各種天氣狀況下太陽輻射照度與太陽光照度關(guān)系-姚萬祥

1、中圖分類號：P 4 2 2 . 1 2第4 1卷第5期2 0 1 3年5月同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)JOURNALOFTONGJ【UNIVERSITY (NATURAL S C I ENC E)Vol. 4 1N o. 5a 2 0 1 3 My)文章編號：0253374X(201305078404 :/. issn. 0253DOI10. 3969374x. 2013. 05. 02 5 - j各種天氣狀況下太陽輻射照度與太陽光照度關(guān)系姚萬祥，李崢蝶，李 翠，艾正濤()同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海2 0 1 8 0 4摘要：以同濟(jì)大學(xué)自建的小型氣象臺站測得的2 0 0 9 2 0 1 1

2、年氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用回歸分析的方法分析了晴空指數(shù)、太陽高度角對太陽輻射照度與光照 度關(guān)系的影響，發(fā)現(xiàn)它們對太陽輻射照度的影響整體上呈現(xiàn)非線性，且影響規(guī)律在 各分區(qū)間內(nèi)略微不同.因此，采用分段線性擬合的方法將晴空指數(shù)和太陽高度角分 為9個區(qū)間，分別建立對應(yīng)的太陽輻射并通過實測數(shù)據(jù)證照度與太陽光照度之間的 線性擬合關(guān)系，明這種處理方式具有較高精度.結(jié)論適用于緯度和天氣條件與上海相似的地 區(qū).關(guān)鍵詞：太陽輻射照度；太陽光照度；晴空指數(shù)；太陽高度角十太陽輻射得熱的控制對節(jié)能建筑的被動設(shè)計和,分析的作用舉足輕重而自然采光是潛力很大的一種節(jié)能技術(shù)有效地控制太陽輻射得熱和自然.采光不僅可以減少照明能耗，而

3、且可以減少建筑采暖空調(diào)能耗但是這項技術(shù)的成功應(yīng)用需要根據(jù).當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件因地制宜，并以大量太陽輻射照度和太陽光照度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)才 能進(jìn)行定量化分析與評價.由于記錄逐時輻射數(shù)據(jù)的站點還比較少，一定程度上影 響了太陽能技術(shù)應(yīng)用的合理普及與推廣，而太陽光照度測試相對比較簡單，測試設(shè) 備普及率高.因此，如何建立兩者之間的關(guān)系，即借助自然條件下照度的測試數(shù)據(jù) 推算當(dāng)?shù)靥栞椛湔斩鹊拇笮μ柲芾眉夹g(shù)的應(yīng)用具有非常重要的意義和價 化國外學(xué)者在這方面的研究主要集中在不同天氣狀況下各垂直面太陽輻射照度和 太陽光照度之間的4 5 關(guān)系國內(nèi)學(xué)者在該方面的研究包括兩方面：人.6工光源輻射強(qiáng)度與光照度之間的關(guān)系太陽輻

4、射7照度和太陽光照度之間的關(guān)系.對于后者，毛軍需文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ARelationshiBetweenBolarRadianceandSolarp I 1 luminanceUnderAl ISkTesYAO WanxianIZhenronICui, AlZhentao g , L g g , L g(,T, SCol leeofMechanicalEnineerinon iUnivers i thanhaiggggjyg) 2 0 1 8 0 4, C:BAbs t ractasedonthemeteoroloical da tameasuredatagmeteoroloical sta t i

5、onsetuinToniUnivers i t f r o m s m a 1 1g P g J y2009to201 1, a n a n a 1 s i swasmadeo f thee ffectsclearnessyindexandsolatudeontherelat ionshibetweensolap radianceandi 1 luminance. Itisfoundtn1inears1ihtdiffereinearfihattheeff onthewholg，n t i n t e r v attinmethoectswereintervtiecewi1s.Therdwase

