Учебники 80362

11

способность поглощаться строительными материалами с выделением теплоты.

Именно эти свойства и определяют специфику гелиотехнического конструирования зданий и солнечных энергогенерирующих систем для них.

1.2.Солнечная энергооблученность зданий и сооружений

Здания и сооружения участвуют в многокомпонентном лучистом теплообмене в системе «солнечная радиация - атмосфера - объект», который происходит в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра. Достигаемый интегральный теплотехнический эффект от воздействия солнечной радиации, зависит от формы здания, его ориентации, объемноконструктивного решения наружных ограждений, коэффициентов поглощения строительных материалов.

Рассмотрим характер взаимодействия солнечного излучения на здание как на геометрическое тело простой формы. Для этого воспользуемся имеющимися климатическими наблюдениями [50, 72, 168] за действительными суммами солнечной радиации с учетом облачности, так как значения данных величин участвуют в тепловом балансе сооружений, как в летние месяцы, так и в отопительный сезон.

Обобщенным показателем энергетического уровня солнечной радиации на поверхности зданий принято считать приведенную солнечную облученность единицы площади наружных ограждений. Эта величина позволяет количественно определить достигаемый теплотехнический эффект при воздействии солнечного излучения на конкретный строительный объект. Она также позволяет оценить влияние архитектурной формы, ориентации, времени года и суток на балансовом участии солнечной энергии в тепловом режиме зданий, то есть является в какой-то мере критерием энергоэффективности объемнопланировочных решений зданий.

Приведенная энергообученность эталонного здания, то есть абсолютно черного тела кубической формы при длине граней 1 м, для климатических условий (рис. 1.8), где имеются данные многолетних актинометрических наблюдений, показывает, что ее ресурс в основном пропорционален облученности горизонтального покрытия. Максимум данного параметра при учете статистической облачности в северных широтах приходится на июнь (Архангельск, Санкт-Петербург) и достигает 3477-4164 Вт/м2 (рис. 1.8) [168].

Отметим, что по абсолютной величине приведенная облученность эталона в Архангельске в весенние и летние месяцы выше, чем в Санкт-Петербурге, на 5,5 %, а в мае-июле она на 4 % ниже среднесуточной облученности в Волгограде. Не смотря на то, что активное облучение зданий в Архангельске продолжается около месяцев в году, из приведенных данных (рис. 1.8) следует, что на севере при определенных условиях можно развивать некоторые направления солнечного горячего водоснабжения, и в первую очередь для работающих в летние месяцы сооружений.

12

Рис. 1.8. Годовая приведенная солнечная облученность для гелиоклиматических условий: 1 – Архангельска; 2 – Волгограда; 3 – Санкт-Петербурга; 4 – Сочи; 5 - Уссурийска

Южнее 50 ос.ш. годовой максимум приведенной облученности эталона за счет действительных условий облачности смещается на июль (рис. 1.8). Наиболее ярко выраженное увеличение рассматриваемого показателя характерно для весенних месяцев и начала лета [168]. Во второй половине лета и осенью значения приведенной облученности эталонных зданий в различных городах и географических районах распределяются пропорционально не только изменению общего прихода суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, но и с учетом неоднородного возрастания облачности, числа дождливых и пасмурных дней.

Следует отметить некоторые не характерные моменты, например, годовой фонд приведенной облученности на Дальнем Востоке, вызванны особенностями климата, в частности, влиянием муссонов в Приморье. Например, для г. Уссурийска (рис. 1.8) приведенная облученность летом минимальна по сравнению с другими регионами России и максимальна в зимние месяцы.

Таким образом, анализ приведенной облученности эталонных зданий подтвердил, прежде всего, естественную предрасположенность южных регионов для строительства гелиоактивных зданий, в том числе и Приморского края. Но

13

необходимо отметить, что разработка более совершенного оборудования систем утилизации солнечной энергии позволит расширить территорию ее эффективного использования для зданий различного назначения.

Целесообразность экспериментального или серийного строительства гелиотехнических зданий в том или ином районе должна выявляться на основании анализа его энергооблученности и сопутствующих климатических факторов, непосредственно влияющих на тепловой режим наружных ограждений. В комплексную климатологическую характеристику метеоусловий региона помимо актинометрических показателей входят данные о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, суточном и сезонном ходе облачности, туманах и осадках и, что обеспечивает возможность полноценного анализа с прогнозированием замещения нагрузок систем жизнеобеспечения зданий солнечной энергией.

