全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分析

全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分析

在暖通設(shè)備的設(shè)計(jì)中，中國(guó)主要城市冬季的日照強(qiáng)度是一個(gè)非常重要的基本數(shù)據(jù)。這不僅是計(jì)算冬季供暖設(shè)計(jì)中必要用于糾正熱負(fù)荷的重要數(shù)據(jù)，也是太陽(yáng)能研究和使用的數(shù)據(jù)。在文獻(xiàn)中,提供了一份“全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射照度表”.該表只提供了東、南、西、北四個(gè)朝向垂直立面和水平面上各月典型日逐時(shí)總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,沒(méi)有提供各個(gè)時(shí)刻各朝向上的直射輻射強(qiáng)度、散射輻射強(qiáng)度和大氣透明度的有關(guān)數(shù)據(jù),這就給利用該數(shù)據(jù)計(jì)算太陽(yáng)輻射對(duì)新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響帶來(lái)了諸多不便,而且,表中東、南、西、北四個(gè)朝向上的數(shù)據(jù)有背太陽(yáng)輻射在這幾個(gè)朝向上的分配規(guī)律.為此,作者進(jìn)行了全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的研究計(jì)算.1ashrea推薦的射輻射法.太陽(yáng)輻射到達(dá)地面之前要經(jīng)過(guò)大氣層,大氣層對(duì)其有諸多影響:考慮到大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的各種影響,直射輻射可采用布格爾(Bouguer)公式ΙDΝ=Ι0exp(-Κlsinα)=Ι0Ρ1sinα.(1)IDN=I0exp(?Klsinα)=I0P1sinα.(1)式中:IDN為太陽(yáng)輻射到達(dá)地面時(shí)與太陽(yáng)光線垂直平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/㎡);I0為大氣層外表面接受的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/㎡);K為消光系數(shù),反映大氣吸收太陽(yáng)輻射的能力;l為大氣層厚度(m);P為大氣透過(guò)率(大氣透明度),令P=exp(-Kl);α為太陽(yáng)高度角,具體計(jì)算公式參考文獻(xiàn).由于宇宙空間處于真空狀態(tài),故大氣層外的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I0較為穩(wěn)定,I0的變化主要是由于地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的軌道是橢圓形而引起的.各月的大氣層外太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I0的具體數(shù)值可參考文獻(xiàn).大氣透明度P(大氣透過(guò)率)隨地點(diǎn)和時(shí)間變化.大氣透明度的具體數(shù)值應(yīng)該根據(jù)計(jì)算地區(qū)的氣象部門(mén)多年的實(shí)際觀測(cè)資料,通過(guò)統(tǒng)計(jì)、分析等數(shù)學(xué)手段處理后才能確定.建筑物外表面接受的散射輻射包括天空散射輻射和地面反射輻射兩部分.天空散射輻射是十分復(fù)雜的問(wèn)題,各國(guó)學(xué)者提出的散射輻射計(jì)算公式很多.目前廣泛應(yīng)用的是美國(guó)ASHRAE推薦使用的散射輻射計(jì)算公式為Ιds=CΙDΝ.(2)Ids=CIDN.(2)式中:Ids為天空散射輻射強(qiáng)度(W/㎡);C為天空散射輻射強(qiáng)度與到達(dá)地面的與太陽(yáng)光線相垂直平面上接受的直射輻射強(qiáng)度之比.同時(shí),ASHRAE推薦使用的直射輻射計(jì)算公式為ΙDΝ=A(CΝ)exp(-B/sinα).(3)IDN=A(CN)exp(?B/sinα).(3)式中:CN為大氣透明系數(shù).ASHRAE推薦使用的直射輻射式(3)與布格爾(Bouguer)公式在形式上基本一致,但是這兩個(gè)公式中各項(xiàng)系數(shù)的物理意義有明顯的不同.