Удельная теплоемкость. Тепловая емкость или удельная теплоемкость ма­териала представляет собой количество тепла, которое добавлено или отнято у единицы веса материала, чтобы изменить его температуру на один градус.

Все удельные теплоемкости зависят от изменения температуры, поэтому необходимо различать истинную и среднюю удельную теплоемкость. Истинная удельная теплоемкость представляет собой количество тепла, кото­рое необходимо добавить или удалить при любой определенной температуре, чтобы получить изменение температуры на 1 град на единицу веса материала. Средняя удельная теплоемкость в данном диапазоне температур представляет собой среднее количество тепла, необходимое для изменения температуры на

[17] Селективные покрытия поглощают большую часть солнечной радиации в диапазоне волн 0,3—1,9 мкм и излучают весьма небольшую часть в диапазоне 5—15 мкм — инфра­красное излучение

[18] Обсуждение гальванических селективных покрытий см Даниэле «Непосредствен­ное использование энергии Солнца», особенно гл. 12.

Информация в этих таблицах была собрана из нескольких источников, в том числе ASHRAE. Handbook of Fundamentals, 1972.

Bowden. «Heat Theory». Alternative Sources of Energy, July 1973 McAdams. Heat Transmission, 1954.

Severns and Fellows. Air Conditioning and Refrigeration, I960.

Sonders. The Engineer’ Companion, 1966.

Me Donald. «Spectral Reflectance Properties of Black Chrome for Use as a Solar Selecti­ve Coating».

NASA Technical Memorandum THX-71596.

[20] Вопрос о том, как можно улучшить селективность покрытия путем геометрии поверх­ности, см К. Дж Т Холланде.

«Directional Selectivity Emittance and Absorptance Properties of Vee Corrugated Specu­lar Surfaces», The Journal of Solar Energy Science and Engineering, 3 (July 1963).

Тепло распространяется или переносится от одной точки материала к дру­гой или между телами тремя способами. Два из них — теплопроводность и конвекция — используются всеми традиционными системами отопления. Тре­тий способ — радиация — в равной степени важен для успешною применения солнечной оперши для отопления п охлаждения помещении

Тепло єсть опері ия и может принимать форму длинноволновой электро­магнитной радиации. Любая радиация распространяется по прямой с одной и той же скоростью (скоростью света, 300 000 км/с), но имеет разные длины волн. Количество энергии, переданной посредством радиации, обратно пропор­ционально ее длине волны (т. е. чем короче длина волны, тем выше энергосо­держание) Лучистая теплота представляет собой длинноволновую низкоэнер­гетическую форму радиации. При падении радиации на какое-либо тело она отражается, пропускается или поглощается этим телом. Каждый материал отражает, пропускает и поглощает падающую радиацию по-разному в зависи­мости от его абсолютной температуры, физических и химических характери­стик и длины волны падающей радиации. Например, стекло пропускает боль­шую часть падающего на него видимого света, но очень мало инфракрасного излучения.

Каждый материал может иметь численные параметры, характеризующие отражательную, пропуска! ельную и поглощательную способность этого мате­риала в определенном диапазоне температур и для определенного участка электромагнитного спектра. Сумма коэффициентов поглощения, отражения и пропускания материала равна 1, что указывает на 100%-ный учет падающей радиации. Для большинства светонепроницаемых твердых материалов про­пускаемая энергия фактически равна нулю, так что сумма коэффициентов поглощения и отражения считается равной 1.

Лучистая энергия после поглощения превращается в тепло. Это тепло мо­жет быть передано дальше, излучено обратно или излучено в виде длинно­волновой радиации из материала. Коэффициент излучения є материала яв­ляется численным показателем способности этого материала испускать длин­новолновое излучение. Коэффициент излучения представляет собой отноше­ние излучаемой мощности материала к излучаемой мощности теоретического абсолютно черного тела (т е. для абсолютно черного тела 6=1, для черной краски є=0,95; для селективного черного покрытия є=0,05) . Эти данные имеют большое значение, так как указывают на относительные рабочие ха­рактеристики разных материалов.

Например, кирпичная кладка и бетон, которые имеют коэффициенты излучения около 0,9, являются лучшими радиаторами тепла, чем латунь или алюминий, которые в лучшем случае имеют коэффициент излучения 0,22. Асфальтовое покрытие, коэффициент поглощения которою более 0,9, преобра­зует намного больше падающей солнечной радиации в тепло, чем песок (коэффициент поглощения между 0,6 и 0,75); это подтвердит любой, кому пришлось проходить босиком от автостоянки до пляжа.

Отношение между коэффициентом поглощения коротковолновой радиации и коэффициентом излучения длинноволновой радиации каким-либо материа­лом имеет особое значение для проектировщика солнечного коллектора. Ма­териалы с высокими отношениями, называемые «селективные черные краски», можно использовать для покрытия поверхностей пластин коллекторов, так что поглощаться будет максимальное количество энергии, а теряться в ре­зультате излучения или вторичного излучения будет минимальное количество.

В нижеследующих таблицах приводятся коэффициенты поглощения и излучения различных материалов За исключением особо помеченных, данные относятся к коротковолновому поглощению и длинноволновому излучению Температура материала принимается в пределах от —17,8 до 100° С. Материа­лы даны по пяти категориям, в каждой из которых содержатся материалы со сходными характеристиками

Материалы класса II: отношение коэффициента поглощения к коэффициенту излучения (a/є) в пределах между 0,5 и 0,9

Материалы класса IV: отношение коэффициента поглощения к коэффициенту излучения (а/е) более 1

[1] Интенсивность солнечного излучения за пределами атмосферы Земли (стандартное значение солнечной постоянной) составляет 1353 Вт/м2 [428 БТЕ/(фут2-ч), 4871 кДж/(м2-ч)]. (Примеч. ред.)

[2] Б. Андерса**

[3] При 3-минутной выдержке а=0,79, 8=0,05 При выдержке 2 мин а= = 0,89, е=0,17. Более длительные сроки увеличивают є при незначительном увеличении а.

[4] Патент заявлен,

[5] Эти данные получены из стр. 10 в табл. 12 «Определение выходной мощности солнечного коллектора».

[6] Тепловые потери дома должны определяться в кДж на 1 град-день путем общепринятых расчетов тепловых потерь.

[7] Указанная площадь коллектора, м2, является первым приближением необходимой площади для обеспечения требуемого процента теп­ловых потерь, в данном случае 23 м2.

[8] Потребность в охлаждении для Финикса определена на основе здания, стены которо­го имеют общий коэффициент теплопередачи, примерно в десять раз отличающийся от величины для других пунктов.

[9] Только расчет.

Результаты основаны на наименее дорогостоящей конструк­ции солнечной установки; сюда было включено также и приго­товление горячей воды. В расчетах были использованы тарифы за пользование топливом и электроэнергией 1970 г., которые бы­ли исправлены с учетом КПД использования нефти 56% и КПД газа 67%. Предполагаемая стоимость солнечной энергии соста­вила 21,5 долл, на 1 м2 коллектора при 20-летней амортизации, 8% годовых и дополнительном расходе на охлаждение 1000 долл. Другие капитальные издержки составляют 375 долл, плюс около 10 долл, на 1 м2 коллектора.

На основе этих допущений солнечное отопление дешевле, чем электроотопление, почти во всех рассмотренных восьми го­родах. Кроме того, результаты исследования показывают, что вместимость аккумулятора воды па 1 м2 коллектора почти не оказывает влияния на оптимизацию затрат. Другие кривые оп­тимизации затрат были также сравнительно пологими, показы­вая, что угол даклона и размер системы не столь важны для определения общих затрат, как это лріиняго думать. Особый ин-

[10] В системе СИ за единицу количества теплоты принят 1 джоуль (Дж), в силу исторических причин количество теплоты до последнего времени изме­рялось в калориях или килокалориях (1 ккал = 4186,8 Дж). Термин «количе­ство теплоты» рекомендован стандартом «Единицы физических величин». Более удачным является термин «теплота» при примерах применения терми­нов «теплота фазового превращения», «теплота химической реакции» и др. (Примем, ред.) _ _

[11] Движемся по вертикали от этой точки и находим величину 1 078 000 кДж/м2 за сезон для данного элемента.

[12] Продолжаем двигаться по вертикали до наклонной линии, представляющей общую площадь элемента 8,36 м2.

