Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации

Федеральное автономное учреждение «Федеральный центр нормирования, стандартизации и оценки соответствия в строительстве»

Методическое пособие

РАСЧЕТЫ ТЕПЛОПОСТУПЛЕНИЙ В ЗДАНИЕ ОТ ПРОНИКАЮЩЕЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ ЗА ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ПЕРИОД

Москва 2017 г.

Оглавление

Введение........................................................................ 4

1    Область применения......................................................... 5

2    Нормативные ссылки......................................................... 6

3    Термины и определения...................................................... 7

4    Общие положения.............................................................. 9

5    Методы расчета теплопо отуплений от проникающей солнечной

радиации при различных условиях......................................... 12

5.1    Расчет поступления солнечной радиации на вертикальную

поверхность при действительных условиях облачности.............. 12

5.2    Расчет поступления солнечной радиации на наклонную

поверхность..................................................................... 15

5.3    Расчет поступления суммарной радиации с учетом облачного и

безоблачного неба.............................................................. 18

5.4    Влияние противостоящих зданий на поступление радиации.........    21

5.5    Пример расчета поступлений солнечной радиации в жилое здание 26

6    Методика подбора стеклопакетов с учетом теплопотерь и

теплопоотуплений через него................................................ 34

6.1    Условие эффективности замены стеклопакета........................... 34

6.2    Пример подбора стеклопакетов............................................. 36

Список использованной литературы....................................... 37

Приложение А. Коэффициенты для пересчета средних суточных сумм прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности

на наклонную с углом наклона 20°......................................... 39

Приложение Б. Коэффициенты для пересчета средних суточных сумм прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности на наклонную с углом наклона 45°......................................... 48 ¹

5 Методы расчета теплопоступлений от проникающей солнечной радиации

при различных условиях

5.1 Расчет поступления солнечной радиации на вертикальнуюповерхность при действительных условиях облачности²

5.1.1 Соотношения для расчета теплопоступлений от солнечной радиации на вертикальную поверхность

В формуле (4.6) прямая солнечная радиация, падающая на вертикальную поверхность, рассчитывается через солнечную радиацию, падающую на горизонтальную поверхность, умноженную на коэффициент пересчета с горизонтальной поверхности на вертикальную к ,_7;..:

s7=^sr_Knjl-    (⁵¹)

Коэффициенты к ^приведены в Приложении ЕСП «Проектирование

тепловой защиты зданий» для восьми румбов. Коэффициенты были рассчитаны в работе [8].

Рассеянная солнечная радиация, падающая на вертикальную поверхность, рассчитывается по формуле:

D*ep _ _D гор _/2 _    (5.2)

Отраженная солнечная радиация, падающая на вертикальную поверхность, рассчитывается по формуле:

R‘^ep = /Д ■ А_к. /200 ,    (5-3)

здесь

s."^r,и:'"' _ прямая и рассеянная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности в /-том месяце отопительного периода, МДж/м², принимаются по столбцу «за месяц» по данным таблиц Приложения Д или по таблицам 1.8, 1.9 справочника [7], соответственно;

i^!OP - суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности определяется по столбцу «за месяц» по данным таблиц Приложения Д или таблицы 1.10 справочника [7], МДж/м²;

А_к. - альбедо поверхности земли в /-м месяце отопительного периода, %, принимается по данным таблиц Приложения Д или таблицы 1.10 справочника [7] или рассчитывается по и. 5.1.2;

к ^ .. - коэффициент пересчета прямой солнечной радиации с горизонтальной

поверхности на вертикальную для /-го месяца отопительного периода для j-й ориентации, принимается по данным СП «Проектирование тепловой защиты зданий»;

т - число месяцев отопительного периода со среднесуточной температурой наружного воздуха, равной и ниже 8 °С.

При расчетах по формуле (4.6) делается допущение о том, что вертикальная поверхность не затеняется противостоящими зданиями.

