典型氣象年與典型代表年的選擇方法

典型氣象年與典型代表年的選擇方法

0典型氣象年的選擇和計算方法對影響較大的能源系統(tǒng)（如加熱空調系統(tǒng)、太陽能熱能利用系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)）進行動態(tài)性能評估，并考慮時間上的太陽輻射、干濕球溫度、風速等氣象參數(shù)的影響。其中,對于供暖空調系統(tǒng),太陽輻射與干濕球溫度,則通過影響新風負荷和圍護結構負荷而影響建筑物室內熱環(huán)境和逐時建筑能耗。然而,氣象參數(shù)卻是逐時變動的,有其任意性與不確定性。若要模擬系統(tǒng)的動態(tài)性能及預測能耗,有代表性的全年逐時氣象數(shù)據(jù)必不可少。典型氣象年是由一系列逐時的太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)年,具有以下特征:a)其太陽輻射、空氣溫度與風速等氣象數(shù)據(jù)發(fā)生頻率分布與過去多年的長期分布相似;b)其氣象參數(shù)與過去多年的參數(shù)具有相似的日參數(shù)標準連續(xù)性;c)其氣象參數(shù)與過去多年的參數(shù)具有不同參數(shù)間的關聯(lián)相似性。在國外有很多關于計算典型氣象年的文獻。最為常見的方法是由Hall等人最先提出的經(jīng)驗法,利用Filkenstein-Schafer(FS)統(tǒng)計法從過去多年的氣象數(shù)據(jù)中計算選擇出12個典型月氣象數(shù)據(jù)組成典型氣象年。最終的選擇結果考慮了干球溫度與日太陽輻射總量的統(tǒng)計與連續(xù)性結構。Argiriou等人比較了目前的一些計算典型氣象年的方法,并作了一個實例研究。對于不同的能源系統(tǒng),典型氣象年的選擇計算可以采用不同的加權因子,文獻介紹了使用不同加權因子對不同城市與地區(qū)的典型氣象年的選擇計算。上述文獻計算結果主要應用于建筑能耗分析,而文獻則介紹了評估太陽能和風能利用的典型氣象年的選擇計算方法,并采用分布概率函數(shù)PDF(pro-babilitydistributionfuntion)方法計算分析氣象數(shù)據(jù)的連續(xù)性。典型代表年的選取則簡單得多,依據(jù)過去多年的氣象數(shù)據(jù)選出具有代表性的一整年數(shù)據(jù)即可作為典型代表年。這樣的選擇方法使得有的月份很具有代表性,但有的月份則偏差較大。在香港,近幾年發(fā)展起來的計算機建筑物能耗動態(tài)模擬計算和對新能源發(fā)展?jié)摿Φ墓浪?都迫切需要典型氣象年數(shù)據(jù)。然而,香港在這方面的研究很有限,雖然文獻和文獻介紹了有關典型氣象年的選取,但大部分的計算機模擬一直以文獻選出的香港典型代表年為依據(jù),即在1979—1991年13年的逐時氣象數(shù)據(jù)中確定1989年為典型代表年。對于中國別的地區(qū)的典型氣象年數(shù)據(jù)則還沒有看到更多的文章涉及,只是在文獻中介紹了典型氣象月選取的原則和如何利用中國非小時數(shù)據(jù)建立小時數(shù)據(jù)的方法。為了探討不同的方法所計算出的典型氣象年和典型代表年的區(qū)別,及它們對計算典型年對建筑物逐時動態(tài)模擬結果的影響,本文使用了包括Hall,Marion,ASHRAE(1998),Wong和Ngan,以及Lu和Yang的方法,利用香港1979—2000年22年的氣象數(shù)據(jù),計算出香港的典型氣象年和典型代表年,并使用不同的數(shù)據(jù),對一棟多功能商業(yè)大廈的圍護結構傳熱、室內熱環(huán)境和空調負荷進行了動態(tài)逐時全年模擬。