孫文超,張明宇,曹立輝
(1.天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;2.天津城建大學(xué),天津 300384)
光氣候研究是為了獲得可靠的天然光數(shù)據(jù),以便建筑師進(jìn)行準(zhǔn)確的采光計(jì)算和設(shè)計(jì)[1]。2006年英國(guó)學(xué)者John Mardaljevic首次提出地域性光氣候的概念,其定義為“利用當(dāng)?shù)氐墓鈿夂驍?shù)據(jù)作為建筑采光設(shè)計(jì)的重要依據(jù)”[2]。近年來(lái),由于我國(guó)各地區(qū)氣象站觀測(cè)水平不一、數(shù)據(jù)連續(xù)采集周期較長(zhǎng)、人力及物資資源耗費(fèi)較多等緣故,諸如室外照度、天空亮度等實(shí)測(cè)光氣候數(shù)據(jù)較為缺乏,亟需通過其他方法獲得我國(guó)的地域性光氣候數(shù)據(jù),而通過選取能夠切實(shí)反映地區(qū)光氣候特征的典型年數(shù)據(jù),并采用天空模型轉(zhuǎn)化法將較易獲取的輻照度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光照度數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行建筑動(dòng)態(tài)采光模擬的方法則顯得更為切實(shí)、合理、有效。本文以天津地區(qū)為例,將太陽(yáng)輻射實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為參考,對(duì)使用頻率較高的幾套典型年數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的比較性研究,通過對(duì)輻射參數(shù)(如總輻射、散射輻射)依據(jù)全年逐時(shí)總體變化、各月均值變化、各季節(jié)逐時(shí)日變化的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)特征分析及變化趨勢(shì)的比對(duì),同時(shí)參考相關(guān)氣象資料,以探討各典型年數(shù)據(jù)的特征、差異及與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的吻合程度,以此篩選出與天津地區(qū)氣候特征較為匹配的典型年數(shù)據(jù),從而有效保證了采光模擬平臺(tái)輸入端處數(shù)據(jù)的精確性。
1)典型年數(shù)據(jù)的研究背景。典型年數(shù)據(jù)的開發(fā)與研究源于20世紀(jì)70年代各國(guó)對(duì)于建筑能耗模擬的需求,目前日本、歐美等對(duì)氣象數(shù)據(jù)的采集及相關(guān)研究比較成熟,而我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始典型年數(shù)據(jù)的開發(fā)[3]。由于太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)易于獲取且基礎(chǔ)數(shù)據(jù)豐富,隨著發(fā)光功效模型的開發(fā),典型年數(shù)據(jù)得以應(yīng)用于建筑采光模擬。國(guó)際上關(guān)于典型年的研究多為實(shí)際案例的模擬分析,如Bellia等[4]采用IWEC、Meteonorm、Satel-Light三套數(shù)據(jù)進(jìn)行采光模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析與討論。Iversen等[5]挑選哥本哈根等針對(duì)不同氣象數(shù)據(jù)(如DRY、IWEC等)對(duì)光環(huán)境模擬結(jié)果的影響進(jìn)行了研究。而我國(guó)關(guān)于典型年數(shù)據(jù)的研究也多為實(shí)際案例的應(yīng)用,羅濤等[6]通過對(duì)DeST典型年數(shù)據(jù)及Perez模型的應(yīng)用案例研究,給出光照度典型年數(shù)據(jù)的取值方法。然而隨著氣候的變化以及建筑動(dòng)態(tài)采光模擬在我國(guó)的發(fā)展,針對(duì)典型年數(shù)據(jù)的地域適用性、氣候變化趨勢(shì)下的氣象數(shù)據(jù)修正等方面研究工作亟待展開。
2)常用典型年數(shù)據(jù)的來(lái)源。典型年數(shù)據(jù)的產(chǎn)生需要建立在適用于本國(guó)地理緯度、氣候環(huán)境等條件之上。目前我國(guó)可用于建筑采光模擬的典型年數(shù)據(jù)主要有:CSWD(Chinese Standard Weather Data)、ChinaTMY2(Typical Meteorological Year)數(shù)據(jù)、DeST(Designer’s Simulation Toolkit)典型年數(shù)據(jù)等。其他氣象數(shù)據(jù)如ASHRAE開發(fā)的IWEC(International Weather for Energy Calculation)數(shù)據(jù)、US National Renewable Energy Laboratory開發(fā)的SWERA(Solar Wind Energy Resource Assessment)數(shù)據(jù)等由于開放程度不高、地區(qū)統(tǒng)計(jì)不完整等因素,造成其氣象數(shù)據(jù)的可用頻率不高。