6、m1ea 1 n d t h e s e d i f f e e f o r e h e o e d. The,ano r e w a s a r e n c e a tP 1c 1 e a r nessindexandgpy , asolaraltitudea n 1 ewe r g 1 i n e a r radiati e w a s e s te d i v i d ef i t t i n ro n a n d s oa b 1 i s h ed i n t o 9 i n e 1 a t i o n s 1 a rdcorresot e r v a 1 s nh i b e t w

7、 e eg P i 1n d i n 1 . T hd t h en s o 1 a r1 u m i n a n ce m e a s uredp g y, wdatashowthatthemethodi soaccurachichi sareaswhichhaves i m i lariat i t u d eandweathe ri gcondi t ionasShanha:s; s; cKewordsolarradianceolari 1 luminancelearness y ; indexsolaraltitud最早建立了根據(jù)太陽光照度觀測值推算太陽輻射照度的線性關(guān)系式，張艷玲針對

8、南京（1184 7 E, 3 2。地區(qū)研究了太陽輻射照度和太陽光照度之間5 7N）的關(guān)系，指出晴天、多云天、陰天狀況下兩者之間均，存在線性關(guān)系，但其測試時間僅3 d結(jié)論說服力不9強(qiáng).而鞠喜林的研究認(rèn)為太陽總輻射照度、散射輻射強(qiáng)度與太陽光照度存在著非線性關(guān)系，與以上結(jié)論相反.因此，復(fù)雜天氣狀 況下兩者之間的定量關(guān)系還需進(jìn)一步研究.本文以同濟(jì)大學(xué)自建的2個小型氣象站（12 1T 3 E , 3 1T 7 N） 20 0 9年1月至2 0 1 1年6月的實測氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，嘗試建立具有較高精度的 太陽輻射照度與太陽光照度的關(guān)系式，以便于沒有太陽輻射照度測試數(shù)據(jù)的地區(qū)根 據(jù)太陽光照度推算輻射照度收稿日

9、期：2 0 13）基金項目：國家自然科學(xué)基金（ 5 1 2 7 8 3 4 9，:第一作者：姚萬祥（男，博士生，主要研究方向為建筑節(jié)能與遮陽.1 9 84 ) E ma i 1 aowanx i an26. comlyg:（一）,:通訊作者李崢蝶1女教授博士生導(dǎo)師工學(xué)博士主要研究 方向為建筑節(jié)能與遮陽.969E mai 1 1 izhenrontoni. 6d u . c n g g g j第5期姚萬祥，等：各種天氣狀況下太陽輻射照度與太陽光照度關(guān)系7 8 5值.空指數(shù)的分布，如圖1 .由圖1可知，晴空指數(shù)在陰天（，時的值多低于 0 .其發(fā)生概率為7多云天3 9. 0 9 %）（時多低于0 .

10、其發(fā)生概率為8因此可 以根6 8 . 8 1%）.據(jù)晴空指數(shù)將天氣分為3類：陰天，多云0 &k 0 . 3 ; t根據(jù)文獻(xiàn)的研究結(jié)果，影響太陽輻2 , 3 , 10 12-天,晴天，0. 3k0. 6; 0. 6kl. 00013 15-Ai rgllaBAhMK-IrWJiliJA.iAhij- Agnail rhLmiiMVlvB.t t 多項式關(guān)系式的建立與相關(guān)性分析射照度與太陽光照度之間關(guān)系的主要因素有晴空指數(shù)、太陽高度角、大氣質(zhì)量 等.其中，大氣質(zhì)量的影響可以通過晴空指數(shù)、太陽高度角反映，因此，太陽輻射 照度與太陽光照度之間的擬合關(guān)系式可以簡單用)式(表示，但是其中的系數(shù)必然 隨緯度

