Как вычислить величину напряжения солнечной радиации

Расчет солнечной радиации в зимнее время

Е. Г. Малявина, канд. техн. наук, профессор кафедры отопления и вентиляции МГСУ

А. Н. Борщев, студент факультета «Теплогазоснабжение и вентиляция», МГСУ

В соответствии с последним СНиП «Тепловая защита зданий» [1] для любого проекта обязательным является раздел «Энергоэффективность». Основная цель раздела – доказать, что удельное теплопотребление на отопление и вентиляцию здания ниже нормативной величины. При расчете удельного теплопотребления необходимо знать расход тепловой энергии на отопление здания за год, который определяется как:

(1)

где Q_h – общие теплопотери здания через наружные ограждающие конструкции за отопительный период, МДж;

Q_int – бытовые теплопоступления за отопительный период, МДж;

Q_s – теплопоступления через окна и фонари от солнечной радиации за отопительный период, МДж;

v – коэффициент снижения теплопоступлений за счет тепловой инерции ограждающих конструкций, рекомендуемое значение v = 0,8;

x ≤ 1 – коэффициент эффективности автоматического регулирования подачи теплоты системой отопления, зависящий от типа системы отопления и применяемых в ней средств регулирования;

b _h– коэффициент, учитывающий дополнительное теплопотребление системы отопления, связанный с дискретностью номинального теплового потока номенклатурного ряда отопительных приборов, их дополнительными бесполезными теплопотерями в заприборные участки ограждений, повышенной температурой воздуха в угловых помещениях, теплопотерями трубопроводов, проходящих через неотапливаемые помещения.

В этой формуле неясной является величина Q_s, потому что требующиеся для ее расчета данные об интенсивности солнечной радиации Q, МДж/м 2 , падающей на различно ориентированные по сторонам света вертикальные поверхности, для подавляющего большинства городов отсутствуют или, как для Москвы в [4], указаны неверно. Ошибка в московских нормах заключается в том, что потоки суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность пересчитаны на вертикальные поверхности по законам прямой радиации. Из-за этого величины, относящиеся к южным ориентациям, оказались завышенными, а к северным – заниженными.

В [3] приведена методика получения Q, т. е. даны коэффициенты перехода от интенсивности прямой и рассеянной солнечной радиации, приходящей на горизонтальную поверхность, к интенсивностям радиации на разнонаправленные вертикальные поверхности. Необходимые величины прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность приведены в [2], недоступном для широких масс проектировщиков. Методика расчета состоит в следующем:

1) Определяется суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность для каждого месяца, а затем для всего отопительного периода.

Суммарная (прямая и рассеянная) солнечная радиация на горизонтальную поверхность Q hor , МДж/м 2 , при действительных условиях облачности за отопительный период для каждого климатического района строительства определяется по формуле:

(2)

где Q_i hor – суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности для i-го месяца отопительного периода, МДж/м 2 ;

a – доля дней месяца, приходящихся на отопительный период (принимается для более точного расчета поступлений от солнечной радиации в месяцы начала и конца отопительного периода);

m – число месяцев в отопительном периоде, включая месяцы начала и конца отопительного периода.

2) Определяются суммарные величины солнечной радиации для вертикальных поверхностей различной ориентации для каждого из месяцев, а затем и для всего отопительного периода:

(3)

где S_i hor , D_i hor – величины прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, МДж/м 2 , указанные в [2];

k_i,j – коэффициент пересчета прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности на вертикальную для i-го месяца отопительного периода для j-й ориентации, принимается по [3].

Следует сказать, что кроме прямой и рассеянной радиации в [3] предлагается учитывать также и отраженную радиацию. Однако при современном многоэтажном строительстве учет отраженной радиации приведет к завышению расчетных теплопоступлений в помещения и необоснованному снижению расчетной величины энергопотребления здания. Учет отраженной радиации целесообразен при определении летней тепловой нагрузки на системы вентиляции и кондиционирования воздуха, когда он влияет на мощность системы, обслуживающей нижние этажи зданий.

Из формулы (2) следует, что эта методика требует использования данных о числе дней, относящихся к отопительному периоду в его конечных месяцах. Поэтому для 18 городов России была выполнена обработка величин средней за месяцы температуры наружного воздуха в период с августа по июнь для получения не только известной из [5] продолжительности отопительного периода, но и точного его положения в году. Обработка выполнена по стандартной методике, изложенной в пособии [6]. Методика предполагает выполнение следующих действий:

1. Для каждого города выписываются среднемесячные температуры в период с августа по июнь.

