郑州地区太阳辐射变化规律及分析

李玉娜，马 磊，秦光耀

(1.郑州电力高等专科学校，河南 郑州 450004;2.河南联合智能工程有限公司，河南 郑州 450000)

太阳能是取之不尽、用之不竭的能源，尤其是在当今环境污染越来越严重的今天，对最大限度地合理开发和利用太阳能有着重要的意义。

1 太阳辐射资料数据来源

《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[1]是以中国气象局信息中心气象资料室收集的全国270个全面气象台站1971～2003年的实测气象数据为基础，通过分析、整理、补充源数据以及合理的插值计算，获得了全国270个台站的建筑热环境分析专用气象数据集，为建筑热环境及其控制系统的设计和动态模拟分析提供全面可靠的基础气象数据。为了分析郑州地区的太阳能资源，根据本数据集的特点，选用了设计典型年和典型气象年的太阳辐射数据。

2 太阳能辐射变化规律及分析

2.1 设计典型年总辐射的逐日变化

不论是辐射极高年还是辐射极低年，郑州地区的太阳总辐射逐日变化都大致呈向下开口的抛物线形式，但是辐射极低年逐日变化上下波动的幅度不如辐射极高年的波动大(图1和图2)。辐射较低年的太阳总辐射总量为4 728.96 MJ/m2，而辐射极高年的为5 850.46 MJ/m2，极低年太阳总辐射为极高年的80.83%。在一年中，夏季的日总辐射高且变化剧烈，冬季低但变化平缓。

在辐射极高年，夏季的太阳总辐射占全年总辐射的31.03%;冬季占全年总辐射的17%;在辐射极低年，夏季太阳总辐射占全年总辐射的33.67%;冬季太阳总辐射占全年总辐射的16.36%。

图1 太阳日总辐射强度年变化(辐射极高年)

图2 太阳日总辐射强度年变化(辐射极低年)

图3 太阳总辐射强度逐月变化

2.2 设计典型年总辐射的逐月变化

从图3可见:太阳总辐射的变化比较有规律，呈单峰值变化。辐射极低年除了在11月和12月之间出现升高现象，其余月份变化情况与辐射极高年类似。辐射极低年的最大值和最小值分别出现在5月和11月，而极高年的极值出现在6月和12月。两种情况普遍是极高年的月总辐射远远大于极低年的月总辐射，其中4月悬殊最大。还可以看出辐射极低年在冬季的最冷月并非太阳总辐射最低，而辐射极高年夏季的最热月并非太阳总辐射最高。

2.3 设计典型年月总辐射和月总直射变化

太阳总辐射包括直射辐射和散射辐射。利用太阳能实际上是利用太阳的总辐射，对大多数太阳能设备来说，则是利用太阳辐射能的直接辐射部分。因此研究直接辐射的变化以及它与总辐射之间的关系具有举足轻重的作用。

表1 太阳辐射典型极高年的月总辐射和月总直射

表2 太阳辐射典型极低年的月总辐射和月总直射

从表1和表2中，可以看出:辐射极高年中月直接辐射占太阳月总辐射很大的份额，其中6月份为88%，1月份为77.01%高于7、8月份和11月份的;辐射极低年，太阳直接辐射占总辐射的份额大多在40%～50%。可见，在中原地区冬季太阳能有很大的利用潜力，太阳散射辐射也应该合理利用，其作用不可忽视。

2.4 设计典型年东南西北各朝向的太阳逐月总辐射比较

众所周知，建筑能耗是能耗的大户。降低建筑能耗的途径是很多的，可以根据气候特点和地形位置，合理安排建筑群的排列和间距，选择朝向，保持良好的采光与通风，就可以节约空调动力费的四分之一，这是节能建筑最有效、最关键的节能措施，也是对太阳能的直接利用。因此分析建筑物各个方向的太阳总辐射，对合理设计建筑，有效地利用太阳能具有重要的意义。

图4 东南西北各朝向的太阳逐月总辐射强度变化曲线

图5 最冷月和最热月太阳逐日总辐射比较

从图4中可以看出，一年中南向总辐射变化非常显著，而东向、西向和北向的总辐射值变化曲线较为平缓，全年整体波动范围不大。南向总辐射在冬季处于顶峰阶段，最大值出现在1月份，为527.17 MJ/m2，超过本月总辐射 365.32 MJ/m2，其次是2 月份;相反，夏季辐射值处于低谷，最小值出现在6月份，为142.85 MJ/m2，且 6、7、8 三个月的总值波动也不大;秋季在10月份出现突变，峰值为422.15 MJ/m2。同时，还能得到，全年中北向总辐射值最小，变化曲线最平缓;东向和西向的总辐射值基本相同。可见，合理利用南向总辐射对太阳能在建筑中的应用起着很大的作用。

2.5 设计典型年最冷月和最热月太阳逐日总辐射比较

天气越热，越需要制冷;天气越冷，越需要供暖。因此，冬季应尽量获得太阳辐射，而夏季则尽量避免太阳辐射，从而减少建筑能耗和节约能量。从图5中分析得出两种情况下，最冷月除了个别天气外，太阳日总辐射变化比较平缓，而7月份的太阳总辐射逐日变化没有一定的规律可循，忽大忽小。

2.6 太阳总辐射强度频数分布(辐射极高年)

一般来说，日照时间是影响太阳辐射能实际到达地球表面的大小的主要因素，因此分析太阳能总辐射强度频数分布对利用太阳能有很大的意义。

表3 太阳总辐射强度频数分析表

图6 太阳总辐射强度频数分布图

由表3和图6可以看出，在郑州地区典型气象年中，太阳的总日照时数为4 339 h，小时最大总辐射强度为 1153.66 W/m2，年总辐射强度为1.63 MW/m2。太阳总辐射强度分布频率最大的区间为0～100 W/m2，共911 h，占全年总日照时数的21%;超过100 W/m2的太阳总辐射强度占到年总太阳辐射强度的79%，而且分布比较稳定，太阳能资源丰富，有着得天独厚的优越条件，开发利用潜力巨大，具有很好的前景。

3 结论

(1)郑州地区太阳能辐射不但丰富而且全年变化稳定有规律，呈单峰值状态，夏季的太阳总辐射大且变化剧烈，冬季低但变化平缓。辐射极低年在冬季的最冷月并非太阳总辐射最低，而辐射极高年夏季的最热月并非太阳总辐射最高，所以冬季太阳能利用有很大的潜力。太阳散射辐射也应该合理利用，其作用不容忽视。

(2)郑州地区全年中北向太阳总辐射值最小，变化曲线最平缓;东向和西向的总辐射值基本相同;南向太阳辐射冬季最大，夏季处于低谷，因此合理利用南向太阳辐射对太阳能在建筑中的应用起着重要的作用。

(3)郑州地区全年太阳的总日照时数为4 339 h，小时最大总辐射强度为 1153.66 W/m2，年总辐射强度为1.63 MW/m2。太阳总辐射强度分布频率最大的区间为0～100 W/m2，共911 h，占全年总日照时数的21%;超过100 W/m2的太阳总辐射强度占到年总太阳辐射强度的79%。

[1]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社，2005，4.