Реферат: Солнечная радиация
1. Солнечная радиация за пределами земной атмосферы.
Для получения сведений о природе солнечной радиации первым шагом должно
быть измерение интенсивности радиации за пределами земной атмосферы
(внеземной радиации). Это влечет за собой измерение интенсивности
рентгеновских, ультрафиолетовых, инфракрасных лучей, радиоизлучения и
т.д., то есть всех компонентов солнечной радиации. Проще перевести
солнечную радиацию в тепловую, которая может быть точно измерена. Эта
тепловая радиация, называемая солнечной постоянной, определяется как
количество энергии, которое падало бы перпендикулярно за 1 мин. на 1 см2
поверхности, помещенной за пределами земной атмосферы на среднем
расстоянии Земли от Солнца. Величина этой постоянной равна
приблизительно 4,3 Дж/(см2*мин.). Таким образом, солнечная постоянная –
это энергия, необходимая для нагревания земной поверхности при условии,
что атмосфера совершенно прозрачна, а солнце находится вертикально над
головой.
При малой высоте солнца его энергия распространяется по большой площади
земной поверхности, и поэтому нагревание каждого 1 см2 весьма
незначительно (рис.1). Следовательно, интенсивность солнечной радиации
зависит от широты и времени года.
Рис.1. При малой высоте солнечного луча нагревание единицы площади
земной поверхности незначительно.
1 – лучи солнца; 2 – земля.
Общее количество энергии, полученной за 24 часа, зависит также от
долготы дня. Из-за этого самые большие дневные суммы солнечной радиации
на полюсах в середине лета, хотя годовая сумма на полюсах в 2,5 раза
меньше, чем на экваторе (рис.2).
Сонечную радиацию по достижении пределов земной атмосферы уподобляют
излучению от черного тела при температуре около 6000( С. Эта радиация в
пределах оптического спектра распространяется от 0,2 мкм длины волны в
ультрафиолетовой части до 0,5 мкм в инфракрасной части, максимальная
энергия приходится на 0,45 мкм в видимой зоне (1мкм=10-6 м).
Рис.2. Сонечная радиация, приходящаяся на горизонтальную поверхность в
ясный день для различных (северных) широт.
Распределение энергии в трех главных областях – ультрафиолетовой,
видимой и инфракрасной – приблизительно следующее: ультрафиолетовая 3%,
видимая 50%, инфракрасная 45%.
Радиация, падающая на плоскую поверхность за пределами земной атмосферы,
изменяется при изменении солнечного склонения и расстояния Земли от
Солнца. Это изменение составляет ± 3% средней величины, равной 4,3
Дж/(см2*мин.), то есть 1353 ВТ/м2. Внеземная радиация, перпендикулярная
солнечному лучу (IOn), математически может быть выражена как
IOn=??0I?d?, (1.1)
где I? – интенсивность внеземной солнечной радиации при длине волны ?.
Компоненты солнечной радиации.
При входе в земную атмосферу солнечная радиация расщепляется на три
части. Одна из них поглощается водяным паром и озоном. Вторая
рассеивается молекулами воздуха, молекулами водяного пара и частицами
пыли. Она называется диффузной радиацией или рассеяным излучением.
Достигающая земли неизмененная часть называется прямой радиацией. Иными
словами, прямая радиация – это радиация, которая поступает от солнца без
изменения направления (при этом наклон солнечных лучей, вызванный
преломлением в атмосфере, не учитывается). Общая солнечная энергия,
достигающая поверхности земли, является суммой прямой и диффузной
радиаций.
Прямая солнечная радиация при ясном небе.
Вследствие рассеяния и поглощения солнечная радиация, достигающая земли,
меньше радиации за пределами земной атмосферы. Понижение интенсивности
зависит от атмосферных условий (числа частиц пыли, водяного пара,
содержания озона, атмосферного давления и т.д.) и высоты солнца,
определяющей расстояние в атмосфере, которое должен пройти солнечный
луч, перед тем как попасть на поверхность земли. Если высота солнца
небольшая, путь луча длинный. Если солнце находится в зените, солнечный
луч проходит близкий к ветрикальному, самый короткий путь сквозь
атмосферу. Длина пути солнечного луча через атмосферу определяется
термином «масса воздуха» (m). Масса возхдуха равна единице, когда солнце
находится в зените, то есть когда Al=90?. В общем виде
длина солнечного луча
m =------------------------------------------------- .
вертикальная глубина атмосферы
Иными словами, m=cosek Al (рис.3).
Рис.3. Определение массы воздуха m.
1 – верхняя граница атмосферы; 2- поверхность земли.
Коэффициент пропускания атмосферы для прямой солнечной радиации при
ясных погодных условиях на уровне моря определяется как отношение между
интенсивностью солнечной радиации, получаемой на поверхности земли, и
интенсмивностью внеземной солнечной радиации:
TD=IDn/IOn. (1.2)
Ученые вычислили величины IDn для нескольких значений высоты солнца и
атмосферных условий. В частности, Трелкелд и Джордан вычислили IDn для
следующих условий по методу Муна; высота слоя озона – 2,5 мм; высота
слоя водяных паров – 0, 10, 30, 60 мм; число частиц пыли на 1 см2 – 0,
400, 800; масса воздуха – 1, 2, 3, 4, 5; атмосферное давление 0,1 МПа.
Воздействие изменений высоты слоя озона на IDn эти исследователи не
изучали, так как высота слоя озона, равная 2,5 мм, считалась типичной
для средних широт при нормальных температуре и давлении. Исследования
показали, что для данной массы воздуха и высоты слоя водяных паров TD
изменяется линейно вследствие изменения числа частиц пыли (d). На рис.4
дана серия графиков, показывающих соотношение TD, d, m и w. Эти
графические соотношения приняты в настоящее время в качестве стандартных
соотношений для оценки величины TD для данных атмосферных условий.
Рис.4. Соотношение между коэффициентом пропускания атмосферы для прямого
солнечного излучения (TD), числом частиц пыли высотой слоя водяных паров
и массой воздуха.
1 – 5 - величины массы воздуха; высота слоя водяных паров (w): ——— 0
мм; — — — 3 мм; ——— 60 мм.
Влияние высоты над уровнем моря. Исследования также показали, что для
данных величин слоя водяных паров и содержания пыли TD на высоте 300м
над уровнем моря на 1% больше, чем TD на уровне моря. На высоте 1500 м
TD отличается от коэффициента пропускания на уровне моря менее чем на
3%. Таким образом, в практических целях измерение величины TD вследствие
изменения атмосферного давления может не учитываться до высоты 1500 м.
Принимая солнечную радиацию на уровне моря за эталон, можно видеть, что
прямая солнечная радиация для различных высот солнца увеличивается с
ростом высоты над уровнем моря (табл.1) .
Таблица 1. Увеличение прямой солнечной радиации, %, с изменением высоты
над уровнем моря.
Высота над уровнем моря, м Высота солнца, град.
10 20 30 40 50 60 70 80
1000 - 14 13 10 9 8 8 8
1500 - 26 20 17 16 15 15 15
3000 - 40 31 28 26 25 24 23
Высотные и горные станции регистрируют гораздо большие величины прямой
радиации не столько из-за изменения барометрического давления, сколько
из-за относительно свободной от пыли атмосферы и низких высот слоя
водяных паров в ней.
Вычисление поверхностной интенсивности радиации. Интенсивность прямой
солнечной радиации на любой поверхности для данных атмосферных условий
можно вычислить, если известна интенсивность перпендикулярных солнечных
лучей. Если I? - интенсивность солнечной радиации на поверхности, а угол
между перпендикуляром к поверхности и солнечным лучом равен i, то
I?= IDn сos i. (1.3)
Для горизонтальной поверхности i является дополнением к углу высоты.
