建筑能耗用逐時氣象模型

建筑能耗分析用逐時氣象模型問題的提出國內(nèi)外氣象模型的研究情況研究目的和主要內(nèi)容氣象模型建立的總體思路選擇典型氣象年逐時氣象模型的建立逐時模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的比較氣象模型的實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容提要結(jié)論問題的提出外界氣象條件的變化情況與建筑物的動態(tài)熱特性是研究空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)過程的基礎(chǔ)。只有基于一整套切實(shí)反映氣象環(huán)境的數(shù)據(jù)才能真正對建筑物的冷熱能耗有更加準(zhǔn)確的計(jì)算分析，對整個空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)過程有更全面的了解。國內(nèi)外氣象模型的研究情況統(tǒng)計(jì)法隨機(jī)數(shù)模擬法隨機(jī)過程模擬法綜合考慮以上三種建立氣象模型的方法，我們可以看到：統(tǒng)計(jì)法利用長期的逐時數(shù)據(jù)構(gòu)成典型年（或參考年）。然而我國的逐時氣象觀測數(shù)據(jù)卻很不完整，目前只有少數(shù)城市有近幾年的逐時氣象數(shù)據(jù)，而且這些數(shù)據(jù)由于某些原因還未公開。除統(tǒng)計(jì)法外，氣象模型由分兩步進(jìn)行：首先，用隨機(jī)方法模擬逐日氣象參數(shù)；然后，再用模擬出的逐日氣象參數(shù)配出或隨機(jī)模擬出最終要求的逐時參數(shù)。隨機(jī)數(shù)模擬法和隨機(jī)過程模擬法是在逐日數(shù)據(jù)的缺乏的情況下產(chǎn)生的，主要應(yīng)用于逐日數(shù)據(jù)的模擬。然而，這兩種方法所模擬出來的氣象數(shù)據(jù)仍不能完全反映實(shí)際的逐日氣象變化規(guī)律。隨著我國逐日氣象資料的公開，我們已獲得遍布全國的194個氣象站臺的近50年的逐日氣象數(shù)據(jù)。在逐日數(shù)據(jù)充足的有利條件下，就無需再用復(fù)雜繁瑣的方法模擬逐日參數(shù)，也就是說，可以越過氣象模型建立的第一步，直接進(jìn)行第二步——模擬逐時參數(shù)。研究目的和主要內(nèi)容研究目的——在逐日實(shí)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立一套完備可靠的氣象模型,獲得滿足一定統(tǒng)計(jì)要求的全年逐時氣象數(shù)據(jù),為空調(diào)系統(tǒng)動態(tài)過程的研究建立堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。主要內(nèi)容——在歷年氣象數(shù)據(jù)中挑出具有氣候代表性的典型氣象年；——找出空氣干球溫度、絕對濕度、太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向以及天空有效溫度等氣象參數(shù)的一天內(nèi)的變化規(guī)律，建立各氣象參數(shù)的逐時模型；——驗(yàn)證逐時氣象模型；——應(yīng)用模型于空調(diào)系統(tǒng)的動態(tài)負(fù)荷模擬中；——模擬全國194個站點(diǎn)的典型年逐時氣象數(shù)據(jù)。氣象模型建立的總體思路原始逐日氣象數(shù)據(jù)典型氣象年的選擇模擬逐時氣象數(shù)據(jù)干球溫度絕對濕度太陽輻射（直射和散射）天空有效溫度風(fēng)向風(fēng)速原始逐日氣象數(shù)據(jù)構(gòu)成日最高溫度日照小時數(shù)日總輻射日平均風(fēng)速日最大風(fēng)速風(fēng)向日平均大氣壓日最低相對濕度日平均相對濕度日最低溫度日平均溫度原始逐日氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象中心典型氣象年的選擇由于氣象參數(shù)的隨機(jī)性，根據(jù)各年的實(shí)測氣象參數(shù)來計(jì)算建筑負(fù)荷，其結(jié)果常有較大差別；這就有必要選取一個“典型年”,它由“平均月”構(gòu)成，按每一“平均月”的氣象參數(shù)算得的負(fù)荷應(yīng)與該月的、按歷年實(shí)際氣象參數(shù)算得的負(fù)荷的平均值吻合；典型年反映了氣象環(huán)境的平均狀況。