支持 #469: 太阳能反射计算 - DOE2 - 解库

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支持 #469

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太阳能反射计算

由李立奎在 2 天之前添加. 更新于 2 天之前.

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2026-01-16

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#2:

描述

THE RADIANCE-CALCULATED "REFLECTION FACTORS" <RF-AWSUN>,         
 <RF-AWSKY>, ETC. (WHICH ARE CURRENTLY READ IN USING              
 INPUT FUNCTIONS) GIVE SOLAR GAIN FOR EXTERIOR WALLS,             
 DOORS, OR GLASS (FOR RADIATION ORIGINATING FROM SUN OR           
 SKY) DIVIDED BY HORIZONTAL SOLAR IRRADIANCE FROM SUN OR          
 SKY. ISREFL, GIVEN BY THE SOLAR-REFL-CALC KEYWORD IN             
 BUILDING-LOCATION, DETERMINES HOW THE REFLECTION FACTORS         
 ARE USED--                                                       
                                                                  
 SOLAR-REFL-CALC=NO-CALC (ISREFL=0):                              
   THE REFLECTION FACTORS ARE NOT USED; SOLAR GAINS               
   ARE CALCULATED BY THE REGULAR DOE-2 PROCEDURE.                 
 SOLAR-REFL-CALC=UNADJUSTED (ISREFL=1):                           
   THE REFLECTION FACTORS ARE NOT ADJUSTED AND                    
   ARE USED INSTEAD OF THE REGULAR DOE-2 PROCEDURE.               
 SOLAR-REFL-CALC=ADJUSTED (ISREFL=2):                             
   THE REFLECTION FACTORS ARE ADJUSTED BY                         
   SUBTRACTING THE DOE-2 CALCULATED SOLAR GAINS (NORMALIZED       
   TO HORIZONTAL IRRADIANCE). THIS IS DONE ONLY ON THE            
   FIRST DAY OF THE MONTH. THESE ADJUSTED REFLECTION FACTORS,     
   WHICH GIVE REFLECTED SOLAR NORMALIZED TO HORIZONTAL            
   IRRADIANCE, ARE THEN USED TOGETHER WITH THE REGULAR DOE-2      
   SOLAR GAIN CALC TO OBTAIN THE NET SOLAR GAIN INCLUDING         
   REFLECTION.

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说明

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由李立奎更新于 2 天之前

这是一段关于DOE-2建筑能耗模拟软件中太阳能反射计算的技术说明。它描述了三种处理外墙、门窗等表面太阳能增益的计算模式。

核心概念¶

反射因子 (Reflection Factors)：

RF-AWSUN、RF-AWSKY等是预计算的数据
含义：表面获得的太阳辐射增益 ÷ 水平面的太阳辐照度
应用场景：外墙面、门、玻璃等围护结构
辐射来源：太阳直射和天空漫射

控制参数 ISREFL：

由输入文件中的 SOLAR-REFL-CALC 关键字设定
决定反射因子的使用方式

三种计算模式¶

1. `SOLAR-REFL-CALC=NO-CALC` (`ISREFL=0`)¶

行为：完全忽略反射因子数据
计算方式：采用DOE-2标准的太阳能增益计算流程
适用场景：不考虑周围表面反射贡献的常规分析

2. `SOLAR-REFL-CALC=UNADJUSTED` (`ISREFL=1`)¶

行为：直接用反射因子替代标准计算
计算方式：太阳能增益 = 反射因子 × 水平辐照度
特点：不做任何修正，完全依赖外部提供的反射数据
风险：可能重复计算某些辐射分量

3. `SOLAR-REFL-CALC=ADJUSTED` (`ISREFL=2`) - 最复杂的模式

核心思想：分离"直接辐射"和"反射辐射"的贡献
调整机制：
- 在每月第一天，用反射因子减去DOE-2标准计算结果（已归一化到水平辐照度）
- 得到纯反射分量的调整后反射因子
日常计算：
- 调整后反射因子 × 水平辐照度 = 来自周围环境的反射辐射增益
- 加上DOE-2标准计算的直接辐射增益
- 总和 = 包含反射的净太阳能增益

通俗类比（C++背景）¶

可以把这理解为三种函数覆盖策略：

// ISREFL=0: 基类方法
class SolarCalc {
    double gain() { return standardDOE2Calc(); } // 只用基类实现
};

// ISREFL=1: 完全覆盖
class SolarCalc {
    double gain() { return reflectionFactor * irradiance; } // 彻底替换
};

