CC BY
21УДК 692.827
ОСОБЕННОСТИ УЧЕТА И РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЙ ОТ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ПРИ ПОМОЩИ СОЛНЕЧНЫХ КАРТ
О.В. СЕРГЕЙЧУК
Киевский университет строительства и архитектуры, г. Киев д-р техн. наук, профессор кафедры архитектурных конструкций (e-mail: ovsergeich@mail.ru)
Аннотация. Для ограничения летнего перегрева помещений от воздействия солнечной радиации необходимо массово использовать солнцезащитные устройства (СЗУ). Правильно запроектированные СЗУ способны существенно уменьшить нагрузку на системы охлаждения зданий в период перегрева при сохранении (или незначительном уменьшении) пассивного солнечного отопления зимой. К сожалению, проектировщики не умеют их проектировать. Одной из причин этого является отсутствие простого и наглядного инструментария, позволяющего быстро оценить эффективность проектируемых СЗУ. Таким инструментарием могут стать модернизированные солнечные карты.
Ключевые слова: инсоляция, солнцезащитные устройства, солнечные карты, энергоэффективность, солнечная энергия.
При проектировании энергоэффективных зданий важной задачей является рациональное использование солнечной энергии для создания комфортных условий внутри помещений при минимальных затратах дополнительной энергии на климатизацию зданий. Особенно это касается регионов с жарким климатом, например, в Крыму, где охлаждение зданий летом является массовым явлением.
Для ограничения летнего перегрева помещений от воздействия солнечной радиации необходимо массово использовать солнцезащитные устройства (СЗУ). Правильно запроектированные СЗУ способны существенно уменьшить нагрузку на системы охлаждения зданий в период перегрева при сохранении (или незначительном уменьшении) пассивного
солнечного отопления зимой. К сожалению, проектировщики не умеют их проектировать. Восполнить этот пробел в России призван разрабатываемый в настоящее время свод правил «Устройства солнцезащитные зданий. Правила проектирования».
Проблеме определения эффективности СЗУ посвящено много исследований. Эффективность СЗУ зависит от правильно рассчитанной их геометрии. Основным методом проектирования и расчета солнцезащитных устройств до сих пор являются солнечные карты, которые предложил еще в I в. до н.э. М. Витрувий [1], известные как аналеммы Витрувия (рис. 1). С тех пор они несколько видоизменились, хотя, принципиально, остались прежними [2].
В работе [3] предложены
модифицированные солнечные карты, на которых нанесены изотермы, образующие на солнечных картах зоны желательной и нежелательной инсоляции. Зона нежелательной инсоляции - это зона неба, где солнце находится когда температура воздуха равна или превышает 21 °С; зона
желательной инсоляции - где солнце находится при температурах воздуха 8°С и ниже. Нанесение изоплет этих температур воздуха на солнечные карты превращает их в комплексные солнечные карты (рис. 2).
260"
- зона нежелательной инсоляции
- зона желательной инсоляции
- зона, которая не учитывается при расчётах инсоляции по санитарным нормам Украины
Рис. 2. Комплексная солнечная карта для г. Киева
Для построения изоплет достаточно иметь значения среднемесячных температур воздуха и средних суточных амплитуд их колебаний для каждого месяца характерного года. Эти данные имеются как в украинском ДСТУ-Н Б В.1.1 -27:2011 [4], так и в российском СП 131.13330.2012 [5].
Известно [6,7], что минимальное суточное значение температуры воздуха наступает примерно через 15 минут после восхода солнца, а максимальное значение -в15 часов.
В [8] предложен метод моделирования функции изменения периодического
климатического параметра, имеющего один максимум и один минимум в пределах периода, по значениям ее экстремумов с помощью синусоидальной функции. Функция изменения температуры воздуха в течение суток, по этому методу имеет вид:
А . W = "2'Sln
А
W = -'Sln
А
'год = -'Sln
Я 2х-ЗГшш-9 .2 9 + Тшш
Я 2х-15-Гтт 2 15-Тт
. min
я 2х-21 + Т.
+ t при 0<х<ТтШ ;
+ ' ПРИ Tmin < Х<15 ;
+ t при 15<х<24 ,
2 9 + Т.