Статистически достоверная информация о взаимосвязи таких важнейших характеристик климата, как температура наружного воздуха и ветер, с поступлением действительных сумм солнечной радиации для обеспечения контрастной репрезентативности была получена на основе анализа климатических наблюдений в работе [168]. При этом были выявлены важные для гелиоактивных зданий взаимосвязи параметров:

Наиболее высоким среднемесячным значениям суммарной радиации соответствуют более высокие температуры наружного воздуха. Это положение также характерно и для самых низких температур отопительного периода, наблюдаемых также при ясном небе, поэтому в дневное время суток возможна компенсация тепловых потерь зданий посредством поступления преобразованной солнечной радиации за счет гелиотехнических устройств и элементов ограждений;

Температура воздуха при отсутствии облачности в холодный период года в среднем на 3-5 оС выше, чем при пасмурной погоде, а суммарная радиация в холодные месяцы при повышенной облачности в 2 раза ниже, чем при наблюдаемом солнечном сиянии;

Скорость ветра и состояние облачности имеет не столь явную взаимосвязь, чтобы ее учитывать в расчетах.

Соотношение солнечной облученности здания, его частей и гелиоприемников при влиянии других климатических факторов и достигаемые результаты в энергосбережении в различных регионах сводятся к следующим возможным ситуациям:

I – солнечной энергии района строительства в холодный период года, достаточно для отопления всего проектируемого полезного объема здания при действительных кпд современных утилизирующих систем;

II – солнечной энергией можно обеспечить отопление отдельных секций или ячеек здания при энергетически выгодных ориентаций гелиоактивных наружных ограждений и устройств;

III – утилизируемой радиации недостаточно для компенсации тепловых потерь здания, но дефицит может быть теплотой, полученной и аккумулированной в солнечные дни отопительного сезона;

14

IV - энергии недостаточно, но при этом дефицит теплоты в холодный период года может быть ликвидирован за счет использования межсезонной аккумуляции солнечной энергии;

V – энергии недостаточно, и ее использование в нагрузках на отопление ограниченно осенним и весенними сезонами; для поддержания нормируемых параметров микроклимата требуется дополнительное тепло, которое может быть частично восполнено за счет летней аккумуляции при базовом традиционном энергоснабжении;

VI – солнечная энергия к сооружениям с базовым традиционным теплоснабжением не поступает в отопительном сезоне, и возможна лишь ее летняя аккумуляция при использовании высокоэффективных устройств утилизации излучения.

Всоответствии с перечисленными ресурсами облученности технические решения по солнечному энергозамещению в компенсации тепловых потерь целесообразно представить в виде следующих основных направлений:

проектирование зданий, которые полностью отапливаются посредством утилизации солнечной энергии (характерно для позиции I);

разработка в проектируемых сооружениях секций, квартир и помещений с одно- и многофасадным облучением (ситуации I и II);

использование наружных ограждений сооружений, расположенных в эффективном радиусе от гелиоактивного здания, в качестве переотражателей для увеличения энергооблученности поглощающих панелей (случаи II-V);

строительство малоэтажных микрорайонов с единой или автономными системами солнечного теплоснабжения (I-III);

проектирование систем утилизации солнечной энергии с пообъектным или централизованным межсезонным аккумулированием теплоты (III-VI).

Вкаждом конкретном случае проектирования необходимо принимать обоснованные решения с использованием высокоэффективных средств по улавливанию солнечной радиации и с последующим аккумулированием теплоты на длительный период времени с учетом нестабильности погодных условий средней полосы и северных широт России. Изменчивость метеорологических параметров вызывает необходимость обязательной установки отопительного дублера для всех систем солнечного обогрева строительных объектов, разрабатываемых в зависимости от рассмотренных случаев энергообеспеченности.

