典型氣象年與典型代表年的選擇方法

典型氣象年與典型代表年的選擇方法

0典型氣象年的選擇和計(jì)算方法對(duì)影響較大的能源系統(tǒng)（如加熱空調(diào)系統(tǒng)、太陽能熱能利用系統(tǒng)、太陽能發(fā)電系統(tǒng)和太陽能發(fā)電系統(tǒng)）進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能評(píng)估，并考慮時(shí)間上的太陽輻射、干濕球溫度、風(fēng)速等氣象參數(shù)的影響。其中,對(duì)于供暖空調(diào)系統(tǒng),太陽輻射與干濕球溫度,則通過影響新風(fēng)負(fù)荷和圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷而影響建筑物室內(nèi)熱環(huán)境和逐時(shí)建筑能耗。然而,氣象參數(shù)卻是逐時(shí)變動(dòng)的,有其任意性與不確定性。若要模擬系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及預(yù)測(cè)能耗,有代表性的全年逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)必不可少。典型氣象年是由一系列逐時(shí)的太陽輻射等氣象數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)年,具有以下特征:a)其太陽輻射、空氣溫度與風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)發(fā)生頻率分布與過去多年的長(zhǎng)期分布相似;b)其氣象參數(shù)與過去多年的參數(shù)具有相似的日參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)性;c)其氣象參數(shù)與過去多年的參數(shù)具有不同參數(shù)間的關(guān)聯(lián)相似性。在國(guó)外有很多關(guān)于計(jì)算典型氣象年的文獻(xiàn)。最為常見的方法是由Hall等人最先提出的經(jīng)驗(yàn)法,利用Filkenstein-Schafer(FS)統(tǒng)計(jì)法從過去多年的氣象數(shù)據(jù)中計(jì)算選擇出12個(gè)典型月氣象數(shù)據(jù)組成典型氣象年。最終的選擇結(jié)果考慮了干球溫度與日太陽輻射總量的統(tǒng)計(jì)與連續(xù)性結(jié)構(gòu)。Argiriou等人比較了目前的一些計(jì)算典型氣象年的方法,并作了一個(gè)實(shí)例研究。對(duì)于不同的能源系統(tǒng),典型氣象年的選擇計(jì)算可以采用不同的加權(quán)因子,文獻(xiàn)介紹了使用不同加權(quán)因子對(duì)不同城市與地區(qū)的典型氣象年的選擇計(jì)算。上述文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果主要應(yīng)用于建筑能耗分析,而文獻(xiàn)則介紹了評(píng)估太陽能和風(fēng)能利用的典型氣象年的選擇計(jì)算方法,并采用分布概率函數(shù)PDF(pro-babilitydistributionfuntion)方法計(jì)算分析氣象數(shù)據(jù)的連續(xù)性。典型代表年的選取則簡(jiǎn)單得多,依據(jù)過去多年的氣象數(shù)據(jù)選出具有代表性的一整年數(shù)據(jù)即可作為典型代表年。這樣的選擇方法使得有的月份很具有代表性,但有的月份則偏差較大。在香港,近幾年發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)建筑物能耗動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算和對(duì)新能源發(fā)展?jié)摿Φ墓浪?都迫切需要典型氣象年數(shù)據(jù)。然而,香港在這方面的研究很有限,雖然文獻(xiàn)和文獻(xiàn)介紹了有關(guān)典型氣象年的選取,但大部分的計(jì)算機(jī)模擬一直以文獻(xiàn)選出的香港典型代表年為依據(jù),即在1979—1991年13年的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)中確定1989年為典型代表年。對(duì)于中國(guó)別的地區(qū)的典型氣象年數(shù)據(jù)則還沒有看到更多的文章涉及,只是在文獻(xiàn)中介紹了典型氣象月選取的原則和如何利用中國(guó)非小時(shí)數(shù)據(jù)建立小時(shí)數(shù)據(jù)的方法。為了探討不同的方法所計(jì)算出的典型氣象年和典型代表年的區(qū)別,及它們對(duì)計(jì)算典型年對(duì)建筑物逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果的影響,本文使用了包括Hall,Marion,ASHRAE(1998),Wong和Ngan,以及Lu和Yang的方法,利用香港1979—2000年22年的氣象數(shù)據(jù),計(jì)算出香港的典型氣象年和典型代表年,并使用不同的數(shù)據(jù),對(duì)一棟多功能商業(yè)大廈的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱、室內(nèi)熱環(huán)境和空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行了動(dòng)態(tài)逐時(shí)全年模擬。