CC BY
22УДК 624.04: 697.11
О.В. Сергейчук, д.т.н., проф.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОЛНЕЧНЫЕ КАРТЫ ДЛЯ РАСЧЁТА ЭФФЕКТИВНОСТИ СОЛНЦЕЗАЩИТЫ
Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Украина
email: ovsergeich@mail.ru
Аннотация. Предлагается новый графоаналитический метод определения эффективности проектируемых солнцезащитных устройств, который основан на использовании энергетических солнечных карт.
Отличие этих карт от традиционных солнечных карт состоит в том, что кроме солнечных траекторий на них изображены 100 точек. Каждая точка даёт 1% энергетической освещенности плоскости заданной ориентации от полностью открытого неба. Солнцезащитное устройство затеняет часть точек. Их количество и определяет эффективность солнцезащиты.
Энергетические солнечные карты разработаны для всех архитектурно-строительных климатических районов Украины для восьми ориентаций фасадов зданий. Они построены отдельно для периода отопления и периода охлаждения зданий; отдельно для прямой и рассеянной солнечной радиации с учётом реальной облачности неба.
Рассматривается принцип построения энергетических карт. Приводятся диаграммы для выбора рационального типа солнцезащитного устройства в зависимости от азимута фасада.
Ключевые слова: энергоэффективность, солнечная радиация, отопительный период,
период охлаждения, солнцезащитные устройства.
Постановка проблемы. Определение класса энергоэффективности зданий в зависимости от затрат энергии на отопление, как это регламентируется нормами Украины [1], России [2] да и других стран СНГ не является достоверным. Особенно это ощущается в регионах с жарким климатом, например, в Крыму, где охлаждение зданий летом является массовым явлением.
В Украине принят стандарт ДСТУ Б EN ISO 13790 [3], который определяет методику расчёта энергии на отопление и охлаждение зданий. В настоящее время разрабатывается новая редакция строительных норм по тепловой изоляции зданий, где предусматривается определение энергоэффективности в зависимости от годового потребления энергии на их климатизацию.
Для ограничения летнего перегрева помещений от воздействия солнечной радиации необходимо массово использовать солнцезащитные устройства (СЗУ). Значение СЗУ в настоящее время недооценивается, хотя они способны существенно уменьшить нагрузку на системы охлаждения зданий в период перегрева при сохранении (или незначительном уменьшении) пассивного солнечного отопления зимой. Кроме того, проектировщики не умеют их проектировать. Одной из причин этого является отсутствие простого и наглядного инструментария, позволяющего быстро оценить эффективность проектируемых СЗУ.
Анализ основных исследований и публикаций. Проблеме определения эффективности СЗУ посвящено много исследований.
В работе [4] предложен метод анализа климатической информации района строительства путем нанесения ее на солнечные карты, для чего на траекториях солнца на небесной сфере отмечаются значения соответствующих температур воздуха. По этим точкам строятся изотермы, которые образуют на солнечной карте зоны желаемой и нежелательной инсоляции. Такие карты названы комплексными солнечными картами. Они являются хорошим графическим инструментом для определения геометрических параметров оптимизированных СЗУ, но не позволяют количественно определить их эффективность. В [5] предложен способ построения энергетических солнечных карт, на которых нанесены изолинии солнечной радиации, поступающей на фасад соответствующей ориентации. Определение эффективности СЗУ по этим картам требуют от проектировщиков значительных дополнительных вычислений. Кроме того, они разработаны только для прямой солнечной радиации.
Целью статьи является обоснование построения энергетических солнечных карт для расчёта эффективности солнцезащитных устройств и иллюстрация их использования в проектировании.
Основная часть. Предлагаемые энергетические карты являются дальнейшим совершенствованием комплексных солнечных карт. Они получены нанесением на солнечную карту для плоскости соответствующей ориентации 100 точек, которые распределены по карте в соответствии с вкладом элементарных участков неба в энергетическую освещенность этой плоскости (рис. 1, а).
Энергетические карты построены для прямой и рассеянной солнечной радиации для архитектурно-строительных климатических районов Украины в соответствии с [6]. Для этого в каждом районе были определены репрезентативные города: I район - Киев, II район - Запорожье, Ша район - Ивано-Франковск, III6 - Ужгород, IV и V - Симферополь. Данные по поступлению солнечной радиации при реальной облачности взяты из [6]. Недостающие данные получены при помощи ППП "Atmospheric Radiation" [7]. Карты построены отдельно для периода отопления и периода перегрева для вертикальных плоскостей восьми ориентаций: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ. Отопительный период определяется временем года, когда среднесуточная температура воздуха ниже 8°С. Период перегрева - температурой воздуха выше 21 °С. Для некоторых ориентаций фасадов точки распределяются очень плотно на маленьком участке неба, что затрудняет их подсчёт при проектировании СЗУ. В этом случае, вместо точек на картах построены зоны с указанием вклада каждой зоны неба в энергетическую освещенность фасада (рис. 1, б).
При проектировании СЗУ сначала определяется рациональный класс (регулируемая или стационарная) и тип солнцезащиты в зависимости от ориентации. Для этого разработаны соответствующие диаграммы (рис.2).
Затем, на комплексной солнечной карте строится, в соответствии с [4], теневая маска оптимизированного наружного затенения. Контур теневой маски должен коснуться зоны перегрева (рис. 3, а). Для построения теневых масок СЗУ общего положения разработаны соответствующие теневые угломеры для наклона направляющей ламелей 15, 30, 45 и 60° [8].
