CN112580130B - 一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法，从建筑单体入手，用某个建筑、在规定时间段内、在某个朝向上获得太阳辐射的总和代表该建筑在此朝向上的太阳能潜力。太阳能潜力具有矢量特征，即有方向也有大小。因此通过对建筑朝向与对应太阳辐射量的整合，绘制出建筑太阳能潜力玫瑰图。该玫瑰图能够直观地表达特定条件下单体建筑的朝向与获得太阳能的关系，方便从朝向角度对建筑的太阳能潜力进行评估，并且在设计阶段辅助确定建筑的最佳朝向。此外，还可以解决在传统的针对建筑朝向设计模拟中，仅给出最佳朝向或仅指出较优范围等结果表达方式较为单一的问题。
Description
技术领域
本发明属于建筑太阳能潜力评估领域，涉及一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法。
背景技术
传统的对太阳能潜力的评估主要是从宏观角度着眼，评估的对象通常是某一区域或城市，例如在中国太阳能资源分布图中共分为五类，其中最小区域包含四川大部分区域级贵州，最多的分区涉及到11个省份。这种宏观的评估很难对小范围内周边环境对太阳辐射的影响，而小区域内周边遮挡物如建筑、山体等对建筑会对建筑的太阳能利用产生很大的影响。此外，建筑本身不同形体的选择也会对太阳能利用产生影响。因此，现存的太阳能潜力评估方法缺少从建筑单体角度的分析，无法有针对性的对特定建筑特定环境进行分析。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法
技术方案
一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、获取数据：获取被评估建筑所在地的气象数据，气象数据为EPW格式；如无法找到对应城市，选取地理位置接近城市的气象数据；
步骤2、确定评估时段：包括全年、采暖季、5月～9月或11月～次年3月；
步骤3、建立被评估三维模型：
1、根据被测试建筑及周边遮挡建筑外围护结构尺寸构建被测试建筑外表面模型；周边遮挡建筑外表面模型其中：洞口以墙面代替；
2、将被测试建筑作为一个编组，周围遮挡建筑作为一个编组；
步骤4、模拟计算：
1、运行Ladybug软件，调用OpenWeatherFile电池组读取气象数据；所述数据为epw格式数据，包括经纬度、地理位置、干球温度、露点温度、相对湿度、风速、风向、直射辐射、散射辐射、地表水平辐射、水平红外辐射、法向直射照度、散射水平照度、地表水平照度、天空遮蔽总量、气压和模型年份；
2、通过GenCumulativeSkyMtx电池组启动Radiance软件的gendaymtx功能，计算全年每小时的辐射天空模型；
3、利用SelectSkyMtx电池组生成特定的辐射天空模型；
4、调用AnalysisPeriod电池组将模拟时间段设定为评估时段；
5、利用Radiation Analysis电池组计算输入物体在评估时段内接收到的太阳辐射；将被测试建筑外表面模型设置为输入物体连接至geometry，并将周边遮挡建筑外表面模型连接至context，通过OrientationStudyParameters电池组设定旋转轴心、评估时段与步长；双击Boolean toggle开启运算；
6、设置panel面板读取totalRadiation，即得到被计算物体在评估时段内处于不同朝向时的总太阳辐射；
步骤5、数据处理，生成玫瑰图：
1、右键点击panel，选择copy data only将数据复制到excel中，得到一列原始数据；搜索原始数据分别对应被测试建筑不同朝向获得的太阳辐射；
具体对应规律如下：
原始数据中首个数据为南向，之后从上至下每个数据以设定的步长为间隔，对应朝向逆时针旋转，分别为南向-南偏东-东-北偏东-北-北偏西-西-南偏西-南，最后一个数据为南向，与第一个数据重合；
2、重新排列数据：在原始数据一侧单元格将朝向用数值表示，定义南向为0，东向为-90，北向为180，西向为90；由第一个数据即南向至北向之间的第n个数据的朝向对应的数值为0-步长*n；由第180/步长+1个数据即北向至第360/步长+1个数据之间的第n个数据的朝向对应的数值为180-步长*n；
原始数据由上至下对应朝向的数值为0→0-步长*n→-90→0-步长*n→180→180-步长*n→90→180-步长*n→0；删除最后一组数据，并以朝向对应的数值一列为基准从小到大重新排列数据，并扩展到整个表格，即得到一组由上至下的对应朝向为由北向起始的；
