CN103942465A - 天空亮度对地辐照度计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种天空亮度对地辐照度计算方法，主要解决了现有技术中存在的计算天空对地辐射不准确，得到的结果不能够足以精确表明实际辐射值的问题。该天空亮度对地辐照度计算方法包括以下步骤：将天空看作半球，从顶往下看，将半球天空分为块，层，每层块，≥1，并确定每一块天空元的方位角、高度角和天顶角；根据天空亮度分布公式，计算每一块天空元高度以及天顶亮度；基于得出的参数根据立体角投影定律计算每块天空元亮度值对地面的幅照度值，将所有分块的天空元对地辐照度值求和后得出整个天空对地辐照度值。通过上述方案，本发明达到了计算准确，足以精确表明实际辐射值的目的，具有很高的实用价值和推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种天空亮度对地辐照度计算方法。
背景技术
当今建筑设计除了考虑节能减排以外，还有一项指标就是合理采光。除了室内本身的照明光源之外，更大的照明来源我们寄希望于从自然光获得。在自然光中，除了直射的日光是根据需要进行遮阳考虑的，其余的光线都为室外景物的反射、散射以及天空亮度辐射等。室外景物由于其位置、大小、材料的不一致性，很难对其定量分析，而天空亮度是一个比较完整的概念，适合用作对地照度分析。
目前，传统的计算天空亮度对地辐射方法均采用传统的经验公式，加上实测方法。这种方法虽然能得到辐射结果，但由于地理环境、复杂多变的气候，以及各种制约因素，造成辐射值不够准确。更重要的是，传统公式计算方法将整个天空看作一个整体，这种概念比较宽泛和模糊，因此得到的结果不能够足以精确表明实际辐射值，因此需要提出一种全新的计算方法。
提出了基于精确划分天空元素，以及精确的天空亮度模型，可以得到十分精确的天空对地辐射度值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种天空亮度对地辐照度计算方法，主要解决现有技术中存在的计算天空对地辐射不准确，得到的结果不能够足以精确表明实际辐射值的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
天空亮度对地辐照度计算方法，包括以下步骤：
（1）将天空看作半球，从顶往下看，将半球天空分为 块，层，每层块，≥1，并确定每一块天空元的方位角、高度角和天顶角；
（2）根据天空亮度分布公式，计算每一块天空元高度以及天顶亮度；
（3）基于步骤（1）、步骤（2）得出的参数根据立体角投影定律计算每块天空元亮度值对地面的幅照度值，将所有分块的天空元对地辐照度值求和后得出整个天空对地辐照度值。
进一步地，所述步骤（1）中，划分后的每一扇形中的各天空元方位角相同，其通过以下公式得出：，其中，1≤i≤k为圈数序号，1≤j≤4k为每圈的分块序号，π为常数；
划分后的每一圈环形中的各天空元高度角相同，其通过以下公式得出：，其中，1≤i≤k为圈数序号，π为常数；
划分后的每一圈环形中的各天空元天顶角相同，其通过以下公式得出：。
所述步骤（2）中，天空亮度分布公式为：，其中，角标表示天空元；；；
；
；
；为查CIE标准一般天空参数表得到的与天气相关的参数。
所述步骤（2）中，天顶亮度在不同天顶模式的计算方法如下：
全晴天天顶亮度
当：
大气浑浊度因数
其中，为大气层边缘处的平均太阳照度常数，为直射日光在垂直面形成的照度，这两个照度单位为：千勒克斯（klx）；相对空气质量：，
光的干燥和洁净空气的平均消光系数： ；
当：；
全阴天天顶亮度
；
平均天空天顶亮度
。
所述步骤（3）计算步骤如下：
根据立体角投影定律，将积分计算转为求和计算，根据上式即可求和算出整个天空对地辐射照度值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明巧妙地将整个天空半球精确划分，根据天空元亮度公式，对每块天空元亮度进行定量计算，再根据立体角投影定律，将积分运算转为求和计算，计算每块天空元对地辐射照度值，进而将分块计算值求和。该方法与传统的依靠经验公式以及笼统的统一公式粗略计算出的天空亮度对地辐照度相比，可以精确地计算出天空亮度对地辐照度的值，因为这是根据立体角辐射投影定律计算出来，并且对天空进行足够量的划分是可以通过计算机累加精确计算出来的，实施较为方便，精确度较高，符合实际需求。
附图说明
图1为本发明的整体计算流程图。
图2为本发明的天空划分示意图。
图3为本发明的天空元亮度计算流程图。
图4为本发明的天顶元亮度计算流程图。
图5为本发明的天空对地辐照度模式示意图。
图6为本发明的天空对地辐射照度计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
针对传统方法计算天空对地辐射不准确的弊端，本发明提出了基于精确划分天空元素，以及精确的天空亮度模型，得到十分精确的天空对地辐射度值的方法。
