Расчет теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

ЖИЛИЩНОЕ

Расчет конструкций

Научно-технический и производственный журнал

УДК 697.132

С. В. КОРНИЕНКО, канд. техн. наук, Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Расчет теплопоступлений от солнечной радиации

за отопительный период

Получены результаты, позволяющие определить теплопоступления от солнечной радиации при различной продолжительности отопительного периода и оценить энергоэффективность зданий.

Ключевые слова: солнечная радиация, теплопоступления, энергоэффективность зданий.

Для оценки энергоэффективности зданий необходим расчет теплопоступлений от солнечной радиации за отопительный период. Такой расчет требует данные по суммарной солнечной радиации на вертикальные поверхности различной ориентации при средних условиях облачности. Приведенные в [1] данные при безоблачном небе характеризуют максимальный приход солнечной радиации и не могут быть использованы в расчете теплопоступлений за отопительный период. В [2] приведены параметры по солнечной радиации при средних условиях облачности на нормальную к лучу и горизонтальную поверхности.

Известно, что теплопоступления от солнечной радиации за отопительный период 0$ определяют по формуле:

0а = ]Г т ГГАТ' +тИ""\ь°' А"", (1)

1=1

где д - число вертикальных поверхностей различной ориентации; тУег, тЬог - соответственно общий коэффициент пропускания солнечной радиации вертикальной и горизонтальной светопрозрачными конструкциями; 1^ег, 1Ьог - соответственно суммарная солнечная радиация при средних условиях облачности за отопительный период на вертикальную и горизонтальную поверхности; АУег, А Ьог - соответственно площадь вертикальной и горизонтальной поверхностей.

Суммарную солнечную радиацию на вертикальную поверхность /-й ориентации в¡-м месяце определяют по формуле:

(2)

Qver о ver

j = ьи -

■DT,

Месяцы Суммарная солнечная радиация, МДж/м2, на поверхности

горизонтальной вертикальной с ориентацией на

север северо-восток восток юго-восток юг юго-запад запад северо-запад

Январь 110 69 69 92 147 181 151 95 69

Февраль 193 111 115 156 224 266 226 158 115

Март 337 150 164 222 290 335 301 230 166

Апрель 482 158 200 276 324 329 315 268 197

Май 661 213 291 383 397 357 377 360 279

Июнь 710 236 321 405 393 336 375 383 307

Июль 698 222 310 402 399 345 378 375 294

Август 603 179 255 361 404 384 381 335 241

Сентябрь 432 129 170 273 356 384 342 260 167

Октябрь 256 87 97 161 248 302 252 165 98

Ноябрь 108 44 45 73 127 161 128 74 45

Декабрь 73 43 43 56 92 112 93 57 43

Прямую солнечную радиацию Б^ег на вертикальную поверхность i-й ориентации в у-м месяце определяют по формуле:

m

sr = I SjkCos &,¡kz¡, (3)

k-1

где m - число часовых интервалов; Sjk - прямая солнечная радиация на нормальную к лучу поверхность в у-м месяце за k-й часовой интервал в средние сутки [2]; &jk - угол между направлением солнечного луча и нормалью к поверхности i-й ориентации в у-м месяце за k-й часовой интервал; z¡ -число суток в у-м месяце.

В (3) cos@jk определяют из формулы:

cos &ljk - cosal (cosS h cos y k sinф - sin S h cos ф)

+sin a cos St sin yk , (4)

где ai - азимут поверхности i-й ориентации, отсчитываемый от юга; бу - солнечное склонение в середине у-го месяца; yk - солнечный часовой угол в середине k-го часового интервала, отсчитываемый от истинного полудня; ф - географическая широта местности.

Рассеянную солнечную радиацию D*fr на вертикальную поверхность i-й ориентации в у-м месяце определяют по формуле:

(5)

= [>-scyKD +(1-¥i-scy К ] Dh

Sver ver

v - прямая солнечная радиация; Dv - рассеянная солнечная радиация с учетом отражения от деятельной поверхности.

Таблица 1

где V,-асу - коэффициент облученности с вертикальной поверхности /-й ориентации в сторону небосвода; К0 - коэффициент, учитывающий изменение рассеянной солнечной радиации небосвода; 0^ог - рассеянная солнечная радиация на горизонтальную поверхность; Кя - коэффициент, учитывающий отражение от деятельной поверхности и определяемый по формуле:

ГлЬоГ Лв'М

кР=, (6)

р юоо*"

здесь 0°г - суммарная (прямая и рассеянная) солнечная радиация на горизонтальную поверхность; А™- альбедо деятельной поверхности для коротковолновой радиации.

Значения Q¡ , A™, Dh°r приведены в [2].