3、把模拟结果分为10个等级，在雷达途中用由内至外的10个圆环代表；定义雷达图中的前两个等级为压缩量N，即各个角度总辐射量中相同的一部分；每组数据中的最小值Rmin为第三等级的最低值，最大值Rmax为第十等级的最大值，通过以下公式将每个角度的总辐射量换算成辐射等级：
每组数据中各角度辐射等级计算公式为：
其中：r为相对辐射等级；R为总辐射量；Rmax为最大总辐射量；Rmin为最小总辐射量；
4、将角度在北向至东向与北至西向范围内的等级替换为0，包括北向但不包括东向、西向；
5、利用excel中雷达图的功能生成建筑太阳能潜力玫瑰图：
1、复制数据到excel中；
2、匹配对应角度，重新排列：将原始数据从上到下的对应朝向为由南向开始逆时针旋转，按照步长计算每一个步长点数据；调整后数据从上到下对应排序为由北向开 始顺时针旋转，按照步长计算每一个步长点数据；
3、把每组模拟结果分为10个等级，在雷达途中用由内至外的10个圆环代表；定义雷达图中的前两个等级为压缩量N，即各个角度总辐射量中相同的一部分；每组数据中的最小值Rmin为第三等级的最低值，最大值Rmax为第十等级的最大值，通过以下公式将每个角度的总辐射量换算成辐射等级：
每组数据中各角度辐射等级计算公式为：
其中：r为相对辐射等级；R为总辐射量；Rmax为最大总辐射量；Rmin为最小总辐射量；
4、将角度在北向至东向与北至西向范围内的等级替换为0，包括北向但不包括东向、西向；
5、利用excel中雷达图的功能生成建筑太阳能潜力玫瑰图。
所述步骤3当无需考虑周边遮挡建筑的影响时，选择不建立周边遮挡建筑外表面模型，context端无需连接任何物体。
所述气象数据的网站为：
https://www.energyplus.net/weather或http://www.ladybug.tools/epwmap/。
有益效果
本发明提出的一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法，从建筑单体入手，用某个建筑、在规定时间段内、在某个朝向上获得太阳辐射的总和代表该建筑在此朝向上的太阳能潜力。太阳能潜力具有矢量特征，即有方向也有大小。因此通过对建筑朝向与对应太阳辐射量的整合，绘制出建筑太阳能潜力玫瑰图。该玫瑰图能够直观地表达特定条件下单体建筑的朝向与获得太阳能的关系，方便从朝向角度对建筑的太阳能潜力进行评估，并且在设计阶段辅助确定建筑的最佳朝向。此外，还可以解决在传统的针对建筑朝向设计模拟中，仅给出最佳朝向或仅指出较优范围等结果表达方式较为单一的问题。
附图说明
图1是本发明操作实例的模拟逻辑图
图2是本发明建筑太阳能潜力玫瑰图制作实例成果样图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法。
步骤如下：
获取被评估建筑所在地的气象数据(EPW格式)。如果无法找到对应城市，可选取地理位置较为接近的城市进行代替。获取网站包括： https://www.energyplus.net/weather；http://www.ladybug.tools/epwmap/；
确定评估时段，评估时段需为连续时间，精确到天。
建立被评估三维模型：①获取被测试建筑及周边遮挡建筑外围护结构尺寸。不考虑洞口尺寸，以墙面代替。②根据外围护结构尺寸，构建建筑外表面模型。③分别对被测试建筑与周围遮挡建筑进行编组。
模拟计算，获取各角度的辐射量。①运行Ladybug。②调用OpenWeatherFile电池组读取气象数据。加载的数据为epw格式数据，其中包括经纬度、地理位置、干球温度、露点温度、相对湿度、风速、风向、直射辐射、散射辐射、地表水平辐射、水平红外辐射、法向直射照度、散射水平照度、地表水平照度、天空遮蔽总量、气压、模型年份。③通过GenCumulativeSkyMtx电池组启动Radiance软件(初次使用保持网络连接，会自动下载)的gendaymtx功能，计算全年每小时的辐射天空模型。④利用 SelectSkyMtx电池组生成特定的辐射天空模型。⑤调用AnalysisPeriod电池组将模拟时间段设定为评估时段。⑥利用Radiation Analysis电池组计算输入物体在预定时间内接收到的太阳辐射。将已经建立的测试模型设置为输入物体连接至geometry，并选择性设置遮挡物体连接至context，通过OrientationStudyParameters电池组设定旋转轴心、角度与步长。⑦设置panel面板读取totalRadiation，即可得到被计算物体在预设时间内处于不同朝向时的总太阳辐射。
