暖通空调规范用气象数据天空辐射模型修改的探讨—孙德宇

    孙德宇：大家好，我叫孙德宇。我今天和大家交流的题目是暖通空调用天象数据天空辐射模型的探讨。
    第一介绍一下研究的背景和必要性。
    第二，分别对我国和美国暖通空调天空辐射模型进行梳理。最后进行对比和分析，最后提出我的一些建议和看法。
    太阳辐射数据是一项非常重要的基础数据，对太阳能光热光电的利用，绿色建筑工作的开展都有着非常重要的意义。太阳辐射直接影响建筑室内的温度，对建筑热环境的分析从以下两个方面，第一，透过外窗的太阳得热量，一般会占到一个空调房间冷负荷的50%以上，另外一个被外墙吸收的太阳辐射得热量。室外空气综合温度是一个对室外太阳辐射的等效概念。太阳辐射对于建筑热环境而言，是一项非常重要的影响，准确的计算太阳辐射，是准确计算空调冷负荷的基础。一个简单准确的太阳辐射复兴，对于暖通空调行业来说也具有非常重要的作用。
    目前我国主要使用的太阳辐射模型主要三种，一种科研教学性的天空辐射模型，主要使用大气透明度对太阳辐射的影响，第二种是建筑能耗模拟用典型气象年太阳辐射模型，最后一种就是我国现在使用最广泛的模型，就是我国规范使用的太阳辐射模型。
    科研教学用的天空辐射模型，它是我国上世纪60年代到80年代研究的，主要用于我国暖通空调的教学和科研领域，由于当时天象观测站比较少，为了分析太阳辐射数据，不得不使用纯理论的模型，在模型中主要有两个参数，一个是太阳高度角，第二是太阳方位角，太阳光穿过大气层的时候，一部分太阳光直接照射到地面，这是直射辐射。太阳光在穿过大气层时，会和大气层中的物质发生折射和反射，这个模型中分别计算了直射辐射和散射辐射，确定了太阳最辐射。对于太阳直射的计算，整个模型中首先先计算到达地面的太阳辐射强度，由于大气辐射通过大气层时强度会发生衰减，整个计算公式中主要依据三个变量，第一是太阳长数（音），第二是P，衡量大气透明度的参数，在计算完太阳辐射之后，就同意通过几何关系计算任意倾角上的太阳辐射强度。
    由于太阳光透过大气层，会与大气层中的一些物质发生作用，这一部分我们通常称为天空散射辐射，另一部分就是当太阳光照射到地面时会发生反射，我们称为地面反射辐射，可以通过上面的公式来计算。
    当太阳光穿过大气层时，大约有10%的太阳光的能量会被大气中的二氧化碳和粉尘吸收，同时它还吸收一部分来自于地面的反射辐射，我们称为大气的长波辐射，可以通过右面的公式来计算。实际我们计算反射辐射的过程中，通常计算天空辐射这一项。
    为什么这个模型并没有得到比较广泛的应用呢，主要是因为这个系统中我国目前还没有比较系统的大气质量和大气透明度的数据，所以影响了这个模型的实际应用。
    我国目前另外一个比较重要的模型，就是建筑能耗模拟用典型气象年太阳辐射模型。1993年，国家气象局把观测站调整为现在的观测站，主要有五项，总辐射，净辐射，散射辐射，直接辐射和反射辐射。目前台站共有98个，由于我国天象观测的方法主要以定时观测为主，只有极少的使用逐时观测，观测的量不足，时间也很短，我们很难通过这些数据来获得我们需要的逐时的太阳辐射数据。这些观测的台站中，我国时辐射观测的数据是比较齐全的，根据日观测数据作为分解，对日观测数据进行分解，获得我们所需要的逐时观测数据，是一种比较可行的办法。
    由于实际的观测值中只有太阳总辐射一项，所以在这个模型中第一步需要做的保证总辐射纸和实际观测值的一致。所以必须对总辐射数据进行直射和反射的分离，由于分离过程中受天气状态的影响很大，所以思路就是先判断这一时刻的太阳天气状态，进而对总辐射数据进行太阳的直射和散射的分离。
    模型中采用日辐射系数KT来判断天气的状态，当小于0.28时，天气是阴的，当大于0.74，天气是晴天，所以在模型中使用随即的模型进行判断。当天气是晴的时候，使用这样一个经验公式来进行直射和散射的分离，而当天气有云的时候，根据云量的大小使用两种办法进行直射和反射的分离，当阴天的时候，模型中提供的直射辐射就应该是零，而散射辐射最终的结果应该等于总辐射的照度。到这里我们已经完成了整个模型的直射和反射的分离。我们这个国家的气象数据就是依据这样一个模型，通过实际的经验数据进行理合，获得典型的气象年数据。
    对于我国比较重要的模型，就是我国规范使用的天空辐射模型。我国规范使用的天象天空模型是三个阶段，第一个在75年的规范中，是以实际统计的观测数据来确定的，规范中提供了8个城市，在发布的手册中将这8个城市扩大到了11个。75年的统计方法重要的意义，提供了太阳辐射观测的统计方法，由于当时我国的观测台站比较少，统计的工作量比较大，在后续的工作中这个模型并没有使用扩大。在上世纪80年代，将基础数据做了比较大的改变，改为水平面上直射日总量和总辐射的日总量。另外一个比较重要的改变，在1987年的规范中，它建立了一个基于大气透明等级的天空辐射模型，主要是通过使用纬度和大气透明度的等级对基础数据统计。
