建筑能耗模擬典型年中氣象參數(shù)權(quán)重的確定

摘要：在建筑能耗模擬用典型年的生成中，傳統(tǒng)的FinkelsteinSchafer統(tǒng)計方法對氣象參數(shù)賦予了固定的權(quán)重因子，但有關(guān)研究表明，由于地域間氣象資源不同，氣象參數(shù)權(quán)重因子的固化有待商榷。針對挑選典型年時氣象參數(shù)權(quán)重因子統(tǒng)一與否對典型年挑選結(jié)果和建筑能耗模擬準(zhǔn)確性的影響問題，選同一建筑熱工分區(qū)中寒冷地區(qū)的代表城市北京和拉薩，分別使用FS方法和主成分法進行了典型年的挑選，并對典型公共建筑建模進行了能耗模擬分析。結(jié)果表明：FS統(tǒng)計方法適于表征單獨氣象參數(shù)的長期相似性，但存在對太陽輻射參數(shù)權(quán)重賦予過大的問題，適用于太陽能豐富地區(qū)；而主成分法適合尋求當(dāng)?shù)貧庀筚Y源的本質(zhì)特征，使用主成分法時對氣象參數(shù)的選擇尤為重要。

關(guān)鍵詞：典型氣象年；權(quán)重因子；寒冷地區(qū)；建筑能耗模擬

中圖分類號：TU1113

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：16744764（2015）01002306

建筑在整個生命周期內(nèi)高效運營，需要在設(shè)計初期進行定量的能耗模擬分析，擁有代表當(dāng)?shù)貧夂蛱卣鞯牡湫蜌庀竽辏═ypical Meteorological Year，TMY）數(shù)據(jù)是其必要條件。建筑設(shè)計用TMY是指從長期（一般國際公認為30 a）中選取的一個“虛擬年”，由12個典型月（Typical Meteorological Month，TMM）組成，每個TMM是在選擇期內(nèi)，最能代表當(dāng)?shù)卦撛職夂蛞?guī)律的月份，TMY能代表氣候的長期變化規(guī)律[1]。TMY生成的方法，國際上常用的是由美國Sandia國家實驗室于1978年提出的具體分析方法為FinkelsteinSchafer統(tǒng)計方法[2]、標(biāo)準(zhǔn)偏差方法[35]和主成分分析方法[68]。前兩種方法選取最能代表室外氣象特征的氣象參數(shù)（干球溫度、露點溫度、風(fēng)速以及水平面總輻射），依據(jù)對建筑能耗影響力的大小賦予不同的權(quán)重因子后匯總成一個參數(shù)，氣象參數(shù)權(quán)重因子的賦予如表1所示。隨著研究的深入，許多學(xué)者提出了氣象參數(shù)權(quán)重因子的選取不同導(dǎo)致典型年結(jié)果的差異[9]，對建筑能耗的影響雖然以干球溫度和太陽輻射為主，濕度和風(fēng)速所占的比例較小，但我國地域遼闊，氣象資源分布不一，加之山地高程的影響，氣象參數(shù)權(quán)重因子的固化對典型年準(zhǔn)確性的影響有待商榷。針對氣象參數(shù)權(quán)重因子統(tǒng)一與否對典型年挑選結(jié)果的影響及對建筑能耗模擬準(zhǔn)確性的影響問題，對同屬建筑熱工分區(qū)中寒冷地區(qū)的代表城市北京和拉薩，分別使用FS統(tǒng)計方法和主成分法進行了相關(guān)分析。

李紅蓮，等：建筑能耗模擬典型年中氣象參數(shù)權(quán)重的確定

1研究現(xiàn)狀

利用主成分法選取典型氣象年，是對建筑能耗影響力較大的氣象參數(shù)利用主成分法求出特征向量作為系數(shù)得出綜合表達式，對比得出與“均值”最接近的主成分月（Typical Principal Component Month，TPCM）組成主成分年（Typical Principal Component Year，TPCY）[6]。此方法建立在不同區(qū)域氣象因子權(quán)重不統(tǒng)一的思想上，尋求對建筑能耗有影響的氣象參數(shù)對本地氣候特征的貢獻率。用主成分法得出的氣象參數(shù)的權(quán)重因子不再統(tǒng)一化，表2是幾個代表城市用主成分法得出的氣象因子的權(quán)重及主成分表達式。