(a)建筑熱環(huán)境模擬分析軟件DeST(Designer’s Simulation Toolkit)是由清華大學(xué)和中國(guó)氣象局共同研發(fā),提供了一整套用于建筑能耗、采光模擬的逐時(shí)典型年數(shù)據(jù)[7]?;A(chǔ)數(shù)據(jù)的來(lái)源為我國(guó)194個(gè)氣象臺(tái)站近50年的實(shí)測(cè)逐日數(shù)據(jù)。DeST數(shù)據(jù)開發(fā)者通過研究中國(guó)氣象環(huán)境的特點(diǎn)及規(guī)律,建立了利用實(shí)測(cè)的逐日氣象數(shù)據(jù)模擬生成逐時(shí)數(shù)據(jù)的氣象模型Medpha[8]。
(b)對(duì)于CSWD來(lái)說(shuō),其數(shù)據(jù)來(lái)源與DeST典型年數(shù)據(jù)相同,開發(fā)單位均為清華大學(xué)、中國(guó)氣象局,僅觀測(cè)年限不同[9],可于EnergyPlus官方網(wǎng)站下載。
表1 建筑光環(huán)境模擬用典型年數(shù)據(jù)[8-10]Table 1 TMY data used for building daylighting simulation
(c)張晴原和楊洪興[10]在開發(fā)ChinaTMY2的過程中,使用的是1995—2005年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)際地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù),其最初來(lái)源為國(guó)內(nèi)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù),逐時(shí)數(shù)據(jù)的生成在考慮到干球溫度的周期性變化特征而采用調(diào)和分析進(jìn)行插補(bǔ),日間邊緣數(shù)據(jù)則通過回歸公式進(jìn)行平滑處理。
3)典型年數(shù)據(jù)的輻射參數(shù)。典型年數(shù)據(jù)最初用于建筑能耗模擬,在其開發(fā)過程中著重考慮的參數(shù)是溫度、濕度、太陽(yáng)輻射,而建筑采光模擬僅考慮單一的太陽(yáng)輻射要素,且更加注重直接輻射與散射輻射參數(shù)。典型年數(shù)據(jù)的氣象要素一般包括:干球溫度、相對(duì)濕度、太陽(yáng)輻射量、云量、風(fēng)速等[10],太陽(yáng)輻射量一般包含總輻射值、直接或散射輻射值等,其他如風(fēng)速、水汽壓、日照時(shí)數(shù)等氣象要素的考慮依賴于數(shù)據(jù)開發(fā)的目的及用途。對(duì)于建筑光環(huán)境模擬來(lái)說(shuō),太陽(yáng)輻射參數(shù)是最為核心的要素,從前文給出的三套典型年數(shù)據(jù)在開發(fā)之初的要素構(gòu)成上來(lái)說(shuō),輻射參量權(quán)重最大,譬如CSWD的開發(fā)者將日總輻射參數(shù)的權(quán)重定為8/16[9],DeST典型年數(shù)據(jù)的開發(fā)者將日總輻射量參數(shù)的權(quán)重定為12/24[8],ChinaTMY2數(shù)據(jù)的開發(fā)者將水平面總輻射量均值與直射輻射量均值參數(shù)的加權(quán)系數(shù)總和定為10/20[10],三套數(shù)據(jù)的太陽(yáng)輻射參數(shù)權(quán)重或加權(quán)系數(shù)均達(dá)到50%,遠(yuǎn)高于其他要素所占比例??梢娞?yáng)輻射要素相對(duì)最為重要,也決定了其數(shù)據(jù)資料不僅可用于建筑能耗模擬,還可用于建筑采光模擬。
1)觀測(cè)目的。天津位于北溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),屬于第Ⅲ類光氣候區(qū),春、夏兩季的太陽(yáng)輻射較為豐富,全年各月中五月份的太陽(yáng)總輻射最強(qiáng),一月份最弱[11]。本次觀測(cè)由天津大學(xué)建筑學(xué)院與天津城建大學(xué)建筑學(xué)院合作進(jìn)行,對(duì)水平面太陽(yáng)總輻射平均值、法向直射輻射平均值等氣象參數(shù)進(jìn)行逐時(shí)觀測(cè)統(tǒng)計(jì),從而獲取天津地區(qū)一年多的實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),為國(guó)內(nèi)常用典型年數(shù)據(jù)的初步比對(duì)提供一定的參考。
2)觀測(cè)內(nèi)容。(a)觀測(cè)儀器:太陽(yáng)輻射觀測(cè)儀器為荷蘭Kipp&Zonen公司生產(chǎn),配有SOLYS2太陽(yáng)追蹤器、CHP1直接輻射表、CMP21總輻射表。觀測(cè)儀器安裝在高約1.5 m的不銹鋼臺(tái)座上(如圖1所示)。(b)觀測(cè)參數(shù):水平面總輻射均值、法向直射輻射均值等,采集間隔為1 h,單位為W/m2。(c)觀測(cè)地點(diǎn):太陽(yáng)輻射觀測(cè)站設(shè)在天津市西青區(qū)天津城建大學(xué)建筑學(xué)院D4號(hào)樓樓頂,如圖2所示。坐標(biāo)為北緯39°5′40″,東經(jīng)117°5′22″,海拔為20 m。