数据处理，生成玫瑰图。①复制数据到excel中(在panel面板右键选择copy dataonly)。匹配对应角度，重新排列排以步长为10°为例：原始数据从上到下的对应朝向为由南向开始逆时针旋转。(即南向、南偏东10°、南偏东20°…南偏东80°、东向、北偏东80°、北偏东70°…北偏东10°、北向、北偏西10°、北偏西20°…北偏西80°、西向、南偏西80°、南偏西70°…南偏西10°、南向)调整后数据从上到下对应排序为由北向开始顺时针旋转。
②利用公式，将各角度转化为等级。预期结果为各组的最佳朝向，但直接从总辐射量数值观察的话，由于数值基数较大相对差值较小，最佳朝向不明显。故接下来的分析将对每组数据单独计算。下文把每组模拟结果分为10个等级，在雷达途中用由内至外的10个圆环代表。定义雷达图中的前两个等级为压缩量N，即各个角度总辐射量中相同的一部分。每组数据中的最小值Rmin为第三等级的最低值，最大值Rmax为第十等级的最大值，通过以下公式将每个角度的总辐射量换算成辐射等级。
每组数据中各角度辐射等级计算公式如下：
整理得：
式中：
r—相对辐射等级；
s—单个等级阈值；
N—压缩量
R—总辐射量；
Rmax—最大总辐射量；
Rmin—最小总辐射量
③将角度在北向至东向与北至西向范围内的等级替换为0(包括北向但不包括东向、西向)。
④利用excel中雷达图的功能生成建筑太阳能潜力玫瑰图。
具体如下：
结合附图，对本发明的特征和技术方案进行整体描述，然后再给出具体的实施实例。参见图1图2，详细说明本发明一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法。
(1)获取数据：获取被评估建筑所在地的气象数据(EPW格式)。
(2)确定评估时段：评估时段需为连续时间，精确到天。
(3)建立被评估三维模型。
(4)模拟计算：获取各角度的辐射量
(5)数据处理，生成玫瑰图。
实例
为了清楚描述本发明的内容，选取绘制兰州市太阳能潜力玫瑰图来详细说明执行步骤。
(1)获取数据：
获取被评估建筑所在地的气象数据(EPW格式)。如果无法找到对应城市，可选取地理位置较为接近的城市进行代替。访问http://www.ladybug.tools/epwmap/，选择兰州市EPW文件完成下载。
(2)确定评估时段：
评估时段需为连续时间，精确到天。选择评估时间段为11月02日至3月14日。
(3)建立被评估三维模型：
①获取被测试建筑及周边遮挡建筑外围护结构尺寸。不考虑洞口尺寸，以墙面代替。
②根据外围护结构尺寸，构建建筑外表面模型。
③分别对被测试建筑与周围遮挡建筑进行编组。
建立20*10*80的模型进行模拟。初始朝向以20*80的面朝南向。
(4)模拟计算：获取各角度的辐射量
①运行Ladybug。
②调用OpenWeatherFile电池组读取气象数据。加载的数据为epw格式数据，其中包括经纬度、地理位置、干球温度、露点温度、相对湿度、风速、风向、直射辐射、散射辐射、地表水平辐射、水平红外辐射、法向直射照度、散射水平照度、地表水平照度、天空遮蔽总量、气压、模型年份。
③通过GenCumulativeSkyMtx电池组启动Radiance软件(初次使用保持网络连接，会自动下载)的gendaymtx功能，计算全年每小时的辐射天空模型。
④利用SelectSkyMtx电池组生成特定的辐射天空模型。
⑤调用AnalysisPeriod电池组将模拟时间段设定为评估时段。
⑥利用Radiation Analysis电池组计算输入物体在预定时间内接收到的太阳辐射。将已经建立的测试模型设置为输入物体连接至geometry，并选择性设置遮挡物体连接至context，设置网格大小与偏移距离，通过OrientationStudyParameters电池组设定旋转轴心、角度360°、步长10°。
⑦设置panel面板读取totalRadiation，即可得到被计算物体在预设时间内处于不同朝向时的总太阳辐射。
(5)数据处理，生成玫瑰图
①复制数据到excel中(在panel面板右键选择copy data only)。
匹配对应角度，重新排列排，原始数据从上到下的对应朝向为由南向开始逆时针旋转。调整后数据从上到下对应排序为由北向开始顺时针旋转。
②利用公式，将各角度转化为等级
