法。該方法不受測(cè)量條件和時(shí)空限制是彌補(bǔ)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)不足的有效途徑[1]。太陽(yáng)輻射模型包括水平面總輻射模型、直散分離模型、逐時(shí)輻射模型等，主要對(duì)水平面日總輻射模型進(jìn)行歸納整理。

　　1 水平面太陽(yáng)總輻射計(jì)算模型

　　水平面太陽(yáng)總輻射模型種類(lèi)眾多，根據(jù)與太陽(yáng)輻射的關(guān)聯(lián)方式和計(jì)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(lèi)，下面對(duì)其分別進(jìn)行論述。

　　1.1 氣象參數(shù)模型

　　1.1.1 計(jì)算原理 組成氣候系統(tǒng)的各氣象要素之間相互關(guān)聯(lián)，太陽(yáng)輻射是氣候的主動(dòng)因素，它對(duì)其他氣象參數(shù)產(chǎn)生影響，而這些參數(shù)反過(guò)來(lái)也反映了太陽(yáng)輻射的特征。因此，選擇與太陽(yáng)輻射關(guān)聯(lián)密切且便于測(cè)試的氣象要素，構(gòu)建其與太陽(yáng)輻射之間的函數(shù)關(guān)系，就可計(jì)算出太陽(yáng)輻射值，這是氣象參數(shù)輻射模型的計(jì)算原理。用于構(gòu)建太陽(yáng)輻射模型的主要?dú)庀髤��?shù)有日照時(shí)數(shù)、溫差、云量。此外，使用相對(duì)濕度、降雨量、露點(diǎn)溫度等要素也能夠建立水平面太陽(yáng)總輻射模型，但這類(lèi)氣象要素與太陽(yáng)輻射的關(guān)系較弱，不能單獨(dú)完成輻射的計(jì)算，必須與前3個(gè)要素中的一個(gè)或多個(gè)共同構(gòu)建總輻射模型。云量與輻射具有重要相關(guān)性，但云量的單獨(dú)輻射模型很少，且應(yīng)用也少，多數(shù)情況是和其他氣象參數(shù)共同構(gòu)成總輻射模型，因此，文中沒(méi)有列出云量的單獨(dú)輻射模型，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[2-3]。

　　劉大龍，等：建筑節(jié)能分析太陽(yáng)總輻射模型研究綜述

　　1.1.2 日照時(shí)數(shù)模型 日照時(shí)數(shù)模型是氣象參數(shù)模型，是所有水平面太陽(yáng)總輻射模型中使用最廣泛、計(jì)算結(jié)果最準(zhǔn)確且計(jì)算參數(shù)最容易獲得的一類(lèi)模型。在該類(lèi)模型中，很多情況以日照百分率(S/S0)為參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，日照百分率是實(shí)際日照時(shí)數(shù)與日最大日照時(shí)數(shù)的比值。最早提出日照時(shí)數(shù)模型的是ngstrm [4]，該模型如式(1)所示，直觀簡(jiǎn)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(guān)系。孫治安等[5]指出ngstrm 模型在晴天條件下太陽(yáng)總輻射計(jì)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(cè)量的月均日日照時(shí)數(shù);S0為月均日最大可能日照時(shí)數(shù);a、b為回歸系數(shù)。

　　系數(shù)a和b是使用ngstrm 模型的關(guān)鍵問(wèn)題。可在已知輻射和日照時(shí)數(shù)的情況下通過(guò)回歸獲得系數(shù)a和b，然后將其用于氣候相近地區(qū)計(jì)算當(dāng)?shù)氐奈粗�輻射值。不同地域的系�?shù)a、b不同。高國(guó)棟等[6]以該模型計(jì)算了我國(guó)不同地區(qū)的a、b值，指出兩系數(shù)的分布與地理?xiàng)l件和氣候狀況有密切。兩個(gè)系數(shù)反映了輻射與日照率關(guān)系模型具有較強(qiáng)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(gè)氣象站的輻射數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸給出了每個(gè)月不同的系數(shù)a、b，見(jiàn)表 1。鞠曉慧等[8]根據(jù)我國(guó)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(duì)該模型進(jìn)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(jì)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(jì)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(xué)者根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱卣�，將日照時(shí)數(shù)模型發(fā)展為非線性關(guān)系。Newland[12]在模型中引入了對(duì)數(shù)關(guān)系，如式(5)所示。Bakirci[13]提出了指數(shù)關(guān)系的日照時(shí)數(shù)模型，如式6所示。

