Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 107-91-50 ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"

АВОК ассоциированный
член
Summary:

Влияние теплопоступлений от солнечной радиации на тепловой комфорт в помещении

Impact of Heat Gain from Solar radiation on Inside Thermal Comfort

Eward Arins, Doctor of Engineering, Director of Building Technologies Center at UC Berkeley, Member of ASHRAE, David Heinserling, Engineer, Special at Taylor Engineering,  Member of ASHRAE, Gwelen Paliaga, Engineer, Technical Director at TRC, Member of ASHRAE

Keywords: ASHRAE standard, heat gain from solar radiation, thermal comfort, software, simulation method, directive method

ASHRAE Standard 55–2017 "Thermal environmental conditions for human occupancy" has changed the approach to assessment of solar radiation impact on inside microclimate. Now in additional to calculation of heat gain in a room the Standard requires consideration of direct impact of solar radiation on the thermal comfort of people in the area of direct impact of sun rays.

Описание:

В стандарте ASHRAE 55–2017 [1] изменился подход к оценке влияния солнечной радиации на микроклимат в помещении. Теперь помимо расчета теплопоступлений в помещение стандарт требует учитывать и непосредственное влияние солнечной радиации на тепловой комфорт людей, находящихся в зоне прямого воздействия солнечных лучей.

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЙ ОТ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ТЕПЛОВОЙ КОМФОРТ В ПОМЕЩЕНИИ

В стандарте ASHRAE 55–20172  [1] изменился подход к оценке влияния солнечной радиации на микроклимат в помещении. Теперь помимо расчета теплопоступлений в помещение стандарт требует учитывать и непосредственное влияние солнечной радиации на тепловой комфорт людей, находящихся в зоне прямого воздействия солнечных лучей.

Солнечные лучи (короткие волны, (в литературе США под короткими волнами принято понимать диапазон волн от 0,2 до 3,0 мкм, включающий дальний спектр УФ-излучения, видимый спектр и ближний спектр ИК-излучения.)) проникающие в здание через окна, могут стать причиной проблем с визуальным (блики) и тепловым комфортом.

Рис. 1. Фото иллюстрирует ситуацию, когда один из сотрудников, работая в офисном помещении, находится в зоне прямого воздействия солнечных лучей. Используя новую методологию, проектировщик сможет определить, что средняя радиационная температура на этом рабочем месте будет на 4,7 °C выше, чем на других рабочих местах, и учесть это при разработке проекта вентиляции и кондиционирования

Для ассимиляции теплопоступлений от солнечной радиации необходимо предусматривать систему кондиционирования. При этом теплопоступления от солнечной радиации неравномерны по площади помещения, что создает проблемы с контролем микроклимата. При поддержании комфортной температуры в зоне прямого воздействия солнечных лучей в остальной части помещения, как правило, будет слишком холодно.

Еще одна проблема, которой и посвящена данная статья, связана с тем, что солнечная радиация оказывает непосредственное влияние на ощущение теплового комфорта людей, находящихся в зоне прямого воздействия солнечных лучей.

Для поддержания теплового комфорта человека теплота от солнца, поглощаемая одеждой и кожей, должна быть компенсирована соответствующей температурой, подвижностью воздуха и температурой внутренних поверхностей ограждений помещения. Если облучение людей в помещении солнечными лучами неравномерно по площади, добиться желаемого уровня теплового комфорта для всех – весьма сложная задача.

Ранее данная проблематика практически никак не освещалась в стандартах ASHRAE, ISO и европейских стандартах [2, 3]. В научно-технической литературе после публикации Фангера о факторах, влияющих на ощущение теплового комфорта при прямом воздействии солнечных лучей ([4], 1970 г.), данную тематику затрагивали лишь единицы работ [5–9].

Стоит обратить внимание и на малое количество программных продуктов для оценки и анализа влияния солнечного излучения на тепловой комфорт людей в помещении. Можно предположить, что разработчиков ПО для проектирования останавливает высокая сложность такой задачи – необходимо точно определять позицию каждого человека в помещении и распространение солнечных лучей, учитывать отражающие характеристики предметов, затенение элементами фасада и мебелью, рассчитывать положение солнца и падение лучей на тело человека (нецилиндрическая форма) в течение светового дня.

Таблица 1 Исходные данные для расчетов

При этом архитекторы и проектировщики тратят немало усилий на определение формы фасада, конструкции окон и солнцезащитных элементов, и было бы логично предоставить им инструмент для количественной оценки влияния принятых архитекxтурных и инженерных решений на уровень теплового комфорта людей в помещении. Фактически такие аспекты, как распространение солнечных лучей в помещении, количество людей в зоне прямого воздействия солнечных лучей и интенсивность солнечной радиации в помещении после прохождения окна, определяются решениями, принятыми на ранней стадии архитектурного проектирования (до момента разработки внутренних планировок и расстановки рабочих мест), без должной оценки влияния солнечной радиации на тепловой комфорт людей в помещении. Очевидно, что такой подход требует пересмотра.

