Солнечная радиация в Москве

2.1. Продолжительность солнечного сияния и элементы радиационного режима

Солнечная радиация является основным источником энергии почти всех природных процессов и явлений, происходящих на земной поверхности и в атмосфере, а также одним из главных климатообразующих факторов. Лучистая энергия солнца доходит до Земли в виде прямой и рассеянной радиации, действующих в природе одновременно как суммарная солнечная радиация.

Приход солнечной радиации прежде всего определяется астрономическими факторами: продолжительностью дня и высотой солнца. Для Ленинграда время восхода и захода солнца, а также продолжительность дня представлены на рис. 4. Продолжительность дня в любом пункте равна возможной продолжительности солнечного сияния.

В Ленинграде возможная продолжительность солнечного сияния за год составляет 4518 … 4528 ч, фактическая же всегда отличается от возможной, главным образом под влиянием облачности, и составляет 1563 ч (табл.2). Значительная часть дней без солнца приходится на осенне-зимний период, за год их бывает 127, ясных дней всего 27. Самый продолжительный день в Ленинграде 22 июня— 18 ч 50 мин, самый короткий 22 декабря — 5 ч 51 мин. Это так называемые дни летнего и зимнего солнцестояния. В период весеннего и осеннего равноденствия 21 марта и 23 сентября день равен ночи.

Высота солнца над горизонтом для Ленинграда приведена в табл. 3. Самая большая высота солнца (53°) наблюдается 22 июня, а самая низкая для полудня (6°) — 22 декабря, в этот день солнечные лучи проходят через атмосферу путь до Земли в семь раз длиннее, чем 22 июня.

Переходным периодом от света к темноте и от темноты к свету являются сумерки.

Промежуток времени между моментом восхода или захода солнца и моментом, когда глубина погружения равна 6 … 7°, называется гражданскими сумерками. Освещенность в начале их достаточна для выполнения любых работ под открытым небом и в помещении у окна без применения искусственного освещения. Продолжительность сумерек меняется в течение года, увеличиваясь от 47 мин в марте до 150 мин в июне, к сентябрю продолжительность сумерек снова снижается до 50 мин. С конца мая и до первой декады июля вечерние и утренние сумерки в Ленинграде сливаются, и наступают так называемые «белые ночи».

Характеристики радиационного режима дают общее представление о закономерностях пространственного и временного распределения солнечной радиации и радиационного баланса на рассматриваемой территории.

Данные по радиационному режиму города приводятся на основе материалов актинометрических наблюдений станции Ленинград, ИЦП за 1953— 1976 гг., некоторые характеристики получены расчетным путем. Расположение метеорологической площадки станции характерно только для городских условий,, так как приборы затеняются в азимутах восхода и захода солнца, что хорошо прослеживается на рис. 5.

Основными элементами радиационного режима, измеряемыми на актинометрических станциях, являются прямая солнечная радиация, поступающая на перпендикулярную солнечным лучам поверхность S , рассеянная радиация неба D, суммарная солнечная радиация Q, отраженная земной поверхностью радиация R K и радиационный баланс В. Остальные характеристики радиационного режима получают расчетным путем. К ним относятся: прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность S’, поглощенная коротковолновая радиация Вк, отношение отраженной радиации к приходящей суммарной — альбедо Ак, обычно выражаемое в процентах, разность потока радиации, излучаемой нагретой землей, и встречного излучения облаков и атмосферы — эффективное излучение Еэф.

Лучистую энергию до недавнего времени выражали в тепловых единицах за единицу времени на единицу площади, т. е. интенсивность радиации (энергетическая освещенность) в калориях в минуту на квадратный сантиметр и суммы радиации (количество энергетической освещенности) в калориях на квадратный сантиметр в час, сутки, месяц и год. В новой Международной системе СИ интенсивность выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м2), а сумма радиации в килоджоулях и мегаджоулях на квадратный метр (кДж /м2, МДж /м2). Переход от единиц, включающих калорию, к единицам Международной системы СИ осуществляется с помощью следующих соотношений:

1 кал/(см2-мин) = 698 Вт/м2 = 0,698 кВт/м2,

1 кал/см2 = 4,19 -104 Дж/м2 = 41,9 кДж/м2,

1 ккал/см2= 4,19 -107 Дж/м2= 41,9 МДж /м2.

2.2. Радиационный баланс подстилающей поверхности

Суммарная радиация (Q) в основном определяется высотой солнца над горизонтом, продолжительностью дня,- облачностью (ее количеством, формой и расположением на небосводе), прозрачностью атмосферы и альбедо подстилающей поверхности.

В условиях безоблачного неба и средних условиях прозрачности атмосферы в Ленинграде годовая сумма составляет 4940 М Дж /м2, из них на прямую радиацию приходится 3900 МДж /м2. Средняя годовая сумма суммарной радиации при реальных условиях облачности составляет 3070 МДж /м2, из них 1560 М Дж /м2 приходится на прямую радиацию.

Рассеянная радиация составляет 49 % общего прихода. В годовом ходе доля рассеянной радиации значительно увеличивается от лета к зиме, а в декабре суммарная радиация состоит только из рассеянной (табл. 4).

В общем приходе в течение года облачность уменьшает количество суммарной радиации на 38% , а прямой радиации на горизонтальную поверхность — на 60 %.

Если рассматривать приход суммарной радиации по сезонам, то оказывается, что почти половина годовой суммы поступает летом (1520 МДж/м2), зимой значение ее минимально (100 М Дж/м2), что составляет всего 3% годовой суммы.

В годовом ходе при реальных значениях облачности максимум суммарной радиации приходится на июнь (578 МДж /м2), минимум (S МДж /м2) на декабрь. Для прямой радиации максимум наблюдается также в июне и равен 344 МДж /м2, в декабре прямая солнечная радиация практически не поступает. В отдельные годы в зависимости от условий облачности и прозрачности атмосферы соотношения прямой и рассеянной радиации в общем приходе суммарной радиации могут значительно отличаться от средних величии. Так, например, июнь— июль 1972 г. отличались необычайно сухой, солнечной и жаркой погодой с температурами на 2 … 4°С выше средней многолетней. Одной из причин, обусловивших необычайно высокую температуру воздуха в эти месяцы, явилось увеличение прихода прямой солнечной радиации на 24 % по сравнению со средним. Наоборот, в июне 1976 г. приход прямой солнечной радиации снизился на 47 % и был наименьшим за 24-летний период. В этом месяце преобладала пасмурная дождливая погода (количество пасмурных дней 20) с температурой на 2,9 °С ниже средней многолетней.

В отдельные месяцы, в основном в осенне-зимний период, максимальные и минимальные отклонения месячных сумм суммарной радиации от средних значений достигают 40 … 70 %,что и представлено в табл. 5

Суточный ход суммарной и прямой радиации определяется в основном высотой солнца, и поэтому максимум при отсутствии облачности приходится на полдень. В теплый период года при реальных условиях облачности изменение прямой солнечной радиации в течение для несимметрично относительно полудня дополуденные суммы больше послеполуденных, что хорошо согласуется с развитием конвективной облачности и увеличением запыленности атмосферы. Для холодного времени года, наоборот, типична слоистая облачность и максимум ее наблюдается утром, днем она рассеивается, и за счет этого во второй половине дня приход прямой солнечной радиации увеличивается (рис. 6).

Из рис. 6 также видно, что большая закрытость горизонта на станции Ленинград, ИЦП обусловливает уменьшение прямой радиации в утренние и вечерние часы для всех сезонов и прежде всего для зимы, когда солнце в полдень поднимается всего на 6 … 8°.

Средние суточные суммы суммарной радиации изменяются от 0,42 МДж /м2 в декабре до 19,78 МДж /м2 в июне (см. табл. 1 приложения). Такое большое колебание сумм радиации объясняется не только продолжительностью дня, изменением высоты солнца, но и характером облачности. Летом хорошо развитая облачность при открытом диске солнца увеличивает общий приход радиации за счет резкого увеличения рассеянной радиации и высокой интенсивности прямой солнечной радиации. При сплошной облачности среднего и нижнего яруса, когда прямая радиация отсутствует, поток суммарной радиации равен, потоку рассеянной радиации.

Значительное влияние на приход радиации оказывает и прозрачность атмосферы — величина изменчивая, испытывающая сезонные и суточные колебания. Прозрачность атмосферы характеризуется коэффициентом прозрачности.

Для Ленинграда рассчитанные за последние 10 лет (1967— 1976 гг.) коэффициенты прозрачности атмосферы колеблются от 0,7 до 0,76. Их значения несколько занижены по сравнению с коэффициентами, помещенными в «Справочнике по климату СССР» , что объясняется значительной запыленностью от заводских труб, в основном при ветрах южных направлений, и характерно только для микрорайона расположения метеоплощадки.

Суточный ход прозрачности наиболее выражен в теплый период года. Самая низкая прозрачность атмосферы наблюдается в околополуденные часы, что можно объяснить увеличением количества водяного пара и аэрозолей в атмосфере к этому времени (рис. 7).

