夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的逐時(shí)資料

夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的逐時(shí)資料

0典型氣象年逐時(shí)資料的開(kāi)發(fā)氣象參數(shù)是影響建筑室內(nèi)熱環(huán)境和供暖空調(diào)能耗的主要因素。特別是在應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬時(shí)，如果沒(méi)有連續(xù)的太陽(yáng)輻射、干球溫度、露點(diǎn)溫度或濕度、高壓、風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)，則無(wú)法完成。由于每年的氣象狀態(tài)差異很大,許多國(guó)家的研究人員致力于用典型氣象年來(lái)代表多年典型的氣象狀況。盡管研究細(xì)節(jié)有所不同,但組成典型氣象年的原則是相同的,即它的12個(gè)月份均具最有代表性的氣候狀況,由此組成一個(gè)人造的“典型氣象年”。我國(guó)《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》(征求意見(jiàn)稿)中對(duì)“典型氣象年”的定義為:“以近30年的月平均值為依據(jù),從近10年的資料中選取一年各月接近30年的平均值作為典型氣象年。由于選取的月平均值在不同的年份,資料不連續(xù),還需要進(jìn)行月間平滑處理”。我國(guó)以往也開(kāi)發(fā)過(guò)典型氣象年逐時(shí)氣象資料,比如文獻(xiàn)的作者就是應(yīng)用北京、上海的逐時(shí)資料,在勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用DOE-2軟件作建筑能耗分析計(jì)算。但是,直接從我國(guó)氣象臺(tái)站記錄的資料來(lái)獲得典型氣象年的逐時(shí)資料有相當(dāng)?shù)碾y度。這是因?yàn)楸M管我國(guó)氣象臺(tái)記錄主要城市的氣象資料已有幾十年,但轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字資料需較大的工作量;其次,除了極少數(shù)的氣象臺(tái)外,氣象資料并非逐時(shí)測(cè)量,而是3h或6h間隔的記錄值,每日最大/最小值,以及只有部分臺(tái)站進(jìn)行太陽(yáng)輻射測(cè)量,但只測(cè)量逐日太陽(yáng)輻射總量和散射輻射量。在編制《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》時(shí),需要該地區(qū)一些主要城市的典型氣象年逐時(shí)資料來(lái)進(jìn)行能耗分析。為此,我們進(jìn)行了如下的工作:①與美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行技術(shù)合作,至今已開(kāi)發(fā)了26個(gè)中國(guó)城市的典型氣象年(TMY)逐時(shí)氣象資料。這些原始?xì)庀髷?shù)據(jù)取自中國(guó)機(jī)場(chǎng)報(bào)道的、由美國(guó)氣象庫(kù)服務(wù)中心記錄的16年(1982-1997)氣象資料。②由于這些氣象資料只記錄了不同高度的云層狀況,所以最為重要的研究是結(jié)合溫度、濕度和風(fēng)速資料,由云層狀況來(lái)計(jì)算出太陽(yáng)輻射總量和散射輻射量。③驗(yàn)證計(jì)算值的可信性。將計(jì)算得到的太陽(yáng)輻射值與我國(guó)3個(gè)城市目前已有逐時(shí)實(shí)測(cè)的太陽(yáng)輻射值,和我們手頭上一些城市實(shí)測(cè)的逐日太陽(yáng)輻射總量相比較,結(jié)果是令人滿(mǎn)意的,與實(shí)測(cè)的逐時(shí)值相差20%,與實(shí)測(cè)的逐日值相差10%。26個(gè)城市的氣象資料已編制成國(guó)際單位制的ASCII件,或作為DOE-2.1E軟件的氣象資料輸入文件。盡管已經(jīng)得到了中國(guó)70個(gè)城市的原始?xì)庀筚Y料,但是我們計(jì)劃分批開(kāi)發(fā)成為應(yīng)用DOE-2模擬軟件的氣象資料輸入文件。第一批開(kāi)發(fā)出26個(gè)主要城市,第二批則視時(shí)間與資源開(kāi)發(fā)其余44個(gè)城市。