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/м², 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/м², 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/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:

(3)

где S_i^hor, D_i^hor – величины прямой и рассеянной солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности, МДж/м², 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.

Рисунок 1. 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).

Таблица (подробнее) Поток суммарной солнечной радиации, приходящей за отопительный период на горизонтальную и вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, кВт • ч/м2 (МДж/м2)   Графики (подробнее) Поток суммарной солнечной радиации, приходящей за каждый месяц отопительного периода на горизонтальную и вертикальные поверхности при действительных условиях облачности, кВт• ч/м2 (МДж/м2)

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.