В годовом ходе наибольшая прозрачность атмосферы наблюдается в период с октября по март, наименьшая — летом. В отдельные дни весной, когда увеличение высоты солнца сочетается с высокой прозрачностью атмосферы, в околополуденные часы па поверхность, перпендикулярную солнечным лучам, поступает 0 ,8 9 … 0,91 кВт/м2 прямой солнечной радиации.

Различие в коэффициентах прозрачности города и сельской местности хорошо прослеживается по данным табл. 6. Коэффициент прозрачности в Ленинграде значительно ниже, чем в Николаевском, что, вероятно, объясняется большей запыленностью от промышленных предприятий и транспорта. Как результат загрязнения атмосферы в городе и затенения многоэтажными зданиями, явилось недополучение городом солнечной радиации в среднем от 5 % летом до 50 % зимой (см. табл. 2 приложения) .

Широкое применение в агрономии и других отраслях сельского хозяйства, связанных с растениеводством, получила фото- синтетически активная радиация (ФАР). Эта часть солнечной радиации ограничена длинами воли 0,38…0,71 мкм и используется растениями в процессе фотосинтеза. В среднем ФАР представляет половину суммарной радиации, во всех других случаях рассчитывается по принятым формулам.

Для Ленинграда средняя годовая сумма ФАР равна 1520 МДж /м2; за активный вегетационный период, когда средняя суточная температура выше 10 °С, сумма ФАР 1050… ИЗО МДж /м2. Распределение в течение года средних декадных и месячных сумм ее дано в табл. 7.

Радиационный баланс подстилающей поверхности — разность коротковолновой поглощенной радиации (5 К) и эффективного излучения (Еэф) — получается в результате непосредственных измерений. Он может быть положительным и отрицательным в зависимости от соотношений между приходом тепла к подстилающей поверхности и его расходом. Если приход тепла к подстилающей поверхности за счет коротковолновой радиации превышает расход за счет эффективного излучения, то радиационный баланс положителен, и наоборот. Ночью баланс определяется только эффективным излучением и всегда отрицателен. В зимние месяцы с устойчивым снежным покровом радиационный баланс может быть отрицательным в течение круглых суток.

При положительном радиационном балансе тепло идет на нагревание воздуха, почвы и на испарение, а при отрицательном — земля охлаждается и забирает тепло из воздуха.

Годовой ход радиационного баланса определяется суммарной радиацией, эффективным излучением и альбедо подстилающей поверхности. Взаимосвязь этих величин при реальных условиях облачности показана на рис. 8. Следует отметить, что влияние облачности на радиационный баланс в течение года различно. В теплое время года облачность уменьшает радиационный баланс за счет отсутствия прямой солнечной радиации; зимой, наоборот, радиационный баланс при облачности увеличивается за счет уменьшения эффективного излучения и отраженной радиации. Средняя годовая величина радиационного баланса составляет 1430 МДж /м2. Максимальные значения наблюдаются в июне— июле: 3 4 4 … 327 МДж /м2, что составляет 60 % общего прихода суммарной радиации за месяц. К осени с уменьшением прихода солнечной радиации значительно уменьшается и радиационный баланс; в октябре он переходит через нуль к отрицательным значениям. Его величина в это время составляет 10 … 12% суммарной радиации. Наибольших отрицательных значений он достигает в декабре— январе (— 25, —29 МДж /м2). С ноября по февраль радиационный баланс отрицателен и сумма его за этот период колеблется от — 84 до и — 126 МДж /м2. Переход радиационного баланса к положительным значениям наблюдается в основном в марте, но в отдельные годы зависит от сроков схода снежного покрова. В это время значения радиационного баланса в полуденные часы колеблются от 0,01 кВт/м2 при снежном покрове до 0,38 кВт/м2 при травяном.

За последние 25 лет наибольший отрицательный радиацион­ный баланс (— 63 МДж /м2) отмечен в январе 1972 г., наибольший положительный (406 МДж /м2) в июле 1967 г. (см. табл. 3 приложения).

В суточном ходе величина радиационного баланса также определяется изменением высоты солнца в течение дня и значениями суммарной радиации. Максимум радиационного баланса приходится на полдень, минимум — на ночное время. При облачности радиационный баланс уменьшается по сравнению с ясным небом, что хорошо прослеживается на рис. 9

В зимние месяцы радиационный баланс и в дневные часы, за редким исключением, отрицателен. В остальные месяцы года он меняет знак в суточном ходе от отрицательного к положительному после восхода солнца (при высоте солнца около 7°) и от положительного к отрицательному перед заходом солнца (при высоте солнца 9 … 10°)

В городе годовая сумма радиационного баланса на 90 МДж /м2 больше, чем в сельской местности, несмотря на уменьшенный приход коротковолновой радиации.

По данным табл. 2 приложения видно, что наибольшие различия приходятся на весну и осень. В это время альбедо города на 2 0 … 35 % меньше альбедо пригорода, в летнее время различия не превышают 10 %.

2.3. Радиационный режим вертикальных и наклонных поверхностей

Кроме рассмотренных значений прямой и суммарной радиация, поступающей на горизонтальную поверхность, большой практический интерес при разработке проектов промышленного и жилищного строительства, в гелиотехнике и сельском хозяйстве представляет приход солнечной радиации на наклонные и вертикальные поверхности различной ориентации.

Внутри плотной городской застройки происходит взаимное затенение зданий, которое нарушает общие закономерности радиационного режима и приводит к перераспределению солнечной радиации, создавая в каждом отдельном случае сложный индивидуальный режим, нетипичный в целом для города.

Приход радиации на наклонные и вертикальные поверхности определяется не только факторами, характерными для горизонтальной поверхности (высота солнца, продолжительность дня, облачность и прозрачность атмосферы), но и положением солнца на небосводе (его азимутом), а также ориентацией зданий и сооружений относительно сторон света. Высота и азимут солнца на 15-е число месяца представлены на рис. 10, где азимут отложен на окружности влево и вправо от направлений на юг, а высота по радиусу к центру. Сплошными линиями показан путь солнца по небу на 15-е число каждого месяца. Из рисунков видно, что место восхода и захода солнца в летние месяцы смещается на север. В нюне солнце восходит на северо-востоке (— 144,8°), а заходит на северо-западе (+ 144,8 °). Зимой место восхода и захода смещается к югу и в декабре солнце поднимается над горизонтом на юго-востоке (—40°), а заходит на юго-западе (— 40°).

Общий приход радиации к наклонным и вертикальным поверхностям складывается из прямой, рассеянной и отраженной от земной поверхности радиации. Средние суточные и месячные суммы прямой солнечной радиации для наклонных поверхностей получаются путем пересчета средних суточных и месячных сумм прямой радиации на горизонтальную поверхность умножением на коэффициент Кск .

Приход прямой солнечной радиации на наклонную поверхность зависит от угла наклона поверхности и ее ориентации. Из табл. 8 видно, что эта зависимость больше всего проявляется в зимнее и осеннее время.

Наклонные поверхности (например, крыши) южной ориентации во все месяцы получают радиации больше, чем горизонтальные поверхности, причем с увеличением крутизны приход радиации возрастает. Наклонные поверхности северной экспозиции в течение всего года получают прямой солнечной радиации меньше, чем поверхности других ориентаций, и почти не получают ее зимой при небольших высотах солнца. По сравнению с прямой солнечной радиацией, поступающей на горизонтальную поверхность, северные склоны крутизной 5° в течение года недополучают 5 … 10% , а склоны крутизной 20° в летний период недополучают около 20 … 30 % радиации. Вне зависимости от крутизны склона крыши восточной и западной ориентации получают примерно такое же количество прямой солнечной радиации, как и горизонтальные поверхности. На приход солнечной радиации к склонам всех экспозиций значительное влияние оказывает годовой и суточный ход облачности.

Приход коротковолновой солнечной радиации на вертикальные поверхности (стены) можно рассматривать как частный случай прихода радиации к склонам, т. е. приход определяется взаимным расположением стены и солнца.

В работе 3. И. Пивоваровой дана методика расчета средних месячных сумм прямой и суммарной солнечной радиации для стен любой ориентации.

Наибольшее количество прямой солнечной радиации поступает на южные, юго-восточные и юго-западные стены. В ноябре и феврале южные стены получают тепла в 2 … 6 раз больше, чем горизонтальная поверхность (см. табл. 4 приложения). В летний период (май— август) при большой высоте солнца приход тепла к южным стенам становится на 50 … 70 % ,а в июне на 100 % меньше, чем на горизонтальную поверхность, и на 10 … 20 % меньше, чем к стенам юго-восточной и юго-западной ориентации. За год на южные стены поступает 1340 МДж /м2, на юго-восточные стены — 1290 МДж /м2. Максимум наблюдается в мае— июне, минимум — в январе—декабре. Западные и восточные стены получают также максимальное количество тепла в мае— июне (1 6 8 … 193 МДж /м2) и минимальное в ноябре (4 МДж /м2). В декабре и январе прямая солнечная радиация практически не поступает. Облучение стен северной ориентации происходит с апреля по август с максимумом 46 МДж /м2 в июне. В холодное время года на северную сторону поступает только рассеянная и отраженная радиация.

