Научная статья на тему 'Основные соотношения для расчета облучения солнечной радиацией стен отдельно стоящих зданий'

Основные соотношения для расчета облучения солнечной радиацией стен отдельно стоящих зданий Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
606
97
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ / SOLAR RADIATION / СТЕНЫ ЗДАНИЙ / WALLS OF BUILDINGS / НАКЛОННЫЕ ПОВЕРХНОСТИ / INCLINED SURFACES / ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЯ / HEAT INPUTS

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Коркина Е.В., Горбаренко Е.В., Гагарин В.Г., Шмаров И.А.

Рассмотрены теоретические соотношения для расчета прямой, расссеянной и отраженной радиации. Рассмотрены необходимые для таких расчетов актинометрические измерения. Предложена формула расчета суммарной радиации, поступающей на наклонные поверхности, и формула расчета суммарной радиации с учетом безоблачных дней. При сравнении с расчетом при средних условиях облачности показано, что предложенный расчет дает большие значения суммарной радиации. Предложенный расчет представляется более точным, так как учитывает изменения погодных условий за большой период осреднения.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Коркина Е.В., Горбаренко Е.В., Гагарин В.Г., Шмаров И.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Основные соотношения для расчета облучения солнечной радиацией стен отдельно стоящих зданий»

Научно-технический и производственный журнал

-------жилищн

СТРОИТЕ!

УДК 551.521.31

Е.В. КОРКИНА1, канд. техн. наук (Elena.v.korkina@gmail.com); Е.В. ГОРБАРЕНКО2, канд. геогр. наук; В.Г. ГАГАРИН1, д-р техн. наук, член-кор. РААСН,

И.А. ШМАРОВ1, канд. техн. наук

1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, г. Москва, Локомотивный проезд, 21) 2 МГУ им. М.В. Ломоносова (119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, 1)

Основные соотношения для расчета облучения солнечной радиацией стен отдельно стоящих зданий

Рассмотрены теоретические соотношения для расчета прямой, расссеянной и отраженной радиации. Рассмотрены необходимые для таких расчетов актинометрические измерения. Предложена формула расчета суммарной радиации, поступающей на наклонные поверхности, и формула расчета суммарной радиации с учетом безоблачных дней. При сравнении с расчетом при средних условиях облачности показано, что предложенный расчет дает большие значения суммарной радиации. Предложенный расчет представляется более точным, так как учитывает изменения погодных условий за большой период осреднения.

Ключевые слова: солнечная радиация, стены зданий, наклонные поверхности, теплопоступления.

Для цитирования: Коркина Е.В., Горбаренко Е.В., Гагарин В.Г., Шмаров И.А. Основные соотношения для расчета облучения солнечной радиацией стен отдельно стоящих зданий // Жилищное строительство. 2017. № 6. С. 27-33.

E.V. KORKINA1, Candidate of Sciences (Engineering) (Elena.v.korkina@gmail.com); E.V. GORBARENKO2, Candidate of Sciences (Geography); V.G. GAGARIN1, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAACS, I.A. SHMAROV1, Candidate of Sciences (Engineering) 1 Scientific-Research Institute of Building Physics of the Russian Academy architecture and construction sciences (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation) 2 Lomonosov Moscow State University (1, Leninskie Gory, Moscow, 119991, Russian Federation)

Basic Relationships for Calculation of Solar Radiation Expousure of Walls of Separate Buildings

Theoretical ratios for calculating direct, scattered and reflected radiations are considered. The actinometric measurements necessary for such calculations are also considered. A formula for calculating the total radiation arriving at inclined surfaces and a formula for calculating the total radiation with due regard for cloudless days are proposed. When comparing with the calculation under average cloud conditions, it is shown that the proposed calculation gives large values of the total radiation. The proposed calculation seems more accurate, because it takes into account changes in weather conditions for a long averaging period.

Keywords: solar radiation, walls of buildings, inclined surfaces, heat inputs.

For citation: Korkina E.V., Gorbarenko E.V., Gagarin V.G., Shmarov I.A. Basic relationships for calculation of solar radiation expousure of walls of separate buildings. Zhilishchnoe Stroitel'stvo [Housing Construction]. 2017. No. 6, pp. 27-33. (In Russian).

Одним из факторов, влияющих на энергосбережение, являются теплопоступления от солнечной радиации. В строительные нормативные документы включена методика определения теплопоступлений от солнечной радиации, например по СП 23-101-2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». В настоящее время существует ряд предпосылок для уточнения и расширения данной методики. В связи с этим необходимо рассмотрение теоретических основ, заложенных в методику и представленных в работах [1, 2]. В данной статье приведены основные соотношения для расчета солнечной радиации, поступающей на наклонные и вертикальные поверхности зданий, а также предложено расширение методики с учетом теплопоступений от солнечной радиации в ясные дни. На примере работы актинометрического отдела Метеорологической обсерватории МГУ (МО МГУ) рассмотрены основные положения по организации и проведению наземных актинометрических наблюдений Росгидромета, необходимых для применения методики. Данная работа служит основой для дальнейших исследований влияния плотности городской застройки на перераспределение поступающей солнечной радиации на поверхности разной ориентации и наклона.