1不同季節(jié)動(dòng)態(tài)的氣象參數(shù)的連續(xù)性筆者采用最為常見的PDF來研究氣象參數(shù)的分布特性,選擇具有最小加權(quán)和WS(weightingsum)的月份為典型氣象月。而對(duì)于一些要考慮氣候連續(xù)性的系統(tǒng)、對(duì)象,則要考慮氣象參數(shù)的連續(xù)性。通常的做法是從所有年中選出5個(gè)具有最小加權(quán)和的月份,對(duì)不同氣象參數(shù)用日連續(xù)分布概率函數(shù)選出最小的加權(quán)和作為最終的典型氣象月。這樣選出的典型月份具有與長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)最相似的分布特征與連續(xù)特征。1.1加權(quán)因子的選取選取典型氣象月時(shí)使用量綱一參數(shù)FS進(jìn)行統(tǒng)計(jì),通過對(duì)PDF的比較來確定。對(duì)于不同的能源系統(tǒng),計(jì)算選擇典型代表月時(shí),考慮的逐時(shí)氣象參數(shù)不同;而對(duì)于同一參數(shù)其加權(quán)因子也會(huì)因系統(tǒng)特性的不同而不同?？紤]到氣象數(shù)據(jù)的分布,具有最小加權(quán)和的月份即為典型氣象月,具體計(jì)算方法如下:FSj(y?m)=1N∑i=1N∣∣PDFy?m(Xj(i))?PDFm(Xj(i))∣∣(1)FSj(y?m)=1Ν∑i=1Ν|ΡDFy?m(Xj(i))-ΡDFm(Xj(i))|(1)式中FSj(y,m)——第j個(gè)氣象參數(shù)值域在X(i)范圍的FS(y,m)統(tǒng)計(jì)值,y為研究對(duì)象年,m為研究對(duì)象年中的月份;PDFy,m(Xj(i))——第j個(gè)氣象參數(shù)值域在X(i)范圍的PDF值;PDFm(Xj(i))——對(duì)于月份m,第j個(gè)氣象參數(shù)長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)值域在X(i)范圍的PDF值;N——參數(shù)值選取個(gè)數(shù),取決于參數(shù)的始點(diǎn)值、終點(diǎn)值和步距。WS(y?m)=1M∑j=1M(WFjFSj)(2)WS(y?m)=1Μ∑j=1Μ(WFjFSj)(2)式中M——逐時(shí)氣象參數(shù)選取的個(gè)數(shù);WS(y,m)——y年m月的平均加權(quán)和;WFj——第j個(gè)氣象參數(shù)的加權(quán)因子,見表1,∑j=1MWFj=1∑j=1ΜWFj=1。不同的文獻(xiàn)使用了不同的加權(quán)因子值。除文獻(xiàn)使用的方法可用于風(fēng)力和光伏等新能源系統(tǒng)外,其他方法主要適用于建筑物能耗動(dòng)態(tài)模擬和太陽能應(yīng)用系統(tǒng),給予太陽輻射參數(shù)較大的加權(quán)因子。在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)于不同性能及特性的系統(tǒng),選擇合適的氣象參數(shù)及其加權(quán)因子對(duì)于選擇典型氣象月與典型氣象年是非常重要的。1.2典型月氣象參數(shù)的連續(xù)性特征氣象數(shù)據(jù)的連續(xù)性結(jié)構(gòu)很大程度上影響一些系統(tǒng)的可靠性與系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)存容量與運(yùn)作性能。譬如對(duì)于太陽能系統(tǒng)與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),連續(xù)幾天的陰雨氣象條件與連續(xù)幾天的無風(fēng)氣象條件都會(huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所以典型月氣象參數(shù)的連續(xù)性特征與長(zhǎng)期氣象連續(xù)性特征一致性也是一個(gè)非常重要的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。連續(xù)性的參數(shù)一般只考慮最為重要的數(shù)據(jù)變量,對(duì)于太陽能利用系統(tǒng)與建筑物動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng),一般考慮干球溫度與太陽輻射總量?jī)蓚€(gè)因子,而對(duì)于太陽能和風(fēng)能綜合系統(tǒng),則要考慮太陽輻射總量與風(fēng)速兩個(gè)因子,具體計(jì)算PDF的方法可參照文獻(xiàn)。1.3hr、hdrt的計(jì)算由于氣象臺(tái)站所提供的氣象數(shù)據(jù)中的太陽輻射數(shù)據(jù)一般只有輻射總量,而建筑能耗模擬計(jì)算時(shí),必須將太陽輻射總量分為太陽直射輻射量與太陽散射輻射量。本文采用了文獻(xiàn)提出的模型:hdhr=1?0.435kT0≤kT＜0.325hdhr=1.41?1.695kT0.325≤kT≤0.679hdhr=0.2590.679＜kT???????????(3)hdhr=1-0.435kΤ0≤kΤ＜0.325hdhr=1.41-1.695kΤ0.325≤kΤ≤0.679hdhr=0.2590.679＜kΤ}(3)式中hd,hr分別為水平面上的太陽散射輻射量和總輻射量;kT為地表面水平面太陽總輻射量和大氣層外太陽總輻射量的比值。