5.1.2 Расчет средневзвешенного альбедо

Альбедо, определяемое на станциях, характеризует отражательную способность поверхности метеорологической площадки. Например, для умеренных широт в теплый период года - это поверхность с естественным травяным покровом в различных стадиях вегетации, а в холодный - со снежным покровом. Значения альбедо для различных городских территорий могут существенно отличаться от данных справочника, так как пространственно-неоднородная территория города может включать: асфальтовые покрытия, жилую и промышленную застройку, улично-дорожную сеть, магистрали, парки и т. д. Особенно велики и значимы различия в значениях альбедо в зимний период, когда метеорологическая площадка остается под снежным покровом, а большие площади города очищаются. Поэтому в строительной практике допускается проводить расчет альбедо по рассматриваемой территории застройки. В этом случае расчет средневзвешенного альбедо проводится по формуле [11]:

13

Y ^Aki^Si ^Ak =    ’

E⁵,

где a_u и s. - альбедо и площадь локальных территорий с /-м типом покрытия, % и м², соответственно.

Значения альбедо различных поверхностей согласно справочнику [11] представлены в таблице Приложения Е.

5.1.3 Пример расчета средневзвешенного альбедо участка застройки С целью определения средневзвешенного альбедо участка прилегающей территории рассматриваемого здания для каждого месяца отопительного периода территория разбивается на области с одинаковым типом покрытия (рисунок 5.1). Затем определяется суммарная площадь каждого участка застройки и проводится расчет средневзвешенного альбедо по формуле (5.4). Результаты вычислений для рассматриваемого участка застройки (рисунок 5.1) представлены в таблице 5.1.

Таблица 5.1- Средневзвешенное альбедо для различных месяцев отопительного периода по результатам вычислений для участка застройки

Месяц Средневзвешенное альбедо,% Внутренний двор Наружи. ориентация Юг Наружи. ориентация Запад Наружи. ориентация Восток X 26 20 21 22 XI 45 35 47 34 XII 53 34 48 30 I 53 34 48 30 II 42 32 43 29 III 23 18 21 18 IV 16 17 17 17

Значения альбедо, представленные в таблице 5.2, могут использоваться для расчета отраженной солнечная радиации по формуле (5.3) для различных ориентаций фасада рассматриваемого в примере здания.

5.2 Расчет поступления солнечная радиации на наклонную поверхность

5.2.1 Соотношение для расчета теплопоступлений от солнечной радиации на наклонную поверхность

Для расчета солнечной радиации, поступающей на наклонные поверхности, например, мансардных окон, используется следующая методика.

Для действительных условий облачности теплопоступления от солнечной радиации, падающей на наклонную поверхность ориентации/с углом наклона а к горизонту рассчитываются по формуле [4]:

Z ^s*

Г cos( Ц/ _е - у .) 1

К _ш. = cos а + I -I    sin    а    ,

L *8 ^Ае J

где

к _ш. - коэффициент для пересчета часовых сумм прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности на наклонную. В таблицах Приложений А-В приведены значения коэффициентов к _ш. для наклонных поверхностей с различным углом наклона для 36-78° с. ш. для восьми ориентаций;

15

'£s*^,p _

солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, определяемые по таблицам Приложения Д или по данным справочника [7], МДж/м²;

г, н г, - азимуты Солнца и проекции нормали к наклонной поверхности, ориентированной по направлению j, на горизонтальную плоскость, град;

а - угол наклона поверхности по отношению к горизонтальной плоскости,

град;

h_B - высота Солнца, град.

При расчетах азимут солнца определяется соотношением:

sin h_@ sin q> - sin 8    cos    8 sin Q

cos y₉ = -, sin y_@ = -.    (5.7),

cos h_m cos cp    cos h_m

Высота солнца /?. вычисляется по формуле:

sin h_m = sin cp sin 8 + cos cp cos 8 cos Q ,    (5.8)

где

cp - широта места,⁰ с. ш.;

8 - склонение Солнца, град,

Q - часовой угол Солнца в данный момент времени, отсчитываемый от момента истинного полдня (Q считается положительным при отсчете в направлении часовой стрелки), град.