對于月份份m，如果第第y年的實(shí)際際氣象參參數(shù)能同時滿足足以下條條件者，，可認(rèn)為為該年該該月有條條件成為““平均月”：計(jì)算每月月各氣象象參數(shù)的的N年平均值及及方差典型氣象年年的選擇方方法統(tǒng)計(jì)出每年年每月的各各氣象參數(shù)數(shù)的平均值值設(shè)有N年的逐日數(shù)數(shù)據(jù)初選平均月月i—參數(shù)序號m—月份序號Y—年份序號如有若干個個年份的m月都能滿足足“初選平平均月的條條件”，計(jì)算Dm值，選擇Dm最小的月份份作為第m月的“平均均月”：Ki—各氣象參數(shù)數(shù)的權(quán)重選擇典型氣氣象年的氣氣象參數(shù)及及其權(quán)重氣象參數(shù)權(quán)重日平均溫度2/24日最低溫度1/24日平均相對濕度2/24日最低相對濕度1/24日平均風(fēng)速2/24日最大風(fēng)速1/24日最大風(fēng)速時刻的風(fēng)向1/24日日照時數(shù)1/24日總輻射量12/24日最高溫度1/24干球溫度模模型的建立立資料表明，，一天內(nèi)最最高溫度一一般出現(xiàn)在在午后三時，而最低溫溫度出現(xiàn)在在日出前一小小時左右。溫度度在一天內(nèi)內(nèi)的變化規(guī)規(guī)律可以近近似用余弦函數(shù)來表示。干球溫度模模型的建立立日平均溫度度日最低溫度度日最高溫度度用傅立葉級級數(shù)模擬逐逐時溫度用一種簡易易方法模擬擬逐時溫度度沒有考慮各各天之間的的影響，各天之間的的溫度都是是孤立的逐時模擬溫溫度的日均均值與實(shí)測測值的誤差較小小各天溫度之之間都是連連續(xù)的逐時模擬溫溫度的日均均值與實(shí)測測值的誤差較大大各天銜接處處平滑處理理絕對濕度模模型的建立立絕對濕度的的模擬是通通過間接的的方法得到到：利用已模擬擬出的逐時時溫度計(jì)算算逐時飽和和水蒸氣壓壓力；模擬出逐時時相對濕度度；逐時水蒸汽汽分壓力（（絕對濕度度）＝逐時時相對濕度度×逐時飽和水水蒸氣壓力力；水蒸氣分壓壓力飽和水蒸氣氣分壓力相對濕度相對濕度的的逐時模擬擬資料表明，，相對濕度度日變化主主要決定于氣溫溫日變化，但位相相反，即最低相相對濕度出出現(xiàn)在午后后最高溫度度時段，而而相對濕度度最高值出出現(xiàn)在清晨晨溫度最低低時刻。因此可用模模擬溫度的的方法來模模擬相對濕濕度，只要要變化方向向相反即可可。日平均相對對濕度日最低相對對濕度日最高相對對濕度＝2×日平均相對對濕度－日日最低相對對濕度各天銜接處處平滑處理理太陽輻射模模型的建立立太陽輻射量量的逐時模模擬主要包包括兩方面面：總輻射的逐逐時模擬直射和散射射的分離總輻射的逐逐時模擬太陽總輻射射的逐時模模擬采用Collores-Perein和Rabl模模型（簡稱稱C.P.R模型））：小時中點(diǎn)的的時角水平面日輻輻射總量直射和散射射的分離根據(jù)水平面接受受到的太陽陽日總輻射射與大氣層外太太陽日總輻輻射之比Kt的范圍，可可分為如下下四種情況況：已知可計(jì)算得到到Kt<=0.280.5<Kt<0.74晴天有云陰陰0.28<Kt<0.5有云陰Kt>=0.74晴天采用MARKOV鏈來決定某一瞬瞬間的狀態(tài)態(tài)采用MARKOV鏈來決定某一瞬瞬間的狀態(tài)態(tài)直射和散射射的分離陰有云晴—水平面直射射輻射強(qiáng)度度/大氣層外輻輻射強(qiáng)度在在水平面的的投影—散射輻射強(qiáng)強(qiáng)度/大氣層外輻輻射強(qiáng)度在在水平面的的投影—水平面總輻輻射強(qiáng)度/大氣層外輻輻射強(qiáng)度在在水平面的的投影可由逐時總總輻射計(jì)算算得到風(fēng)速模型的的建立在陸地上，，一般風(fēng)速速以午后最大，因?yàn)闉橄聣|面最最熱，對流流旺盛，高高空大風(fēng)下下傳的動量量也最多。。日落前的的16－19時地面開始始逐漸冷卻卻，氣層趨趨于穩(wěn)定，，因而風(fēng)速速急減，入入夜后風(fēng)速速基本保持持穩(wěn)定，一一直到日出出后因近地地氣層不穩(wěn)穩(wěn)定而風(fēng)速速迅速增大大，10－11時即達(dá)到峰峰值附近，，11－16時是全天風(fēng)風(fēng)速最大的的時段。實(shí)測哈爾濱濱、北京、、漢口和廣廣州四站的的年平均風(fēng)風(fēng)速日變化化曲線理想風(fēng)速日日變化T1=日出時刻＋＋1（小時）T2=正午時刻＋＋3（小時）T3=日落時刻＋＋2（小時）T1時刻，日最最小風(fēng)速，，可利用日平平均風(fēng)速和和日最大風(fēng)風(fēng)速求得T2時刻，日最最大風(fēng)速，，已知T3這種變化規(guī)規(guī)律不能完完全反映一一天的風(fēng)速速變化規(guī)律律！