Пояснения по исходным данным (табл. 1)

Рассмотрим нововведения в стандарте ASHRAE 55–2017, позволяющие учитывать влияние солнечной радиации на тепловой комфорт людей, находящихся в зоне прямого воздействия солнечных лучей. В стандарте приводятся две методики – директивная и методика моделирования.

Пояснения по исходным данным (табл. 1)

Методика моделирования

Методика моделирования описана в приложении С стандарта ASHRAE 55–2017. Теоретические основы данной методики детально разобраны в работе [10].

Тепловой комфорт человека в помещении зависит от шести факторов: средняя радиационная температура, температура воздуха, его подвижность и относительная влажность, тип одежды и метаболизм. Первые четыре фактора зависят от помещения, принятых архитектурных и инженерных решений, два последних сугубо индивидуальны.

Влияние солнечной радиации на ощущение теплового комфорта оценивается через отклонения в средней радиационной температуре ΔMRT (mean radiant temperature adjustment) для рабочих мест, расположенных в зоне прямого воздействия солнечных лучей (рис. 5).

Рис. 5. Психометрическая диаграмма для двух зон в помещении: зона 1 – вне прямого воздействия солнечных лучей; зона 2 – у окна, в зоне прямого воздействия солнечных лучей. Красная точка – условия сотрудника у окна. Темная зона посередине диаграммы – зона теплового комфорта. При средней радиационной температуре всего помещения 26,7 °C отклонение ΔMRT в зоне 2, вызванное коротковолновым излучением, составляет 4,7 °C

Чтобы оценить это отклонение, в стандартный подход к оценке средней радиационной температуры вводятся уточнения:

  • Средняя радиационная температура рассчитывается не для помещения в целом, а для каждого рабочего места либо зоны с учетом фактической ориентации сотрудника относительно ограждающих помещения поверхностей и попадания на это рабочее место прямых солнечных лучей.
  • Излучение разделяют на коротковолновое и длинноволновое.

При таком подходе именно коротковолновое излучение солнца и длинноволновое излучение нагретых им солнцезащитных элементов будут определять искомое отклонение в средней радиационной температуре на рабочих местах.

Расчет производится в три этапа:

  1. Расчет средней радиационной температуры от внутренних поверхностей с длинноволновым излучением trlw.
  2. Расчет средней радиационной температуры от коротковолнового излучения trsw.
  3. Вычисление средней радиационной температуры tr путем сложения trlw + trsw =tr.

Расчеты могут выполняться с помощью онлайн-инструмента CBE Thermal Comfort Tool [11, 12] либо в адаптированной для этих целей надстройке Lady bug/Honey bee, используемой для платных программных комплексов 3D-моделирования [13].

Описание исходных данных для такого расчета приведено в табл. 1 и врезке «Пояснения по исходным данным».

Пример расчета выполнен для офисного здания, расположенного в Окленде, штат Калифорния, и рабочего места (рис. 1, фото сделано в 16:00, в октябре). Исходные данные для расчета MRT приведены в табл. 1 (крайняя правая колонка). На рис. 5 показан результат расчета (психометрическая диаграмма) из программы CBE Thermal Comfort Tool для зоны 1 (нет прямого воздействия солнечных лучей) и зоны 2 (прямое воздействие солнечных лучей).

Приведенный пример расчета не является самым показательным (в некоторых географических регионах отклонение MRT может быть гораздо выше), но позволяет оценить влияние на ощущение теплового комфорта людей в зоне прямого воздействия солнечных лучей. Чтобы сохранить ощущение комфорта для сотрудника у окна при расчетном отклонении MRT 4,7 °C, температура воздуха в зоне окна должна быть 21,1 °C. Очевидно, что если температура воздуха будет единой для всего помещения, то остальным сотрудникам будет холодно и некомфортно, при условии что они носят одежду того же типа и имеют схожий метаболизм.