　　Bahel等[15]在Ogelman模型基礎(chǔ)上將日照時(shí)數(shù)模型發(fā)展成為了三次非線性模型。日照時(shí)數(shù)模型變得越來(lái)越復(fù)雜，隨著模型復(fù)雜性的提高，其地域的適用性比計(jì)算準(zhǔn)確性的改善更為顯著，即高次非線性的日照時(shí)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(shí)數(shù)模型雖然準(zhǔn)確度較高，但是日照時(shí)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(diǎn)限制了該模型的廣泛應(yīng)用。氣溫是最常見(jiàn)、也最方便測(cè)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(wú)有效的函數(shù)關(guān)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(guān)系。

　　Hargreaves等人[17]提出了一個(gè)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(nèi)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(shí)數(shù)、溫差等單氣象參數(shù)以外，還有多參數(shù)構(gòu)成的日總輻射模型，這類(lèi)模型是以日照時(shí)數(shù)或者溫差為主要參數(shù)，綜合了云量、大氣壓、相對(duì)濕度等參數(shù)對(duì)太陽(yáng)輻射的影響。

　　1.2 空間插值模型

　　1.2.1 計(jì)算原理 空間插值輻射模型是無(wú)輻射測(cè)量地域獲取輻射數(shù)據(jù)的另一類(lèi)重要方法。在一定區(qū)域內(nèi)當(dāng)氣候具有較好的相似性，而獲得氣象參數(shù)較為困難時(shí)，空間插值模型是計(jì)算太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的較好途徑�？臻g插值模型對(duì)于觀測(cè)臺(tái)站十分稀少而臺(tái)站分布又非常不合理的地區(qū)具有十分重要的實(shí)際意義[30]。

　　空間位置上越靠近的點(diǎn)，越可能具有相似的特征值;而距離越遠(yuǎn)的點(diǎn)，其特征值相似的可能性越小[31]，這是“地理學(xué)第一定律的假設(shè)”，是最早的幾何空間插值技術(shù)基本原理， 距離權(quán)重法(Distance Weighting)屬于幾何空間插值法�？臻g統(tǒng)計(jì)學(xué)被引入了空間插值方法，用統(tǒng)計(jì)的概念去研究空間中的相近性問(wèn)題，提出空間相似的程度是通過(guò)點(diǎn)對(duì)的平均方差度量的[32]�？肆⒏穹�(Kriging)屬于空間統(tǒng)計(jì)法的空間插值。樣條插值法(Spline methods)屬于函數(shù)類(lèi)空間插值方法，通過(guò)構(gòu)造平滑的函數(shù)曲線來(lái)進(jìn)行插值，不需要對(duì)空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)估計(jì)，也不需要做統(tǒng)計(jì)假設(shè)[30]�？臻g插值法多種多樣，但將任何一種插值技術(shù)應(yīng)用于太陽(yáng)輻射的計(jì)算，必須充分考慮其輻射資源的相似性，插值技術(shù)理論假設(shè)和應(yīng)用條件等因素。

　　1.2.2 距離權(quán)重法 距離權(quán)重法較為簡(jiǎn)便，只以?xún)傻鼐嚯x為依據(jù)進(jìn)行插值，如式(20)所示[33]。該方法的實(shí)質(zhì)是以插值點(diǎn)與采樣點(diǎn)間距離為權(quán)重的一種加權(quán)平均法，其權(quán)重賦予離插值點(diǎn)越近的采樣點(diǎn)賦予估值權(quán)重越大。這對(duì)于與緯度、海拔等多種因素相關(guān)的太陽(yáng)輻射不太合適。

