鄭州地區(qū)太陽輻射變化規(guī)律及分析

李玉娜，馬 磊，秦光耀

(1.鄭州電力高等?？茖W(xué)校，河南 鄭州 450004;2.河南聯(lián)合智能工程有限公司，河南 鄭州 450000)

太陽能是取之不盡、用之不竭的能源，尤其是在當(dāng)今環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，對(duì)最大限度地合理開發(fā)和利用太陽能有著重要的意義。

1 太陽輻射資料數(shù)據(jù)來源

《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[1]是以中國氣象局信息中心氣象資料室收集的全國270個(gè)全面氣象臺(tái)站1971～2003年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過分析、整理、補(bǔ)充源數(shù)據(jù)以及合理的插值計(jì)算，獲得了全國270個(gè)臺(tái)站的建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集，為建筑熱環(huán)境及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)模擬分析提供全面可靠的基礎(chǔ)氣象數(shù)據(jù)。為了分析鄭州地區(qū)的太陽能資源，根據(jù)本數(shù)據(jù)集的特點(diǎn)，選用了設(shè)計(jì)典型年和典型氣象年的太陽輻射數(shù)據(jù)。

2 太陽能輻射變化規(guī)律及分析

2.1 設(shè)計(jì)典型年總輻射的逐日變化

不論是輻射極高年還是輻射極低年，鄭州地區(qū)的太陽總輻射逐日變化都大致呈向下開口的拋物線形式，但是輻射極低年逐日變化上下波動(dòng)的幅度不如輻射極高年的波動(dòng)大(圖1和圖2)。輻射較低年的太陽總輻射總量為4 728.96 MJ/m2，而輻射極高年的為5 850.46 MJ/m2，極低年太陽總輻射為極高年的80.83%。在一年中，夏季的日總輻射高且變化劇烈，冬季低但變化平緩。

在輻射極高年，夏季的太陽總輻射占全年總輻射的31.03%;冬季占全年總輻射的17%;在輻射極低年，夏季太陽總輻射占全年總輻射的33.67%;冬季太陽總輻射占全年總輻射的16.36%。

圖1 太陽日總輻射強(qiáng)度年變化(輻射極高年)

圖2 太陽日總輻射強(qiáng)度年變化(輻射極低年)

圖3 太陽總輻射強(qiáng)度逐月變化

2.2 設(shè)計(jì)典型年總輻射的逐月變化

從圖3可見:太陽總輻射的變化比較有規(guī)律，呈單峰值變化。輻射極低年除了在11月和12月之間出現(xiàn)升高現(xiàn)象，其余月份變化情況與輻射極高年類似。輻射極低年的最大值和最小值分別出現(xiàn)在5月和11月，而極高年的極值出現(xiàn)在6月和12月。兩種情況普遍是極高年的月總輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極低年的月總輻射，其中4月懸殊最大。還可以看出輻射極低年在冬季的最冷月并非太陽總輻射最低，而輻射極高年夏季的最熱月并非太陽總輻射最高。

2.3 設(shè)計(jì)典型年月總輻射和月總直射變化

太陽總輻射包括直射輻射和散射輻射。利用太陽能實(shí)際上是利用太陽的總輻射，對(duì)大多數(shù)太陽能設(shè)備來說，則是利用太陽輻射能的直接輻射部分。因此研究直接輻射的變化以及它與總輻射之間的關(guān)系具有舉足輕重的作用。

表1 太陽輻射典型極高年的月總輻射和月總直射

表2 太陽輻射典型極低年的月總輻射和月總直射

從表1和表2中，可以看出:輻射極高年中月直接輻射占太陽月總輻射很大的份額，其中6月份為88%，1月份為77.01%高于7、8月份和11月份的;輻射極低年，太陽直接輻射占總輻射的份額大多在40%～50%。可見，在中原地區(qū)冬季太陽能有很大的利用潛力，太陽散射輻射也應(yīng)該合理利用，其作用不可忽視。

2.4 設(shè)計(jì)典型年東南西北各朝向的太陽逐月總輻射比較

眾所周知，建筑能耗是能耗的大戶。降低建筑能耗的途徑是很多的，可以根據(jù)氣候特點(diǎn)和地形位置，合理安排建筑群的排列和間距，選擇朝向，保持良好的采光與通風(fēng)，就可以節(jié)約空調(diào)動(dòng)力費(fèi)的四分之一，這是節(jié)能建筑最有效、最關(guān)鍵的節(jié)能措施，也是對(duì)太陽能的直接利用。因此分析建筑物各個(gè)方向的太陽總輻射，對(duì)合理設(shè)計(jì)建筑，有效地利用太陽能具有重要的意義。