1非美國(guó)城市的逐時(shí)數(shù)據(jù)我國(guó)主要城市典型氣象年資料的開(kāi)發(fā),其原始?xì)庀筚Y料源來(lái)自于國(guó)際地表面氣象觀(guān)察站(ISWO),并由美國(guó)國(guó)家氣象資料中心(NCDC)裝在光盤(pán)中。這些資料當(dāng)初是為了更新美國(guó)供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)編制的《基礎(chǔ)手冊(cè)》中設(shè)計(jì)氣象表而制作的。ISWO數(shù)據(jù)庫(kù)包含了922個(gè)美國(guó)城市和880個(gè)非美國(guó)城市、16年(1982-1997)的氣象資料,在非美國(guó)城市中有70個(gè)城市在中國(guó)。ISWO原始數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)該城市當(dāng)?shù)貧庀笈_(tái)站的氣象廣播、由美國(guó)軍事衛(wèi)星記錄下來(lái)的。因此,盡管數(shù)據(jù)庫(kù)從美國(guó)政府組織獲得,但氣象資料本身符合當(dāng)?shù)赜涗洝Ｎ覀冊(cè)鴮SWO資料與從中國(guó)氣象局獲得的同一城市、同一年份的干球溫度相比,其記錄數(shù)據(jù)十分一致。ISWO氣象資料庫(kù)中記錄的氣象參數(shù)有干球溫度、露點(diǎn)溫度、大氣壓力、風(fēng)速和風(fēng)向,以及不同高度的云層量。除了從1988年開(kāi)始,北京、上海和廣州3個(gè)城市外(該3城市已有逐時(shí)記錄),ISWO氣象資料庫(kù)中中國(guó)城市的資料是按3h的時(shí)間間隔記錄的。為了從3h的間隔記錄獲得逐時(shí)數(shù)據(jù),我們開(kāi)發(fā)、提出了插補(bǔ)法的計(jì)算公式,并進(jìn)行了驗(yàn)證。因?yàn)镮SWO資料不包含太陽(yáng)輻射資料,我們采取了日本學(xué)者先前做過(guò)的類(lèi)似研究工作,即由干球溫度、前幾小時(shí)溫度的變化、相對(duì)濕度、云量及風(fēng)速,以及太陽(yáng)直射與散射和太陽(yáng)角的中分面,和太陽(yáng)總輻射量與宇宙總量的比例來(lái)確定太陽(yáng)輻射總量。這種計(jì)算的準(zhǔn)確性已經(jīng)由以上3個(gè)城市逐時(shí)太陽(yáng)輻射資料得到了驗(yàn)證。2太陽(yáng)輻射的測(cè)量正如上面提及的,ISWO數(shù)據(jù)庫(kù)中不包括太陽(yáng)輻射資料,因此,課題研究最具有挑戰(zhàn)性的是開(kāi)發(fā)計(jì)算太陽(yáng)輻射總量的數(shù)學(xué)模型。而太陽(yáng)輻射會(huì)在很大程度上影響室內(nèi)熱環(huán)境,尤其是被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑、具有大面積窗的建筑,以及空調(diào)時(shí)建筑的室內(nèi)熱環(huán)境。因此,建立一個(gè)符合實(shí)際情況的太陽(yáng)輻射模型尤為重要。所記錄的氣象資料中,云量是影響計(jì)算太陽(yáng)輻射量的主要因素,而低層云量會(huì)在很大程度上影響太陽(yáng)輻射量。然而,由于低層云量經(jīng)常未被報(bào)道,無(wú)法包含在我們研究的模型中。另一方面,干球溫度升高速率與太陽(yáng)輻射量有關(guān)聯(lián),它可作為第二個(gè)參數(shù)用于計(jì)算太陽(yáng)輻射量;相反,相對(duì)濕度則與太陽(yáng)輻射量呈負(fù)關(guān)聯(lián)。松尾陽(yáng)等開(kāi)發(fā)了一個(gè)計(jì)算太陽(yáng)輻射量的模型,它是基于云量、干球溫度差、相對(duì)濕度和風(fēng)速,應(yīng)用6h測(cè)量間隔。但它有兩個(gè)缺點(diǎn),第一,不能確定較長(zhǎng)時(shí)間的6h測(cè)量間隔對(duì)太陽(yáng)輻射模型精度的影響程度;第二,當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度弱的時(shí)候,該模型計(jì)算的太陽(yáng)輻射量偏大,而太陽(yáng)輻射強(qiáng)度強(qiáng)時(shí),該模型計(jì)算的結(jié)果偏小。