建環(huán)0702班設計中文

1、一種產(chǎn)生 bin 氣象數(shù)據(jù)的隨機方法- 中 國南京周晉摘要：bin 方法是一種眾所周知且簡捷的穩(wěn)態(tài)的計算方法，可以用來預計的冷熱能耗。該方法需要可靠詳細的 bin 數(shù)據(jù)。因為在中國長期的逐時溫度不可用，故沒有用來研究和應用的 bin 天氣數(shù)據(jù)。為了讓 bin 方法能在中國應用，在中國南京建立并驗證了一種隨機模型， 通過提供日最高和最低氣溫該隨機模型可以產(chǎn)生 bin 氣象數(shù)據(jù)。與實測值進行比較，該模型產(chǎn)生的 bin 氣象數(shù)據(jù)顯示出很高的精確性。在那些長期逐時氣溫丟失或不可用的地區(qū)，特別是在中國，可以用該隨機模型估算 bin 氣象數(shù)據(jù)。：能耗分析；隨機模型；Bin1.緒論為了最大限度減少周期內(nèi)的費

2、用，能耗分析在發(fā)展最適宜和成本更優(yōu)化的采暖和空調(diào)系統(tǒng)設計方面起到了很重要作用。這些模型涉及從簡單穩(wěn)定模型到復雜動態(tài)模擬程序?，F(xiàn)今，一些電腦程序可用于模擬和空調(diào)系統(tǒng)。這些程序使用逐時氣象數(shù)據(jù)進行能耗計算，考慮了許多時間函數(shù)參數(shù)的影響。如 DOE-2，BLAST and TRNSYS 就屬此類程序，它們已經(jīng)被當作可靠的估算工具得到廣泛的認可。不足之處是，隨著模型復雜性的增加，這些程序變得復雜而且使用起來十分冗長乏味。穩(wěn)態(tài)方法，又稱單測量法，只需要很少的數(shù)據(jù)且能夠為簡單的系統(tǒng)和應用提供足夠的結論數(shù)據(jù)。其中有度日數(shù)法和 bin 數(shù)據(jù)法。1在穩(wěn)態(tài)模型中，度日數(shù)法是最知名和最簡單的方法。傳統(tǒng)上，度日數(shù)法建

3、立在一個長期平均的假設基礎上。當室外日氣溫是 18.3時，建筑日射和內(nèi)部得熱將抵消其熱量損失。并且，能耗與差值（室外平均氣溫與 18.3的差值）成比例。如果的使用情況與空調(diào)系統(tǒng)設備足夠穩(wěn)定，度日數(shù)法能夠十分準確地估算能耗。然而，在許多應用場合下， 上述的參數(shù)中至少有一個逐時變化。比如，熱泵系統(tǒng)的效率和 HAVC 設備可能直接或間接受室外氣溫的影響。在這種情況下，如果不同溫度間隔和時間段分別估算，bin 方法可以得到更好的年能耗結果。在 bin 方法中，能耗計算是取幾個室外溫度進行計算的，并且被這個溫度為中心的溫度區(qū)間的逐時數(shù)相乘。Bin 數(shù)據(jù)定義為：環(huán)境溫度在各自一系列相等的環(huán)境溫度區(qū)間的小時

4、數(shù)。在美國，必要的 bin 氣象數(shù)據(jù)可以在文獻中得到。一些研究已經(jīng)為世界上其他地區(qū)發(fā)展了 bin 氣象數(shù)據(jù)。然而，在包涵用于計算能耗的 bin 氣象數(shù)據(jù)的 ASHRAE 手冊中，沒有關于中國的數(shù)據(jù)。為用于 HAVC系統(tǒng)設計和能耗預算的氣象數(shù)據(jù)進行分析的實踐活動在中國還比較新。在很長的時期內(nèi)，在部分氣象站，只有比如日最高最低和平均氣溫數(shù)據(jù)被下來，可以使用，但是為了得到 bin 氣象數(shù)據(jù)（比如溫度bin）而需要的數(shù)據(jù)是逐時空氣溫度。關于 bin 氣象數(shù)據(jù)的研究在中國相當有限。在中國僅建立了相當少的試點，在這些試點中，給出了一些城市的 bin 氣象數(shù)據(jù)。很明顯，這不能滿足實際應用和研究的需求。所以在