Таблица 2

<É o ^ ° - Суммарная солнечная радиация, МДж/м2, за отопительный период на поверхности

S <0 É° вертикальной с ориентацией на

S g S3 1 LO ^ S i ^ 5 о 2 С СВ В ЮВ Ю ЮЗ З СЗ

8 1087 509 542 758 1101 1311 1122 775 544

10 1241 560 604 850 1223 1445 1243 867 606

12 1422 618 677 958 1360 1593 1377 972 678

40

6'2010

Научно-технический и производственный журнал

Расчет конструкций

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Т, мес

Рис. 1. Графики зависимостей и^) для горизонтальной (1) и вертикальных поверхностей различной ориентации: 2 — север; 3 — северо-восток; 4 — восток; 5 — юго-восток; 6 — юг. Номера месяцев: I — январь; II — февраль; III — март; IV — апрель; V— май; VI — июнь; VII — июль; VIII — август; IX — сентябрь; X — октябрь; XI — ноябрь; XII — декабрь

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Т, мес

Рис. 2. График зависимости V(t)

При средних условиях облачности для вертикальной поверхности различной ориентации можно принять KD = 1, Vi-scy = 0,5. С учетом этого формула (2) примет следующий

ВиД: m

Qrr = 1 Sjkcos&jkzj + 0,5 (1 + Kr )Dhor. (7)

k=1

Результаты расчета солнечной радиации при средних условиях облачности для Волгограда приведены в табл. 1.

Для практического применения табл. 1 выполним статистическую обработку полученных данных методом наименьших квадратов конечными рядами Фурье. Установлено, что наилучший конечный ряд Фурье для каждого столбца табл. 1 состоит из пяти гармоник: a 5

U (t)="£ + X[aicos (ш ,t)+ bsin (ш ,t)], (8)

2 i=i

где a,, bl - коэффициенты Фурье; rnl - круговая частота l-й гармоники (ш l = 2nl / T); T - период.

Коэффициенты Фурье в (8) определяют по формуле прямоугольников:

2h N-1 2h N-1

a = T1Ypcos (ш Xp); b = flYpsin (ш ^p),

1 p=0 1 p=0

где h - шаг разбиения (h = T/N); N - число элементов в выборке; (Xp, Yp)- узлы.

При этом максимальная относительная ошибка на узлах равна 4,46% для вертикальной поверхности восточной ориентации.

Графики зависимостей для горизонтальной и ряда вертикальных поверхностей приведены на рис. 1. Маркерами

обозначены узлы, взятые из табл. 1. Для горизонтальной поверхности солнечная радиация возрастает от 110 МДж/м2 в январе до 710 МДж/м2 в июне, а затем убывает до 73 МДж/м2 в декабре. Для вертикальных поверхностей северной (С), северо-восточной (СВ) и восточной (В) ориентации годовой ход солнечной радиации аналогичный с минимальными значениями в декабре и максимальными в июне. Для вертикальных поверхностей юго-восточной (ЮВ) и южной ориентации (Ю) ориентации поведение функции Щ) более сложное и характеризуется образованием нескольких локальных максимумов за счет прямой солнечной радиации. Сравнение приведенных на рис. 1 результатов с данными для вертикальных поверхностей западной (З), северо-западной (СЗ) и юго-западной (ЮЗ) ориентации показывает некоторую асимметрию, что вполне закономерно и объясняется местными климатическими особенностями пункта.

Сравнение полученных результатов с данными [3] по суммарной солнечной радиации для вертикальных поверхностей показывает их хорошее согласование: максимальная относительная ошибка -10,1% для вертикальной поверхности северной ориентации в апреле.

Определим теперь суммарную солнечную радиацию за отопительный период по формуле: Т2

I = К | и (( , (9)

Т1

где K - размерный коэффициент; т1, т2 - границы отопительного периода.

На основе статистической обработки данных [1] по средним месячным значениям температуры наружного воздуха получена функция V(t) (рис. 2), по которой определены границы отопительного периода при различных значениях базовой температуры. Под базовой температурой понимается среднесуточная температура наружного воздуха, определяющая границы отопительного периода. Результаты расчета солнечной радиации при средних условиях облачности за отопительный период для Волгограда приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что минимальные значения солнечной радиации отмечаются для поверхности северной ориентации, максимальные - для южной. Следовательно, увеличение площади остекления в наружных стенах южной ориентации (при обеспечении требований по солнцезащите в теплый период года) увеличивает теплопоступления от солнечной радиации за отопительный период. Следует отметить, что выбор базовой температуры оказывает существенное влияние на суммарную солнечную радиацию за отопительный период.

Полученные результаты позволяют определить тепло-поступления от солнечной радиации при различной продолжительности отопительного периода и оценить энергоэффективность зданий.

Список литературы

1. СНиП 23-01-99* «Строительная климатология». М.: Госстрой РФ, 2003.

2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1-6. Вып. 13. Л.: Гидро-метеоиздат, 1987.

3. Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Федорова М.П. Радиационный режим наклонных поверхностей. Л.: Гидро-метеоиздат, 1978.

6'2010

41