[13] Двигаясь по горизонтали от этой точки, находим общую

Стеновые материалы — бетоны ‘

Цементный раствор ‘

[15] град единицы веса материала.

Удельная теплоемкость газов и паров также зависит от условий их содер­жания, т. е. либо при постоянном давлении, либо при постоянном объеме. Удельная теплоемкость при постоянном давлении больше, чем удельная тепло­емкость при постоянном объеме. Если при постоянном давлении происходит изменение объема в результате температурных изменений, то выполняется работа, а тепловой эквивалент работы отражается в удельной теплоемкости при постоянном давлении.

Авторское право Американского общества инженеров по отоплению, холодильной техни­ке и кондиционированию воздуха. Перепечатывается с разрешения из «Справочника по основным вопросам», 1967.

В разделе «Тепловые явления» дается полное объяснение того, как поль­зоваться информацией, содержащейся в данной таблице. Коротко, общее ко­личество тепла, передаваемое путем теплопроводности, в год равно:

■ • Н= (24 ч в сутки) X (количество градусо-дней в год) X

X(величину U конструкции)X(площадь конструкции).

Для неизолированной стены U= l/R= 1,3-104 Вт/(см2-град). Поэтому по­тери тепла через участок неизолированной стены площадью 9,3 м2 в местно­сти, имеющей 3300 град-дней, равны 24 ч/сут-3300 град-дней-1,3-104-9,3 м2= = 327 кДж. Для изолированной стены С/ = 1//? = 0,4 -104 Вт/(см2-град). Поэтому при тех же условиях потери тепла через неизолированную стену равны 24 ч/сут-3300 град-дней • 0,4 • 104-9,29 м2=105,5 кДж в год; экономия состав­ляет более 211 кДж в год на 9,3 м2 неизолированной стены. Полученная эко­номия топлива составляет 7,579 м3 нефти (или 60 кВт на электроотопление).

Материал и описание

1

Пробковая плита, °С

Стекловолокно, °С

Пенорезина (жесткая), °С Вспученный полиуретан толщи­ной 2,5 см и более

Экструдированный вспученный полистирол, °С

Вспученный полистирол, фор­мованные шарики, °С

Минеральная вата со смоли­стым связующим, °С. .

Минераловолокнистая плита, свойлаченная во влажном со­стоянии

Основа утеплителя крыши Акустическая плитка, мм То же

Минераловолокнистая плита, отформованная — во влажном состоянии

Акустическая плитка®, мм

Материал и описание

1

Древесно — или тростнико-
воволокнистая плита

Акустическая плитка0, мм То же

Внутренняя отделка (плитка) Изоляционная кровля[14], мм

Измельченная древесина (скле­енные формованные плиты)

Рыхлая засыпка

Мацерированная бумага или целлюлоза

Минеральная вата, °С (из стек-
ла, шлака или горной породы)

Перлит (вспученный), °С

Вермикулит (вспученный), °С

Изоляционные материалы

Опилки или стружки Утеплитель крыши4, предвари­тельно отформованный, уклады­ваемый поверх настила, мм

Губчатое стекло

Коэффициенты пропускания U окон, зенитных фонарей и светопроницаемых перегородок

Часть А. Вертикальные панели (наружные окна и перегородки) — плоское стекло, стеклоблоки и пластиковые листы

Часть В. Горизонтальные панели (световые фонари) — плоское стекло, стеклоблоки, пластиковые пузыри

Часть С. Переходные коэффициенты для различных типов окон (умножьте величины U в частях Л и В на эти коэффициенты) [16] 1

Свойства твердых веществ (величины даны при комнатной температуре если особо не помечено в скобках) уу ’

Тепловой насос является комбинированным отопительным и охлаждающим устройством, которое может переносить тепло из кондиционируемых помещений, охлаждая их, или из внешнего источника (например, грунт, воздух или вода) в помещения, тем самым нагревая их. «Нагревает» или «охлаждает» тепловой на­сос — зависит от того, с какой стороны цикла охлаждения нахо­дится кондиционируемое помещение. В режиме охлаждения избыточное тепло поступает в теплоприемник (воздух, вода или грунт). Процесс меняется на обратный во время отопительного сезона, когда охлаждается внешняя среда (источник тепла), что­бы нагреть здание.

Передача тепла (либо к тсплоприемнику, либо от источника тепла) осуществляется путем циркуляции рабочего вещества, обычно называемого хладагентом, который находится попере­менно то в жидком, то в газообразном состоянии. Скрытая тепло-

Рис. 6.41. Работа тепло­вого насоса в режиме охлаждения помещения

{ горячий; 2 — теплый; 3 — регулирующий двуххо — довый вентиль: 4 — горячий;

5 — тепловая энергия; 6_______

прохладный: 7 — компрес­

сор, 8 — электроэпешия

та при фазовом переходе извлекается из окружающей среды, когда жидкий хладагент испаряется, и отдается окружающей среде, когда пары конденсируются. Насосы, компрессоры, клапа­ны и другое оборудование обеспечивают многократное испарение и конденсацию в соответствующих узлах системы.

Малогабаритный, автономный тепловой насос, предназначен­ный для жилых и небольших торговых объектов, изменяет направление потока хладагента при переходе с одного режима на другой. На рис. 6.41 и 6.42 представлены схемы такого тепло­вого насоса сначала в режиме охлаждения, а затем в режиме отопления. Четырехходовой клапан изменяет направление пото­ка рабочего вещества через компрессор так, что пар высокого давления конденсируется «внутри», когда требуется отопление, а жидкость низкого давления испаряется, когда требуется ох­лаждение.

Тепловые насосы можно классифицировать по применяемому источнику тепла или теплоприемнику, типу кондиционируемого рабочего вещества (воздух или вода) или по рабочему циклу. Тепловой насос на рис. 6.41 и 6.42 представляет собой воздухо­воздушный насос с реверсивным потоком хладагента. Тепловые насосы, в которых воздух или вода служат источником тепла — теплоприемником, могут иметь фиксированный поток хладаген­та путем переноса рабочего вещества источника тепла — тепло­приемника к змеевикам конденсатора или испарителя. В издании Американского общества инженеров по отоплению, холодиль­ной технике и кондиционированию воздуха «Системы и оборудо­вание» (1967) классифицируются различные типы тепловых на­сосов.

Для управления распределением тепла в тепловых насосах используется электроэнергия. Полученное тепло является соче­танием тепла, произведенного при сжатии хладагента, и скрытой теплоты, высвобождаемой при конденсации паров. Эффек­тивность работы тепловых насосов определяется тепловым ко­эффициентом. Он представляет собой отношение полученного или отведенного тепла к тепловому эквиваленту электроэнергии, необходимой для работы насоса.

Тепловой коэффициент воздухо-воздушных тепловых насосов обычно ниже, чем у воздухо-водяных или водо-водяных тепловых насосов. Поскольку теплота сжатия является частью тепловой мощности, тепловой коэффициент насоса, работающего в режиме отопления, часто выше, чем у того же насоса, работающего в режиме охлаждения.

Например, стоимость 105 кДж тепла, произведенного тепло­вым насосом, можно найти путем деления 105 кДж на тепловой коэффициент, умноженный на 3600 кДж/кВт-ч, и умножения полученного результата на стоимость 1 кВт-ч электроэнергии. Чем выше тепловой коэффициент, тем ниже стоимость:

105 кДж

тепл. коэф. ХЗООО кДж/кВт-чХдолл/кВт-ч 2,93 кВт-ч/10* кДжХДОЛЛ/кВт-ч

тепл. коэф.

Реальные расходы на энергию для тепловых насосов и сооб­ражения по их использованию в солнечных системах обсуждают­ся в части V.

Солнечные коллекторы способны обеспечить тепловую энер­гию, необходимую для работы абсорбционного холодильного ци­кла, что делает солнечное кондиционирование воздуха потенци­ально эффективной областью применения солнечной энергии.