在我們的研究中,開(kāi)發(fā)了一個(gè)類(lèi)似松尾陽(yáng)的太陽(yáng)模型,它包含的氣象參數(shù)有總云量、干球溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)速,見(jiàn)式(1),并從其他同事處獲得的1993年北京、廣州逐時(shí)水平面太陽(yáng)輻射總量,用多參數(shù)分析計(jì)算方法獲得模型中的常數(shù)。Ι=Ι0sinh?[C0+C1(CC)+C2(CC)2+C3(tn-tn-3)+C4φ+C5vw]-dk當(dāng)Ι＞0Ι=0當(dāng)Ι＜0}(1)I=I0sinh?[C0+C1(CC)+C2(CC)2+C3(tn?tn?3)+C4φ+C5vw]?dk當(dāng)I＞0I=0當(dāng)I＜0???????(1)式中I為計(jì)算的太陽(yáng)輻射量,W/m2;I0為太陽(yáng)常數(shù),W/m2;h為太陽(yáng)角,即太陽(yáng)光與水平面的夾角,°;CC為云量;φ為相對(duì)濕度,%;tn,tn-3分別為n和n-3小時(shí)的干球溫度,℃;vw為風(fēng)速,m/s;C0,C1,C2,C3,C4,C5,d,k為回歸系數(shù)。C0=0.560,C1=0.498,C2=-0.676,C3=0.0284,C4=-0.0032,C5=0.014,d=-17.85,k=0.843。太陽(yáng)輻射的測(cè)量值與由式(1)的計(jì)算值的關(guān)系顯示于圖1,它們的相關(guān)系數(shù)為0.95,這說(shuō)明用式1)進(jìn)行北京、廣州逐時(shí)水平面太陽(yáng)輻射量的計(jì)算可以獲得很好的精度。為了驗(yàn)證式1)應(yīng)用于其它城市及年份時(shí)的精度,將我國(guó)一些城市及年份氣象臺(tái)測(cè)得的逐日太陽(yáng)輻射總量與用式1)計(jì)算獲得的值進(jìn)比較,圖2為重慶1988年資料的比較結(jié)果。由此說(shuō)明式(1)也可以很好地用于計(jì)算中國(guó)其它城市水平面太陽(yáng)輻射量。在建筑能量模擬計(jì)算時(shí),必須將太陽(yáng)輻射總量分為直射及散射太陽(yáng)輻射量。我們應(yīng)用了渡邊俊行在計(jì)算日本城市時(shí)開(kāi)發(fā)的下列模型。ΚΤ=ΙΙ0sinh?ΚΤC=0.4268+0.1934sinhΚDS=ΚΤ-(1.107+0.03569sinh+1.681sin2h)(1-ΚΤ)2當(dāng)ΚΤ≥ΚΤCΚDS=(3.996-3.862sinh+1.540sin2h)ΚΤ3當(dāng)ΚΤ＜ΚΤCDΗ=Ι0sinhΚDS(1-ΚΤ)1-ΚDSSΗ=Ι0sinh(ΚΤ-ΚDS)1-ΚDS}(2)KT=II0sinh?KTC=0.4268+0.1934sinhKDS=KT?(1.107+0.03569sinh+1.681sin2h)(1?KT)2當(dāng)KT≥KTCKDS=(3.996?3.862sinh+1.540sin2h)KT3當(dāng)KT＜KTCDH=I0sinhKDS(1?KT)1?KDSSH=I0sinh(KT?KDS)1?KDS?????????????????????????????????????????????????(2)式中KT,KTC,KDS為中間計(jì)算時(shí)的系數(shù);I為水平面上太陽(yáng)輻射量,W/m2;DH為水平面上太陽(yáng)直射輻射量,W/m2;SH為太陽(yáng)散射輻射量,W/m2。由于氣象臺(tái)沒(méi)有逐時(shí)測(cè)量的散射太陽(yáng)輻射量資料,我們將幾個(gè)城市氣象臺(tái)測(cè)量的逐日散射太陽(yáng)輻射量與由式(2)計(jì)算的散射太陽(yáng)輻射量進(jìn)行比較(見(jiàn)圖3和圖4)。發(fā)現(xiàn)全年除去不到10%的天數(shù)外,兩者有很好的一致性。圖5對(duì)9個(gè)城市氣象臺(tái)測(cè)量的全年太陽(yáng)輻射總量、散射太陽(yáng)輻射量與計(jì)算值進(jìn)行了比較,計(jì)算的水平面全年太陽(yáng)輻射總量與全部9個(gè)城市測(cè)量值十分吻合,只是計(jì)算散射太陽(yáng)輻射量的誤差略大于太陽(yáng)輻射總量。這是因?yàn)樯⑸涮?yáng)輻射量的計(jì)算基于太陽(yáng)輻射總量資料,計(jì)算散射太陽(yáng)輻射量的誤差也包括了計(jì)算太陽(yáng)輻射總量誤差之故。3典型氣象月的選擇步驟典型氣象年由12個(gè)典型氣象月組成,它們的選擇原則如下:所選月份應(yīng)是其氣象參數(shù)與16年(1982—1997)平均值最為接近的月份,月與月之間的一些氣象參數(shù)應(yīng)該變化平滑沒(méi)有突變。