Введение к работе
Актуальность теми. Существующая практика ведения предпроокт-кых работ на основе актикометрических дашшх в суточном и месячном осреднении не позволяет проводить оят:в.з;зациошшв расчеты ограж-дадшіх конструкций і; инженерных сооружений. Эти расчеты могут быть выполнены на основе использования данных часового разрешения, поэтому получение часовых сумп радиации, поступающей на вертикальные поверхности различных ориентации, и включение их в проектные расчеты является актуальной задачей.
Цели и задач:! диссертации, диссертационная работа посвящена разработке методики получения количественных оценок потоков коротковолновой солнечной радиации на вертикальные поверхности различной ориентации, их анализу для района Казахстана и рекомендациям по их использованию а практике строительного проектирования.
Для досгикения полученной цели в работе стадятся следующие задачи:
- оценить возможность использования матодики "стандартного
года" для сокрашения объема исходной информации применительно к
данным часовых сумм суммарной и рассеянной радиации, поступающей
на горизонтальную поверхность при реальных условиях облачности, а
тэкне выяснить различия или сходство распределения прямой радиации,
поступающей на стены, для разных часов суток в целях свертки ин
формации;
- уточнить методику расчета диффузной радиации, поступающей
на стены различных ориентации с тем, чтобы корректно учесть как
дол» рассеянной, так и долю отраженной радиации в обкем потоке
солнечной радиации к стенам здания:
изучить особенности рядов, составляемых ежедневными и средними месячными часовыми значениями солнечной радиации и найти взаимосвязь мевду их основными статистическими параметрами;
выяснить характер распределений ежедневных часовых сумм прямой солнечной радиации, поступающей на различно ориентированные вертикальные поверхности, величины максимальных энергопоступлений на каждую стену в течение суток, вероятность таких поступлений для каждого часа, в каждом месяце года (ряда лет);
провести выравнивание эмпирических распределений прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности определенных ориентации;
- показать на примере целесообразность включения указанных выше характеристик часовых суш солнечной радиации в проектные расчеты ограждающих конструкций.
Исходный материал. Для исследования особенностей рядов часових суш составляющих радиационного баланса использованы ежедневные часовые значения солнечной радиации не ст.Айдарлы, Алма-Атинской области за 20-летний период (1961 - 1980 гг.) и данные о средних месячных часовых суммах за все годы наблюдений на 8 станциях Казахстана.
_ Научная новизна. Впервые рассчитаны статистические параметры S . <э , А, Е эмпирических распределений часовых сумм прямой солнечной радиации, поступающей на стены разных ориентации, за 20-летний период наблюдений. Впервые показана возмокносгь с целью свортки исходной информации объединения рядов часовых суш прямой радиации, приходящей к вертикальным поверхностям, для нескольких сроков (часов) в один климатологический ряд. Объединение осуществляется путем использования приема дисперсионного анализа. Дальнейшее сокращение объема информации достигается за счет использования методики "стандартного года", не применявшейся до сих пор к рядам радиационных данных. Сопоставлены результаты расчетов часовых сумм диффузной радиации, поступающей на стены, с учетом анизотропии рассеивания новым способом и без ее учета.
Автором показано, что наилучшим типом аппроксимирующей кривой распределений часовых сумм прямой солнечной радиации, поступающей на стены разных ориентации, являются логарифличеокая нормальная и обратная логиормальная.функции распределения.
Установлена зависимость мевду средними квздрагическими отклонениями ежедневных и средних месячных часовых значений прямой радиации, поступающей на стены, которая использована для определения оредних квадратических отклонений ежедневных данных косвенным способом.
Впервые построены карты распределения по территории Казахстана квзнтильных значеїшй часовых сумм прямой радиации, поступающей на .вертикальные поверхности 5 ориентации, 9д% обеспеченности и рассмотрен ряд закономерностей этого распределения.
Впервые показано, что расчет величин теплоустойчивости ограждающих конструкций на основы использования вероятностных характеристик распределения часовых сумм прямой радиации, поступающей на рвзличиоориектисовьнные стены, приводит к результатам существенно отличающимся от тех, которые соответствуют рекомендациям СЫиП, основанным на средних данных.