6'2017 ^^^^^^^^^^^^^

1. Актинометрические наблюдения.

Общие положения

Расчетные методы определения радиационного режима различно ориентированных наклонных поверхностей основаны на результатах наблюдений, выполняемых по стандартной программе актинометрических станций. В СССР насчитывалось свыше 400 актинометрических станций (из них 274 на территории России). В настоящее время актинометрическая сеть Росгидромета уменьшилась и насчитывает 190 пунктов наблюдений, работающих по трем различным программам наблюдений: непрерывные круглосуточные измерения пяти видов радиации, срочные наблюдения, измерения суточных сумм суммарной радиации [3]. Выполнение наблюдений ведется строго по наставлению [4]. Данные сетевых наблюдений обобщаются в ак-тинометрических ежемесячниках, справочниках. В Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова создан ре-жимно-справочный банк данных «Актинометрия».

В актинометрии под термином «радиация» понимают энергетическую освещенность (облученность или поверхностную плотность потока излучения), создаваемую элек-

- 27

Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

тромагнитным излучением, приходящим от Солнца, атмосферы и земной поверхности. В зависимости от источника излучения и, следовательно, спектрального состава различают солнечную, земную и атмосферную радиацию.

Солнечная радиация сосредоточена в интервале длин волн 0,3-4 мкм. В актинометрии ее называют коротковолновой радиацией. Вне этих пределов остается менее 1% полного излучения Солнца. Земная и атмосферная радиация заключается в пределах длин волн 4-100 мкм, и ее называют длинноволновой радиацией.

Основные актинометрические наблюдения в России включают в себя измерения прямой, рассеянной, отраженной коротковолновой радиации (Х<4000 нм), радиационного баланса подстилающей поверхности. Однородность рядов актинометрических данных обеспечивается использованием однотипных приборов и их тщательной градуировкой, а также одинаковой методикой измерений и обработки данных. В качестве приемников интегральной солнечной радиации используются термоэлектрические приборы Ю.Д. Янишевского, принятые на сети актинометрических станций России. Прямая радиация, поступающая на перпендикулярную к лучу падения поверхность (S), измеряется актинометром М-3, рассеянная радиация (D) - пиранометром М-80 с теневым экраном.

Актинометр и пиранометр градуируются один раз в месяц по контрольному актинометру, который, в свою очередь, каждые 1-2 года градуируется по Российскому эталону (пиргелиометру Главной геофизической обсерватории), регулярно сравниваемому с Европейским радиационным эталоном в Давосе. Такая система градуировки позволяет избежать систематических ошибок в актинометрических данных. Радиационные данные приведены к шкале МРЭ (Мировой радиометрический эталон), рекомендованный ВМО в 1981 г.

Прямой солнечной радиацией называется радиация, поступающая к земной поверхности непосредственно от диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5о в виде пучка параллельных лучей. На актинометрических станциях измеряют приход прямой радиации S, поступающей на перпендикулярную к солнечным лучам поверхность. Прямая радиация £гор, приходящая на горизонтальную поверхность, вычисляется по формуле:

5,rop=5sin/íe, (1)

где /гф - высота Солнца в момент наблюдения или угловое расстояние Солнца от горизонта, град. Для произвольного момента времени йф вычисляется по формуле [1]:

sinAe = sinp sin <5 +cosacos 5 cos £2, (2)

где <p - широта места; <5 - склонение Солнца; Í2 - часовой угол Солнца в данный момент времени, отсчитываемый от момента истинного полдня (£2 считается положительным при отсчете в направлении часовой стрелки).

Часть прямой солнечной радиации рассеивается по всем направлениям молекулами воздуха и аэрозолями, каплями и кристаллами, образующими облака, и поступает к земной поверхности от всех точек небесного свода, за исключением диска Солнца и околосолнечной зоны радиусом 5о, в виде рассеянной радиации D. Рассеивание в атмосфере солнечной радиации способствует освещению тех мест, куда не попадают прямые солнечные лучи.

Общий приход к горизонтальной поверхности прямой и рассеянной радиации называется суммарной солнечной радиацией I:

2в| -

I = S00 + D. (3)

Суммарная солнечная радиация, поступающая на земную поверхность, частично ею отражается обратно в атмосферу, образуя поток отраженной радиации R. Отражательные свойства той или иной поверхности характеризуются величиной альбедо Ak, показывающей, какая часть падающей радиации отражается от поверхности:

Ak = R/I. (4)

Величина альбедо выражается в долях единицы или в процентах.

В международной системе СИ в качестве единицы измерения мгновенных значений радиации используют кВт/м2.

Сеть актинометрических станций СССР перешла на единицы измерения солнечной радиации, входящие в систему СИ, с 1 января 1980 г., а к шкале Мирового радиометрического эталона (МРЭ) - с 1 июля 1982 г.

