Здание непосредственно взаимодействует с солнечной радиацией в пределах инсолируемого объема и глубины лучепрозрачного слоя наружных и внутренних ограждений. При этом различные ограждения вследствие рассматривавшихся выше причин астрономического, геофизического и геометрического характера испытывают в поле солнечной радиации неодинаковую энергетическую нагрузку, вследствие чего различные части и объемные элементы зданий — рядовые одно- и двухфасадные квартиры, рядовая и торцевые секции, угловые блоки, верхние этажи и их фрагменты в пределах одного здания в энергетическом отношении обеспечены солнечной радиацией также неодинаково.
На этапе освоения и экспериментальной проверки различных систем солнечного отопления зданий в качестве одной из возможных, а для городского многоэтажного строительства и наиболее удобных форм является испытание таких систем на фрагментах возводимых или эксплуатируемых зданий. Рассмотрим взаимодействие здания и его объемных элементов с солнечной радиацией с точки зрения формирования гелиоэнергетического режима у внешней границы наружных ограждений. При исследовании будем использовать фактор приведенной солнечной облученности применительно к объемным элементам здания с одним, двумя и более фасадами.
Примем следующие условные обозначения для ограждений здания, ориентированного по основным странам света: С — северный фасад, В — восточный фасад, Ю — южный фасад, З — западный фасад; П — плоское горизонтальное покрытие. При этом считаем, что внутренние ограждения, отделяющие рассматриваемый гелиотехнический объемный элемент (например квартиру) от примыкающего объема здания, находятся в тепловом равновесии с последним либо дополнительно теплоизолированы. С учетом сказанного можно выделить следующие объемные элементы, группируя их по числу наружных ограждений, подвергаемых облучению солнцем:
Таким образом, исследованию параметров годового и суточного хода солнечной облученности подлежит 31 основной вариант объемных элементов зданий, подчиняющийся условию равенства коэффициентов геометрического подобия облучаемых ограждений, и произвольное множество подвариантов, характеризующихся неравенством коэффициентов подобия, но часто встречающихся в современном строительстве Задачу такого типа ввиду большого объема исследуемой информации целесообразно решать на ЭЦВМ. Исследуем годовой и суточный ход режима приведенной солнечной облученности 31 основного и 24 дополнительных вариантов объемных гелиотехнических элементов зданий, в том числе 10 двухфасадных, 12 трехфасадных и 2 четырехфасадных, в условиях городов (и прилегающих к ним регионов). Поскольку общий объем получаемой при этом актинометрической информации достаточно обилен, ограничимся рас смотрением и анализом наиболее общих закономерностей формирования режима приведенной облученности на примере двух городов: годового хода в Феодосии (Карадаг) и суточного хода в Ашхабаде.
Общая геометрическая характеристика исследованных вариантов зданий и их элементов с учетом пространственной ориентации ограждений представлена в табл. 1.2., где указаны соотношения коэффициентов геометрического подобия для каждого из вариантов.