Наибольшая возможная продолжительность облучения стен различной ориентации дана в табл. 9, 10. Благодаря наличию облачности действительное время облучения значительно уменьшается (табл. 11, 12)/

В дневном ходе поступление прямой солнечной радиации также меняется. Стены СВ, В и ЮВ ориентации получают максимум тепла в дополуденные часы, стены ЮЗ, 3 и СЗ ориентации— во второй половине дня. Южные стены максимум тепла получают в полуденные часы, северные — в утренние и вечерние.

На вертикальные стены одновременно с прямой солнечной радиацией поступает рассеянная и отраженная от земной поверхности и окружающих предметов радиация. Совокупность всех этих потоков и составляет суммарный приход радиации.

При сравнении сумм прихода прямой и суммарной радиации для средних условий облачности на различно ориентированные стены (см. табл. 4, 5 приложения) видно, что вклад рассеянной и отраженной радиации особенно значителен в осенне-зимний период, а в декабре и январе для стен всех ориентаций суммарную радиацию составляет только рассеянная и отраженная радиация.

Наибольшая годовая сумма суммарной радиации 2490 МДж /м2 приходится на южную стену, к ней близки суммы на юго-восточную и юго-западную стены. Для стен этих ориентаций доля рассеянной и отраженной радиаций (вместе взятых) в суммарной примерно такая же, как и для прямой радиации. Приход рассеянной и отраженной радиации на северо-западную и северо-восточную стены больше, чем приход прямой солнечной радиации. Так, на северо-восточную стену за год поступает 1010 МДж /м2 рассеянной и отраженной радиации и только 430 МДж /м2 прямой солнечной радиации. Если в июне и июле поступление прямой солнечной радиации на северные стены в четыре раза меньше, чем на южные, то суммарной радиации только в полтора-два раза.

Стены поглощают не всю поступающую радиацию, часть ее отражается. Количество отраженной радиации зависит от цвета и шероховатости стены. Так как для нагрева стены основное значение имеет поглощенная радиация, то окрашивая стены в различные цвета, можно добиться того, что для всех стен поглощенная радиация будет примерно одинаковой и стены одинаково прогреются

Таким образом, учет поступающей на стены зданий радиации поможет в какой-то степени регулировать температурный режим помещений, систему отопления, вентиляцию и оценивать величину радиации. Известно, что через окно с одинарным остеклением проникает около половины падающей на стену солнечной радиации, а при двойном остеклении — около трети.

2.4. Естественная освещенность

Световой режим местности определяется освещенностью. Естественная суммарная освещенность Eq любой поверхности при ясном небе и небольшой облачности складывается из прямой освещенности Еs, создаваемой лучами солнца, и рассеянной освещенности ED, поступающей от небесного свода и отраженной от земной поверхности, а при сплошной облачности определяется только рассеянной освещенностью.

Данные по естественной освещенности представляют не только научный интерес, но имеют широкое применение в строительной технике, гигиене труда, аэрофотосъемках, в сельском хозяйстве (особенно в растениеводстве) и промышленности.

Непосредственных измерений естественной освещенности на актинометрических станциях не проводится и сведения о световом режиме получают расчетным методом . За единицу освещенности принимается люкс (лк) или килолюкс (клк).

Исходным материалом при расчете суммарной и рассеянной освещенности в Ленинграде послужили инструментальные наблюдения за суммарной и рассеянной радиацией в период 1955— 1964 гг. Данные о суммарной и рассеянной освещенности получены для различного состояния неба: пасмурного, безоблачного и средней облачности. Средняя суммарная освещенность при действительных условиях облачности получена по многолетним данным регистрации суммарной радиации в Ленинграде.

Естественная освещенность горизонтальной поверхности в светлое время суток определяется теми же факторами, что и суммарная радиация: высотой солнца, облачностью, прозрачностью атмосферы и характером подстилающей поверхности.

Основные закономерности годового и суточного хода суммарной освещенности такие же, как у суммарной радиации. Средняя суммарная освещенность при реальных условиях облачности изменяется в пределах от 1 до 55 клк и имеет правильный годовой ход с максимумом в июне и минимумом в декабре. В дневном ходе максимум наблюдается вблизи полудня (см. табл. 6 приложения). Для пасмурного неба суммарная освещенность меняется от 2 до 24 клк, для безоблачного неба — от 5 до 78 клк, что представлено на рис. 11.

В отдельные годы при безоблачном небе и высокой прозрачности атмосферы в околополуденные часы освещенность увеличивается до 80 … 85 клк, а в ноябре—декабре она уменьшается до 2 … 4 клк. В качестве иллюстрации приведен годовой ход суммарной освещенности горизонтальной поверхности по средним многолетним данным в полдень при различных условиях облачности (рис. 12).

Колебания прозрачности атмосферы меньше сказываются на величине суммарной освещенности, так как при помутнении одновременно с уменьшением освещенности, создаваемой прямыми солнечными лучами*, возрастает доля рассеянной освещенности

Суммарная освещенность горизонтальной поверхности существенно зависит и от высоты солнца. При изменении ее от 7 до 55° освещенность при безоблачном небе увеличивается от 5 до 80 клк, с увеличением высоты солнца от 20 до 40° освещенность увеличивается более чем в полтора раза. При пасмурном небе величина освещенности мало меняется и при увеличении высоты солнца в том же интервале практически остается постоянной (рис. 13).

Годовой ход рассеянной освещенности такой же, как и для суммарной , т. е . максимальная рассеянная освещенность наблюдается в летние месяцы (20 . . . 24 клк ) , а минимальная — в ноябре — декабре ( 2 . . . 4 клк ) . Доля ее в суммарной освещенности меняется в течение года . В октябре — феврале освещенность почти полностью определяется рассеянным светом ( 75 . . .1 0 0 % ) , в летний период доля рассеянной освещенности в суммарной составляет 40 . . . 70 % .

В суточном ходе максимум рассеянной освещенности приходится на около полуденные часы и составляет в летнее время для безоблачного неба 11 . . . 13 клк , для средних условий облачности 20 . . . 23 клк , в утренние и вечерние часы при средних условиях облачности рассеянная освещенность близка к суммарной ( рис . 14 ). Рассеянная освещенность при ясном небезначительно зависит от прозрачности атмосферы и высоты солнца. При уменьшении прозрачности атмосферы и увеличении высоты солнца величина рассеянной освещенности увеличивается , что хорошо прослеживается на рис . 15 . При наличии даже небольшого количества облачности все закономерности изменения рассеянной освещенности в зависимости от прозрачности атмосферы нарушаются , при этом величина рассеянной освещенности зависит не только от количества и формы облаков , но и от их расположения на небосводе .

В годовом ходе естественной освещенности обнаруживается определенная связь с характером подстилающей поверхности , так как отражательная способность последней сильно сказывается на величине как суммарной , так и рассеянной освещенности . При одних и тех же условиях наблюдений освещенность будет значительно выше при снежном покрове , чем при растительном . Для облачного неба наибольшее влияние снежного покрова проявляется при больших высотах солнца , при малых высотах снежный покров усиливает освещенность при ясном небе ( табл . 13 ). Из данных табл . 13 следует , что рассеянная освещенность при пасмурном небе и снежном покрове больше на 20 . . . 40 % по сравнению с освещенностью при растительном покрове , а при безоблачном — лишь на 5 . . . 20 % . Не малую роль при этом играет структура снега , его чистота и влажность , так как все это влияет на альбедо . Пределы колебаний освещенности в естественных условиях могут быть значительными . Даже в течение часа уровень освещенности в зависимости от формы и расположения облачности может меняться в несколько раз ( рис . 16).

Можно определить освещенность в том или ином пункте и по заданным условиям . Учитывая то обстоятельство , что режим естественной освещенности не зависит от географического положения пункта наблюдения , а является лишь функцией высоты солнца и облачности , К. С. Шнфрини Л. Н. Гусева разработали схему прогнозам местной освещенности по известной высоте солнца и данным прогноза облачности . Успешность такого прогноза в основном будет зависеть от прогноза облачности . При решении разных научных и практических задач , например планировании расхода электроэнергии , требуются данные о сумеречной освещенности при различных условиях . Методики расчета сумеречной освещенности пока не имеется . Для получения хотя бы некоторого представления о том , какие могут быть величины освещенности в этот период , в работе приводятся таблицы освещенности горизонтальной поверхности в зависимости от глубины погружения солнца при различных состояниях небесного свода и различной подстилающей поверхности. Например, если солнце находится на горизонте при безоблачном небе , освещенность равна 610 лк , а при погружении под горизонт на 5о освещенность всего 7,3 лк .

