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漢中采暖期太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)度的計(jì)算

陳婕（陜西理工學(xué)院，陜西漢中723000）

采用2010版《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中主要城市氣象參數(shù)的計(jì)算模式，對(duì)夏熱冬冷地區(qū)代表城市——漢中采暖期太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果對(duì)夏熱冬冷地區(qū)的居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的完善有一定的參考價(jià)值。

太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)度；漢中；采暖期

1　概述

為貫徹國(guó)家有關(guān)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的法律、法規(guī)和政策，改善嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑熱環(huán)境，提高采暖的能源利用效率，我國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部制定《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26 一2010）和《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134—2010）為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。原《民用建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（采暖居住建筑部分）》（JGJ26—95）、原《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134—2001）同時(shí)廢止。

《嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ26—2010）中嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)采用了新的氣候分區(qū)指標(biāo)，即采用采暖度日數(shù)（HDD18）結(jié)合空調(diào)度日數(shù)（CCD26）作為氣候分區(qū)的主要指標(biāo)[1]。以陜西省嚴(yán)寒寒冷地區(qū)主要城市為對(duì)象舉例，將這些城市近10年的室外日平均溫度原始數(shù)據(jù)等資料整理，在其基礎(chǔ)上計(jì)算各個(gè)城市的 HDD18（℃·d）、CDD26（℃·d）、計(jì)算采暖期天數(shù)（d）、采暖期室外平均溫度（℃）、太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)度（W/m2）等各項(xiàng)氣象參數(shù)[2]。陜西省嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)主要城市的建筑節(jié)能計(jì)算用氣象參數(shù)如表1。

由于我國(guó)夏熱冬冷地區(qū)范圍廣，過(guò)去是非采暖地區(qū)，《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ134 —2010）對(duì)居住建筑有關(guān)的建筑、熱工、采暖、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)計(jì)所采用的節(jié)能措施作出相關(guān)規(guī)定，沒(méi)有采用上段提到的采暖度日數(shù)（HDD18）結(jié)合空調(diào)度日數(shù)（CCD26）作為氣候分區(qū)的主要指標(biāo)[3]。故夏熱冬冷地區(qū)主要城市沒(méi)有具體的建筑節(jié)能各氣象參數(shù)及參數(shù)的計(jì)算方法。

本文以陜西省夏熱冬冷地區(qū)代表城市漢中為例，采用2010標(biāo)準(zhǔn)中氣候分區(qū)指標(biāo)及氣象參數(shù)之一的太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)度的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算漢中的氣象參數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行新的氣候的分區(qū)。

嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)主要城市的建筑節(jié)能計(jì)算用氣象參數(shù)[1]表1

2　太陽(yáng)輻射量描述

在建筑物模擬以及建筑設(shè)備設(shè)計(jì)用氣象數(shù)據(jù)，太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)是至關(guān)重要的一部分。特別是在太陽(yáng)房以及太陽(yáng)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究方面，太陽(yáng)輻射量的有關(guān)數(shù)據(jù)更是必不可少的。太陽(yáng)輻射的數(shù)據(jù)難以獲得，雖然這種情況有所改善，但由于科研和工程的需要，在今后的太陽(yáng)輻射模型和太陽(yáng)輻射量的推定仍是有必要的。本文將以漢中為例，討論太陽(yáng)輻射的月累計(jì)模型及采暖期太陽(yáng)總輻射平均強(qiáng)度（W/m2）計(jì)算。

3　太陽(yáng)輻射模型構(gòu)建

太陽(yáng)輻射是地表大氣熱過(guò)程的主要能源，也是室外熱環(huán)境參數(shù)對(duì)建筑物影響較大的一個(gè)。日照和遮陽(yáng)是建筑設(shè)計(jì)必須關(guān)心的事情，這都是針對(duì)太陽(yáng)輻射。特別是對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，必須仔細(xì)考慮可作為能源使用的太陽(yáng)輻射熱。能源的消耗和枯竭迫使人們?cè)O(shè)計(jì)和建造愈來(lái)愈多的被動(dòng)式太陽(yáng)能建筑。太陽(yáng)光穿過(guò)地球大氣層時(shí)，由于受到云層的反射和大氣層中氣體分子及各種微粒的散射和吸收，使得到達(dá)地球表面的輻射強(qiáng)度大大減弱，地理位置不同，到達(dá)地表的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度差異較大。

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射由兩部分組成：一是太陽(yáng)直接射達(dá)地面的部分，稱為直接輻射，它的射線是平行的；另一部分是經(jīng)大氣散射后達(dá)到地面的，它的射線來(lái)自各個(gè)方向，稱為散射輻射。直接輻射與散射輻射之和就是達(dá)到地面的太陽(yáng)輻射總量，稱為總輻射量[4]。根據(jù)前人的研究得知：太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度可以通過(guò)兩種方式得到：

①由一些城市的原始?xì)庀髷?shù)據(jù)中直接獲得日累計(jì)太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度；

②根據(jù)逐時(shí)云量、晴空指數(shù)、日照時(shí)數(shù)以及溫升等參數(shù)，用模型生成（張晴原模型）逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，再統(tǒng)計(jì)成日平均值[5]。

