江西省太陽(yáng)能資源時(shí)空分布特征及建筑太陽(yáng)能利用分析

張紅嬰，呂銀嬌，李劍琨

(江西理工大學(xué) 建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

隨著化石能源的日益緊缺和環(huán)境污染的日趨嚴(yán)重，太陽(yáng)能資源的利用引起了全世界的廣泛關(guān)注。太陽(yáng)能資源具有環(huán)境友好、可再生、取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)。對(duì)太陽(yáng)能資源進(jìn)行正確而全面的評(píng)價(jià)是對(duì)太陽(yáng)能合理開(kāi)發(fā)和利用的前提。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能資源評(píng)價(jià)和利用做了較多研究工作，主要有以下幾個(gè)方面：①用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或差值方法對(duì)太陽(yáng)輻射分布進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-7]，得出太陽(yáng)能用于光伏發(fā)電減輕國(guó)家電網(wǎng)壓力，實(shí)現(xiàn)可再生能源占總能耗的25%等節(jié)能減排的目標(biāo)。②對(duì)日照時(shí)數(shù)及穩(wěn)定度進(jìn)行評(píng)價(jià)[8-10]，統(tǒng)計(jì)地區(qū)的日照時(shí)數(shù)說(shuō)明地區(qū)日照時(shí)數(shù)的特點(diǎn)，得出該地太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)評(píng)價(jià)穩(wěn)定度都與韓世濤[8]等人的方法相同。③文獻(xiàn)[10]除對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)外還對(duì)其直射比評(píng)價(jià)，數(shù)據(jù)表明拉薩地區(qū)直射比在72%以上，直射輻射比較豐富,有利于太陽(yáng)能資源的主動(dòng)利用。

由于太陽(yáng)能資源分布的地域性差異，造成某一地區(qū)的太陽(yáng)能資源評(píng)價(jià)結(jié)果并不適用于其他地區(qū)，而已有的研究中針對(duì)江西省太陽(yáng)能資源評(píng)價(jià)的文獻(xiàn)很少，且評(píng)價(jià)不夠全面和深入[11-13]。在江西省全面發(fā)展光伏產(chǎn)能和大力推進(jìn)太陽(yáng)能利用的前提下[14]，利用合理模型，深入細(xì)致地評(píng)價(jià)江西省的太陽(yáng)能資源對(duì)推進(jìn)江西省的光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展和太陽(yáng)能的深化利用顯得尤為重要。因此，本文利用江西78個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)[15]，依據(jù)GB/T31155-2014 (太陽(yáng)能資源等級(jí)·總輻射)和建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象手冊(cè)[16]中的氣象數(shù)據(jù)對(duì)太陽(yáng)輻照量、穩(wěn)定度、直射比等進(jìn)行評(píng)價(jià)，并針對(duì)江西省太陽(yáng)能資源的分布特點(diǎn)對(duì)江西省太陽(yáng)能資源的合理利用提出建議。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與評(píng)價(jià)方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)1986～2016年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和建筑用標(biāo)準(zhǔn)氣象數(shù)據(jù)手冊(cè)中的標(biāo)準(zhǔn)年數(shù)據(jù)。

1.2 評(píng)價(jià)方法

本文用國(guó)標(biāo)方法評(píng)價(jià)太陽(yáng)能輻照量、太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度和直射比等太陽(yáng)能資源參數(shù)[17]。采用文獻(xiàn)[17]中的方法求出無(wú)輻射觀測(cè)值地的輻射數(shù)據(jù)，如公式(1)所示：

Q=Q0(a+bS)

(1)

式中：Q為地面接受到的輻射，Q0為天文輻射，a，b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，S為日照百分率。

將太陽(yáng)能資源年內(nèi)變化的狀態(tài)和幅度稱(chēng)為太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度Rw，用公式(2)表示：

Rω=Rmin/Rmax

(2)

式中：Rmin為總輻射各月平均日輻照量多年平均值的最小值，Rmax為總輻射各月平均日輻照量多年平均值的最大值。

單位時(shí)間內(nèi)水平面直接輻射輻照量在總輻射輻照量中占的比例稱(chēng)為直射比RD，用公式(3)表示：

RD=HD/H

(3)

