, 贾晓伟, 杨竞立, 董国明 西安建筑科技大学 建筑学院, 西安 710055
收稿日期：2018-06-11
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51578439，51590913）；“十三五”国家重点研发计划课题（2016YFC0700208-03）
作者简介：刘大龙(1976-), 男, 副教授。E-mail:coffeevc@xauat.edu.cn
摘要：为对比不同室外环境模拟软件在城市辐射场方面的性能差异，该文选取3款城市气候模拟工具ENVI-met、RayMan和SOLWEIG为研究对象，对比各软件能够获得的城市辐射模拟量，并分析其主要辐射量的计算方法；分别模拟了下垫面和建筑体围合方式对于辐射场的影响，从长短波2种不同辐射类型、从直射辐射和反射辐射等辐射参数方面对比不同软件的辐射场模拟差异。结果表明：RayMan计算灵敏度高，模拟速度快，但输出辐射参数较少；ENVI-met可计算最多的辐射参数，也可计算建筑表面之间的长短波辐射换热量；SOLWEIG可用于室外大空间模拟，且计算的辐射参数较多，但误差较大。3个软件均可分析空间围合对直射辐射和散射辐射的影响。
关键词：城市辐射场模拟性能对比城市下垫面建筑围合空间
Analyses of urban radiative field simulations
LIU Dalong
, JIA Xiaowei, YANG Jingli, DONG GuomingSchool of Architecture, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China
Abstract: The accuracies of several outdoor environment simulation software packages were evaluated for urban radiation field using the city microclimate simulation tool ENVI-met, a human body thermal radiation evaluation software (radiation on the human body, RayMan) and a climate design tool (solar and longwave environmental irradiance geometry, SOLWEIG). First, the radiation distribution predictions in an urban environment were compared. Then, the effects of the surface and building enclosure characteristics were evaluated for the radiation field for long and short wave radiation and direct and reflected radiation. RayMan was found to very sensitive and fast, but output fewer radiation parameters. ENVI-met calculated the most radiation parameters and included the heat transfer from the long and short wave radiation between building surfaces. SOLWEIG can be used for large outdoor space simulations and calculated many radiation parameters, but had significant errors. Thus, these software packages can be used to analyze various influences of enclosures on direct and scattered radiation.
Key words: simulation of the urban radiation fieldperformance comparisonunderlying surfaceenclosed building space
太阳辐射是影响城市热环境的关键要素。硬化的下垫面、高密度的建筑群使得城市空间既存在短波的直射辐射、散射辐射，还存在较强的反射辐射，同时发射较强的长波辐射，所有这些辐射量组成了复杂的城市辐射场。城市辐射场对建筑得失热产生重要影响，进而影响建筑能耗；此外还对室外环境中人体的热舒适性产生重要影响。因此城市辐射场是城市环境、建筑节能领域的重要研究内容。城市辐射场在时间和空间上的复杂性，使得有****通过测试来研究其规律，测试方法包括遥感观测[1]、空中观测[2]以及地面观测[3]，这些观测手段通常需要很长的时间，受到测试场地、时间、气候等众多方面的影响，其测量可靠性有待提高。另有一些****通过理论计算模型来研究辐射场，使用天气预报模式(weather research and forecast, WRF)耦合单层冠层模式来模拟城市长短波辐射通量[4]，能够考虑建筑之间的遮挡及反射辐射对辐射通量的影响，但大多不足以细化到每栋建筑，只能以街区为单位进行研究，WRF操作计算也相对复杂。