До 1980 г. за единицу измерения радиации принималась энергия в 1 кал, получаемая (или теряемая) 1 см2 поверхности в 1 мин (кал/см2мин):

1 кал/см2мин = 0,698 кВт/м2.

Тепловое воздействие потоков радиации на деятельную поверхность и живые организмы характеризуется количеством облучения, представляющим собой произведение облученности (отношения потока излучения, падающего на малый участок поверхности, к площади этого участка) на время ее действия. В актинометрии как синоним количества облучения применяется термин «количество» или «сумма радиации». Сумма радиации за определенный промежуток времени выражается в МДж/м2 (до 1980 г. - в кал/см2):

1 кал/см2 = 0,0419 МДж/м2;

МДж/м2 = 3,6 кВт ч/м2.

Интегральные потоки солнечной радиации измеряются: в кВт/м2 - мгновенные значения радиации (энергетическая освещенность); в МДж/м2 - суммы радиации.

В программу актинометрических наблюдений также входят наблюдения за количеством и формой облаков и прозрачностью атмосферы для солнечных лучей, изменчивость этих факторов существенно влияет на радиационный режим.

Данные по прямой и рассеянной солнечной радиации для различных городов России при средних условиях облачности и ясном небе (для прямой радиации) на горизонтальную поверхность содержатся в [5].

2. Закономерности метода расчета поступления

солнечной радиации на наклонную, в том числе вертикальную, поверхность

Расчет прямой радиации. Поток прямой солнечной радиации на наклонную поверхность произвольной ориентации выражается формулой [1]:

5,нак= s- eos i = S- [cosa sin/^ + sina со sh® cos^], (5)

где косинус угла падения солнечных лучей на заданную поверхность:

cos^cosasin/nj + sina cosacos у, (6)

где a - угол наклона поверхности по отношению к горизонтальной плоскости; he - высота Солнца; Wm~Ws и

^^^^^^^^^^^^^ |б'2017

Научно-технический и производственный журнал

у/„ - азимуты Солнца и проекции нормали к наклонной поверхности на горизонтальную плоскость, отсчитываемые от плоскости меридиана, причем азимуты считаются положительными при отсчете от точки юга в направлении часовой стрелки).

Высота солнца определяется по формуле (2), а азимуты солнца определяются соотношениями:

вш^шг-^. ^ СОВ Лило. (7)

После подстановки в (5) выражений (2) и (7) для высоты и азимутов Солнца получаем:

SHaK=S

cosar(sin0>sin<J+cos0>cos<?cos£2)+ +sin ar{cos (^[^^(sin^siriiJ+cos^cos^cosQ)-.-sinisec9>]+sin^cos<5sinQ} _

(8)

Формула (5) преобразуется в зависимости от значений углов.

Для вертикальной поверхности угол а=90°:

+ С08(? вшП} = Я- С08(/%)С08(Уф -Щ,)- (9)

Дли вертикальных поверхностей, обращенных к югу (у*=0): 5юР=5'-со8/!есо8^е; (10)

а обращенных к западу или востоку щ= ±90о:

5,Ц=5,-со8Йа8т^®. (11)

Для поверхностей, обращенных к северу (^/1=180о):

5^=5,-[8Ш<5СО8^-СО8<5 зшрсозу]. (12)

Для горизонтальной поверхности а=0:

¿■"""^[вт^ втЯ+сое <р сое*? соей]=58т/^. (13)

Коэффициент пересчета значения солнечной радиации с горизонтальной поверхности на вертикальную определяется соотношением, получаемым из (9) и (13):

К„

cosy/

(14).

г» вер_-гг о гор

О — -^ГВ' .

(15)

Коэффициенты Крассчитаны для середины часовых интервалов на 15-е число каждого месяца для различных широт и содержатся в СП 23-101-2004 и в [1].

Расчет рассеянной радиации. Рассеянную радиацию можно учитывать с использованием одного из двух видов моделей распределения: изотропной, не зависящей от направления излучения, и анизотропной, для описания которой разработано, в свою очередь, несколько математических моделей [6, 7, 8].

В анизотропных моделях в расчетах участвуют такие факторы как, например, степень перекрытия небосвода облаками [6], внеатмосферная радиация [7]. Также известны работы по комбинации изотропной модели и анизотропной поправки [8].

Определить границы допустимости использования изотропной модели радиации очень сложно [9], тем не менее она удобна в практическом применении. В [9] показано, что при расположении пиранометра (прибора для измерения радиации), обеспечивающего наибольший годовой приход солнечной радиации на наклонную поверхность, расчет по изотропной модели хорошо согласуется с данными измерений за отопительный период. Так, при сравнении данных за период наблюдения 14 мес изотропная модель занижает среднюю месячную суммарную радиацию в среднем на 2,2% в сравнении с измеренными значениями [9]. Данный факт обосновывает рассмотрение изотропной модели для расчетов теплопоступлений от солнечной радиации.

