漢中采暖期太陽總輻射平均強(qiáng)度的計算

陳　婕　（陜西理工學(xué)院，陜西　漢中723000）

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漢中采暖期太陽總輻射平均強(qiáng)度的計算

陳婕（陜西理工學(xué)院，陜西漢中723000）

采用2010版《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中主要城市氣象參數(shù)的計算模式，對夏熱冬冷地區(qū)代表城市——漢中采暖期太陽總輻射平均強(qiáng)度進(jìn)行計算。其計算結(jié)果對夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的完善有一定的參考價值。

太陽總輻射平均強(qiáng)度；漢中；采暖期

1　概述

為貫徹國家有關(guān)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的法律、法規(guī)和政策，改善嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑熱環(huán)境，提高采暖的能源利用效率，我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部制定《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26 一2010）和《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134—2010）為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。原《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》（JGJ26—95）、原《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134—2001）同時廢止。

《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26—2010）中嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)采用了新的氣候分區(qū)指標(biāo)，即采用采暖度日數(shù)（HDD18）結(jié)合空調(diào)度日數(shù)（CCD26）作為氣候分區(qū)的主要指標(biāo)[1]。以陜西省嚴(yán)寒寒冷地區(qū)主要城市為對象舉例，將這些城市近10年的室外日平均溫度原始數(shù)據(jù)等資料整理，在其基礎(chǔ)上計算各個城市的 HDD18（℃·d）、CDD26（℃·d）、計算采暖期天數(shù)（d）、采暖期室外平均溫度（℃）、太陽總輻射平均強(qiáng)度（W/m2）等各項(xiàng)氣象參數(shù)[2]。陜西省嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)主要城市的建筑節(jié)能計算用氣象參數(shù)如表1。

由于我國夏熱冬冷地區(qū)范圍廣，過去是非采暖地區(qū)，《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134 —2010）對居住建筑有關(guān)的建筑、熱工、采暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)計所采用的節(jié)能措施作出相關(guān)規(guī)定，沒有采用上段提到的采暖度日數(shù)（HDD18）結(jié)合空調(diào)度日數(shù)（CCD26）作為氣候分區(qū)的主要指標(biāo)[3]。故夏熱冬冷地區(qū)主要城市沒有具體的建筑節(jié)能各氣象參數(shù)及參數(shù)的計算方法。

本文以陜西省夏熱冬冷地區(qū)代表城市漢中為例，采用2010標(biāo)準(zhǔn)中氣候分區(qū)指標(biāo)及氣象參數(shù)之一的太陽總輻射平均強(qiáng)度的計算方法來計算漢中的氣象參數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行新的氣候的分區(qū)。

嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)主要城市的建筑節(jié)能計算用氣象參數(shù)[1]表1

2　太陽輻射量描述

在建筑物模擬以及建筑設(shè)備設(shè)計用氣象數(shù)據(jù)，太陽輻射數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的一部分。特別是在太陽房以及太陽光伏系統(tǒng)的設(shè)計和研究方面，太陽輻射量的有關(guān)數(shù)據(jù)更是必不可少的。太陽輻射的數(shù)據(jù)難以獲得，雖然這種情況有所改善，但由于科研和工程的需要，在今后的太陽輻射模型和太陽輻射量的推定仍是有必要的。本文將以漢中為例，討論太陽輻射的月累計模型及采暖期太陽總輻射平均強(qiáng)度（W/m2）計算。

3　太陽輻射模型構(gòu)建

太陽輻射是地表大氣熱過程的主要能源，也是室外熱環(huán)境參數(shù)對建筑物影響較大的一個。日照和遮陽是建筑設(shè)計必須關(guān)心的事情，這都是針對太陽輻射。特別是對建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，必須仔細(xì)考慮可作為能源使用的太陽輻射熱。能源的消耗和枯竭迫使人們設(shè)計和建造愈來愈多的被動式太陽能建筑。太陽光穿過地球大氣層時，由于受到云層的反射和大氣層中氣體分子及各種微粒的散射和吸收，使得到達(dá)地球表面的輻射強(qiáng)度大大減弱，地理位置不同，到達(dá)地表的太陽輻射強(qiáng)度差異較大。

到達(dá)地面的太陽輻射由兩部分組成：一是太陽直接射達(dá)地面的部分，稱為直接輻射，它的射線是平行的；另一部分是經(jīng)大氣散射后達(dá)到地面的，它的射線來自各個方向，稱為散射輻射。直接輻射與散射輻射之和就是達(dá)到地面的太陽輻射總量，稱為總輻射量[4]。根據(jù)前人的研究得知：太陽輻射平均強(qiáng)度可以通過兩種方式得到：

①由一些城市的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)中直接獲得日累計太陽輻射平均強(qiáng)度；

②根據(jù)逐時云量、晴空指數(shù)、日照時數(shù)以及溫升等參數(shù)，用模型生成（張晴原模型）逐時太陽輻射強(qiáng)度，再統(tǒng)計成日平均值[5]。