11、和天氣條件1因此本文試圖建立上海地區(qū)適用的的不同而不同.多項式關(guān)系 式.()E= f ( k h , I ) It,;式中：E為水平面太陽光照度，1 u x k t為晴空指數(shù)，是水平面的太陽輻射照度與大氣層外的太陽輻射照,度的比值，可以作為衡量天氣狀況的指標(biāo)量綱（）;一化；h為太陽高度角， I為水平面太陽輻射照度，W m-2 .通過對自建氣象臺全年數(shù)據(jù)的反復(fù)擬合及分析，發(fā)現(xiàn)采用一個多項式進(jìn)行擬合 時，三次方多項式），是最佳的（見式（其準(zhǔn)確性評價見表1 . 23 2E=0. 000313381112. 9 4 1 - 7 6 8. 0 1 - 0. + 2,（）0 k 0 0 9 0 0 2 t

12、 1）表1 方程（太陽輻射照度與太陽光照度之間多項擬合關(guān)2系式相關(guān)性評價olnomialTab. 1 Therelevanceof f i trelationshipypsolarradiat ionandsolari 1 1 umi nancebe tween）forE. （2 相關(guān)系數(shù) 0 . 9416復(fù)相關(guān)系數(shù)0 . 8 8 3 9調(diào)整復(fù)相關(guān)系數(shù)0 . 8 8 3 8顯著性水平F值7 8 67 8 6顯著性水平P值0太陽輻射照度與太陽光照度之間由表1可知，存在較為顯著的相關(guān)關(guān)系，但后期的實測數(shù)據(jù)卻顯示其精度并不高，因此使用 一個多項式反映太陽輻射照度與太陽光照度之間關(guān)系存在一定缺陷.下面

13、從晴空指 數(shù)、太陽高度角對太陽輻射照度的影響入手，建立更為精確的關(guān)系式.晴空指數(shù)和太陽高度角的影響. 1 晴空指數(shù)的影響晴空指數(shù)反映了太陽輻射進(jìn)入大氣層后被削減13 15-這一比例與天氣的陰晴狀態(tài)直接相關(guān)的比例，.圖1 晴空指數(shù)的頻數(shù)分布Fil Clearness indexfreuencdi stribut ion g . q y太陽輻射照在全年監(jiān)測到的晴空指數(shù)范圍內(nèi)，度與晴空指數(shù)之間的關(guān)系可以用擬合式（表示，圖3）顯然，隨著晴空指數(shù)2 直觀地反映了兩者之間關(guān)系.的增加，太陽輻射照度逐漸增加，但是其增加速度隨本文基于對實測數(shù)據(jù)的分析得到不同天氣狀態(tài)下晴同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）第4 1卷天氣

14、狀態(tài)由陰到晴不斷增大，這種影響規(guī)律隨3種天空狀態(tài)的不同而略微不 同.21 = 17. 9 8 8 7 3 + 1 1 1. 87767k 227. 6 7 4 8 1 kt t + 1()3ChinaAll rights reserved. Publishing House, HYPERLINK ki ki ”比 1994-2013Academic Journal Electronic900 n 800 -E 700 -M 600 500-實測值多項式擬合值）和圖3可知，隨著太陽高度角的增加太4由式（陽輻射照度逐漸增加，但是增加速度呈現(xiàn)中間大（）、兩頭小的趨勢.這表明太陽輻射照度與15 5 4

15、太陽光照度在太陽高度角0范圍內(nèi)是非線性 0 0 9 ,的，但在太陽高度角0的區(qū)0300609036而且太陽高度 角越問范圍內(nèi)卻存在著正線性關(guān)系，大，這種線性關(guān)系越顯著.由于晴空指數(shù)和太陽高度角對太陽輻射照度與本文嘗試分光照度關(guān)系的影響存在明顯的區(qū)間性,區(qū)間建立太陽輻射照度與光照度之間的擬合關(guān)系式.）圖2 方程（對應(yīng)的晴空指數(shù)與太陽輻射照度的關(guān)系3 F 1 2 Re 1 a t onshibetweenclearnessindexandsolar- P）radiationforE. （3 q3 分段線性關(guān)系式的建立及其準(zhǔn)確性驗證3 . 1分段線性關(guān)系式根據(jù)分析將（的影響分為9個區(qū)間，擬合k h）