近年来，模拟分析成为该领域主要的研究方法，其具有考虑因素多、计算效率高等优点。Miller等[5]使用CitySim和EnergyPlus联合模拟来解决EnergyPlus在模拟室外墙体长波辐射考虑过于简单的问题。Vallati等[6]使用建筑能耗模拟工具(building energy simulation tool, BES)来分析相邻建筑物之间长短波的多次反射而产生的热作用。Song等[7]通过现场测试验证了城市微气候模拟工具ENVI-met在模拟室外空间净辐射通量及地表温度的准确性。Matzarakis等[8]采用实测数据验证了人体热辐射评价软件(radiation on the human body, RayMan)在三维环境对于短波和长波辐射通量的模拟，发现总辐射量和平均辐射温度与实测值具有很好的相似性。Lindberg等[9]指出辐射环境几何分析软件(solar and longwave environmental irradiance geometry, SOLWEIG)能够计算大尺度室外空间在不同时刻的辐射通量和平均辐射温度变化规律。
综上，目前已经出现了多种不同的城市辐射场模拟软件，而不同软件采用的计算原理不同，输出参数与计算精度不同，适用的环境条件也不同，但很少有研究关注不同软件模拟室外辐射场的性能差异。因此如何选择恰当的计算方法和模拟软件，快速获得预期的模拟结果已经成为制约城市辐射场研究发展的重要问题。本文选择目前流行的模拟软件如ENVI-met、RayMan、SOLWEIG，从辐射场模拟项、辐射强度计算模型、下垫面对辐射场影响以及建筑围合对辐射场影响等方面展开上述软件的模拟性能对比。
1 辐射场模拟量及计算模型对比1.1 ENVI-metENVI-met是城市微气候模拟工具，由Michael Bruse于1999年开发。ENVI-met能够模拟长短波辐射在复杂的城市环境中的交换过程。其辐射模型通过多个0~1之间的衰减系数来描述建筑物和植物对长短波辐射的遮挡。ENVI-met在计算空间中短波辐射通量时考虑了太阳直射辐射、散射辐射和反射辐射的影响，辐射通量表达空间中某点或某个特定截面的辐射量的多少，表示在单位时间内通过此点或此截面的辐射能，其辐射能总量多少与其接收面的面积大小有关，以此评估空间中辐射量的变化情况。辐射强度是指太阳，地面等单位面积上的辐射通量，与特定面积大小无关，表示向外辐射的辐射通量密度，单位是W/m2。其区域内任意一点的短波辐射通量为[10]
| $\begin{array}{*{20}{c}}{{K_ \downarrow } = {\sigma _{{\rm{sw, dir}}}}\left( z \right)I + {\sigma _{{\rm{sw, dif}}}}\left( z \right){\psi _{{\rm{sky}}}}\left( z \right)D + }\\{(1 - {\psi _{{\rm{sky}}}}\left( z \right))I\cdot\bar a.}\end{array}$ | (1) |
值得注意的是，在ENVI-met 4.31版本中可以选择开启高精度辐射计算模块(indexed view sphere, IVS)，IVS能够详细分析和计算建筑表面之间长短波辐射通量的多重相互作用。ENVI-met在辐射模拟时也存在一些不足，例如对于建筑表面发射的长波辐射强度，不是基于单个表面的温度计算的，而是平均温度，所以在一个城市区域内ENVI-met计算的不同表面长波辐射发射强度误差较大[10]。
1.2 RayManRayMan是一款人体热辐射评价软件，由德国弗莱堡大学Matzarakis教授于2007年开发。可计算复杂环境中地形、建筑、植物要素对辐射通量的影响，其灵敏度极高，可以在没有气象文件时，通过简单的参数快速的计算出结果，可应用于城市规划设计当中[11]。
RayMan在计算水平面太阳直射辐射时，其辐射强度计算公式为[12]
| ${I_0} = {G_0} \cdot \cos \zeta \cdot \exp \left( { - {T_{\rm{L}}} \cdot {\delta _{{\rm{r}}0}} \cdot {m_{{\rm{r}}0}} \cdot \frac{\rho }{{{\rho _0}}}} \right) \cdot \left( {1 - \frac{N}{8}} \right).$ | (2) |
RayMan在计算散射辐射强度时，散射辐射可以是云的2个极值的线性组合(n=0)和阴天(n=8)[12]：
| $D = {D_0} \cdot \left( {1 - \frac{N}{8}} \right) + {D_8} \cdot \frac{N}{8}.$ | (3) |
1.3 SOLWEIGSOLWEIG是一个可以估计复杂城市环境中3-D辐射通量空间变化和平均辐射温度的工具，由瑞典哥德堡大学城市气候小组于2008年开发。该工具通过建筑、植物等DEM数字高程模型来构建城市复杂结构，其模拟具有较高的准确性[13]。
SOLWEIG其直射辐射求解公式为[14]
| $I = \left( {G - D} \right)/\sin \eta .$ | (4) |