2研究方法

在《民用建筑熱工設(shè)計規(guī)范》（GB 50176-93）中，對中國建筑熱工設(shè)計分區(qū)為嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)、夏熱冬暖地區(qū)和溫和地區(qū)[10]。不同氣候區(qū)化的主要依據(jù)是其所處地域的氣象條件。北京和拉薩同屬寒冷地區(qū)的建筑熱工分區(qū)，但氣象資源顯著不同。由圖1和圖2兩個地區(qū)長期（30 a）逐月的太陽輻射和干球溫度的均值可見，拉薩地區(qū)較北京地區(qū)，太陽能資源豐沛，而氣溫變化幅度小。鑒于兩地區(qū)氣象資源不同，分別用FS統(tǒng)計方法和主成分法驗證對TMY選取結(jié)果的差異，及其對建筑能耗模擬結(jié)果的影響。

利用主成分法對于氣象參數(shù)的選擇，文獻[11]對建筑能耗有影響的氣象參數(shù)進行了偏相關(guān)分析，以平均氣溫、水平面太陽總輻射、大氣壓和相對濕度4項氣象參數(shù)為選擇依據(jù)，確定了節(jié)能分析氣象年（Analysis of Energy Efficiency Meteorology Year，AEEMY）[12]；文獻[6]對干球溫度、濕球溫度和水平面太陽總輻射進行了主成分分析，得出了哈爾濱、北京、上海、昆明和香港分別代表中國5個建筑熱工分區(qū)的城市的主成分年。該文在采用主成分法選取典型年時，為了和FS統(tǒng)計方法比較，加入氣象參數(shù)平均風(fēng)速，利用干球溫度、氣壓、水平面太陽總輻射、相對濕度、平均風(fēng)速選取主成分年即典型年。分析的原始氣象數(shù)據(jù)來自于各省、市、自治區(qū)氣候資料處理部門逐月上報的《地面氣象記錄月報表》的信息化資料，氣象數(shù)據(jù)記錄長度取1971年-2000年。對于原始數(shù)據(jù)中氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量的控制及處理依據(jù)文獻[13]中的方法。

3典型年結(jié)果

選取寒冷地區(qū)的代表城市北京、拉薩，分別用主成分法和FS統(tǒng)計方法生成的典型年結(jié)果如表3所示。兩城市用FS統(tǒng)計方法和主成分法得出的典型月與逐年水平面太陽總輻射月均值和平均氣溫月均值比較如圖1和圖2所示。

對比逐年實際月均值，北京用FS統(tǒng)計方法和主成分法挑選出的典型月水平面太陽總輻射偏差率分別為226%和68%；拉薩用FS統(tǒng)計方法和主成分法挑選出的典型月水平面太陽總輻射偏差率分別為013%和037%；北京用FS統(tǒng)計方法和主成分法挑選出的典型月平均溫度偏差率分別為55%和58%；拉薩用FS統(tǒng)計方法和主成分法挑選出的典型月平均溫度偏差率分別為056%和127%。

用FS統(tǒng)計方法比主成分法得出的典型月更接近逐年實際月均值，原因在于產(chǎn)生TMY時，F(xiàn)S統(tǒng)計方法使用的是氣象參數(shù)的日均值，其方法在統(tǒng)計學(xué)原理上不僅考慮到了氣象參數(shù)的平均狀況，還考慮了對比月與長期累積分布的接近程度。主成分法使用的是氣象參數(shù)的月均值，在考察數(shù)據(jù)的細致程度上不如FS統(tǒng)計方法；且此方法沒有考慮日較差，日較差和平均溫度、水平面太陽輻射一樣，也是能反映一個地區(qū)的氣候狀況的重要氣象參數(shù)指標(biāo)[11]。