2. По этим данным строится гистограмма среднемесячных температур.

3. Гистограмма перестраивается в гладкий график изменения температуры так, чтобы этот график, проходя через центры участков гистограммы (соответствующих средней температуре за каждый месяц), вместе с вертикальными линиями, обозначающими начало и конец данного месяца, образовывал равные по площади кривоугольные треугольники выше и ниже данного участка гистограммы соответственно.

4. На графике параллельно оси абсцисс проводится горизонтальная прямая на уровне наружной температуры 8 °С (начало и конец отопительного периода).

5. По точкам пересечения прямой 8 °С и графика изменения наружной температуры с округлением до 1 дня находятся значения продолжительности отопительного периода Zо.п., сут., месяцы, входящие в отопительный период, и количества дней, приходящихся на отопительный период в месяцах начала и конца отопительного периода.

Получение продолжительности отопительного периода и положения его в году на примере г. Архангельска

На рис. 1 приведен пример получения продолжительности отопительного периода для г. Архангельска.

Используя полученные количества дней в конечные месяцы отопительного периода, по вышеприведенной а схеме были найдены величины интенсивности солнечной радиации на вертикальные поверхности за каждый месяц отопительного периода (показанные на графиках) и за весь отопительный период в целом (результаты расчетов приведены в таблице).

Поток суммарной солнечной радиации, приходящей за отопительный период на горизонтальную и вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, кВт • ч/м 2 (МДж/м 2 )

Поток суммарной солнечной радиации, приходящей за каждый месяц отопительного периода на горизонтальную и вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, кВт• ч/м 2 (МДж/м 2 )

В результате проделанной работы получены данные об интенсивности суммарной (прямой и рассеянной) солнечной радиации, падающей на различно ориентированные вертикальные поверхности для 18 городов России. Эти данные могут быть использованы в реальном проектировании.

Литература

1. СНиП 23–02–2003 «Тепловая защита зданий». – М. : Госстрой России, ФГУП ЦПП, 2004.

2. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Ч. 1–6. Вып. 1–34. – СПб. : Гидрометеоиздат, 1989–1998.

3. СП 23–101–2004 «Проектирование тепловой защиты зданий». – М. : ФГУП ЦПП, 2004.

4. МГСН 2.01–99 «Энергосбережение в зданиях. Нормативы по теплозащите и тепловодоэлектроснабжению». – М. : ГУП «НИАЦ», 1999.

5. СНиП 23–01–99* «Строительная климатология». – М. : Госстрой России, ГУП ЦПП, 2003.

6. Строительная климатология: Справочное пособие к СНиП. – М. : Стройиздат, 1990.

Источник

Записки проектировщика

Современные технологии проектирования и строительства зданий

Методика расчета солнечной радиации

Расчет солнечной радиации необходим при разработке раздела проектной документации “Мероприятия по обеспечению соблюдения требований энергетической эффективности и требований оснащенности зданий, строений и сооружений приборами учета используемых энергетических ресурсов”. В рамках разработки этого раздела необходимо рассчитать величину удельной характеристики теплопоступлений в здание от солнечной радиации. Для расчёта вышеуказанной величины необходимо знать величины потоков суммарной солнечной радиации, приходящей за отопительный период на горизонтальную и вертикальные поверхности. Эти значения можно получить либо расчётным путём, либо взять из нормативной документации.

Методика расчета солнечной радиации

1) Определяется суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность для каждого месяца, а затем для всего отопительного периода.
Суммарная (прямая и рассеянная) солнечная радиация на горизонтальную поверхность Qhor, МДж/м2, при действительных условиях облачности за отопительный период для каждого климатического района строительства определяется по формуле:

где Qihor – суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности для i-го месяца отопительного периода, МДж/м2;
a – доля дней месяца, приходящихся на отопительный период (принимается для более точного расчета поступлений от солнечной радиации в месяцы начала и конца отопительного периода);
m – число месяцев в отопительном периоде, включая месяцы начала и конца отопительного периода.

2) Определяются суммарные величины солнечной радиации для вертикальных поверхностей различной ориентации для каждого из месяцев, а затем и для всего отопительного периода:

где Sihor, Dihor – величины прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, МДж/м2;

ki,j – коэффициент пересчета прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности на вертикальную для i-го месяца отопительного периода для j-й ориентации.

