Виды солнечной радиации, попадающей на стены здания и внутрь помещения. Понятие и нормы инсоляции

• ∅
• ∅помещения, которые не требуют инсоляции в течение года (операционные залы больниц, чертежные и проектные залы, некоторые лабораторные помещения, демонстрационные и выставочные залы, книгохранилища библиотек, экспозиционные залы музеев, общественные прачечные, кухни и т.д.). Для этой группы помещений предпочтительнее будет северная, северо-западная и северо-восточная ориентации.

 

Особое внимание выбору оптимальной  ориентации следует уделять при  проектировании детских школьных и лечебных учреждений. Здесь наилучшей ориентацией является южная и юго-восточная. Не допускается для них ориентация окон на север и северо-запад. В южных районах следует избегать западной и юго-западной ориентаций. Оптимальные ориентации для учебных помещений в школах - южная, юго-восточная и восточная. Допускаются также западная и юго-западная ориентации. Следует избегать северных ориентаций в лечебных учреждениях помещения палат должны хорошо инсолироваться и в то же время иметь летом достаточную защиту от перегрева.

Сравнение суточной солнечной  радиации на фасадах зданий различных 
ориентаций показывает, что компонента рассеянной радиации при ясном небе 
изменяется от какого-то процента общей тепловой нагрузки до ее полной 
величины. При вычислении изменяющихся в течение дня тепловых нагрузок 
компонента рассеянной радиации становится значительной, когда какой-либо 
определенный фасад здания не подвергается воздействию прямой солнечной 
радиации. Это особенно важно при проектировании с целью обеспечения теплопередачи: правильный выбор подходящего стекла и пленок давал приращение солнечного тепла на северном фасаде здания в Нью-Йорке зимой даже в том случае, когда на этот фасад не попадала прямая солнечная радиация. В некоторых 
районах Великобритании компонента рассеянной радиации составляет более 
50% общего количества радиации. Интенсивность прямой радиации сильно изменяется в течение года на каждом из фасадов здания.

 

Дневное количество прямой радиации на горизонтальной поверхности 
значительно больше, чем на вертикальной, особенно в летние месяцы. Это 
означает, что защита от солнечной радиации более важна для кровли, чем 
для стен. Радиация на единицу площади этажа здания уменьшается по мере 
увеличения количества этажей, так же, как и отношение площади кровли к 
площади стены.

 

В местностях, близких к  экватору, интенсивность солнечной  радиации на 
стенах, обращенных к востоку и западу, высока в течение всего года. Поэтому на этих фасадах устраивают лишь очень небольшие проемы. На удаленных от экватора широтах обращенные к экватору стены здания 
получают значительное количество солнечной радиации в зимние месяцы и 
очень малое – в летние (это действительно только на географических 
широтах южнее 30(с.ш.). Если солнечная радиация необходима 
только зимой, проемы в обращенной к экватору стене идеально отвечают 
этим требованиям, так как экранирование стекла летом можно легко 
обеспечить при помощи простых жалюзи. Хотя вертикальные поверхности, ориентированные на восток и запад, 
получают равные количества дневной радиации, более важно защищать 
западные стены: когда солнце светит на восточную стену, температура 
воздуха снаружи довольно низкая после прохладной ночи. Когда солнце 
светит на западную стену, температура воздуха высока. Стена, обращенная 
на запад, подвергается совместному воздействию радиации и высокой 
температуры окружающего воздуха.

 

Приращение тепла от солнца является только одним из факторов, определяющих тепловую характеристику здания. В число других входят вентиляция, относительная влажность, внутреннее приращение тепла от искусственных источников света, людей, технологии и т.д. Для оценки 
общей нагрузки холода или тепла на здание необходимо учитывать все эти факторы. Конструктивными элементами, влияющими на приращение тепла от солнца в здании, являются кровли, окна и стены. Через окна и кровли происходят 
основные поступления солнечного тепла. Поступление тепла через стены обычного здания составляет небольшой процент общего приращения. Поэтому при выборе средств для снижения перегрева от солнца важно оборудовать солнцезащитой главным образом окна и кровли.

 

Прирост или потери тепла  в здании происходят в результате совокупного 
действия теплопроводности, конвекции и радиации. Причиной перехода 
потока тепла в здание или, наоборот, из помещения наружу в любом из этих 
процессов является разница температур двух сред.

 

Пассивная и активная системы  солнцезащиты. В литературе по солнечной энергии имеется упоминание о пассивной и активной системах. Некоторые авторы термину «пассивная» предпочитают термин «взаимодействующая», так как он более правильно выражает подход проектировщиков к проблеме солнцезащиты для повышения ее эффективности.

Пассивной обычно называют систему солнцезащиты здания, 
сориентированного для обеспечения необходимого уровня попадания прямой 
солнечной радиации и затененного тем или иным средством.