Как в процессе абсорбционного охлаждения, так и в более знакомом на практике компрессионном кондиционировании воз­духа используется испарение жидкого холодильного агента для отвода тепла из воздуха или воды, подлежащих охлаждению. В обычных оконных кондиционерах используют электроэнергию для сжатия испарившегося хладагента с тем, чтобы он сконден­сировался и отдал собранное тепло «наружу» (рис. 6.39). Сжа­тый, сконденсированный хладагент рециркулируется и испаряет­ся. Это охлаждает пространство «внутренней» части системы (см. раздел «Тепловые насосы»),

В абсорбционном холодильном цикле применяются два рабо­чих вещества — хладагент и абсорбент, выполняющие одну и ту же задачу (рис. 6.40). Испарившийся хладагент поглощает­ся с охлаждающих змеевиков вторым рабочим веществом. Полу­ченный раствор подается насосом в регенератор, где под дейст­вием тепловой энергии хладагент дистиллируется из абсорбента. Хладагент (теперь уже жидкость) поступает обратно в змеевики испарителя, испаряясь и охлаждая «внутренность» системы. Аб­сорбент поступает обратно в абсорбер, где испарившийся и на­гретый хладагент может быть поглощен и вынесен в систему.

Главная трудность использования солнечной энергии для ох­лаждения заключается в несоответствии между сравнительно вы­сокими температурами, которые требуются для абсорбционного регенератора (120—175°С), и сравнительно низкими температу­рами, которые способны наиболее эффективно обеспечить сол­нечные коллекторы (65—95° С в случае лучших плоских коллек­торов). Эффективность (коэффициент охлаждения) абсорбцион­ного охладителя ухудшается с уменьшением рабочих температур (источник) от коллектора. С другой стороны, КПД коллектора уменьшается при увеличении температуры пластины теплопри­емника. Стоимость и сложность обоих компонентов — охладите­ля и коллектора — возрастают, если их подвергают переделкам для поддержания КПД при температурах, отличающихся от оп­тимальных. К счастью, такое несоответствие до некоторой степе­ни устраняется благодаря частому совпадению большого коли­чества часов солнечного сияния с большой потребностью в охлаждении (например, в пустынных районах).

Абсорбционные охладители для существующих объектов, ис­пользующих солнечную энергию, проектируются для работы при температуре порядка 80°С. Чтобы обеспечить достаточный КПД при таких «высоких» температурах, коллекторы должны иметь 1) конструкцию, выдерживающую потенциально высокие давле­ния внутри системы; 2) специальные прозрачные покрытия, про­пускающие наибольший возможный процент падающей солнеч­ной радиации, но в то же время имеющие специальное покрытие для уменьшения вторичного излучения энергии в виде тепла, и

3) теплоприемники из высококачественного металла, например меди, со специальными селективными покрытиями для увеличе­ния поглощательной способности и уменьшения степени черноты (вторичного излучения тепла). Также во многих случаях кол-

Рис. 6.40. Цикл абсорбционного охлаждения

1 — насос для подачи раствора; 2 — абсор­бер; 3 — регенератор;

4 — горячая вода.

5 — конденсатор; 6 —

хладагент: 7 — раст­

вор; 8 — источник энергии, солнце; 9 — источник тепла (сол­нечный коллектор); 10—пар; // — теп­лый воздух; 12 — ох­лажденный воздух: 13 — помещение; 14— испаритель; 15 — до­полнительная энер­гия — электричество, 16 — абсорбент

лектор должен иметь большие размеры для режима летнего ох­лаждения, чем для режима зимнего отопления.

Выбор хладагента и абсорбента для системы охлаждения с абсорбционным циклом существенно влияет на рабочие харак­теристики системы. Правда, сейчас известны лишь несколько пар рабочих веществ, пригодных для практического применения. Сравнению у них подлежат в основном два параметра: способ­ность рабочих веществ функционировать при выбранных темпе­ратурах; влияние свойств рабочих веществ на требуемую мощ­ность насоса в системе.

В таблице 25 приводятся наиболее конкурентоспособные пары рабочих веществ. Предпочтение отдается обычно аммиаку и воде, на втором месте стоит вода и бромид лития.

Положение Солнца на небосводе постоянно меняется. Летом Солнце выше на небе, чем зимой; зимой оно поднимается к югу от направления строго на восток, а летом — к северу от этого направления Графически это можно представить наброском пути Солнца по небосводу в течение года; цифры в кружках ука­зывают время дня. Чтобы предусмотреть наиболее эффективное условие затенения, необходимо определить положение Солнца. Например, чтобы определить размеры затеняющего устройства, препятствующего попаданию прямых солнечных лучей в окно между 10 и 14 ч, требуется знать угол поступления солнечного света (угол падения). Другая ситуация, нуждающаяся в такой информации, описывается в разделе «Солнечная радиация».

Положение Солнца на небе определяется двумя угловыми измерениями: высотой и азимутом Солнца. Высота Солнца а из­меряется от горизонтали; солнечный азимут |3 измеряется от на­правления прямо на юг (рис. 6.23). Эти углы можно вычислить или взять из заранее составленных таблиц или номограмм.

Расчет зависит от трех переменных: широты L, склонения 6 и часового угла Я. Широту можно узнать из любой хорошей карты. Склонение или мера того, насколько на север или на юг от экватора переместилось Солнце, меняется месяц от месяца (рис. 6.24). Часовой угол зависит от местного солнечного времени: Я = 0,25 (количество минут от местного солнечного полдня). Солнечное время (время, показываемое непосредственно солнеч­ными часами) отсчитывается от солнечного полдня, когда Солн­це находится в наивысшей точке небосвода. Из-за изменения ско­рости движения Земли по орбите в разное время года долгота суток (измеряемая от солнечного полдня до следующего солнеч­ного полдня) несколько отличается от долготы суток по среднему солнечному времени (измеряемому обычными часами). При вы­числении местного солнечного времени эта разница принимается во внимание наряду с поправкой на долготу, если наблюдатель не стоит на меридиане поясного времени своего часового пояса.

Для корректировки местного поясного времени (воспользуй­тесь точными часами) по местному солнечному времени необ­ходимо выполнить несколько операций:

1) если действует декретное время, то вычтите 1 ч;

2) определите меридиан данного пункта. Определите мериди­ан поясного времени для этого пункта (75° для восточного пояс­ного времени, 90° для центрального поясного времени, 150° для поясного времени Аляска — Гавайи). Умножьте разности между меридианами на 4 мин/град. Если данный пункт находится к вос­току от поясного меридиана, то добавьте поправочные минуты к поясному времени; если он находится к западу, то вычтите их;

3) добавьте уравнение времени (рис 6.25) для интересующей

Рис 6 23 Положение Солн­ца на небосводе [8(

вас даты к скорректированному поясному времени. Это будет местное солнечное время.

В качестве примера эту процедуру можно выполнить для оп­ределения местного солнечного времени в г. Абилин, шт. Техас, 1 декабря в 13 ч 30 мин (центральное поясное время). Посколь­ку это не декретное время, поправки не требуется. На карте най­дем, что Абилин находится на 100° з. д. Так как меридиан для центрального поясного времени проходит через 90° з. д. то Аби­лин отстоит на 10° от него: 10°Х4 мин/град = 40 мин, а посколь­ку Абилин находится к западу от поясного меридиана, мы выч­тем 40 мин из местного времени: 13 ч 30 мин—40 мин = 12 ч 50 м. Из уравнения времени для 1 декабря находим, что требуется до­бавить около 11 мин: 12 ч 50 м + 11 = 13 ч 01 м местного солнеч­ного времени, или 61 мин от местного солнечного полдня.

Отсюда часовой угол Я определяется как описано выше. Зная широту, склонение и часовой угол, определяем высоту Солнца и его азимут:

высота Солнца a = cosLcos6cos# + sinLsin6;

азимут Солнца |J = cos6sii^//cosa.

Высоту и азимут Солнца можно определить на 21-й день каж­дого месяца и на каждый час дня при помощи диаграмм пути движения Солнца. Для каждой широты требуется разная диаг­рамма, хотя интерполяция между графиками достаточно точна. Здесь приводится восемь диаграмм, которые годятся для сред­них широт (рис. 6.26, II).

При помощи этих диаграмм можно, например, определить высоту и азимут Солнца на 16 ч 00 м 21 апреля в Нью-Йорке (40° с. ш.). Найдите диаграмму для 40° с. ш. (рис. 6.30) и заметь­те линию апреля, жирную линию, проходящую слева направо под номером IV (апрель — четвертый месяц). Затем найдите линию 16 ч, жирную линию, проходящую сверху вниз под номером 4. Пересечение этих линий указывает на положение Солнца. Высо­та Солнца указывается концентрическими окружностями; в этом случае она равна 30°. Солнечный азимут указан радиальными линиями, в этом случае 5 = 80°ИК Когда необходимы более точ­ные указания на положение Солнца, можно воспользоваться

таблицами. Однако они не столь понятны, как диаграммы п>ти движения Солнца.