圖1 觀測(cè)儀器Fig.1 Observation instrument
圖2 觀測(cè)地點(diǎn)Fig.2 Observing site
3)觀測(cè)方法。(a)太陽(yáng)輻射觀測(cè)儀器牢固安裝在專用的臺(tái)柱上,臺(tái)座離地面約為1.5 m,臺(tái)腳固定于水泥臺(tái),使得臺(tái)座在受到?jīng)_擊振動(dòng)(如大風(fēng)等)情況下仍保持儀器的水平。(b)觀測(cè)前確認(rèn)總輻射表的感應(yīng)面與玻璃罩完好,直射輻射表安裝與跟蹤太陽(yáng)準(zhǔn)確。儀器定期清潔,確??傒椛浔聿Aд謨?nèi)無(wú)水汽凝結(jié)物;保證直射輻射表進(jìn)光筒玻璃窗清潔,同時(shí)檢查接線柱和導(dǎo)線的連接狀況等[12]。(c)觀測(cè)過程中,保持每日上午、下午至少各一次的頻率對(duì)各輻射表進(jìn)行相應(yīng)檢查,當(dāng)遇大雨、雪、冰雹等特殊天氣時(shí),應(yīng)根據(jù)具體情況及時(shí)加蓋。
4)觀測(cè)數(shù)據(jù)。本觀測(cè)于2015年8月15日19點(diǎn)開始至2017年1月2日17點(diǎn)終止,參考天津地區(qū)氣候特征,選取典型月份部分?jǐn)?shù)據(jù),如表2所示。
表2 2016年天津地區(qū)太陽(yáng)輻射逐時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Solar radiation observation data from Tianjin in 2016
如圖3~圖6所示,DeST數(shù)據(jù)全年逐時(shí)總輻射最大值發(fā)生在5月份,為1 220 W/m2,ChinaTMY2數(shù)據(jù)全年逐時(shí)總輻射最大值發(fā)生在5月份,為1 118 W/m2。同時(shí),DeST、ChinaTMY2、天津?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的總輻射值在全年2881~3624 h時(shí)間段即5月份處于全年較高值。根據(jù)相關(guān)資料記載,天津地區(qū)5月份的太陽(yáng)總輻射最強(qiáng),1月份最弱[11]。這說(shuō)明DeST數(shù)據(jù)、ChinaTMY2數(shù)據(jù)總輻射變化趨勢(shì)符合天津氣候特征。而CSWD的總輻射最值分布情況與其他數(shù)據(jù)存在較大差異。
圖3 CSWD總輻射值年變化Fig.3 Annual variation of CSWD’s global irradiance
圖4 ChinaTMY2總輻射值年變化Fig.4 Annual variation of China TMY2’s global irradiance
圖5 DeST總輻射值年變化Fig.5 Annual variation of DeST’s global irradiance
圖6 天津?qū)崪y(cè)總輻射值年變化Fig.6 Annual variation of measured global irradiance
對(duì)于散射輻射來(lái)說(shuō),如圖7~圖10所示,由于數(shù)據(jù)開發(fā)思路及方法的不同[8~10],ChinaTMY2數(shù)據(jù)整體趨勢(shì)緩和,其全年逐時(shí)散射最大值發(fā)生在6月底,為488 W/m2,而天津?qū)崪y(cè)散射最大值為581.44 W/m2,發(fā)生時(shí)間比ChinaTMY2遲了1個(gè)月。CSWD與DeST數(shù)據(jù)幾乎完全相同,兩者的變化規(guī)律、最值分布情況與其他數(shù)據(jù)存在明顯的不同,需要對(duì)其數(shù)據(jù)的可靠性做進(jìn)一步的研究。
圖7 CSWD散射輻射值年變化Fig.7 Annual variation of CSWD’s diffuse irradiance
圖8 ChinaTMY2散射輻射值年變化Fig.8 Annual variation of China TMY2’s diffuse irradiance
圖9 DeST散射輻射值年變化Fig.9 Annual variation of DeST’s diffuse irradiance
圖10 天津?qū)崪y(cè)散射輻射值年變化Fig.10 Annual variation of measured diffuse irradiance in Tianjin
參照上述4套數(shù)據(jù)的全年逐時(shí)總輻射變化趨勢(shì)可以看出,DeST數(shù)據(jù)與天津?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)吻合度最高,最值分布月份符合天津氣候特征。ChinaTMY2數(shù)據(jù)在1月份、12月份數(shù)值普遍高于DeST數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),而CSWD數(shù)據(jù)與其他3套數(shù)據(jù)差異較大。對(duì)于全年逐時(shí)散射輻射變化趨勢(shì)來(lái)說(shuō),ChinaTMY2數(shù)據(jù)全年波動(dòng)較小,較CSWD、DeST數(shù)據(jù)更接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載,我國(guó)廣大地區(qū)散射輻射量的變化規(guī)律大致相同:夏季最大,冬季最小[13]。另外美國(guó)NASA衛(wèi)星觀測(cè)記錄顯示,天津散射輻射22年月均最大值發(fā)生于6月,最小值發(fā)生于12月[14],全年變化規(guī)律與CSWD不同。就散射輻射而言,最終比對(duì)結(jié)果并不理想。