Таким образом, i=90? - Al. Прямая солнечная радиация на горизонтальной
поверхности поэтому выражается как
IDh=IDnsin Al. (1.4)
Согласно рис.5, (SOQ=i; POQ=HSA – углу между солнечным азимутом и
перпендикуляром к стене. cos i=cos HSA*cos Al=cos (Aw-Az) cos Al, так
как HSA=Aw-Az. Интенсивность на вертикальной поверхности IDv ,будет
равна:
IDv=IDncosHSA cosAl. (1.5)
Если поверхность наклонена к горизонтальной плоскости под углом ?, тогда
угол i будет равен: сos i= sinAlсos ?+cosAlsin ?cosHSA
Таким образом, интенсивность на наклонной поверхности равна:
IDs=IDn (sinAl cos ? + cosAlsin ?cosHSA) (1.6)
Уравнения (1.4) и (1.5) представляют собой особые случаи уравнения
(1.6). Поэтому уравнение (1.4) можно вывести из уравнения (1.6)
посредством подстановки ?=0?, в то время как уравнение (1.5) можно
вывести путем подстановки ?=90?.
Рис.5 Угол падения прямого солнечного излучения на вертикальную стену
1 – азимут солнца; 2 – азимут стены.
Пример 1. Вычислим интенсивность прямой солнечной радиации на
горизонтальной плоскости при d=300; w=30мм; Al=30?; Az=164? в.д.
m=cosecАl=cosec30?=2.
Согласно рис.4, TD для таких атмосферных условий равен 0,51. Поэтому IDn
=1353*0,51=690 Вт/м2. Исходя из уравнения (1.4),
IDh=690 sinAl=690*0,5=345 Вт/м2.
Пример 2. Вычислим интенсивность прямой солнечной радиации на
вертикальной стене, обращеннной на юго-восток, при тех же условиях.
Az=164? в.д; Aw=135? В; Al=30?. Поэтому HSA= Aw-Az=-29?; cos i=
cos(-29?) cos 30?=0,757. Исходя из уравнения (1.5), IDv=690*0,757=522
Вт/м2.
Пример 3. Вычислим интенсивность прямой солнечной радиации на
поверхности, обращенной на север, наклоненной под углом 40? к
горизонтали. d=200; w=15 мм; Al=35?; Az=62? в.д.
m=cosec35?=1,74. Согласно рис.5, для данных условий TD=1353*0,686=928
Вт/м2. cos i= sin35? cos40? + cos35? sin40? cos62?=0,687. Таким образом,
радиация на данной поверхности равна 928*0,687=638 Вт/м2.
Стандартные атмосферные условия для различных географических районов.
Вычисление прямой солнечной радиации методом, используемым в примерах
1-3, требует большого числа данных. Можно разработать приблизительную
методику, которая отличается простотой и все же обладает достаточной
точностью, необходимой для строительного проектирования. Она основана на
том, что, хотя атмосферные факторы и сильно меняются в зависимости от
места и времени, коэффициент пропускания атмосферы изменяется
незначительно. Если в сухую погоду возрастает содержание пыли, то общее
количество водяных паров снижается. Во влажную погоду количество пара
возрастает, а количество пыли уменьшается. Таким образом, до некоторой
степени один фактор нейтрализует действие другого.
Для Индии стандартные атмосферные условия определены содержанием 2,5 мм
озона, w=15 мм, d=300 при барометрическом давлении 0,1 МПа. Хотя они
были определены условно, экспериментальные наблюдения над прямой
солнечной радиацией, проведенные во многих индийских городах, показали,
что они преобладают в Индии в дни ясной погоды. Ниже приведены значения
TD для стандартных погодных условий Индии.
Al, град 10 20 30 40 50 60 70 80 90
m 5,76 2,92 2 1,56 1,3 1,15 1,06 1,01 1
TD 0,328 0,48 0,566 0,618 0,654 0,677 0,691 0,698 0,701
IDn, Вт/м2 444 649 766 836 885 916 935 944 948
В результате подбора эмпирического уравнения по этим данным получили
уравнение (1.7), выражающее соотношение между TD для стандартных
атмосферных условий Индии и Al:
TD=0,921/(1+0,3135m). (1.7)
IDn для стандартных атмосферных условий Индии будет равно:
IDn=0,921IOn/(1+0,3135 m), (1.8)
или IDn=1246/(1+0,3135 m), так как IDn= IOn TD=1353TD.
На рис.6 графически показано соотношение между IDn и Al для стандартных
атмосферных условий Индии. Подобные же расчеты прямой солнечной радиации
выполнялись в других странах.
Балантин по данным о прямой солнечной радиации, собранным в течение трех
лет в Мельбурне, вывел следующее эмпирическое уравнение для IDn при
ясных погодных условиях для атмосферных данных Мельбурна:
IDn=4321sinAl-9112sin2Al+10377 sin3Al-5759 sin4Al+1170 sin5Al. (1.9)
Так как TD=IDn/IOn, TD для мельбуринских атмосферных условий равен:
TD =3,19sinAl-6,73sin2Al+7,67 sin3Al-4,26 sin4Al+0,87 sin5Al. (4.10)
Рис.6 Зависимость интенсивности прямой солнечной радиации на
перпендикулярную поверхность от высоты солнца для стандартных
атмосферных условий Индии.
Было установлено, что слой водяных паров в атмосфере над Мельбурном в
ясные дни равен приблизительно 11мм, однако данные о числе частиц пыли
получены не были. При сравнении значений TD, полученных при помощи
уравнения (1.10), было установлено, что они почти совпадают с теми, что
приведены на рис.4 для w=11 мм, содержания озона 2,5 и d=300. Поэтому
для Мельбурна в дни ясной погоды приняли d=300.
Рис.7 Сравнение коэффициентов пропускания прямой солнечной радиации для
стандартных атмосферных условий Индии и атмосферных условий Мельбурна
1 – атмосферные условия Мельбурна; 2 – стандартные атмосферные условия
Индии.
Ниже приведены величины TD для атмосферы над Мельбурном в дни ясной
погоды, соответствующие разным высотам солнца, а на рис.7 произведено
сравнение величин TD для стандартных атмосферных условий Индии и
Мельбурна.
Al, град 10 20 30 40 50 60 70 80 90
m 5,76 2,92 2 1,56 1,3 1,15 1,06 1,01 1
TD 0,388 0,556 0,632 0,677 0,705 0,723 0,732 0,735 0,737
IDn, Вт/м2 525 752 856 916 954 978 990 995 997
Для стандартной атмосферы США на уровне моря d=200, содержание озона 2,5
мм, w меняющееся на протяжении года согласно установленной схеме, можно
получать в Бюро погоды США.
Для определения значений радиации в ясную погоду разработали программы
для ЭВМ по другим параметрам нестандартных атмосферных условий в любой
точке, учитывающие переменные исходные величины: данные о количестве
пыли, озона, пара, который может выпасть в виде осадков, и атмосферном
давлении. При помощи этих программ производились вычисления, описанные
выше.
Суточные суммы прямой радиации.
Зная величины IDn для определенных атмосферных условий, посредством
сложения легко вычислить суточные суммы прямой солнечной радиации на
горизонтальной или вертикальной поверхности. Дневная сумма прямой
радиации на горизонтальной поверхности Dh равна:
Dh ?заход Idh dt, (1.11)
восход
где Idh – мгновенная интенсивность прямой солнечной радиации на
горизонтальной поверхности; t – время.
Применение часовых значений солнечной радиации вместо мгновенных
значений и преобразование интеграла из уравнения (1.11) в цифровую сумму
дает достаточную степень точности. Иными словами Dh может быть выражена
как
заход
Dh = ( IDn (часовые значения) (1.12)
восход
так как мгновенные значения прямой солнечной радиации выражены в Вт/м2,
для получения часовых значений нужно их умножить на 3600. Следующий
пример показывает вычисление Dh.
Пример 4. Используя значения Idh для стандартной атмосферы Индии,
вычислим дневную сумму прямой солнечной радиации на горизонтальной
поверхности 16 апреля в Дели (29( с.ш.). Ниже приведены значения Al в
разное время 16 апреля.
Время (до полудня) 5.40 восход 5.50 6.30 7.30 8.30 9.30 10.30 11.30
Al, град 0 3 11 25 38 51 62 70
IDn, Вт/м2 0 133 465 707 822 888 620 935
IDh=IDn sinAl, Вт/м2 0 7 88 299 506 690 812 879
Таким образом, интенсивность прямой солнечной радиации на горизонтальной
поверхности между 6.00 и 7.00 равна 88*3600 Дж/м2. Интенсивность прямой
солнечной радиации между 5.40 и 6.00 (в течение 20 мин) равна:
7*20*60=8400 Дж/м2.