Информация по солнечным углам прежде всего нужна для определения углов затенения для окон и поверхностей коллекто­ров как для защиты поверхности от избыточных солнечных лучей, так и для обеспечения того, чтобы поверхность не затенялась от полезного поступления солнечной энергии.

Существует два основных способа затенения: горизонтальны­ми и вертикальными препятствиями на поверхности. Горизон­тальные препятствия преграждают путь свету сверху (см. таб­лицу). Степень затенения определяется относительной геомет-

Рис. 6.35. Радиальная теневая маска і[8]

З — вертикальная рической формой препятствия и поверх­ности: чем шире козырек (или навес), тем больше зона тени; чем выше козырек, тем меньше зона тени. Вертикальные препятствия преграждают путь свету сбоку (см. рис. 6.12). Как с горизон­тальными препятствиями, геометрия угла затенения обусловли­вает пропорциональные размеры и близость препятствия к по­верхности. На рисунках эти препятствия представлены в виде искусственных затеняющих устройств, но это также могут быть деревья, горы или здания.

Для любого условия затенения можно построить теневую маску, чтобы отобразить количество и эффективность затенения данной поверхности. Горизонтально вытянутое препятствие даст сегментную теневую маску, где величина а, указанная маской, соответствует углу а затеняющего устройства. Вертикальное препятствие даст радиальную теневую маску с углом р, соответ­ствующим такому же углу затеняющего устройства. Для сочета­ний вертикальных и затеняющих элементов можно построить комбинированную маску (см. рис. 6.13).

Теневые маски строят и считывают при помощи транспортира теневой маски (см. рис. 6.14). Нижняя половина транспортира используется для изучения сегментных эффектов затенения гори-

зонтальных препятствий. Верхняя половина, повернутая стрел­кой 0° на юг, относится к радиальному эффекту затенения верти­кальных препятствий.

Теневые маски можно также читать при помощи диаграмм пути движения Солнца. Если маску наложить на соответствую­щую диаграмму, то будут указаны те периоды года, когда по­верхность затенена. Например (см. рис. 6.15), если теневая мас­ка для горизонтального препятствия (а = 60°) наложена на диа­грамму движения Солнца для 40° с. ш., то поверхность зате­няется препятствием примерно с 21 марта по 21 сентября. Этот процесс соотнесения геометрии затенения с годичным движе­нием Солнца может также работать и по обратной схеме. Если мы определим время в году, когда требуется затенение, и нане­сем это время на диаграмму движения Солнца, то найдем тене­вую маску препятствия, необходимого для создания тени. Нало­жив транспортир затенения поверх этой маски, мы сможем прочесть необходимые углы (а и (3). С этими углами можно рас­считать размеры препятствий.

Диаграммы движения Солнца, теневые маски и транспортир теневой маски являются весьма удобными средствами исследова­ния и создания довольно сложной геометрии солнечных углов. С их помощью проектировщик может максимально использовать свет и тепло (и их отсутствие), предоставляемые природой.

Дальнейшую информацию смотрите в библиографии по «Про — актироваиию для прямой солнечной радиации», в частности книгу Аладара и Виктора Олгиэея «Контроль солнечного излучения и затенение».

В «Справочнике по основным вопросам» (1972) Американ­ского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха показано, что теплопередача че­рез стекло зависит от нескольких факторов. Среди них:

1. Плотность потока солнечного излучения It и угол падения 0. (Для определения угла падения см. разделы «Солнечная ра­диация» и «Углы падения солнечных лучей и затенение».) На рис. 6.21 показано, как изменяются пропускательная, поглоща­тельная и отражательная способности в зависимости от угла па­дения.

2. Разность между наружной и внутренней температурами. При отсутствии солнца тепловой поток согласно обычным зако­нам теплопроводности будет

H=U(tt-t0).

Это явление рассматривается в части II и в разделе «Тепловые явления» На рис. 6 22 приводятся величины U для разных типов стекла.

3. Скорость и направление воздушного потока (ветра) отно­сительно наружных оконных поверхностей. Роль ветра учитыва­ется при составлении приведенных выше уравнений теплопере­дачи.

4. Низкотемпературный радиационный теплообмен между по­верхностью окон и окружающей средой. Это явление трудно предсказать — предполагается, что оно учитывается коэффици-

Рис 6,21. Оптические свойства листового прозрачного и теплопоглощающего толстолистового стекла двойной прочности при различных углах прохожде­ния солнечных лучей (перепечатывается с разрешения из «Справочника по ос­новным вопросам» Американского общества инженеров по отоплению, холо­дильной технике и кондиционированию воздуха, 1974 г)

А — прозрачное листовое стекло двойной прочности, В — прозрачное толстолистовое стек­ло толщиной 6,35 мм, С — теплопоглощающее толстолистовое стекло с серым, бронзо­вым или зеленым оттенком (на изломе) 6,35 мм ентами внешней и внутренней поверхности (воздушных пленок) fo и [г. При облучении солнцем стекло становится горячим. Тепло от наружной поверхности путем радиации и конвекции поступает во внешнюю окружающую среду, а от внутренней поверхности — в помещение. Плотность теплового потока Я, передаваемого внутрь помещения за счет радиации и конвекции от незатененно­го одинарного стекла, равна:

плотность теплового = поглощенный приток приток тепла, вследс — потока через стерло, И солнечного тепла твие теплопроводности

где поглощенный приток солнечного тепла равен АгХпоглощенную радиацию. Поскольку поглощенная радиация равна alt, то поглощенный приток солнеч­ного тепла равен Ni(alt), N, — поступающая внутрь часть поглощенной ра­диации Для иезатененного одинарного остекления N, = U/f0 и поглощенный приток солнечного тепла равен.

U (ah) fo ‘

Приток тепла вследствие теплопроводности равен просто величине U, умно­женной на разность между наружной и внутренней температурами (to—f,). Плотность теплового потока Н через одинарное стекло будет

И = поглощенный приток солнечного тепла -(- приток тепла вследствие теплопровод =

ности

_ П(а/;) J ) = и (a-U) + fo(to — U)

fo fo

где Н — суммарный тепловой поток, Вт/м2; U — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2-град); а — поглощательная способность поверхности, %. Она пред­ставляет собой отношение способности материала поглощать солнечную ра­диацию к той же способностми абсолютно черного тела (а = 1) (величины для некоторых обычных материалов см в приложении «Степень черноты и погло­щательная способность материалов»), It — плотность потока солнечного излу­чения, Вт/м2; /о — теплопроводность наружной воздушной пленки, Вт/(м2Х Хград), обычно принимается равной 34 Вт/(м2 град) для поверхности, откры­той воздействию атмосферы; l/fo=0,17; t0 — температура наружного возду­ха, °С; t, — температура внутреннего воздуха,0 С, обычно принимается рав­ной 18° С.

Поскольку а, її и fo в значительной степени меняются, главным образом из-за постоянно меняющихся углов падения солнечных лучей на стекло, Справочник (1972) дает «Таблицы притока сол-

Двойное остекление с воздушным про­межутком и затеняющим противосол — нечпым жалюзийным экраном между стеклами

Закрытые жалюзи в воздушном про­межутке

Панели из стеклоблоковй: типы I и II типы II, III и ША

а Величины относятся к плотно закрытым жалюзи, занавесям и шторам, наматываемым па ролик

Величины относятся ко вторым рамам с узким воздушным промежутком. Присос воздуха, существующий практически во всех вторых рамах, в действительности увели» чит это значение

с Величины U можно существенно уменьшить при помощи нанесения на стекло покры­тий с малой излучательной способностью, которые наносятся на внутреннюю поверхность одинарного или двойного остекления и на поверхность изолирующего стекла. а Приведенные величины относятся к стеклоблоку размером 200X200X100 мм Для стеклоблоков размером 300X300X100 мм уменьшите приведенное значение на 0,04, а для стеклоблоков размером 150X150X100 увеличьте приведенное значение на 0,04.