　　1.2.3 普通克立格法

　　普通克立格法來(lái)源于地統(tǒng)計(jì)學(xué)中[34]，以區(qū)域化變量理論為基礎(chǔ)，半變異函數(shù)為分析工具，能提供最佳線性無(wú)偏估計(jì)而逐漸被廣泛運(yùn)用于需要空間插值的諸多領(lǐng)域，但是計(jì)算復(fù)雜且計(jì)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(diǎn)值來(lái)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(jié)果。樣條函數(shù)易操作，計(jì)算量不大，多用于氣象要素的時(shí)間序列插值。它適合于已知點(diǎn)密度較大的情況，缺點(diǎn)是難以對(duì)誤差進(jìn)行估計(jì)，點(diǎn)稀時(shí)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(pán)光滑樣條函數(shù)是兩類(lèi)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(gè)點(diǎn)(xi，yi)(i=1，2，…，n)，其中x1

　　薄盤(pán)光滑樣條函數(shù)是對(duì)樣條函數(shù)法的曲面擴(kuò)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(lái)達(dá)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(pán)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(jì)算模型

　　1.3.1 計(jì)算原理

　　地形對(duì)太陽(yáng)輻射具有重要影響，坡度、坡向以及周?chē)�地形的遮蔽都�?huì)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(fù)雜地形下的輻射計(jì)算問(wèn)題。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字高程技術(shù)被用于復(fù)雜地形條件下的輻射計(jì)算。

　　數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱(chēng)DEM)是對(duì)地球表面地形屬性為高程時(shí)的一種離散的數(shù)字表達(dá)。通過(guò)DEM可以直接獲得地形的坡度、坡向等地形信息，用于計(jì)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(shì)表現(xiàn)在坡度、坡向、地形遮蔽度的計(jì)算以及模擬結(jié)果可視化表達(dá)方面。采用DEM技術(shù)輻射模型主要是考慮地形對(duì)輻射的遮蔽作用，用地形遮蔽因子來(lái)體現(xiàn)，不同的DEM輻射計(jì)算模型主要是地形遮蔽因子的計(jì)算方法不同，遮蔽因子可作用于散射或者反射分量的計(jì)算。圖1是采用數(shù)字高程模型進(jìn)行總輻射計(jì)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(yáng)輻射的方法。中國(guó)基于DEM的輻射模型起源于對(duì)山地地形輻射計(jì)算模型的研究。傅抱璞 [39]對(duì)于任意地形條件下太陽(yáng)輻射進(jìn)行了開(kāi)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(kāi)展了基于 DEM技術(shù)的復(fù)雜地形輻射計(jì)算模型研究。

　　李新等[42]提出了依據(jù)DEM技術(shù)計(jì)算我國(guó)任意地形條件下太陽(yáng)輻射模型，模型中利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的光線追蹤算法生成形狀因子計(jì)算地形對(duì)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(guò)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(jì)模型和衛(wèi)星遙感模型。概率統(tǒng)計(jì)模型以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法 [44]和時(shí)間序列方法[45]為主要代表，其模型的計(jì)算需要大量實(shí)測(cè)輻射數(shù)據(jù)作為輸入，以統(tǒng)計(jì)學(xué)原理從海量數(shù)據(jù)中構(gòu)造出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｐl(wèi)星遙感模型是根據(jù)統(tǒng)計(jì)反演法或者物理反演法采用衛(wèi)星的可見(jiàn)光和紅外光波段測(cè)量數(shù)據(jù)建立的[46]，主要用于研究太陽(yáng)輻射的垂直空間分布和大氣對(duì)輻射吸收等問(wèn)題。上述兩類(lèi)輻射模型尚處于發(fā)展階段，技術(shù)趨待完善，且因計(jì)算復(fù)雜計(jì)算結(jié)果存在較大的不確定性，因此，很少應(yīng)用于建筑節(jié)能分析。