Освещенность во многом зависит от расположения площадок , на которых ведутся актинометрические наблюдения . Так , в больших городах , где атмосфера замутнена большим количеством дыма и пыли ,а территория застроена , естественная освещенность горизонтальной поверхности значительно меньше , чем освещенность в сельской местности ( табл . 14). Из данных таблицы видно , что в осенне — зимний периода срок 13 ч 30 мин она составляет 54 . . . 84 % , в летний колеблется от 85 до 100 % . В остальные сроки осенне — зимнего периода освещенность в Ленинградена 5 . . . 10 % меньше , чем в Николаевском . Относительное увеличение освещенности сельской местности в зимнее время определяется еще и влиянием более чистого снежного покрова — его большой отражательной способностью.

Сравнение городской освещенности с близким пригородом показано на рис . 17 , где приведен годовой ход отношений суммарной освещенности в Ленинграде и Воейково в срок 13 ч 30 мин . Наибольшее ослабление освещенности в Ленинграде наблюдается в холодное время года — на 25 . . . 30 % , что , очевидно , вызвано ослаблением вентиляции городской атмосферы и скоплением загрязняющих примесей в приземном слое . В теплый период отличие естественной освещенности в Ленинграде от освещенности в Воейково составляет 5 . . . 10 % , а вот отдельные дни при ветрах западной половины горизонта ( дующих от города ) освещенность в Воейково близка , а иногда и ниже освещенности в городе , что , по — видимому , объясняется воздействием дымового шлейфа города .

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АРЕНДНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ПРОМСТРОЙПРОЕКТ

ПОСОБИЕ 2.91 к СНиП 2.04.05-91

Расчет поступления теплоты солнечной радиации

в помещения

Главный инженер института И.Б. Львовский

Главный специалист Б.В. Баркалов

1. Расчетные формулы.

1. В Пособии рассматриваются поступления теплоты в помещения солнечной радиации и от людей. Другие поступления теплоты следует учитывать по заданиям технологов, опытным или литературным данным.

2. Поступления теплоты, Q Вт, в помещении от солнечной радиации через остекленные световые проемы и массивные ограждающие конструкции зданий различного назначения для наиболее жаркого месяца года (июля) и заданного или каждого часа суток, следует рассчитывать по формуле:

(1)

где:

Qi — тепловой поток, Вт, через i-й световой проем;

Qi,м — тепловой поток, Вт, через i-е массивное ограждение;

a,b — число световых проемов и массивных ограждений.

Расчетным является максимальный тепловой поток Qмакс, Вт, выбираемый из часовых поступлений теплоты за период, когда в помещении работают или отдыхают люди или ведется производственный процесс.

3. Тепловой поток прямой и рассеянной солнечной радиации (далее «солнечной радиации») через i-й световой остекленный проем (далее «световой проем»), Вт, следует определять по формуле:

, (2)

где:

— тепловой поток, Вт, солнечной радиации через остекленный световой проем, определяемый по п.п. 4-9;

— показатель поглощения теплового потока солнечной радиации, определяемый по п.п. 10-12;

— тепловой поток теплопередачей через световой проем по п. 13.

Примечание. При определении поступлений теплоты для расчета систем вентиляции, величину допускается не учитывать.

4. Тепловой поток, Вт, солнечной радиации через световой проем рассчитывается по формуле:

(3)

где:

— поверхностная плотность теплового потока, Вт/кв.м, через остекленный световой проем в июле в данный час суток, соответственно от прямой () и рассеянной () солнечной радиации, принимаемая для вертикального и горизонтального остекления по табл. 1, а для наклонного остекления рассчитывается по п. 5;

— коэффициенты облученности прямой солнечной радиацией для учета площади светового проема, незатененной горизонтальной и вертикальной K плоскостями в строительном исполнении, рис 1а, определяемые по п. 6;

.. — коэффициенты облученности для учета поступления рассеянной солнечной радиации через световые проемы, незатененные горизонтальной и вертикальной наружными солнцезащитными плоскостями в строительном исполнении, определяемые по п. 7;

— коэффициент теплопропускания остеклением световых проемов, принимаемые по табл. 2;

— площадь светового проема (остекления), кв.м.

5. Поверхностная плотность тепловых потоков, (Вт/кв.м), поступающих в помещение в данный час суток через наклонное (рис. 2) остекление от прямой и рассеянной солнечной радиации следует определять по формулам:

для остекления а — при или

qп=qп,г·cosa+qп,в·sina; (4)

qp=qp,г·cosa+qp,в·sina (5)

для остекления в — при

qп=q’п,г·cosa-q’п,в·sina (6)

qp=q’р,г·cosa-q’р,в·sina (7)

где:

— поверхностная плотность тепловых потоков, Вт/кв.м, поступающих от прямой (п) и рассеянной (р) солнечной радиации соответственно через горизонтальное (г) и вертикальное (в) остекление той же ориентации, что и наклонное остекление «а», принимаемые по табл.1:

— поверхностная плотность тепловых потоков, Вт/кв.м, поступающих от прямой и рассеянной солнечной радиации через вертикальное остекление, ориентация которого соответствует остеклению »в» противоположна ориентации наклонного остекления »а», принимаемые по табл. 1;

— угол наклона остекления к горизонтальной плоскости, град. (рис. 2).

Примечание: Если при вычислении по формулам (4) и (6) величина окажется отрицательной, то следует считать , т.к. в этом случае остекление находится в тени.

6. Коэффициенты и формулы (3) определяются по формулам:

(8)

(9)

где:

Н, В — высота и ширина светового проема, м;

— ширина горизонтальных и вертикальных строительных солнцезащитных плоскостей, рис. 1а; при отсутствии солнцезащитных плоскостей, но при расстоянии кромки стен от остекления 150 мм и более рекомендуется их учитывать как плоскость, затеняющую оконный проем;

— высота солнца — угол, град., между направлением солнечного луча и его проекцией на горизонтальную плоскость, принимаемая по табл. 3, рис. 16;

— солнечный азимут остекления светового проема, град., определяемый по п.8;

r, s — расстояние, м, от солнцезащитных плоскостей соответственно до вертикального или горизонтального края светового проема (рис.1а).

Примечания: 1. При отсутствии солнцезащитных устройств (СЗУ) в формулах (8) и (9) следует принимать r = s = 0.

2. Если при вычислениях по формулам (8) и (9):

а) или , то следует принять , т.е. световой проем полностью затенен;

б) или , то следует принять или , т.к. тень от солнцезащитного устройства не доходит до светового проема.

7. Коэффициенты принимаются по табл. 4 в зависимости от солнцезащитных углов плоскостей и по рис. 1а, определяемых по формулам:

(10)

, (11)

где:

Н, В, , , r, s — принимаются по п.5 рис. 1а.

8. Солнечный азимут светового проема, град., определяется разностью углов азимута солнца и азимута светового проема (рис. 1б и 3)

(12)

где:

— азимут солнца, град. — угол между направлением на юг и горизонтальной проекцией солнечного луча;

— азимут светового проема, град., угол между перпендикуляром к остеклению и направлением на юг;

— для восточной половины небосклона отрицательны, а для западной половины положительны.

9. Затенение светового проема наружными солнцезащитными плоскостями (в строительном исполнении) рассчитывается по формулам (8) — (11) или графическим построением тени по методу Л.А. Глаубянца . Для графического расчета на горизонтальном разрезе окна через точки и (на гранях защитных ребер, (рис.1а) проводятся горизонтальные проекции солнечных лучей до пересечения их с плоскостью стекол.

Отрезки прямых — , — , — определяют ширину тени, падающей на стекло в данный час суток. Пересечение продолжения прямых — , — , и — с проекцией грани горизонтального защитного элемента (козырька) прямой А — Б обозначаются точки , …, . Полученные отрезки прямых — , ……. и заменяются соответственно равными им отрезками , которые откладываются на прямой f D, проведенной вдоль защитного козырька на вертикальной проекции окна.

Для каждого расчетного часа через точки проводят вертикальные проекции солнечных лучей до пересечения с плоскостью стекол в точках . Длины отрезков представляют высоты тени, создаваемой козырьком на стеклах светового проема.

На фасаде светового проема строятся границы полученной тени и вычисляется площадь затененной и свободной части светового проема (см. пример 2).

10. Показатель «а» — поглощения ограждениями и оборудованием теплового потока прямой и рассеянной солнечной радиации, передаваемого воздуху помещения конвективными потоками, определяется по табл.5. в зависимости от отношения , в котором показатель суммарного усвоения теплоты ограждениями и оборудованием помещения , Вт/град. С:

; (13)

— показатель интенсивность конвективного теплообмена в помещении (м);

, (14)

А — А — внутренние поверхности ограждений помещения и поверхности оборудования, м.

11. Коэффициенты теплоусвоения для ограждений и оборудования определяются по формулам, Вт/(кв.м.град.С):

для окон и остекления фонарей

, (15)

где:

R- термическое сопротивление теплопередаче остеклений световых проемов, принимаемое по прил. 6*СНиП П-3-79**;

— коэффициент теплоотдачи, принимаемый по табл. 4* СНиП II-3-79**;

для перегородок производится расчет для половины их толщины по формуле:

, (16)

где:

R — термическое сопротивление части слоя, м, перегородки, разделенной по оси симметрии;

S — коэффициент теплоусвоения материала слоя на границе разделения.