Рис

(или потери) на 1 остекления, заменяющего рав ную площадь обращенной на юг стены с противосолнечным све­сом крыши (считается, что светонепроницаемая поверх­ность стены неспособна эффек­тивно использовать сезонное поступление солнечной энер­гии) [3]

согтїн о» ?е’ оторая ичеет общин коэффициент теплопередачи 0,94 Вт/(м2 • град) Температура наружного р р, пР Н„ „ ??нце свегит 65% максимально возможных часов между 1 октября и і мая Широта 40° путным аЧр^,м с низа верхнего левого квадранта у жирной вертикальной линии, которая относится к стеклу в 3 2 мм с воз-

гплнрцппгп л! цУ" о З14 на шк90те 40 Поднимемся по этой линии до пересечения с линией, обозначающей 65% продолжительности

пянт т2попиИ«НИЯ Затем будем двигаться по горизонтали вправо (см пунктирную линию примера), чтобы войти в верхний правый Квал­лс ттлгт0™г,?,„«новь 0ТЛ0Жим величину Uw = 0,165 на шкале справа нижнего правого квадранта Следем по директриссе от точки входа во тоРпепрорчоииаВЄт’РТИКіаЛЬ»Ю’ обоаначаЮ1Дей стекло 3,2 мм, воздушный промежуток 6 3 мм широту 40°, затем двигаемся по горизонтали вле — йРпГииг,» т> ™НИЯ С криВоИ дт, я —2 ‘ а от этои точки двигаемся во вертикали вверх до пересечения с горизонтальной линией, уже про — илгпг«ПоВа верхнем правом квадранте Точка пересечения этих двух линии дает ответ 1 213 000 кДж/м’ сэкономленных за 7 мес отопитель — uui о сезона на і м окна

нечного тепла» 388—392). Помощь этих таблиц или аналогич­ного материала весьма существенна при расчете потока солнеч­ного тепла.

Одним из наиболее полезных инструментов проектирования при определении полного поступления солнечного тепла через окна является диаграмма (рис. 6.22), составленная Ф. У. Хат­чинсоном из университета Пурдью. В примере, который сопро­вождает диаграмму, объясняется ее употребление. Величины, относящиеся к разным городам и которые можно приметіть вместе с этой диаграммой, приводятся в части II (см. таблицу). Там же указаны температура наружного воздуха и возможная продолжительность солнечного сияния.

Тепловой поток Н, поступающий на непрозрачную, освещен­ную солнцем поверхность, равен:

Н — alt — єД-R — р Hq {tg ts),

где Я—общий тепловой поток, Вт/м2 площади поверхности; а — поглоща­тельная способность поверхности, %. Она представляет собой отношение спо­собности материала поглощать солнечное излучение к такой же способности абсолютно черного тела (а=1) (см величины для некоторых известных мате­риалов в приложении «Степень черноты и поглощательная способность мате­риалов); /1 — падающая солнечная радиация, Вт/м2, е —степень черноты поверхности, °/0. Она представляет собой отношение излучательной способно­сти материала к той же способности абсолютно черного тела (е=1); AR — разность между длинноволновой радиацией, падающей па поверхность из атмосферы и окружающей среды, и радиацией, излучаемой абсолютно черным телом при температуре наружного воздуха, Вт/м2; h0 — коэффициент радиаци­онного и конвективного теплообмена на внешней поверхности, Вт/(м2-град)- — температура наружного воздуха, °С; ts — температура внешней поверх­ности, ° С.

Солнечно-воздушная температура является воображаемой температурой наружного воздуха, в выражении которой отра­жен вклад солнечной радиации (alt и еЛR) в вышеприведенном уравнений наряду с теплоотдачей ho(t0—ts), так что результиру­ющая солнечно-воздушная температура te — это температура, которую поверхность «видит» под влиянием конвекции и радиа­ции. Выраженный через 4, Я становится

Н = ho (te — ts) = alt — + h0 (t0—ts),

а следовательно, 4 имеет вид

4 = t0 + (aIt/ho) — (eARIho).

Например, в табл. 26 «Справочника по основным вопросам» (1972) Американского общества инженеров по отоплению, холо­дильной технике и кондиционированию воздуха приводятся сол­нечно-воздушные температуры на 21 июля для 40° с. ш. В спра­вочнике предлагается принять для горизонтальных поверхностей ДЯ»20 (63 Вт/м2) є» 1, 4о~ 17 Вт/(м2-град); для вертикаль­ных поверхностей AR&0. Подставив эти значения в член — — AeR/h0, получим:

для горизонтальных поверхностей

-еД R/ho=——

для вертикальных поверхностей

— zAR/h0 —— ^- = 0.

К

В табл. 26 параметр а/ho имеет две величины: 0,025 для свет­лых поверхностей и 0,05 (максимально вероятное значение) для темных поверхностей. Относительный теплоприток для некото­рых материалов см. в нижеследующей таблице.

В полдень 21 июля (средний солнечный день) на 40° с. ш. при­мерно 130 кДж могут поступать на обращенную на юг поверх­ность каждый час. Если температура воздуха равна 33° С и по­верхность имеет светлую окраску а/Ао = 0,025, поверхность «ви­дит» солнечно-воздушную температуру, равную 45° С. В табл 26 также показано, что если бы поверхность была темная (ct//z0 = 0,05), то солнечно-воздушная температура была бы рав­на 57° С.

Эта таблица, конечно, не является надежным инструментом для расчета снижения расхода энергии для отопления и охлаж­дения при использовании солнечной энергии, которая поступает на стены и крыши. Проектировщику необходимо корректировать ориентацию, размеры, цвет и состав поверхности в соответствии с эффектом, который каждое решение будет оказывать на по­требность в отоплении (или охлаждении) внутренних помеще­ний.

Основным источником информации для этого раздела явля­ется «Справочник по основным вопросам» Американского обще­ства инженеров по отоплению, холодильной технике и кондицио­нированию воздуха.

/ 1 —cos (3

где р — отражательная способность грунта, а Н—суммарная радиация, па­дающая на горизонтальную поверхность за рассматриваемый период времени.

Ниже приведены два примера вычислений действительной инсоляции по данным Бюро погоды для среднесуточной солнеч­ной радиации, падающей на горизонтальную поверхность по каждому месяцу для Нью-Йорка.

Данные регистрировались в Центральном парке города, ко­торый, по-видимому, отражает условия для всего города. Мест­ности с более чистым воздухом будут иметь лучшие значения по приходу радиации; сильно загрязненные местности или местно­сти с преобладанием густых туманов будут иметь худшие значе­ния. Однако данные, с помощью которых можно было бы сде­лать конкретные поправки, отсутствуют.

Первый пример демонстрирует метод определения прихода радиации на вертикальные стены разной ориентации. Первый этап вычислений состоит в выделении диффузной составляющей из получаемой суммарной радиации. Выше приведены кривые для соотношения суммарной и диффузной радиации в определен­ные часы по обе стороны от солнечного полдня (плюс и минус 0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5; 5,5 и 6,5 ч). Определим величины на 16-й день каждого месяца (15-й день в феврале). Считаем, что этот день более показателен, чем 21-е число, которое фигурирует в расчетах Американского общества инженеров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха. Этим учи­тывается изменение продолжительности светового дня и, в це­
лом, атмосферные условия, которые создают диффузную радиа­цию. Это является разумным приближением, поскольку его мож­но считать справедливым для любого местоположения с доста­точным приближением к реальным условиям. Диффузная составляющая представляет небольшую часть суммарной ради­ации, поэтому подобное приближение не окажет серьезного вли­яния на общую точность.

Диффузная составляющая вычитается из общей величины, чтобы получить прямую составляющую на почасовой основе. При помощи вышеприведенных тригонометрических преобразо­ваний, которые учитывают время в часах, угол, широту, высоту Солнца и солнечный азимут наряду с наклоном и ориентацией

IX х XI XII I II III IV V VI

Рис. 6.20. Средняя дневная солнечная радиация, падающая на поверхности разного наклона в Нью-Йорке

1 — вертикальная ‘поверхность; 2 — горизонтальная поверхность

рассматриваемой поверхности, определяют почасовые величины для прихода прямой радиации на различные поверхности в те­чение дня. Диффузная составляющая рассматривается так, как если бы атмосферная радиация была равномерно распределена по всему небосводу. Вертикальным стенам «видна» половина неба. Подобным образом отраженную радиацию можно рассмат­ривать как однородную со всех направлений. Если половина от возможного предполагается «видимой», а грунт имеет коэффици­ент отражения 0,2 (средняя величина), то одна десятая всей ра­диации отражается на стену. Эти величины для диффузной и от­раженной радиации прибавляются к скорректированным вели­чинам прямой составляющей, чтобы получить почасовые величи­ны для разных месяцев и различных ориентаций. Простое сложение величин за день дает предполагаемый средний приход лучистой энергии на вертикальные поверхности. Эти значения нанесены на график для Нью-Йорка (рис. 6.19).