　　2.2 輻射模型節(jié)能計(jì)算的適用性分析

　　太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且具有重要作用，面對(duì)眾多輻射計(jì)算模型，對(duì)模型的選擇是個(gè)重要問(wèn)題。從計(jì)算簡(jiǎn)便性和準(zhǔn)確性來(lái)看，氣象參數(shù)輻射模型最簡(jiǎn)單，而且其計(jì)算準(zhǔn)確度也高，劉大龍等[47]比較了日照時(shí)數(shù)和梯度距離平方反比法模型，研究表明日照時(shí)數(shù)模型在我國(guó)地域內(nèi)更為準(zhǔn)確。該模型由左大康最早應(yīng)用于中國(guó)[48]，并得到廣泛應(yīng)用，已成為中國(guó)氣象行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)算方法[49]。鄧艷君等[50]采用中國(guó)實(shí)測(cè)輻射數(shù)據(jù)對(duì)三種氣象參數(shù)輻射模型進(jìn)行了對(duì)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(cè)量的氣象參數(shù)具有較長(zhǎng)的時(shí)間序列，則可得到長(zhǎng)時(shí)間序列的輻射值，這是氣象參數(shù)模型的另一優(yōu)點(diǎn)。

　　日照時(shí)數(shù)等氣象參數(shù)類(lèi)模型主要是用于晴天條件下輻射的計(jì)算，非晴天條件下該類(lèi)模型誤差較大[5]。當(dāng)需要計(jì)算有輻射值的相近站點(diǎn)的輻射值時(shí)，空間插值模型是較好的選擇�？臻g插值計(jì)算輻射有直接法和間接法兩種應(yīng)用方式，直接法就是對(duì)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行插值;間接法可以對(duì)氣象參數(shù)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行插值，然后應(yīng)用再通過(guò)計(jì)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(méi)有一種適合每一個(gè)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(zhǔn)確控制計(jì)算誤差，但計(jì)算較為復(fù)雜，研究表明在溫度插值時(shí)其準(zhǔn)確度和梯度距離平方反比法相當(dāng)[51];樣條插值比較適合氣溫和氣象要素的時(shí)間序列插值。

　　當(dāng)缺乏用于計(jì)算輻射的氣象參數(shù)時(shí)，且地形對(duì)輻射具有重要影響時(shí)可采用基于DEM的輻射模型，這類(lèi)模型根據(jù)天文輻射和地理要素可計(jì)算出不同季節(jié)、不同時(shí)刻的輻射值，而且還便于計(jì)算直射輻射和散射輻射。DEM輻射模型已成為我國(guó)研究復(fù)雜地形輻射數(shù)據(jù)主要方法[52-53]。DEM輻射模型具有一個(gè)非常適合建筑節(jié)能分析的特點(diǎn)，就是能夠計(jì)算建筑周?chē)�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?chē)�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(dǎo)致城市中出現(xiàn)了特殊的城市氣候，而城市氣候一個(gè)顯著特點(diǎn)就是差異性、下墊面、建筑布局、綠化等眾多因素導(dǎo)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(zhǔn)確計(jì)算建筑周?chē)�微環(huán)境對(duì)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(shù)主要應(yīng)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(diǎn)。隨著我國(guó)氣象觀測(cè)能力的增強(qiáng)，輻射臺(tái)站密度有顯著增加，但其與城市的快速擴(kuò)張速度相比相差甚遠(yuǎn)，因此城市中微環(huán)境的輻射數(shù)據(jù)獲取依然離不開(kāi)模型計(jì)算方法。節(jié)能分析用太陽(yáng)輻射模型的發(fā)展趨勢(shì)是建筑周邊微氣候的輻射計(jì)算，輻射模型將會(huì)走氣象參數(shù)模型與DEM模型相結(jié)合的道路。通過(guò)氣象參數(shù)獲得大范圍、長(zhǎng)時(shí)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(jìn)行微環(huán)境、小尺度空間的精確化輻射計(jì)算。在采用DEM模型時(shí)，將坡元對(duì)輻射的影響用相鄰建筑來(lái)替代，這是城市環(huán)境輻射計(jì)算的新特征。

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