При расчетах делается допущение о том, что наклонная поверхность облучается весь период свечения солнца за сутки, не затеняется противостоящими зданиями. Тогда сумма часовых интрвалов при расчете прямой солнечной радиации берется за весь период свечения солнца за сутки, либо делается расчет продолжительности облучения.

Продолжительность облучения наклонных поверхностей прямой солнечной радиацией определяется из уравнения:

А_х + В_х cos Q + Cj cos Q = 0    (5.9)

где:

А_х = cos a: sin q> sin 8 + sin a: [cos ц/ .( tg q> sin q> sin 8 - sin 8 sec q>)] ; 16

В j = cos a cos q> cos + sin a cos ц/ . sin q> cos j

C j = sin a; cos sin у/ . .

Часовые углы q„ q₂, являющиеся корнями уравнения (5.9), определяют время начала и конца облучения наклонной поверхности. Далее проводится суммирование часовых сумм прямой солнечной радиации от времени начала облучения до времени конца облучения. Определение величин, входящих в уравнение(5.9), рассмотрено в настоящем разделен в 5.4.2.

5.2.2 Пример расчета поступления солнечной радиации на наклонную поверхность

Рассматривается наклонная поверхность с углом наклона 20° и рассчитывается суммарная солнечная радиация, поступающая на эту поверхность для 8 ориентаций по формуле (5.5). При этом делается допущение о том, что наклонная поверхность освещается весь период свечения солнца. Коэффициенты пересчета с горизонтальной поверхности на наклонную берутся из таблиц Приложения А для 56° с. ш.

Результаты расчета теплопоступлений на поверхность с углом наклона 20° для г. Москвы по формуле (5.5) приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Суммарная солнечная радиация, поступающая на наклонную поверхность с углом наклона 20° к горизонту

Месяц Суммарная солнечная радиация, поступающая на наклоь в различные месяцы для 8 румбов, Гак, МД шую поверхность, дс/м2 С СВ В юв Ю ЮЗ 3 СЗ Январь 56 58 79 86 92 90 79 59 Февраль 97 123 154 174 181 179 155 127 Март 176 265 309 337 340 338 309 275 Апрель 388 387 429 455 451 453 428 398 Май 568 552 644 620 608 616 593 567 Июнь 636 615 806 676 661 672 653 631 Июль 595 577 588 638 625 634 615 592 Август 469 459 503 529 521 526 502 473 Сентябрь 170 277 317 341 340 341 316 286 Октябрь 100 130 157 172 175 173 156 133 Ноябрь 49 54 71 80 82 79 71 54 Декабрь 35 35 40 50 48 45 41 35

17

Данные таблицы 5.2 могут использоваться для дальнейших расчетов по формуле (4.2) для г. Москвы.

5.3 Расчет поступления суммарной солнечной радиации с учетом облачного и безоблачного неба

5.3.1 Соотношение для расчета теплопоступлений от солнечной радиации с учетом безоблачного неба³

При необходимости проведения расчета с учетом безоблачных дней следует считать по следующей методике⁴.

Расчет теплопоступлений от солнечной радиации в облачные и безоблачные дни для вертикальной поверхности, ориентированной по направлению j, проводится по формуле [4]:

где:

d₀бл - значение столбца таблиц Приложения Д или «число дней без солнца»таблицы 1.15 справочника [7];

d,, - количество дней в месяце с безоблачным (ясным) небом, определяется как разность общего количества дней в месяце и <7_0бл;

Ak - альбедо подстилающей поверхности, %, определяется по таблицам Приложения Д или по таблице 1.10 справочника[7];

^""" - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности определяется по столбцу «за сутки»по таблице Приложения Д или по таблице 1.8 справочника [7], МДж/м²;

/.)- рассеянная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности определяется по столбцу «за сутки»по таблице Приложения Д или по таблице 1.9 справочника [7], МДж/м²;