Алгоритм проведения расчёта солнечной радиации:

1. выписать среднемесячные температуры в период с августа по июнь.
2. построить гистограмму среднемесячных температур.
3. Гистограмму перестроить в график изменения температуры так, чтобы он проходил через центры участков гистограммы и вместе с вертикальными линиями, обозначающими начало и конец данного месяца, образовывал равные по площади кривоугольные треугольники выше и ниже данного участка гистограммы.
4. На графике параллельно оси абсцисс провести горизонтальную прямую линию на уровне наружной температуры 8 °С (начало и конец отопительного периода).
5. По точкам пересечения прямой 8 °С и графика изменения наружной температуры с округлением до 1 дня находятся значения продолжительности отопительного периода Zо.п., сут., месяцы, входящие в отопительный период, и количества дней, приходящихся на отопительный период в месяцах начала и конца отопительного периода.

Поток суммарной солнечной радиации, приходящей за отопительный период на горизонтальную и вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, кВт • ч/м 2 (МДж/м 2 )

Населенный пункт Горизонтальная поверхность Ориентация вертикальной поверхности на С СВ/СЗ В/З ЮВ/ЮЗ Ю Архангельск 367 (1 322) 122 (441) 145 (521) 209 (752) 288 (1 038) 320 (1 150) Астрахань 322 (1 160) 91 (325) 97 (349) 172 (619) 300 (1 079) 370(1 331) Волгоград 307 (1 105) 94 (336) 100 (359) 162 (583) 261 (940) 314 (1 130) Иркутск 571 (2 055) 149 (537) 177 (637) 310 (1 118) 495 (1 783) 581 (2 094) Краснодар 241 (868) 76 (273) 78 (283) 121 (435) 194 (698) 235 (845) Курск 309 (1 112) 104 (374) 110 (396) 168 (604) 259 (934) 309 (1 101) Москва 322 (1 158) 112 (403) 119(428) 176 (633) 260 (935) 299 (1 075) Нижний Новгород 312 (1 122) 106 (381) 114 (410) 172 (619) 255 (917) 294 (1 058) Пятигорск (Ставропольский край) 375 (1 350) 116 (417) 123 (444) 187 (674) 294 (1 060) 355 (1 276) Самара 338 (1 220) 104 (374) 113 (405) 185 (668) 298 (1 076) 355 (1 276) Сочи (Краснодарский край) 162 (582) 46 (167) 48 (171) 82 (295) 148 (533) 187 (676) Хабаровск 576 (2 074) 143 (515) 162 (582) 314 (1 130) 541 (1 946) 665 (2 393) Чита 634 (2 281) 157 (565) 188 (676) 349 (1 255) 586 (2 108) 701 (2 522)

Суммарная солнечная радиация на горизонтальные и вертикальные поверхности в зависимости от географических координат

Источник

Естественнонаучный факультет Кафедра биологии, экологии и методики преподавания естествознания (стр. 13 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21

1. Вычертить кривые полуденной высоты Солнца для периода
равноденствий и солнцестояний.

Высота Солнца над горизонтом в день равноденствия

Высота Солнца над горизонтом 22 июня

Высота Солнца над горизонтом 22 декабря

2. Определить по графику высоту Солнца над горизонтом в периоды равноденствий и солнцестояний в Мурманске, Каире, Адис-Абебе, Канберре, Ташкенте и Тобольске.

По карте атласа необходимо предварительно вычислить широ­ту перечисленных городов.

3. Дать анализ графика. Указать: а) как изменяется (в град.) высота Солнца над горизонтом над полюсами, полярными круга­ми, тропиками и над экватором; какова амплитуда годовой высо­ты Солнца над тропиками и на всех широтах, расположенных к северу (в Северном полушарии) и к югу (в Южном полушарии) от тропиков; б) сколько раз и когда Солнце бывает в зените над тропиками и над экватором, на широтах между тропиками; в) вы­вести формулы для определения высоты Солнца над горизонтом в период равноденствий, в период летнего и зимнего солнцестояний для Северного и Южного полушарий.

4. Решите задачи на определения времени.

А. На начальном меридиане 16 ч по местному времени. Сколько времени на 30° з. д., 75° в. д., 28°32′ з. д., 107°56′ в. д., 21°15’з. д.?

Б. Сколько времени в Лондоне, если: а) на 48°31′ з. д. 16 ч 28 мин, 6) на 103°04′ в. д. 4 ч 21 мин, в) на 32°17′ в. д. 23 ч 59 мин, г) на 34°30’45» в. д. 10 ч 20 мин, д) на 27°30’30» в. д. 22 ч 44 мин, е) на 158°32’15» в. д. 0 ч 17 мин?

Примечание: 45 градусов = 3 часа; 3 градуса = 12 минут; 31 минута = 2 минутам и 4 секундам

5. Составить терминологический словарь на тему «Земля как планета», состоящий как минимум из 20 понятий.