Следует отметить, что уже сейчас существует база данных со значительным количеством конструктивных решений гелиосистем в зависимости от назначения, способа утилизации и производительности установок. Предлагаемое теплоснабжение сооружений от возобновляемого источника имеет значительные преимущества, такие как экологические, экономические и социальные. К ним относятся: сокращение потребления топливно-энергетических ресурсов, снижение вредных выбросов в атмосферу, простота конструкций и надежность

вработе, небольшие эксплутационные расходы, значительный нормативный срок службы оборудования, полная безопасность, включая экологическую и пожарную.

15

1.3. Теплопоступления от солнечной радиации на сооружения и в помещения

Выбор технического решения, направленного на утилизацию солнечного излучения в конкретных климатических условиях прежде всего зависит от величины среднемесячного суммарного поступления радиации.

Основной единицей расчёта солнечной энергии является плотность потока излучения I0, Вт/м2, попадающего на перпендикулярную к нему поверхность, расположенную на среднем расстоянии от Земли до Солнца [131].

На протяжении последних десятилетий показатель данной величины постоянно уточнялся. В настоящее время наиболее достоверным является значение 1360 Вт/м2, которое было получено А. В. Харитоновым и Е. А. Макаровой.

Количество солнечной энергии, поступающей на 1 м2 горизонтальной поверхности земли, может быть определено решением уравнения радиационного баланса, учитывающего поступающие и уходящие потоки энергии от рассматриваемой площадки. Уравнение радиационного баланса можно записать в следующем виде

где IП – интенсивность прямого солнечного излучения, Вт/м2, в пределах земной атмосферы с измененным спектральным составом за счет поглощения коротковолновой части атмосферой; IД - рассеянное диффузионное излучение, Вт/м2, интенсивность которого зависит изменения яркости солнечного сияния и наличия облаков различного типа; IОТ - отраженное от поверхности излучение, Вт/м2, величина которого определяется коэффициентом отражения (альбедо); ЕА, ЕЗ - тепловые излучения, соответственно, атмосферы, направленные к рассматриваемой площадке, и самой поверхности, Вт/м2.

В основном в уравнении баланса преобладает энергии, направленная на поверхность земли в виде потока прямого солнечного излучения, но пренебрежение рассеянным излучением недопустимо, так как для северных районов присутствует в значительной мере теплота от излучения небосвода, особенной

вхолодный период года. и особенной в холодный период года, используют В южных широтах рассеянную необходимо также учитывать в уравнении баланса, хотя она достигает меньших значений. Даже в регионах с продолжительным периодом солнечного сияния (рис. 1.9) диффузная составляющая оказывает

существенное влияние на количество поступающей энергии, которое, например для Ташкента (41 ос.ш.) в соотношении к прямому излучению достигает 53 % в осенний и зимний сезоны, а весной и летом - 30 %. Поэтому для проведения расчетов, позволяющих правельно оценить ресурсы солнечной энергии в различных климатических зонах необходимы данные о коэффициентах отражения, поглощения и пропускания облачного покрова, определяющих его тепловой баланс и зависящих от альбедо облаков.

Альбедо – доля солнечного излучения, отраженного объектом, выражаемая

впроцентах или долях единицы. Альбедо облаков в зависимости от их типа и

16

вертикальной мощности (под вертикальной мощностью понимается высота слоя облаков) колеблется от 0,17 до 0,81 [132].

Рис. 1.9. Продолжительность солнечного сияния на территории РФ

В международной классификации облаков для описания их внешнего вида использованы латинские термины: alto-высоко; cirrus-перистый, cumulusкучевой, nimbus-дождевой и stratus-слоистый. Сочетания этих терминов образовывают наименования десяти главных форм облаков: cirrus-перистые (Ci), cirrocumulus-перисто-кучевые (Cc), cirrostratus-перисто-слоистые (Cs), altocu- mulus-высококучевые (Ac), altostratus-высокослоистые (As), nimbostratus-

слоисто-дождевые (Ns), stratocumulus-слоисто-кучевые (Sc), stratus-слоистые

(St), cumulus-кучевые (Cu), cumulonimbus-кучево-дождевые (Cb).

Альбедо различных типов облаков показывает сильную зависимость данной величины от их мощности, что можно проследить на примере климатических условий Москвы и Архангельска (рисунок 2.10) [131]. Альбедо всех облаков растет с увеличением их мощности. Форма облаков также оказывает существенное влияние на альбедо.