В [1] приведена формула, выражающая суммарный поток рассеянной радиации на наклонную поверхность:

2л л/2

Ds= ^dy/^D(h,y/)cos(i)cos(h)dh, (16) 0 А(Г)

где D(h,y/) - интенсивность рассеянной радиации в направлении, определяемом координатами h (угловая высота) и W (азимут направления) (см. рисунок); h(y/) - наименьшая угловая высота точки неба в азимуте Y по отношению к плоскости горизонта; i - угол падения радиации на наклонную поверхность.

После подстановки (6) в (16) и преобразований получаем:

2л л/2

= Ji/^r JiD^v^CsinorsinvcosC/i)+cosarsin(A))cos(A)i/A, (17)

0 h(w)

Коэффициент пересчета К^ определяется расчетным путем, значение 5гор измеряется, тогда прямая радиация, падающая на вертикальную поверхность ^вер, определяется из соотношения:

Зависимость коэффициента К^ от ориентации определяется параметром зависящим от азимутов Солнца, а высота Солнца йв, определяет зависимость этого коэффициента от широты и времени.

Преимуществом использования коэффициентов пересчета является то, что отношение значений радиаций, поступающих на вертикальную и горизонтальную поверхности, намного меньше зависит от облачности и прозрачности атмосферы по сравнению с каждым из этих значений. Наиболее значимым фактором, влияющим на Кга, является широта местности.

Схема поступления радиации на наклонную поверхность

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

где:

т=

о

arceos

при 0<v|/<n

cos or

•^l-sin2« cos2^

(18)

При 71<\|1<2Л

где а - угол наклона поверхности.

Поток рассеянной радиации от небосвода на наклонную поверхность в случае справедливости изотропной модели радиации с учетом (17) определяется по формуле:

A=*D

1+cosor

(19)

В работе [1] показано, что при наличии плотной сплошной облачности не обнаруживается азимутальной зависимости и расчет с изотропным приближением рассеянной радиации соответствует измерениям.

При изотропной модели рассеянной радиации В(к,у/)=1)=сош!. Для вертикальной поверхности а=90°, тогда значение й(У) исходя из (18) равно 0 или 90о. Выражение (19) для вертикальной поверхности принимает вид:

£>вер=1/2я:£>.

(20)

Для горизонтальной поверхности а=0; й(у/)=0 и ,Огор=гг,1>.

Ввиду того, что актинометрические измерения рассеянной радиации часто проводят на горизонтальной поверхности, значение .О"4" известно и пересчет с горизонтальной поверхности на вертикальную делается по формуле:

DBep=DTOp/ 2.

(21)

Расчет отраженной радиации. Для нахождения отраженной радиации рассматривается участок наклонной поверхности, расположенный в начале координат (см. рисунок) и получающий отраженную радиацию в пределах телесного угла, соответствующего двугранному углу а. Поэтому для величины потока отраженной радиации, получаемой наклонной поверхностью, можно написать следующее соотношение [1]:

ж Ш')

R=\dy/' jl'(h,i//)sin(h)cos(h)dh, (22)

о о

где l'(h,yt) - интенсивность отраженной радиации, подчиняющаяся изотропному или анизотропному закону распределения.

г/ /1 cos а ^

п(у/) = arc cos , =, при 0<\|/<7г. (23)

yi-sin2« cos2^'

Обозначения углов формул (22)-(23) указаны на рисунке.

В предположении, что радиация, отраженная горизонтальной поверхностью, изотропна (/ (h,y/)=I =const), получается:

Rs = 2l' \dy/' \sia(h)cos(h)dh=7rl'sm2a/2. (24) о о

Как указано в [1], при выводе рассмотренных формул не учитывалось влияние многократных отражений радиации между наклонной и горизонтальной поверхностями, а также ослабление отраженной радиации. I - это интенсивность радиации, излучаемой из точки. При умножении на к, получаем приход в полусферу с горизонтальной поверхности.

Тогда для вертикальной поверхности:

Лвер=Лгор/2,

или с учетом формулы (4):

^^ (25)

Тогда суммарный приход радиации на вертикальную поверхность выражается уравнением, известным по работе [1] и представленным в методике СП 23-101-2004:

вер „вер „вер „вер „гор__ „гор,„ ,гор а ___

/ =5 +Б +Я =Б К^+Б /2+1 Ак/200. (26)

В [1] приводятся обобщенные результаты по погрешностям данного метода. Для стен зданий, стоящих открыто, мгновенные значения радиации, рассчитанные по формуле (26), ниже измеренных на 5-15% летом и на 10-25% зимой. Для стен зданий, куда прямая радиация не поступает практически в течение года, рассчитанные значения выше измеренных, причем для северных районов превышение достигает 100% и более. Следует указать, что приведенные оценки погрешности приближенны, так как получены по результатам не очень длительных наблюдений в трех-четырех пунктах. Данные расхождения являются следствием изотропного приближения; величина расхождений определяется климатом (преобладание ясной или пасмурной погоды), а также альбедо поверхности. Влияние ясной и пасмурной погоды частично учтено в п. 3 данной статьи.