Для оборудования

, (17)

где:

G — масса оборудования, кг; с — удельная теплоемкость оборудования, Дж/(кг град. С), для металла 481,5 Дж/(кг град .С). )

12. Для определения почасовых поступлений теплоты расходуемой на нагревание приточного воздуха, следует по табл. 1 найти время начала прямой радиации Z и продолжительность прямой радиации через остекленные поверхности помещения , а затем по табл.5, руководствуясь найденными значениями по строке, соответствующей отношению находят значения показателя а для начала радиации Z и затем для всех часов суток Z+1, Z+2 и т.д.

Умножая значение максимального теплового потока солнечной радиации Q (найденного по п.п. 4-9) на полученный показатель а определяют почасовые поступления теплоты, Вт, в помещение, расходуемые на нагревание воздуха (см. пример 1).

13. Тепловой поток теплопередачей, Вт, для данного часа суток через остекленный световой проем (остекление) рассчитывается по формуле:

, (18)

где:

t- средняя за сутки температура наружного воздуха, град. С, принимаемая равной температуре июля по графе 3 таблицы «Температура наружного воздуха» СНиП 2.01.01-82 ;

А — максимальная суточная амплитуда температуры наружного воздуха в июле, град. С, принимаемая по СНиП 2.01.01-82;

— коэффициент, выражающий гармоническое изменение температуры наружного воздуха, принимаемый по табл. 6 ;

t — температура воздуха в помещении, град. С, принимаемая по СНиП 2.04.05-91 (8);

14. Тепловой поток, Вт, через массивную ограждающую конструкцию (наружную стену или покрытие) Q, для данного часа суток (Z) следует определять по формуле.

Q=, (19)

где:

t, t — средняя температура наружного воздуха в июле, по СНиП 2.01.01-82 и температура воздуха в помещении;

— коэффициент поглощения солнечной радиации поверхностью ограждающей конструкции, принимаемый по приложению 7 СНиП II-3-79** ;

J — среднесуточное значение поверхностной плотности теплового потока суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), Вт/кв.м, поступающей в июле следует принимать по табл. 7 для горизонтальной и табл. 8 для вертикальной поверхности;

— коэффициент равный 1 — при отсутствии вентилируемой воздушной прослойки в ограждении (покрытии) и равным 0,6 для всех других ограждающих конструкций;

n — величина затухания амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в ограждающей конструкции, определяемая по п. 3.4* СНиП П-3.79** или по формуле ;

, (20)

где:

— термическое сопротивление ограждения Вт/(кв.м град.С);

— тепловая инерция ограждения,

n = 0,85+0,15 — для многослойных конструкций; (21)

n = 1+0,5R- для конструкций с воздушной прослойкой; (22)

— коэффициенты теплоусвоения материалов первого и второго слоев по ходу тепловой волны, Вт/(кв.м град.С), по СНиП II-3-79**.

— коэффициенты, принимаемые по табл. 6 для каждого часа суток соответственно при ;

— запаздывание температурных колебаний в ограждении определяется по п.15; Z — время максимума суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, принимаемое по табл.7 и 8;

А — по п. 13;

А — амплитуда суточных колебаний суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), принимая по п.1б;

А- площадь массивной ограждающей конструкции (наружной стены, покрытия), кв.м;

15. Запаздывание температурных колебаний в ограждающей конструкции , в часах, определяется по формуле:

, (23)

где:

— тепловая инерция ограждающей конструкции, определяемая по п. 2.4* СНиП II-3-79**.

16. Амплитуда суточных колебаний суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной) А Вт/кв.м, определяется по формуле;

, (24)

где:

— максимальное и среднесуточное значение суммарной солнечной радиации (прямой и рассеянной), поступающей на наружное ограждение, принимается по табл. 7 или 8.

17. Выделения теплоты от взрослых людей в производственных помещениях в зависимости от затрат энергии (категории тяжести выполняемой работы и температуру воздуха в рабочей или обслуживаемой зоне помещений) принимаются по табл. 9.

Тепловыделения от людей в жилых зданиях в теплый период года не учитывается, а в холодный период являются частью величины бытовых тепловыделений, определяемых в соответствии со СНиП 2.04.05-91.

Тепловыделения от людей в общественных зданиях и административно-бытовых помещениях промышленных предприятий принимаются по СНиП на проектирование этих зданий или по ведомственным нормативным документам.

2. Примеры расчетов поступлений теплоты от солнечной радиации.

Пример 1. Определить поступление теплоты солнечной радиации в производственное помещение в одноэтажном здании в Москве (56 град. СШ)., имеющем окна в ЮЗ стене без солнцезащитных устройств.

Влияние солнцезащиты — см. пример 2. В помещении поддерживается постоянная температура воздуха 22 град. С. Характеристика ограждающих конструкций помещения приведена в табл. 10. В помещении установлено технологическое оборудование общей массой 3000 кг, при общей поверхности 200 кв.м.

Решение. Расчеты произведены по методике профессора В.Н. Богословского .

1. Максимальный тепловой поток солнечной радиации через окна площадью 85 кв.м находим по формуле (3) и табл. 1, при максимальной плотности потока прямой радиации 479 и рассеянной 108 Вт/кв.м, при коэффициенте теплопропускания К =0,61 (по табл. 2) и отсутствии защитных устройств на окнах К = 1; К= 1 и К = 1:

Q (479´1 + 108´1)´1´0,61´85 = 30436 Вт;

2 Для определения показателя а поглощения помещением теплового потока солнечной радиации по п.10 находим коэффициенты теплоусвоения, Вт/(кв.м град.С):

для окон по формуле (15) У = 1/(0,34 -1/8,7) — 4,44;

для стены по слою керамзитобетона D = 3,2 > 1;

по п. 3.5 СНиП II-3-79** У = S = 5,03;

для покрытия по слою пенобетона, при D>1, по п. 3.5 СНиП II-3-79**

У = S = 2,19;

для перегородок при D/2 = 0,56 < 1 по формуле (16)

У= 0,0315 ´ 17,98 = 10,2;

для пола при D = 0,63 > 0,5 по формуле (27) СНиП II-3-79**

У = 2 ´ S = 2 ´ 16,43 = 32,9;

для оборудования по формуле (17)

У = 3,6 ´ 10 ´ 3000 ´ 481,5 = 52.

3. Показатель суммарного теплоусвоения помещения по формуле (13):

= 4,44.85+5,03.22+2, 19.216+10,2.260+32,9.216+52=10772 Вт/град.С.

4. Показатель интенсивности конвективного теплообмена по формуле (14):

2,55(85+22+216+260+216+200) — 2547,5 Вт/град.С.

5. Показатель поглощения помещением теплового потока солнечной радиации по п. 10:

а = 4,2.

7. Умножим Q = 30436 Вт на показатели а; полученные часовые поступления теплоты, поглощенные помещением и переданные его воздуху, вносим во вторую строку табл. 11.

8. По формуле (18) определяем величину теплового потока теплопередачей через окна, Вт.

Q = (18,1+0,5 ´ 18,5-22)85/0,34 = 2300- 975,

где — определяется по табл. 6 на пересечении графы, соответствующей 15 часам и строки для того часа, где = 1, что соответствует максимальному поступлению теплоты через окна. Вправо и влево от этого значения по строке 15 находим значения , которые записываем в строку 3 табл. 11, а в строках 4 и 5 почасовые поступлении теплоты через окна.

9. Определяем величину теплового потока, Вт, через наружную стену (табл. б) по формуле (19) для

Q= .

Q = 34,9 + 79 + 110,2 ; при ; Q= 34,9+189,2, Вт,

где: J= 202; А= 699-202 = 497 Вт/кв.м по табл.8 для 56

град. СШ; = 1,16(5+10.) = 27,1 Вт/(кв.м град. С).

По формуле (20) затухание амплитуды колебаний температуры наружного воздуха в стене:

n = (0,83+3 )(0,85+0,15) раз.

Расчет по значительно более сложной формуле (21) СНиП II-33-79** дает n = 22,3 раза — принято в расчете.

10. Поступление теплового потока через наружную стену запаздывает на 2,7D-0,4 = 2,7´3,57-0,4 = 9,2 ч по сравнению с поступлением максимального теплового потока на ЮЗ вертикальную плоскость в 15 ч, т.е. максимальное поступление теплоты через стену будет в 15+9,2 24 часа при=1, которое в табл. 6 находится на пересечении строки 24 и графы 24.

Поэтому по строке 24 находим все остальные значения величины 1, записываем их в строку 6 табл. 11 по = 34,9+189,2 Q, Вт — находим все его значения, приведенные в строке 7 табл. 11.

11. Определяем величину теплового потока, Вт, через бесчердачное покрытие по формуле (19):

Q =

=892,2+393,8+696,6.

