Інтенсивність опромінення житла сонцем

Опромінення житла сонцем і в якісному, і в кількісному відношенні буде не однаковим залежно від орієнтації вікон, їх розмірів, конструкції, а також від періоду року, географічної широти місцевості та стану атмосфери або рівня захмареності. Для досягнення бактерицидної ефективності опромінення приміщення необхідно перш за все подбати про підбір більш придатного світлопрозорого матеріалу вікон із більш високим коефіцієнтом пропускання УФ радіації. Далі треба пам’ятати, що існуючі види будівельного скла найменш прозорі для найбільш ефективної в бактерицидному відношенні короткохвильової частини УФ випромінювання Сонця.

Так, за нашими даними, в ясний зимовий день коефіцієнт пропускання сонячної радіації r_o звичайного віконного скла дорівнює 0,89, а потовщеного – 0,81. При цьому r_oi не залишається незмінним при розміщенні скла під деяким гострим кутом до променів (і відмінним від нормального), про що свідчать дані таблиці 3.1. Це пояснюється тим, що шлях променів через скло стає довшим.

Звичайне скло пропускає промені [3,79] з довжиною хвиль не менше ніж 305 нм, а поза цією межею промені проходять через скло тим інтенсивніше, чим більша довжина хвиль. Промені з довжиною хвиль 390 нм проходять через скло на 90%, із довжиною хвиль 370 нм – 85, а з меншою 300–310 нм поглинаються на 90–95% (В.К. Бєлікова [14]).

Таблиця 3.1

Таблиця величин коефіцієнта пропускання сонячної радіації склом r_оі у сонячний зимовий день

Не завжди допомагають у цьому навіть спеціальні увіолеві види скла, оскільки під впливом ультрафіолетової радіації (УФР), за невеликим винятком, вони швидко старіють і переходять із стану малопоглинаючого в стан інтенсивно поглинаючого скла.

За даними К.П. Алексєєвої [3], добрі якості (порівнювались якості скла 9 заводів) має скло Гомельського склозаводу на збагачених пісках, у якого інтегральний еритемний коефіцієнт пропускання (інтегральний еритемний коефіцієнт є відношенням інтенсивностей еритемної активної частини потоку радіації, що пройшла через матеріал, до падаючої на нього еритемно-активної частини потоку, тоді як коефіцієнт ефективного пропускання включає еритемно- і бактерицидно-активну частину потоку радіації) доходить до 48–52, а в звичайного 26–30%. У нього відсутня також селективність. За даними І.С. Суханова [82], силікатне збагачене скло пропускає промені з довжиною хвиль 340 нм до 82, а з довжиною 310 нм – 45%. У той же час спеціальні теплозахисні стекла майже зовсім не пропускають УФР. Та разом із цим склад сонячного випромінювання й особливо в УФ області відчутно залежить від умов інсоляції.

При безхмарному небі високо в горах можна зафіксувати УФ промені з довжиною хвиль 285 нм. При підійманні в гори на кожні 100 м висоти загальна доля УФ радіації зростає на 3–4%. У звичайних умовах значна, а в літній полудень навіть більша частина УФ радіації знаходиться у вигляді розсіяних променів. У похмурі дні на поверхню Землі проникають лише розсіяні промені. Тому на відкритій місцевості значну дозу УФ радіації можна отримати від одних лише розсіяних променів, якщо звичайно атмосфера не забруднена пилом і важкими аерозолями, які різко знижують інтенсивність приходу сонячної радіації на Землю [29,45,52].

При цьому забруднення атмосфери впливає на найбільш активну в біологічному відношенні частину спектра від 290 до 390 нм.

Інтенсивність потоку сонячної радіації, що досягає Землі, залежить також від висоти стояння Сонця. Якщо загальна потужність радіації при зниженні висоти стояння від 60 до 15^о зменшується всього на 20%, то УФ складова частина зменшується у 20 разів. При цьому межа спектра УФ випромінювання зсувається до довгих хвиль вище від 300 нм. Саме тому при висоті Сонця менше ніж 10^о сонячне випромінювання не варто враховувати.

Найбільш широкий спектр сонячної радіації спостерігається восени. Але ці зміни незначні і тому не варті уваги. На інтенсивності всього спектра сонячної радіації позначаються погодні умови, котрі майже циклічно змінюються зі зміною пори року.

Так, за даними Л.Л. Дашкевича [72], середня ймовірність інсоляції протягом року становить:

У Полтаві: У Тбілісі:

узимку – 20% узимку – 40%

навесні – 50% навесні – 40%

улітку – 70% улітку – 60%

восени – 50% восени – 60%

Інтенсивність сонячної радіації в різних районах Землі теж неоднакова. Біля полярного кола помічають світлове голодування, а в субтропіках і в екваторіальній частині спостерігається надлишок сонячної радіації, внаслідок чого виникає теплове перегрівання приміщень і забудови, тому виникає певний дискомфорт.