Рис. 6. Визуализация средней радиационной температуры помещения по длинноволновому излучению MRT и отклонения MRT из-за воздействия коротковолнового излучения. На расстоянии 1,5 м от окна радиационная температура составит 29,8 °C

Обратите внимание, что различные шторки, жалюзи и прочие солнцезащитные устройства, позволяющие создать тень и избежать бликов, в большинстве своем не могут полностью блокировать солнечную радиацию. Они нагреваются и становятся источниками длинноволнового излучения. Методология стандарта позволяет легко учесть такие элементы при расчете отклонения MRT. Программный комплекс CBE MRT Calculator [14] помогает визуализировать отклонения MRT.На рис. 6 представлена визуализация коротковолновой и длинноволновой составляющих средней радиационной температуры, рассчитанных для рабочего места (рис. 1). Длинноволновая составляющая MRT, вызванная нагреванием затеняющих элементов, стекол и остальных поверхностей помещения в зоне окна (см. рис. 6), резко изменяется по мере удаления от него. Коротковолновая составляющая MRT зависит не от расстояния от окна, а от глубины проникновения прямых солнечных лучей в помещение.

Директивная методика

Упрощенной методикой, изложенной в стандарте, является директивная. Ее суть заключается во введении минимальных требований к архитектурным и инженерным решениям в проекте. Если данные требования соблюдаются, то считается, что превышение средней радиационной температуры помещения над температурой воздуха в помещении будет в пределах 2,8 °C. Это позволит обеспечить приемлемый уровень теплового комфорта для людей в разных зонах помещения.

Требования директивной методики:

  1. Вертикальный градиент температуры в помещении должен быть ниже значений, указанных в пункте 5.3.4.3 стандарта ASHRAE 55–2017.
  2. В помещении не должно быть термоактивных строительных конструкций (поверхностное охлаждение/отопление).
  3. Теплотехнические характеристики ограждающих конструкций должны соответствовать требованиям стандарта ASHRAE/IES 90.1.
  4. Температура наружного воздуха не должна превышать 43 °C.
  5. Высота вертикальных световых проемов менее 3 м.
  6. Горизонтальные световые проемы (фонари) отсутствуют.
  7. Характеристики остекления должны соответствовать требованиям таблиц 5.3.2.2.1 A, B, C или D.

Принцип директивной методики

Введение ограничений на архитектурные и инженерные решения позволяет, не проводя детальных расчетов методом моделирования, гарантировать приемлемый уровень теплового комфорта для всех людей в помещении с учетом более высокой средней радиационной температуры в зоне прямого падения солнечных лучей.

Этот метод опирается на требования стандарта ASHRAE 90.1.

При проектировании системы вентиляции и кондиционирования в США используются показатели PMV и PPD, характеризующие индекс теплового комфорта и ожидаемое количество людей, не удовлетворенных климатом в помещении3. Показатель PPD перекликается с термином «Оптимальные параметры микроклимата» ГОСТ 30494–2011. Согласно ГОСТу, оптимальными считаются параметры, при которых 80 % людей удовлетворены микроклиматом (имеют ощущение комфорта). Это соответствует уровню PPD 20 %.

Директивная методика подразумевает, что при соблюдении указанных в ней требований разница в индексе теплового комфорта в облучаемой и затененной зонах помещения не превысит +0,5 PMV, что соответствует изменению температуры воздуха в помещении на 3,3 °C.

Директивный подход подразумевает, что даже при условиях, описанных ниже, выполнение его требований позволит обеспечить приемлемый уровень теплового комфорта для всех людей в помещении, вне зависимости от расположения их рабочего места:

  1. Рабочее место находится у окна, сотрудник расположен лицом к окну.
  2. Поверхностная плотность теплового потока суммарной солнечной радиации 900 Вт/м2.
  3. Окна ориентированы на запад.
  4. Высота солнца для стоячих рабочих мест 30°.
  5. Высота солнца для сидячих рабочих мест 50°.
  6. Температура наружного воздуха 43 °C.
  7. Размер светового проема, обращенного на запад, 15×3 м.

Основной фокус директивной методики направлен на выбор правильного остекления и солнцезащитных устройств по табл. 5.3.2.2.1 стандарта.

Данные таблицы были разработаны для типовых помещений с использованием программных комплексов LBNL WINDOW [15] и CBE MRT Calculator [14].

При разработке таблиц проводился детальный анализ средней радиационной температуры по коротковолновому излучению и длинноволновому излучению, описанный ранее как «Методика моделирования».

Таблицы 5.3.2.2.1 (ASHRAE 55–2017) для выбора остекления и солнцезащитных устройств по директивной методике.
Помимо приведенных ниже типов остекления в стандарте содержатся таблицы для стеклопакетов с тонировкой и электро-хромных стеклопакетов.