16、 t ,）:得到式（5,71.6800.331 + 8.300 30 0 k t 0 , 1-178.30. 330 h06 074. 6200 k t 0 , 41. 9 6 0 1 +415.20.360 h09 00kt0, 26. 1301 + 395.60.3k.60 300t0, 1 + 1027. 000. 3.630 h06 08. 3644E= t 0 , 9. 1 7 2 1 + 4 3 0 4. 0 0. 3k. 660 h09 06 t 0,09. 8 2 0 1 - 1 11.53. 6k.000 30 0 t 1 ,.6671 + 25579.0 00. 6k. 0

17、3 0h060 t 1 , 0.9981 + 19422.0 00. 6k. 06 0h09 t 1 () 5.2 準(zhǔn)確性驗證采用2 0 1 1年7月至1 2月間的實測氣象數(shù)據(jù)對1g954 k 00632 . 2 太陽高度角的影響7 8 7同樣利用既有數(shù)據(jù)可以得到太陽高度角與太陽）：輻射照度之間的關(guān)系（式（和圖3 42 31 = 0. 69243h + 0. 41526h00511h-0.()4ChinnAll rights reserved. Publishing House. http;/www, cnki,net 1994-2013Academic Journal Electronic9

18、00800 -700 -實測值多項式擬合值W(J-SOO-）圖3 方程（對應(yīng)的太陽高度角與太陽輻射照度的關(guān)系4 F 1 3 Re 1 at ionshibetweensolaral t i tudeandsolarg - P)radiationforE. (4 q本文提出的多項式、分段擬合式及參考文獻(xiàn)中的擬合式進(jìn)行對比，結(jié)果如表2 所示.N a s u t c 1 i f f e 方程 0.6610.6560.6630.6790.814表2擬合方程的誤差分析方程1文獻(xiàn)【擬合方程9 文獻(xiàn)【擬合方程7本文多項式）擬合方程（2】文獻(xiàn)【分段8線性擬合方程本文分段線性擬合）方程（5 1 3（相關(guān)系數(shù) 0

19、. 8 5 7 0. 8620. 8 6 40. 8 8 0 0. 905平均誤差分?jǐn)?shù)23.96322.42616.431 - 1 9.12619.282平均絕對誤差分?jǐn)?shù)35.69033.25537.45131.75335.426Tab. 2Erroranal s i sofdi fferentfittin euationst統(tǒng)計量24. 6 8 7 3 4. 2 3 7 1 1. 0 5 8 3 7. 6855. 4 4 9本文提出的分段線性擬合方程（5）13）顯然，（的相關(guān)系數(shù)、Na s u t c 1 1 f f e方程值最高，t統(tǒng)計量最低，其計算結(jié) 果與實測值最吻合，具有最好的準(zhǔn)確性.

20、第5期姚萬祥，等：各種天氣狀況下太陽輻射照度與太陽光照度關(guān)系4 e R o s a A, FerraroV, K a 1 i akat sosD, e tal. Calculatindiffuse Dg4 結(jié)論()根據(jù)晴空指數(shù)對2 1 0 0 9 - 2 0 1 1年的天氣狀況進(jìn)行了分類處理，確定了適合上海地區(qū)分類的依據(jù)陰天，多云天，晴天，為： 0k0. 3; 0. 3k0. 6; t 0 . 6kl. 0. t ()太陽輻射照度隨著晴空指數(shù)的增加逐漸增2但是其增加速度隨天氣狀態(tài)由 陰到晴不斷增大.力口，()太陽輻射照度隨著太陽高度角在0范3。0。9圍內(nèi)增加而逐漸增加，但是增加速度呈現(xiàn)中間大(