_ тт
где А - среднесуточная амплитуда среднемесячной температуры воздуха, °С;
t - среднемесячная температура воздуха, °С; Ттт - время наступления минимальной температуры воздуха в течение суток, который принимается через 0,25 ч. после восхода Солнца, ч. х - текущее время, ч.
Используя эту формулу для 15 числа каждого месяца можно построить каркас поверхности температур, как функции от дня года и времени суток. После чего, интерполяцией, строится сама поверхность температур, на которой находятся изолинии температур 8 и 21 °С. Эти линии переносятся на солнечную карту для соответствующей широты местности, в результате чего образуются комплексные солнечные карты.
Значение Гшь с достаточной для практических нужд точностью можно определить с помощью соответствующей солнечной карты по формуле:
^min = 0,2Гвсх, + 0,87^+1 + 0,25,
где 7всх i - время восхода солнца по траектории рассчитываемого месяца, ч.;
7всх i+ 1 - время восхода солнца по траектории для следующего после расчётного месяца, ч.
Для примера на рис. 3 рассмотрено построение комплексной солнечной карты для г. Киева. Расчеты проведены в редакторе Excel.
it г* г* з» 31 и 3} la
Рис. 3. Построение комплексной солнечной карты для г. Киева а - поверхность температур; б - изоплеты температур; в - комплексная солнечная карта
Комплексные карты являются хорошим графическим инструментом для определения геометрических параметров оптимизированных СЗУ, но не позволяют количественно определить их эффективность.
Для определения эффективности проектируемых солнцезащитных устройств необходимо разработать энергетические солнечные карты. Эти карты являются дальнейшим
совершенствованием солнечных карт. Они могут быть 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. 4). Каждая точка даёт 1% энергетической освещенности плоскости заданной ориентации от полностью открытого неба.
Смер
Рис. 4. Энергетическая солнечная карта для фасада юго-западной ориентации в г. Киеве
(прямая радиация, период перегрева)
В настоящее время 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.
Энергетические карты построены для прямой и рассеянной солнечной радиации для архитектурно-строительных климатических районов Украины в соответствии с [4]. Для этого в каждом районе были определены репрезентативные города: I район - Киев, II район - Запорожье, 111а район - Ивано-Франковск, III6 - Ужгород, IV и V - Симферополь. Данные по поступлению солнечной радиации при реальной облачности взяты из [4]. Недостающие данные получены при помощи ППП "Atmospheric Radiation" [9]. 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 определения теплопоступлений на солнечной карте строится, в соответствии с [3], теневая маска соответствующего наружного затенения. Те точки, которые не затеняются теневой маской, в сумме определяют процент поступления энергии на поверхность при рассматриваемом затенении. Такие расчёты делаются отдельно для прямой и рассеянной радиации.
Отражённую радиацию от каждого отдельного объекта можно считать равномерно яркой, а яркость определять как произведение энергетической освещенности этой поверхности на её альбедо.
При помощи энергетических солнечных карт были рассчитаны понижающие коэффициенты затенения для наиболее типовых экранирующих элементов, которые показаны на рис. 5 [10]. Коэффициенты учитывает климатические особенности различных регионов Украины. Это позволило составить соответствующие таблицы для национального приложения к ДСТУ Б EN ISO 13790 [11].
Рис. 5. Типы рассмотренных затенений
При проектировании СЗУ сначала необходимо определить рациональный класс (регулируемая или стационарная) и тип солнцезащиты в зависимости от ориентации. Для этого на основании комплексных солнечных карт разработаны соответствующие диаграммы (рис. 6).
Затем, на комплексной солнечной карте строится, теневая маска оптимизированного наружного затенения. Контур теневой маски должен коснуться зоны перегрева (рис. 7, а). Для построения теневых масок СЗУ общего положения разработаны соответствующие теневые угломеры (рис. 8) для углов наклона направляющей ламелей 15,30, 45 и 60° [12].
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 97% прямой солнечной радиации (рис. 6, б).
350°
Рис. 6. Диаграмма для выбора типа СЗУ в зависимости от ориентации окна (Киев)
Рис. 7. Проектирование оптимизированного СЗУ для юго-западного фасада в г. Киеве а - построение теневой маски; б - определение эффективности для отопительного периода
Аналогично, наложением теневой маски на радиации, определяется процент её пропускания энергетические солнечные карты для рассеянной СЗУ в периоды отопления и охлаждения.