Table 5.3.2.2.1A Двойной стеклопакет с низкоэмиссионным мягким покрытием

Table 5.3.2.2.1B Прозрачный одинарный стеклопакет

Table 5.3.2.2.1E Внутренние солнцезащитные конструкции, поглощение теплового потока по цвету солнечной стороны

Нюансы при использовании методики

При использовании директивной методики проектировщику важно понимать следующие нюансы и уделять им особое внимание:

  1. Остекление с низким коэффициентом теплопропускания, как правило, сильно нагревается, имеет высокую температуру поверхности, становится источником длинноволнового излучения, влияя на среднюю радиационную температуру в помещении.
  2. Внутренние солнцезащитные устройства светлых тонов предпочтительнее, поскольку меньше нагреваются, что снижает среднюю радиационную температуру в помещении.
  3. Наружные солнцезащитные устройства всегда предпочтительнее, поскольку меньше влияют на среднюю радиационную температуру в помещении.
  4. Солнцезащитные устройства необходимы во всех случаях, за редким исключением зданий в северных широтах с высокоэффективным остеклением.
  5. Размеры и количество солнцезащитных устройств в большинстве случаев должны определяться исходя из необходимости поддержания теплового комфорта, а не защиты от бликов.
  6. От теплотехнических характеристик остекления и солнцезащитных устройств в конечном итоге будет зависеть размер зоны дискомфорта у окон. Для остекления с высоким коэффициентом теплопропускания расстояние от окна до зоны комфорта может составлять до 4 м. Размещение рабочих мест в зоне дискомфорта нежелательно, что сокращает полезную площадь здания.

Подводя итоги, отметим, что стандарт ASHRAE 55–2017 вводит новый подход к оценке влияния теплопоступлений от солнечной радиации на ощущение теплового комфорта людей в разных зонах помещения. Методика моделирования позволит архитекторам и проектировщикам лучше оценивать влияние решений, принятых по фасаду, остеклению и конструкции солнцезащитных устройств, на тепловой комфорт людей в помещении. Использование современных программных комплексов для оценки теплопропускания световых проемов и распределения средней радиационной температуры в помещении поможет правильно оценить зоны дискомфорта по периметру здания. В качестве упрощенного подхода на первоначальном этапе для обеспечения приемлемого микроклимата в помещении возможно использование директивной методики, определяющей минимальные требования к архитектурным и проектным решениям.

Литература

  1. ASHRAE Standard 55–2017. Thermal environmental conditions for human occupancy.
  2. EN-ISO 7730–2005, Ergonomics of the thermal environment. International Standards Organization.
  3. CEN. 2007. EN 15251–2007, Criteria for the indoor environment including thermal, indoor air quality, light and noise, European Committee for Standardization, 15251.
  4. Fanger, O. 1970. Thermal Comfort. Danish Technical Press, Denmark.
  5. Hodder, S., K. Parsons. 2007. “The effects of solar radiation on thermal comfort.” International Journal of Biometeorology, 51, 233–250.
  6. Hodder, S., K. Parsons. 2008. “The effects of solar radiation and black body re-radiation on thermal comfort.” Ergonomics, 51(4), 476–491.
  7. Huizenga, C., et al. 2006. “Window performance for human thermal comfort.” Report to the National Fenestration Rating Council. https://escholarship.org/uc/item/6rp85170.
  8. La Gennusa, M., et al. 2005. “The calculation of the mean radiant temperature of a subject exposed to the solar radiation – a generalised algorithm.” Building and Environment, 40, 367–375.
  9. Tzempelikos, A., et al. 2010. “Indoor thermal environmental conditions near glazed facades with shading devices – Part II: Thermal comfort simulation and impact of glazing and shading properties.” Building and Environment, 45, 2517–2525.
  10. Arens, E., et al. 2015. “Modeling the comfort effects of shortwave solar radiation indoors.” Building and Environment, 88, 3–9. https://escholarship.org/uc/item/89m1h2dg.
  11. Hoyt, T., et al. 2013. “CBE Thermal Comfort Tool.” Center for the Built Environment, University of California Berkeley, http://comfort.cbe.berkeley.edu/.
  12. Schiavon, S., T. Hoyt, A. Piccioli. 2013. “Web application for thermal comfort visualization and calculation according to ASHRAE Standard 55.” Building Simulation, 7 (4). http://escholarship.org/uc/ item/4db4q37h.
  13. Sadeghipour Roudsari, M., C. Mackey. 2017. Ladybug Tools. www.ladybug.tools/.
  14. CBE MRT Calculator. Center for the Built Environment. http://centerforthebuiltenvironment.github.io/mrt/.
  15. Lawrence Berkeley National Labs, WINDOW 6.3. https://windows.lbl.gov/tools/window/documentation.
  16. Lee, E., et al. 2005. “Daylighting the New York Times headquarters building.” Report to the New York State Energy Research and Development Authority. https://facades.lbl.gov/ newyorktimes/pdf/daylighting-nytimes-final.pdf.
купить online журнал подписаться на журнал
Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “Энергосбережение” за №5'2019



Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Сертификационный центр АВОК
Реклама на нашем сайте
KSB
Онлайн-словарь АВОК!