- Исследование обобщенного влияния климатических факторов на солнечный режим зданий. Комплексная актиноклиматологическая характеристика.
Энергетическая целесообразность экспериментального или серийного строительства гелиотехнических зданий в том или ином районе выявляется на основе анализа солнечных энергоресурсов и сопутствующих климатологических фак торов, непосредственно влияющих на тепловой баланс системы наружных ограждений. В комплексную актиноклиматологическую характеристику условий региона помимо солнечной радиации входят данные о суточном и сезонном ходе облачности, о температуре и влажности воздуха, скорости ветра, осадках и туманах, что обеспечивает возможность статистического анализа указанных величин.
Статистически достоверную взаимосвязь таких важнейших характеристик климата, как температура наружного воздуха и ветер, с поступлением действительных сумм солнечной радиации для обеспечения контрастной репрезентативности целесообразно исследовать на примере двух городов с различным климатом и обеспеченностью солнечной энергией, а именно, Москвы и Ашхабада. Поскольку рассмотренные выше факторы климатических воздействий на здание повторяются в различных сочетаниях, изучение их взаимосвязи представляет большой интерес для строительной гелиотехники. Комплексные характеристики двух и более элементов климата — температуры наружного воздуха, скорости ветра, облачности и солнечной радиации — особенно важны, потому что совмещение этих факторов усиливает или ослабляет их взаимодействие.
Методически изучение совместной повторяемости суммарной солнечной радиации, температуры воздуха t и скорости ветра ν при различных состояниях облачности заключается в отборе и обработке актинометрических данных и результатов метеонаблюдений при их совместном проявлении. В связи с этим материал многолетних метеонаблюдений (на примере Москвы и Ашхабада) был распределен в зависимости от условий облачности в соответствующем районе по градациям: «ясно» — облачность 0—2 балла; «полуясно» — облачность 3—7 баллов; «пасмурно» — облачность 8—10 баллов. Данные метеонаблюдений рассматривались в пределах отопительного периода. В качестве исходных данных принимались среднесуточные значения температуры воздуха, скорости ветра и солнечной радиации.
Задача заключалась в определении средней многолетней скорости ветра по месяцам отопительного сезона и среднемесячной интенсивности суммарной солнечной радиации отдельно для каждого интервала среднемесячной температуры наружного воздуха (∆tн=2°C), а также в оценке повторяемости сочетаний температуры воздуха, скорости ветра и суммарной солнечной радиации в условиях ясного, полуясного и пасмурного неба. Это позволило количественно определить значение комплексной климатологической величины, выражающей совместное действие температуры воздуха, скорости ветра и солнечной радиации в зависимости от различных условий облачности (рис. 1.8) [6].
Анализ полученных данных позволяет выявить некоторые практически важные для работы гелиотехнических зданий соотношения:
среднемесячным более высоким значениям суммарной радиации соответствуют в среднем более высокие температуры наружного воздуха, однако и самые низкие расчетные зимние температуры наблюдаются также при ясном небе, т. е. при этом возможна одновременная компенсация тепловых потерь зданий за счет поступающей к ним солнечной радиации (при наличии солнечных ловушек и других гелиотехнических элементов ограждений);
температура воздуха при безоблачном небе в отопительном сезоне в среднем на 3—5° выше, чем при пасмурном небе, а суммарная радиация во все месяцы отопительного сезона соответственно при пасмурном небе в 2 раза ниже, чем при ясном;
взаимосвязь скорости ветра и состояния облачности имеет невысокую корреляцию: в Ашхабаде скорость ветра при ясном и пасмурном небе практически совпадает, а в Москве в первом случае она оказывается лишь на 1—2 м/с выше, чем во втором.
Проведенные выше отбор, обработку и анализ многолетних данных актино- и метеонаблюдений для двух городов можно рассматривать как попытку разработать методическую основу для оценки комплексной климатологической характеристики других городов, необходимой на стадии решения вопроса о целесообразности гелиотехнического строительства в том или ином районе, включая помесячно осредненный дефицит теплоты в отопительном сезоне и характеристики солнечного облучения.
- Ситуационная характеристика эффективного солнечного энергозамещения тепловых потерь зданий. Соотношение солнечной энергообеспеченности здания или его частей с другими факторами климата, все многообразие возможных случаев соотношения расхода и поступления энергии в различных регионах планеты принципиально сводится к следующим ситуациям:
- — солнечной энергии, поступающей к зданию в отопительном сезоне, достаточно (с учетом реального к.п.д. гелиотехнической системы ограждений) для отопления всего проектируемого полезного объема здания по оценкам, основанным на средних многолетних (статистически достоверных) данных;
- — этой энергии достаточно для отопления отдельных объемных элементов или ячеек здания с ограждениями энергетически выгодных ориентаций и их сочетаний;
- — солнечной энергии недостаточно для возмещения тепловых потерь здания в целом или объемных элементов энергетически наиболее обеспеченных ориентаций, однако дефицит может быть покрыт концентрированной подачей к объекту дополнительной солнечной энергии в солнечные дни отопительного сезона;
- — солнечной энергии недостаточно; дефицит солнечной теплоты в отопительном сезоне может быть покрыт лишь с использованием межсезонной аккумуляции солнечной энергии;
- — солнечная энергия в отопительном сезоне к зданиям и сооружениям не поступает, и возможна лишь летняя аккумуляция солнечной энергии, в том числе с использованием эффективных концентраторов различных систем.
Технические решения солнечного энергозамещения тепловых потерь строительных объектов, адекватные сформулированным ситуациям гелиоклимата, целесообразно представить в виде следующих основных направлений:
разработка зданий и сооружений, весь полезный объем которых отапливается (термостатируется) с использованием солнечной энергии (ситуация I);
разработка в системе проектируемых и строящихся зданий либо реконструкция в эксплуатируемых зданиях объемных микроячеек (квартира, секция, надстройка, часть здания) с одно-, двух-, трех- и четырехфасадным облучением (ситуации I и II);
соединение в комплексах двух и более функционально разнотипных зданий, одно или часть из которых отапливаются с использованием солнечной энергии, а другие не отапливаются или не требуют использования солнечной энергии (ситуация II—V);
использование отдельных ограждений зданий и сооружений из числа ближайших к гелиотехническому объекту (тоже зданию, сооружению) в качестве переотражателей (концентраторов) солнечной энергии с целью дополнительного облучения объекта (ситуации II—V);
создание гелиопоселков или микрорайонов города с единой или мультиплицированной системами солнечного термостатирования (ситуации I—III);
разработка зданий или комплексов с пообъектным или централизованным, в том числе межсезонным аккумулированием солнечной теплоты (ситуации III—V).
Подчеркнем, что с учетом рассматривавшейся ранее межгодовой и внутримесячной изменчивости поступления солнечной энергии, как правило, все системы солнечного обогрева и охлаждения строительных объектов необходимо снабжать отопительным дублером.
