建筑工程中日照分析的太陽位置計算公式改進

【摘要】在我國現今許多建筑工程中日照分析存在著一定問題，這主要體現在太陽位置的計算公式上。因此本文從改進準備、公式改進、改進后研究等方面出發(fā)，對建筑工程中日照分析的太陽位置計算公式改進進行了分析。

【關鍵詞】建筑工程；日照分析；太陽位置；計算公式

眾所周知太陽高度角和方位角是關于太陽位置的參數，這些參數的運用能夠較好地確定太陽光對于地球的表面上的日照。因此在建筑工程的設計、施工過程中日照分析有著極為重要的作用并且關系到建筑工程的使用價值。在建筑工程的日照分析中太陽位置的計算公式能夠對日照分析的精確度產生重要的影響。除此之外，太陽高度角是指太陽和地球表面任意一點P的連線以及過P點的平面之間的夾角。在現今建筑工程日照分析中較為常用的太陽位置計算公式為：

（1）sin（Ab） = sin（Ap）sin（Aq）+cos（Ap）cos（Aq）cos（At）

（2）cos（Aa） =sin（Ap）sin（Aq）-sin（Ap）cos（Aq）cos（At）

在這兩個式子中A=?180，參數a、b為弧度制向角度制轉換的乘數因子。除此之外，p、q分別表示經度、緯度，t表示建筑工程當地的時角。通過對這兩個計算公式進行分析我們可以發(fā)現這2個公式在建筑工程的實際應用中存在著諸多不便，例如在進行太陽位置計算時在確定工程當地的時角時需要考慮到建筑工程當地的地方標準時和世界標準時之間的差距，并且還需要在此基礎上考慮到時差的影響，從而給建筑工程的日照分析帶來了一定的阻礙。

一、改進準備

在進行建筑工程日照分析的太陽位置計算公式改進時工作人員需要首先進行充足的改進準備。這一準備工作的本質是在建筑日照分析精度允許的范圍內， 對太陽位置公式的合理性和泛用性進行有效的提升。例如同處一個緯度上的開羅和上海其太陽位置隨時間變化的規(guī)律就存在很大相似性。但是開羅和上海的太陽位置計算仍舊存在一個相位的差別， 即開羅的太陽位置變化總是滯后上海約6小時左右。因此在開羅和上海的建筑工程中進行日照分析時就需要考慮到太陽位置計算的這一特性。工作人員在進行日照分析的太陽位置計算公式改進可以將這些點隨著緯度圈移動到某一根特點的經線上并且在此基礎上了解該經線上的某點其日照的時間變化情況，從而更好地分析出這一緯度上所有地點的太陽位置變化情況。另外，由于回歸線是地球上有無太陽直射現象的分界線。因此在進行太陽位置計算公式改進時工作人員需要充分考慮到回歸線這一特殊情況，除此之外，極點位置的太陽位置計算也較為特殊，由于在極點處太陽高度角通常只有年起伏但是沒有日起伏，因此在進行計算公式改進過程中也應對這一點進行有效分析。除此之外，在公式改進的準備過程中工作人員還需要設定公式中的年周期和日周期的長度為365天和24小時并且每年的起始時間為1日0時而每年的終止時間為365日24時，經過了這一設定年后元經繞地軸旋轉的總角度為365x360=131400 ，因此輻歷時角的取值范圍在n?[0，131400]。另外，在建筑工程日照分析的太陽位置計算公式改進時工作人員還應當根據春分、秋分、夏至、冬至為間斷點進行公式的周期改進。

二、公式改進

1.對式（ 1）的改進

通過公式的準備我們可以將公式1改進為sin（Ab） = sin（Ap）sin[24Asin（At365）+ cos（Aq）cos[24AsinAt365]cos（At）。其中公式中的A的取值范圍為[-90，90]，正好是正弦函數和反弦函數的定義域，即通過這一改進后的公式我們可以對其做反函數變化，即單值函數：b=Aarcsin（A ）{sin[24AsinAt365]+cos（A p）cos[ 24AsinAt365]cos（At）} 。

2.對式（ 2）的改進

通過公式的準備我們可以將公式2改進為cos（Aa）=sin（Ab）sin（Ap）-sin[24AsinAt365]cos（Aq）cos（At）。其中公式中的A的取值范圍為[0， 360]，即這一取值范圍大于反余弦函數的定義域[0，180] ，因此其單值函數必須通過分段函數才能進行很好的表達。

三、改進后研究

通過對日照分析的太陽位置計算公式進行改進工作人員可以了解到由于太陽位置的計算會受到上述連線在過某點的法平面時投影和其南方位線的夾角的影響，因此在建筑工程的設計過程中工作人員在考慮采光方案和避光措施時應當注重太陽位置角的有效選取。除此之外，由于在建筑過程的空調系統(tǒng)設計中工作人員需要考慮到建筑物表面所受到的太陽輻射強度，則需要在結合改進后的公式對日照溫差引起的建筑內力進行重新計算，從而更好地把握建筑表面受到太陽輻射強度的影響并且更加順利的進行建筑工程暖通工程的設計。與此同時，由于在公式改進后日照隨時間的變化也較好地得到體現，從而能夠較為順利地顯示出太陽位置參數的日變化和年變化之間的聯系。另外，由于對太陽位置公式的改進是采用角度的三角函數值改進。即通過三角函數求得太陽位置的角度值，因此雖然無法像圖像改進那樣通過變化365次來反映一個規(guī)定年中包含的每個規(guī)定日的太陽位置變化情況，但是三角函數的公式改進卻能較好地顯示太陽高度角的年變化規(guī)律和日變化規(guī)律的總體關聯。另外，對日照分析的太陽位置計算公式進行改進工作人員可以發(fā)現在緯度條件一定的情況下回歸線能夠很好地作為地球上有無太陽直射現象的分界線，并且在此基礎上通過等比例縮小年周期和放大橫坐標等方法的應用工作人員可以很好地改進原本計算公式中存在的弊端。但是在這一過程中工作人員需要注意等比例線的比例因子越小其對公式的影響越小。除此之外，通過對日照分析的太陽位置計算公式進行改進工作人員可以返修現有太陽高度角和方位角計算公式在建筑工程日照分析中存在的不便與不足，從而能夠在此基礎上重新構建輻射歷計時系統(tǒng)以及太陽高度角、方位角的取值范圍，最終使其能夠更好地體現太陽位置日變化和年變化對建筑工程采光等工作的影響。與此同時，改進后的太陽位置計算公式能夠更加方便地顯示出太陽位置和時間變化之間的規(guī)律，從而對工作人員更加便捷的計算日照角度、把握日照規(guī)律做出了突出貢獻，但是應當指出， 由于文中的所舉的例子往往都是位于北半球，因此其緯度為正數，如果需要計算建筑工程中日照情況則只需要添加一個負號就可進行，從而更好地提升了改進后公式的通用性和泛用性。綜上所述，工作人員通過根據改進后的太陽位置計算公式可以更好地計算出不同緯度處建筑工程的太陽高度角、方位角隨著時間的變化，從而更好地對這一變化的數學特征所代表的天文學和地理學現象，并在此基礎上驗證改進后公式的正確性和泛用性，最終對建筑工程的采光、暖通、結構設計等方面的工作提供足夠的支持。

四、結語

隨著建筑施工工藝的不斷發(fā)展和建筑工程整體水平的不斷提升，在建筑工程中日照分析的太陽位置計算公式改進得到了越來越多的重視。因此工作人員在進行日照分析的太陽位置計算公式改進時應當注重改進準備的有效進行，從而在此基礎上更好地對公式進行改進與研究。

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