Практическая значимость» Ценность представляемой диссертационной работы заключается в разработке методики расчета специализированных климатических характеристик солнечной радиации, которые могут быть использованы,как это показано в диссертации, в прикладных теплотехнических расчета* существенно их уточняя, при выборе материалов и толщина ограждающих конструкций.
Внедрение результатов. Материалы исследований, алгоритмы, программы и методика расчета составляющих радиационного баланса на вертикальные поверхности различных ориентации использованы в КазНИИ при выполнении темы НИР П.II.01 и при создании ГОСТа "Климат СССР".
Апробация работы: Результаты исследования докладывались на:
конференции молодых ученых и специалистов СТО в 1987 г.;
на научных семинарах лабораторий ИК и ЗЛО и ОППиК КазНИГМИ з 1986, 1987, 1988 гг., 1989 г.;
на Всесоюзном совещании "Приполярная климатология на службе народного хозяйства" в 1987 г., стендовое представление;
программа по выбору "стандартного года" на основе радиационных характеристик используется в учебном процессе на кафедре метеорологии Томского Гос.Университета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.
Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, насчитывающих 16 разделов, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертации изложена на 171 с.машинописного текста; содержит 32 рисунка и 15 таблиц.
Приложение состоит из 4 таблиц. Библиография вкличает 173 наименования литературных иоточников, из них 21 - литература на иноотранных языках.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, анализируется существующая практика использования радиационных характеристик на стадии проектирования строительных конструкций. Сформулированы цель и задачи исследования.
В первой главе дается краткий обзор основных направлений использования климатической информации в строительном прооктирова-вании. В зависимости от характера решаемой задачи строитель-проектировщик должен использовать определенные климатические показатели. Их разработка ведется на основе трансформации общих климатических данных в специализированные. Получаемая таким образом информация является прикладной или специализированной и находит свое применение в виде нормативов и стандартов для строительства.
Сформулированы основные требования к климатической информации о солнечной радиации, используемой в строительном проектировании. На этапе предпроект:шх разработок (выбор места строительства и принятие обшх архитектурные решений) достаточно использовать такие климатические характеристики как средние месячные значения прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность. Однако при оптимизационных расчетах необходимо дополнить климатическую информацию о солнечной радиации данными за временные промежутки один час и менее.
Приводится обзор состояния вопроса. Наиболее полно в настоящее время освещен в литературе вопрос о приходе солнечной радиации к вертикальным поверхностям в двух предельных случаях: при ясном' небе и при сплошной облачности, поэтому упор сделан на послед-кие работы, где выявляются зависимости солнечной радиации от продолжительности солнечного сияния, балла облачности, высоты и места закрытости горизонта, ориентации склона.
Спецификой задач,- которые ставит строительная климатология, является необходимость наряду со средними характеристиками метеорологических элементов использовать их экстремальные значения, т. к.,
они описывают условия наиболее сильного влияния на объект метеорологической среды. Такие условия часто носят характер аварийных, т.е. сопряжены с опасностью разрушения конструкции и большим материальным ущербом, поэтому обраціается внимание на литературные источники, авторы которых считают целесообразным вычислить средние максимумы и минимумы суточных сумм радиации, и в которых прослеживается четкая зависимость максимумов сумм от широты - возрастание с севера на вг.
Определенная часть литературного обзора первой части посвящена рассмотрению методов расчета различных статистических характеристик по материалам о потоках солнечной радиации на различные поверхности, анализу их межгодовой и мексуточкой изменчивости и других методов, разработанных в ГГО.
Сравнительно слабо изучены комплексные воздействия на здания в процессе проектировочных работ, вклачаюше солнечную радиацию. Приведены сведеїшя о солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, которые согласно указаниям СНиПа стали к настоящему времени нормами. Прийшлая во внимание необходимость все шире использовать обобщающие климатические показатели, которые отражают комплексное влияние метеорологических факторов на объект, указывается на необходимость обновления и дополнения СНиП.
Во второй главе рассматриваются методики рзсчетэ специализированных климатических показателей солнечной радиации, т.к. именно они находят конкретное применение в проектировании строительных объектов и при оптимизационных расчетах orpasaaxaix конструкций. Методы расчета основываются на физических закономерностях связи между климатом и строительными объектами с использованием теории вероятностей и математической статистики. Разработаны способы формирования исходных климатологических рядов прямой радиации, поступающей на вертикальные поверхности пяти основных ориентации (В, Ш, Ю, ЮЗ, 3). Очевидно, что прямые измерения - наилучший источник информации о солнечной радиации. Однако в ряде случаев при отсутствии прямых наблюдений чаше приходится использовать косвенные способы. Поэтому рассматривается 3 косвенных способа получения основных характеристик радиационного режима, связанных с другими метеорологическими характеристиками.