1^гор - суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при средней облачности определяется по столбцу «за сутки» по таблице Приложения Д или по таблице 1.10 [7], МДж/м²;

s"^p - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность при ясном небе определяется по столбцу «за сутки» по таблице Приложения Д или по таблице 1.5 [7], МДж/м²;

/ Д - суммарная солнечная радиация на горизонтальную поверхность при ясном небе определяется по столбцу «за сутки»по таблице Приложения Д или по таблице 1.6 [7], МДж/м²:

£>7 - рассеянная солнечная радиация при ясном небе определяется как разность /у - ^s7 , МДж/м².

Значения коэффициентов пересчета прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности на вертикальную К_щ- представлены в Приложении ЕСП «Проектирование тепловой защиты зданий».

5.3.2 Пример сравнительного расчета поступления солнечной радиации в облачные и безоблачные дни

Для проведения сравнительного расчета теплопоступлений от солнечной радиации при учете действительных условий облачности и при учете безоблачных и облачных дней используются формулы (4.6) и (5.10). Результаты расчета представлены в табл. 5.3 - 5.5.

19

Таблица 5.3 - Результаты расчета для г. Москвы по формуле (4.6) для действительных условий облачности

Месяц Суммарная солнечная радиация в различные месяцы для 8 ориентаций при действительных условиях облачности, 11, МДж/м2 С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 сз Январь 49 49 59 92 111 95 60 49 Февраль 93 95 121 179 213 187 126 95 Март 157 172 227 293 326 299 233 174 Апрель 154 190 253 306 309 294 244 186 Май 225 283 402 372 355 363 330 272 Июнь 256 317 482 396 358 377 367 307 Июль 238 295 467 372 346 361 358 284 Август 186 232 301 336 340 336 305 228 Сентябрь 117 138 196 252 272 246 201 137 Октябрь 67 71 99 143 164 140 95 71 Ноябрь 37 37 49 78 96 79 48 37 Декабрь 29 29 34 51 60 51 34 29

Таблица 5.4 - Результаты расчета для г. Москвы по формуле (5.10) для безоблачных и облачных дней

Месяц Суммарная солнечная радиация в различные месяцы для 8 ориентаций при суммировании облачных и безоблачных дней, 12, МДж/м2 С СВ В ЮВ Ю ЮЗ 3 СЗ Январь 52 52 78 163 211 170 81 53 Февраль 100 105 163 292 369 312 173 106 Март 166 200 324 474 548 486 338 205 Апрель 149 228 368 485 493 458 349 220 Май 232 359 511 553 517 535 462 335 Июнь 265 397 543 571 487 529 508 376 Июль 233 365 517 543 484 517 510 338 Август 169 265 406 479 488 479 415 256 Сентябрь 114 166 309 449 498 434 321 163 Октябрь 75 89 184 336 409 325 171 87 Ноябрь 44 45 80 171 227 175 77 45 Декабрь 32 32 44 90 114 92 45 32

20

Приложение В. Коэффициенты для пересчета средних суточных сумм прямой солнечной радиации с горизонтальной поверхности

на наклонную с углом наклона 70°....................................... 56

Приложение Г. Таблица характеристик климата различных

городов РФ...................................................................... 64

Приложение Д. Таблицы поступления солнечной радиации в

различных городах России (согласно справочнику [7])............... 66

Приложение Е. Альбедо локальных поверхностей по данным [11] .    113

3

Таблица 5.5 - Результаты сравнения суммарных теплопоступлений от солнечной радиации для расчета по формуле (4.6) и формуле (5.10)