    在87年的设计规范中，对太阳辐射照度开展了深入的研究，也考虑了上一版本中规范提供的量值进行了参考，使用纬度和大气透明度给出了夏季辐射照度纸。这个模型一直沿用至今，是我国暖通空调行业中使用最广泛最范围的太阳辐射数据。
    我国的科研工作者做了大量的工作，将各个台站测的值，订在同一个大气质量值上。这个图是我们新编规范中的一个附录。对于模型中重要的数据，就是基础数值表，为了克服福布斯效应，全世界各国的科研工作者做了大量的工作。前苏联观测知道是根据太阳辐射国际委员会提出的建议进行的，前苏联学者对观测的气象数据进行了整理，从日常的观测数据中，将数据挑出来，对这个数据进行了归纳和分析，最后将这个数据划分成6个等级，获得了大气透明度为2条件下不同大气透明等级和不同高度角下太阳辐射照度，和水平面上总辐射的基础值。
    1981年我国学者对这部分数据进行了重新的整理和归纳，并分析，表明我国现在这两个台站的观测数据，从前苏联观测的数据结果基本是一致的，所以我国的学者直接将前苏联的研究结果直接引用到我国。与此同时，美国在天空辐射模型这一领域的研究领先于世界，在北美和世界其他地区也得到了比较广泛的应用。在暖通空调行业来说所使用的天气辐射模型是（英语）。
    67版的天气辐射模型，是目前世界上历史最悠久，也是影响力最大的天气辐射模型，它是根据在1960年到1963年加拿大20个非常晴朗天气情况下的测试数据，这个模型中非常简单，它只有一个变量，就是Z值，还提供了大气情节指数作为一个修正，主要修正高纬度地区太阳辐射数据的差异。
   该模型一经发布，验证和研究工作一直都没有停止，经过几十年的应用，发现这个模型主要有三个缺点，第一，各个地区实际测得的ABC值和理论计算的结果差异比较大。第二，共识相对比较简单，并不适用于全球，在南半球的误差比较大。第三，在天气非常晴朗，或者多云的情况下这个计算误差比较大。
    在2001版的手册中，列了1464个站点，在2005年增加到4422个。为了弥补67年的天气辐射模型的不足和局限性，（英语）决定开发全新的天气辐射模型，并提出三个要求，准确，通用，易于使用。正确由于这三个基准，无法应用美国比较大型化的天气辐射模型。
    最后通过研究和权衡，最终以REST2的天气辐射模型为基础，开发出符合要求的天气辐射模型，这是应用比较广的商业天气辐射模型。在太阳光通过大气层的时候，发出的光是不一样的。为了保证这个模型的计算的详细度更高，和准确度更高，模型还使用了太阳位置，大气压，臭氧含量非常详尽的数据代表大气成分的组成，数据主要来自于国际气象组织，还有美国的航天局，还有美国海洋和大气管理局的地面气象站。
    模型先使用REST2，依据数据库计算的结果进行归纳了回归，最终将这个模型列在手册中。通过计算依据这样一个公式，可以看到整个模型中只有两个变量，分别是直射的光学深度和散射的光学深度。根据上述公式可以计算出太阳的直射照度和反射辐射值。
    从分析可以看出来，2009版的模型使用了更加准确的天气条件，详细的数据条件，使用了先进的算法，使用了更高计算精度。
    我国使用的天气辐射模型，和美国所使用的天气辐射模型的差异，从理论来看，我国的规范所使用的天气辐射模型，它的基础数据和理论主要来源于前苏联，优点就是使用方便，计算简单，概念比较容易理解，缺陷就是由于使用的数据主要是上世纪30年代和50年代的，基础数据有一部分来自于前苏联，直接应用于我国的验证还是不够充分的。大气透明等级是对大气成分的一种简化，不能代表大气的真实情况。
    美国的天气辐射模型是一个非常强大的商业化的天气辐射模型为基础进行开发的，最后得到了仅包含两个最优的变量模型。根据太阳波长的不同进行了分别计算，在简化过程中，保证了原有模型的算法的准确性，美国所使用的2009版的天气辐射模型，高于我国所使用的天气辐射模型。
    ASHRAE2009版的模型，和我国现在使用的模型规范相比，总辐射照度比我们现在使用的照度值低10%左右，散射辐射照度值明显高于现在规范所使用的照度值，两个模型中计算结果差异最大的部分，在于太阳总辐射种，反射辐射和直射辐射的比例，主要有三个问题，第一就是数据来源不同。美国数据的统计期主要在2000年左右，统计的时间也离现在更近。
    第二，计算方法。我国使用的一步式的计算方法，对ASHRAE2009版模型是对不同的波长使用不同的计算方法来计算，数据也更加详尽。
    第三，假设条件不一样。整体来看，我国计算的模型中使用的晴天的条件，对比美国这个模型中计算的晴天条件更晴，所以我国的模型中直射的照度就会比ASHRAE2009版的照度要高。以上这些原因就可以很好的解释2009版的模型和我们模型之间的差异。
    最近几十年来，全球气候变化，环境因素变化也比较明显，我国城市化和工业化进程比较显著，城市环境因素也发生了比较大的变化，太阳辐射数据也会发生变化，目前的统计方法是否适合当今设计的需要，需要做一些更深入的研究。
    计算机的技术和大气辐射学的理论，气象观测数据取得了长足的进展，这为我们研究精度更高，理论水平更高的天气辐射模型提供了先决条件。我国急需开展新一代的天气辐射模型的研究。我讲的就是这些，谢谢大家。