В активной системе солнечная  тепловая энергия используется для 
нагревания воды, для обогрева пространства или для других целей. Новая 
активная система разработана Национальным австралийским университетом. В 
ней солнечная тепловая энергия используется для превращения жидкости в 
газ. По мере надобности используется тепловая энергия, которая 
высвобождается при обратном переходе газа в жидкое состояние.

Подробный обзор пассивно взаимодействующих систем приводится в статье 
«Энергия Тоуна Уилера». Система «Бидуолл». Ограждающая конструкция здания системы «Бидуолл» состоит из двух оконных стекол с полым пространством между ними, которое заполняют полистирольными гранулами (рис.3,4). В солнечные дни гранулы убирают из полости, чтобы обеспечить доступ солнечного тепла. В ночное время заполненная гранулами полость эффективно снижает теплопотери из здания.

Система «Скайлид» представляет собой кровельный фонарь с расположенными под ним тремя центрально сбалансированными заслонками (жалюзи) (рис.5,6). Центральная заслонка оборудована с каждой стороны черной трубкой с 
фреоновой жидкостью, расположенной таким образом, что при прохождении 
прямой солнечной радиации через кровельный фонарь и попадании на лопасти 
фреон расширяется, переходит в другую трубку и выводит из равновеся 
лопасти, которые открываются и пропускают прямое солнечное тепло. Когда 
прямое солнечное излучение не попадает на лопасти, фреон охлаждается, 
лопасти выходят из равновесия и закрываются. Лопасти снабжены изоляцией, 
поэтому потери тепла из здания замедляются.

Система «Стена Тромб-Мишель» (рис.7), разработанная во Франции, 
состоит из массивной бетонной стены, окрашенной снаружи в черный цвет (рис.8), и остекленного экрана (рис.9), отстоящего от стены на расстоянии 50 мм, в результате чего образуется вертикальная полость. Бетонная стена 
изолирована с внутренней стороны, остальные элементы ограждающей 
конструкции также изолированы. «Стену Тромб-Мишель» ориентируют на 
экватор. Вентиляционные отверстия расположены в верхней части панели 
остекления и в верхней и нижней частях бетонной стены. Зимой вентиляционные отверстия в панели остекления закрыты, а в стене открыты. Нагретый в вертикальной полости под воздействием прямого солнечного излучения воздух поднимается вверх и на уровне потолка входит в помещение. В результате этого более холодный воздух выходит из комнаты в полость. Устанавливается цикличный процесс нагревания, при котором температура в помещении во второй половине дня постепенно повышается до максимума. Летом охлаждающая вентиляция осуществляется следующим образом. Вентиляционные отверстия в стене, обращенной в противоположную от экватора сторону, в нижней части бетонной стены и в верхней части панели остекления открыты, а отверстие в верхней части стены закрыто. Воздух в полости поднимается и через отверстие в панели остекления выходит наружу, в результате чего воздух из помещения втягивается в полость. Затем процесс повторяется.

«Марсельская стена». В  этой системе также используется массивная стена, 
поглощающая солнечное тепло. Она также обращена к экватору. 
Использованные наружные жалюзи можно открыть, чтобы дать доступ прямому 
солнечному излучению, падающему на стену. В ночное время жалюзи 
закрывают, чтобы снизить скорость утечки тепла (тепло, поглощенное 
стеной, ночью повторно отражается на здание). Летом в течение дня жалюзи 
могут закрываться для защиты от притока солнечного тепла. Ночью в летнее 
время при открытых жалюзи поглощенное днем тепло через стену 
высвобождается наружу. Недостаток этой системы заключается в том, что 
жалюзи будут затенять часть стены, если их постоянно не регулировать по 
мере изменения положения солнца на небосводе.

В системе «Скайтерм Хаус», спроектированной Гарольдом Хейем (США), для сбора лучистого солнечного тепла используют мешки для воды, 
расположенные на кровле здания. В зимнее время солнцезащитные экраны 
снижают скорость утечки тепла. Тепло, заключенное внутри наружного 
ограждения, обогревает здание. Летом происходит обратный процесс. Днем 
солнцезащитные экраны применяют для защиты здания и мешков от солнечной 
радиации. В ночное время солнцезащитные экраны убирают, и тепло, 
поглощенное мешками из здания в течение дня, посредством повторного 
излучения выходит наружу.