1不同季節(jié)動態(tài)的氣象參數(shù)的連續(xù)性筆者采用最為常見的PDF來研究氣象參數(shù)的分布特性,選擇具有最小加權和WS(weightingsum)的月份為典型氣象月。而對于一些要考慮氣候連續(xù)性的系統(tǒng)、對象,則要考慮氣象參數(shù)的連續(xù)性。通常的做法是從所有年中選出5個具有最小加權和的月份,對不同氣象參數(shù)用日連續(xù)分布概率函數(shù)選出最小的加權和作為最終的典型氣象月。這樣選出的典型月份具有與長期統(tǒng)計最相似的分布特征與連續(xù)特征。1.1加權因子的選取選取典型氣象月時使用量綱一參數(shù)FS進行統(tǒng)計,通過對PDF的比較來確定。對于不同的能源系統(tǒng),計算選擇典型代表月時,考慮的逐時氣象參數(shù)不同;而對于同一參數(shù)其加權因子也會因系統(tǒng)特性的不同而不同。考慮到氣象數(shù)據(jù)的分布,具有最小加權和的月份即為典型氣象月,具體計算方法如下:FSj(y?m)=1N∑i=1N∣∣PDFy?m(Xj(i))?PDFm(Xj(i))∣∣(1)FSj(y?m)=1Ν∑i=1Ν|ΡDFy?m(Xj(i))-ΡDFm(Xj(i))|(1)式中FSj(y,m)——第j個氣象參數(shù)值域在X(i)范圍的FS(y,m)統(tǒng)計值,y為研究對象年,m為研究對象年中的月份;PDFy,m(Xj(i))——第j個氣象參數(shù)值域在X(i)范圍的PDF值;PDFm(Xj(i))——對于月份m,第j個氣象參數(shù)長期統(tǒng)計值域在X(i)范圍的PDF值;N——參數(shù)值選取個數(shù),取決于參數(shù)的始點值、終點值和步距。WS(y?m)=1M∑j=1M(WFjFSj)(2)WS(y?m)=1Μ∑j=1Μ(WFjFSj)(2)式中M——逐時氣象參數(shù)選取的個數(shù);WS(y,m)——y年m月的平均加權和;WFj——第j個氣象參數(shù)的加權因子,見表1,∑j=1MWFj=1∑j=1ΜWFj=1。不同的文獻使用了不同的加權因子值。除文獻使用的方法可用于風力和光伏等新能源系統(tǒng)外,其他方法主要適用于建筑物能耗動態(tài)模擬和太陽能應用系統(tǒng),給予太陽輻射參數(shù)較大的加權因子。在實際應用中,對于不同性能及特性的系統(tǒng),選擇合適的氣象參數(shù)及其加權因子對于選擇典型氣象月與典型氣象年是非常重要的。1.2典型月氣象參數(shù)的連續(xù)性特征氣象數(shù)據(jù)的連續(xù)性結構很大程度上影響一些系統(tǒng)的可靠性與系統(tǒng)的能量儲存容量與運作性能。譬如對于太陽能系統(tǒng)與風力發(fā)電系統(tǒng),連續(xù)幾天的陰雨氣象條件與連續(xù)幾天的無風氣象條件都會影響系統(tǒng)的正常運行。所以典型月氣象參數(shù)的連續(xù)性特征與長期氣象連續(xù)性特征一致性也是一個非常重要的評估標準。連續(xù)性的參數(shù)一般只考慮最為重要的數(shù)據(jù)變量,對于太陽能利用系統(tǒng)與建筑物動態(tài)模擬系統(tǒng),一般考慮干球溫度與太陽輻射總量兩個因子,而對于太陽能和風能綜合系統(tǒng),則要考慮太陽輻射總量與風速兩個因子,具體計算PDF的方法可參照文獻。1.3hr、hdrt的計算由于氣象臺站所提供的氣象數(shù)據(jù)中的太陽輻射數(shù)據(jù)一般只有輻射總量,而建筑能耗模擬計算時,必須將太陽輻射總量分為太陽直射輻射量與太陽散射輻射量。本文采用了文獻提出的模型:hdhr=1?0.435kT0≤kT＜0.325hdhr=1.41?1.695kT0.325≤kT≤0.679hdhr=0.2590.679＜kT???????????