Считая, что солнечная радиация от 12.00 до захода солнца равна радиации
от восхода солнца до 12.00, сумма прямой солнечной радиации на
горизонтальной поверхности будет равна 2(8400+3600(88+299+506+690+
+812+879)(=23*5896*1016 МДж/(м2*сут).
Рассеянная солнечная радиация при ясном небе.
Данных по рассеянной компоненте солнечной радиации сравнительно немного.
Хотя она является результатом рассеяния радиации атмосферой под самыми
разнообразными углами, большая часть ее рассеивается в направлении
прямого солнечного луча. Вот почему угловое распределение рассеянной
радиации с неба, особенно с ясного неба, не изотропно, но имеет
тенденции к концентрации вокруг прямого солнечного луча.
Рассеянная радиация зависит от влияния атмосферных факторов и воздушной
массы. Очевидно, что при проходе радиации через значительный слой
атмосферы при низких высотах солнца рассеивающие эффекты более выражены.
При этом поверхности земли достигает меньшее количество радиации.
Рассеивающие эффекты также усиливаются, если атмосфера облачная и
неясная. В количестве солнечной радиации, падающей на горизонтальную
плоскость при ясных погодных условиях, компонента рассеянной радиации
будет составлять 20-30% прямой.
Рассеянная солнечная радиация на горизонтальной поверхности. Измерения
рассеянной радиации на горизонтальной поверхности при ясных погодных
условиях производили многие исследователи в разных районах мира. Лиу и
Джордан, работая с экспериментальными данными по рассеянной радиации при
ясных погодных условиях и незапыленной атмосфере, собранными в
Хамп-Маунтине (Северная Каролина, США), обнаружили, что коэффициент
пропускания для прямой солнечной радиации имеет линейное отношение к
коэффициенту пропускания для рассеянной радиации на горизонтальной
поверхности и не зависит от массы воздуха. По результатам 149 наблюдений
для 28 ясных дней было получено следующее эмпирическое уравнение:
Tdh=0,271-0,2939TD, (1.13)
гдеTdh=Idh/IOh и TDn=IDn/IOn=IDh/IOh,.
Отсюда IDh/IOh=(0,271-0,2939)TD, или Idh/IOn=(0,271-0,2939 TD) sinAl,
так как IOh=IOn sinAl, или
Th=(0,271-0,2939TD) sinAl. (1.14)
Уравнение (1.14) применимо к местам с беспыльной атмосферой. В условиях
умеренно запыленной атмосферы нужно использовать модификацию
вышеприведенного уравнения, предложенного Балантайном:
Th=(0,3154-0,3288TD) sinAl. (1.15)
Рассеянная солнечная радиация на наклонной поверхности. Горизонтальная
поверхность получает рассеянную солнечную радиацию со всего
полусферического свода неба. С другой стороны, наклонная поверхность
получает рассеянную радиацию как с какой-то части неба,так и отраженную
с земли. Отражение солнечной радиации от земли на наклонную поверхность
прямо пропорционально коэффициенту отражения земли, называемому альбедо
земли.
Чтобы определить величину рассеянной радиации с неба на наклонной
поверхности, удобно подразделить рассеянную радиацию неба на ореольную
рассеянную радиацию, то есть радиацию из зоны неба, находящейся
непосредственно вокруг солнца (эта часть может рассматриваться
геометрически, как если бы она прошла от солнца подобно прямой
радиации), и на фоновую рассеянную радиацию, которую считают раномерно
распределенной по всему полусферическому своду. Таким образом, полная
рассеянная радиация неба рассматривается как сумма ореольной и фоновой
радиации.
Рис.8 Зависимость отношения ореольной рассеянной солнечной радиации к
прямой от коэффициента прозрачности (см. также рис.4) при высоте солнца
10( (1), 20( (2) и 30-60( (3).
Пермели открыл, что при ясных погодных условиях ореольная радиация на
поверхности независима от массы воздуха и приблизительно составляет 7%
прямой солнечной радиации на этой поверхности (рис.8, коэффициент
прозрачности – отношение истинной (измеренной) радиации к прямой
радиации по Муну). Таким образом, интенсивность ореольной радиации
0,07IDncos i (1.16)
В частности, интенсивность ореольной радиации по горизонтальной
плоскости равна 0,07 IDh.
Фоновая радиация прямо пропорциональна той части небесного свода, к
которой обращена поверхность. Например, вертикальная поверхность
обращена только к половине небесной полусферы. Поэтому фоновая радиация
на вертикальной поверхности составляет половину радиации на
горизонтальной поверхности. Поверхность, наклоненная к горизонтали под
углом (, будет обращена к 0,5 (1+cos () полусферического свода. Поэтому
фоновая радиация на наклонной поверхности равна 0,5 (1+cos ()Ibd, где
Ibd – интенсивность фоновой радиации на горизонтальной плоскости.
Величину Ibd можно вычислить вычитанием ореольной радиации на
горизонтальной плоскости из общей рассеянной радиации на горизонтальной
плоскости, которую вычисляют по уравнению (1.15). Иными словами,
Ibd=Idh-0,07Dh. Общая рассеянная радиация на наклонной плоскости равна:
Ids=0,07IDncos i + 0,5(1+cos()Ibd (1.17)
Для вертикальной поверхности (=90(, поэтому рассеянная радиация на
вертикальной плоскости равна:
Idv=0,07IDv + 0,5(Idh – 0,07IDh) (1.18)
Наклонная плоскость получает радиацию также и от окружающей земной
поверхности. Она пропорциональна 0,5(1-cos() части земной поверхности, к
которой обращена плоскость. Рассеянная радиация от земли выражается
следующим уравнением:
Idg=0,5RgITh(1- cos(). (1.19)
где ITh – общая интенсивность солнечной радиации на горизонтальной
плоскости (IDn+ IDh); Rg – коэффициент отражения земли.
Лиу и Джордан предположили, что величина Rg равна 0,2 когда земля не
покрыта снегом, и 0,7, когда земля покрыта снегом. Поэтому общая
рассеянная солнечная радиация на наклонной поверхности равна:
IdT=Ids+Idg. (1.20)
Пример 5. По данным, приведенным в примере 1, вычислим интенсивность
рассеянной и суммарной солнечной радиации на горизонтальной поверхности:
TD=0,51; sinAl=sin30(=0,5. Согласно уравнению (1.15),
Th=(0,3154-0,3288*0,51)0,5=0,0738. Отсюда Idh=1353*0,0738=100 Вт/м2.
Согласно примеру 1, IDh=345 Вт/м2. Суммарная интенсивность радиации
на горизонтальной поверхности ITh=IDh+Idh=445 Вт/м2.
Пример 6. По данным, приведенным в примере 2, вычислим интенсивность
рассеянной и суммарной солнечной радиации на вертикальной стене: Idh=100
Вт/м2; IDh=345 Вт/м2; cos i=0,757; IDv=522 Вт/м2; IDn=690 Вт/м2.
Согласно уравнению (1.18) Idv=0,07*522+0,5(100-0,07*345)=75 Вт/м2.
Согласно уравнению (1.19), Idg=0,5*0,2(345+100)(1-cos90()=45 Вт/м2.
Таким образом, суммарная солнечная радиация ITv=522+75+45=642 Вт/м2.
Солнечная радиация при пасмурной погоде.
Интенсивность солнечной радиации при облачном небе зависит от степени
облачности, которая чрезвычайно переменчива, поэтому мгновенные значения
солнечной радиации при облачном небе непредсказуемы. Меры по
регулированию солнечной радиации основаны на максимальной (или близкой к
максимальной) интенсивности солнечного излучения, которому подвергается
здание и которое возможно лишь в ясную погоду, следовательно, обсуждение
солнечной радиации в пасмурные дни выходит за пределы тематики данного
вопроса.
Солнечная радиация и ориентация здания.
Сравнение суточной солнечной радиации на фасадах зданий различных
ориентаций показывает, что компонента рассеянной радиации при ясном небе
изменяется от какого-то процента общей тепловой нагрузки до ее полной
величины. При вычислении изменяющихся в течение дня тепловых нагрузок
компонента рассеянной радиации становится значительной, когда какой-либо
определенный фасад здания не подвергается воздействию прямой солнечной
радиации.