Учет поступления радиации на наклонную поверхность. Некоторые здания имеют наклонный фасад или мансардные окна с углом наклона. В СП 23-101-2004 при расчете теплопоступлений от солнечной радиации мансардные окна с углом наклона более 45о для расчетов рекомендуется принимать как вертикальные, с уголом наклона менее 45о - как горизонтальные.

По формулам (8), (19), (24) можно определить значение прямой, рассеянной и отраженной радиации, поступающей на наклонную поверхность с углом наклона а к горизонту. Однако для упрощения расчетов можно определить коэффициенты пересчета для прямой радиации с горизонтальной поверхности на наклонную.

Для вычисления суточного хода прямой радиации на склонах разной экспозиции и крутизны применяются относительные часовые суммы или часовые коэффициенты:

Ка - cos а +

cos {Wm-wj

tgAffi

sin or.

(27)

По полученным коэффициентам и средним за месяц часовым суммам прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, можно получить суточный ход радиации на наклонных поверхностях:

Е^Яч!^ , (28)

где и Х^г - соответственно часовые суммы прямой

радиации, поступающей на наклонную и горизонтальную поверхность; Кч - коэффициент для пересчета часовых сумм прямой радиации с горизонтальной поверхности на наклонную. Величина средней за месяц в суточном ходе радиации на горизонтальной поверхности Х^г может быть получена путем измерений на актинометрической станции или по данным справочника [5].

Коэффициенты частично рассчитаны в работах [10, 11]. Вычисления проводились для середины часовых интервалов на 15-е число каждого месяца.

30

62017

Научно-технический и производственный журнал

Для определения прихода рассеянной и отраженной радиации рассмотрим формулы (19) и (24).

Из формулы (19) следует, что рассеянная радиация, падающая на наклонную поверхность, рассчитывается через !)гор по формуле:

Д =Dmp

1 + COStt

(29)

Аналогично из формулы (24) следует, что отраженная радиация, падающая на наклонную поверхность, рассчитывается через Лгор по формуле:

R _ Rmpsrn2a _ f0% ■ sin2 а

2 200 ' ( )

Тогда для действительных условий облачности можно записать выражение для расчета суммарной радиации, падающей на наклонную поверхность с углом наклона а:

rp=K4^Sr+DT

1+cos а 1т°рЛк - sin2 от 2 + 200 "

(31)

ной ориентации, 15% для северной ориентации. При более высоких значениях альбедо, соответствующих снежному покрову, влияние указанных факторов приводит к существенным различиям в расчете по формуле (26) и измерениях. В данной работе влияние переотражения не рассматривается.

Преобразование формулы (24) для расчетов прихода радиации в облачные и безоблачные дни дает:

пгор ггорл

Hd-d^.K^+g^),

(32)

3. Расчет поступления суммарной радиации с учетом облачного и безоблачного неба

В последние годы имеется тенденция к увеличению доли прямой радиации, что рассмотрено в работах [12-15], поэтому при расчете теплопоступлений от солнечной радиации также важен учет безоблачных дней, когда имеется большая доля прямой радиации. Безоблачные дни - это дни с абсолютно ясным небом. Следует пояснить, что согласно геофизической терминологии средние условия облачности означают, что проводится осреднение данных по дням с действительной (имеющей место быть) облачностью с любой формой и количеством облаков, при этом дни с ясным небом в расчет не берутся. Рассмотрим расчет тепло-поступлений от солнечной радиации с учетом ясных дней. Пересчет прямой радиации с горизонтальной поверхности на вертикальную при безоблачном небе представлен в работах [1, 2, 16]. Авторы показали, что на основании результатов сравнений .ЙГгв и -ЙГгв можно считать, что при решении практических задач, не требующих большой точности (до 5-10%), можно использовать одно и то же значение коэффициента Ктв. Особенно это относится к южным районам. Для более точных оценок сумм радиации следует учитывать различие в коэффициентах. Различия в коэффициентах пересчета объясняются тем, что при солнечной погоде приход прямой и рассеянной радиации на вертикальные поверхности различной ориентации неравномерен и изменяется в суточном ходе.

Формула (19) для расчета рассеянной радиации в изотропном приближении была получена с условием отсутствия переотражения от подстилающей поверхности. В случае безоблачного неба отражение от подстилающей поверхности влияет сильнее. Так, в работе [2] показано, что при безоблачном небе измерения потоков рассеянной радиации дают погрешности от 5 до 8%. Тем не менее такая погрешность приемлема для практических расчетов рассеянной радиации.