На більшій території України спостерігається помірний світловий і інсоляційний клімат. На широтах до 48^о пн.ш. протирахітичну еритемну дозу інсоляції діти можуть отримати за 5 хв. [91] (еритемна доза становить 80 мер. г/м², добова лікувально-оздоровча доза складає 1/4 – 1/3 еритемної дози й профілактична (протирахітична) 1/8 – 1/10 еритемної дози).

Для врахування впливу висоти стояння Сонця та орієнтації вікон на той чи інший сектор горизонту на кількість сонячної енергії Е_о, яка проникає за одиницю часу до приміщення, розглянемо спрощену схему інсоляції приміщення, зображену на рисунку 3.2, на якому показано опромінення отвору вікна в перерізі “а” й у плані “б”. Як відомо [72], кількість сонячної енергії Q_о, яка проникає за одиницю часу до приміщення, дорівнює

Q_о = І_прF×r_оі,

де І_пр – інтенсивність прямої сонячної радіації, що потрапляє на нормальну до променів поверхню; F – площа опроміненої поверхні, нормальної до прямих сонячних променів; r_оі – коефіцієнт пропускання сонячної радіації заскленим вікном при падінні променів на скло під кутом і.

Площа перерізу радіаційного потоку F за рисунком 3.2. дорівнює F = mn. Для визначення “m” і “n” через розміри отвору та товщину стіни розглянемо прямокутні трикутники “kdc” і “аос” (схема, а) та “гфт” і “лрт” (схема, б). Унаслідок перетворень і спрощень записаних відношень отримуємо

m = (l_o sin υ – b cos υ );

.

Таким чином, енергія сонячної радіації, що проходить за одиницю часу через віконний отвір до житлової кімнати в загальному вигляді, дорівнює:

(3.1)

У загальному вигляді ця формула раніше за наші публікації [72] наведена в роботах М.В. Оболенського [52].

Із рівняння (3.1) видно, що кількість сонячної енергії, яка надходить до приміщення через віконні отвори, залежить не тільки від інтенсивності прямої сонячної радіації, а й від розмірів вікон (Н_о і l_о) та їх орієнтації на сектор горизонту, оскільки гострий кут “υ” залежить як від азимуту Сонця, так і від азимуту лінії стіни, в котрій розташоване вікно, і дорівнює їх різниці.

У свою чергу бачимо, що при зниженні Сонця над горизонтом і відповідному зниженні інтенсивності сонячної радіації “І_пр” перший множник у квадратних дужках буде, навпаки, збільшуватись тому, що cos h_o → 1, а sin h_o → 0. Тобто буде збільшуватись площа потоку “F”.

Але необхідно звернути увагу на те, що рівняння (3.1) не враховує енергії теплообміну між внутрішньою поверхнею скла і приміщенням. Тобто для визначення кількості тепла, яке надходить від Сонця в часі до приміщення, необхідно скласти рівняння теплового балансу, котре в загальному вигляді можна записати так:

(3.2)

де перший член рівняння враховує прямі надходження тепла від Сонця і їх можна розписати згідно з рівнянням (3.1), а другий член ураховує енергію теплообмінних процесів між вікном і приміщенням, де зокрема:

І_(t) – інтенсивність нормального потоку прямої сонячної радіації в часі, яку в даному випадку зручно виразити в залежності [89] від cosec h , тобто від висоти стояння Сонця, і можна представити так:

І_(t)= а – І_о ctgØ cosec h , (3.3)

де а – вільний член лінійного рівняння (табл. 3.2);

І_о – сонячна постійна, яка за останніми даними [3] з точністю до 1% дорівнює 1,95 кал/(см²×хв.);

сtg Ø – кутовий коефіцієнт лінійного рівняння, одержаний на основі власних досліджень (табл. 3.2);

h – висота стояння Сонця в градусах;

F_(t) – площа перетину потоку сонячної радіації в см², що змінюється в часі залежно від зміни параметрів Сонця, і її можна обчислити за формулою, що враховує орієнтацію вікон:

F_(t) = [Н_о cos h – b sin h × cosec (А ±Δ)], (3.4)

де H_о, l_o – відповідно висота, ширина вікон у см,

b – товщина стіни, в якій дане вікно, в см;

h , А – висота і азимут сонця в заданий час дня;

Δ – кут між лінією фасаду з даним вікном і напрямком "північ – південь";

τ_o(t) – загальний коефіцієнт пропускання променевої енергії сонця через вікно, який дорівнює добутку чотирьох коефіцієнтів:

τ_o(t) = τ_p τ_c3 τ₃ τ_1i, (3.5)

де τ_p – коефіцієнт, що враховує зниження надходження інсоляційного потоку рамами вікна;

τ_cз – коефіцієнт, що враховує зниження надходження потоку сонячної радіації через сонцезахисні пристрої;

τ_з - коефіцієнт, що враховує зниження надходження потоку інсоляції через забруднене скло; τ_1і – коефіцієнт, що враховує зниження надходження потоку інсоляції при проходженні його через скло під кутом “і” до нормалі, який за формулою (1.41) дорівнює [73]:

,

де τ₁ – коефіцієнт пропускання скла при нормальному куті падіння потоку;

для звичайного скла коефіцієнт ctg φ = 0,15;

α_в – коефіцієнт теплообміну в кал/(см²×год×^оС);

τ_b – температура внутрішньої поверхні скла, ^оС;

t_b – температура внутрішнього повітря, ^оС.

Таблиця 3.2

Числові значення вільних членів і кутових коефіцієнтів кореляційної залежності між інтенсивністю сонячної радіації та висотою стояння Сонця за різними літературними джерелами

У випадку, що розглядається, енергію надходжень до приміщення через вікно від прямої сонячної радіації при середніх умовах прозорості атмосфери і безхмарному небі можливо представити в такому вигляді:

(3.6)

У цьому багаточлені секанс кута падіння потоку радіації на скло “і”, за даними [89], можна також виразити через висоту й азимут Сонця:

sec i = 1/[sin (A_o ± Δ) cos h_o].

Тоді у багаточлені (3.6) [74] змінними будуть лише висота та азимут Сонця, які неважко виразити через часовий кут Сонця ω_t, видозмінивши одночасно і диференціал змінної:

.

Після поелементних перетворень у багаточлені (3.6) одержимо суму інтегралів виду , що, як відомо, шляхом заміни зводяться до інтегралів від дробнораціональних функцій. Останні завжди інтегруються, тобто виражаються через елементарні функції.

Так, якщо позначити

А = sinШ×sinC; Б = sinШ×cosC; В = cosШ×cosC; Д = cosШ×sinC,

де Ш – географічна широта, а “С” – схилення Сонця, то для будинків меридіональної орієнтації (Δ =0^о) розв’язання виразу (3.6) матиме такий вигляд:

а) при

(3.7)

б) при

у другій частині багаточлена взамін підкреслених необхідно використати такі члени виразу:

;

в) при А² > В² друга частина багаточлена видозмінюється, набуваючи вигляду:

. (3.8)

Одержані вирази можна істотно спростити, якщо знехтувати перемінністю величини коефіцієнта пропускання радіації і покласти в умову ctg φ = 0. Для випадку, коли С = 0, багаточлен ще більше скоротиться, оскільки при цьому А = 0 і Д = 0.

Наведене вище рішення для одинарного засклення практично буде справедливим і для вікон із подвійним чи з потрійним заскленням, але при цьому необхідно чисельно змінити значення коефіцієнтів τ₁ i ctg φ. У випадку, коли орієнтація будинку буде відмінна від меридіональної, тобто ∆ ≠ 0, рішення задачі, навпаки, ще більше ускладниться.

З використанням наведеного рішення для умов м. Полтави були виконані підрахунки теплонадходжень до житлового приміщення на 22 червня для характерних інтервалів часу у вікна шириною 2000 і висотою 1400 мм перших та верхніх поверхів східної й західної орієнтації. Виявилось, що у вікно західної орієнтації за 2,5 години надходить 2858,5 ккал тепла, а за той же період у вікно східної орієнтації всього 1154,7 ккал, тобто менше, ніж у вікно західної орієнтації. У вікно середніх поверхів східної орієнтації за 3,8 години невпинного опромінення до приміщення надходить 2300 ккал тепла [38], а у вікно верхнього поверху за 5,1 години невпинного опромінення надходить за розрахунками:

а) у вікно східної орієнтації 3522,9 ккал тепла;

б) у вікно західної орієнтації 5545,5 ккал, що майже вдвічі перевищує теплонадходження до приміщень першого поверху.

Ці неповні дані виконаних розрахунків дозволяють звернути увагу на те, що сонячний перегрів приміщень верхніх поверхів може спостерігатись не тільки в південних кліматичних районах, але і на широті м. Полтава – Вінниця – Тернопіль. Виявлені в ході розрахунків обставини наштовхують на думку про актуальність захисту приміщень від сонячного перегріву не тільки тих, що зорієнтовані на захід чи навіть на весь сектор від 200 до 290^о, а й приміщень верхніх поверхів будинків зі східною орієнтацією вікон.