// ISREFL=2: 装饰器模式（混合）
class SolarCalc {
    double gain() { 
        // adjustedRF = RF - standardDOE2Calc() (每月第一天计算)
        return standardDOE2Calc() + adjustedRF * irradiance; 
    }
};

ADJUSTED模式本质上是通过"做差法"分离出纯反射分量，避免重复计算，这是最物理真实的处理方式。

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由李立奎更新于 2 天之前

**核心子程序CALEXT（EXTERIOR CALCULATIONS），它负责每小时计算建筑外围护结构（墙体、门窗）的热工性能和太阳能得热。

整体架构（C++开发者视角）¶

// 伪代码：CALEXT的C++风格架构
class ExteriorSurfaceCalculator {
public:
    // 全局数据区（COMMON块的等价物）
    struct LocalData { double stalat, stalon, bazim, isrefl; /*...*/ };
    struct DaylightingData { /*...*/ };
    struct WallData { double soli, rgolge, filmu, /*...*/ };
    
    // 主入口
    void calculate(ZLSG_Array& zlsg, ZLSJM_Array& zlsjm, ZLSJY_Array& zlsjy) {
        initDaylightingVars();
        processWindowShading();      // 处理窗户遮阳
        processWalls();              // 处理墙体
        processDoors();              // 处理门
        // ...
    }
};

数据流特点：大量使用COMMON块（全局共享内存）和指针数组IA()/AA()（类似void*指针类型转换），这是FORTRAN时代的依赖注入。

核心计算模块¶

1. 窗户智能控制逻辑（第50-140行）¶

! 遮阳状态机：0=无遮阳, 1=打开, 2=关闭, 3=强制关闭
IA(MWI+96) = 1  ! 初始化

! 太阳能光学切换玻璃（电致变色）
IF(SVAR1 >= threshold) AA(MWI+129) = 0.0  ! 0=完全切换, 1=未切换

关键特征：

7种触发条件：直射辐射、总辐射、室外温度、负荷等
概率控制：引入随机数避免所有窗户同步动作
插值算法：在切换状态间线性插值可见光透过率

2. 太阳能反射计算（第170-240行）¶

实现了我们之前解释的三种模式：

IF(ISREFL.EQ.0) THEN
    ! NO-CALC: 只用标准DOE-2
    SOLABW = SOLI * AA(MP+5)  ! MP+5是表面吸收率
    
ELSE IF(ISREFL.EQ.1) THEN
    ! UNADJUSTED: 完全用预计算反射因子
    SOLABW = AA(MX+JJ+94)*RDNCC*RAYCOS(3) + AA(MX+119)*BSCC
    
ELSE IF(ISREFL.EQ.2) THEN
    ! ADJUSTED: 混合模式（物理最精确）
    SOLABW = SOLI * AA(MP+5) +  ! 标准DOE-2结果
             AA(MX+JJ+94)*RDNCC*RAYCOS(3) +  ! 反射贡献
             (AA(MX+119)-AWSKYD)*BSCC        ! 调整后的天空分量
ENDIF

关键公式：

AWSKYD = SURABSO * (FFSW + FFG*GNDREF) - 基础反射分量
RFSKYP = RF-AWSKY - AWSKYD - 纯反射增量

3. 响应因子法（RESPONSE FACTOR）¶

延迟墙体（热容材料）的核心算法（第2660-3400行）：

! 类似数字信号处理的IIR滤波器
XSXCMP = C_RATIO * (PREV_SUM_X) + SUMXDT + X(N)*DT
XSQCMP = C_RATIO * (PREV_SUM_Y) + SUMYDT + Y(N)*DT

! 热流计算
Q = (XSQCMP + C0*(T_surface - T_zone)) * AREA

物理意义：将墙体传热视为线性时不变系统，用预先计算的X/Y系数序列（响应因子）做卷积运算，避免有限差分法的时间步长限制。

4. Trombe墙专项处理（太阳能蓄热墙）¶

! 三层热阻网络
U1 = 1/(1/UCHAN + 1/UWW + 1/MP+14)  ! 玻璃到室内
U2 = 1/(1/UCHAN + 1/MP+14)          ! 玻璃到墙体
U3 = 1/(1/FILMW + 1/UWW)            ! 室外到墙体