DeST數(shù)據(jù)總輻射月均值變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總輻射月均值變化趨勢(shì)最為吻合。如圖11所示,ChinaTMY2總輻射月均值在1、2、4、7~11月份高于其他3套數(shù)據(jù)。CSWD數(shù)據(jù)月均總輻射最大值發(fā)生在4月份,其最小值發(fā)生在11月份。而ChinaTMY2、DeST、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的總輻射月均最大值則發(fā)生在5月份。如圖12所示,2~9月,以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算所得的3套典型年數(shù)據(jù)相對(duì)誤差大致在±20%以內(nèi)。
如圖13所示,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的散射輻射月均值變化最大,4~10月時(shí)間段內(nèi)各月均值明顯超過相應(yīng)DeST數(shù)據(jù)。此外,天津?qū)崪y(cè)、ChinaTMY2散射輻射月均值普遍高于其他2套數(shù)據(jù),DeST數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在變化規(guī)律上存在非常大的差異。
圖11 總輻射月均值比較Fig.11 Comparison of global radiation’s monthly mean value
圖12 總輻射月均值相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)Fig.12 Relative error of global radiation’s monthly mean value
圖13 散射輻射月均值比較Fig.13 Comparison of diffuse radiation’s monthly mean value
綜上所述,DeST數(shù)據(jù)總輻射月均值的相對(duì)誤差在1、5~8、10~12月小于其他2套典型年數(shù)據(jù),而在3、4月ChinaTMY2數(shù)據(jù)總輻射月均值的相對(duì)誤差小于其他兩套典型年數(shù)據(jù)??傮w而言,全年中3~6月份ChinaTMY2數(shù)據(jù)較其他典型年數(shù)據(jù)有一定優(yōu)勢(shì),而DeST數(shù)據(jù)相對(duì)誤差最小的月份數(shù)最多。
從各套數(shù)據(jù)的散射輻射月均值來(lái)看,ChinaTMY2數(shù)據(jù)與天津?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)最為接近,兩者同月差值最大為27.53 W/m2,CSWD、DeST數(shù)據(jù)變化規(guī)律與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)明顯不同。其差異產(chǎn)生原因有待進(jìn)一步研究,也不排除觀測(cè)時(shí)間短、城市氣候變化、觀測(cè)站周邊建筑增多等的影響。從散射輻射按照全年逐時(shí)變化、各月均值變化的方式比較來(lái)看,其比對(duì)結(jié)果并不理想,以下不再進(jìn)行日變化比較分析。
天津地區(qū)處于北溫帶半干旱半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū),受季風(fēng)環(huán)流的影響,不同季節(jié)太陽(yáng)輻射日變化特征差異明顯[15]。按天文季節(jié)劃分全年各月:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12—2月為冬季。如圖14~圖17所示,春夏兩季除了CSWD,其他3套數(shù)據(jù)太陽(yáng)總輻射日變化趨勢(shì)呈明顯的單峰型分布。夏秋兩季,ChinaTMY2數(shù)據(jù)、DeST數(shù)據(jù)、天津?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的峰值區(qū)間位于[13:00,14:00]附近。春冬兩季,ChinaTMY2數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)波峰的橫坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間相差在1 h以上,然而DeST數(shù)據(jù)與ChinaTMY2數(shù)據(jù)波峰的橫坐標(biāo)近似吻合,僅日變化最大值有明顯的差別??