理想風(fēng)速模模型與馬爾爾可夫鏈的的聯(lián)合應(yīng)應(yīng)用把理想風(fēng)速速得到的逐逐時值作為為各時刻的的期望望部部分分，把把馬馬爾爾可可夫夫鏈鏈得得到到的的逐逐時時值值作作為為隨機(jī)機(jī)部部分分。如何何確確定定這這兩兩者者的的比比例例？？通過過對對密密云云逐逐時時風(fēng)風(fēng)速速原原始始數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的試試算算發(fā)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，，當(dāng)當(dāng)期望望部部分分的的權(quán)權(quán)重重為為0.65,隨機(jī)機(jī)部部分分的的權(quán)權(quán)重重為為0.35時，，模模擬擬產(chǎn)產(chǎn)生生的的風(fēng)風(fēng)速速與與原原始始數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)的的RMSE(均方方根根誤誤差差)和SDE(標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)誤誤差差)最小小。。模擬擬風(fēng)風(fēng)速速＝＝0.65*期望望部部分分＋＋0.35*隨機(jī)機(jī)部部分分風(fēng)向向模模型型的的建建立立以每每日日最最大大風(fēng)風(fēng)速速時時刻刻的的風(fēng)風(fēng)向向?yàn)闉槠鹌瘘c(diǎn)點(diǎn)，，用用馬馬爾爾可可夫夫鏈鏈的的方方法法模模擬擬當(dāng)天天最最大大風(fēng)風(fēng)速速時時刻刻以以后后，，下下一一天天最最大大風(fēng)風(fēng)速速時時刻刻之之前前的的風(fēng)風(fēng)向向?。≡擇R馬爾爾可可夫夫鏈鏈?zhǔn)鞘歉鷵?jù)據(jù)密密云云1993－2000年的的逐逐時時風(fēng)風(fēng)向向數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)計(jì)計(jì)算算得得到到的的。?！照照瞻侔俜址致事省麎簤?，，[mbar]天空空有有效效溫溫度度的的模模擬擬天空空有有效效溫溫度度是是大大氣氣水水汽汽含含量量、、云云量量（（或或日日照照百百分分率率））、、氣氣溫溫及及地地表表溫溫度度的的函函數(shù)數(shù)。。文文獻(xiàn)獻(xiàn)表表明明，，天天空空有有效效溫溫度度可可由由下下式式求求得得：：Ta————空氣氣干干球球溫溫度度，，[K]Ts————地表表溫溫度度，[K][K]已求求得得已求求得得日照照百百分分率率的的逐逐時時模模擬擬利用用實(shí)實(shí)測測的的逐逐日日日日照照小小時時數(shù)數(shù)，，逐逐時時日日照照百百分分率率可可由由下下式式得得到到：：———相對對日日照照百百分分率率，，表表示示某某一一期期間間內(nèi)內(nèi)日日照照率率和假假設(shè)設(shè)太太陽陽高高度度角角為為90度的的日日照照率率的的比比值值表示示太太陽陽高高度度角角日照照小小時時數(shù)數(shù)，，已已知知逐時時相相對對日日照照百百分分率率的的在在一一天天內(nèi)內(nèi)的的積積分分，，假假設(shè)設(shè)太太陽陽高高度度角角為為90度時時的的日日照照小小時時數(shù)數(shù)。。地表表溫溫度度的的逐逐時時模模擬擬文獻(xiàn)獻(xiàn)表表明明，，地地表表溫溫度度是是空空氣氣干干球球溫溫度度,總輻輻射射強(qiáng)強(qiáng)度度和和地地面面與與天天空空之之間間的的長長波波輻輻射射交交換換量量的的線線性性函函數(shù)數(shù)：：空氣干球溫度度總輻射強(qiáng)度地面與天空之之間的長波輻輻射交換量利用上海逐時時實(shí)測地表溫溫度進(jìn)行多元元線性回歸，，得到A、B、C、D的值。本時刻上一時刻天空有效溫度度的模擬逐時模擬數(shù)據(jù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)據(jù)的比較——溫度數(shù)據(jù)來源——上海1998-2002逐時氣象數(shù)據(jù)據(jù)絕對誤差平均誤差均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差