21、)、兩頭小的趨勢.15 5 4()根據(jù)晴空指數(shù)及太陽高度角對太陽輻射照4度的影響規(guī)律將晴空指數(shù)和太 陽高度角分為9個區(qū)間，分別建立了對應(yīng)區(qū)間內(nèi)的太陽輻射照度與太陽光照度之間 的關(guān)系式，經(jīng)過實測數(shù)據(jù)驗證，具有較高的精度.止匕外，由以上分析可知，影響太陽輻射照度與太陽光照度之間關(guān)系的主要影響 因素是晴空指數(shù)和太陽高度角.對比圖2和圖3可知，晴空指數(shù)的影響更為顯 著.因此本文結(jié)論適用于晴空指數(shù)分布及地理緯度與上海相近的地區(qū)，如江蘇南部 (蘇州、無錫6、等)安徽、河南、湖北、浙江、江西北部、湖南北部. i 1 luminanceonvert ical surfaces indi fferentskco

22、nditionsj.y , ():Ener2008, 33111703. gy5 obledoL, SolerA. Model inthelumino usefficacofdi f f u s esolarradiat iononincl inedsurfaces foral 1 skcondi t ions J.y , ():Ener C o n v e r s i onandManaemen t 2 003, 4 4 1 1 7 7 . g y g口胡榮生.光照度和輻照度的轉(zhuǎn)換6 J .光源與照明，宋賢杰，():1 9 9 7 1 2 0.,ONGXianieHURonshen. The

23、convers iono fi 1 luminanceSj g g口， ()： irradiancej. LamsandLihtinl99 7 12 0. andpgg口 7 J .河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，毛軍需.太陽輻射度與光照度換算淺析():1995111.AOJunxu. Anal s i s folaradiat ionndl 1 u m inationM o s r a iy口，convers ionj. JournalofHenanAricu1 turalSciencesl995g(): 111.口 8 J .江西農(nóng) 張艷玲.南方氣候條件下光照度和輻照度的關(guān)系():業(yè)學(xué)報，2008, 2 0

24、 4 7 2.HANGYanl in. Relat ionbetweeni 1 lumina n c e a n d i rradiance口，undersou ctaAricultura 0 4 7 2.口 9 J .太陽能學(xué)():報，1 9 9 9, 2UX i 1 in. R e 1 a n d i 1 luminance，: c 1 o u d 1 e sSinical999, 2口 1 Ounee rT, e & d a 1 i h t i 1 1 u m口，datafort J. Renewab1eEn 5 14 3 18.口，llarulaS renceluminousconst

25、antan inancecalcula E n e r 2 0 0 5 , 7 9 5 5口 , R12hi rar a i w i w a two r a k ual. E v a 1 u a t ithcl imat iccondi t ionsj. A ejianxigg ():2008, 2鞠喜林.晴空條件下光照度和輻射照度的關(guān)系0 2 1 9 0.t ionsbetweeni rradianceaunderJs s s k J . ActaEneriaeSolari 0(2)y g 1 9 0 .Ki n h o r n D . Solari rradianc inance Mgyg

26、h e U n i t e d K i ndomandj a a n6 rg P g y (/) : 1 9 9 8, 1K i t t 1 e r R, GuemardCA. R e f esolar Dydsolarluminancefori 1 1 u m tionsJ.,():Solar5 9. g yat tananonSukkwansukP, C hIP, e t Conofvert ical i 1 luminanceaainstataroa n d i r radiancemodel srthankok J . B u i 1 d i n n d():Envi ronment2007, 421 13894. 13ewlandFJ. Astudofsolarradiationdelsforthecoastal, ():reionofSouthChiSolarEner1 4 a m J C , L i DHW. Corrlationbetweenlobalsolarradiationcomonentsa n d i t s d i rectanddiJ. Bui 1 d i n a n d, ():Envi ronmenffusesolart h M e d i te r raneanBe 1 t():areaJ . So