對(duì)于香港地區(qū)該模型的均方根誤差為0.238,均方差則為0.0247。2典型氣象年的創(chuàng)建依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn),可以得到不同的典型氣象年。從22年氣象數(shù)據(jù)中選取具有最小加權(quán)和的月份作為典型月,由12個(gè)不同的典型月組成典型氣象年。表2僅給出了根據(jù)文獻(xiàn)選出的代表月(陰影部分為第一選擇)。以LY方法選出的典型月作為標(biāo)準(zhǔn),以評(píng)價(jià)太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)能耗為目標(biāo),圖1給出了5種方法得出的相同月份結(jié)果的比較。從中可以看出用Hall和MU方法得出的結(jié)果偏離度最大,因?yàn)槠淇紤]風(fēng)速的加權(quán)因子最小,而由ASHRAE和WN所選擇出的典型年較為適合新能源的利用。3典型代表年的確定本文采用香港天文臺(tái)提供的1979—2000年22年的氣象數(shù)據(jù),包括干濕球溫度、太陽輻射量與風(fēng)速(香港的地理位置為:北緯22°18′,東經(jīng)114°10′)。依據(jù)典型代表年的定義,利用上面提到的不同方法應(yīng)用到全年的數(shù)據(jù)上(而非每月數(shù)據(jù)),選擇出不同的典型代表年,如圖2所示。可見用Hall和MU方法計(jì)算的結(jié)果變化趨勢(shì)最為相近,而其他結(jié)果則由于不同參數(shù)使用了不同加權(quán)因子的緣故而有比較大的變化差異。由此可見,不同氣象參數(shù)的加權(quán)因子的大小在很大程度上影響典型代表年的選擇結(jié)果。表3列出了依據(jù)不同方法計(jì)算出的按優(yōu)先次序排列的典型代表年。依據(jù)ASHRAE方法計(jì)算出的典型代表年為1989年,但1989年在Hall和LY結(jié)果中則列為第4(表3中陰影部分),足以表明用不同的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法所得出的結(jié)果相差很大。4香港氣候特征對(duì)模擬能耗分析的影響為驗(yàn)證由不同標(biāo)準(zhǔn)選出的典型氣象年和典型代表年對(duì)建筑能耗模擬結(jié)果的影響與影響程度,本文對(duì)一多功能商業(yè)大樓進(jìn)行了逐時(shí)動(dòng)態(tài)模擬。而對(duì)于風(fēng)能利用系統(tǒng)、太陽能利用系統(tǒng)以及太陽能和風(fēng)能復(fù)合系統(tǒng),模擬計(jì)算結(jié)果參見文獻(xiàn),不同典型氣象年和典型代表年對(duì)太陽能系統(tǒng)影響較小,而對(duì)于風(fēng)能系統(tǒng)則較大。該多功能商業(yè)大樓共9層,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),建筑面積為102472m2,包括超市、電影院、咖啡館、餐館、購(gòu)物中心及俱樂部等?？紤]到香港的氣候特點(diǎn),對(duì)建筑物逐時(shí)動(dòng)態(tài)能耗分析,只考慮空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷。應(yīng)用的模擬軟件為HTB2軟件,計(jì)算結(jié)果以1989年作為標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于典型代表年,最大偏差值可達(dá)12%。而對(duì)于典型氣象年,其偏差則較小,在5%的誤差允許范圍之內(nèi)。在使用香港的氣象參數(shù)情況下,不同的典型代表年對(duì)于模擬結(jié)果偏差很大,這表明對(duì)于建筑物動(dòng)態(tài)能耗分析,采用典型氣象年結(jié)果更為接近,具有更好的可靠性。對(duì)于不同典型氣象年,偏差較小的原因之一是因?yàn)楦蓾袂驕囟?影響空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷的重要因素,而空調(diào)新風(fēng)負(fù)荷在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷中所占比例很大,受外圍因素影響)是非常重要的兩個(gè)參數(shù),但在香港濕熱的氣候下變化很小。另外一個(gè)原因是這兩個(gè)參數(shù)在不同計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中給出的加權(quán)因子大小差不多。因?yàn)橄愀鄣臍夂蛱貏e,沒有像北方城市很明顯的春夏秋冬季節(jié),全年溫度變化小。但對(duì)于其他氣候特征不同的城市和地區(qū),模擬結(jié)果會(huì)大為不同。對(duì)于不同地區(qū)與城市,研究不同典型氣象年對(duì)于模擬結(jié)果的影響和選擇正確的典型氣象年是正確評(píng)估系統(tǒng)的前提。5典型實(shí)踐企業(yè)能耗評(píng)估結(jié)果本文介紹了目前常用的選擇典型氣象年與典型代表年的方法,利用香港22年的氣象數(shù)據(jù),得出了香港的典型氣象年與典型代表年,并比較了應(yīng)用五種不同選擇方法所得結(jié)果