5、中國發(fā)展 bin 氣象數(shù)據(jù)的要求十分緊迫。因此，本文的目的就是研究逐時測量空氣溫度區(qū)間，進而為長期日氣溫數(shù)據(jù)建立模型產(chǎn)生 bin 氣象數(shù)據(jù)。2.使用到的數(shù)據(jù)在本文中，為了研究逐時環(huán)境溫度的變化以及建立和評價該模型，研究過程中用到了南京 2002 年一年內(nèi)的逐時環(huán)境溫度。這些數(shù)據(jù)取自南京路口風機場氣象站，該氣象站位于中國東南部，（北緯 32.0，2東經(jīng) 118.8，海拔 9m）。另外，為了在南京創(chuàng)建 bin 氣象數(shù)據(jù)，典型氣象年的數(shù)據(jù)是必需的。以中國氣象局字 1961 到間長期的氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)，在我們先前的研究中，我們用典型氣象年方法研究了部分城市的典型氣象年數(shù)據(jù)。南京典型氣象年如表 1 所示。

6、因為在中國只有的氣象參數(shù)被和可用，故典型氣象年包涵的數(shù)據(jù)也是的值。只這次研究中，用到了南京典型氣象年中的最高和最低日環(huán)境溫度。3.隨機模型計算 bin 數(shù)據(jù)傳統(tǒng)上，bin 氣象數(shù)據(jù)的產(chǎn)生需要長期的逐時環(huán)境溫度。然而，在產(chǎn)生過程中，時間信息即某個溫度發(fā)生的準確時間被忽略了。僅僅用到了氣溫的數(shù)值，的氣溫分布區(qū)間可以用概率論進行分析。3.1 標準逐時溫度概率區(qū)間既然，最高和最低日氣溫和氣溫分布范圍每天都在變化，故標準逐時環(huán)境溫度的概念就應該被提出來，它可以將每天的逐時溫度化到一個統(tǒng)一的標準形式。這個新變量，標準逐時環(huán)境溫度定義為式中 為標準逐時環(huán)境溫度， 逐時環(huán)境溫度。很明顯，標準逐時環(huán)境溫度和分別

7、是最高和最低日氣溫， 是的隨化區(qū)間在0，1內(nèi)，為了分析該分布狀態(tài)，可以用柱狀圖方法將區(qū)間0，1劃分為若干個相等的子區(qū)間，可以用下式計算各個子區(qū)間中的概率分布密度。3表一南京典型氣象年式中 是第 i 個子區(qū)間的概率密度；n 是子區(qū)間的數(shù)目；是落在第個子區(qū)間的頻率。當周期是一整天時，可以有下式計算：式中是標準氣溫落在第 i 個子區(qū)間的數(shù)目；D 是計算日期的天數(shù)。另外，在計算 bin 氣象數(shù)據(jù)的時間，一天內(nèi)其他時段（比如：08：0020：00），常常是必需的。在這樣情況下，可經(jīng)下式求得：4圖 a 表示的是一整天。圖 b 表示的是 08：00-20：00。根據(jù)逐時氣溫概率密度函數(shù)繪制。以中國南京一年時

8、間內(nèi)的逐時環(huán)境溫度為依據(jù)，一整天和時段 08：0020：00 的概率密度函數(shù)被計算出。結果如圖表 1 所示。此處區(qū)間0，1被平均分成 50 個子區(qū)間，即 n 等于 50。根據(jù)圖表 1 中離散的概率密度數(shù)據(jù)，方法得到。在此次研究中，二次多項式：概率密度函數(shù)可以用擬合的5可以用來擬合概率密度數(shù)據(jù)，式中 a、b、c 是系數(shù)。根據(jù)概率密度函數(shù)的性質(zhì)，將有如下方程：如圖表 1 所示，根據(jù)所示概率密度數(shù)據(jù)點可以得到概率密度曲線。概率密度函數(shù)可以擬合描述成下列關系式。3.2逐時氣溫的產(chǎn)生正如本文開頭表述的那樣，這項研究的目的是得出逐時環(huán)境溫度。當只已知最高日氣溫和最低日氣溫時，為了求得 bin 氣象數(shù)據(jù)。我