Значение отраженной радиации от земной поверхности и его влияние на прилегающие здания будут выше в ясные дни. В [2] указано, что при ^4=20% влияние затенения и многократного отражения при расчете по формуле (26) составляет менее 1% для южной ориентации, 3% для запад-

где d - общее количество дней в месяце; dя - количество дней в месяце с безоблачным (ясным) небом, определяется как разность d и значения столбца «число дней без солнца» табл. 1.15 [5]; \ - альбедо подстилающей поверхности, %, определяется по табл. 1.10 [5]; 5|ГОр - прямая радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности определяется по «столбцу за сутки» табл. 1.8 [5], МДж/м2; £)гор - рассеянная радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности, определяется по «столбцу за сутки» табл. 1.9 [5], МДж/м2; /гор - суммарная радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности определяется по «столбцу за сутки» табл. 1.10 [5], МДж/м2; - прямая радиация на горизонтальную поверхность при ясном небе, определяется по «столбцу за сутки» табл. 1.5 [5], МДж/м2;

- суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при ясном, небе определяется по «столбцу за сутки» табл. 1.6 [5], МДж/м2; .О^ - рассеянная радиация при ясном небе, определяется как разность МДж/м2.

Согласно методике СП 23-101-2004 пересчет радиации с горизонтальной поверхности на вертикальную проводится с использованием коэффициентов -ЙГгв, которые для г. Москвы приведены в табл. В.2-В.3 СП 23-101-2004.

Коэффициенты, приведенные в работе [1], имеют несколько другие значения. Кроме того, для северной ориентации в СП 23-101-2004 было допущено смещение данных по месяцам. Поэтому предлагается провести сравнительный расчет теплопоступлений по методике СП 23-101-2004 и расчет по формуле (32) с использованием коэффициентов Ктв, взятых из [1]. Сравнение коэффициентов приведено в табл. 1.

Пример расчета теплопоступлений от солнечной радиации с учетом безоблачных дней

Рассмотрим расчет теплопоступлений от солнечной радиации по формуле (32) и по методике СП 23-101-2004 с использованием данных справочника [5]. Расчет по методике СП 23-101-2004 при средних условиях облачности представлен в табл. 2. Расчет по формуле (32) с учетом безоблачных дней представлен в табл. 3.

Сравнение расчетов теплопоступлений от солнечной радиации представлено в табл. 4.

Как видно из табл. 4, наибольшие средние относительные различия за отопительный период достигают от 85 до 96% для южной, юго-западной и юго-восточных ори-ентаций, причем расчет без учета ясных дней дает меньшее значение, чем расчет по формуле (32). Превышение результатов расчета по формуле (32) над результатами расчета по методике СП 23-101-2004 за год в среднем дает от 72 до

Доклады VIII Академических чтений РААСН «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Значения коэффициентов КГВ для Москвы согласно СП 23-101-2004 и [1]

Таблица 1 Таблица 3

Сумма средних суточных значений за месяц при ясном небе и средних условиях облачности 12>ер для восьми румбов

Таблица 4

Относительная разница в значениях теплопоступлений, рассчитанных по методике СП 23-101-2004 1"ер и по формуле (32) 12>ер

Изменения I II III IV X XI XII

Северная ориентация

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СП 23-101-2004 0,02 0,08 0,12 0,1 - - -