式中：HD為單位時(shí)間內(nèi)水平面直接輻射輻照量，H為單位時(shí)間內(nèi)總輻射輻照量。

2 評(píng)價(jià)結(jié)果與討論

2.1 江西省太陽(yáng)輻照量分布

太陽(yáng)能資源的年輻照總量是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的依據(jù)。本文用有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的城市，如長(zhǎng)沙、武漢、廣州、福州、杭州、合肥的輻射觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合公式(1)計(jì)算出江西省的太陽(yáng)輻射值，其30 a月均輻射分布如圖1所示，其中(a)～(l)分別表示1～12月份的均值。

圖1 江西省30 a太陽(yáng)輻照量月平均分布圖

從圖1可以看出：江西省1月份太陽(yáng)輻照量最小，7月份輻照量大。其中1、2月份受緯度影響，江西最南部的地方輻照量較其他地方量稍大；而5、6、9、11、12月份，江西西部輻照量偏小，這是因?yàn)榻魑鞑繛樯降厍鹆甑孛?，影響了輻射到達(dá)地面的總量。7、8月份時(shí)江西各地區(qū)太陽(yáng)輻照量區(qū)別不大且各地月輻照量達(dá)到最大，從季節(jié)看輻照量的分布與文獻(xiàn)[12]一致，夏季輻照量最大，總輻射量為1 427～1 644 MJ/m2，占全年總輻射的32%～38%，峰值為1 550～1 650 MJ/m2，分布在贛北和贛南。低值為1 427～1 500 MJ/m2，集中分布在贛西井岡山等地區(qū)。這是由于夏季太陽(yáng)直射半球太陽(yáng)高度角大，輻射受山地的影響很小，且穿過(guò)云層的厚度變薄，大氣對(duì)輻射削弱減小，到達(dá)地面輻照量比其他季節(jié)大。冬季輻照量最小，原因與夏季相反，總輻射量為605～818 MJ/m2，僅占全年的 14%～19%；春季總輻射量在969～1 149 MJ/m2，占全年總輻射的22%～26%，峰值區(qū)位于贛南和贛北，為1 050～1 149 MJ/m2，贛中地區(qū)為 969～1 050 MJ/m2；秋季全省總輻射量為945～1 159 MJ/m2，占全年的24%～27%，高值區(qū)位于贛南和贛東北，值為1 100～1 159 MJ/m2，低值區(qū)位于贛中和井岡山山區(qū)，為945～1 050 MJ/m2。

將江西省各地輻射值30 a平均值繪制如圖2所示。

由圖2可知：江西各地輻照量均大于國(guó)標(biāo)[17]規(guī)定的豐富帶(3780≤Q<5040 MJ/m2)的最低值。

各地都處于太陽(yáng)能資源豐富帶，各地太陽(yáng)輻射年輻照量在3 799～4 531 MJ/m2。江西西部的宜豐、蓮花和井岡山年輻照量與其他地區(qū)相比較小，在3 799～4 000 MJ/m2。這是因?yàn)榻魑鞑繛樯降厍鹆甑孛?，地貌影響了輻射到達(dá)地面的總量。其他地區(qū)年輻照量均在4 000～4 531 MJ/m2。其中南昌、上饒、贛州年輻照量與其他地區(qū)相比較高，在4 457～4 531 MJ/m2。這是因?yàn)檫@些地區(qū)深居內(nèi)陸且被群山包圍，季風(fēng)難以進(jìn)入，致使三個(gè)地區(qū)的云量較江西其他地區(qū)較少，因此年平均輻照量較大。

圖2 江西地區(qū)近30 a輻射平均值

由于大氣污染和溫室氣體排放等因素，地面太陽(yáng)輻射量在不斷變化。根據(jù)江西省的面積均勻地選出6個(gè)具有代表性的站點(diǎn)，分別為贛州、吉安、南城、南昌、修水、廬山，繪制出這些地區(qū)30 a的輻照量變化圖，如圖3所示。

圖3 江西省典型地區(qū)30 a間輻照量變化

從圖3可知：1985～1995年間江西各地年際輻照量變化幅度較小，1995年之后變化幅度較大，這與溫室氣體的排放及城市化建設(shè)加快等原因是分不開(kāi)的。在1995～2015年，約每5 a一個(gè)變化周期，在此變化周期內(nèi)其中1～2 a太陽(yáng)輻照量小，而另外3～4 a太陽(yáng)輻照量較大。