Это особенно важно при проектировании с целью обеспечения теплопередачи:
правильный выбор подходящего стекла и пленок давал приращение солнечного
тепла на северном фасаде здания в Нью-Йорке зимой даже в том случае,
когда на этот фасад не попадала прямая солнечная радиация. В некоторых
районах Великобритании компонента рассеянной радиации составляет более
50% общего количества радиации.
Интенсивность прямой радиации сильно изменяется в течение года на каждом
из фасадов здания. На рис. 9 показаны годовые изменения прямой радиации
на фасадах различной ориентации для 9( с.ш., 23(с.ш. и 35(с.ш. при
атмосфере с содержанием 300 частиц пыли на 1 см2, 15 мм слоя водяных
паров и 2,5 мм озона.
Рис.9 Суточные суммы прямой солнечной радиации на различно
ориентированные поверхности для 9( с.ш. (а), 23(с.ш. (б) и 35(с.ш. (в)
1- горизонтальная плоскость; 2- вертикальная плоскость, обращенная на
юг; 3- вертикальная плоскость, обращенная на юго-восток или
юго-запад; 4- вертикальная плоскость, обращенная на восток или запад;
5- вертикальная плоскость, обращенная на северо-восток или
северо-запад; 6- вертикальная плоскость, обращенная на север.
Следующие общие наблюдения применимы к условиям радиации при ясной
погоде.
Дневное количество прямой радиации на горизонтальной поверхности
значительно больше, чем на вертикальной, особенно в летние месяцы. Это
означает, что защита от солнечной радиации более важна для кровли, чем
для стен. Радиация на единицу площади этажа здания уменьшается по мере
увеличения количества этажей, так же, как и отношение площади кровли к
площади стены.
В местностях, близких к экватору, интенсивность солнечной радиации на
стенах, обращенных к востоку и западу, высока в течение всего года (рис.
9, а). Поэтому на этих фасадах устраивают лишь очень небольшие проемы.
На удаленных от экватора широтах обращенные к экватору стены здания
получают значительное количество солнечной радиации в зимние месяцы и
очень малое – в летние (это действительно только на географических
широтах южнее 30( с.ш.) (см. рис. 9). Если солнечная радиация необходима
только зимой, проемы в обращенной к экватору стене идеально отвечают
этим требованиям, так как экранирование стекла летом можно легко
обеспечить при помощи простых жалюзи.
Хотя вертикальные поверхности, ориентированные на восток и запад,
получают равные количества дневной радиации, более важно защищать
западные стены: когда солнце светит на восточную стену, температура
воздуха снаружи довольно низкая после прохладной ночи. Когда солнце
светит на западную стену, температура воздуха высока. Стена, обращенная
на запад, подвергается совместному воздействию радиации и высокой
температуры окружающего воздуха.
2. Приращение тепла от солнца.
Приращение тепла от солнца является только одним из факторов,
определяющих тепловую характеристику здания. В число других входят
вентиляция, относительная влажность, внутреннее приращение тепла от
искусственных источников света, людей, технологии и т.д. Для оценки
общей нагрузки холода или тепла на здание необходимо учитывать все эти
факторы.
Конструктивными элементами, влияющими на приращение тепла от солнца в
здании, являются кровли, окна и стены. Через окна и кровли происходят
основные поступления солнечного тепла. Поступление тепла через стены
обычного здания составляет небольшой процент общего приращения. Поэтому
при выборе средств для снижения перегрева от солнца важно оборудовать
солнцезащитой главным образом окна и кровли.
Прирост или потери тепла в здании происходят в результате совокупного
действия теплопроводности, конвекции и радиации. Причиной перехода
потока тепла в здание или, наоборот, из помещения наружу в любом из этих
процессов является разница температур двух сред.
Некоторые понятия и определения.
Стационарная теплопередача.
Если температура в каждой точке объекта постоянна во времени, то такое
его состояние называется стационарным. Для зданий такое состояние
возникнет только в том случае, если температура как снаружи, так и
внутри здания будет постоянной. На практике такого чистого стационарного
состояния не бывает. Приближение к стационарной теплопередаче в зданиях
может быть достигнуто в том случае, когда температура внутри здания
поддерживается постоянной при помощи кондиционирования воздуха.
Теплоемкость и удельная теплоемкость.
Удельная теплоемкость материала – такое количество тепла, которое
необходимо для того, чтобы поднять температуру единицы массы материала
на 1( С. Единицей удельной теплоемкости является Дж/(кг*(С). Чем больше
величина удельной теплоемкости материала, тем больше тепла требуется для
подъема температуры единицы массы. Из всех веществ вода обладает самой
высокой удельной теплоемкостью (4185 Дж/(кг*(С)). Ниже приведены
значения удельной теплоемкости некоторых строительных материалов.
Теплоемкость материала выражается произведением его массы на удельную
теплоемкость ( Дж/(кг*(С)(.
Материал Удельная теплоем-кость, кДж/(кг(С) Материал Удельная
теплоем-кость, кДж/(кг(С)
Алюминий 0,912 Пробка 2,03
Медь 0,389 Стекло 0,84
Железо 0,46 Мрамор 0,88
Латунь 0,377 Песок 0,816
Асбест 0,84 Воздух 1,0
Кирпич 0,92 Вода 4,185
Бетон 1,13 Дерево 0,81
Теплопроводность и теплопроводимость.
Теплопроводность материала определяется скоростью прохождения тепла
(посредством проводимости) через единицу площади плиты материала с
определенной толщиной и разницей температур между лицевыми
поверхностями, равной единице. Скорость теплопередачи между лицевыми
поверхностями однородной сплошной плиты при стационарных условиях
выражена уравнением
qc=(kA(T1-T2(((d, (2.1)
где qc – скорость теплопередачи посредством проводимости в направлении
понижения температуры, Вт; А – площадь плиты, м2; Т1, Т2 – температура
обеих лицевых поверхностей, К; d – толщина плиты, м; k –
теплопроводность.
Согласно уравнению (2.1), удельная теплопроводность измеряется в
ВТ/(м*?С). Вещество с большой удельной теплопроводностью является
хорошим проводником; вещество с малой удельной теплопроводностью
является плохим проводником или хорошим теплоизолятором.
Теплопроводность является свойством материала. Материалы, обладающие
высокой плотностью, как правило, являются хорошими проводниками;
теплоизоляторы обычно являются легкими материалами. Причина этого
заключается в том, что большинство легких материалов пористы, пустоты их
заполнены воздухом и, так как воздух обладает низким коэффициентом
теплопроводности, материал с низкой плотностью имеет низкий коэффициент
k. Однако из этой закономерности есть несколько исключений. Из таблицы 2
следует, что некоторые материалы с низкой плотностью обладают высоким
коэффициентом k. Например, алюминий, который намного легче стали,
обладает коэффициентом k, втрое превышающим коэффициент k стали.
Таблица 2. Теплопроводность и термическое сопротивление некоторых
традиционных строительных материалов.
Материал Теплопроводность, Вт/(м*?С) Термическое сопротивление,
(м2*?С)/Вт Плотность, кг/м3
1 2 3 4
Воздух 0,026 5,56 1,2
Алюминий 150 0,0067 2,7
Асбестовый лист 0,36 2,78 3,06
Латунь 150 0,0067 8,35
Кирпич:
- обычный 1,4 0,71 1800
- повышенной прочности 0,79 1,25 2200
1 2 3 4
Бетон:
1 : 2 : 4 1,4 0,71 2240
легкий 0,4 2,5 1000
Медь 300 0,0033 8650
Пробка 0,043 23,1 100
Стекловолокно 0,036 27,7
Стекло 1,05 0,97 2640
Минеральная вата 0,056 23,1 70
Штукатурка 0,48 2,1 1180
Песок (сухой) 0,3 3,3 1500
Сланец 2 0,5 2640
Сталь 46 0,022 7900
Камень:
мрамор 2,5 0,4 2650
гранит 2,9 0,34 2130
Дерево:
бальса 0,048 20,8 100
ель 0,11 9,1 640
фанера 0,14 7,2 520
тик 0,14 7,2 750
Вода 0,6 1,7 1000
Если воздух в порах материала заменить водой, коэффициент k повысится.
Это объясняется более высокой проводимостью воды; коэффициент k воздуха
равен 0,026, коэффициент k воды – 0,6 Вт/(м*?С). Таким образом,
повышение количества влаги в материале увеличивает его теплопроводность.