где = 691+126-327 = 490 Вт/кв.м по табл.7 для 56 град. СШ. По формуле (20)

n.=

Поступление теплового потока через покрытие теплопередачей от наружного воздуха запаздывает на 2,7´3,93 — 0,4 = 10,2ч по сравнению с поступлением максимального потока от наружного воздуха в 15ч, т.е. максимум наступит в 15+10,2=25,2 или в 1 час ночи.

Этому соответствует = 1. По аналогии с п. 10 данные для , берем на строке 1 табл. 6 и записываем почасовые поступления теплоты 393,8 в строку 9.

12. Максимальный тепловой поток солнечной радиации на горизонтальную поверхность покрытия поступает в 12ч и с запаздыванием 2,7´3,93 — 0,4 = 10,2ч, т.е. в 22ч поступит в помещение, чему соответствует = 1. Данные для , берем на строке 22 табл. 6 записываем в строку 10 табл. 11, вычисляем и записываем почасовые поступления теплоты 696,6 , в строку 11, а в строке 12 приводятся общие поступления теплоты через покрытие.

13. Суммарный максимальный тепловой поток, нагревающий воздух помещения (строка 13 табл. 11) приходится на 17 часов солнечного времени. Он составляет 13,8 кВт или 43% от суммарных максимальных потоков теплоты 30,4 +1,29-0,14+0,88 = 32,4 кВт, рассчитанных с учетом максимального потока солнечной радиации через остекление.

Пример 2. Определить максимальное поступление теплового потока солнечной радиации в 17 часов солнечного времени в помещение, характеристика которого дана в примере 1. Запроектирована защита окон горизонтальными и вертикальными плоскостями в строительном исполнении — козырьками шириной 600 мм и ребрами шириной 500 мм (рис. 3). Высота окон 2 м и ширина 1,2 м, размер r = 0,2 м и S = 0,15 м. Азимут окон 45 град. Солнечный азимут окон 95-45 = 50 град. Азимут солнца () для периода 17 часов по табл. 3 равен 95 град.

Решение. По формулам (8) и (9) определяем коэффициенты

и = 0,92

Определяем солнцезащитные углы по формулам (10) и (11):

,

.

По табл. 4 находим = 0,77; 0,85; = 0,77´0,85 = 0,65.

Тепловой поток солнечной радиации в 17 часов по формуле (3) составит:

Тепловой поток при максимальной плотности, принятой в примере 1, с полученными выше коэффициентами К и К по формуле (3) от прямой и рассеянной радиации составит: (479´0,578 + 108´0,65)´0,61´85 = 17995 Вт или 59% от максимального теплового потока для незатененного окна. С учетом показателя поглощения, а равного для 17 часов 0,39, тепловой поток, поглощаемый воздухом помещения составят 0,39´177995 = 7018 Вт. Поступления от теплопередачи, согласно табл. 11 для 17 часов равны 1026 — 14 + 876 = 1888 Вт, всего 7018 + 1888 = 8906 Вт или 65% от теплового потока через незатененные окна.

Затенение окон от прямой и рассеянной радиации составит (1 — 0,59) 2,4 = 0,984 м. Графическое решение затенения окна представлено на рис. 3. При этом затенение окна от прямой радиации составило:

0,46´2 + 0,74´0,04 = 0,95 м.

Более подробные данные по средствам солнцезащиты см. .

Пример 3. Определить величину теплового потока солнечной радиации, поступающего в 17 ч в помещение, характеристика ограждений которого приведена в примере 1. Помещение дополнительно оборудовано зенитным фонарем с двухслойными стеклопакетами в металлических переплетах площадью 20 кв. м. Окна помещения затенены козырьками и ребрами, как указано в примере 2.

1. Максимальное поступление теплового потока через затененные окна принимаем по примеру 2 — 8906 Вт.

2. Начало поступления теплового потока через фонарь по табл. 1 в 5ч и окончание 20ч, т.е. продолжительность радиации 15ч. Максимальный тепловой поток через фонарь 606+93 = 699 Вт/(кв. град. С) в 12ч солнечного времени.

3. Коэффициент теплоусвоения для фонаря по формуле (15) 1/(0,31-1/8,7) = 5,1 Вт/(кв. м град. С).

4. Показатель суммарного теплоусвоения помещения (по аналогии с п. 3 примера 1):

4,44´85+5,1´20+5,03´22+2,19(216-20)+10,2´260+32,9´216+52 = 10830.

5. Показатель интенсивности конвективного теплообмена остается равным 2547,5 Вт/град. С по п. 4 примера 1. Следовательно и показатель поглощения теплового потока воздухом помещения

а= (10830/2547,5) 4,2

6. При максимальной продолжительности прямой солнечной радиации 12ч, вместо 15ч отсутствующих в табл. 5, находим для 4,2, при скорректированном начале радиация 7ч (вместо 5) для , т.е. для часа Z+10 — соответствующему 17 часам, по табл. 5 величину а= 0,415.

Тогда расчетами тепловой поток солнечной радиации через фонарь по формулам (2), (3) и (13), с учетом Q по аналогии с п. 8 расчета для примера 1

+ Q = 20(606.1+93.1)0,68.1.0,415 + 20(18,1+0,71.9,2-22)/0,31=

= 3945+170 = 4115 Вт.

7. Тепловой поток через окна и непрозрачные конструкции помещения в расчетные 17ч по примеру 2 равен 8906 Вт и через фонарь 4115 Вт, или всего в помещение поступит 8906 + 4115=13021 Вт

по табл. 3 : А = -78 град.; h = 40 град.

по пункту 8 : A =-78 град. — (-90 град.) = 12 град.

По формулам (8) и (9) : К = 1- = 0,91;

K= 1 — = 1,1.

В соответствии с примечанием 2 к п. 6 следует принять К = 1.

По п. 4 : К = 0,91.1=0,91 или 91% площади светового проема будет облучаться прямой солнечной радиацией.

Определяем солнцезащитные углы и по формулам (10) и (11)

= аrсtg = 10°30′; = аrсtg = 12°15′

по найденным углам и по табл. 4 определяем К = 0,84 и К= 0,9.

Коэффициент для учета облучаемости рассеянной радиацией по п. 4, K= 0,9´0,84 = 0,76.

Пример 5. Определить поступление теплоты прямой и рассеянной солнечной радиации между 15 и 16 часами через остекление треугольного фонаря общей площадью 42 кв.м. Остекление ориентировано стороной «а» (рис.2) на ЮЗ (азимут остекления А = 55 град.) и стороной «в» на СВ (А = -125 ). Здание расположено в местности 48°СШ. a = 25°.

(561,1+121,7)21+(380,5+49,3)21 = 23364,6 Вт или в среднем 556,3 Вт/кв.м.

Таблица 1.

Поверхностная плотность теплового потока J солнечной радиации в июле, прошедшего через вертикальное или горизонтальное остекление световых проемов, Вт/ время начала и окончания прямой радиации.

Примечание: 1. Значения радиации приводятся в табл. 1 в виде дроби:

над чертой — прямой радиации,

под чертой — рассеянной.

2. Истинное солнечное время с поясным временем приближенно связано соотношением

где: — географическая долгота места строительства в гр.;

N — номер пояса времени, при этом (где — декретное время);

n- установленное отступление от солнечного времени.

где: — поясное время.

— декретное время.

3. Плотность теплового потока от рассеянной радиации дана с учетом рассеянного отражения прямой радиации от земной поверхности со средним альбедо 20%.

Одним из главных климатообразующих факторов нашей планеты является солнечная радиация, поступающая на землю в виде потока параллельных лучей, идущих непосредственно от солнца (прямая радиация) и от всех точек небесного свода при рассеивании молекулами воздуха и аэрозольными частицами (рассеянная радиация). Эти два вида радиации действуют в природе одновременно как суммарная солнечная радиация и являются основным источником тепловой энергии почти всех природных процессов.

Поступление солнечной радиации на землю определяется прежде всего астрономическими факторами: продолжительностью дня и высотой солнца над горизонтом. Облачность и прозрачность атмосферы вносят коррективы в количество поступающей на землю радиации. На рис. 1 представлено графическое изображение продолжительности дня и ночи в Нижнем Новгороде. В день зимнего солнцестояния 22 декабря продолжительность дня составляет 6 ч 48 мин (это самый короткий день), а в день летнего солнцестояния 22 июня— 17 ч 40 мин (самый длинный день). Промежуток между моментом восхода или захода солнца и глубиной погружения солнца за горизонт на 6° называется гражданскими сумерками. Продолжительность сумерек меняется в течение года и составляет немногим более получаса в марте и более часа в июне, к сентябрю, октябрю их длительность вновь уменьшается до 40 мин. Освещенность во время утренних и вечерних сумерек достаточна для выполнения многих видов работ на улице и в помещении без искусственного освещения.

Высота солнца над горизонтом меняется в годовом ходе существенно. Самая большая высота солнца в полдень наблюдается 22 июня (57°), а самая низкая (10°) —22 декабря.