2.2 穩(wěn)定度

太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度是大力發(fā)展和利用太陽(yáng)能的一個(gè)重要參數(shù)，關(guān)系到太陽(yáng)能利用設(shè)備的運(yùn)行及調(diào)試等。本文利用公式(2)計(jì)算江西省太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度，并繪制穩(wěn)定度等值線，如圖4所示。

圖4 江西省太陽(yáng)能穩(wěn)定度等值線圖

由圖4可知：江西省中部及偏北部太陽(yáng)能處于穩(wěn)定等級(jí)B級(jí)(0.36≤Rw<0.47)，北部及中部偏南的所有區(qū)域處于一般等級(jí)C級(jí)(0.28≤Rw<0.36)，極個(gè)別位于最南端和最北端的地區(qū)處于很穩(wěn)定等級(jí)A級(jí)(Rw≥0.47)。穩(wěn)定度值在0～1，值越趨于1說(shuō)明太陽(yáng)輻照量越穩(wěn)定，一年之內(nèi)輻照量的變化幅度較小，對(duì)于利用太陽(yáng)能的設(shè)備其輸出功率的變化幅度小，更方便主動(dòng)利用太陽(yáng)能。

2.3 直射比

利用太陽(yáng)能資源進(jìn)行發(fā)電的裝置只能利用太陽(yáng)輻射中的直接輻射，比如光伏發(fā)電、太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)等。而直射比較好地反映了直接輻射在總輻射中的分量。本文利用中國(guó)建筑用標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)手冊(cè)中的輻射數(shù)據(jù)，并運(yùn)用國(guó)標(biāo)[17]方法計(jì)算10個(gè)代表城市直射比的月均值，如圖5所示。

圖5 建筑用標(biāo)準(zhǔn)年氣象數(shù)據(jù)直射比

由圖5可知：景德鎮(zhèn)各月直射比最大，修水和南昌次之，廬山最小。從江西各地平均情況來(lái)看，4、5、6、7、8月份直射比相對(duì)較低，在0.4左右，原因是這段時(shí)間內(nèi)空氣的絕對(duì)含濕量比較大。不僅如此，在6、7、8月這些地區(qū)還受副熱帶高壓帶影響，從低層到高空有很厚的氣溶膠，其對(duì)太陽(yáng)輻射的散射作用較強(qiáng)[19-20]。9、10、11、12月份直射比相對(duì)較高，在0.5左右，這段時(shí)間內(nèi)這些地區(qū)直射比受副熱帶高壓帶影響逐漸減小，因此直射比相對(duì)較高。但總體來(lái)說(shuō)，江西各地直射比相比其他地區(qū)較小，在0.55以下，散射輻射在總輻射中占比較大。

3 建筑太陽(yáng)能資源利用分析

通過(guò)對(duì)江西省太陽(yáng)能資源詳細(xì)深入的評(píng)價(jià)，針對(duì)江西地區(qū)太陽(yáng)能資源的特點(diǎn)和現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)，給出利用建議。主要分為兩個(gè)方面：主動(dòng)利用和被動(dòng)利用。區(qū)別在于主動(dòng)利用方式在利用的初期和過(guò)程中會(huì)消耗其他能源，而被動(dòng)利用是指不消耗其他能源，僅在設(shè)計(jì)建筑時(shí)考慮到當(dāng)?shù)貧夂虻奶攸c(diǎn)，根據(jù)建筑本身的特點(diǎn)利用太陽(yáng)能資源，達(dá)到減少建筑能耗的目的。

3.1 主動(dòng)利用

由以上統(tǒng)計(jì)分析可知：江西省的年太陽(yáng)輻照量在4 000 MJ/m2左右，處于國(guó)標(biāo)GB/T31155-2014劃分的豐富等級(jí)；穩(wěn)定度在0.4左右，屬于太陽(yáng)能利用B級(jí)穩(wěn)定區(qū)域，適合推廣主動(dòng)利用太陽(yáng)能的設(shè)備，如安裝太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備，但應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來(lái)實(shí)施。由于江西整體直射比在0.35～0.45，相對(duì)較小，散射輻射占比較大，安裝光伏發(fā)電設(shè)備時(shí)適合選用非晶硅電池[21]。