Второй пример представляет собой расчет для коллекторов, обращенных на юг и имеющих разный наклон; этот расчет нес­колько отличен от первого. Зная отношения диффузной радиации к внеземной радиации, определим прямую составляющую сред­ней дневной радиации. С помощью тригонометрических преобра­зований, которые учитывают меняющийся в течение дня солнеч­ный угол и наклон коллектора, определим прямую составляю­щую для обращенных на юг поверхностей с разным наклоном.

Диффузная составляющая для дня корректируется для уменьшенной части небосвода, которую наклонная поверхность может «видеть». Подобным образом корректируется отраженная составляющая для части грунта, оказывающего влияние на ради­ационный баланс коллектора. Эти величины прибавляются к скорректированной прямой составляющей, что дает в результате среднюю дневную инсоляцию поверхности данного коллектора. Графики и таблицы этих данных приведены для Нью-Йорка на рис. 6.20.

Все эти величины можно с достаточной уверенностью умно­жить на число дней в данном месяце, чтобы получить предпо­лагаемую месячную солнечную радиацию, падающую на данную поверхность. Реальное количество получаемой энергии может ме­няться в широких пределах из-за крайней неустойчивости пого­ды не только день ото дня, но и год от года. Во всяком случае, эти расчеты можно считать достаточно надежными при проекти­ровании.

Подход к количественному описанию солнечной погоды и при­хода радиации при расчете систем отопления является трудной задачей. Испытывается сравнительный недостаток в надежных метеорологических данных, но основная трудность связана с боль­шим количеством переменных факторов, которые влияют на ре­жим поступления радиации в месте размещения коллектора. Некоторые факторы поддаются непосредственной количествен­ной оценке, однако большинство факторов должно рассматри­ваться в статистическом плане на основе долгосрочных средних величин наблюдений.

Наиболее надежные и пригодные для непосредственного ис­пользования статистические данные в США по солнечной радиа­ции предоставляет Бюро погоды, г. Ашвилл, штат Северная Каро­лина. На этой станции измерения проводились в кал/см2 (на го­ризонтальную поверхность за данный период времени). 1 кал/см2 (лэнгли) (4,19 Дж/см2) эквивалентен 3,69 БТЕ на фут2. Эти данные являются мерой всей радиации, прямой и диффузной солнечной радиации. Так как поверхность, регистрирующая сол­нечную радиацию, горизонтальна, то размещенные на ней изме­рительные приборы четко фиксируют влияние высоты Солн­ца. Таким образом, радиация той же плотности зимой будет ре­гистрироваться как меньшая по сравнению с летом, потому что

Рис 6 11 Прохождение солнечной ра­диации через земную атмосферу С уве­личением широты угол падения солнеч­ных лучей относительно поверхности Земли уменьшается, поэтому солнечным лучам приходится покрывать большое расстояние, проходя через атмосферу, и они распределяются по большей площа­ди, когда достигают поверхности Земли [321

/ — внешняя границь атмосфери

при меньшей высоте Солнца зи­мой угол падения на горизонталь­ную поверхность меньше В ре­зультате увеличивается отраже­ние и уменьшается полезная плотность радиационного потока. Для пересчета этих данных по отношению к наклонным поверх­ностям необходимо пользоваться тригонометрическими преобра­зованиями

Имеющими менее непосредственное отношение к солнечной энергии, но не менее полезными являются данные наблюдений по продолжительности солнечного сияния и облачности службой Бюро погоды. Солнечные периоды регистрируются как «часы сияния» и «процент возможного сияния». На диаграмме записи отмечается число часов, в течение которых режим поступления солнечной радиации благоприятен, чтобы «отбросить значитель­ную тень». Затем это число сравнивается с общим количеством часов от восхода до захода, чтобы получить процент ожидаемого полезного числа часов солнечного сияния. Облачностью выража­ется относительная часть небосвода, закрытого облаками. Она дается в десятых долях закрытого неба — от 0,0 до 1,0. Эта оцен­ка основывается на субъективных наблюдениях атмосферных условий человеком, но их точность, по-видимому, находится в приемлемых пределах

Качество или интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность, зависит от многих факторов. При движении Зем­ли по орбите расстояние ее от Солнца меняется: в январе Земля ближе к Солнцу, а в июле — дальше Реальная радиация, пада­ющая па внешнюю границу земной атмосферы, таким образом, наиболее интенсивна в январе Однако в то же время изменяется и склонение Солнца. Солнце движется по небу на север между мартом и сентябрем, в то время как с сентября по март оно на­ходится ближе к югу. Это значит, что в северном полушарии зимой Солнце находится ниже над горизонтом. В связи с этим солнечные лучи должны покрыть большее расстояние, проходя через атмосферу, и к тому же они имеют меньшую энергетиче­скую плотность на 1 м2 горизонтальной поверхности (рис 6.11). Благодаря этому достигается сбалансированность интенсивности излучения в течение года.

Другие факторы связаны с изменением интенсивности ради­ации по временам года и день ото дня Вообще прозрачность ат­мосферы зимой выше, так как в воздухе меньше пыли, цветочной пыльцы и дымки, чем летом Отражение радиации от окружаю­щей среды также непостоянно: отражательная способность снега зимой значительно выше, чем травы летом. Географическое ме­стоположение также может характеризоваться различной про­зрачностью атмосферы и величиной отражения па большой вы­соте воздух чище, чем у поверхности земли, особенно вблизи промышленных предприятий, дом на пляже получает больше от­раженного света, чем коттедж в лесу. Влияние этих факторов трудно предсказать иначе, как в самом общем виде, но и игно­рировать их нельзя

Факторы, влияющие на количество поступающей радиации, также носят переменный характер. Очевидным фактором явля­ется облачность, которая меняется не только день ото дня, но час от часу. Данные Бюро погоды по продолжительности солнеч­ного сияния и облачности необходимы при определении влияния облаков на режим поступления солнечной радиации в долговре­менном плане. Большинство опубликованных данных по облач­ности являются ежедневными или даже ежемесячными средними величинами, по которым трудно судить с достаточной надежно­стью о времени появления облаков в течение дня Поскольку са­ма по себе радиация существенно меняется на протяжении дня, то недостаток метеоданных по дневному изменению облачности может внести значительную ошибку в предсказание режима по­ступления радиации

Другим фактором, который необходимо учитывать при оценке интенсивности излучения, является отношение диффузной ради­ации к прямой. Прямая солнечная радиация представляет ту часть суммарной радиации, которая отбрасывает тень. Диффуз­ная составляющая является результатом рассеяния света моле­кулами воздуха, пылью, облаками, озоном, водяными парами и т. п. Это рассеяние делает небо голубым в ясные дни и серым в присутствии дымки. Диффузная радиация довольно равномерно распределяется по небосводу Измерить диффузное излучение трудно, и мало что известно о его плотности и изменчивости, хотя эта радиация может составлять 10—100% суммарной падающей радиации.

Два общепринятых метода использования таких меняющихся в широких пределах переменных, как облачность и прозрачность атмосферы, заключаются либо в привлечении статистически вы­численных коэффициентов, либо в использовании данных по ра­диации, падающей на заданную поверхность за несколько лет. Полученные таким образом данные отразят все переменные, за исключением доли диффузной радиации, так как в измерениях Бюро погоды не делается различий между прямым и диффузным излучением. Однако такое различение важно потому, что на no­

il б Андерсон

верхности данной ориентации угол падения прямой радиации оп­ределяет, какую часть ее можно полезно уловить. (Солнечное из­лучение, перпендикулярное поверхности, почти полностью по­глощается, в то время как излучение под небольшим углом в зна­чительной степени отражается.) С другой стороны, диффузная радиация рассматривается как равномерно распределенная по небосводу; меняется только ее интенсивность в зависимости от атмосферных условий. В настоящее время статистический под­ход является деннственным имеющимся методом для выделения доли диффузной составляющей солнечной радиации.