2.1. Продолжительность солнечного сияния

Продолжительность дня в любом пункте соответствует теоретически возможной продолжительности солнечного сияния. Для Нижнего Новгорода она составляет почти 4,5 тыс. ч за год. Фактическая продолжительность солнечного сияния зависит от режима облачности, отражающего развитие циркуляционных процессов в атмосфере.

При наблюдениях за продолжительностью солнечного сияния определяется время (в часах), в течение которого был виден диск солнца в окрестностях станции. Данная величина характеризуется еще и отношением (в процентах) фактической продолжительности солнечного сияния к теоретически возможной (при безоблачном небе), и числом дней без солнца. Фактическая продолжительность сияния солнца всегда меньше возможной по ряду причин, главная из которых — наличие облачности. В зависимости от количества облаков и их формы, от степени помутнения атмосферы (пыль, дым), степени закрытости горизонта (формы рельефа, растительность, постройки) продолжительность солнечного сияния меняется, никогда не достигая максимально возможных значений (рис. 2).

В Нижнем Новгороде в среднем за год солнце светит около 1800 ч, что составляет 40 % возможной продолжительности. Более 100 дней в году солнца не видно вообще, так как небо покрыто плотным слоем облаков. Наибольшая продолжительность солнечного сияния наблюдается в июне, наименьшая — в декабре. Возможная продолжительность солнечного сияния в короткие зимние дни невелика, однако фактические величины составляют 10—15 % ее значений, столь велико влияние облачности зимой. В отдельные годы продолжительность солнечного сияния не превышает 1 —10 ч за месяц, т. е. составляет 1—5 % продолжительности при ясном небе.

Начиная с февраля число часов солнечного сияния резко увеличивается, солнце светит уже вдвое продолжительнее, чем в январе, 38 и 77 ч соответственно. Весной продолжительность солнечного сияния возрастает с увеличением продолжительности дня и уменьшением облачности. Уже в мае продолжительность солнечного сияния достигает 256 ч, более 50 % теоретически возможной. В среднем фактическая продолжительность солнечного сияния с мая по август составляет 51—57 %. Но в отдельные годы продолжительность солнечного сияния может достигать и 75—80 % возможной, как это было в июне 1965 г., в июле и августе 1938 г. При преобладании пасмурной дождливой погоды и в летние месяцы продолжительность солнечного сияния составляет 30—40 % возможной продолжительности (май 1941 г., июнь 1978 г. и т. д.)

В осенне-зимний период из-за уменьшения продолжительности дня и увеличения облачности число часов солнечного сияния уменьшается до 20—40 (ноябрь — январь). При сохранении ясной погоды продолжительность солнечного сияния может вдвое превышать среднюю величину.

Годовой ход числа дней без солнца определяется режимом облачности, максимум приходится на декабрь — 23 дня. Немного дней без солнца бывает с апреля по сентябрь, даже при преобладании пасмурной погоды совершенно без солнца может быть только 4—9 дней (июнь 1977 г., сентябрь 1958 г.) (табл. 1).

Для характеристики режима солнечного сияния использованы наблюдения по гелиографу универсальной модели на ст. Горький, Мыза (Приокский район) за период с 1933 по 1980 г.

2.2. Радиационный режим подстилающей поверхности

На актинометрических станциях ведутся наблюдения за прямой солнечной радиацией, поступающей на перпендикулярную солнечным лучам поверхность (S), рассеянной радиацией (D), суммарной солнечной радиацией (Q), отраженной земной поверхностью радиацией (RK) и радиационным балансом (В). Некоторые характеристики радиационного режима можно получить расчетным путем: прямую радиацию, поступающую на горизонтальную поверхность (S’), альбедо (Ак) —отношение отраженной радиации к приходящей суммарной. Годовая сумма прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность при ясном небе, т. е. возможный приход, составляет 4,5 тыс. МДж/м2, рассеянной радиации (при тех же условиях) —около 1,3 тыс. МДж/м2, т. е. почти в 3,5 раза меньше, (рис. 3).

Значительное влияние на приход солнечной радиации оказывает прозрачность атмосферы, имеющая сезонные и суточные колебания. Принято считать, что прозрачность атмосферы сильно понижена при коэффициенте прозрачности р = 0,65… 0,70, нормальная при р — 0,75, повышена при р = 0,80, высокая при р = 0,85. Энергетическая освещенность атмосферы прямой радиацией может увеличиваться на 15—20 % при высокой и уменьшаться на 25—30 % при низкой прозрачности атмосферы в сравнении со средними значениями. Самая низкая прозрачность атмосферы наблюдается летом в околополуденные часы, что можно объяснить увеличением количества водяного пара и аэрозолей в атмосфере. В годовом ходе наибольшая прозрачность атмосферы отмечается с октября по март (р = 0,76… 0,78) наименьшая — летом (р = 0,73… 0,74).

Облачность не только снижает приход прямой солнечной радиации, но и вносит коррективы в ее суточный и годовой ход. При средней облачности основным фактором, влияющим на количество приходящей радиации, является высота солнца над горизонтом.

В Нижнем Новгороде облачность уменьшает поступление прямой солнечной радиации на 60—65 % в среднем за год и увеличивает поступление рассеянной радиации в 1,5 раза. Доля различных видов радиации в суммарной при средних условиях облачности приведена в табл. 2.

Годовой приход суммарной радиации при средних условиях облачности равен 3667 МДж/м2 (см. табл. 1 приложения).

В годовом ходе максимум месячных величин всех видов радиации при ясном небе и при средних условиях облачности приходится на июнь, минимум — на декабрь. В отдельные годы в зависимости от облачности приход суммарной радиации может значительно отличаться от средних величин (табл. 3). Суточный ход суммарной и прямой радиации определяется в основном высотой солнца, и поэтому максимум при отсутствии облачности приходится на полдень. При наличии облачности в теплый период года дополуденные суммы радиации, как правило, больше послеполуденных, а в холодное время года — наоборот.

Средние суточные суммы суммарной радиации при средних условиях облачности изменяются от 2 МДж/м2 в декабре до 21 МДж/м2 в июне (см. табл. 1 приложения). Такое большое колебание сумм объясняется не только изменением продолжительности дня, высоты солнца над горизонтом, но и характером облачности. Летом хорошо развитая облачность при открытом диске солнца повышает общий приход радиации за счет резкого увеличения рассеянной радиации и высокой интенсивности прямой.

Количество отраженной от подстилающей поверхности радиации зависит от свойств этой поверхности (цвета, увлажненности, структуры). Отражательная способность естественной поверхности (альбедо Ак) весьма разнообразна. Летом в среднем отражается 20 % приходящей радиации, а в период со снежным покровом 55— 74 % (см. табл. 1 приложения), отражательная способность свежевыпавшего снега возрастает до 80—90 %.

Радиационный баланс подстилающей поверхности в зависимости от соотношения между приходом и расходом тепла может быть как положительным, так и отрицательным. Если приход тепла к подстилающей поверхности за счет коротковолновой радиации превышает расход за счет эффективного излучения, то радиационный баланс положителен, и наоборот. Ночью баланс определяется только эффективным излучением и поэтому всегда отрицателен. В зимние месяцы при наличии устойчивого снежного покрова радиационный баланс отрицателен в течение полных суток.

При положительном радиационном балансе тепло идет на нагревание воздуха, почвы и на испарение, а при отрицательном — земля охлаждается и забирает тепло из воздуха.

Годовой ход радиационного баланса определяется суммарной радиацией, эффективным излучением и альбедо подстилающей поверхности. При облачности в теплое время года баланс уменьшается из-за отсутствия прямой солнечной радиации, зимой, наоборот, увеличивается за счет уменьшения эффективного излучения и отраженной радиации.

Средний годовой радиационный баланс составляет около 1400 МДж/м2. В годовом ходе с ноября по февраль радиационный баланс отрицателен, а с марта по октябрь положителен. Максимум радиационного баланса приходится на июнь: 338 МДж/м2, что составляет более 50 % общего прихода суммарной радиации за месяц.

В суточном ходе максимум радиационного баланса приходится на полдень, минимум — на ночное время. В течение суток переход отрицательных значений радиационного баланса к положительным отмечается после восхода солнца (при высоте солнца около 7°) и от положительных к отрицательным — перед заходом солнца (при высоте солнца 9—10°). Максимальное значение радиационного баланса наблюдается летом около полудня: чуть более 0,40 кВт/м2.

Световая часть излучения солнца, ограниченная длинами волн от 0,38 до 0,71 мкм (фотосинтетически активная радиация ФАР), особенно активно используется растениями при фотосинтезе.

Месячные суммы ФАР при средних условиях облачности для Нижнего Новгорода изменяются от 10 МДж/м2 в декабре до 300 МДж/м2 в июне.

За вегетационный период, когда средняя суточная температура воздуха выше 10 °С, сумма ФАР равна 1200—1250 МДж/м2. Данные о радиационном режиме Нижнего Новгорода получены по материалам актинометрических наблюдений за период с 1957 по 1980 г.