Рис. 1.10. Зависимость альбедо облаков от их мощности для климатических зон: а – Москвы; б - Архангельска

17

У верхней границы земной атмосферы интенсивность солнечного излучения в N-ый день, отсчитанный от начала астрологического года, может быть определена по формуле [132]

Но интенсивность солнечного излучения в определенных географических координатах земной поверхности и конкретный момент времени будет зависеть уже от множества факторов: долготы, широты, состояния воздушной среды, гидрометеорологических показателей и конкретного астрологического часа. В наиболее благоприятных районах значение интенсивности излучения может превышать 1000 Вт/м2.

Как правило, измерения солнечного излучения показывают отклонения от расчетных значений, так как не все учитываемые факторы поддаются точному корреляционному прогнозу. Как показывает анализ многолетних актинометрических наблюдений, поступления солнечного излучения относятся к стохастическим процессам.

Для проектирования гелиоустановок важным этапом является прогнозирование годового, месячного и суточного изменения интенсивности солнечного излучения. На точность расчетов оказывает влияние характеристика структуры временных рядов солнечной радиации, которая предполагает изучение и определение следующих показателей:

- суммарного прямого и рассеянного излучения по сезонам, месяцам и сут-

кам;

-повторяемость суммарной солнечной радиации по месяцам и суткам, в том числе и в виде интегральных распределений, то есть с учетом обеспеченности;

-часовых и мгновенных значений интенсивности солнечного излучения и с повторяемостью в виде интегрального распределения;

-годовой, ежемесячной и суточной продолжительностями солнечного сияния и с их возможной повторяемостью;

-оценку прогнозируемых продолжительностей работы и простоев систем утилизации солнечной энергии.

Поступления в помещения через остекления солнечной энергии, Вт, для четырёх фасадов зданий, можно определить по формуле [36]

где F , SCY - коэффициенты, учитывающие затенение, соответственно, окон и

зенитных фонарей различными непрозрачными конструктивными элементами, значения которых можно принимать по табличным данным [36]; kF , kSCY - ко-

эффициенты относительного проникания солнечного излучения, соответственно, для светопрозраных ограждений окон и фонарей, приводимые в паспортных данных или принимаемые исходя из технических сведений, приведенных в [36]; AF1 , AF 2 , AF 3 , AF 4 - площади световых проемов на фасадах сооружения,

19

Для расчета рассеянной солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, I ДВ можно воспользоваться зависимостями, предложенными в

[36].

Существующие методы определения энергооблученности местностей различных широт часто не дают достаточной точности для оценки имеющихся ресурсов по климатическим зонам. Это так же подтверждается прослеживаемой неравномерностью распределения солнечной радиации по территории РФ (рис. 2.1-2.3). Поэтому целесообразно воспользоваться многолетними данными актинометрических наблюдений для получения зависимостей, прогнозирующих поступление солнечной энергии с учетом различных факторов и прежде всего широты местности. Искомое решение при постановке данной задачи можно записать в виде общего выражения

где φ - широта, с.ш.; a1, a2,…,am – коэффициенты аппроксимации.

При требуемом определении изменений суточных поступлений на облучаемые поверхности местностей известных широт искомая зависимость может быть представлены в виде

где τ – время в 24 часом поясе, ч.

Для аппроксимации с достоверностью от 0,95 до 1 использовались статистические данные [9, 90] облучения солнечной радиацией прямой и рассеянной горизонтальной и вертикальных поверхностей в отсутствии облачности [94, 95, 101]. Полученные формулы, приведенные в табл. 2.1-2.3, позволяют определять энергооблученность солнечной радиацией в любой географической широте, находящейся в диапазоне от 40 до 68.

Таблица 1.1 Поступление прямой и рассеянной солнечной радиации в июле на горизонтальную поверхность при безоблачном небе, Вт/м2

20

Окончание табл. 1.1

Примечание: τ – часы суток, ч.

Таблица 1.1 Суммарное месячное поступление солнечной энергии (прямой и рассеянной) на

горизонтальную поверхность при безоблачном небе в зависимости от географической широты, МДж/(м2·мес)

Примечание: φ - географическая широта, ос.ш.

Полные сведения по поступлению солнечной радиации на вертикальные поверхности различных ориентаций в зависимости от географической широты приведены в приложении 1.