На практике статистические методы широко применяются для работы с другими переменными, поскольку данные по радиа­ции, зарегистрированные Бюро погоды, отражают условия толь­ко вблизи 80 метеорологических станций по всей стране. Если определенный объект не находится достаточно близко к одной из этих станций, то имеющиеся метеоданные для этого объекта не­применимы. (Большие изменения плотности потока солнечной радиации могут иметь место на довольно коротких расстояниях, поэтому интерполяцию между регистрирующими станциями нельзя считать обоснованной). Таким образом, статистические методы обеспечивают наилучшие предсказания радиации в боль­шинстве случаев, но прогнозируемые величины являются лишь приблизительными.

Реальные зарегистрированные данные по радиации часто ха­рактеризуются неточностью и пробелами в записях. Это глав­ным образом объясняется тем, что измерительные приборы труд­но градуировать, к тому же со временем они теряют свою чувст­вительность. Стекло в старых приборах неоднородно прозрачно* для всех длин волн, причем приборы теряют точность под дейст­вием температуры наружного воздуха. Данные самописцев затем анализировались вручную, при этом вносился элемент субъек­тивной ошибки. Большинство этих проблем сейчас решается при помощи более совершенных приборов и автоматических регист­рирующих устройств, однако переоборудование метеорологиче­ских станций осуществляется медленно. Ошибки и неточности в записях могут достигать 20%. По этой причине Бюро погоды в 1972 г. временно прекратило публикование радиационных сво*- док. Данные регистрируются на станциях все еще действующими приборами, однако вся система измерений радиации была изме­нена. Новшества помогли создать более широкую и точную сеть станций для сбора основной информации по солнечной энергии.

Вообще данные приводятся в виде таблиц, графиков или наци­ональных карт. Карты дают возможность охватить относитель­ные влияния в различных пунктах страны, а для многих мест они представляют единственный способ нахождения искомого значе­ния. Однако, как правило, на них не следует в полной мере по­лагаться, если не имеется дополнительных данных. Многие мест­ные факторы могут оказывать превалирующее влияние, поэтому

требуется большая осторожность и здравый смысл при использо­вании интерполированных данных из национальных карт.

В дополнение к данным, публикуемым Бюро погоды, сущест­вуют два вида данных, публикуемых Американским обществом инженеров по отоплению, холодильной технике и кондициониро­ванию воздуха: о суммарном приходе солнечною излучения (СПСИ) и об инсоляции в ясные дни. Следует отметить, что эти данные имеют ряд серьезных ограничений. Они были разрабо­таны для определения максимального притока тепловой энергии солнечного излучения через окна при установлении параметров систем кондиционирования воздуха. При этом были сделаны ряд допущений:

1) радиация прошла через один слой стекла двойной прочно­сти, имеющего специально подобранные величины пропускатель — ной, отражающей и поглощательной способности;

2) эти данные приведены только для типичных безоблачных условий на 21-е число данного месяца.

В расчетах для определения СПСИ принимаются во внима­ние высота и азимут Солнца, прямая и рассеянная атмосферная радиация и средняя отражающая способность грунта. Эти вели­чины даются для повехностей вертикальных стен различной ори­ентации и для горизонтальных поверхностей. Для определения тепловых нагрузок установок кондиционирования воздуха дан­ные по СПСИ являются незаменимыми, однако они малоприме­нимы к наклонным поверхностям и почти совершенно непримени­мы к долгосрочным прогнозам притока солнечного тепла. Кроме того, соображения, касающиеся стекла двойной прочности, не­приемлемы для большинства коллекторов. Применимость стекла обсуждается в разделе «Поступление солнечного тепла через ок­на». Приняв эти ограничения, Американское общество инжене­ров по отоплению, холодильной технике и кондиционированию воздуха разработало новые данные по инсоляции для наклон­ных, обращенных на юг поверхностей, вроде тех, которые исполь­зуются для улавливания солнечной энергии. Характер этих дан­ных аналогичен (по часам на 21-е число каждого месяца) СПСИ, но ориентация поверхности отличается Для шпрот 24°, 32°, 40°, 48°, 56° и 64° величины даны для наклонов, равных широте, ши­роте ±10°, широте 4-20° и для вертикальной поверхности Эти таблицы воспроизводятся наряду с примерами их применения.

Пример. Определите наиболее благоприятный угол наклона плоского солнечного коллектора, находящегося в Атланте, шт. Джорджия (32° с. ш.). Угол наклона выбирается таким образом, чтобы добиться максимальной инсоляции поверхности в следую­щие периоды: за год, за отопительный сезон, за охладительный сезон. Порядок действий следующий:

1. Отопительный сезон в Атланте длится с октября по апрель; кондиционирования — с мая по сентябрь.

2. Обратившись к таблице для 32° с. ш., сложим ежедневные общие значения при угле наклона 22° для месяцев с октября по апрель. В сумме (концу каждого часа) получается 164-103 кДж/ /м2-ч. Выполним ту же операцию для углов 32°, 42°, 52° и 90°. Эти общие величины, соответственно, составляют 172-103, 174-103, 172-103 и 120-103 кДж/м2-ч.

3. Сравнение суммарных величин показывает, что наклон в 42° или широта +10° обеспечивает наилучшие условия для улав­ливания тепла солнечного излучения.

4. Для сезона кондиционирования делается аналогичный на­

бор суммарных величин, но для месяцев с мая по сентябрь. Это 134 -103 кДж/м2-ч для 22°, 129 -103 кДж/м2-ч для 42°,

106-103 кДж/м2-ч для 52° и 37-103 кДж/м2-ч для 90°.

Сравнение суммарных величин показывает, что наклон в 22° или широта —10° наиболее благоприятны для охлаждения.

6. Те же действия для получения суммарных величин за год дают: 300-103 кДж/м2-ч для 22°, 301 -103 кДж/м2-ч для 42°, 278-103 кДж/м2-ч для 52° и 157-103 кДж/м2-ч для 90° наклона.

7. Сравнение суммарных величин показывает, что наклон в 32° или широта лучше всего подходит для круглогодичной ра­боты.

Эти выводы весьма полезны для проектировщика, однако более внимательный анализ цифр выявляет дополнительные фак­ты. Например, наклон в 42° считается наилучшим для отопления, но в то же время суммарные величины для 32 и 52° только на 2% отличаются от суммарной величины для 42°. Поэтому другие проектные соображения (план здания, конструктивный каркас, высотные ограничения и т. д.) могут быть учтены в процессе при­нятия решения, не оказывая серьезного влияния на конечную эффективность системы в зависимости от наклона.

Данные по приходу солнечной радиации за ясный день явля­ются исключительно ценными при проведении анализа, однако следует помнить об его ограничениях. Например, не учитывается отражательная способность грунта. В вышеприведенном примере отопительного сезона суммарная величина для наклона 90° на 30% меньше максимальной величины для 42°. На самом деле ве­личина инсоляции на вертикальной поверхности только на 10— 20% меньше оптимальной во время отопительного сезона благо­даря влиянию отражения грунта. Это особенно справедливо для высоких широт Другим ограничением является условие средне­го ясного дня Во многих местах атмосфера более прозрачна (например, на больших высотах, в пустынях), в других — менее (в промышленных районах, запыленных местностях и т. д.). Кро­ме того, эти данные не учитывают условий переменной облачно­сти, которые приобретают большое значение при долгосрочном прогнозировании Таким образом, при пользовании подобными полезными таблицами нужно всегда проявлять осторожность и здравый смысл.

На рис. 6.12 представлена номограмма, дающая общую ин­формацию о поступлении солнечной радиации. Сначала про­водится метод определения часа захода Солнца для любого пун­кта и времени года. В следующем примере иллюстрируется ис­пользование диаграммы. Определим время захода Солнца 20 мая в Лиссабоне, Португалия (39° с. ш.). График склонений показы­вает, что 20 мая склонение составляет 20°. Соединив линейкой точку 39° с. ш. и точку склонения 20°, получим время захода. 20 января, когда склонение также составляет 20°, время захода Солнца будет 16 ч 52 м. Эти часы даны по местному солнечному времени.