Уравнение (2.1) можно записать также следующим образом:
qc=CA(T1-T2). (2.2)
где С – проводимость плиты, k/d.
Таким образом, проводимость плиты определяется как скорость передачи
тепла через единицу площади плиты, когда разница температур ее лицевых
поверхностей равна 1? С. В то время как теплопроводность является
свойством самого материала, теплопроводимость зависит от его
теплопроводности и толщины плиты. Чем больше толщина плиты, тем меньше
ее теплопроводимость. Единица теплопроводимости – ВТ/(м2*?С).
Термическое сопротивление и удельное термическое сопротивление.
Величина, обратная теплопроводности (1/k), называется термическим
сопротивлением ?, м2*?С/Вт. Величины термического сопротивления
традиционных строительных материалов приведенвы в таблице 2.
Удельное термическое сопротивление определяется как величина, обратная
теплопроводимости: R=1/C=d/k=d?, то есть R плиты равно произведению ее
толщины на термическое сопротивление материала.
Теплопроводимость и термическое сопротивление поверхности.
При изучении теплопередачи в зданиях обычно рассматривают передачу тепла
из наружного пространства через стену в помещение и наоборот. Помимо
сопротивления, оказываемого массой стены, ее поверхности также оказывают
сопротивление теплопередаче. Это сопротивление создается тонкой
воздушной пленкой, разделяющей стену и окружающий воздух. Сопротивление,
оказываемое этой воздушной пленкой, называется пленочным или термическим
сопротивлением поверхности. Для стены существует внутреннее и внешнее
термическое сопротивление ввиду наличия воздушных прослоек как с
наружной, так и с внутренней стороны стены.
Величина, обратная термическому сопротивлению поверхности, называется
теплопроводимостью. Теплопроводимость зависит от температуры и скорости
перемещения воздуха, шероховатости поверхности и температуры окружающих
тел. Ниже приведены значения теплопроводимости некоторых типичных
поверхностей.
Поверхность Теплопрово-димость, ВТ/(м2*?С)
1 2
Внутренние поверхности (fв)
Стены 8,4
Перекрытие, тепловой поток вверх 9,4
Перекрытие, тепловой поток вниз 6,8
Наружные поверхности (fн) (Северное полушарие)
Стены, обращенные на юг:
защищенные 8,0
обычные 10,0
подвергающиеся интенсивным атмосферным воздействиям 13,2
Стены, обращенные на север
защищенные 13,6
обычные 19,9
подвергающиеся интенсивным атмосферным воздействиям 32,0
1 2
Стены, обращенные на запад, юго-запад, юго-восток:
защищенные 10,0
обычные 13,6
подвергающиеся интенсивным атмосферным воздействиям 19,9
Излучательная способность.
При передаче тепла посредством излучения от одного предмета к другому
промежуточная среда не нагревается. Интенсивность тепла, излучаемого
поверхностью, определяется при помощи хорошо известного закона
Стефана-Больцмана:
qr=?eAT4, (2.3)
где qr- тепло, излучаемое объектом за единицу времени, Вт; А – площадь
объекта, м2; Т – абсолютная температура объекта, К(Т, К=t?C+273); ? –
постоянная Стефана-Больцмана, равная 5,735*10-8 Вт/(м2*К4); е –
излучательная способность поверхности (безразмерная величина).
Излучательная способность поверхности определяется как отношение
энергии, излучаемой поверхностью, к энергии, излучаемой черным телом при
той же температуре, что и температура поверхности. Величина ее е, так же
как и поглощения а абсолютно черного тела равно единице. Таким
образом, черное тело является как совершенным поглотителем, так и
совершенным тепловым излучателем.
Простого схематического эксперимента достаточно, чтобы доказать
истинность вышеизложенного утверждения. Два объекта, один из которых
является черным телом, помещают в ящик, температура внутренних стенок
которого равна Т. Предположим, что ящик и два объекта находятся в
стационарном тепловом режиме. Таким образом, температура обоих объектов
также будет Т. Черное тело должно поглощать все попадающие на него
излучение, так как его поглощающая способность равна единице, а для
того, чтобы температура оставалась постоянно равной Т, оно должно
излучать все падающее на него излучение.
Другой объект поглощает меньшее количество излучения и, следовательно,
для поддержания стационарного режима, излучает меньшее количество
энергии. В общем, а=е для излучения с одинаковой длиной волны (как
правило, при разных длинах волн они не равны).
Длина волны излучаемой радиации зависит от температуры объекта. Чем выше
температура объекта, тем больше будет количество энергии, излучаемой в
коротковолновой области. Как рассматривалось выше, солнце можно
рассматривать как черное тело, излучающее при очень высокой температуре
(почти 6000?С). Поэтому большая часть радиации, излучаемой солнцем,
находится в области коротких волн (ниже 5 мкм). Солнечная радиация,
полгощаемая объектами на земле, также повышает их температуру обычно не
выше чем до 60?С, и, следовательно, тепло, излучаемое этими объектами,
бывает в виде длинноволнового излучения. Поэтому способность объектов
поглощать солнечное коротковолновое излучение иная, чем их
длинноволновая излучательная способность при низких температурах.
В таблице 3 приведены величины излучательной способности поверхностей
традиционных строительных материалов. Например, способность поглощать
солнечное излучение как полированной латунью, так и белой краской
одинакова (0,3), но при низких температурах излучательная способность
первой равна 0,05, а второй – 0,9. Если обе поверхности подвергнуть
воздействию солнечной радиации, количество энергии, поглощаемой ими,
будет одинаковым. Но белая поверхность будет излучать 90% поглощенной
энергии, в то время как полированная латунь будет излучать 5%. Поэтому
латунная поверхность нагревается больше, нежели белая окрашенная
поверхность.
Таблица 3. Поглощающая, отражающая и излучающая способности
поверхностей.
Поверхность Излучательная способность Отражатель-ная способность
При низкой температуре При солнечном излучении
Алюминий 0,05 0,2 0,8
Асбестоцемент 0,95 0,6 0,4
Латунь (полированная) 0,9 0,6 0,4
Кирпич 0,05 0,3 0,7
Бетон 0,9 0,65 0,35
Стекло 0,9
Мрамор (белый) 0,95 0,45 0,55
Краска:
Алюмииевая 0,55 0,5 0,5
белая 0,9 0,3 0,7
зеленая 0,9 0,7 0,3
черная 0,9 0,9 0,1
Примечание. Поглощающая способность равна излучательной при условии, что
она измеряется при температуре источника излучения.
Термическое сопротивление воздушных прослоек.
Так как теплопроводность спокойного воздуха намного ниже
теплопроводности большинства строительных материалов, считается, что
полости в стенах или кровлях обладают высоким тепловым сопротивлением.
Однако доказано, что большая часть теплопередачи происходит путем
излучения между противоположными лицевыми поверхностями полости и только
небольшое количество тепла передается через воздух. Если глубина полости
превышает 20 мм, она обеспечивает очень небольшое добавочное
сопротивление теплопроводимости (таблица 4).
Таблица 4. Теплопроводимость невентилируемых воздушных прослоек
(полостей).
Полость Теплопроводимость, ВТ/(м2*?С)
При необлицованных поверхностях полости При облицовке с одной стороны
блестящей алюминиевой фольгой
Вертикальная шириной, мм
5 10 5
10 7 3,5
20 5,8 2,9
25 5,6 2,8
50 5,5 2,7
100 5,5 2,7
Горизонтальная необлицованная шириной 20 мм:
Тепловой поток вверх 6,5 -
Тепловой поток вниз 5,3 -
Горизонтальная необлицованная шириной 20 мм:
Тепловой поток вверх 6,1 -
Тепловой поток вниз 5,3 -
Однако если полость облицована в качестве отражающей изоляции блестящей
металлической фольгой (например, алюминиевой), ее теплопроводимость
снижается. Дело в том, что поглощающая способность блестящей
металлической фольги при низкотемпературной (длинноволновой) радиации
очень низка (приблизительно 0,05), в то время как поглощающая
способность белой краски высока (приблизительно 0,9). Таким образом,
если одну из поверхностей полости вместо облицовки блестящей
металлической фольгой окрасить в белый цвет, это незначительно повлияет
на сопротивление теплопроводимости полости. Вообще, полированная
металлическая поверхность представляет собой идеальный материал для
теплоизоляции при длинных волнах, в то время как белая окрашенная
поверхность предпочтительна в условиях солнечного излучения.
