1.1.3. Закономерности годового хода приведенной солнечной облученности зданий.
Проанализируем годовой ход приведенной облученности здания-эталона (рис. 1.3) и двух экстремальных форм — меридиональной (тип 3) и широтной (тип 6) — в семи городах-представителях и опорных пунктах, для которых имеются достоверные данные многолетних наблюдений за поступлением солнечной радиации: Архангельске, Ашхабаде, Волгограде, Ленинграде, Ташкенте, Уссурийске и актинометрической обсерватории на Карадаге. Указанные города выбраны нами с целью получить поширотный разрез в наиболее населенных районах страны, а также оценить диапазон возможных отклонений на относительно близких широтах в районах со специфическими различиями условий климата.
Как видно из рис. 1.3, годовой ход приведенной облученности эталонного здания-куба в основном пропорционален годовому ходу облученности горизонтального покрытия. Максимум облученности с учетом действительных условий облачности в северных широтах приходится на июнь (Архангельск, Ленинград) и достигает 3477—4164 Вт/м2. Отметим, что по абсолютной величине приведенная облученность эталона в Архангельске в весенние и летние месяцы выше, чем в Ленинграде, на 5,5%, а в мае — июле она на 14,1 % выше среднесуточной облученности, чем в Тбилиси, и на 5,3% выше, чем в Алма-Ате, в Ашхабаде же она выше лишь на 4,4%. И хотя активное облучение зданий значительными потоками солнечной радиации в Архангельске продолжается чуть более пяти месяцев в году, из приведенных выше сопоставлений следует, что в Заполярье при определенных условиях можно развивать некоторые направления солнечного отопления зданий, в первую очередь сезонных, работающих в летнее время года (летние лагеря, дома отдыха и т. д.).
Южнее 50° с. ш. годовой максимум приведенной облученности эталона за счет действительных условий облачности смещается на июль. Наиболее высокая корреляция приведенной облученности эталонных зданий наблюдается в весенние месяцы (март—май) и в начале лета (июнь). Во второй половине лета и осенью значения приведенной облученности эталонных зданий в различных городах и географических районах страны распределяются пропорционально изменению общего прихода суммарной солнечной радиации на горизонтальную поверхность, главным образом в связи с неодинаковым возрастанием облачности и числа пасмурных и дождливых дней. Достаточно подробный анализ типов погоды и количественные соотношения вероятности их повторения на территории СССР содержится, например, в Физико-географическом атласе мира [4]. Оценка отдельных климатологических факторов или их сочетаний дается в на стоящей работе лишь в той степени, в которой это относится к расчету или анализу условий работы гелиотехнических сооружений.
Таблица 1.1. Геометрические и гелиоэнергетические характеристики прямоугольных зданий экстремальных форм
Целесообразно отметить некоторые экстремальные моменты, в частности «аномалию» годового хода приведенной облученности зданий на Дальнем Востоке, вызванную влиянием муссонного климата Приморья (Уссурийск). Здесь наблюдается минимум по сравнению с другими районами СССР приведенной облученности летом и максимум в зимние месяцы. В ноябре — марте здания в Уссурийске получают больше солнечной энергии, чем в Ташкенте, Алма-Ате, Ашхабаде и других «солнечных» городах и районах Советского Союза. Так, в январе — декабре приведенная облученность здания-эталона в Уссурийске превышает приведенную облученность в Ашхабаде на 8,1%, Алма-Ате — на 16,4%, Ташкенте — на 17,1% и Тбилиси — на 18,4%. Таким образом, анализ приведенной облученности эталонных зданий еще раз показал, что наиболее благоприятные гелио- климатические условия в нашей стране, создающие естественную предрасположенность для первоочередной разработки и внедрения в практику проектирования и строительства различных систем солнечного отопления зданий, имеются прежде всего в Приморском крае
В связи с тем, что репрезентативность найденных нами значений приведенной солнечной облученности эталонных зданий в соответствии с характеристикой достоверности исходных данных о солнечной радиации [5] распространяется на регион в радиусе 50 км вокруг каждого из рассмотренных городов и на высоту 0,5 км от наземного уровня застройки, возникла необходимость в отыскании математической зависимости приведенной облученности эталона от суммарной радиации, поступающей на горизонтальное покрытие здания Qп. Взаимосвязь указанных величин исследована нами по месяцам годичного цикла (данным многолетних наблюдений) для двадцати городов Советского Союза, территориально относящихся к различным строительно-климатическим зонам страны, а именно для Алма-Аты, Архангельска, Ашхабада, Александровского, Волгограда, Воронежа, Карадага, Кишинева, Курска, Ленинграда, Москвы, Риги, Сухуми, Тбилиси, Уссурийска, Ферганы, Форт-Шевченко, Хабаровска, Целинограда (рис. 1.4.) Математическая обработка этих результатов позволила автору получить эмпирическую зависимость
(118)
В случаях, требующих более высокой корреляции, аналогично выводятся дифференцированные зависимости для групп городов того или иного региона. Однако на территории СССР между 38 и 66° с. ш. для всех случаев, за исключением сплошной облачности, выражение (1.18) позволяет в первом приближении с достаточной степенью точности судить о значении приведенной облученности эталона, если суммарная радиация, поступающая на горизонтальную поверхность, для данной местности известна из справочной литературы или получена экспериментально.