Уточнение по [1] - - - 0,02 - - -

Северо-восточная ориентация

СП 23-101-2004 0,01 0,05 0,14 0,22 0,09 0,02 -

Уточнение по [1] Без изменений

Восточная

СП 23-101-2004 0,84 0,66 0,64 0,58 0,68 0,83 0,9

Уточнение по [1] 0,81 0,7 0,64 0,6 0,72 0,86 0,9

Юго-восточная ориентация

СП 23-101-2004 3,6 2 1,25 0,88 1,72 2,9 4,3

Уточнение по [1] Без изменений

Южная ориентация

СП 23-101-2004 5,15 2,8 1,55 0,9 2,2 4,2 6,1

Уточнение по [1] Без изменений

Юго-западная ориентация

СП 23-101-2004 3,8 2,2 1,3 0,81 1,65 3 4,45

Уточнение по [1] Без изменений

Западная ориентация

СП 23-101-2004 0,94 0,84 0,72 0,52 0,68 0,83 0,94

Уточнение по [1] 0,92 0,83 0,69 0,53 0,63 0,8 0,96

Северо-западная ориентация

СП 23-101-2004 0,02 0,06 0,16 0,2 0,08 0,02 -

Уточнение по [1] Без изменений

Месяц Суммарная радиация за месяц на вертикальную поверхность Г2'г, МДж/м2

С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ

Январь 52 52 77 163 211 170 81 53

Февраль 100 105 167 292 369 312 180 106

Март 166 200 324 474 548 486 336 205

Апрель 149 228 376 485 493 458 349 220

Май 183 359 523 553 517 535 468 335

Июнь 182 397 557 571 487 529 508 376

Июль 167 365 523 543 484 517 477 338

Август 151 265 406 479 488 479 379 256

Сентябрь 114 166 309 449 498 434 291 163

Октябрь 75 89 184 336 409 325 171 87

Ноябрь 44 45 81 171 227 175 79 45

Декабрь 32 32 44 90 114 92 45 32

Сумма за отопительный период 618 750 1254 2011 2372 2017 1239 747

Сумма за год 1415 2302 3571 4606 4845 4511 3362 2215

Месяц ]пеР_] "Р Относительная разница 1 ^ 100, % Л

С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ

Январь 6 7 32 77 91 79 34 7

Февраль 8 10 36 63 73 66 40 11

Март 6 16 43 62 68 63 45 18

Апрель -3 20 47 59 59 56 43 18

Май -10 27 46 49 45 47 41 23

Июнь -16 25 43 44 36 40 38 23

Июль -20 24 44 46 40 43 39 19

Август -15 14 35 43 43 43 32 12

Сентябрь -3 20 58 78 83 76 54 19

Октябрь 12 25 86 135 149 133 80 24

Ноябрь 18 20 66 120 137 121 63 20

Декабрь 9 9 30 77 91 79 31 9

Сумма за отопительный период 8 15 48 85 96 85 48 15

Сумма за год 0 18 47 72 78 72 45 17

Таблица 2

Суммарная радиация за месяц на вертикальную поверхность по методике СП 23-101-2004 1>р для восьми румбов с учетом уточнения коэффициентов КГВ

78% для указанных ориентаций. Т. е. поступление солнечной радиации с учетом ясных дней значительно больше для указанных ориентаций.

Для северной, северо-восточной и северо-западной ориентаций превышение за отопительный период составляет от 8 до 15%, а за год от 0 до 18%. Для западной и вос-

32| -

точной ориентаций превышение составляет за отопительный период 48%.

Таким образом, расчет теплопоступлений от солнечной радиации с учетом ясных дней показал большие значения, чем при расчете только при средних условиях облачности. Расчет по формуле (32) представляется более точным, так как учитывает изменения погодных условий за большой период осреднения. С целью повышения точности расчетов данный метод может быть рекомендован для расчета теплопоступлений от солнечной радиации.

Заключение

Таким образом, рассмотрены основные формулы, которые используются при расчете суммарной радиации, поступающей на вертикальные поверхности фасада здания.

^^^^^^^^^^^^^ |б'2017

Месяц Суммарная радиация за месяц на вертикальную поверхность 11'', МДж/м2

С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ

Январь 49 49 59 92 111 95 60 49

Февраль 93 95 123 179 213 187 129 95

Март 157 172 227 293 326 299 232 174

Апрель 154 190 257 306 309 294 244 186

Май 203 283 358 372 355 363 333 272

Июнь 218 317 390 396 358 377 367 307

Июль 209 295 364 372 346 361 344 284

Август 177 232 301 336 340 336 287 228

Сентябрь 117 138 196 252 272 246 188 137

Октябрь 67 71 99 143 164 140 95 71

Ноябрь 37 37 49 78 96 79 48 37

Декабрь 29 29 34 51 60 51 34 29

Сумма за отопительный период 587 644 847 1141 1279 1144 842 642

Сумма за год 2097 1908 2454 2870 2951 2828 2362 1869

Научно-технический и производственный журнал

Приведены формулы для вычисления коэффициентов пересчета радиации с горизонтальной на наклонную и вертикальную поверхности, которыми можно воспользоваться при отсутствии табличных значений.

Получена формула расчета суммарных теплопоступле-ний на наклонные поверхности.

Предложен расчет теплопоступлений от солнечной радиации с учетом безоблачных дней и сделаны выводы о необходимости учета ясных дней при расчете теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период.

Список литературы

1. Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Федорова М.П. Радиационный режим наклонных поверхностей. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1978. 170 с.

2. Пивоварова З.И. Облучение стен зданий солнечной радиацией в различных географических районах // Труды ГГО. 1969. Вып. 250. C. 23-49.

3. Современные исследования Главной геофизической обсерватории / Под ред. М.Е. Берлянда, В.П. Мелешко. СПб.: Гидрометеоиздат, 2001. 344 с.

4. РД 52.04.562-96. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Актинометрические наблюдения на станциях. Вып. 5. Ч. 1. М.: Росгидромет, 1997. 221 с.

5. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 1-34. СПб.: Гидрометеоиздат, 1989-1998.

6. Klucher T. Evaluation of models to predict insolation on tilted surfaces // Solar Energy. 1979. V. 23. P. 111-114.

7. Hay J., Davies J. Calculation of the solar radiation incident on inclined surface // Proceedings First Canadian Solar Radiation Data Workshop. 1980. P. 59-72.

8. Ivanova S.M. Estimation of background diffuse irradiance on orthogonal surfaces under partially obstructed anisotropic sky. Part 1 - Vertical surfaces // Solar Energy. 2013. P. 376-391.

9. Стадник В.В., Горбаренко Е.В., Шиловцева О.А., За-дворных В.А. Сравнение вычисленных и измеренных величин суммарной и рассеянной радиации, поступающей на наклонные поверхности, по данным наблюдений в Метеорологической обсерватории МГУ // Труды ГГО. 2016. Вып. 581. С. 138-154.

10. Пигольцина Г.Б. Радиационные факторы мезо- и микроклимата. СПб.: Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия, 2003. 199 с.