Общее термическое сопротивление (сопротивление теплопередаче). Тело (в
частности, плита ограждения или прекрытия здания) состоит обычно из
нескольких слоев различных материалов. Общее сопротивление
теплопроводности тела можно получить путем сложения величин
сопротивления теплопроводности отдельных слоев. Так,
RT=R1+ R2+ R3+…, (2.4.)
где RT- общее сопротивление тела; R1, R2, - сопротивления отдельных
слоев.
Коэфиициент теплопередачи тела U определяют как величину, обратную его
общему термическому сопротивлению. Единицы измерения коэффициента
теплопередачи те же, что и у теплопроводимости (ВТ/(м2*?С)(. На практике
мы, как правило, имеем дело с воздухообменом через стену или кровлю
здания. В этих случаях мы должны принимать во внимание сопротивление
внутренней и наружной воздушных пленок помимо сопротивления других
слоев, из которых состоят кровля или стена. Вычисление коэффициента U
неоштукатуренной полой кирпичной стены (толщиной 250 мм) дано ниже.
Величины коэффициента U некоторых традиционных строительных конструкций
приведены в таблице 5.
Таблица 5. Величины коэффициента теплопередачи некоторых традиционных
строительных конструкций.
Материал Толщина, мм Коэффициент U, ВТ/(м2*?С)
1 2 3
Кирпичная кладка:
- неоштукатуренная 114 3,2
229 2,6
343 1,9
- оштукатуренная 114 2,9
229 2,4
343 1,8
Пустотелая стена:
- невентлируемая 280 2,0
- вентилируемая 280 2,2
Бетон 100 3,4
1 2 3
Бетон 150 3,0
250 2,5
Стекло:
- окно с одинарным остеклением - 4,5
- окно с двойным остеклением - 2,5
Камень 300 2,5
450 2,0
600 1,8
Листовой
- асбест 6 4,1
- волнистый асбестоцемент - 5,0
Гофрированное железо - 5,2
Дерево (доска) 25 2,5
Пример 7. Вычислим коэффициент U кирпичной пустотелой стены толщиной
250 мм с двумя кирпичными стенками, каждая толщиной 100 мм, и с полостью
шириной 50 мм.
Согласно таблице 2, теплопроводность кирпичной стены 1,4 Вт/(м*(С).
Поэтому теплопроводимость кирпичной стенки толщиной 100 мм 14 Вт/(м*(С).
Согласно таблице 4, теплопроводимость полости шириной 50 мм 5,5
Вт/(м2*(С). Внутренняя поверхностная теплопроводимость fв=8,4
Вт/(м2*(С); наружная поверхностная теплопроводимость fн=19,9 Вт/(м2*(С).
Поэтому RT=1/8,4+1/14+1/5,5+1/14+1/19,9=0,49 м2*(С/Вт. Следовательно,
коэффициент U кирпичной пустотелой стены толщиной 250 мм равен
1/0,49=2,04 Вт/(м2*(С).
Солнечное тепло, прошедшее через остекление.
В целях вычисления мгновенный прирост тепла, передаваемого через стекло,
можно разделитьь на две основные компоненты: qc – тепло, передаваемое
через стекло в результате разницы температур между наружным и внутренним
воздухом; qt – тепло, передаваемое через стекло в результате прямой и
рассеянной солнечной радиации.
qc=UA(Tн – Tв), (2.5)
где U – коэффициент теплопропускания стекла; А – общая площадь
поверхности стекла; Tн – температура наружного воздуха; Tв- температура
внутреннего воздуха.
qt=IDAs(1 + IdA(2, (2.6)
где ID – интенсивность прямого солнечного излучения, перпендикулярного
поверхности стекла; Id – интенсивность рассеянного солнечного излучения
на поверхности стекла; As – площадь стекла, на которую падает прямой
солнечный свет; А – общая площадь стекла; (1 – коэффициент пропускания
прямой солнечной радиации (зависит от угла падения солнечного луча); (2
– коэффициент пропускания рассеянной солнечнойй радиации (величину (2
обычно принимают равной величине (1 = для 58?, согласно рис.10, (2 =
0,7).
Рисунок 10. Коэффициент пропускания прямой солнечной радиации одинарного
(обычного) листового стекла.
В уравнении (2.6) солнечная радиация, которая сначала поглощается
стеклом, а затем передается во внутреннее пространство от внутренней
поверхности стекла, не учитывалась, так как обычно она составляет
незначительную часть общего количества солнечной радиации, передаваемой
через одинарное стекло. К тому же стекло практически непроницаемо для
длинноволнового излучения от предметов при низких температурах. Таким
образом, если поверхность стекла затенена солнцезащитными устройствами,
которые нагреваются в результате падения на них солнечного излучения,
обмен лучистым теплом между поверхностями солнцезащитных устройств и
внутренним пространством через стекло пренебрежимо мал.
Солнечное тепло, прошедшее через непрозрачные элементы (стационарный
режим).
Приращение тепла через непрозрачные освещенные солнцем элементы нельзя
определять простым умножением разницы температур воздушного пространства
внутри и снаружи на разницу коэффициентов пропускания элемента, так как
при этом не учитывается количество солнечной радиации, поглощенной
элементом. Для учета поглощенной солнечной радиации вводится понятие
солнцевоздушной температуры (в отечественной литературе эта величина
называется эквивалентной температурой). Подразумевается, что падающая
солнечная радиация отсутствует, а теплопередача через элемент происходит
за счет более высокой, чем в действительности, температуры наружного
воздуха так, что общая теплопередача через элемент такая же, как и при
совместном действии падающей солнечной радиации и действительной
наружной температуры.
Рис. 11 Определение солнцевоздушной температуры.
Исходя из рис.11 это можно записать следующим образом:
Iа – fн (Ts – Tн) = fн (Tsa – Ts) (2.7)
или
Tsa = Tн + Iа/fн, (2.8)
где Tн – температура наружного воздуха; Ts – температура наружной
поверхности; Tsa – солнцевоздушная температура; I – интенсивность
солнечной радиации (прямой и рассеянной) перпендикулярно поверхности; а
– поглощательная способность поверхности; fн – теплопроводимость
наружной поверхности.
Приращение солнечного тепла через элемент при стационарном режиме можно
вычислить при помощи следующего уравнения:
qt = UA(Tsa – Tв), (2.9)
где U – коэффициент теплопропускания элемента; А – площадь элемента; Tв
– температура воздуха в помещении.
Пример 8. Вычислим приращение солнечного тепла при стационарном режиме
через стену площадью 10 3 м2 при следующих условиях: площадь
окна,освещенная солнцем, равна 2 м2; интенсивность прямой солнечной
радиации, перпендикулярной солнечному лучу, 600 Вт/м2; угол падения
солнечного луча 60?; интенсивность рассеянной солнечной радиации 100
Вт/м2; Tн = 30?С; Tв = 20?С; fн = 10 Вт/(м2*(С); а= 0,25; U стены = 2
Вт/(м2*(С); Uокна = 4,5 Вт/(м2*(С); общая площадь окна 10 м2.
Из рис.10 (1=0,7; (2=0,7; интенсивность прямой солнечной радиации,
перпендикулярной стене, 600 cos 60?= 300 Вт/м2. Согласно уравнениям
(2.5) и (2.6), qc + qt=4,5*10(30-20)+300*2*0,7+100*10*0,7=1570 Вт.
Согласно уравнению (2.8), Tsa=30+[(300+100)0.25]/10=40(C. Согласно
уравнению (2.9), qt=2(10*3-10)(40-20)=800 Вт. Таким образом, приращение
солнечного тепла через стену, включая остекленное окно, равно:
1570+800=2370 Вт.
Чтобы поддержать условия стационарного режима, количество тепла,
указанное выше, необходимо удалять циркуляцией холодного воздуха.
Сонечное тепло, прошедшее через непрозрачные элементы (нестационарный
режим).
Метод вычисления приращения солнечного тепла применим только при условии
стационарного режима, когда температура как внутри, так и снаружи
постоянна во времени, Так как на практике такие условия редко достижимы,
вышеприведенное вычисление представляет больше теоретический интерес.