Занятие 4. Солнечная радиация

Раздел 3. Радиационный и тепловой баланс Земли

Тема: Солнечная радиация.

1. Вычислить величину напряжения солнечной радиации:

а) при высоте Солнца над горизонтом 85° и прозрачности атмосферы 0,5;

б) при высоте Солнца над горизонтом 30° и прозрачности атмосферы 0,5;

в) при высоте Солнца над горизонтом 10° и прозрачности атмосферы 0,3;

г) при высоте Солнца над горизонтом 10° и прозрачности атмосферы 0,8.

Для определения пути солнечного луча в атмосфере в зависимости от высоты Солнца над горизонтом можно пользоваться следующими данными (построить график):

Высота Солнца над горизонтом, град

Длина пути солнечного луча в атмосфере

При вычислении необходимо использовать формулу:

I= Io(8.3Дж/см2*мин)*P(в степени)m

2. Вычислить величину интенсивности инсоляции:

А. При угле наклона солнечных лучей 75°(hc) и напряжении сол­нечной радиации 3,52 Дж/(см2-мин)( I’);

Б. При угле наклона солнечных лучей 28° и напряжении сол­нечной радиации 3,52 Дж/(см2-мин).

В. При угле наклона солнечных лучей 90° и напряжении сол­нечной радиации 3,52 Дж/(см2-мин).

3. Определить величину солнечной энергии, получаемой склонами холма северной и южной экспозиций, имеющими крутизну
30°, при высоте Солнца над горизонтом 40е и напряжении солнечной радиации 3,01 Дж/(см2-мин).

При вычислении используйте формулу: I=I’*sin*hc

4. Пользуясь таблицей, ответьте на следующие вопросы:

А. На каких широтах в течение года наблюдаются максималь­ные различия в суточных суммах солнечного тепла на границе атмосферы? Как эти различия должны отражаться на температур­ном режиме и степени выраженности сезонов года?

Б. В каком сезоне года наблюдаются максимальные различия в суточных суммах солнечного тепла на границе атмосферы меж­ду полярными и экваториальными широтами? Как это должно ска­зываться на температурных и барических градиентах между экватором и полюсами и интенсивности межширотного обмена воздуш­ных масс?

Таблица. Суточные суммы солнечного тепла

на границе земной атмосферы, кДж/см2, при солнечной постоянной I0 = 8,3 Дж/(см2-мин)

Занятие 5,6. Температура воздуха и тепловой режим Земной поверхности.

Раздел 3. Радиационный и тепловой баланс Земли

Тема: Тепловой режим подстилающей

1. Дать анализ карт радиационного баланса Земли (Физико-
географический атлас мира):

А. Каковы общие закономерности в изменении радиационного баланса на поверхности Земли?

Б. Почему максимальные величины радиационного баланса приходятся на поверхность океана?

В. Какие районы на земном шаре и почему имеют наибольшие величины радиационного баланса?

Г. На каких широтах в зимнее время наблюдается отрицатель­ный радиационный баланс?

Д. Как изменяется величина радиационного баланса в зимнее и летнее время по широтам? В каком сезоне наблюдаются наи­большие поширотные различия?

2. Определить альбедо А различных поверхностей, если изве­стно количество суммарной солнечной радиации Q и отраженной радиации r:

а) снега при Q = 3,52 Дж/(см2-мин) и r = 2,47 Дж/(см2-мин);

б) песка при Q = 5,15 Дж/(см2-мин) и г= 1,55 Дж/ (см2-мин);

в) глинистой почвы при Q = 3,93 Дж/(см2-мин) и r = 0,79 Дж/(см2-мин);

г) луговой растительности при Q = 3,60 Дж/(см2-мин) и r =1,51 Дж/ (см2 — мин);

д) водной поверхности при Q = 2,81 Дж/(см2-мин) и r=0,13 Дж/(см2-мин);

е) облаков при Q = 2,85 Дж/(см2-мин) и г = 2,22 Дж/(см2-мин).

При вычислениях использовать формулу: A=C/Q*100%

3. Дать анализ среднеширотных величин, составляющих теп­лового баланса Земли:

А. Выявить общие закономерности распределения приходной и расходной частей теплового баланса в зависимости от широты.

Б. Определить соотношение между радиационным балансом и затратами тепла на испарение на разных широтах.

В. Сравнить величины прихода и расхода тепла в океане и объ­яснить существующие различия.

Средние широтные величины составляющих теплового баланса поверхности Земли, кДж/(см-год)

Источник