Полученная теневая маска накладывается на энергетическую солнечную карту и определяется эффективность СЗУ. В данном случае, СЗУ в период охлаждения блокирует полностью солнечные лучи, а в отопительный период он пропускает 84 % прямой солнечной радиации (рис. 3, б). Следует отметить, что по рис. 3, а теневая маска почти не затеняет зону перегрева, а по рис. 3, б она затеняет 16 точек периода перегрева. Это несоответствие связано с тем, что на комплексной солнечной карте зона отопления определяется изоплетой 8°С, а на энергетической солнечной карте - датой, когда среднесуточная температура превысила 8°С (для Симферополя - 5 апреля [6]).
Рис. 3. Проектирование оптимизированного СЗУ для юго-западного
фасада в г. Симферополе
а - построение теневой маски; 6- определение эффективности для отопительного периода
Аналогично, наложением теневой маски на энергетические солнечные карты для рассеянной радиации, определяется процент её пропускания СЗУ в периоды отопления и охлаждения.
В расчётах общей эффективности СЗУ отражённую радиацию от земли и противоположных зданий можно считать равномерно яркой, а яркость определять как произведение энергетической освещенности отражающей поверхности на её альбедо.
В [9] рассмотрена методика определения понижающих коэффициентов наружного затенения для национального дополнения к [3], которая базируется на применении предложенных энергетических карт.
Выводы. Предложенная методика расчёта эффективности солнцезащитных устройств позволит проектировщикам быстро определять рациональность запроектированной солнцезащиты и, при необходимости, корректировать её геометрические параметры. Это может существенно повысит энергоэффективность зданий.
Литература
1. Тепловая изоляция зданий: ДБН В.2.6-31:2006 - [Дата введения 2007-01-01] (с изменением № 1 от 1.07.2013 г.) / Мшбуд Украши — К. : Укрархбудшформ, 2006. - 65 с. - (Государственные строительные норми Украины).
2. Тепловая защита зданий: СП 50.13330.2012 (актуализированная редакция СНиП 2302-2003). - [Дата введения 2013-07-01] / Минрегион России - М., 2012. - 95 с. -(Государственные строительные нормы России).
3. Расчет энергопотребления на отопление и охлаждение: ДСТУ Б EN ISO 13790: 2011 (EN ISO 13790 : 2008, IDT). - [Дата введения 2013-07-01]. - К.: Мшрегюн Украши, 2013. - 241 с. - (Национальный стандарт Украины).
4. Руководство по расчету инсоляции объектов гражданского назначения: ДСТУ Н Б В.2.2-27:2010. [Дата введения 2011-01-01] / Минрепонбуд Украши. - К.: Укрархбудшформ, 2010. - 81 с. - (Национальный стандарт Украины).
5. Дворецкий А. Т. Геометрическая модель распределения солнечной радиации на вертикальном фасаде / А.Т. Дворецкий, М.В. Чебышев // Енергоефективнють в будiвництвi та архитектура наук.-техн. збiрник. - К.: КНУБА, 2013. - Вып. 5. - С. 24-28.
6. Строительная климатология: ДСТУ-Н Б В.1.1-27: 2010.- [Дата введения 2011-11-01]. / Мшрегюнбуд Украши. - К.: Укрархбудшформ, 2011. - 123 с. - (Национальный стандарт Украины).
7. Bazhenov V. Applied Software «Atmos-pheric Radiation» for an Energy Efficient Building / V. Bazhenov, Р. Lizunov, О. Pidgorny et al // Proceedings of the 14th International Conference on Computing in Civil and Building Engineering (14th ICCCBE). - [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.icccbe.ru/paper_long/0327paper_long.pdf.
8. Буравченко В. С. Проектирование инсоляционного режима энерго-эффективных зданий / В.С. Буравченко, О. В. Сергейчук // Будiвельнi конструкций мiжвiдом. наук.-техн. зб. наук. праць. - Вип. 81. - К.: ДП НД1БК, 2014. - С. 207-211.
9. Сергейчук О. В. Особенности методики расчёта солнечных поступлений в национальном приложении к ДСТУ Б EN ISO 13790 / О. В. Сергейчук, В. С. Буравченко, О. В. Андропова и др. // Енергоефективнють в будiвництвi та арх^ектурк наук.-техн. збiрник. — К.: КНУБА, 2014. - Вип. 6. - С. 267-272.
THE SOLAR ENERGY MAPS FOR CALCULATION OF EFFICIENCY OF SOLAR
SHADING
O. Sergeychuk
In this paper we propose a new graphic-analytical method for determining the effectiveness of the designed shading devices, which is based on the use of solar energy maps. These cards differ from traditional solar cards that other than solar trajectories they have to 100 points. Each point gives 1% irradiance from the fully open sky in the plane defined orientation. Sunshield shadows some of the points. Their number determines the effectiveness of sun protection. Energy solar maps we developed for all climatic regions of Ukraine for eight orientations of facades.
Energy solar maps we developed for the eight orientations of facades of buildings in all architectural-climatic regions of Ukraine. They are constructed separately for the heating period and the period of cooling of buildings; separately for direct and diffuse solar radiation, taking into account the real cloud sky.
We consider the principle of the energy maps. We give the chart to select the rational type sunshield depending on the azimuth of the facade.
Keywords: energy efficiency, solar radiation, the heating period, the period of cooling, shading devices.