Однако оно помогает понять более сложные вопросы приращения тепла при
нестационарном режиме.
Нестационарный режим, встречающийся на практике, представляет собой одно
из суточных изменений температуры наружного воздуха и солнечного
излучения. Это изменение носит периодический характер в течение 24
часов. Низкая температура воздуха в ранние утренние часы повышается до
максимума приблизительно к полудню, затем она снова начинает падать.
Этот цикл повторяется ежедневно. При таких условиях коэффициент U
является недостаточным показателем его теплового режима. Теплоемкость
элемента (произведение массы и удельного тепла) также играет важную
роль. Например, существует большая разница между тепловым режимом
плотной тяжелой стены с большой теплоемкостью и легкой стеной с малой
теплоемкостью, хотя коэффициенты U обеих стен могут быть одинаковы. В
первом случае требуется большое количество тепла из наружного воздуха и
солнечной радиации для повышения температуры элемента, чтобы началась
передача тепла внутрь. В результате происходит запаздывание времени
максимального приращения солнечного тепла наружной поверхности по
сравнению со временем максимальной теплопередачи внутренней поверхностью
в помещение. Запаздывание во времени (Ф) определяется как разница во
времени между временем максимальной температуры наружной и внутренней
поверхностей.
Суточные изменения температуры внутренней поверхности намного меньше,
чем изменения температуры наружной поверхности. Снижение амплитуды
внутренней температуры по сравнению с амплитудой наружной температуры
называется коэффициентом затухания (, представляющим соотношение
максимальных температур наружной и внутренней поверхностей элемента.
Значения Ф и ( характеризуют периодическую теплопередачу через элемент.
Запаздывание во времени теплопередачи прямо пропорционально теплоемкости
элемента и обратно пропорционально его теплопроводности. Тяжелые и
толстые кирпичные стены имеют большое запаздывание во времени
теплопередачи, легкие и тонкие стены – малое.
Удельная теплоемкость большинства строительных материалов составляет
примерно 1 кДЖ/(кг*(С), теплоемкость зависит во многом от их плотности и
толщины. На рис.12 представлены три кривые, характеризующие строительные
материалы с различной степенью плотности. Наряду с толщиной стены этот
рисунок позволяет легко определить запаздывание во времени теплопередачи
в часах.
Рис.12. График зависимости времени запаздывания от толщины элемента и
его плотности.
1 – плотность до 1200 кг/м3; 2 – плотность от 1200 до 2000 кг/м3; 3 -
плотность от 2000 до 2500 кг/м3.
Коэффициентзатухания может быть определен по рис.13.
Рис. 13. Коэффициент затухания и толщина элемента.
Вычисления мгновенного прироста солнечного тепла через элемент при
периодических изменениях, происходящих как изнутри, так и снаружи,
довольно сложны, и для решения этой проблемы пока не предложено
надежного метода. Имеется несколько методов для определения мгновенного
прироста солнечного тепла в том случае, когда мы считаем, что с одной
стороны существуют периодические изменения температуры, а с другой
стороны, температура постоянна. На практике это возможно, когда наружная
поверхность стены помещения подвергается воздействию изменений, а
температура внутренней поверхности поддерживается постоянной при помощи
кондиционирования воздуха.
Допустим, что постоянная температура внутри помещения равна Тв, а
переменная солнцевоздушная температура, воздействующая на элемент,
обозначена как Tsa(t). Предположим, далее, что средняя величина
солнцевоздушной температуры за 24 часа равна Ts,.m.. Величину Tsa(t). В
любой момент можно теперь рассматривать как мгновенное отклонение от
средней величины Tsa,m.. Иными словами,
Tsa(t).= Tsa,m. + ?(T) (2.10)
где ?(T) – отклонение солнцевоздушной температуры от средней величины,
которое может быть положительным или отрицательным.
Мгновенный прирост солнечного тепла через элемент можно теперь вычислить
как сумму компонент: средней солнцевоздушной температуры tsa,m и
мгновенного прироста ?(T).
Предположим, что элемент подвергается постоянному воздействию
солнцевоздушной температуры, равной Tsa,m. Так как при этом
предположении Tsa,m и температура внутреннего воздуха Тв постоянны во
времени, то режим теплопередачи также будет постоянным. Общее приращение
солнечного тепла через элемент можно выразить как
q1=UA(Tsa,m.. - Тв), (2.11)
где q1 – представляет среднюю скорость теплового потока через элемент в
течение одного полного цикла, то есть одного дня.
Теперь рассмотрим эффект ?(T). Чтобы использовать теплоемкость,
учитываем запаздывание во времени Ф и коэффициент затухания ? амплитуды
элемента. Если величину солнцевоздушной температуры за Ф часов до t
обозначить как Tsa(t-?), отклонение от средней скорости теплового
потока q2 можно записать как
q2=Ua?(Tsa(t-?) - Tsa,m ). (2.12)
Чтобы получить мгновенную скорость теплового потока при периодически
изменяющихся условиях, уравнения (2.11) и (2.12) суммируют. Так, если q=
q1+ q2, то q можно выразить как
q=UA[Tsa,m - Тв +?(Tsa(t-?) - Tsa,m )]. (2.13)
Уравнение (2.12) показывает, что q2 может быть положительным или
отрицательным. Иногда (например, ночью) Tsa(t-?) бывает меньше
средней величины Tsa,m.
Если стена имеет очень большую толщину (больше 50 см), то значение ?
будет очень незначительным, следовательно, величиной q2 можно
пренебречь. В подобном случае скорость прохождения теплового потока
через стену постоянна во времени и выражается первым членом уравнения
(2.13). Если стены тонкая, коэффициент затухания будет большим,
следовательно, скорость прохождения теплового потока будет значительно
меняться в течение 24-часового периода.
Пример 9. Используя данные о прямом солнечном излучении примера 4,
определим мгновенное приращение солнечного тепла через плоскую кровлю,
площадь которой 100 м2, в Дели 16 апреля в 15.30, если известно, что
U=1,25; fн = 10 Вт/(м2*(С), поглощательная способность наружной
поверхности равна 0,3. В помещении поддерживается постоянная температура
20?С. Толщина кровли 20 см, плотность равна 1800 кг/м3.
Прежде всего нужно вычислить среднесуточную солнцевоздушную температуру
Tsa,m . Эти данные приведены в таблице 6. Величины IDh взяты из примера
2, а величины Idh вычислены при помощи уравнения (1.15). Наружная
температура Тн для условий Дели на 16 апреля приведена в таблице 6.
По рис. 12 Ф=7 ч.; по рис.13, ?=0,48; t=15.30. Tsa(t-?), т.е. величина
Tsa, за 7 ч до 15.30, а именно в 8.30, равна 42,5?С. Применив уравнение
(2.13), получаем q=1,25*100[(35,4-20)+0,48(42,5-35,4)]=2350 Вт.
Таблица 6.
Время, ч IDh Idh It Ia/fн Тн Tsa
19.30 - - - - 28 28
20.30 - - - - 26 26
21.30 - - - - 25 25
22.30 - - - - 24 24
23.30 - - - - 23 23
24.30 - - - - 22,5 22,5
1.30 - - - - 22 22
2.30 - - - - 21 21
3.30 - - - - 20,5 20,5
4.30 - - - - 20 20
5.30 - - - - 20 20
Всего - - - - - 850,2
Tsa,m =850,2/24=35,4?С.
Пассивная и активная системы солнцезащиты.
В литературе по солнечной энергии имеется упоминание о пассивной и
активной системах. Некоторые авторы термину «пассивная» предпочитают
термин «взаимодействующая», так как он более правильно выражает подход
проектировщиков к проблеме солнцезащиты для повышения ее эффективности.
Пассивной обычно называют систему солнцезащиты здания,
сориентированного для обеспечения необходимого уровня попадания прямой
солнечной радиации и затененного тем или иным средством.
В активной системе солнечная тепловая энергия используется для
нагревания воды, для обогрева пространства или для других целей. Новая
активная система разработана Национальным австралийским университетом. В
ней солнечная тепловая энергия используется для превращения жидкости в
газ. По мере надобности используется тепловая энергия, которая
высвобождается при обратном переходе газа в жидкое состояние.