在具體選擇典型氣象月時(shí),各學(xué)者之間也有些不同,比如松尾陽(yáng)等和NREL就提出了各別的方法。在我們的研究中,綜合考慮了該兩種方法,提出了選擇的原則。所提出方法的特點(diǎn)是:既要考慮全部氣象參數(shù)的平均值,也要考慮其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),以確保所選的月份不僅非常接近氣象測(cè)量周期的平均值,而且與平均月份有類(lèi)似的結(jié)構(gòu)。思路為:首先,排除那些月平均干球溫度、露點(diǎn)溫度、太陽(yáng)輻射和風(fēng)速值超出標(biāo)準(zhǔn)偏差規(guī)定范圍的月份;然后,計(jì)算剩余月份的WS值,選擇具有最小WS值的月份為典型氣象月。具體步驟如下。①選擇這樣的月份,其月平均干球溫度、露點(diǎn)溫度、太陽(yáng)輻射量和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.6。如果進(jìn)行了步驟①之后,只有一個(gè)符合要求的,那么它即為典型氣象月。如果沒(méi)有符合要求的,進(jìn)入步驟②。如果多于一個(gè)符合要求的,則進(jìn)行步驟④。②選擇這樣的月份,其月平均干球溫度、露點(diǎn)溫度、太陽(yáng)輻射量和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.8。如果進(jìn)行了步驟②之后,只有一個(gè)符合要求的,那么它即為典型氣象月。如果沒(méi)有符合要求的,進(jìn)入步驟③。如果多于一個(gè)符合要求的,則進(jìn)行步驟④。③選擇這樣的月份,其月平均干球溫度、露點(diǎn)溫度、太陽(yáng)輻射量和風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.0。如果進(jìn)行了步驟③之后,只有一個(gè)符合要求的,那么它即為典型氣象月。如果多于一個(gè)符合要求的,則進(jìn)行步驟④。④比較剩余月份的WS值,選擇WS值最小的那個(gè)月份為典型氣象月。WS值按如下公式計(jì)算:WS=∑Wi?FSi(3)式中Wi為加權(quán)因子;FSi為Finkelstein-Schafer統(tǒng)計(jì)值,由如下9個(gè)氣象參數(shù)確定,即干球溫度和露點(diǎn)溫度的最大、最小和平均值;風(fēng)速的最大和平均值;太陽(yáng)輻射的平均值。FS值越小,氣象參數(shù)的結(jié)構(gòu)越接近平均年。在個(gè)別情況下,進(jìn)行步驟③后可能沒(méi)有符合要求的月份,如果是這樣,可以放棄判斷風(fēng)速或露點(diǎn)溫度的偏差值,以便至少有一個(gè)月份可以成為典型氣象月。在我們的實(shí)際計(jì)算中,只有極少的月份選自1993至1997年,這倒不是因?yàn)樗鼈兊臍庀筇卣?而是由于這段時(shí)間丟失的數(shù)據(jù)太多。4ansinn12t式由于數(shù)據(jù)庫(kù)中的氣象資料大部分為3h間隔,但在全年能量模擬計(jì)算時(shí),氣象參數(shù)應(yīng)該是1h間隔的,我們研究了干球溫度、露點(diǎn)溫度、太陽(yáng)輻射量、風(fēng)速和總云量的插補(bǔ)步驟。應(yīng)用與每天時(shí)間(小時(shí))有關(guān)聯(lián)的兩個(gè)各別的公式來(lái)插補(bǔ)干球溫度。首先,由于干球溫度呈周期性變化,可以用如下傅里葉級(jí)數(shù)來(lái)表示。θ(t)=b0+∑[bncos(nπ12t)+ansin(nπ12t)](4)式中b0=188∑k=1θ(k)bn=148∑k=1θ(k)cosnπk4an=148∑k=1θ(k)sinnπk4其次,在先前按日本氣象資料研究時(shí),我們發(fā)現(xiàn)式(4)當(dāng)n=3或n=4時(shí)計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值十分接近。但是,我們也發(fā)現(xiàn)從20:00到次日5:00的時(shí)間段中干球溫度用式(4)那樣的傅里葉級(jí)數(shù)方程式來(lái)計(jì)算會(huì)導(dǎo)致較大的誤差。因?yàn)楦道锶~級(jí)數(shù)意味著溫度呈周期變化,即一天的開(kāi)始時(shí)溫度應(yīng)等于那天結(jié)束時(shí)的溫度。但是當(dāng)這種假定不符合實(shí)際情況,由式