在ASHRAE推薦使用的直射輻射計(jì)算公式中系數(shù)A、B的物理意義不是十分明確,而且這兩項(xiàng)是隨時(shí)間而變化的系數(shù),布科(Bouguer)公式是根據(jù)大氣層對(duì)于太陽(yáng)輻射的各種作用推導(dǎo)出來(lái)的理論公式,式中各項(xiàng)的物理意義明確.因此,本文采用了式(1)、(2).根據(jù)太陽(yáng)與所計(jì)算地區(qū)水平面的角度關(guān)系,可以推導(dǎo)出水平面上接受的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度為Ιd,Η=ΙDΝsinα.(4)Id,H=IDNsinα.(4)式中:Id,H為水平面接受的直射輻射強(qiáng)度(W/㎡).同時(shí),由于水平面接受的地面反射輻射為0,結(jié)合式(1)、(2)、(4),可推導(dǎo)出水平面上的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為Ιt,Η=Ιd,Η+Ιds=Ι0Ρ1sinαsinα+CΙ0Ρ1sinα.(5)It,H=Id,H+Ids=I0P1sinαsinα+CI0P1sinα.(5)式中:It,H為水平面接受的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/㎡).各朝向墻體外表面接受的太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度,根據(jù)垂直墻體表面法線方向與太陽(yáng)光線間的角度關(guān)系可推導(dǎo)出:Ιd,V=ΙDΝcosαcosn.(6)Id,V=IDNcosαcosn.(6)式中:Id,V為各朝向墻體表面接受的直射輻射強(qiáng)度(W/㎡);n為太陽(yáng)-墻面方位角.對(duì)于垂直面或傾斜面,在計(jì)算該表面接受到的散射輻射強(qiáng)度時(shí),需要考慮該表面與天空之間的角系數(shù)Fs,角系數(shù)可采用下式計(jì)算:Fs=1-0.5(1-cosδ).(7)Fs=1?0.5(1?cosδ).(7)式中:Fs為各朝向表面與天空之間的角系數(shù);δ為垂直面或傾斜面與水平面的夾角.對(duì)垂直面,δ=90°,則Fs=0.5投射到垂直面或傾斜面上的散射輻射強(qiáng)度包括天空散射輻射強(qiáng)度和地面反射輻射強(qiáng)度,綜合式(2)、(5)和(7),可推導(dǎo)出垂直面上接受的總散射輻射強(qiáng)度Ids,V為Ids,V=FsIds+FsρgIt,H=0.5CIDN+0.5ρgIDN(C+sinα).(8)式中:Ids,V為各朝向垂直立面上接受的散射輻射強(qiáng)度(W/㎡);ρg為地面反射率,取普通混凝土地面的數(shù)值為0.2;根據(jù)式(6)、(8),可得垂直面上接受的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為Ιt,V=Ιd,V+Ιds,V.(9)It,V=Id,V+Ids,V.(9)式中:It,V為各朝向垂直立面上接受的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/㎡).由式(1)、(2)、(4)可知,只要知道某時(shí)刻太陽(yáng)輻射在水平面上的直射輻射分量和散射輻射分量就可以計(jì)算出該地區(qū)該時(shí)刻的大氣透明度P和C值,從而就可以根據(jù)式(9)計(jì)算出各個(gè)朝向垂直立面上接受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度.2太陽(yáng)輻射的日總量計(jì)算公式在通常情況下,氣象部門(mén)實(shí)際測(cè)量一天中幾個(gè)典型時(shí)刻太陽(yáng)輻射在水平面上的總輻射強(qiáng)度和直射輻射強(qiáng)度(或散射輻射強(qiáng)度).同時(shí),日射測(cè)量?jī)x器提供全天水平面上的太陽(yáng)輻射日總量和水平面上的直射輻射強(qiáng)度日總量(或散射輻射強(qiáng)度日總量).但是,幾個(gè)典型時(shí)刻的實(shí)際觀測(cè)值和太陽(yáng)輻射日總量這幾個(gè)數(shù)據(jù)不能滿足暖通空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算的實(shí)際要求.因此,需要利用合理的計(jì)算方法將太陽(yáng)輻射日總量離散到從日出到日落的每個(gè)時(shí)刻上.計(jì)算公式如下:ˉΙh=πˉΙ2Νcos[πΝ(τ0-12)].