4　研究思路與方法

4.1基本原理

本文的太陽輻射平均強(qiáng)度通過第二種方式得到：根據(jù)逐時云量、晴空指數(shù)、日照時數(shù)以及溫升等參數(shù)，用模型生成（張晴原模型）逐時太陽輻射強(qiáng)度，再統(tǒng)計成日平均值。漢中的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)由陜西省氣象局提供。清華標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)包括封面（見表2）、逐時氣象參數(shù)、日干球溫度、月平均干球溫度、最熱月干球溫度、最冷月干球溫度、干球溫度小時分布圖、日平均含濕量、月平均含濕量、含濕量小時分布圖、日平均相對濕度、月平均相對濕度、太陽日總輻射、太陽月總輻射、太陽散射輻射小時分布圖、度日數(shù)和度小時數(shù)。漢中典型年（從1月1日——到12月31日）的以上各種逐時氣象參數(shù)（見表3）。取逐時氣象參數(shù)中的云量（單位：成）、風(fēng)速（單位：m/s）數(shù)據(jù)得出采暖月1月、2月、12月的平均值（見表4黃色標(biāo)注數(shù)值，漢中采暖月1月、2月、12月）[6]。

典型氣象（設(shè)計典型）年逐時參數(shù)報表封面　表2

漢中逐時氣象參數(shù)　表3

漢中采暖期月云量、風(fēng)速及采暖天數(shù)[6]　表4

4.2實(shí)例分析

水平面及其他各個立面的太陽輻射平均強(qiáng)度的計算是按常規(guī)的逐日累計太陽輻射量生成逐時太陽輻射強(qiáng)度，然后按照不同的朝向進(jìn)行拆分，拆分成直射輻射和散射輻射。

張晴原、JOE Huang所著《中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫》[7]中第五章太陽輻射模型及太陽輻射量的地區(qū)分布提到月累計輻射量用海波高度、緯度和云量及風(fēng)速的月平均值推出，公式如下：

式中：Im——月累計輻射量（MJ/m2）

C0…C4——因月份而取值不同的常數(shù)（見《中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫》第247頁表5-3）

H——海拔高度（m）

Ψ——該城市的緯度

CCm——月平均云量（成）

υ——月平均風(fēng)速（m/s）

式（1）中不同月份的C0…C4的數(shù)值[7]　表5

由于月累計輻射量Im（MJ/m2）和日平均輻射量（W/m2）之間的單位換算如下：

日平均輻射量（W/m2）

所以漢中地區(qū)各月日平均輻射量值計算依據(jù)公式（4），本文以漢中市采暖月1月、2月、12月的日平均輻射量（W/m2）為例，代入以上公式計算過程如下：

=790.5+0.0292×508-12.359×33.07-41.15×6+11.96×1.7=170.05347（MJ/m2）

1月日平均輻射量值（W/m2）

2月日平均輻射量值（W/m2）

12月日平均輻射量值（W/m2）

4.3采暖期日平均輻射量

對于漢中地區(qū)，采暖月為1月天數(shù)為31d、2月天數(shù)為12d、12月天數(shù)為24d（見表4）。采暖期日平均輻射量=采暖期總輻射量/采暖期天數(shù)（5）

采暖期總輻射量（W·d/m2）=1月平均輻射量值×1月采暖期天數(shù)+2月平均輻射量值×2月采暖期天數(shù)+12月平均輻射量值×12月采暖期天數(shù)（6）

先將數(shù)值帶入公式（6）可得：漢中采暖期總輻射量=63.51×31+59.13×12+40.25×24=3644.37 （W·d/m2）

根據(jù)公式（5）可得：漢中采暖期日平均輻射量=3644.37/67=54.39（W/m2）

以上計算結(jié)果統(tǒng)計見表6。

漢中采暖期日平均太陽輻射　表6

5　結(jié)論

在全國氣象臺站中，只有93個臺站具備太陽輻射的觀測數(shù)據(jù)，其他臺站只具備通過補(bǔ)充計算得到的日總輻射數(shù)據(jù)，這樣大多數(shù)站點(diǎn)只具備逐日數(shù)據(jù)，其太陽輻射的逐日數(shù)據(jù)中只有日總輻射資料是比較全面的，因此計算這些站點(diǎn)的逐時太陽輻射時力求保證日總輻射與實(shí)測值吻合，然后進(jìn)行直射輻射和散射輻射的分離。具備逐時輻射觀測數(shù)據(jù)的臺站中，級別較低的臺站可能只具備逐時太陽總輻射的觀測數(shù)據(jù)，此時需對其進(jìn)行直散分離，從而獲得逐時的太陽直射輻射和太陽散射輻射值。

水平面、南立面、東立面的太陽輻射平均強(qiáng)度的計算是按常規(guī)的逐日累計太陽輻射量生成逐時太陽輻射強(qiáng)度，然后按照不同的朝向進(jìn)行拆分，拆分成直射輻射和散射輻射[8]。

[1]JGJ26-2010，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]金姝倩.陜西省采暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計基礎(chǔ)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[3]JGJ134-2010，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]劉加平.建筑物理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：25.

[5]周輝，董宏，林海燕.居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則——嚴(yán)寒和寒冷、夏熱冬冷地區(qū)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010：10-20.

[6]陳婕.陜南地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑節(jié)能設(shè)計研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

[7]張晴原，JOE Huang.中國建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：254-268.

[8][法]Charles Chauliag.太陽能在建筑中的應(yīng)用[M].北京：學(xué)苑出版社，1988：25-28.

P422.1

B

1007-7359(2016)03-0229-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.083

陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項(xiàng)目：漢中農(nóng)村房屋安全性分析及處理方法研究（14JK1137）。

陳婕（1982-），女，陜西漢中人，碩士；講師，研究方向：建筑技術(shù)與節(jié)能。