9、們可以通過上述方法求解概率密度函數(shù)得到標準的逐時環(huán)境溫度，將標準逐時環(huán)境溫度化成逐時溫度。這屬于怎樣模擬一個指定概率密度函數(shù)的隨量的問題。并且能夠通過使用文獻13提到的方法在電子計算機上處理。如假設一個概率密度函數(shù)，如果的分布函數(shù)能得到，并且 u 是數(shù)值在一個特定區(qū)間0，1內(nèi)的隨量時。那么得出分布函數(shù)。因此，為了模擬一個值在特定區(qū)間 F 的隨量，我們只要建立即可。正如上文講述的那樣，標準環(huán)境溫度的概率密度函數(shù)是用一年時間的逐時溫度建立的。有了已知的概率密度函數(shù)做基礎，那么隨機標準逐時氣溫就能求出。當已知日最高氣溫和最低氣溫時，可以運用下式把標準逐時溫度化成實際溫度。3.3 求解bin 數(shù)據(jù)通過

10、上述方法可以把一天中特定時段的逐時溫度求出，此時，bin 數(shù)據(jù)也可以得到了。因為在這次研究的模型中使用的標準溫度是隨量，所以世代求解出的 bin 數(shù)據(jù)表現(xiàn)出一些差異，但是有很多共同點。為了得到穩(wěn)定的 bin 數(shù)據(jù)，bin 數(shù)據(jù)的世代要執(zhí)行足夠多次。并且去不同世代結果的平均值做為 bin 數(shù)據(jù)。在此文中，去 50 個世代結果的平均值來得出 bin 天氣數(shù)據(jù)。3.4 模型的評價方法模型的性能的評價按照如下統(tǒng)計錯誤測試。72002 南京 bin 數(shù)據(jù)測量和計算值。圖 a 表示一年中全天的 bin 數(shù)據(jù)； 圖 b 表示一年中時段 8：00-20：00 的 bin 數(shù)據(jù)；圖 c 表示 5 月 1 日-1

11、0 月 31 日中全天的 bin 數(shù)據(jù)；圖 d 表示 5 月 1 日-10 月 31 日中時段 8：00-20：00 的 bin 數(shù)據(jù)；圖 e 11 月 1 日-5 月 1 日中全天的 bin 數(shù)據(jù)；圖 f 表示 11 月 1 日-5 月 1 日時段 8：00-20：00 的bin 數(shù)據(jù)。8因為氣溫的頻率分布是一個喇叭形曲線，故可以進行如下設想。數(shù)據(jù)中心段是最有意義的，而最大值和最小值反映了異常的天氣情況。因為 bin方法是用來計算物能耗的，故集中在中心段的數(shù)據(jù)是有意義的，中心段數(shù)據(jù)反映了大部分的能耗。為了在模型評價中把這個因素考慮進出，在 Eq.11中一個額外的因數(shù)被引入。4.結論和討論4.

12、1 模型的確認基于上述在研究中的模型，以及南京地區(qū) 2002 最高日氣溫和最低日氣溫。兩個不同季節(jié)（5 月 1 日10 月 31 日和 11 月 1 日4 月 30） 的 bin 天氣數(shù)據(jù)就得到了。在每個不同季節(jié)，一天中不同的時段（全天24 小時和一天中 08：0020.：00）都被考慮進出了。得到的 bin 天氣數(shù)據(jù)如圖表 2 所示，在圖表中，計算和表示了實際的 bin 數(shù)據(jù)和統(tǒng)計誤差。如圖 2 所示，本文中建立模型的誤差在區(qū)間3.25%，6.5%內(nèi)，這樣的結果被認為是可以接受的。盡管這個比較僅僅一年內(nèi)南京的氣溫為依據(jù)，（因此，圖表 2 中的 bin 數(shù)據(jù)不能用來計算能耗），9它預示了該研究

13、中建立的模型是切實可行的，并且如果能夠得到長期的氣溫，它就可能用來求出 bin 數(shù)據(jù)。4.2 南京的bin 數(shù)據(jù)在我們以往的研究中，多數(shù)城市典型氣象年的規(guī)范是用 TMY方法來研究的。其中只考慮了最高日氣溫、最低日氣溫和平均環(huán)境溫度。以本文中建立的模型以及圖表 1 中南京的典型氣象年數(shù)據(jù)為依據(jù)，就可以得到兩個不同季節(jié)和一天中不同時段的 bin 氣象數(shù)據(jù)，結果如表 2 所示。表 2 中，在 bin 數(shù)據(jù)的產(chǎn)生過程中，氣溫 bin 設為 2。另外，如果需要求夜晚 20：0008：00 的 bin 數(shù)據(jù)，可以通過從整天的 bin數(shù)據(jù)減出時段 08：0020：00 的 bin 數(shù)據(jù)得到。5 結論Bin 氣象數(shù)據(jù)對 bi