| $\begin{array}{*{20}{c}}{{K_ \downarrow } = I\left[ {{S_{\rm{b}}} - \left( {1 - {S_{\rm{v}}}} \right)\left( {1 - \tau } \right)} \right]\sin \eta + }\\{D\left[ {{\psi _{{\rm{skyb}}}} - \left( {1 - {\psi _{{\rm{skyv}}}}} \right)\left( {1 - \tau } \right)} \right] + }\\{G\alpha \left[ {1 - \left( {{\psi _{{\rm{skyb}}}} - \left( {1 - {\psi _{{\rm{skyv}}}}} \right)\left( {1 - \tau } \right)} \right)} \right] \cdot }\\{\left( {1 - {f_{\rm{s}}}} \right).}\end{array}$ | (5) |
1.4 辐射场模拟量对比进行辐射场模拟计算时，各软件能够模拟输出的辐射参数是不同的，ENVI-met、RayMan和SOLWEIG的输出辐射参数见表 1。
表 1 各软件输出辐射模拟量差异分析
| ENVI-met | RayMan | SOLWEIG |
| 短波辐射 | ||
| 总辐射强度 | 总辐射强度 | 入射短波辐射强度 |
| 直接/水平直接辐射强度 | 直接辐射强度 | 直接辐射强度 |
| 散射辐射强度 | 散射辐射强度 | 散射辐射强度 |
| 地表反射辐射强度 | ||
| 上/下半球反射辐射强度 | -- | 向外短波辐射强度 |
| -- | -- | 来自4个不同方向 的短波辐射强度 |
| 长波辐射 | ||
| 地表长波发射强度 | 大气辐射强度 | -- |
| 上/下半球长波辐射强度 | -- | 入射/向外长波辐射强度 |
| 长波辐射收支 | -- | -- |
| -- | -- | 来自4个不同方向 的长波辐射强度 |
| 长波总通量 | -- | -- |
表选项
3款软件均能输出水平面上的直射辐射强度和散射辐射强度。ENVI-met与RayMan自带辐射计算模型，通过给定的时间、日期和经纬度构建太阳在天空中的具体位置，计算出入射到模型边界处太阳总辐射强度、直射辐射强度和天空散射辐射强度。由于SOLWEIG本身没有辐射计算模型，其计算中的总辐射需要手动输入，但可对总辐射进行直散分离[15]。在SOLWEIG中可以使用入射短波辐射强度来考虑建筑和植物对总辐射强度的影响。此外，SOLWEIG还能够计算东南西北4个不同朝向垂直面上的短波辐射强度。
ENVI-met可以输出空间中一点的反射辐射强度：在开阔空间模拟可使用反射辐射强度来表征下垫面的反射强度，还可以输出上/下半球反射辐射强度。SOLWEIG也能够模拟反射辐射强度，其向外短波辐射强度考虑了建筑与植物对反射辐射的影响。在RayMan中散射辐射是一个无法直接输出的量，但反射辐射参与其辐射密度的计算[12]。长波方面，ENVI-met能够模拟输出下垫面长波发射强度，还可以输出上/下半球长波辐射强度，并可以获得下垫面长波辐射收支量，地表的长波总通量。SOLWEIG可以输出向外长波辐射强度，同时还可以输出来自4个不同方向的长波辐射强度。RayMan只能够输出大气长波辐射强度。
此外，ENVI-met、RayMan和SOLWEIG在辐射场的遮挡处理上也有不同。ENVI-met通过衰减系数来表征障碍物对辐射的遮挡，在最新版本中IVS模块可以考虑表面之间多重相互作用的短波和长波辐射通量。RayMan中的散射辐射计算分为各项同性和各项异性2个部分, 这要比ENVI-met中仅考虑为各向同性的要更符合实际情况。SOLWEIG则是用建筑、植物的DEM数字高程模型来构建城市复杂结构对辐射场进行计算。3款软件中，ENVI-met能够输出的辐射量最多，RayMan能够输出的辐射量最少。
2 不同下垫面对辐射场影响的模拟对比分析人工下垫面改变着城市的微气候，下垫面的材料布局也日趋复杂。当太阳辐射照射到城市空间中，人工下垫面表面的反射、吸收与发射是造成城市空间中辐射场发生改变的重要原因，所以有必要了解不同模拟工具在模拟不同下垫面附近的直射、散射和反射辐射的性能。
2.1 模拟工况为验证不同工具模拟城市辐射场的准确性，在进行对比3个软件模拟不同下垫面上方辐射场的差异时，使用2018年3月11日在西安测试的不同下垫面上方的辐射数据作为对照。现场测试时间段为8:30-17:30，测试仪器为TBD-1/2辐射计，每30 min对3种不同的地表上方1.1 m处的水平总辐射强度、水平直射辐射强度、水平散射辐射强度、反射辐射强度测试一次。模拟工具使用的软件版本为ENVI-met 4.31，RayMan 1.2，SOLWEIG 2015a，软件地理位置统一设置为西安(东经：108.97°，北纬：34.25°)，ENVI-met与RayMam的太阳辐射由其自带的辐射加载模型生成，SOLWEIG采用RayMam模拟的总辐射数据。在进行辐射场模拟时，选取距离不同下垫面上方1.1 m处空间点M进行辐射强度对比。模拟使用的下垫面物性参数见表 2。
表 2 各下垫面物性参数设定
| 材料 | 长波发 射率 | 可见光 吸收率 | ||
| 混凝土地面 | 2 500 | 920 | 0.85 | 0.74 |
| 铺面转地面 | 1 800 | 800 | 0.90 | 0.80 |
| 沥青地面 | 2 100 | 1 680 | 0.95 | 0.90 |
表选项