Подробный обзор пассивно взаимодействующих систем приводится в статье
«Энергия Тоуна Уилера». Ниже дается краткое описание некоторых пассивных
систем.
Система «Бидуолл». Ограждающая конструкция здания системы «Бидуолл»
состоит из двух оконных стекол с полым пространством между ними, которое
заполняют полистирольными гранулами. В солнечные дни гранулы убирают из
полости, чтобы обеспечить доступ сролнечного тепла. В ночное время
заполненная гранулами полость эффективно снижает теплопотери из здания.
Система «Скайлид» представляет собой кровельный фонарь с расположенными
под ним тремя центрально сбалансированными заслонками (жалюзи).
Центральная заслонка оборудована с каждой стороны черной трубкой с
фреоновой жидкостью, расположенной таким образом, что при прохождении
прямой солнечной радиации через кровельный фонарь и попадании на лопасти
фреон расширяется, переходит в другую трубку и выводит из равновеся
лопасти, которые открываются и пропускают прямое солнечное тепло. Когда
прямое солнечное излучение не попадает на лопасти, фреон охлаждается,
лопасти выходят из равновесия и закрываются. Лопасти снабжены изоляцией,
поэтому потери тепла из здания замедляются.
Система «Стена Тромб-Мишель» (рис. 14), разработанная во Франции,
состоит из массивной бетонной стены, окрашенной снаружи в черный цвет, и
остекленного экрана, отстоящего от стены на расстоянии 50 мм, в
результате чего образуется вертикальная полость. Бетонная стена
изолирована с внутренней стороны, остальные элементы ограждающей
конструкции также изолированы. «Стену Тромб-Мишель» ориентируют на
экватор. Вентиляционные отверстия расположены в верхней части панели
остекления и в верхней и нижней частях бетонной стены.
Рис. 14 Стена «Тромб-Мишель»
а - зима; б – лето; 1 –панель остекления; 2 – теплый воздух;
3 – теплоизоляция; 4 – холодный воздух.
Зимой вентиляционные отверстия в панели остекления закрыты, а в стене
открыты. Нагретый в вертикальной полости под воздействием прямого
солнечного излучения воздух поднимается вверх и на уровне потолка входит
в помещение. В результате этого более холодный воздух выходит из комнаты
в полость. Устанавливается цикличный процесс нагревания, при котором
температура в помещении во второй половине дня постепенно повышается до
максимума.
Летом охлаждающая вентиляция осуществляется следующим образом.
Вентиляционные отверстия в стене, обращенной в противоположную от
экватора сторону, в нижней части бетонной стены и в верхней части панели
остекления открыты, а отверстие в верхней части стены закрыто. Воздух в
полости поднимается и через отверстие в панели остекления выходит
наружу, в результате чего воздух из помещения втягивается в полость.
Затем процесс повторяется
«Марсельская стена». В этой системе также используется массивная стена,
поглощающая солнечное тепло. Она также обращена к экватору.
Использованные наружные жалюзи можно открыть, чтобы дать доступ прямому
солнечному излучению, падающему на стену. В ночное время жалюзи
закрывают, чтобы снизить скорость утечки тепла (тепло, поглощенное
стеной, ночью повторно отражается на здание). Летом в течение дня жалюзи
могут закрываться для защиты от притока солнечного тепла. Ночью в летнее
время при открытых жалюзи поглощенное днем тепло через стену
высвобождается наружу. Недостаток этой системы заключается в том, что
жалюзи будут затенять часть стены, если их постоянно не регулировать по
мере изменения положения солнца на небосводе.
В системе «Скайтерм Хаус», спроектированной Гарольдом Хейем (США), для
сбора лучистого солнечного тепла используют мешки для воды,
расположенные на кровле здания. В зимнее время солнцезащитные экраны
снижают скорость утечки тепла. Тепло, заключенное внутри наружного
ограждения, обогревает здание. Летом происходит обратный процесс. Днем
солнцезащитные экраны применяют для защиты здания и мешков от солнечной
радиации. В ночное время солнцезащитные экраны убирают, и тепло,
поглощенное мешками из здания в течение дня, посредством повторного
излучения выходит наружу.
Флигель школы Сент-Джорджа в Уолласи (Англия), построенный в 1961 году,
спроектирован А.Е.Морганом для получения возможно большего количества
солнечного тепла (рис.15). Здание находится в Чешире на 53? с.ш. и в
зимнее время подвергается воздействию сильных ветров и пасмурной погоды.
Здание имеет массивную конструкцию и изоляцию, что максимально сокращает
теплопотери через стены, кровлю и перекрытия. Стена, обращенная к
экватору, представляет собой двойную панель остекления с промежутком
между стеклами 0,6 м. Длина остекленной стены 70 м, высота 8,2 м. Все
остальные стены глухой массивной конструкции; даже кровля сооружена из
бетона. Кровля и стены, за исключением южной, имеют изоляцию из
пенополистирола.
Рис. 15 Флигель школы Сент-Джорджа в Уолласи, Англия (53? с.ш.), схема
1 – панель остекления; 2 – бетон; 3 – кирпич; 4 – теплоизоляция.
«…Почти во всех условиях основным источником тепла является солнечная
радиация. Средним приростом солнечного тепла за один день можно получить
120 Вт/м2 (по сравнению со средним приращением тепла от людей, равным 21
Вт/м2, и средним приращением от зимнего освещения, равным 38 Вт/м2 )»
(«Архитекрурный проект», октябрь 1973г.)
Несмотря на то, что использование такой системы эффективно, к ее
недостаткам относится отсутствие вентиляции (что вызвало жалобы на
духоту), отсутствие обзора из здания, перегрев в летнее время, высокая
влажность, перенасыщенность воздуха запахами и шумом. Слишком многим
было пожертвовано ради солнечного обогрева!
Этот пример демонстрирует недостаток опыта использования солнечной
радиации в искусственно созданной среде; эффективность лишь одной из
функций здания обеспечивается за счет других, не менее важных. Чтобы
решить здание как единую энергетическую систему, при проектировании
необходимо использовать всесторонние прогнозирующие модели.
Дом с естественной вентиляционной системой Альтенкирха. Интересный
пример естественной вентиляции здания показан на рис.16. Принцип этой
системы был предложен Альтенкирхом, а прототип построен в Израиле в 50-е
годы. В отличие от «стены Тромб-Мишель» и флигеля школы Сент-Джорджа
естественно вентилируемый дом Альтенкирха ориентирован относительно оси
«север-юг», а работающие стены обращены на восток и запад.
Рис. 16 Дом с естественной системой вентиляции Альтенкирха
1 – регененрируемое сорбирующее вещество; 2 – испарительный охладитель;
3 – холодный воздух; 4 – регулирующий клапан; 5- сорбирующее
вещество осушает воздух.
Восточные и западные пустотелые стены заполнены сорбирующим материалом,
не препятствующим вертикальному потоку воздуха между наружной и
внутренней оболочками стены. В верхней и нижней частях каждой стены
находится регулирующий клапан, который можно отрегулировать для
пропускания воздуха через помещение как с востока на запад, так и с
запада на восток. В верхней части каждой стены расположены
испарительные охладители.
Утром солнечные лучи нагревают восточную стену и вызывают подъем воздуха
внутри нее. При помощи клапанов поток воздуха направлен через помещениес
запада на восток. Поднимающийся нагретый воздух в восточной стене
вызывает движение воздуха с западной стороны дома через помещение.
Сорбирующий материал, находящийся внутри западной стены, высушивает
поступающий наружный воздух до того, как он проходит через испарительный
охладитель. Охлажденный воздух опускается к полу помещения и затем
вытягивается через нагретую восточную стену, в это время удаляется
влага, поглощенная сорбирующим материалом в восточной стене за
предыдущий день. Во второй половине дня регулирующие клапаны настраивают
для пропускания потока воздуха через помещение с востока на запад.
Литература.
Е. Харкнесс, М. Мехта «Регулирование солнечной радиации в зданиях», М.,
«Стройиздат», 1984г.
А.С.Граундуотер «Солнечная радиация и кондиционирование воздуха», М.,
«Стройиздат», 1975г.
Р.Л.Ноулс «Энергия и форма: экономический подход к развитию городов»,
М., «Стройиздат», 1974г.
«Архитекрурный проект», октябрь 1973г.
 |