摘要：在 太阳能建筑设计、建筑能耗模拟时，逐时的太阳辐射气象数据是最重要的基本参数。我国严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准规定，采暖期的计算需要准确的不同 朝向的太阳辐射照度，但是，我国目前尚未广泛地进行不同朝向的太阳辐射观测工作。文章制定了一套不同朝向的太阳辐射测量方案，通过对数据进行处理分析，得 出不同朝向的太阳辐射变化规律，验证了方案的可行性。基于分朝向的太阳辐射变化，提出了相应的建筑设计策略，为建筑节能提供更准确的理论依据。
关键词：太阳总辐射，不同朝向，测试方案，应用分析
0 前言
随 着能源的紧缺，节能、环保理念的普及，绿色建筑、低碳建筑的兴起，建筑节能受到越来越多的关注。在影响建筑能耗的许多因素中，除了建筑本身之外，更主要的 是受到建筑所在地的温度、湿度、风速、太阳辐射等气象要素的影响。在所有影响气象要素中，太阳辐射对建筑能耗的影响最为显著。我国节能设计标准指出，对于 严寒、寒冷地区的居住建筑应采用稳态计算方法。用该方法计算居住建筑耗热量指标时，须要知道各朝向的太阳辐射值，给出采暖期4个主要朝向的平均太阳辐射照度，因此须要解决不同朝向的太阳辐射问题。准确、可靠的太阳辐射值是准确计算建筑能耗的前提条件。
目前，我国地面气象观测站点有2 500个左右，其中辐射观测台(站)只有100个左右，能够观测太阳直射辐射的台(站)仅有69个，能观测各朝向太阳辐射量的站点更是少之又少[1]。这些观测站点大多是按照气象科学研究要求设置的，与城市发展水平不相适应。目前，我国城市数量约为660个，其中地级以上城市约为280个，城市数与辐射观测台站数的差距很大[2]。同时，受辐射观测类型的制约，缺少各朝向辐射的实测值。因此，须要解决不同朝向太阳辐射值的获得问题。
图1 太阳辐射测试方案示意图
Fig.1 Sketch of solar radiation test
1 太阳辐射测试方案
国内气象观测站一般均观测太阳总辐射、直射辐射和散射辐射量，缺少各朝向的太阳辐射观测值[2]。本文借鉴相关文献自行制定了不同朝向的太阳辐射观测方案，并开展辐射观测[3]-[5]。图1为太阳辐射测试方案示意图。
1.1 测试地点的选择
选 择测试地点的条件：因为到达地面的太阳辐射量随时空变化较大，所以观测太阳能辐射最佳地点是太阳能利用所在地或与其足够近的地方；辐射仪器感应元件之上要 保证无任何障碍物遮挡，而且还应该是易于观测员到达的地点；如果达不到此条件，应选择避开障碍物一定距离。任何障碍物的影子不能投在仪器感应面上；观测仪 器不应靠近浅色墙面或其它可能将阳光反射到其上的物体，也不应暴露在人工辐射源之下。不能有高度角超过5°的障碍物，特别是在全年之中日出日落时的方位角范围内，其它的障碍物也不应使太阳全张角减少0.5 sr以上[6]。根据以上要求，本测试仪器装置安装在办公楼的楼顶，基本满足上述要求。
1.2 测量仪器的选择
太阳辐射能量的99.9%在0.2～10 μm波段，其中波长＜0.4 μm为紫外辐射，波长为0.4～0.73μm为可见光，波长＞0.73 μm为红外辐射。目前，气象站观测太阳辐射主要为太阳光谱中波长为0.29～3.0 μm的短波辐射。
测量太阳辐射所使用总辐射表的主要性能指标如下：光谱范围为280～3 000 nm；测试范围为0～2 000 W/m；测量精度＜5%；分辨率为1 W/m2，0.01 MJ/m2；环境温度为-40～70℃，环境湿度＜90%；传感器通道数＞6。
1.3 观测内容
我国的辐射观测站分为三级。一级站的观测项目为总辐射、散射辐射、太阳直接辐射、反射辐射以及净全辐射；二级站的观测项目为太阳总辐射、净辐射；三级站只观测总辐射[6]。本方案以不同朝向太阳辐射观测为主，兼具观测太阳总辐射、散射辐射，记录各时的辐照度、时(日)辐射量，最大辐照度及其出现的时刻等。
2 测量数据的统计
2.1 观测记录的质量检查
对观测记录的数据进行极值检查、相关性检查等质量控制，确保数据的可靠性。若时辐射量数据全天缺失，则排除此天的结果；如果某天缺测数小时，则按实测记录统计合计。一个月中，总辐射日总量数据缺失≤9 d时，各时及日辐射总量的月合计值和月平均值按下式统计：
时(日)辐射总量的月平均值=实有记录之和/实有记录天数
时(日)辐射总量的月合计值=时(日)总量的月平均值×该月天数
数据缺失≥10d时，该月不做月统计，按缺测处理[6]。
2.2 测量数据整理分析
(1)日瞬时辐射功率的统计
对北京地区而言，主要考虑不同朝向的太阳辐射对建筑夏天隔热和冬天保温的影响。因此分别挑选2010年7月25日和1月7日两个具有代表性的日观测值，来探讨不同朝向太阳辐射的变化规律(图2、图3)。
图2 2010年1月7日不同朝向的太阳辐射