Месяц Относительное изменение расчетных значений суммарных теплопоступлений от солнечной радиации: lOO-fli-iy/1/. % С СВ В юв Ю ЮЗ 3 сз Январь -6 -7 -32 -77 -91 -79 -35 -7 Февраль -8 -10 -35 -63 -73 -66 -38 -11 Март -6 -16 -43 -62 -68 -63 -45 -18 Апрель 3 -20 -45 -59 -59 -56 -43 -18 Май -3 -27 -27 -49 -45 -47 -40 -23 Июнь -4 -25 -13 -44 -36 -40 -38 -23 Июль 2 -24 -11 -46 -40 -43 -43 -19 Август 9 -14 -35 -43 -43 -43 -36 -12 Сентябрь 3 -20 -58 -78 -83 -76 -60 -19 Октябрь -12 -25 -86 -135 -149 -133 -80 -24 Ноябрь -18 -20 -65 -120 -137 -121 -62 -20 Декабрь -9 -9 -30 -77 -91 -79 -31 -9

Из таблицы 5.5 следует, что расчет с учетом солнечных дней дает большие значения теплопоступлений, чем расчет при действительных условиях облачности. Учет поступлений солнечной радиации в солнечные дни важен при оценке инсоляции жилых помещений [6].

5.4 Влияние противостоящих зданий на поступление солнечной радиации

В условиях городской застройки, противостоящие здания перекрывают часть небосвода, ограничивая тем самым поступление солнечной радиации. Ниже Расмотривается влияние противостоящих зданий на поступление солнечной радиации.

5.4.1 Расчет поступления суммарной солнечной радиации

Поступление суммарной солнечной радиации в рассматриваемой точке фасада здания (х, у) (система координат по рис. 5.2, 5.3), ориентированного по направлению j, с учетом влияния противостоящего здания проводится по формуле:

1°^ер (х, у) = S.^eep (х, у) + D^eep (х, у) +    (х,    у)    + R^eep =

21

Введение

Настоящее Пособие по расчетам теплопоступлений в здание от проникающей солнечной радиации за отопительный период разработано в развитие Федерального закона от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».

Пособие дает основные принципы проектирования и методы расчета, которые обеспечивают выполнение обязательных требований СП 50.13330 в части, касающейся вопросов определения теплофизических и теплоэнергетических характеристик элементов жилых и общественных зданий, обеспечивающие безопасную эксплуатацию здания с позиции теплового режима помещений и способствующие экономному расходованию энергетических ресурсов.

При разработке Пособия использованы положения действующих в Российской Федерации нормативных документов.

Пособие разработал авторский коллектив в составе: Д.С. Богатырев, д. т. и. Ю.Ф. Медведев, к. э. и. Е.В. Юденич, к. и. и. И.Ю. Яцковская, Р.П. Болыпаковак, т. и. Е.В. Коркина.

4

Настоящее Пособие распространяется на проектируемые, реконструируемые и эксплуатируемые жилые и общественные здания. Уровень тепловой защиты указанных зданий устанавливается в соответствии с СП 50.13330 «Тепловая защита зданий», уровень естественного освещения в соответствии с СП 52.13330.2016. «Естественное и искусственное освещение».

5

2 Нормативные ссылки

Методические материалы разрабатываются в развитие положений СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий» СНиП 23-02-2003 и СП 52.13330 «Естественное и искусственное освещение» «СНиП 23-05-95*.

При разработке использовалась документы:

1.    СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий. СНиП 23-02-2003

2.    СП 52.13330.2016. Естественное и искусственное освещение.

3.    СП «Здания жилые и общественные. Правила проектирования тепловой защиты» СП 23-102-2003.

4.    Естественное освещение жилых и общественных зданий. М. 2005

5.    СП 230.1325800.2015 Конструкции ограждающие зданий. Характеристики теплотехнических неоднородностей.

6.    СП 131.13330.2012. Строительная климатология. СНиП 23-01-99*

7.    ЕОСТ 26602.4-2012. Блоки оконные и дверные. Метод определения общего коэффициента пропускания света.

8.    ЕОСТ 24866-2014. Межгосударственный стандарт. Стеклопакеты клееные. Технические условия.

9.    РД 52.04.562-96. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Актинометрические наблюдения на станциях.