11. Голубова Т.А. Расчеты средних часовых сумм прямой солнечной радиации на наклонные поверхности // Труды ГГО. 1980. Вып. 426. С. 90-103.

12. Горбаренко Е.В. Климатические изменения радиационных параметров атмосферы по данным наблюдений в Метеорологической обсерватории МГУ // Метеорология и гидрология. 2016. № 2. С. 5-17.

13. Norris J.R., Wild M. Trends in aerosol radiative effects over Europe inferred from observed cloud cover, solar "dimming", and solar "brightening" // Journal of Geophysical Research. 2007. Vol. 112. Iss. D 08. Doi:10.1029/2006JD007794.

14. Ohmura A. Observed decadal variations in surface solar radiation and their causes // Journal of Geophysical Research. 2009. Vol. 114. Iss. D 10. Doi:10.1029/2008JD011290.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

15. Wild M. Global dimming- and brightening: A review. // Journal of Geophysical Research. 2009. Vol. 114. Iss. D 10. Doi:10.1029/2008JD011470.

62017 ^^^^^^^^^^^^^

16. Круглова А.И. Климат и ограждающие конструкции. М.: Стройиздат, 1970. 166 с.

References

1. Kondrat'ev K.Ya., Pivovarova Z.I., Fedorova M.P. Radia-tsionnyi rezhim naklonnykh poverkhnostei [Radiation mode of inclined surfaces]. Leningrad: Gidrometeoizdat. 1978. 170 p.

2. Pivovarova Z. I. Radiation of walls of buildings solar radiation in various geographical areas. Works of the main geophysical observatory. 1969. Issue 250. P. 23-49. (In Russian).

3. Sovremennye issledovaniya glavnoi geofizicheskoi observa-torii [Modern researches of the main geophysical observatory]. Under the editorship of M.E. Berlyand, V.P. Meleshko. Sankt-Peterburg: Gidrometeoizdat. 2001. 344 p.

4. RD 52.04.562-96. Nastavlenie gidrometeorologicheskim stantsiyam i postam. Aktinometricheskie nablyudeniya na stantsiyakh [Manual to hydrometeorological stations and posts. Aktinometrichesky observations at stations]. Iss. 5, part I. Moscow: Roshydromet. 1997. 221 p.

5. Nauchno-prikladnoi spravochnik po klimatu SSSR. Seriya 3. Mnogoletnie dannye [The scientific and application-oriented reference manual on climate of the USSR. Series 3. Long-term data]. Parts 1-6. Iss. 1-34. Sankt-Peterburg: Gidrometeoizdat. 1989-1998.

6. Klucher T. Evaluation of models to predict insolation on tilted surfaces. Solar Energy. 1979. Vol. 23, pp. 111-114.

7. Hay J., Davies J. Calculation of the solar radiation incident on inclined surface. Proceedings First Canadian Solar Radiation Data Workshop. 1980, pp. 59-72.

8. Ivanova S.M. Estimation of background diffuse irradiance on orthogonal surfaces under partially obstructed anisotropic sky. Part 1 - Vertical surfaces. Solar Energy. 2013, pp. 376-391.

9. Stadnik V.V., Gorbarenko E.V., Shilovtseva O.A., Zadvor-nykh V.A. Comparison of the calculated and measured sizes of the total and scattered radiation arriving on inclined surfaces according to observations in Meteorological observatory of MSU. Works of the main geophysical observatory. 2016. Iss. 581, pp. 138-154. (In Russian).

10. Pigol'tsina G.B. Radiatsionnye faktory mezo- i mikroklimata. [Radiation factors meso - and a microclimate]. Sankt-Peterburg: Sankt-Peterburgskaya gosudarstvennaya leso-tekhnicheskaya akademiya. 2003. 199 p.

11. Golubova T.A. Calculations of the average hour sums of direct solar radiation on inclined surfaces. Works of the main geophysical observatory. 1980. Iss. 426, pp. 90-103. (In Russian).

12. Gorbarenko E.V. Climatic changes of radiation parameters of the atmosphere according to observations in meteorological observatory of MSU. Meteorologiya i gidrologiya. 2016. No. 2, pp. 5-17. (In Russian).

13. Norris J.R., Wild M. Trends in aerosol radiative effects over Europe inferred from observed cloud cover, solar "dimming", and solar "brightening". Journal of Geophysical Research. 2007. Vol. 112. Iss. D 08. Doi:10.1029/2006JD007794.

14. Ohmura A. Observed decadal variations in surface solar radiation and their causes. Journal of Geophysical Research. 2009. Vol. 114. Iss. D 10. Doi:10.1029/2008JD011290.

15. Wild M. Global dimming- and brightening: A review. Journal of Geophysical Research. 2009. Vol. 114. Iss. D 10. Doi:10.1029/2008JD011470.

16. Kruglova A.I. Klimat i ograzhdayushchie konstruktsii [Climate and the protecting designs.] Moscow: Stroyizdat, 1970. 166 p.

- 33

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.