0.0871.381.38相對誤差平均誤差平均絕對誤差——

1.0%17.5%——相對誤差＝絕絕對誤差/日波幅平均誤差均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差平均絕對誤差差逐時模擬數(shù)據(jù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)據(jù)的比較——絕對濕度數(shù)據(jù)來源——上海1998-2002逐時氣象數(shù)據(jù)據(jù)絕對誤差g/kg干空氣平均誤差均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差

0.0860.820.82相對誤差平均誤差平均絕對誤差——

1.2%6.8%——相對誤差＝絕絕對誤差/日波幅平均誤差均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差平均絕對誤差差逐時模擬數(shù)據(jù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)據(jù)的比較——總輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)來源——上海1998-2002逐時氣象數(shù)據(jù)據(jù)絕對誤差平均誤差均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差

0.106464相對誤差平均誤差平均絕對誤差——

0.01%10.7%——相對誤差＝絕絕對誤差/日波幅平均誤差均方根誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差平均絕對誤差差逐時模擬數(shù)據(jù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)據(jù)的比較——風(fēng)速變化趨勢和數(shù)數(shù)值大小是一一致的逐時模擬數(shù)據(jù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)據(jù)的比較——風(fēng)向月份模擬風(fēng)向?qū)崪y風(fēng)向16969228851380534366255068660887627888527497641106867111976126059數(shù)據(jù)來源——密云1993-2001的逐時風(fēng)向模擬風(fēng)向?qū)崪y風(fēng)向5672年均值比較，，單位：度月均值比較，，單位：度某方向數(shù)據(jù)觀觀測為θ(0°≤θθ<360°°),則θ可用一個單位位矢量描述，，它由N軸(