Для градостроительства большой практический интерес представляет анализ гелиотехнических аспектов широтного и меридионального размещения зданий. Рассмотрим многоэтажные вытянутые в плане здания (рис. 1.5) — широтные (тип 6) и меридиональные (тип 3) в условиях выбранных ранее семи городов-представителей. Предварительно отметим, что на годовой ход приведенной облученности широтно ориентированных зданий решающее влияние оказывает высота полуденного солнца (см. левую часть рис. 1.5), существенно зависящая от широты местности (ср. кривые 1 и 2,4, 6). На графике отчетливо видно, что в северных городах (Архангельск, Ленинград) максимум облученности широтных зданий приходится на вторую половину весны и первую половину лета. В южных районах (Карадаг, Ташкент, Уссурийск) картина облученности иная: минимум облученности приходится на май-июнь, а два максимума наблюдаются в сентябре-октябре и январе-феврале. Абсолютный максимум приведенной облученности широтных зданий наблюдается на Дальнем Востоке (Уссурийск) в феврале и достигает 2801 Вт/м2 (средняя многолетняя цифра при действительных условиях облачности), в то время как для такого же здания в Ташкенте он равен 1877 Вт/м2 в июне. Отметим, что Волгоград имеет срединную характеристику годового хода приведенной облученности по отношению как к северным, так и к южным городам страны.
Рис. 1.5. Сравнительный годовой ход приведенной солнечной облученности зданий типа 6 (а) и типа 3 (б) при действительных условиях облачности в семи городах-представителях и опорных пунктах на территории СССР: 1 —Архангельск; 2 — Ашхабад; 3 — Волгоград; 4 — Карадаг; 5 — Ленинград, 6 — Ташкент; 7 — Уссурийск; в — спектры излучения; 1 — а. ч. т. при температуре 6000 К; 2 — солнце на верхней границе атмосферы (Sm = 0); 3 — то же, на уровне моря (Sm=l); Sm — условная масса атмосферы
В значительной степени отличается график годового хода приведенной облученности для зданий меридиональной ориентации (тип 3, см. правую часть рис. 1.5). В связи с тем, что суточные суммы облученности таких зданий складываются главным образом из облученностей в утренние и вечерние часы (т.е. дифференциация высоты полуденного солнца особой роли не играет), кривые годового хода приведенной облученности меридиональных зданий имеют высокую взаимную корреляцию. Так, приведенная облученность зданий типа 3 в Архангельске в июне составляет 3637 Вт/м2, что практически равно облученности в Карадаге в июле и лишь на 0,8% меньше, чем приведенная облученность в Ашхабаде в июне. Отмечая, что суточные суммы солнечной теплоты, полученной зданием типа 3 в мае — июле в Архангельске и Ленинграде, соответственно на 27,5 и 31,4% больше, чем зданием типа 6 в тех же условиях, а в Ташкенте широтное здание типа 6 получает в этот период в 1,9 раза меньше избыточной лучистой энергии, чем здание типа 3, можно сделать два важных вывода о предпочтительной с позиций радиационного баланса ориентации зданий:
в северных широтах, где солнечная радиация и в летние месяцы воспринимается как положительный фактор в формировании теплового баланса, предпочтительна меридиональная ориентация, обеспечивающая общий выигрыш в лучистом теплопритоке к наружным ограждениям в пределах до 30% и более;
в южных широтах, где солнечная радиация в летние месяцы рассматривается как отрицательный фактор, создающий тепловой дискомфорт, а зимой, наоборот, целесообразен максимальный солнечный подогрев, предпочтительна широтная ориентация зданий, обеспечивающая высокую круглогодичную оптимизацию теплового режима, усиливающуюся при применении специальных архитектурных и гелиотехнических конструктивных решений наружных ограждений (стен).
