鄭州地區太陽輻射變化規律及分析

李玉娜，馬 磊，秦光耀

(1.鄭州電力高等專科學校，河南 鄭州 450004;2.河南聯合智能工程有限公司，河南 鄭州 450000)

太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，尤其是在當今環境污染越來越嚴重的今天，對最大限度地合理開發和利用太陽能有著重要的意義。

1 太陽輻射資料數據來源

《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》[1]是以中國氣象局信息中心氣象資料室收集的全國270個全面氣象臺站1971～2003年的實測氣象數據為基礎，通過分析、整理、補充源數據以及合理的插值計算，獲得了全國270個臺站的建筑熱環境分析專用氣象數據集，為建筑熱環境及其控制系統的設計和動態模擬分析提供全面可靠的基礎氣象數據。為了分析鄭州地區的太陽能資源，根據本數據集的特點，選用了設計典型年和典型氣象年的太陽輻射數據。

2 太陽能輻射變化規律及分析

2.1 設計典型年總輻射的逐日變化

不論是輻射極高年還是輻射極低年，鄭州地區的太陽總輻射逐日變化都大致呈向下開口的拋物線形式，但是輻射極低年逐日變化上下波動的幅度不如輻射極高年的波動大(圖1和圖2)。輻射較低年的太陽總輻射總量為4 728.96 MJ/m2，而輻射極高年的為5 850.46 MJ/m2，極低年太陽總輻射為極高年的80.83%。在一年中，夏季的日總輻射高且變化劇烈，冬季低但變化平緩。

在輻射極高年，夏季的太陽總輻射占全年總輻射的31.03%;冬季占全年總輻射的17%;在輻射極低年，夏季太陽總輻射占全年總輻射的33.67%;冬季太陽總輻射占全年總輻射的16.36%。

圖1 太陽日總輻射強度年變化(輻射極高年)

圖2 太陽日總輻射強度年變化(輻射極低年)

圖3 太陽總輻射強度逐月變化

2.2 設計典型年總輻射的逐月變化

從圖3可見:太陽總輻射的變化比較有規律，呈單峰值變化。輻射極低年除了在11月和12月之間出現升高現象，其余月份變化情況與輻射極高年類似。輻射極低年的最大值和最小值分別出現在5月和11月，而極高年的極值出現在6月和12月。兩種情況普遍是極高年的月總輻射遠遠大于極低年的月總輻射，其中4月懸殊最大。還可以看出輻射極低年在冬季的最冷月并非太陽總輻射最低，而輻射極高年夏季的最熱月并非太陽總輻射最高。

2.3 設計典型年月總輻射和月總直射變化

太陽總輻射包括直射輻射和散射輻射。利用太陽能實際上是利用太陽的總輻射，對大多數太陽能設備來說，則是利用太陽輻射能的直接輻射部分。因此研究直接輻射的變化以及它與總輻射之間的關系具有舉足輕重的作用。

表1 太陽輻射典型極高年的月總輻射和月總直射

表2 太陽輻射典型極低年的月總輻射和月總直射

從表1和表2中，可以看出:輻射極高年中月直接輻射占太陽月總輻射很大的份額，其中6月份為88%，1月份為77.01%高于7、8月份和11月份的;輻射極低年，太陽直接輻射占總輻射的份額大多在40%～50%。可見，在中原地區冬季太陽能有很大的利用潛力，太陽散射輻射也應該合理利用，其作用不可忽視。

2.4 設計典型年東南西北各朝向的太陽逐月總輻射比較

眾所周知，建筑能耗是能耗的大戶。降低建筑能耗的途徑是很多的，可以根據氣候特點和地形位置，合理安排建筑群的排列和間距，選擇朝向，保持良好的采光與通風，就可以節約空調動力費的四分之一，這是節能建筑最有效、最關鍵的節能措施，也是對太陽能的直接利用。因此分析建筑物各個方向的太陽總輻射，對合理設計建筑，有效地利用太陽能具有重要的意義。

圖4 東南西北各朝向的太陽逐月總輻射強度變化曲線

圖5 最冷月和最熱月太陽逐日總輻射比較

從圖4中可以看出，一年中南向總輻射變化非常顯著，而東向、西向和北向的總輻射值變化曲線較為平緩，全年整體波動范圍不大。南向總輻射在冬季處于頂峰階段，最大值出現在1月份，為527.17 MJ/m2，超過本月總輻射 365.32 MJ/m2，其次是2 月份;相反，夏季輻射值處于低谷，最小值出現在6月份，為142.85 MJ/m2，且 6、7、8 三個月的總值波動也不大;秋季在10月份出現突變，峰值為422.15 MJ/m2。同時，還能得到，全年中北向總輻射值最小，變化曲線最平緩;東向和西向的總輻射值基本相同。可見，合理利用南向總輻射對太陽能在建筑中的應用起著很大的作用。

2.5 設計典型年最冷月和最熱月太陽逐日總輻射比較

天氣越熱，越需要制冷;天氣越冷，越需要供暖。因此，冬季應盡量獲得太陽輻射，而夏季則盡量避免太陽輻射，從而減少建筑能耗和節約能量。從圖5中分析得出兩種情況下，最冷月除了個別天氣外，太陽日總輻射變化比較平緩，而7月份的太陽總輻射逐日變化沒有一定的規律可循，忽大忽小。

2.6 太陽總輻射強度頻數分布(輻射極高年)

一般來說，日照時間是影響太陽輻射能實際到達地球表面的大小的主要因素，因此分析太陽能總輻射強度頻數分布對利用太陽能有很大的意義。

表3 太陽總輻射強度頻數分析表

圖6 太陽總輻射強度頻數分布圖

由表3和圖6可以看出，在鄭州地區典型氣象年中，太陽的總日照時數為4 339 h，小時最大總輻射強度為 1153.66 W/m2，年總輻射強度為1.63 MW/m2。太陽總輻射強度分布頻率最大的區間為0～100 W/m2，共911 h，占全年總日照時數的21%;超過100 W/m2的太陽總輻射強度占到年總太陽輻射強度的79%，而且分布比較穩定，太陽能資源豐富，有著得天獨厚的優越條件，開發利用潛力巨大，具有很好的前景。

3 結論

(1)鄭州地區太陽能輻射不但豐富而且全年變化穩定有規律，呈單峰值狀態，夏季的太陽總輻射大且變化劇烈，冬季低但變化平緩。輻射極低年在冬季的最冷月并非太陽總輻射最低，而輻射極高年夏季的最熱月并非太陽總輻射最高，所以冬季太陽能利用有很大的潛力。太陽散射輻射也應該合理利用，其作用不容忽視。

(2)鄭州地區全年中北向太陽總輻射值最小，變化曲線最平緩;東向和西向的總輻射值基本相同;南向太陽輻射冬季最大，夏季處于低谷，因此合理利用南向太陽輻射對太陽能在建筑中的應用起著重要的作用。

(3)鄭州地區全年太陽的總日照時數為4 339 h，小時最大總輻射強度為 1153.66 W/m2，年總輻射強度為1.63 MW/m2。太陽總輻射強度分布頻率最大的區間為0～100 W/m2，共911 h，占全年總日照時數的21%;超過100 W/m2的太陽總輻射強度占到年總太陽輻射強度的79%。

[1]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京:中國建筑工業出版社，2005，4.