4　研究思路與方法

4.1基本原理

本文的太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度通過(guò)第二種方式得到：根據(jù)逐時(shí)云量、晴空指數(shù)、日照時(shí)數(shù)以及溫升等參數(shù)，用模型生成（張晴原模型）逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，再統(tǒng)計(jì)成日平均值。漢中的標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)由陜西省氣象局提供。清華標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)包括封面（見(jiàn)表2）、逐時(shí)氣象參數(shù)、日干球溫度、月平均干球溫度、最熱月干球溫度、最冷月干球溫度、干球溫度小時(shí)分布圖、日平均含濕量、月平均含濕量、含濕量小時(shí)分布圖、日平均相對(duì)濕度、月平均相對(duì)濕度、太陽(yáng)日總輻射、太陽(yáng)月總輻射、太陽(yáng)散射輻射小時(shí)分布圖、度日數(shù)和度小時(shí)數(shù)。漢中典型年（從1月1日——到12月31日）的以上各種逐時(shí)氣象參數(shù)（見(jiàn)表3）。取逐時(shí)氣象參數(shù)中的云量（單位：成）、風(fēng)速（單位：m/s）數(shù)據(jù)得出采暖月1月、2月、12月的平均值（見(jiàn)表4黃色標(biāo)注數(shù)值，漢中采暖月1月、2月、12月）[6]。

典型氣象（設(shè)計(jì)典型）年逐時(shí)參數(shù)報(bào)表封面　表2

漢中逐時(shí)氣象參數(shù)　表3

漢中采暖期月云量、風(fēng)速及采暖天數(shù)[6]　表4

4.2實(shí)例分析

水平面及其他各個(gè)立面的太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度的計(jì)算是按常規(guī)的逐日累計(jì)太陽(yáng)輻射量生成逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，然后按照不同的朝向進(jìn)行拆分，拆分成直射輻射和散射輻射。

張晴原、JOE Huang所著《中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)》[7]中第五章太陽(yáng)輻射模型及太陽(yáng)輻射量的地區(qū)分布提到月累計(jì)輻射量用海波高度、緯度和云量及風(fēng)速的月平均值推出，公式如下：

式中：Im——月累計(jì)輻射量（MJ/m2）

C0…C4——因月份而取值不同的常數(shù)（見(jiàn)《中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)》第247頁(yè)表5-3）

H——海拔高度（m）

Ψ——該城市的緯度

CCm——月平均云量（成）

υ——月平均風(fēng)速（m/s）

式（1）中不同月份的C0…C4的數(shù)值[7]　表5

由于月累計(jì)輻射量Im（MJ/m2）和日平均輻射量（W/m2）之間的單位換算如下：

日平均輻射量（W/m2）

所以漢中地區(qū)各月日平均輻射量值計(jì)算依據(jù)公式（4），本文以漢中市采暖月1月、2月、12月的日平均輻射量（W/m2）為例，代入以上公式計(jì)算過(guò)程如下：

=790.5+0.0292×508-12.359×33.07-41.15×6+11.96×1.7=170.05347（MJ/m2）

1月日平均輻射量值（W/m2）

2月日平均輻射量值（W/m2）

12月日平均輻射量值（W/m2）

4.3采暖期日平均輻射量

對(duì)于漢中地區(qū)，采暖月為1月天數(shù)為31d、2月天數(shù)為12d、12月天數(shù)為24d（見(jiàn)表4）。采暖期日平均輻射量=采暖期總輻射量/采暖期天數(shù)（5）

采暖期總輻射量（W·d/m2）=1月平均輻射量值×1月采暖期天數(shù)+2月平均輻射量值×2月采暖期天數(shù)+12月平均輻射量值×12月采暖期天數(shù)（6）

先將數(shù)值帶入公式（6）可得：漢中采暖期總輻射量=63.51×31+59.13×12+40.25×24=3644.37 （W·d/m2）

根據(jù)公式（5）可得：漢中采暖期日平均輻射量=3644.37/67=54.39（W/m2）

以上計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

漢中采暖期日平均太陽(yáng)輻射　表6

5　結(jié)論

在全國(guó)氣象臺(tái)站中，只有93個(gè)臺(tái)站具備太陽(yáng)輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)，其他臺(tái)站只具備通過(guò)補(bǔ)充計(jì)算得到的日總輻射數(shù)據(jù)，這樣大多數(shù)站點(diǎn)只具備逐日數(shù)據(jù)，其太陽(yáng)輻射的逐日數(shù)據(jù)中只有日總輻射資料是比較全面的，因此計(jì)算這些站點(diǎn)的逐時(shí)太陽(yáng)輻射時(shí)力求保證日總輻射與實(shí)測(cè)值吻合，然后進(jìn)行直射輻射和散射輻射的分離。具備逐時(shí)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)的臺(tái)站中，級(jí)別較低的臺(tái)站可能只具備逐時(shí)太陽(yáng)總輻射的觀測(cè)數(shù)據(jù)，此時(shí)需對(duì)其進(jìn)行直散分離，從而獲得逐時(shí)的太陽(yáng)直射輻射和太陽(yáng)散射輻射值。

水平面、南立面、東立面的太陽(yáng)輻射平均強(qiáng)度的計(jì)算是按常規(guī)的逐日累計(jì)太陽(yáng)輻射量生成逐時(shí)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，然后按照不同的朝向進(jìn)行拆分，拆分成直射輻射和散射輻射[8]。

[1]JGJ26-2010，嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]金姝倩.陜西省采暖地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2012.

[3]JGJ134-2010，夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]劉加平.建筑物理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000：25.

[5]周輝，董宏，林海燕.居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則——嚴(yán)寒和寒冷、夏熱冬冷地區(qū)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：10-20.

[6]陳婕.陜南地區(qū)城鎮(zhèn)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2011.

[7]張晴原，JOE Huang.中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)庫(kù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：254-268.

[8][法]Charles Chauliag.太陽(yáng)能在建筑中的應(yīng)用[M].北京：學(xué)苑出版社，1988：25-28.

P422.1

B

1007-7359(2016)03-0229-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.083

陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目：漢中農(nóng)村房屋安全性分析及處理方法研究（14JK1137）。

陳婕（1982-），女，陜西漢中人，碩士；講師，研究方向：建筑技術(shù)與節(jié)能。