10.ОСТ 52.04.10-82 Актинометрия. Термины, буквенные обозначения и определения основных величин. ⁵

3 Термины и определения⁶

Термины и их определения принимаются в соответствии с разделом 3 СП 50.13330. Дополнительно используются следующие термины.

Солнечная радиация - энергетическая освещенность (облученность или поверхностная плотность потока излучения), создаваемая электромагнитным излучением, поступающим от Солнца, атмосферы и земной поверхности, единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м⁷, часовые и суточные суммы в МДж/м⁷.

Коротковолновая солнечная радиация - энергетическая освещенность, создаваемая излучением с длиной волны 0,3-4 мкм, единицы измерения: мгновенное значение в кВт/ м⁷, часовые и суточные суммы в МДж/м⁷.

Длинноволновая солнечная радиация - энергетическая освещенность, создаваемая излучением с длиной волны более 4 мкм, единицы измерения: мгновенное значение в кВт/ м⁷, часовые и суточные суммы в МДж/м⁷.

Прямая солнечная радиация S - энергетическая освещенность, создаваемая излучением, поступающим от диска Солнца, единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м⁷, часовые и суточные суммы в МДж/м⁷.

Рассеянная солнечная радиация D - энергетическая освещенность, создаваемая рассеянным в атмосфере и отраженным от земной поверхности солнечным излучением, поступающим из телесного угла 2л, за исключениемтелесного угла, граниченного солнечным диском, единицы измерения: мгновенное значение в кВт/ м⁷, часовые и суточные суммы в МДж/м⁷.

Общая (суммарная) солнечная радиация /⁷ - сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, единицы измерения: мгновенное значение в кВт/ м⁷, часовые и суточные суммы в МДж/м⁷.

Отраженная солнечная радиация R - энергетическая освещенность, создаваемая направленным вверх солнечным излучением, отраженным от земной поверхности и слоя атмосферы между земной поверхностью и точкой наблюдения,

единицы измерения: мгновенное значение в кВт/м², часовые и суточные суммы в МДж/м².

Коротковолновое альбедо Ли - отношение отраженной солнечной радиации к суммарной радиации, %.

Часовая сумма солнечной радиации - энергетическая экспозиция, соответсвующая часовому интервалу по истинному солнечному времени, МДж/м².

Широта места (р - одна из географических координат: дуга меридиана между экватором и параллелью данного места, или угол между плоскостью экватора и отвесной линией в данном месте земной поверхности. Изменяется от 0 до 90°; от экватора до Северного полюса - северная широта, от экватора до Южного полюса -южная широта.

Склонение Солнца д - угловое расстояние 5 от небесного экватора, отсчитываемое по кругу склонения (круг, проведенный через светило и полюс перпендикулярно экватору). Склонение к северу от экватора считают положительным, к югу — отрицательным, °град.

Часовой угол Солнца fi - угол между меридианом данного пункта наблюдений и кругом склонения светила; или дуга экватора между плоскостями меридиана и круга склонения. Величина Q отсчитывается от меридиана к западу, °град.

Высота Солнца А - угловое расстояние Солнца от горизонта, град. Высоты отсчитываются в пределах от 0 до +90° к зениту и от 0 до -90° к надиру.

Азимут Солнца f _е - угол между плоскостью меридиана места наблюдения и вертикальной плоскостью, проходящей через светило, град. Азимуты отсчитываются к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360°.

1

2

Действительные (средние) условия облачности означают, что проводится осреднение данных по дням с действительной (имеющей место быть) облачностью с любой формой и количеством облаков, при этом дни с ясным небом в расчет не берутся.

3

Безоблачные дни - это дни с абсолютно ясным небом.

4

В последние годы имеется тенденция к увеличению доли прямой радиации, поэтому при расчете теплопоступлений от солнечной радиации также важен учет безоблачных дней, когда имеется большая доля прямой радиации.

5

6

Термины и определения согласно ОСТ 52.04.10-82,РД 52.04.562-96, [10].

7

По ОСТ 52.04.10-82 общая радиация обозначается буквой Q.

7