(3)hdhr=1-0.435kΤ0≤kΤ＜0.325hdhr=1.41-1.695kΤ0.325≤kΤ≤0.679hdhr=0.2590.679＜kΤ}(3)式中hd,hr分別為水平面上的太陽散射輻射量和總輻射量;kT為地表面水平面太陽總輻射量和大氣層外太陽總輻射量的比值。對于香港地區(qū)該模型的均方根誤差為0.238,均方差則為0.0247。2典型氣象年的創(chuàng)建依據(jù)不同標準,可以得到不同的典型氣象年。從22年氣象數(shù)據(jù)中選取具有最小加權和的月份作為典型月,由12個不同的典型月組成典型氣象年。表2僅給出了根據(jù)文獻選出的代表月(陰影部分為第一選擇)。以LY方法選出的典型月作為標準,以評價太陽能光伏發(fā)電和風能發(fā)電系統(tǒng)能耗為目標,圖1給出了5種方法得出的相同月份結果的比較。從中可以看出用Hall和MU方法得出的結果偏離度最大,因為其考慮風速的加權因子最小,而由ASHRAE和WN所選擇出的典型年較為適合新能源的利用。3典型代表年的確定本文采用香港天文臺提供的1979—2000年22年的氣象數(shù)據(jù),包括干濕球溫度、太陽輻射量與風速(香港的地理位置為:北緯22°18′,東經(jīng)114°10′)。依據(jù)典型代表年的定義,利用上面提到的不同方法應用到全年的數(shù)據(jù)上(而非每月數(shù)據(jù)),選擇出不同的典型代表年,如圖2所示?？梢娪肏all和MU方法計算的結果變化趨勢最為相近,而其他結果則由于不同參數(shù)使用了不同加權因子的緣故而有比較大的變化差異。由此可見,不同氣象參數(shù)的加權因子的大小在很大程度上影響典型代表年的選擇結果。表3列出了依據(jù)不同方法計算出的按優(yōu)先次序排列的典型代表年。依據(jù)ASHRAE方法計算出的典型代表年為1989年,但1989年在Hall和LY結果中則列為第4(表3中陰影部分),足以表明用不同的標準和計算方法所得出的結果相差很大。4香港氣候特征對模擬能耗分析的影響為驗證由不同標準選出的典型氣象年和典型代表年對建筑能耗模擬結果的影響與影響程度,本文對一多功能商業(yè)大樓進行了逐時動態(tài)模擬。而對于風能利用系統(tǒng)、太陽能利用系統(tǒng)以及太陽能和風能復合系統(tǒng),模擬計算結果參見文獻,不同典型氣象年和典型代表年對太陽能系統(tǒng)影響較小,而對于風能系統(tǒng)則較大。該多功能商業(yè)大樓共9層,為鋼筋混凝土結構,建筑面積為102472m2,包括超市、電影院、咖啡館、餐館、購物中心及俱樂部等。考慮到香港的氣候特點,對建筑物逐時動態(tài)能耗分析,只考慮空調系統(tǒng)的冷負荷。應用的模擬軟件為HTB2軟件,計算結果以1989年作為標準。對于典型代表年,最大偏差值可達12%。而對于典型氣象年,其偏差則較小,在5%的誤差允許范圍之內。在使用香港的氣象參數(shù)情況下,不同的典型代表年對于模擬結果偏差很大,這表明對于建筑物動態(tài)能耗分析,采用典型氣象年結果更為接近,具有更好的可靠性。對于不同典型氣象年,偏差較小的原因之一是因為干濕球溫度(影響空調新風負荷的重要因素,而空調新風負荷在整個空調系統(tǒng)負荷中所占比例很大,受外圍因素影響)是非常重要的兩個參數(shù),但在香港濕熱的氣候下變化很小。另外一個原因是這兩個參數(shù)在不同計算標準中給出的加權因子大小差不多。因為香港的氣候特別,沒有像北方城市很明顯的春夏秋冬季節(jié),全年溫度變化小。但對于其他氣候特征不同的城市和地區(qū),模擬結果會大為不同。對于不同地區(qū)與城市,研究不同典型氣象年對于模擬結果的影響和選擇正確的典型氣象年是正確評估系統(tǒng)的前提。5典型實踐企業(yè)能耗評估結果本文介紹了目前常用的選擇典型氣象年與典型代表年的方法,利用香港22年的氣象數(shù)據(jù),得出了香港的典型氣象年與典型代表年,并比較了應用五種不同選擇方法所得結果