4建筑能耗模擬結(jié)果

氣象參數(shù)權(quán)重因子選取方法的不同生成了不同的典型年結(jié)果，為探討FS統(tǒng)計方法和主成分法選取的典型年對建筑能耗模擬影響的準(zhǔn)確性，該文對典型建筑建模，并進行能耗逐時動態(tài)模擬。住宅建筑的人員組成及時間表的隨機性，常導(dǎo)致模擬結(jié)果不準(zhǔn)確，而公共建筑因其固定的時間表和相對穩(wěn)定的能耗需求，能耗模擬的結(jié)果相對準(zhǔn)確[14]。因北京和拉薩同屬建筑熱工分區(qū)中的寒冷地區(qū)，建模對象選取一棟5層的辦公建筑，建模標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2005）[15]中寒冷地區(qū)圍護結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)規(guī)定。建筑模型北軸夾角為0°，層高38 m，標(biāo)準(zhǔn)層378 m×357 m，建筑物概況和設(shè)備參數(shù)指標(biāo)如表4所示，圍護結(jié)構(gòu)材料及熱工性能取值如表5所示。應(yīng)用模擬軟件為Energy plus[16]軟件，Energy plus是由美國能源部和伯克利國家實驗室協(xié)作開發(fā)的行業(yè)內(nèi)廣泛認可的建筑能耗分析軟件，對TMY能耗模擬結(jié)果的比較以1971年—2000年逐年能耗模擬的平均值為標(biāo)準(zhǔn)。

計算FS統(tǒng)計方法和主成分法選出的TMY的能耗模擬與逐年能耗模擬平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差如表6所示，模擬全年逐月耗電量和消耗天然氣量情況如圖3和圖4所示。結(jié)果表明：對北京地區(qū)，主成分法挑選出的典型年更接近逐年能耗模擬平均值；對拉薩地區(qū)，F(xiàn)S統(tǒng)計方法較主成分法挑選出的典型年更接近逐年能耗模擬平均值。FS統(tǒng)計方法中，賦予太陽輻射的權(quán)重因子達到1/2，由于我國各地氣象資源優(yōu)勢不同，拉薩較北京太陽能資源豐富，與30 a逐年能耗模擬的平均值對比，F(xiàn)S統(tǒng)計方法較主成分法適合拉薩；利用氣象參數(shù)干球溫度、氣壓、水平面太陽總輻射、相對濕度、平均風(fēng)速五參數(shù)選取的主成分法更適合北京。該文建模的公共建筑，全年耗電量分為照明用電和夏季空調(diào)降溫用電，兩地區(qū)典型年耗電量對比逐年耗電量均值的模擬偏差較小，建筑模型的參數(shù)設(shè)置合理；冬季采暖消耗天然氣量與逐年消耗天然氣量均值模擬偏差較大，北京用FS統(tǒng)計方法挑選出的TMY偏差達到3392%，針對建筑氣候的熱工分區(qū)可更加細化，地域性的圍護結(jié)構(gòu)的適當(dāng)調(diào)整有助于能耗模擬的準(zhǔn)確。

5結(jié)語

針對生成典型氣象年時，氣象參數(shù)權(quán)重因子的統(tǒng)一與否對典型年的挑選和建筑能耗動態(tài)模擬結(jié)果的影響問題，挑選建筑熱工分區(qū)中寒冷地區(qū)的代表城市北京和拉薩，分別用FS統(tǒng)計方法和主成分法生成典型氣象年，并依照標(biāo)準(zhǔn)對典型公共建筑建模，模擬不同方法下的能耗進行比較性研究，結(jié)論如下：

1）在長期的時間段內(nèi)，表征某種氣象參數(shù)的典型性時，F(xiàn)S統(tǒng)計方法具有相對優(yōu)勢。

2）由于地域氣象資源優(yōu)勢不同，使用FS統(tǒng)計方法挑選TMY，適合太陽能豐富地區(qū)，在全國范圍內(nèi)使用，則存在對太陽輻射參數(shù)權(quán)重賦予過大的問題。

3）建筑熱工分區(qū)的主要依據(jù)是所在地區(qū)的溫度指標(biāo)，但同一熱工分區(qū)中，由于高程、濕度、風(fēng)速等地域性氣象資源不同，挑選典型年時權(quán)重不應(yīng)簡單固化。利用主成分法尋求當(dāng)?shù)貧庀筚Y源的本質(zhì)特征，氣象參數(shù)的選擇對典型年結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要。研究不同地域氣象參數(shù)的權(quán)重因子對建筑能耗模擬的準(zhǔn)確性具有基礎(chǔ)科學(xué)意義。

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