Переход от единиц, включающих калорию, к единицам СИ осуществляется с помощью следующих соотношений:

1 калДсм2 • мин) = 698 Вт/м2 = 0,698 кВт/м2,

1 кал/см2 = 4,19 • 104 Дж/м2 = 41,9 кДж/м2,

1 ккал/см2 = 4 ,1 9 • 107 Дж/м2 = 41,9 МДж/м2.

для решения многих многих задач в промышленном и жилищном строительстве, в гелиотехнике и сельском хозяйстве требуются данные о приходе солнечной радиации на наклонные и вертикальные поверхности различной ориентации. Приход радиации на наклонные и вертикальные поверхности определяется не только факторами, характерными для горизонтальной поверхности (высота солнца, продолжительность дня, прозрачность атмосферы), но и положением солнца на небосводе (азимутом), а также ориентацией зданий и сооружений относительно сторон света.

Высота и азимут солнца на 15-е число месяца представлены на рис. 4, где азимут отложен на окружности влево и вправо от направления на юг, а высота по радиусу к центру. Сплошными линиями (толстыми) показан путь солнца по небу на 15-е число каждого месяца. На рисунке видно, что место восхода и захода солнца меняется от месяца к месяцу. В июне солнце восходит на северо- востоке (—138°), а заходит на северо-западе (138°). Зимой место восхода и захода смещается к югу, и в декабре солнце восходит уже на юго-востоке (—46°), а заходит на юго-западе (46°).

Общий приход радиации к наклонным и вертикальным поверхностям складывается из прямой, рассеянной и отраженной от земли радиации. Средние суточные и месячные суммы прямой солнечной радиации для наклонных и вертикальных поверхностей рассчитываются путем умножения средних суточных (и месячных) сумм прямой радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, на специальный коэффициент.

Наклонные поверхности (например, крыши) южной ориентации во все месяцы получают радиации больше, чем горизонтальные поверхности, с увеличением крутизны приход радиации возрастает(рис. 5). Наклонные поверхности северной экспозиции в течение всего года получают прямой солнечной радиации меньше, чем поверхности других ориентаций, и почти не получают ее зимой при небольших высотах солнца.

По сравнению с прямой солнечной радиацией, поступающей на горизонтальную поверхность, северные склоны крутизной 5° в течение года недополучают 5—10 %, а склоны крутизной 20° в летний период недополучают 20—30 % радиации. Вне зависимости от крутизны склона поверхности восточной и западной ориентации получают примерно такое же количество прямой солнечной радиации, как и горизонтальные поверхности.

Приход прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности (стены) можно рассматривать, как частный случай прихода радиации к склонам, т. е. приход определяется взаимным расположением стены и солнца. В среднем за год наибольшее количество прямой солнечной радиации поступает на южные, юго-восточные и юго-западные стены (см. табл. 2 приложения). В летний период (май — август) при большой высоте солнца приход тепла к южным стенам уменьшается на 40—70 %, а в июне и июле даже на 100 % по сравнению с горизонтальной поверхностью, и на 10—25 % по сравнению со стенами юго-восточной и юго-западной ориентации. В зимний же период (ноябрь — февраль ) южные стены получают тепла в 3-6 раз больше, чем горизонтальная поверхность.

В отдельные годы средние суточные и месячные суммы прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, могут в 1,5—2 раза превосходить средние значения.

Облучение стен северной ориентации происходит с апреля по август с максимумом 42 МДж/м2 в июне (см. табл. 2 приложения). В холодное время года на северную сторону поступает только рассеянная и отраженная радиация.

Сведения о теоретически возможной продолжительности облучения стен различной ориентации для Нижнего Новгорода приведены в табл; 4. Однако из-за наличия облачности фактическое время облучения значительно меньше (табл. 5).

В дневном ходе максимум тепла стены СВ, В и ЮВ ориентации получают в дополуденные часы, а стены ЮЗ, 3 и СЗ ориентации во второй половине дня. Южные стены максимум тепла получают в полуденные часы, а северные — в утренние и вечерние.

Кроме прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности поступает также рассеянная и отраженная от земной поверхности и окружающих предметов радиация. Совокупность всех этих потоков составляет суммарный поток радиации ( см. табл. 3 приложения).

Сравнение вкладов различных видов радиации (прямой, рассеянной и отраженной) в суммарный приход при средних условиях облачности с учетом ориентации вертикальной поверхности показывает, что вклад рассеянной и отраженной радиации особенно значителен в осенне-зимний период, а для стен северной ориентации с октября по март суммарную радиацию составляют только рассеянная и отраженная радиация. Для стен ЮВ, Ю и ЮЗ ориентации доли рассеянной и отраженной радиации (вместе взятых) и прямой примерно равны. Приход рассеянной и отраженной радиации на СЗ и СВ стены больше, чем приход прямой солнечной радиации.

Стены поглощают не всю поступающую радиацию, часть ее отражается. Количество отраженной радиации зависит от цвета и шероховатости стены. Окрашивая стены в разные цвета, можно добиться того, что стены различной ориентации будут поглощать примерно одинаковое количество радиации и, следовательно, будут одинаково прогреваться. Учет поступающей на стены зданий радиации может помочь при регулировании температурного режима помещений, системы отопления и вентиляции.

2.4. Естественная освещенность

Данные о естественной освещенности находят применение в строительной технике, гигиене труда, аэрофотосъемках, сельском хозяйстве и научных исследованиях. Непосредственных измерений естественной освещенности на актинометрнческих станциях не проводится, сведения о световом режиме получают расчетными методами . За единицу освещенности принимается люкс (лк) или килолюкс (клк). Исходным материалом для расчетов освещенности служат данные о суммарной и рассеянной радиации. Естественная освещенность горизонтальной поверхности в светлое время суток определяется теми же факторами, что и суммарная радиация: высотой солнца над горизонтом, облачностью, прозрачностью атмосферы и характером подстилающей поверхности.

Основные закономерности годового и суточного хода суммарной освещенности такие же, как и у суммарной радиации. Средняя суммарная освещенность при средних условиях облачности в Нижнем Новгороде изменяется от 1 до 60 клк и имеет правильный годовой ход с максимумом в июне и минимумом в декабре (рис. 6а). В дневном ходе максимум наблюдается в полуденные часы. При ясном небе суммарная освещенность в полуденные часы летом (в июне) достигает 84 клк (рис. 6 6). На рис. 7 приведен годовой ход суммарной освещенности горизонтальной поверхности по средним многолетним данным в полдень при различных условиях облачности. Суммарная освещенность горизонтальной поверхности при безоблачном небе существенно зависит от высоты солнца. При пасмурном небе освещенность мало меняется и практически не зависит от высоты солнца (рис. 8).

Годовой ход рассеянной освещенности горизонтальной поверхности такой же, как и для суммарной, с максимумом в июне (28 клк) и минимумом — в декабре (6 клк) (рис. 9). В ноябре — январе суммарная освещенность почти полностью определяется рассеянным светом, в летний период доля рассеянной освещенности в суммарной составляет 50—60 %.

В суточном ходе максимум рассеянной освещенности приходится на околополуденные часы и составляет в летнее время при средних условиях облачности 26—28 клк, в утренние и вечерние часы рассеянная освещенность при средних условиях облачности близка или равна суммарной, т. е. суммарная освещенность состоит только из рассеянной.

В годовом ходе естественной освещенности обнаруживается четкая связь с характером подстилающей поверхности, поскольку отражательная способность последней сказывается на величине как суммарной, так и рассеянной освещенности. При одних и тех же условиях наблюдений освещенность будет значительно выше при снежном покрове, чем при растительном. В условиях облачного неба наибольшее влияние снежного покрова на освещенность проявляется при больших высотах солнца, при малых высотах солнца снежный покров усиливает освещенность при ясном небе.

Вообще пределы колебаний освещенности в естественных условиях могут быть значительными, в зависимости от формы и расположения облаков на небосводе уровень освещенности может меняться несколько раз даже в течение часа .

Годовая инсоляция одного квадратного метра горизонтальной площадки в разных городах России в мегаваттах.

Количество попадающего на освещаемую поверхность потенциально полезного солнечного излучения определяется понятием, именуемым инсоляцией. Солнечная инсоляция сильно изменяется от одной точки земной поверхности к другой. Степи Астрахани получают значительно больше света, чем Петрозаводск или Санкт-Петербург.

При нахождении величины инсоляции какого-либо района необходимо учитывать несколько факторов:

• влияние времени года, обуславливающее более низкую освещенность и долготу дня зимой;
• -характер местности, освещаемой солнцем (наличие загораживающих солнце деталей рельефа);
• -местные погодные условия (облачность, туман, дождь);
• -длительность солнечного облучения, т.к. солнечные лучи, падающие на освещаемую поверхность под очень малым углом, малопригодны для использования. Как говорится, «…и хотя закат может быть восхитительным, его лучи далеко не так энергичны, как хотелось бы » ;

На этой страничке приведена таблица характеристик солнечной радиации в основных районах России с градацией по месяцам года и ориентации световоспринимающей плоскости в пространстве.

Месячные и годовые суммы суммарной солнечной радиации, кВт.ч/м2.