(10)Iˉh=πIˉ2Ncos[πN(τ0?12)].(10)式中:ˉΙhIˉh為某一小時(shí)水平面上的太陽(yáng)總輻射量(W/㎡);ˉΙIˉ為水平面上太陽(yáng)輻射的日總量(W/㎡);N為晝長(zhǎng)(可能的日照時(shí)間);τ0為每小時(shí)隔距的中值時(shí)刻(太陽(yáng)時(shí)).該公式以余弦分布的形式把水平面上的太陽(yáng)輻射日總量離散到從日出到日落的每個(gè)小時(shí)上去.由式(5)可知,水平面的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度隨時(shí)間的分布規(guī)律與余弦分布有明顯偏差,它受到當(dāng)?shù)卮髿鉅顩r和當(dāng)?shù)鼐暥鹊挠绊?式(10)只是一個(gè)近似公式,當(dāng)僅已知水平面上的太陽(yáng)輻射日總量時(shí),可粗略地計(jì)算出水平面各時(shí)刻的總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度.當(dāng)已知水平面太陽(yáng)輻射日總量和水平面太陽(yáng)散射輻射日總量時(shí),根據(jù)本文提出的計(jì)算方法可以更準(zhǔn)確地計(jì)算出各個(gè)立面各個(gè)時(shí)刻的太陽(yáng)直射和散射輻射強(qiáng)度.3哈薩克斯坦2月份電子鼻的數(shù)據(jù)分析《全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射照度表》提供了哈爾濱、沈陽(yáng)、烏魯木齊、西寧、蘭州、西安、呼和浩特、北京8個(gè)城市冬季太陽(yáng)輻射的數(shù)據(jù).其中哈爾濱2月份的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.利用式(10)和哈爾濱2月份典型日太陽(yáng)時(shí)12點(diǎn)水平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,可以計(jì)算得到的晝長(zhǎng)N.利用計(jì)算得到的晝長(zhǎng)和式(10)可以計(jì)算得到水平面上該月從日出到日落每小時(shí)隔距上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)《全國(guó)主要城市冬季太陽(yáng)輻射照度表》中的數(shù)據(jù)完全符合余弦曲線分布,故可以說(shuō)該表中的數(shù)據(jù)誤差較大,有重新計(jì)算的必要性.4月典型日水平表面的太陽(yáng)散射輻射日總量和映射輻射日總量的計(jì)算根據(jù)前文的分析,不同地區(qū)不同時(shí)刻的大氣狀況對(duì)于當(dāng)?shù)卦摃r(shí)刻太陽(yáng)輻射的影響是不同的,所以在離散太陽(yáng)輻射日總量的計(jì)算公式中應(yīng)考慮到大氣透明度P值和計(jì)算散射輻射時(shí)使用的C值.在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)計(jì)算中,計(jì)算冬季供暖熱負(fù)荷時(shí)設(shè)計(jì)負(fù)荷只需要滿足多年供暖的平均狀況,即采用不保證天數(shù)的方式.因此,只提供各地區(qū)多年大氣狀況的平均值就可以滿足要求.應(yīng)用式(1)、(2),可以得到各月典型日水平面上的太陽(yáng)散射輻射日總量和直射輻射日總量的計(jì)算公式為Ιt,d=日落∑i=日出ΙDΝsinα=日落∑i=日出Ι0Ρ1sinαsinα.(11)Ιt,S=日落∑i=日出CΙDΝ=日落∑i=日出CΙ0Ρ1sinα.(12)It,d=∑i=日出日落IDNsinα=∑i=日出日落I0P1sinαsinα.(11)It,S=∑i=日出日落CIDN=∑i=日出日落CI0P1sinα.(12)式中:It,S為各月典型日水平面上的太陽(yáng)散射輻射日總量(W/㎡);It,d為各月典型日水平面上的太陽(yáng)直射輻射日總量(W/㎡).觀察式(11)可發(fā)現(xiàn)只要有某地區(qū)某月典型日水平面上的太陽(yáng)直射輻射日總量和散射輻射日總量的數(shù)據(jù)就可以采用迭代的方法求出該月典型日當(dāng)?shù)氐拇髿馔该鞫?之后,根據(jù)式(12)就可以迭代計(jì)算得到C值.根據(jù)1961～1977年我國(guó)一些城市太陽(yáng)輻射月平均值的有關(guān)數(shù)據(jù),利用式(11)、(12)可以計(jì)算得到哈爾濱、沈陽(yáng)、北京、烏魯木齊、呼和浩特、西寧、西安、蘭州、長(zhǎng)春等城市冬季各月典型日大氣透明度平均