关键数据表¶

数组索引	物理含义	单位
`AA(MX+JJ+94)`	RF-AWSUN（太阳反射因子）	-
`AA(MX+119)`	RF-AWSKY（天空反射因子）	-
`AA(MX+18)`	GNDREF（地面反射率）	-
`AA(MP+5)`	SURABSO（表面吸收率）	-
`RDNCC`	法向直射辐射	Btu/hr·ft²
`BSCC`	水平散射辐射	Btu/hr·ft²
`RAYCOS(3)`	太阳高度角余弦	-

现代C++重构建议¶

// 用现代C++概念封装
struct Surface {
    double azimuth, tilt;          // 方位角、倾角
    double area, absortivity;      // 面积、吸收率
    std::vector<double> rfFactors; // 反射因子
};

class SolarCalculator {
public:
    double computeAbsorbedSolar(const Surface& surf, 
                               const SolarData& solar,
                               int isreflMode) const {
        double baseGain = computeStandardDOE2(surf, solar);
        double reflected = computeReflectedContribution(surf, solar);
        
        switch(isreflMode) {
            case 0: return baseGain;
            case 1: return reflected;
            case 2: return baseGain + reflected; // ADJUSTED
        }
    }
};

调试支持¶

代码中遍布调试输出（如IREPRT(35)控制），可打印：

太阳几何参数（ETA, RAYCOS）
反射因子调整值
Trombe墙内部温度分布
遮阳状态切换日志

这是80年代科学计算的典型风格：算法密集、全局状态、物理方程直接翻译。

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由李立奎更新于 2 天之前

AA(MX+19)在DOE-2代码中代表墙体的天空视角系数（Sky View Factor），是预计算的几何参数。出现NaN的情况通常源于输入数据异常或数值计算错误传播。

NaN产生的根本原因¶

1. 输入几何数据无效（最常见）¶

! AA(MX+19) 在输入阶段由建筑几何计算得出
! 如果输入文件中存在以下问题：
- 墙体面积 XSAREA = 0 或负数
- 墙体倾角 GAMMA = AA(MX+90) 超出 [0, π] 范围
- 方位角数据缺失或格式错误
- 墙体高度/宽度未正确定义

2. 计算错误传播链¶

! 典型传播路径示例：
GAMMA (NaN) → FFSIR (NaN) → FFGIR (NaN) → QIREW (NaN) 
           ↘ 存储到 AA(MX+19) 关联位置

关键代码位置：

第191行: IF (AA(MX+19).LT.0.) FFSIR = ABS(AA(MX+19))*0.5*(1.+GAMMA)
! 如果 GAMMA 为NaN，FFGIR = 1.-FFSIR 也会变成NaN

3. 指针/索引错误¶

MX = IA(MZ+5)  ! 墙体数据指针
! 如果 MZ 指针未正确初始化，MX可能指向无效内存区域
! 导致 AA(MX+19) 读取到未初始化的垃圾值

具体触发场景¶

场景	触发条件	结果
场景1：墙体面积为零	输入文件中AREA=0	几何因子计算出现除零，产生NaN
场景2：太阳高度角异常	RAYCOS(3) ≈ 0（太阳在地平线）	某些归一化计算发散
场景3：内存越界	数组AA大小不足（200,000元素）	其他数据覆盖污染
场景4：输入文件损坏	二进制天气文件读取错误	辐射数据为NaN，污染计算
场景5：未初始化的Trombe墙	IEWTYP=3/4但玻璃数据缺失	通风计算返回NaN

诊断与调试方法¶

方法1：在CALEXT入口处添加NaN检查¶

! 在 SUBROUTINE CALEXT 开头添加
IF (isnan(AA(MX+19))) THEN
    WRITE(IOUTPT, *) 'ERROR: NaN detected in AA(MX+19)'
    WRITE(IOUTPT, *) 'Wall ID:', (IA(MX+II-1),II=1,4)
    WRITE(IOUTPT, *) 'XSAREA=', AA(MX+85), ' GAMMA=', AA(MX+90)
    CALL ABORT   ! 或赋默认值继续运行
ENDIF

方法2：启用调试输出¶

! 设置输入文件中的DUMP-OPTIONS
DUMP-OPTIONS = (DEBUG, LV-J)
! 这会激活第38-44行的调试WRITE语句
WRITE(IOUTPT,9300) ... AA(MX+19) ...

方法3：追踪数据来源¶

! AA(MX+19) 的来源是建筑几何定义阶段
! 检查输入文件中的EXTERIOR-WALL关键字定义：
EXTERIOR-WALL
    HEIGHT = 8
    WIDTH = 10
    TILT = 90  ! 倾角必须在0-180度之间
    AZIMUTH = 180
    ..