预期结果为各组的最佳朝向，但直接从总辐射量数值观察的话，由于数值基数较大相对差值较小，最佳朝向不明显。故接下来的分析将对每组数据单独计算。下文把每组模拟结果分为10个等级，在雷达途中用由内至外的10个圆环代表。定义雷达图中的前两个等级为压缩量N，即各个角度总辐射量中相同的一部分。每组数据中的最小值Rmin为第三等级的最低值，最大值Rmax为第十等级的最大值，通过以下公式将每个角度的总辐射量换算成辐射等级。
每组数据中各角度辐射等级计算公式如下：
整理得：
式中：
r—相对辐射等级；
s—单个等级阈值；
N—压缩量
R—总辐射量；
Rmax—最大总辐射量；
Rmin—最小总辐射量
③将角度在北向至东向与北至西向范围内的等级替换为0(包括北向但不包括东向、西向)。
④利用excel中雷达图的功能生成建筑太阳能潜力玫瑰图。
Claims (2)
1.一种建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、获取数据：获取被评估建筑所在地的气象数据，气象数据为EPW格式；如无法找到对应城市，选取地理位置接近城市的气象数据；
步骤2、确定评估时段：包括全年、采暖季、5月～9月或11月～次年3月；
步骤3、建立被评估三维模型：
(1)根据被测试建筑及周边遮挡建筑外围护结构尺寸构建被测试建筑外表面模型；周边遮挡建筑外表面模型其中：洞口以墙面代替；
(2)将被测试建筑作为一个编组，周围遮挡建筑作为一个编组；
步骤4、模拟计算：
(1)运行Ladybug软件，调用OpenWeatherFile电池组读取气象数据；所述数据为epw格式数据，包括经纬度、地理位置、干球温度、露点温度、相对湿度、风速、风向、直射辐射、散射辐射、地表水平辐射、水平红外辐射、法向直射照度、散射水平照度、地表水平照度、天空遮蔽总量、气压和模型年份；
(2)通过GenCumulativeSkyMtx电池组启动Radiance软件的gendaymtx功能，计算全年每小时的辐射天空模型；
(3)利用SelectSkyMtx电池组生成特定的辐射天空模型；
(4)调用AnalysisPeriod电池组将模拟时间段设定为评估时段；
(5)利用Radiation Analysis电池组计算输入物体在评估时段内接收到的太阳辐射；将被测试建筑外表面模型设置为输入物体连接至geometry，并将周边遮挡建筑外表面模型连接至context，通过OrientationStudyParameters电池组设定旋转轴心、评估时段与步长；双击Boolean toggle开启运算；
(6)设置panel面板读取totalRadiation，即得到被计算物体在评估时段内处于不同朝向时的总太阳辐射；
步骤5、数据处理，生成玫瑰图：
(1)右键点击panel，选择copy data only将数据复制到excel中，得到一列原始数据；搜索原始数据分别对应被测试建筑不同朝向获得的太阳辐射；
具体对应规律如下：
原始数据中首个数据为南向，之后从上至下每个数据以设定的步长为间隔，对应朝向逆时针旋转，分别为南向-南偏东-东-北偏东-北-北偏西-西-南偏西-南，最后一个数据为南向，与第一个数据重合；
(2)重新排列数据：在原始数据一侧单元格将朝向用数值表示，定义南向为0，东向为-90，北向为180，西向为90；由第一个数据即南向至北向之间的第n个数据的朝向对应的数值为0-步长*n；由第180/步长+1个数据即北向至第360/步长+1个数据之间的第n个数据的朝向对应的数值为180-步长*n；
原始数据由上至下对应朝向的数值为0→0-步长*n→-90→0-步长*n→180→180-步长*n→90→180-步长*n→0；删除最后一组数据，并以朝向对应的数值一列为基准从小到大重新排列数据，并扩展到整个表格，即得到一组由上至下的对应朝向为由北向起始的；
(3)把模拟结果分为10个等级，在雷达途中用由内至外的10个圆环代表；定义雷达图中的前两个等级为压缩量N，即各个角度总辐射量中相同的一部分；每组数据中的最小值Rmin为最小总辐射量，最大值Rmax为最大总辐射量，通过以下公式将每个角度的总辐射量换算成辐射等级：
每组数据中各角度辐射等级计算公式为：
其中：r为相对辐射等级；R为总辐射量；Rmax为最大总辐射量；Rmin为最小总辐射量；
(4)将角度在北向至东向与北至西向范围内的等级替换为0，包括北向但不包括东向、西向；
(5)利用excel中雷达图的功能生成建筑太阳能潜力玫瑰图。
2.根据权利要求1所述建筑太阳能潜力玫瑰图绘制方法，其特征在于：所述步骤3当无需考虑周边遮挡建筑的影响时，选择不建立周边遮挡建筑外表面模型，context端无需连接任何物体。
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