о-
Рис. 8. Теневой угломер для расчёта СЗУ общего положения восточной ориентации при угле наклона
направляющей ламелей 15°
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.
Актуальным является разработка комплексных и энергетических солнечных карт для России и включения их в свод правил «Устройства солнцезащитные зданий. Правила проектирования».
Список литературы
1. Витрувий. Десять книг об архитектуре / Пер. с лат. Ф. А. Петровского / М. Витрувий. - М.: Едиториал УРСС, 2003. - 320 с.
2. Штейнберг А. Я. Расчёт инсоляции зданий / А. Я Штейнберг. - Киев: «Будiвельник», 1975. - 120 с.
3. Настанова з розрахунку шсоляци об'екпв цившьного призначення: ДСТУ-Н Б В.2.2-27:2010. [Введена в действие 2011-01-01] / Мшрегюнбуд Украши. - К. : Укрархбудшформ,
2010. - 81 с. - (Национальный стандарт Украины).
4. Будiвельна ктматолопя: ДСТУ-Н Б В.1.1-27:2010. [Введен в действие с 2011-11-01] / Мшрегюнбуд Украши. - К.: Укрархбудшформ,
2011. - 107 с. - (Национальный стандарт Украины).
5. Строительная климатология : СП 131.13330.2012. Актуализированная версия СНиП 23-01-99*. [Дата введения 2013-01-01] / Минстрой России. - М., 2015. - 120 с. - (Строительные нормы РФ).
6. Вайсберг Дж. Погода на Земле. Метеорология / Дж. С. Вайсберг ; Пер. с англ. А. Г. Бройко; под ред. С. В. Зверевой, А. И. Угрюмовой. -Л. : Гидрометеоиздат, 1980. - 248 с.
7. Нейбург М. Познание окружающей нас атмосферы / Морис Нейбург, Джеймс Эдинберг, Уильямс Боннер ; пер. с англ. - М. : Знание, 1985. -224 с.
8. Сергейчук О.В. Геометричний аналiз ктматичних показниюв / О.В. Сергейчук, В.П. Шитюк // Пращ Тавр. держ. агротехнолопчн. ушверситету. - Вип. 4. Прикл. геом. та шж. графжа. - Т. 43. - Мелгтополь: ТДАТУ, 2009 - С.81-87.
9. Bazhenov V. Applied Software «Atmospheric Radiation» for an Energy Efficient Building / V. Bazhenov, Р. Lizunov, О. Sergeychuk 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.
10. 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. // Энергоэффективность в строительстве и архитектуре. - К.: КНУСА, 2014.-Вып. 6. - С. 267-272.
11. Метод розрахунку енергоспоживання при опаленш, охолодженш, вентиляци, освгтленш та гарячому водопостачанш: ДСТУ Б А 2.2-12_2015. [Введен в действие с 2016-01-01] / Мшрегюн Украшни. - К.: Укрархбудшформ, 2016. - 158 с. -(Национальный стандарт Украины).
12. Солнцезащита зданий : методические указания к выполнению работ по дисциплине «Специальные инженерно-конструктивные решения» для студентов-иностранцев специальностей 7.120101 «Архитектура зданий и сооружений», 7.120102 «Градостроительство», 7.120103 «Дизайн архитектурной среды» / О.В. Сергейчук, В.С. Буравченко. - К.: КНУСА, 2015. - 40 с.
O. SERGEYCHUK
OF ACCOUNTING AND CONTROL FEATURES HEAT GAIN FROM SOLAR RADIATION BY SOLAAR MAPS
To limit the space of summer overheating by solar radiation is necessary to use solar shading devices (SSD) massively. Correctly designed SSD can significantly reduce the load on the cooling system of buildings in the period of overheating, while maintaining (or slight decrease) passive solar heating in winter. Unfortunately, designers do not know how to design them. One reason for this is the lack of a simple and visual tool that allows evaluating the effectiveness of the designed SSD quickly. Thus tool can be upgraded solar map.
Keywords: insolation, solar devices, solar maps, energy efficiency, solar energy
O. Sergeychuk
Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv
Doctor of Sciences, Professor of department of architectural constructions (e-mail: ovsergeich@mail.ru)