本发明根据天空的特点，将天空按照立体角的概念，精确地划分出若干个天空元元素，然后再计算出天空元的亮度，最后根据立体角投影定律，计算出天空对地辐射照度。为方便描述，对文中使用的符号和术语定义如下：
立体角：立体角定义为，以锥体的基点位球心作一个球表面，锥体在球表面所截部分的表面积与球半径平方之比；
辐亮度：辐亮度定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，用角标表示各天空元亮度；
高度角：子午线上的点与球心的连线与水平线的夹角；
天顶角：子午线上的点与球心的连线与法线的夹角，它与高度角互为余角；
方位角：球体上的点在赤道面上的投影点与球心的连线，与赤道面上约定起始边的夹角；
角标说明：角标表示太阳；表示天空元。
如图1所示，本发明通过基本积分公式，转化为累加求和的方法，计算天空亮度对地辐射照度。为了准确计算出窗玻璃太阳辐射能流数据，本发明分为三个步骤：
步骤一：划分半球天空，确定每一块天空元的相关参数；此处将天空看作半球，而且天空各个位置亮度不一致，需要将其分块处理。
如图2所示：如下分块，从顶往下看，将半球天空分为块，层，每层块；方位角的符号以正东方向为起始边，逆时针为正；圈数序号用表示；每圈的分块序号用表示，其中，分块、分层均为等分。
则，每一个小扇形中的各个天穹块的方位角相同，天穹块的方位角分别为
每一圈环形中的各个天穹块的高度角相同，天穹块的高度角分别为
天穹块的天顶角为
；
步骤二：根据天空亮度分布公式，计算每一块天空元亮度以及天顶亮度；
如图3所示，天空元亮度计算流程为：
采用如下的天空亮度分布公式，角标表示天空元：
其中，各参数表示如下：
其中，a、b、c、d、e为与天气相关的参数，可以查表得到。
如图4所示，天顶亮度计算流程为：
将天气情况分为以下三种天顶模式，分别对应天顶亮度，其中，为大气浑浊度因数。
全晴天天顶亮度
当：
当：
全阴天天顶亮度
平均天空天顶亮度
；
步骤三：根据立体角辐射定律，计算天空对地辐射照度值。
如图5、图6所示，根据步骤一和步骤二得出天空对地辐照度模式，该步计算过程如下：
根据立体角投影定律，将积分计算转为求和计算
具体表达式为：
根据上式即可求和算出整个天空对地辐射照度值。
按照上述实施例，便可很好地实现本发明。
Claims (5)
1.天空亮度对地辐照度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将天空看作半球，从顶往下看，将半球天空分为 块，层，每层块，≥1，并确定每一块天空元的方位角、高度角和天顶角；
（2）根据天空亮度分布公式，计算每一块天空元高度以及天顶亮度；
（3）基于步骤（1）、步骤（2）得出的参数根据立体角投影定律计算每块天空元亮度值对地面的幅照度值，将所有分块的天空元对地辐照度值求和后得出整个天空对地辐照度值。
2.根据权利要求1所述的天空亮度对地辐照度计算方法，其特征在于，所述步骤（1）中，划分后的每一扇形中的各天空元方位角相同，其通过以下公式得出：，其中，1≤i≤k为圈数序号，1≤j≤4k为每圈的分块序号，π为常数；
划分后的每一圈环形中的各天空元高度角相同，其通过以下公式得出：，其中，1≤i≤k为圈数序号，π为常数；
划分后的每一圈环形中的各天空元天顶角相同，其通过以下公式得出：。
3.根据权利要求2所述的天空亮度对地辐照度计算方法，其特征在于，所述步骤（2）中，天空亮度分布公式为：，其中，角标表示太阳，角标表示天空元；；；
；
；
；为查CIE标准一般天空参数表得到的与天气相关的参数。
4.根据权利要求3所述的天空亮度对地辐照度计算方法，其特征在于，所述步骤（2）中，天顶亮度在不同天顶模式的计算方法如下：
全晴天天顶亮度
当：，大气浑浊度因数，其中，为大气层边缘处的平均太阳照度常数，为直射日光在垂直面形成的照度；相对空气质量；光的干燥和洁净空气的平均消光系数；
当：；
全阴天天顶亮度
；
平均天空天顶亮度
。
5.根据权利要求4所述的天空亮度对地辐照度计算方法，其特征在于，所述步骤（3）计算步骤如下：
根据立体角投影定律，将积分计算转为求和计算，根据上式即可求和算出整个天空对地辐射照度值。
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| CN104361212A (zh) * | 2014-10-23 | 2015-02-18 | 成都颐泰合同能源管理有限公司 | 一种建筑立面窗遮阳系统节能计算方法 |
| CN112763060A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-05-07 | 重庆大学 | 一种适于室内动态照明的光气候综合采集分析系统及方法 |
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