Флигель школы Сент-Джорджа в Уолласи (Англия), построенный в 1961 году, спроектирован А.Е.Морганом для получения возможно большего количества 
солнечного тепла. Здание в зимнее время подвергается воздействию сильных ветров и пасмурной погоды. Здание имеет массивную конструкцию и изоляцию, что максимально сокращает теплопотери через стены, кровлю и перекрытия. Стена, обращенная к экватору, представляет собой двойную панель остекления с промежутком между стеклами 0,6 м. Длина остекленной стены 70 м, высота 8,2 м. Все остальные стены глухой массивной конструкции; даже кровля сооружена из 
бетона. Кровля и стены, за исключением южной, имеют изоляцию из 
пенополистирола. Почти во всех условиях основным источником тепла является солнечная радиация. Несмотря на то, что использование такой системы эффективно, к ее недостаткам относится отсутствие вентиляции (что вызвало жалобы на 
духоту), отсутствие обзора из здания, перегрев в летнее время, высокая 
влажность, перенасыщенность воздуха запахами и шумом. Этот пример демонстрирует недостаток опыта использования солнечной радиации в искусственно созданной среде; эффективность лишь одной из функций здания обеспечивается за счет других, не менее важных. Чтобы решить здание как единую энергетическую систему, при проектировании необходимо использовать всесторонние прогнозирующие модели.

Дом с естественной вентиляционной системой Альтенкирха. Интересный пример естественной вентиляции здания. Принцип этой системы был предложен Альтенкирхом, а прототип построен в Израиле в 50-е годы. В отличие от «стены Тромб-Мишель» и флигеля школы Сент-Джорджа естественно вентилируемый дом Альтенкирха ориентирован относительно оси «север-юг», а работающие стены обращены на восток и запад. Восточные и западные пустотелые стены заполнены сорбирующим материалом, не препятствующим вертикальному потоку воздуха между наружной и внутренней оболочками стены. В верхней и нижней частях каждой стены находится регулирующий клапан, который можно отрегулировать для пропускания воздуха через помещение как с востока на запад, так и с 
запада на восток. В верхней части каждой стены расположены испарительные охладители. Утром солнечные лучи нагревают восточную стену и вызывают подъем воздуха внутри нее. При помощи клапанов поток воздуха направлен через помещениес запада на восток. Поднимающийся нагретый воздух в восточной стене вызывает движение воздуха с западной стороны дома через помещение. Сорбирующий материал, находящийся внутри западной стены, высушивает 
поступающий наружный воздух до того, как он проходит через испарительный 
охладитель. Охлажденный воздух опускается к полу помещения и затем 
вытягивается через нагретую восточную стену, в это время удаляется влага, поглощенная сорбирующим материалом в восточной стене за предыдущий день. Во второй половине дня регулирующие клапаны настраивают для пропускания потока воздуха через помещение с востока на запад.

Для человека инсоляция или солнечная  радиация имеет большое значение, так как способствует ускорению  обменных  и фитохимических процессов в его организме, улучшает кровообращение и повышает иммунные свойства. Новые возможности и области применения солнечной энергии с каждым годом прибавляются. Эта область до сегодняшнего дня является самой малоизученной в своем роде, поэтому постоянно эволюционирует. Согласно нормативным документам, в жилых помещениях устанавливается инсоляция, которая измеряется в часах и минутах,  определяемая расчетом с помощью инсоляционного графика. С инсоляцией мы постоянно сталкиваемся  в архитектуре и строительном проектировании. Ее сущность заключается в проникновении солнечных лучей, под определенным углом, в определенный период времени в общественные, административные и жилые здания через светоотражающие конструкции. Показатели инсоляции являются одним из главных составляющих при уплотнении пятна городской застройки. Поэтому необходимо соблюдение норм и правил при размещение строительных объектов на территории застройки, что позволит улучшить психологическое и физиологическое здоровье населения.

 

 

 

 

 

 

 

Библиография

1. А.С.Граундуотер «Солнечная радиация и кондиционирование воздуха», М., «Стройиздат», 1975г.

2. Р.Л.Ноулс «Энергия и форма: экономический подход к развитию городов», М., «Стройиздат», 1974г

3. Е. Харкнесс, М. Мехта «Регулирование солнечной радиации в зданиях», М., «Стройиздат», 1984г.

4. http://www.erudition.ru/referat/printref/id.19013_1.html

5. http://do2.gendocs.ru/docs/index-429501.html

6. http://www.solarenergy.sk/ru/category/c143/c145

7. http://www.svasti.ru/princip_raboty_solnechnogo_kollektora 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение

Рис.1 Солнце. Представляющее собой газовый шар радиусом 695300км

Рис.3 Система «Бидуолл».                            Рис.4 Система «Бидуолл».

Стеклопакет                                  Полистирольные гранулы

Рис.5 Система «Скайлид». Схема работы в летнее время:  
а - солнца нет;  
б - солнечная погода;  
1 - отражающая поверхность; 2 - элемент жалюзи, заполненный изоляцией; 3 - верхняя емкость заполнена; 4 - нижняя емкость пуста; 5 - солнце; 6 - тепло (прохлада) отражается назад в помещение; 7 - верхняя емкость пуста; 8 - нижняя емкость заполнена.

Рис.7 Схема работы стены  Мишеля-Тромба

 

Рис.6 Некоторые области применения системы «Скайлид»:  
1 - пилообразная крыша; 2 - юг; 3 - фонарь верхнего света; 4 - плавательный бассейн - теплица - внутренний дворик; 5 - жилой интерьер.