第六章 日照与太阳辐射分析

第六章日照与太阳辐射分析日照与太阳辐射分析汇报人课程主讲教师内容导览01基础概念日照与太阳辐射的基本认知框架02计算方法核心计算模型与公式系统讲解03应用分析结合实例深化应用理解01基础概念理解太阳，才能用好太阳从基本定义到物理机制，建立完整认知框架本章学习目标与重点理解基本概念日照与太阳辐射基本概念太阳与地球相对运动规律掌握计算方法太阳高度角计算方法太阳方位角计算方法了解传播机制太阳辐射在大气中传播太阳辐射的衰减机制学会初步分析日照间距分析遮阳设计初步分析学习重点太阳位置参数计算太阳辐射量估算方法学习难点太阳轨迹的空间想象斜面辐射换算太阳与地球的运动关系理解地球运动规律，是掌握太阳位置变化的基础地轴倾角是产生四季变化和日照差异的根本原因公转轨道为椭圆形，周期约

365.25天地轴与公转平面法线呈

23°27′

倾角自转周期约

24小时，形成昼夜交替北半球夏至日太阳直射北回归线，冬至日直射南回归线赤纬角的概念与变化赤纬角是指太阳光线与地球赤道面的夹角，是太阳位置计算中最重要的天文参数之一“赤纬角的变化决定了太阳直射点的南北移动，是理解和计算日照强度的核心变量。”春分·秋分0°太阳直射赤道夏至+23°27′赤纬角达到最大值冬至-23°27′赤纬角达到最小值周期性变化±23°27′赤纬角随日期在正负23°27′之间周期性变化；可用简化公式近似计算，满足一般工程精度要求时角与太阳时时角是以正午为基准衡量时间的一个角度量，用于描述太阳在天空中的东西向位置。准确换算太阳时，是高精度日照计算的基础前提时角基准3项正午时角为0°上午为负值下午为正值每小时自转2项地球每小时自转15°时角与时间一一对应太阳时修正2项与标准时不同太阳时与标准时不同修正因素需考虑经度差与均时差进行修正均时差由公转轨道偏心率和地轴倾角共同引起，年变化幅度约

±16分钟太阳高度角的定义太阳高度角是指太阳光线与观测点地平面之间的夹角，反映了太阳在天空中的高低位置。太阳高度角直接决定单位面积地面接收太阳辐射的强度日出日落1项0°太阳高度角日出日落时，太阳恰好位于地平线上。正午峰值2项当日最大值正午时太阳高度角达到当日最大值随纬度日期变化其数值随纬度和日期变化辐射路径2项路径越短高度角越大，经过大气层的路径越短辐射更强到达地面的辐射越强首要指标1项首要指标高度角是判断日照条件优劣的首要指标太阳方位角的定义太阳方位角是指太阳光线在水平面上的投影与正南方向之间的夹角，描述太阳在天空中的水平方位。太阳方位角描述太阳在天空中的水平方位高度角定高低，方位角定东西，二者缺一不可正南基准我国通常以正南方向为0°基准正负取值上午位于东南方向为负值下午位于西南方向为正值完整空间描述方位角与高度角共同构成太阳位置的完整空间描述设计关键依据判断建筑朝向与遮阳设计的关键依据太阳辐射的基本概念太阳辐射是太阳以电磁波形式向外传递的能量，是地球上一切生命活动和能源循环的根本驱动力。了解太阳辐射的四个基本物理量，是后续计算与分析的前提。📚“理解辐射量纲体系，是后续计算与分析的学术基础。”光谱构成辐射光谱主要包括紫外线、可见光和红外线三个波段其中可见光能量占比最高辐射通量表示单位时间通过的辐射能量单位常用瓦特辐照度表示单位面积上接收的辐射功率是工程应用中最常用的物理量辐射量表示一定时间内单位面积累计接收的辐射能又称曝辐量太阳常数太阳常数是连接天文辐射与地表辐射的桥梁参数定义支撑世界气象组织公认标准值约为

1367W/m²，不同文献略有差异反映太阳辐射的总输出强度，是太阳辐射计算的基准量波动与衰减公转轨道椭圆形，大气层外辐照度约

3%

范围内波动穿过大气层后显著衰减，到达地面的辐照度远小于太阳常数大气对太阳辐射的衰减太阳辐射穿过大气层时，因吸收、散射和反射而发生显著衰减。理解衰减机制，才能准确估算地表真正接收到的太阳辐射三种衰减机制3项吸收臭氧层吸收大部分紫外线，水汽和二氧化碳吸收部分红外线散射空气分子和悬浮颗粒物使辐射向四周分散，瑞利散射对短波影响更强反射云层和地表将部分太阳辐射反射回太空，云层反射作用尤为显著大气透明系数用于综合描述大气对辐射的透过能力，其值随天气和空气质量变化02计算方法方法决定精度系统掌握日照与太阳辐射的核心计算模型太阳高度角计算公式sinh=sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosω掌握此公式，即可确定任意地点、任意时刻的太阳高度角参参数说明h太阳高度角φ观测点纬度δ赤纬角ω时角简正午简化正午时ω=0简化式h=90°-|φ-δ|工核心工具应用太阳位置计算与日照分析的核心工具注意统一角度单位，注意三角函数在象限上的取值太阳方位角计算公式太阳方位角可由高度角、赤纬角和纬度共同求得，常用计算式为：A