圖4 東南西北各朝向的太陽逐月總輻射強(qiáng)度變化曲線

圖5 最冷月和最熱月太陽逐日總輻射比較

從圖4中可以看出，一年中南向總輻射變化非常顯著，而東向、西向和北向的總輻射值變化曲線較為平緩，全年整體波動(dòng)范圍不大。南向總輻射在冬季處于頂峰階段，最大值出現(xiàn)在1月份，為527.17 MJ/m2，超過本月總輻射 365.32 MJ/m2，其次是2 月份;相反，夏季輻射值處于低谷，最小值出現(xiàn)在6月份，為142.85 MJ/m2，且 6、7、8 三個(gè)月的總值波動(dòng)也不大;秋季在10月份出現(xiàn)突變，峰值為422.15 MJ/m2。同時(shí)，還能得到，全年中北向總輻射值最小，變化曲線最平緩;東向和西向的總輻射值基本相同?？梢姡侠砝媚舷蚩傒椛鋵?duì)太陽能在建筑中的應(yīng)用起著很大的作用。

2.5 設(shè)計(jì)典型年最冷月和最熱月太陽逐日總輻射比較

天氣越熱，越需要制冷;天氣越冷，越需要供暖。因此，冬季應(yīng)盡量獲得太陽輻射，而夏季則盡量避免太陽輻射，從而減少建筑能耗和節(jié)約能量。從圖5中分析得出兩種情況下，最冷月除了個(gè)別天氣外，太陽日總輻射變化比較平緩，而7月份的太陽總輻射逐日變化沒有一定的規(guī)律可循，忽大忽小。

2.6 太陽總輻射強(qiáng)度頻數(shù)分布(輻射極高年)

一般來說，日照時(shí)間是影響太陽輻射能實(shí)際到達(dá)地球表面的大小的主要因素，因此分析太陽能總輻射強(qiáng)度頻數(shù)分布對(duì)利用太陽能有很大的意義。

表3 太陽總輻射強(qiáng)度頻數(shù)分析表

圖6 太陽總輻射強(qiáng)度頻數(shù)分布圖

由表3和圖6可以看出，在鄭州地區(qū)典型氣象年中，太陽的總?cè)照諘r(shí)數(shù)為4 339 h，小時(shí)最大總輻射強(qiáng)度為 1153.66 W/m2，年總輻射強(qiáng)度為1.63 MW/m2。太陽總輻射強(qiáng)度分布頻率最大的區(qū)間為0～100 W/m2，共911 h，占全年總?cè)照諘r(shí)數(shù)的21%;超過100 W/m2的太陽總輻射強(qiáng)度占到年總太陽輻射強(qiáng)度的79%，而且分布比較穩(wěn)定，太陽能資源豐富，有著得天獨(dú)厚的優(yōu)越條件，開發(fā)利用潛力巨大，具有很好的前景。

3 結(jié)論

(1)鄭州地區(qū)太陽能輻射不但豐富而且全年變化穩(wěn)定有規(guī)律，呈單峰值狀態(tài)，夏季的太陽總輻射大且變化劇烈，冬季低但變化平緩。輻射極低年在冬季的最冷月并非太陽總輻射最低，而輻射極高年夏季的最熱月并非太陽總輻射最高，所以冬季太陽能利用有很大的潛力。太陽散射輻射也應(yīng)該合理利用，其作用不容忽視。

(2)鄭州地區(qū)全年中北向太陽總輻射值最小，變化曲線最平緩;東向和西向的總輻射值基本相同;南向太陽輻射冬季最大，夏季處于低谷，因此合理利用南向太陽輻射對(duì)太陽能在建筑中的應(yīng)用起著重要的作用。

(3)鄭州地區(qū)全年太陽的總?cè)照諘r(shí)數(shù)為4 339 h，小時(shí)最大總輻射強(qiáng)度為 1153.66 W/m2，年總輻射強(qiáng)度為1.63 MW/m2。太陽總輻射強(qiáng)度分布頻率最大的區(qū)間為0～100 W/m2，共911 h，占全年總?cè)照諘r(shí)數(shù)的21%;超過100 W/m2的太陽總輻射強(qiáng)度占到年總太陽輻射強(qiáng)度的79%。

[1]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005，4.