由江西省的太陽(yáng)輻照量分布圖可知：江西地區(qū)冬季平均太陽(yáng)輻照量為675 MJ/m2，夏季平均太陽(yáng)輻照量1 518 MJ/m2，夏季遠(yuǎn)大于冬季，因此應(yīng)充分利用夏季太陽(yáng)能資源，變害為利，在江西除繼續(xù)推廣現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱水技術(shù)以外，還應(yīng)大力推廣太陽(yáng)能空調(diào)和熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)，從而有利于緩解夏季電網(wǎng)壓力。另外，江西省冬季日平均溫度7.2℃，最低溫度-2℃，與北方地區(qū)和其他夏熱冬冷地區(qū)相比氣溫相對(duì)較高，因此冬季應(yīng)用空氣源熱泵產(chǎn)生的低溫?zé)崴涂梢曰緷M(mǎn)足生活用水要求和地板采暖需求[22]。

3.2 被動(dòng)利用

建筑太陽(yáng)能的被動(dòng)利用技術(shù)側(cè)重于對(duì)建筑用能需求的調(diào)控，是當(dāng)今世界節(jié)能技術(shù)的大趨勢(shì)。適合江西建筑太陽(yáng)能被動(dòng)利用技術(shù)有以下幾種：

(1)根據(jù)冬夏季投射到不同方向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)輻照量選擇合適的建筑材料和采用合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。江西夏季平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度大，冬季平均太陽(yáng)輻照強(qiáng)度小，根據(jù)文獻(xiàn)[23]可知，由于太陽(yáng)高度較大和太陽(yáng)方向角的原因，江西建筑屋頂、東墻和西墻夏季吸收的太陽(yáng)輻射量遠(yuǎn)大于冬季吸收的太陽(yáng)輻射量，而南墻正好相反，而對(duì)于建筑太陽(yáng)能被動(dòng)利用來(lái)說(shuō)，希望夏季圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收的太陽(yáng)輻射能越小越好，而冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)吸收的太陽(yáng)輻射能越大越好。因此在江西，南墻采用反射率較小的普通涂料，除南墻外的其他方向非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用高反射率的反射隔熱涂料將有利于節(jié)約全年空調(diào)能耗。除此之外，應(yīng)增加建筑的南墻表面，減少建筑東西向表面，并適當(dāng)增加南墻外墻的窗墻比，減少東西向外墻的窗墻比。

(2)采取措施，應(yīng)在滿(mǎn)足冬季太陽(yáng)投射到圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)輻照量的同時(shí)，盡量減小夏季投射到圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面的太陽(yáng)輻射量。主要可以利用以下措施：①夏季白天做好外窗的遮陽(yáng)措施，減少由外窗直接入射到室內(nèi)的太陽(yáng)輻射量；晚上應(yīng)加強(qiáng)開(kāi)窗通風(fēng)，并充分利用大氣逆輻射對(duì)建筑進(jìn)行冷區(qū)降溫；②設(shè)置角度可調(diào)的遮陽(yáng)板，在保證冬季建筑的太陽(yáng)輻照量的同時(shí)，減少夏季建筑外表面的太陽(yáng)輻照量；③在建筑立面以及屋頂上種植落葉綠色植物，在減少夏季建筑太陽(yáng)輻照量的同時(shí)利用綠色植物的蒸發(fā)和蒸騰作用對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行降溫。

4 結(jié)論

由上述對(duì)江西省太陽(yáng)能資源的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)分析可知：

(1)一年內(nèi)江西各地太陽(yáng)輻照量的時(shí)間分布情況為1月份最小，之后逐漸增大，到7月份達(dá)到最大，之后逐漸減少。

(2)從江西空間分布看，各站點(diǎn)年平均太陽(yáng)輻照量在3 780～5 040 MJ/m2，其中西部井岡山地帶輻照量最小，為3 780 MJ/m2。贛州、南昌、上饒輻照量最大，為4 520 MJ/m2。

(3)根據(jù)江西太陽(yáng)輻照量、穩(wěn)定度和直射比的分析，在主動(dòng)利用方面應(yīng)該推廣利用光伏發(fā)電、空氣源熱泵和熱電聯(lián)產(chǎn)。在被動(dòng)利用方面，除南墻外的其他方面非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用高反射率的反射隔熱涂料，同時(shí)應(yīng)增加建筑的南墻表面，減少建筑東西向表面，并適當(dāng)增加南外墻的窗墻比，減少東西向外墻的窗墻比，且做好遮陽(yáng)措施，主動(dòng)和被動(dòng)方式結(jié)合利用，使建筑更節(jié)能。

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