В качестве одного из фасадов для общности изложения вариантов будем условно понимать покрытие здания
Рис. 1.6. Годовой ход приведенной солнечной облученности зданий и объемных элементов (гелиоквартир) при действительных условиях облачности по средним многолетним данным (Карадаг). Пространственная ориентация вариантов 1.1, 1.2, ... 31.1 показана в табл. 1.2 (слева — абсолютная приведенная облученность объектов; справа — то же, относительная в % от облученности эталонного куба в тех же условиях)
а — однофасадные квартиры (311 — эталонное здание куб); б двухфасадные гелиоблоки рядового этажа северо- и юго-восточной ориентации; в — двухфасадные гелиоблоки рядового этажа юго-западной ориентации, г — двухфасадные квартиры рядового этажа: угловая (северо-запад), широтная и меридиональная рядовой секции; д — двухфасадные (стена + покрытие) гелиоблоки верхнего этажа северной и восточной ориентации; 5.1 и 2.1 — границы области вариации облученности восточных квартир верхнего этажа; е — то же, южной ориентации; 3.1 и 5.1 — границы области вариаций облученности южных квартир верхнего этажа; ж — то же, западной ориентации; 4.1 и 5.1 — границы области вариаций облученности западных квартир верхнего этажа, з — трехфасадные квартиры верхнего этажа северо- и юго-восточной ориентации (С+В+П, Ю+В+П); и — то же юго- и северо-западной ориентации (Ю+З+П, С+З+П), к — то же, широтной и меридиональной ориентации (С+Ю+ П, В+З+П); л — трехфасадные квартиры, торцевые секции рядового этажа; м — четырехфасадные торцевые секции верхнего этажа; рядовая секция дома-башни — (30.1) и эталонное здание куб с пятью облучаемыми ограждениями
Годовой ход приведенной облученности объемных элементов зданий по многолетним данным при действительных условиях облачности на Карадаге представлен на рис. 1.6. Исходная информация о действительных суточных суммах солнечной радиации, поступающих на ограждения основных ориентаций, представлена в табл 1.3 Разработанная программа расчета на ЭВМ обеспечивает на выходе информацию, в которой все варианты проанализированы и помесячно размещены в порядке убывания относительной приведенной энергетической облученности солнечной радиацией. Такая информация позволяет составить строго количественное представление о сравнительной обеспеченности солнечной энергией (т. е гелиоэнергетической эффективности) того или иного варианта в сопоставлении с эталоном, а также о годовой эволюции данного показателя для любого сочетания вариантов, например, при оценке солнечного энергетического режима гелиозданий, а также объемных блоков или гелиоквартир в рамках проектируемого комплекса, микрорайона или другого массива зданий в условиях рассматриваемого города (региона). Кроме того, в табличной форме могут быть представлены результаты исследований экстремумов годового хода приведенной абсолютной и относительной облученности строительных объектов с указанием месяцев для каждого из рассмотренных вариантов, а также приведены среднегодовые значения облученности. Программа обеспечивает расчет амплитуды годового хода облученности и, что не менее важно для солнечного отопления (охлаждения) зданий, дает сведения
Таблица 1.2. Характеристика вариантов гелиотехнических объектов — зданий и их объемных элементов — при различной пространственной ориентации ограждения
Таблица 1.3. Годовой ход солнечной облученности ограждений, зданий (Феодосия.
Карадаг), ориентированных по основным сторонам света, по средним многолетним данным при действительных условиях облачности (исходная матрица локальных значений солнечной энергии)
1 Индекс ограждения соответствует подстрочечному индексу в табл 1.2 и однозначно характеризует пространственное положение облучаемой конструкции: 1 — северная; 2 — восточная; 3 — южная; 4 — западная стена; 5 — горизонтальное покрытие.
о солнечном энергобалансе рассмотренных вариантов по отопительному и теплому периодам года. Отопительный период количественно характеризуется длительностью и приведенной солнечной облученностью, осредненной за два наиболее холодных месяца и за весь период, а также амплитудами абсолютной и относительной облученности в пределах периода. Аналогичные результаты дает расчет на ЭВМ и за теплый период года. Последние данные необходимы, в частности, для оценки сравнительной энергетической нагрузки от солнечной радиации на кондиционеры или холодильные агрегаты зданий с кондиционированием, зданий-холодильников, а также для выбора оптимального в гелиотехническом отношении варианта объемного решения и пространственной ориентации проектируемых зданий.
В табл. 1.4. представлены результаты анализа энергетической эффективности рассмотренных объемных элементов зданий в поле суммарной солнечной радиации по многолетним данным. В порядке убывания обеспеченности солнечной энергией показаны 10 вариантов с показателями, осредненными по году, отопительному и теплому периоду. Кроме гипотетического гелиоблока (вариант 5.1), вмонтированного, например, в межферменный этаж совмещенного плоского покрытия, наиболее обеспечены солнечной энергией в годовом цикле гелиоблоки южной ориентации в системе верхнего этажа (см. варианты 14 3, 14.2 и 14.1). При этом следует отметить, что однофасадная гелиоквартира южной ориентации по среднегодовой обеспеченности солнечной энергией среди рассмотренных вариантов занимает пятнадцатое место.