Fig.2 Instantaneous solar radiation in different directions on Jan. 7, 2010
图3 2010年7月25日不同朝向的太阳辐射
Fig.3 Instantaneous solar radiation in different directions on Jul. 25, 2010
(2)日太阳总辅辐射量的统计
日太阳总辐射量由逐时太阳总辐射量累加求得。因全年数据较多，不能一一列举，本文仅给出7～10月的各日太阳能总辐射量(图4)。
图4 2010年7～10月不同朝向日辐射量
Fig.4 Daily global radiation in different directions from July to October in 2010
(3)太阳月辐射量的统计
太阳月辐射量可以由逐日各时、各日记录累加获得。一个月内，因每天日出、日落的时间不同，会造成某月初或月末连续数天无该时观测记录，则该时月合计值可由该时实有记录累加计算。月合计值除以该月日数即为月平均值(图5)。
图5 2010年不同朝向太阳月辐射量
Fig.5 Monthly global radiation in different directions in 2010
(4)室外综合温度的计算
室外综合温度由室外空气温度、建筑外表面所吸收的太阳辐射(当量温度)、与室外环境长波辐射交换量3部分构成，其中，太阳辐射是影响室外综合温度的主要因素。图6为某建筑某日不同朝向的室外综合温度对比。
图6 某日不同朝向的室外综合温度
Fig.6 Different directions comprehensive temperature outdoors
3 结果分析与相应对策
从图2、图3可以看出，2010年1月7日不同朝向的逐时太阳辐射变化规律：南向的太阳辐射最强，最大值出现在12:00左右；水平面上的太阳辐射量次之，其最大值出现时刻与南向基本相同；东向的太阳辐射强度最大值出现在10:00左右，然后逐渐降低；西向的太阳辐射强度最大值出现在15:00左右；北向全天的太阳辐射强度都较小，而且变化幅度不大。2010年7月25日不同朝向的逐时太阳辐射变化规律：水平面上的太阳辐射强度最大，最大值出现在13:00左右；南向的太阳辐射强度次之，其最大值出现时刻与水平面基本相同；东向的太阳辐射强度最大值出现在10:00左右，然后逐渐降低；西向的太阳辐射强度最大值出现在15:00左右；北向全天太阳辐射强度都较小，而且变化幅度不大[7][8]。根据以上太阳辐射规律，可以在冬季充分利用南向太阳辐射强度最大这一特点，在建筑南向设置阳光间，提高房间的舒适度；在夏季，可以有针对性地在不同朝向太阳辐射最大值出现时采取遮阳、隔热等技术措施，以减小太阳辐射对室内热湿环境的影响。
图4表明了2010年7～10月 不同朝向日太阳辐射的分布情况。通过全年不同朝向的日辐射量的变化表明：锯齿形的日辐射值反映了当天的大气透明度、不同朝向单日太阳辐射最大值出现的日 期。通过太阳日辐射值曲线所围合的面积来看，水平面上的太阳辐射量最大，且夏季大于冬季；其次为南向，且冬季高于夏季；西向和东向的太阳辐射量相当，变化 幅度也不大；北向的太阳辐射量最小[9]。
图5是以一个月为时间步长，绘制得出的2010年全年不同朝向的太阳辐射变化曲线。通过对逐月太阳辐射量的统计，可见2010年全年不同朝向的日太阳辐射变化规律：水平面上的太阳辐射量最大，最大值出现在5，6，7月份，这主要与夏季太阳辐射量较大有关外，还与5，6月份北京的大气透明度较好有关；南向的太阳辐射量次之，12，1月南向的太阳辐射最强，主要是因为冬季太阳高度角较低；东西向的太阳辐射状况基本相似；北向的太阳辐射量全年最小，且变化幅度不大[10]。图5显示，5，6，7，8月水平面上的太阳辐射量最大，因此隔热设计的重点在屋顶等水平面，其次为西向、东向，在南向的太阳能集热装置以水平布置为最佳；在11，12，1，2月，南向太阳辐射较强，为了充分利用太阳能，应加大南向立面的集热设计，并采取采暖和保温设施。
图6显示了夏季某建筑不同朝向的室外综合温度的变化。由图6可见，在中午左右，水平面(屋顶)的室外综合温度最大，达到了63℃；西墙的室外综合温度次之，最大值(56℃)出现在15:左右；东墙室外综合温度最大值(48℃)出现在10:00左右。因此，在夏季的隔热设计中，除了考虑屋顶隔热设计外，还应该考虑西墙和东墙的隔热措施。
4 结论
针 对目前我国不同朝向的太阳辐射实地测量缺失的现状，制定了一套不同朝向的太阳辐射的测量方案，并进行了实地测量。通过对数据的处理，对比、分析，得出不同 朝向太阳辐射量的变化规律，验证了该测量方案的可行性，提出了基于分朝向太阳辐射的建筑设计策略，为太阳能建筑设计、节能设计提供更准确的理论基础。
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