Теплопоcтупления от солнечной радиации через лучепрозрачные ограждения

Рис.5.5. Проницаемость оконного стекла для

Лучепрозрачные ограждения (окна, витрины, фонари) значительно влияют на формирование не только светового, но и теп­лового микроклимата в здании. В теплый период года окна передают большие потоки тепла от солнечной радиации, а это - нагруз­ка на систему охлаждения или существенный перегрев помещения. Обычное оконное стекло хорошо пропускает значительную часть спектра солнечной интенсивности (рис.5.5).

Помимо проникающего тепла, в помещение попадает также часть тепла, погло­щенного стеклом. Этот поток тепла, связанный с разогревом поверхности стекла, яв­ляется конвективно-радиационным.

Коротковолновая солнечная радиация, проникающая через окна, попадая на внутренние поверхности, поглощается ими и нагревает их. Часть воспринятого тепла передается лучистым путем (порядка 90%) от нагретых поверхностей другим, вызы­вая их разогрев. В конечном итоге перемещенное тепло поступает от поверхностей к воздуху, повышая его температуру. При этом длинноволновая тепловая энергия не передается наружу, а поглощается почти полностью остеклением. Описанная схема движения тепловых потоков называется парниковым эффектом. Корректный расчет теплопоступлений от солнечной радиации важен из-за существенной доли этой со­ставляющей тепловой нагрузки.

Попадая на внешнюю поверхность стекла, часть лучистого потока отражает­ся, другая - поглощается и рассеивается в толще стекла, оставшийся поток проника­ет и достигает внутренней поверхности стекла. Луч солнца, падающий на поверх­ность под углом, преломляется, изменяя направление, однако на противоположной грани стекла угол выхода луча равен углу входа.

В соответствии с законом Бугера интенсивность проходящего лучистого потока через массу стекла толщиной 5,м вычисляют по формуле

, (5.13)

Где - интенсивность падающей на поверхность радиации, Вт/м;

коэффициент отражения сред стекло - воздух;

показатель поглощения солнечной радиации, 1/м;

текущая координата,м.

Свойства проникания и поглощения различны для прямой и диффузной радиа­ции. Это связано с изотропным характером прямых лучей и анизотропностью диффузной радиации. Свойства поглощения и отражения прямых лучей зависят от вида стекла и угла падения луча. На рис.5.6 по данным НИИСФ показана зависимость коэффициентов прониканияпоглощенияи отраженияот профильного угла (угла между лучом и нормалью к поверхности) для стекол различной толщины. Мож­но считать, что оптические свойства стекла у прямой радиации, падающей под углом 600С и более, такие же, как у диффузной радиации, для которой они не зависят от уг­ла.

Основной характеристикой, используемой в расчетах, служит коэффициент про­никания радиациискладывающийся из двух частей:

, (5.14)

где:

■ максимальное значение коэффициента (при 0 = 0);

функция зависимости коэффициента от профильного угла (для диффузной радиа­ции).

Коэффициентзависит от толщины стекла 8 в мм

(5.15)

Значения коэффициентов а и b приведены в табл.5.3.

Рассчитыватьжелательно с помощью аналитической функции. Исходя из экспоненциальной зависимости (5.13) ослабления луча света в поглощающей среде, воспользуемся формулой, дающей погрешность аппроксимации не более 2 %:

. (5.16)

Рис.5.6. Зависимость коэффициентов проникания в, поглощения р и

отражения р от профильного угла 0 для стекол различной толщины.

Коэффициент поглощения Р для обычного стекла на порядок меньше коэффи­циента проникания. У поглощающих стекол величина Р становится определяю- щей.Коэффициент отражения р обычных и поглощающих стекол отличается незна­чительно. Его значение для профильного угламало (0,01), а при больших значениях 0 резко возрастает коэффициента проникания. Характер зависимости аналогичен функции (5.16).

. (5.17)

Зависимость дает удовлетворительную погрешность приград.

Коэффициентзависит от толщины стекла, но в меньшей степени, чем, значения а и b для расчетапо формуле (5.15) приведены в табл.5.3. Коэффициент поглощения определяется из балансового уравнения

, (5.18)

Значения коэффициентов в формуле (5.15).

Испытания, выполненные в НИИСФ, показали, что для двойного остекления поток тепла, за счет разности температуры внутреннего остекления и помещения в период максимальной инсоляции, составляет до 20 % от суммарного потока. Эта со­ставляющая возрастает с увеличением коэффициента поглощения стекла или в солн­цезащитных устройствах в межстекольном пространстве. В таком устройстве прони­кающая радиация снижается, поэтому вторая часть теплопритока может стать опреде­ляющей.

Таблица 5.3

Вид Радиации	Значения коэффициентов а и b для расчета
Одинарного остекления	Второго стекла двойиого остекления
проникания р0	отражения р0	проникания р0	отражения р0
а	B	а	B	А	b	а	b
Прямая	0,885	0,015	0,104	0,001	0,765	0,014	0,186	0,004
Диффузная	0,756	0,015	0,217	0,002	0,632	0,013	0,32	0,008

Расчет температуры поверхности инсолируемого одинарного остекления осно­ван на решении дифференциального уравнения теплопроводности с источником и уравнений теплообмена на поверхностях. После подстановки в решение постоянных (нормируемых) величин получена формула для расчета теплопритока через одинар­ный светопроем с толщиной остекления

. (5.19)

Суммарное теплопоступление через окно складывается из теплопоступления, проникающего через остекление и получаемого за счет разогрева стекла поглощен­ным радиационным потоком. С учетом формулы (5.19) суммарное значение коэффи­циента

, (5.20)

где коэффициенты а и b определяются по табл.5.3, а коэффициент с равен 0.512 для прямой и 0.163 для диффузной солнечной радиации.

Понятие «инсолируемая площадь» относится только к теплопритоку от прямой радиации вследствие её направленного характера действия. Можно полагать, что вся площадь остекления F0K пропускает тепловой поток от диффузной радиации. Затенение части стекла оконными откосами или горизонтальными и вертикальными стационарными солнце­защитными устройствами (рис.5.7) можно учесть с помощью коэффициента затене­ния, который равен отношению площади окна, освещенной прямыми солнечными лучами к общей площади окна:

, (5.21)

где, - размеры затеняющего выступа, м (см.рис.5.7);

- размеры окна (см.рис.5.7);

- солнечный азимут поверхности

Рис.5.7.К определению коэф­фициента затенения

, (5.22)

- высота стояния солнца, град.

. (5.23)

Принятые обозначения углов даны в разделе 4.3.

Таким образом, суммарное теплопоступление, проходящее от солнечной радиа­ции через окно, равно

(5.24)

где индексами "п" и "д " обозначены коэффициенты для прямой и диффузной радиа­ции.

На рис.5.8 показана схема теплопередачи для окна, состоящего из трех элемен­тов.

Модель расчета температурных усло­вий в приведенной схеме оказывается дос­таточно сложной. Для окна, имеющего несколько стекол и (или) съемную солнцезащиту снаружи либо между стеклами, коэф­фициент пропускания равен произведению коэффициентов для каждого слоя остекле­ния и солнцезащиты (за исключением внутренней), т.е.

Рис.5.8.Теплопередача окна с тремя рядами остек­ления

В инженерных методах расчета снижение теплопоступления от солнечной ра­диации для окон с более одного остеклением и солнцезащитой в конструкции окна принято учитывать с помощью коэффициента солнцезащитыв формуле (5.24).