В отопительном сезоне по обеспеченности солнечной энергией первые три места занимают гелиоквартиры рядового этажа южной, юго-западной и юговосточной ориентаций (варианты 3.1, 8.5, 7.3). Следующий за ними южный гелиоблок верхнего этажа (вариант 14.1) обеспечен солнечной энергией в отопительном сезоне на 25% меньше варианта (3 1) рядового (промежуточного) этажа южной ориентации.
В летний период наибольший интерес представляют здания с наименьшей приведенной солнечной облученностью. Как видно из табл. 1.4, наименьшую облученность из числа отдельно стоящих зданий имеет многоэтажное здание широтной ориентации (вариант 10.1) и здание, квадратное в плане, например дом-башня (вариант 30.1). Исходя из этого и с учетом коэффициентов компактности и огражденности можно рекомендовать при проектировании оптимального в гелиотехническом отношении здания-холодильника объемное решение, близкое к кубу. Крыша затенена вспомогательным этажом (машинное отдеделение+административные и бытовые помещения), размещенным на колоннах над основным холодильным блоком, предусматривается сквозное проветривание пространства между основным и вспомогательным блоками.
Анализ экстремумов годового хода приведенной облученности показывает также, что далеко не все объемные элементы зданий получают максимум солнечной энергии в наиболее жаркий месяц. Так, из 59 рассмотренных вариантов 42 имеют максимум облученности в июле, 8 в августе и 9 в сентябре. К послед ним относятся квартиры южной и юго-западной ориентации верхних и промежуточных этажей (см. рис. 1.6,в и 1.8,л).
Суточный ход приведенной солнечной облученности объемных элементов зданий по многолетним данным при действительных условиях облачности рассмотрим на примере наиболее холодного месяца в отопительном сезоне в Ашхабаде.
Матрица исходных данных о почасовом поступлении действительных сумм солнечной радиации на отдельные ограждения в январе дана в табл. 1.5, а экспериментальные результаты представлены на рис. 1.7.
Таблица 14. Энергетическая эффективность объемных элементов зданий в поле суммарной солнечной радиации по средним многолетним данным при действительных условиях облачности (Карадаг)
По каждому из рассмотренных вариантов воспроизведены данные о суточных значениях приведенной солнечной облученности, экстремумах суточного хода, абсолютной и относительной амплитудах, а также о среднечасовых значениях этого показателя за световой день и в суточном цикле. Такого рода данные необходимы для прогнозирования осредненной теплопроизводительности гелиотехнических ограждений зданий, а также для расчетов режима теплопередачи и аккумулирования тепловой энергии.
Анализ данных о суточном ходе приведенной облученности показывает, что наиболее солнечная в январе квартира южной ориентации (вариант 3.1) получает в среднем в 2,18 раза больше лучистой энергии, чем эталонный куб, в то же время ее амплитуда приведенной облученности больше, чем у эталона, в 2,71 раза. Следующая группа гелиоблоков рядового этажа юго-восточной и юго-западной ориентации (варианты 7.3, 8.5, 7.2, 8.4, 21.2) имеет также высокие показа тели среднечасовой обеспеченности солнечной энергией —в 1,83—1,71 раза выше эталона. При этом суточная амплитуда наименьшая у трехфасадного гелиоблока (21.2). Незначительно (на 2%) уступает им по среднечасовой приведенной облученности в январе южная квартира верхнего этажа (вариант 14.1). Однако последнему варианту следует отдать предпочтение в том случае, если предусматривается круглогодичное (или летнее) приготовление горячей воды на солнечной энергии, так как среднегодовые и особенно летние показатели обеспеченности солнечной теплотой у этого варианта существенно более высокие и по относительной облученности превышают соответственно на 27,4% и 40,2% показатели варианта 14.1.