На следующем графике (рис. 6.13) представлены доли суточ­ной солнечной радиации, облучению которой подверглась гори­зонтальная поверхность в период между определенными часами. Чтобы воспользоваться этим графиком, необходимо знать сред­нюю дневную солнечную радиацию и продолжительность дня (найденную из предыдущей номограммы). Для наклонных по­верхностей, обращенных на юг (обращенных на север в южном полушарии), необходимо определить «истинную продолжитель­ность» дня. Это можно получить путем вычитания угла наклона из действительной широты, чтобы получить кажущуюся широту. Затем эта величина вводится в первую номограмму как широта. Этот метод для наклонных поверхностей справедлив только тог­да, когда угол наклона существенно не превышает широты. Этой

ПВ Б Андерсон

номограммой можно пользоваться следующим образом. Какова будет доля суточной солнечной радиации, падающей на горизон­тальную поверхность между 9 ч утра и 3 ч дня 20 мая в Лиссабо­не? Из предыдущего примера мы знаем, что Солнце заходит в 19 ч 08 м; таким образом, день длится с 5 ч утра до 7 ч вечера. Вертикальная линия, проведенная от точки «с 9 до 3» до кривой «с 5 ч до 19 ч», соответствует 0,67, т. е. доле радиации, получен­ной за этот период. Интересно отметить из этого графика, что 90% суточной радиации (любого ясного дня) поступает в сред­ние две четверти дня. Изучая этот график, можно получить мно­го полезной информации такого рода.

Помимо имеющихся прямых данных, дополнительную инфор­мацию можно извлечь, применив общие способы производства действий с этими данными. Они главным образом основаны на статистическом учете долговременных средних условий. Подроб­ности этих расчетов, не включенные в эту книгу, содержатся в статье Ю. Г. Ли и Р. К. Джордана «Условия поступления солнеч­ной энергии на плоские солнечные коллекторы», опубликован­ной Американским обществом инженеров по отоплению, холо­дильной технике и кондиционированию воздуха в книге «Тех­ника использования солнечной энергии в низкотемпературных процессах». Выделение диффузной составляющей из всей радиа­ции не может быть сделано достаточно точно. Метод, рекоменду­емый Ли и Джорданом, основан на отношении среднесуточной полной радиации на горизонтальной поверхности (измеренной на данной метеорологической станции) к внеземной среднесуточ­ной радиации, падающей на горизонтальную поверхность. Эти данные (обычно называемые процентом внеземного излучения,

или % ВЗИ), хотя и непуб­ликуемые вместе со сводка­ми по радиации, можно получить в Национальном центре регистрации метеоро­логических данных. Данные по 80 метеорологическим станциям также вошли в приложение к статье Ли и Джордана. Это отношение или коэффициент в соче­тании с простым графиком

Рис. С 13 Доля суточной солнеч­ной радиации, которая поступает между определенными часами [401

продолжительность дня / — с 8 ч да 16 ч, 2 — с 7 ч до 17 ч, 3 — с 6 до 18 ч; 4 — с 5 до 19 ч; 5 — с 4 ч до 20 ч

дает зависимость между диффузной и полной радиацией в тече­ние дня (рис. 6.14).

Например, графиком можно воспользоваться для определе­ния части суточной радиации, которая является диффузной, при % БЗИ, равном 50, и суточной суммарной радиации 15 330 кДж/м2. На графике 50% соответствуют отношению диф­фузной радиации к суммарной как 0,38. Количество диффузной радиации в сутки составляет 15 330-0,38 = 5825 кДж/м2. Тогда прямая составляющая радиации будет равна 15330 — 5825 = = 9505 кДж/м2. Многие расчеты требуют знания зависимостей между почасовым и суточным приходом радиации, падающей на горизонтальную поверхность. Эта информация необходима как для определения суммарной радиации, так и для оценки ее двух

Рис. 6.14 Соотноше­ние между диффуз­ной и суммарной ра­диацией [22]

-g’S ^о, з-

*§02- 5 CP S’QV

l|!%

составляющих. На графике, взятом из статьи Ли и Джордана (рис. 6.15), показаны зависимости между часовыми и суточными суммами радиации для суммарной и диффузной радиации — за период времени с восхода до захода (найденный из выше­приведенной номограммы). Пользуясь рис. 6.15, найдем ко­личество диффузной и прямой радиации, падающей на горизонтальную поверхность в 10 ч 30 м при 12-часо­вом дне, если суммарная за сутки радиация составляет 15 330 кДж/м2, а % ВЗИ равен 50. Из вышеприведенного приме­ра суточная диффузная радиация составляет 5825 кДж/(м2-сут). От солнечного полдня время 10 ч 30 м отделено полутора часами. Кривая диффузной радиации для этого часа пересекает 12-часо­вую (вертикальную) линию в точке, соответствующей 0,120, т. е. в точке отношения между почасовой и суточной радиацией. Та­ким образом, диффузная составляющая равна 5825X0,12 = = 700 кДж/(м2-ч). Аналогично кривая суммарной радиации ука­зывает на отношение 0,128. Отсюда приход суммарной радиации за час равен 15 330X0,128=1964 кДж/(м2-ч). Тогда прямая со­ставляющая радиации будет 1964 — 700=1264 кДж/(ч-м2) = = 355 Вт/м2.

Для того чтобы получить соотношение величин прямой ради­ации, падающей на поверхность данной ориентации и на гори­зонтальную поверхность, можно применить два тригонометриче­ских преобразования: одно для почасового расчета для любой поверхности, а другое для суточного облучения поверхностей, обращенных на юг. Графический пример этого соотношения дан на рис. 6.16. Графическое представление дано по месяцам для указанных наклонов и применительно к соответствующей средне­месячной радиации. Во многих случаях радиация, падающая на наклонную поверхность, была значительно больше радиации, па­дающей на горизонтальную поверхность. Например, в ноябре бо­лее чем в два раза больше прямой радиации попадает на поверх­ность с величиной наклона поверхности, составляющей градус широты +20°, чем на горизонтальную поверхность. Следует под­черкнуть, что диффузная составляющая радиации и любая энер­гия, отраженная от окружающих поверхностей, рассматриваются в другом ракурсе. Тригонометрические преобразования можно применять лишь применительно к прямой составляющей ради­ации.

Переводной коэффициент Rd для суточной прямой радиации, падающей на обращенные на юг поверхности (обращенные на север в южном полушарии), зависит от широты (L), наклона (р) и часового угла захода Солнца (со) как для горизонтальных, так и для наклонных поверхностей. Этот угол в свою очередь зависит от широты (L), наклона (|3) и склонения (б). Для горизонталь­ной поверхности часовой угол захода Солнца равен: <i)s = —tgLtg5. Для наклонной поверхности он равен: cos’ — = —tg(L—p)tg8. Склонение (6) определяется из вышеприведен­
ной номограммы, a cos и и/ вычисляются. Переводной коэффици­ент имеет несколько иной вид и зависит от двух часовых углов:

, cos (L — Р) sin Cl)s— cos cos м’

если cosssC cos, то Rd ———————————- ;

cos / sin (0S —(Os COS (Os

COS (L —P) sin — m’ COS ю’ cos L sin C0S — (0S COS Cds

Переводной коэффициент Rf, p для почасовой прямой радиа­ции, падающей па поверхность любой ориентации, зависит от наклона поверхности (|3), азимута поверхности (Т), высоты Сол­нца (а) и азимута Солнца (Ф). Солнечные углы приводятся в разделе «Углы падения солнечных лучей и затенение». Углы на­клона поверхности описаны на рис. 6.17. Если известны четыре коэффициента, то можно выполнить преобразование:

Ryfi = cos р + sin р с03(ф—7) _

tga

Диффузная и отраженная радиация рассматриваются с раз­ных точек зрения. Общепринято, что диффузная радиация рав­номерно поступает из всех секторов небосвода, поэтому задача заключается в определении того, какую часть небосвода «видит» данная поверхность и на сколько снижается доля диффузной ра­

диации по отношению к полному ее количеству (рис. 6.18). Тогда доля диффузной радиации, падающей на данную поверхность, будет составлять

1 + COS Р JJ 2 ’

где р — наклон от горизонтали, a D — диффузная радиация для рассматри­ваемого периода времени (см. выше).

Отраженная радиация зависит от коэффициента отражения грунта р, доли поверхности грунта, которую «видит» принимаю­щая радиацию поверхность (см. рис. 6.18) и уровня суммарной радиации. Обычная средняя величина р равна 0,2, хотя она ме­няется в зависимости от наличия снега, травы, воды и т. п. Здесь не учитывается эффект отражения от окружающих высотных зданий или других объектов, который может быть значитель­ным, если речь идет об условиях города.

1 — угловая высота Соли ца; 2 — угол падения; 3 — здание; 4 — сол­нечный азимутальный угол; 5 — сол­нечный азимутальный угол стены

Рис. 6.18. Зависимость между углом наклона поверхности и частью небосвода, который «видит» эту поверхность

ЗЗо