为太阳方位角，以正南为

0°

基准，上午为负、下午为正要点计算时需根据时角正负判断方位角所在象限方位角计算的关键，在于方向的正确判断象限判断根据时角正负判断方位角所在象限正南为0°

基准上午为负下午为正精确位置方位角与高度角结合，可完整确定太阳在天空中的精确位置工程应用在实际工程中，可通过查表或软件快速获取方位角与高度角的组合数据日出日落时间计算日出日落发生在太阳高度角为0°的时刻。cosω₀=−tanφ·tanδ日出日落时角公式关键结论4项时角定义ω₀为日出日落时角绝对值，正值为日落、负值为日出白昼规律日出越早、日落越晚，白昼越长赤道基准赤道地区全年白昼约12小时，纬度越高季节差异越大极昼极夜出现在纬度大于66°33′的高纬地区日出日落时间决定了每日可获得的日照总量日照时数的计算可照时数是指某地在无遮挡条件下理论上的日照持续时间。T=2ω₀/15°可照时数可由日出日落时角计算，其中

T

为可照时数（小时），ω₀

为日出日落时角的度数。结论可照时数是理论上限，实际日照反映真实可利用水平可照时数（理论上限）纬度决定仅由纬度和日期决定，与天气无关最大可能代表无遮挡条件下的最大可能日照时长实际日照时数（真实水平）遮挡影响受云量、地形和建筑遮挡影响，通常小于可照时数日照百分率与可照时数之比称为日照百分率，是评价日照资源的重要指标太阳位置图的应用太阳位置图（太阳轨迹图）将太阳在天空中的运行轨迹投影到平面上，是日照分析的直观工具。本页以太阳位置图为主线，解读读图方法与应用思路，提升日照分析的直观效率。“太阳位置图将抽象公式转化为空间直觉，极大提升分析效率。”读图要点坐标系与轨迹横向表示太阳方位角，纵向同心圆表示太阳高度角逐月轨迹对照曲线族分别对应不同月份的太阳运行轨迹读图要点读数与应用读取特定时刻的轨迹位置，可快速获得高度角与方位角组合遮蔽叠加判断叠加建筑或遮挡物轮廓，可直观判断遮挡时段与有效日照时间太阳辐射的分类到达地表的太阳辐射根据传播路径分为直射辐射、散射辐射和总辐射三类。三类辐射各自沿不同路径到达地表，共同构成地表接收的太阳辐射总量。直射与散射在方向上截然不同，相加即为总辐射。＝总辐射等于直射与散射之和，三者共同决定地表的能量收支直射辐射来自太阳圆面方向、未被大气改变的平行光辐射方向性强、能量集中散射辐射经大气散射后从天空各方向到达地表的辐射方向分散、强度较弱总辐射直射辐射与散射辐射之和是地表接收太阳辐射的总量直射辐射的计算模型直射辐射的估算以大气层外辐照度为基准，通过大气透明系数与大气质量进行修正。直射辐射是太阳能利用中

能量密度最高

的成分估算基准与修正以大气层外辐照度为基准通过大气透明系数与大气质量进行修正半经验公式逐时估算关键影响因素大气质量表示太阳光线穿过大气层的相对路径长度，与高度角相关高度角效应高度角越低，大气质量越大，辐射衰减越严重透明系数直射辐照度随大气透明系数增大而增高，受天气、海拔影响显著工程估算常用半经验公式进行逐时直射辐射估算，满足一般设计精度散射辐射的计算模型散射辐射来自天空各方向，其估算常借助与直射辐射或大气层外辐射的经验关系。散射辐射虽强度较低，但在全年辐射总量中