修复方案¶

临时修复（运行时防御）¶

! 在第210行附近添加保护代码
C------ CHECK FOR NaN IN SKY VIEW FACTOR
IF (isnan(AA(MX+19))) THEN
    AA(MX+19) = 0.5  ! 赋默认值（半球向天空）
    WRITE(IOUTPT, *) 'WARNING: MX+19 NaN replaced with 0.5'
ENDIF

根本修复（输入验证）¶

检查所有墙体几何参数：
- 确保XSAREA > 0
- 确保0 ≤ GAMMA ≤ π (0°-180°)
- 确保方位角在0-360度范围内
验证输入文件完整性：
- 使用DOE-2的BDL（Building Description Language）语法检查器
- 确认所有EXTERIOR-WALL都有正确的几何定义
更新到最新补丁：
代码中已有FIXNAN补丁（如第24-27行），说明这是已知问题。检查是否应用了所有官方补丁。

C++开发者的经验类比¶

类似C++中的：

struct Wall {
    double skyViewFactor;  // AA(MX+19)
    double tilt;           // AA(MX+90)
};

// 问题等价于：
Wall* walls = (Wall*)malloc(...);  // 类似AA数组
// 如果walls[i].tilt = acos(invalid)，就会产生NaN
// 如果&walls[i]指向未初始化内存，就会读到垃圾值

核心教训：在读取外部输入的几何数据后，必须立即验证有效性，而不是等到计算时才暴露问题。

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项目

一般

简介

DOE2

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支持 #469

太阳能反射计算

由李立奎更新于 2 天之前

核心概念¶

三种计算模式¶

1. `SOLAR-REFL-CALC=NO-CALC` (`ISREFL=0`)¶

2. `SOLAR-REFL-CALC=UNADJUSTED` (`ISREFL=1`)¶

3. `SOLAR-REFL-CALC=ADJUSTED` (`ISREFL=2`) - 最复杂的模式

通俗类比（C++背景）¶

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整体架构（C++开发者视角）¶

核心计算模块¶

1. 窗户智能控制逻辑（第50-140行）¶

2. 太阳能反射计算（第170-240行）¶

3. 响应因子法（RESPONSE FACTOR）¶

4. Trombe墙专项处理（太阳能蓄热墙）¶

关键数据表¶

现代C++重构建议¶

调试支持¶

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NaN产生的根本原因¶

1. 输入几何数据无效（最常见）¶

2. 计算错误传播链¶

3. 指针/索引错误¶

具体触发场景¶

诊断与调试方法¶

方法1：在CALEXT入口处添加NaN检查¶

方法2：启用调试输出¶

方法3：追踪数据来源¶

修复方案¶

临时修复（运行时防御）¶

根本修复（输入验证）¶

C++开发者的经验类比¶

项目

一般

简介

DOE2

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核心概念¶

三种计算模式¶

1. SOLAR-REFL-CALC=NO-CALC (ISREFL=0)¶

2. SOLAR-REFL-CALC=UNADJUSTED (ISREFL=1)¶

3. SOLAR-REFL-CALC=ADJUSTED (ISREFL=2) - 最复杂的模式

通俗类比（C++背景）¶

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整体架构（C++开发者视角）¶

核心计算模块¶

1. 窗户智能控制逻辑（第50-140行）¶

2. 太阳能反射计算（第170-240行）¶

3. 响应因子法（RESPONSE FACTOR）¶

4. Trombe墙专项处理（太阳能蓄热墙）¶

关键数据表¶

现代C++重构建议¶

调试支持¶

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NaN产生的根本原因¶

1. 输入几何数据无效（最常见）¶

2. 计算错误传播链¶

3. 指针/索引错误¶

具体触发场景¶

诊断与调试方法¶

方法1：在CALEXT入口处添加NaN检查¶

方法2：启用调试输出¶

方法3：追踪数据来源¶

修复方案¶

临时修复（运行时防御）¶

根本修复（输入验证）¶

C++开发者的经验类比¶

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1. `SOLAR-REFL-CALC=NO-CALC` (`ISREFL=0`)¶

2. `SOLAR-REFL-CALC=UNADJUSTED` (`ISREFL=1`)¶

3. `SOLAR-REFL-CALC=ADJUSTED` (`ISREFL=2`) - 最复杂的模式

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