2.2 太阳直射、散射和反射辐射强度对比图 1表示3个工具模拟不同下垫面上方空间点M在一天中水平面直射辐射强度变化曲线。由于不同下垫面周围空间没有受到建筑、植物等障碍物遮挡，所以3个下垫面上方点M的直射辐射强度没有发生改变，3个工具模拟出来的直射辐射强度和实测值在一天中均表现为中午辐射强度较强，早上和傍晚直射辐射较弱。散射方面，3个下垫面在一天中的散射辐射情况如图 2所示，不同下垫面散射辐射并没有发生变化，这是因为3个软件在计算散射辐射时并不会考虑地面反射辐射带来的散射辐射增益。其中，ENVI-met与实测值最为接近，其次是RayMam，SOLWEIG与实测值差距较大。
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| 图 1 不同地表上方的直射辐射强度 |
| 图选项 |
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| 图 2 不同地表上方的散射辐射强度 |
| 图选项 |
图 3-5为混凝土、铺面砖、沥青地表上方M点反射辐射强度，由于RayMan无法直接输出反射辐射强度这里不做比较。从图 3-5的实测与模拟结果可知，2个工具模拟地表上方M点的反射辐射强度均为混凝土地表＞铺面砖地表＞沥青地表，与实测规律相符，ENVI-met与实测值更为接近。
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| 图 3 混凝土地表上方的反射辐射强度 |
| 图选项 |
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| 图 4 铺面砖地表上方的反射辐射强度 |
| 图选项 |
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| 图 5 沥青地表上方的反射辐射强度 |
| 图选项 |
从不同下垫面的辐射模拟对比可知，3个工具在模拟不同下垫面直射、散射、反射辐射强度与实测值具有较好的一致性，3个工具在模拟辐射强度强弱方面与实测值有一定的差异，这可能与实测环境复杂和模型自身对城市辐射估计不足有关。
3 建筑围合对辐射场影响的模拟对比城市中普遍存在着各类建筑间的围合空间，因为建筑间的相互遮挡使得围合空间辐射不同于开敞空间。因此有必要了解不同工具模拟不同围合空间中总辐射强度的差异，这反映了不同模拟工具对于太阳光遮挡处理的差异。
3.1 模拟工况为对比3款软件在模拟不同围合空间中总辐射强度的差异，建立了5种不同程度的围合空间，通过模拟围合空间中距地面1.1 m处(P点，如表 3所示，同时还给出了各种围合的天空角系数)的水平面总辐射强度来进行对比。围合空间选择了常见的前后平行围合方式，5种建筑间距分别为：3、5、7、9、11 m。两栋建筑尺寸相同(长12 m，宽3 m，高6 m)，墙体与两栋建筑之间地表均设置为混凝土材质。各建筑围合空间参数见表 3。
表 3 各建筑围合空间参数
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表选项
3.2 围合空间的总辐射强度对比模拟了3款软件在某个特定的时间点不同围合空间中总辐射变化情况。选取9时和12时作为模拟不同围合空间中总辐射变化情况的时间点。选取9时是因为此时不同围合空间中P点没有直射辐射照射，而散射辐射又不至于过小，选取12时是因为此时太阳辐射强度最强，围合空间中的P点尽可能的会被直射照射到。
图 6-7为2个时刻间距3~11 m围合空间中点P水平面接收到的总辐射强度变化曲线。从图中可以看出，3个工具在模拟2个不同时刻的总辐射强度时随着建筑间距不断增大而增强，这是因为空间围合程度变大，P点对天空的视野因子也随之变大。更多的短波辐射进入围合空间中。在9时，不同围合空间中的总辐射强度主要是散射辐射。3个工具由于对散射的处理不同，模拟不同围合程度总辐射强度时存在一定差异。在12时，3 m的围合空间中SOLWEIG和ENVI-met总辐射强度要比RayMan小，这是因为在此时SOLWEIG和ENVI-met中点P只接收到了散射辐射，而没有直射辐射造成的，当围合空间足够开敞时，3个工具模拟出来的总辐射强度趋于一致。
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| 图 6 9时不同围合空间中P点总辐射强度 |
| 图选项 |
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| 图 7 12时不同围合空间中P点总辐射强度 |
| 图选项 |
4 总结城市微气候的模拟研究无论是对于建筑节能还是景观设计，甚至对于城市规划都变得越来越重要。为区分ENVI-met、RayMan、SOLWEIG这3个软件对城市辐射场的模拟性能差异，首先对比了各自主要的辐射计算模型，然后针对开敞空间不同下垫面对辐射场的影响、以及建筑围合空间对辐射场影响两种情况，从直射、散射、反射等方面，结合实测辐射数据，对3款软件进行了对比分析。结果表明：RayMan计算灵敏度高，模拟速度快，但输出辐射参数较少；ENVI-met可计算最多的辐射参数, 且考虑建筑表面之间的长短波辐射换热过程；SOLWEIG可用于室外大空间模拟，且计算的辐射参数较多，但误差较大。3个软件均能考虑空间围合对直射辐射和散射辐射的影响。
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