贡献不可忽视“散射辐射的估算，关键在于把握

高度角、浑浊度与天空条件

的综合影响。”太阳高度角与浑浊度2项随太阳高度角升高散射辐射

增大随大气浑浊度上升散射辐射

增强天空条件差异2项晴空条件散射辐射占比

通常较低阴天条件成为地表辐射的

主要来源经验模型关联1项常用经验模型与大气透明系数和

高度角

相关比例估算模型1项部分模型利用占大气层外辐射的

比例

估算总辐射的计算整合直射与散射辐射，展示水平面总辐射的计算方法，说明总辐射在资源评价中的核心地位水平面总辐射为直射辐射与散射辐射之和，是太阳辐射资源评价的

核心指标。辐射构成与换算水平面总辐照度=水平面直射辐照度+散射辐照度直射辐射投射到水平面时需乘以太阳高度角的

正弦值

进行换算累加方法与数据价值总辐射的逐时、逐日累加即可得到月总辐射和

年总辐射量总辐射数据是太阳能资源分区、光伏电站选址的

基础依据总辐射量决定了区域太阳能资源禀赋，是应用分析的

起点斜面太阳辐射计算斜面接收的辐射由三个部分构成，各部分换算方法不同直接分量余弦换算直射辐射按太阳光线与斜面法线夹角的余弦换算天空散射分量视角系数天空散射辐射按斜面与天空的视角系数分配地面反射分量反照率地表反射的辐射按地表反照率和斜面对地视角计算倾角越大贡献越显著日照间距的计算日照间距是指为保证后排建筑获得规定日照时数，前后两栋建筑之间的最小水平距离建筑高度日照间距由建筑高度、太阳高度角和方位角共同决定太阳高度角高度角越低，所需日照间距越大；北方城市冬季日照间距通常远大于南方方位角计算时常以冬至日或大寒日的有效日照时段为控制标准各地规范对住宅日照时数有明确要求，日照间距需满足相应的强制标准日照间距计算是建筑规划中保障人居环境品质的法定环节计算示例与步骤总结注意角度单位统一注意南北半球符号差异第1步查取参数查取该地

纬度

与冬至日

赤纬角取出计算所需的两个基础天文地理参数。第2步计算高度角代入

正午高度角简化公式，计算正午太阳高度角将纬度与赤纬角代入公式，得到正午太阳高度角。第3步确定控制时刻结合建筑高度与

规定日照时数，确定

控制时刻

的太阳位置参数依建筑高度与日照时数规定，确定控制时刻的太阳位置参数。第4步计算间距依据几何关系计算所需

最小日照间距由几何关系推算出所需最小日照间距。03应用分析从理论走向实践结合实例深化理解，提升分析应用能力建筑朝向与日照设计建筑朝向直接决定了室内获得的日照时长与太阳辐射量，是日照设计的首要环节。朝向的选择需综合纬度、气候条件与通风要求，平衡日照与辐射，实现被动式节能。朝向选择要点合理朝向是低成本的被动式太阳能利用手段南向为最佳朝向南向最佳我国大部分地区住宅以南向为最佳朝向，冬季获得较多日照、夏季辐射相对可控。东西向差异明显西晒遮阳东向上午日照充足，西向面临夏季西晒问题，需重点遮阳。综合权衡优化权衡优化朝向选择需综合纬度、气候条件和通风要求进行权衡优化。模拟评估表现太阳位置图现代设计常结合太阳位置图模拟，精确评估不同朝向的日照表现。建筑遮阳设计合理遮阳能阻挡夏季过量辐射、保留冬季有益日照，其设计核心是利用太阳位置规律。核心要点太阳高度角方位角综合运用能力遮阳设计直接检验对太阳高度角与方位角的综合运用能力遮阳·节能固定遮阳形式3类水平适用于南向窗口，有效遮挡高度角较高的夏季阳光垂直适用于东西向窗口，有效遮挡低角度入射的阳光综合综合式与挡板式，兼顾多种朝向和入射角度可调遮阳1项可调能随季节变化调整角度，在节能效果上优于固定遮阳太阳能光伏应用光伏发电是利用半导体材料将太阳辐射直接转化为电能，系统设计高度依赖太阳辐射计算。朝向与倾角首要因素组件朝向与倾角是决定发电量的首要因素，通常以年总辐射量最大为目标优化。最佳倾角取值综合确定最佳倾角一般接近当地纬度，具体取值需结合散射辐射占比与用能需求综合确定。发电量估算技术基础发电量估算以斜面总辐射量为基础，乘以组件转换效率和系统综合效率。投资评估收益核心太阳辐射计算精度直接影响光伏项目的投资收益评估。光伏系统是太阳辐射计算方法最典型的工程应用场景太阳能热利用热利用设计的关键，是让集热器与建筑朝向、热负荷形成良好匹配太阳能热利用·应用要点集热器倾角设计需兼顾冬夏两季热需求，常以冬季需求为优先。集热面积确定根据热负荷、当地太阳辐射资源和集热效率联合确定。被动式太阳房通过建筑朝向、窗墙比和蓄热材料实现供暖，无需机械动力。经济性表现辐射资源越充足、季节匹配越好，热利用系统的经济性越突出。案例分析与综合练习应用实例：对某住宅小区