傮w而言,全年中ChinaTMY2數(shù)據(jù)各時(shí)段總輻射值比DeST數(shù)據(jù)中相應(yīng)時(shí)段總輻射值稍高。另外,天津地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與DeST數(shù)據(jù)在夏、秋兩季所呈現(xiàn)的關(guān)系與春、冬兩季所呈現(xiàn)的關(guān)系有所不同,體現(xiàn)為總輻射最值之差,在夏季,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總輻射最大值為598.08 W/m2,而DeST數(shù)據(jù)最大值為575.37 W/m2,兩者之差為22.71 W/m2;秋季,兩者最大值之差為7.37 W/m2。然而從冬季開始,兩者最大值之差為76.79 W/m2,春季則為106.27 W/m2,這可能與近年天津地區(qū)入冬后大氣污染嚴(yán)重等原因有關(guān)。
圖14 春季總輻射日變化Fig.14 Daily variation of global irradiance in spring
圖15 夏季總輻射日變化Fig.15 Daily variation of global irradiance in summer
圖16 秋季總輻射日變化Fig.16 Daily variation of global irradiance in autumn
圖17 冬季總輻射日變化Fig.17 Daily variation of global irradiance in winter
ChinaTMY2數(shù)據(jù)、DeST數(shù)據(jù)、天津地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)日變化曲線均呈單峰型分布。春夏兩季,就日變化而言,ChinaTMY2數(shù)據(jù)與天津地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近,尤其是太陽(yáng)輻射量具代表性的1月份前后,ChinaTMY2數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不同可近似表現(xiàn)為日變化最大值所對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)的不同。而夏秋兩季,DeST數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度很高。可見,ChinaTMY2數(shù)據(jù)和DeST數(shù)據(jù)均適用于天津地區(qū)建筑光環(huán)境模擬,且前者春夏兩季適用性高,而后者夏秋兩季適用性高。
我們通過挑選建筑采光模擬常用的幾套典型年數(shù)據(jù),同時(shí)以天津地區(qū)1年多的逐時(shí)太陽(yáng)輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)作為參考,對(duì)上述4套數(shù)據(jù)中的總輻射值、散射輻射值依次按照全年逐時(shí)總體變化、各月均值變化、各季節(jié)逐時(shí)日變化的方式進(jìn)行比較,從最終的數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論:
1)DeST、ChinaTMY2數(shù)據(jù)總輻射全年逐時(shí)變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合,且符合天津地區(qū)氣候特征。DeST數(shù)據(jù)總輻射月均值與天津地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)誤差較小,較其他兩套典型年數(shù)據(jù)表現(xiàn)更好。
2)春夏兩季,ChinaTMY2總輻射日變化與天津?qū)崪y(cè)總輻射分布規(guī)律較為接近;夏秋兩季,DeST總輻射日變化與天津?qū)崪y(cè)總輻射日變化吻合度較高。
3)從各典型年數(shù)據(jù)散射值的比對(duì)來(lái)看,ChinaTMY2數(shù)據(jù)趨勢(shì)較為接近實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),而CSWD、DeST數(shù)據(jù)變化規(guī)律與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料差異較大,其數(shù)據(jù)的可靠性有待進(jìn)一步研究??傮w而言,散射輻射比對(duì)不理想,仍需累積更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)支撐研究。
本文以天津地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)為參考,通過各套典型年數(shù)據(jù)總輻射值、散射輻射值的初步比較,可以更為直觀地認(rèn)識(shí)建筑采光模擬所用的幾套典型年數(shù)據(jù),并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的缺陷,從而更好地對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的修正,以此來(lái)保證模擬平臺(tái)輸入端處數(shù)據(jù)的可靠度及精確性。