Воздействие отдельных метеорологических элементов на тепловой, влажност- ный и воздушный режим здания и работу его инженерных систем является комплексным.
При проектировании и в процессе эксплуатации здания возникает ряд задач, решение которых сопряжено с использованием различных по номенклатуре и объему климатологических данных.
Основу климатологической информации составляют регулярные непрерывные измерения метеоэлементов в сети метеостанций. На станциях измеряют температуру воздуха и поверхности грунта, эффективное излучение, скорость и направление ветра, относительную влажность воздуха и барометрическое давление, а также интенсивность прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность.
Ряд климатических параметров, таких как парциальное давление водяного пара, влагосодержание и энтальпия воздуха, интенсивность радиации на вертикальные и наклонные поверхности разной ориентации рассчитывают, используя имеющиеся значения измеряемых параметров.
Появление того или иного значения параметров обусловлено большим числом факторов и носит случайный характер. Поэтому для обобщения метеорологических элементов и получения тех или иных климатических параметров используются положения теории вероятностей и методы математической статистики.
При решении задач теплофизики здания и систем обеспечения микроклимата можно выделить два вида требуемой климатической информации: в расчетных и эксплуатационных условиях.
Под расчетными понимаются наиболее неблагоприятные погодные условия, при которых выбирается теплозащита здания и установочная мощность (производительность) систем обеспечения микроклимата. Расчетным условиям соответствует комплекс параметров наружного климата, за пределами которых система заведомо не обеспечивает поддержание расчетных параметров микроклимата.
Эксплуатационные условия характеризуются изменением параметров наружного климата во времени суток и года в интервале от расчетных летних до расчетных зимних и наоборот.
Для пересчета интенсивности измеряемой прямой радиации на нормальную к лучам поверхность пользуются формулами сферической геометрии. При этом интенсивность радиации на поверхность любой ориентации и положения определяется профильным углом. Профильный угол - это угол между лучом солнца и нормалью к поверхности (см. рис.4.6). Величина интенсивности на горизонтальную, наклонную и вертикальную поверхности определяется как функция профильного угла.
где SH- интенсивность прямой радиации нормальную к лучам поверхность, Вт/м2.
Рис.4.6.Профильный угол/
Для горизонтальной поверхности
; (4.11)
для вертикальной поверхности
(4.12)
для наклонных поверхностей
, (4.13)
где- азимут поверхности, град;
часовой угол, град;
графическая широта местности, град;
- склонение солнца, град;
- угол наклона поверхности к горизонту, град.
Используя в качестве измеренной интенсивность прямой радиации на горизонтальную поверхность, коэффициент пересчета прямой радиации на вертикальные поверхности равен
Формулы (4.11) - (4.13), строго говоря, справедливы для безоблачного неба, однако без особой погрешности их можно использовать для средних условий обеспеченности. При этом надо иметь в виду, что при пересчете среднесуточных значений интенсивности следует учитывать нелинейность формул (4.11)-(4.13). Среднеинтегральные значения коэффициента пересчетаприведены в табл.4.1.
Рассеянная солнечная радиация при средних условиях облачности одинаково распределена на поверхности разной ориентации. При безоблачном небе интенсивность рассеянной радиации на вертикальной поверхности оказывается разной для ограждений, облучаемых солнцем и находящихся в тени.
Таблица 4.1.
Ориентация | Значение величин для географической широты (град) | |||||||||||
Январь | Октябрь | |||||||||||
Ю | 1.79 | 2.58 | 2.94 | 3.1 | 6.01 | 11.22 | 1.25 | 1.54 | 1.89 | 2.38 | 2.98 | 3.87 |
В; З | 0.51 | 0,67 | 0.68 | 0.61 | 1.02 | 1.36 | 0.51 | 0.57 | 0.64 | 0.72 | 0.83 | 0.98 |
ЮВ; ЮЗ | 1.29 | 1.85 | 2.1 | 2.19 | 4.25 | 7.94 | 0.98 | 1.18 | 1.42 | 1.75 | 2.16 | 2.79 |
СВ; СЗ | 0.03 | 0.03 | 0.02 | 0.09 | 0.08 | 0.07 | 0.06 | 0.05 | ||||
СOS0Г | 0.43 | 0.31 | 0.29 | 0.23 | 0.15 | 0.03 | 0.5 | 0.44 | 0.38 | 0.32 | 0.27 | 0.22 |
Апрель | ||||||||||||
Ю | 0.41 | 0.49 | 0.62 | 0.74 | 0.9 | 1.1 | ||||||
С | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.02 | 0.03 | 0.05 | ||||||
В; З | 0.42 | 0.43 | 0.47 | 0.52 | 0.6 | 0.71 | ||||||
ЮВ; ЮЗ | 0.49 | 0.52 | 0.62 | 0.72 | 0.85 | 1.03 | ||||||
СВ; СЗ | 0.2 | 0.19 | 0.2 | 0.21 | 0.24 | 0.3 | ||||||
СOS 0Г | 0.69 | 0.67 | 0.62 | 0.58 | 0.57 | 0.44 |
Сумма рассеянной и отраженной радиации называется диффузной радиацией. Интенсивность отраженной радиации зависит от конкретных условий застройки и ее расчет представляет определенные трудности. Поэтому в расчете принимают отраженную радиацию в количестве 20 % от рассеянной на горизонтальную. Эта величина соответствует среднему альбедо (отношению отраженного потока к падающему в %) поверхности земли (альбедо асфальта 18,5 %, старого снега 46 %,травы 19-26 %, пашни 14-26 %, леса 12-19 %).
При расчете интенсивности рассеянной радиации следует учитывать, что облученность вертикальной поверхности небосводом составляет 0,5, а горизонтальной 1. С учетом изложенного получим формулу для расчета диффузной радиации на произвольно расположенную поверхность
(4.14)
гдеDк - интенсивность рассеянной радиации на горизонтальную поверхность, Вт/м.
Коэффициенты пересчета интенсивности среднесуточной прямой солнечной радиацииидля горизонтальной поверхности.
Парциальное давление водяного пара рассчитывается по данным измерения относительной влажности по формуле
где- парциальное давление водяного пара при полном насыщении - функция температуры наружного воздуха.
Влагосодержание наружного воздуха d, г/кг:
где- барометрическое давление, Па (мм рт.ст.).
Теплосодержание наружного воздуха I, кДж/кг:
(4.16)
Климатические параметры изменяются во времени, сохраняя определенные закономерности. Наиболее ярко закономерность изменения параметров проявляется, если их иллюстрировать средними многолетними значениями.
На рис.4.7 показан среднемесячный суточный ход температуры наружного воздуха в различных климатических зонах для разных сезонов года.
Аналогичные данные для скорости ветра показаны на рис.4.8., а для интенсивности солнечной радиации - на рис.4.9.
Приведенные данные показывают наличие общей закономерности суточного хода отдельных параметров для различных периодов года. На рис.4.10 показан пример суточного хода результирующей температуры. Как видно из рис.4.10 учет длинноволнового излучения в сторону небосвода приводит к довольно существенному различию результирующей температуры для вертикальной и горизонтальной поверхностей (линия 1 и 2 на рис.4.10).
В целом результирующая и условная температура, как и составляющие ее параметры, сохраняет общую закономерность суточного хода в отдельные периоды года.