Формула для расчета прямой солнечной радиации на стены включает ряд астрономических и геофизических параметров, хорошо известна и реализована. Подобные программы разрабатывались и другими ввторами, но пока не сдана в ОМІ и являются собственностью разработчиков.
Проведен анализ однородности исходных рядов прямой солнечной радиации, приходящей на различно ориентированные стены. Статистическая однородность данных обеспечивалась тем, что выборки были составлены из часовых значений прямой радиации, поступающей на стены определенных ориентации в определенные часы и месяцы года. Достаточно большой объем рядсв екедкевных часовых данных (примерно 600 членов) позволяет рассчитать основные статистические характе-
ристики с большой точностью. Закономерности годового хода часовых суш прямой радиации, поступающей на стены ( S^ ), определяется главным образом влиянием астрономических факторов и облачностью, преобладающей в течение года, и каждых суток в отдельности. Исследование полученных климатологических рядов позволяет закдю-чить, что максимальное поступление _» к стенам восточной а западной ориентации происходит независимо от времени года за 2 -3 часа до захода или спустя 2-3 часа после восхода солнца, а к южным степям - в часы, близкие к полудню. Продолжительность облучения стен промежуточных ориентации прямой радиацией больше по сравнению с восточным и, соответственно, западными стенами, но по интенсивности энергопоступлений в среднем за конкретный час восточные и западные стены находятся в более благоприятных инсо-ляционных условиях.
Изменения во времени непрерывной случайной величины, в данном случае часовых суш ^5^ , можно рассматривать как случайный процесс. Независимыми аргументами функции.является время в течение суток либо года. В первом случае сечением функции будут часовые суммы радиации за конкретный час, во втором - за конкретный месяц года. Проведен анализ подученных значений SV с точки зрения выяснения стационарности процесса. Для этого определена значимость различий между дисперсиями и математическими ожиданиями в сечениях случайной функции, характеризующей изменение часовых сумм в направлении независимого аргумента. С помощью критериев І - Фишера и t - Стьюдента проведено сравнение выборочных дисперсий и средішх для смежных часов суток. Это оказалось возможным объединить в ряде случаев в одну выборку ряды данных в сроки близкие к началу и концу инсоляции соответственно восточных и западных стен. Для юшшх стен - это часы, близкие к полудни.
Для упрощения расчетов Sv определены некоторые относительные значения радиационного потока в часовом временном разрешении:
Зависимость от широты места исследовалась после предварительного разбиения территории Казахстана на четыре условные широтные зоны и расчета значений К для стен 5 ориентации и широтных кругов 40, 45, 50, 55 о.ш. Расчетными датами служат середины месяцев года. Графики К ^ построены для каждой ориентации стены в зависимости от указанных широт, для каадого месяца и часа дня. Несмотря на различный режим облачности и неодинаковые атмосферные
условия в разных пунктах, рекомендовано использовать одно- и то же значение К у для пунктов, находящихся на одной широта.
С целью сокращения исходной информации опробована методика "стандартного года" применительно к данным по радиации. Этот год составлен из типичных месяцев, выбранных путем статистической обработки данных измерений актинометрических величин с сугочншл интервалом осреднения. Расчеты по формированию "стандартного года" проведены для климатической зоны, центром которой является ст.Ай-дэрлы, по часовшл значениям суммарной и рассеянно;! радиации, приходящих на горизонтальнуй поверхность.
Алгоритм программы основан на примерах выбора эталонного года, разработанных Варшавским институтом отопления и вентиляции и рекомендованных к использованию для европейских стран. После выбора стандартного года эталонные данные сравнивались с месячными средними Q. и SD , определенными по исходным рядам. Таблица I иллюстрирует пример сравнения и из нее следует, что различие это находится в пределах точности произведенных вычислений.
Таблица I
Различия мевду значениями для "стандартного года" и средними многолетними данными сг.Айдарлы, (ВДж/ьг)
Лля кавдого из месяцев стандартного года вычислялись екеднев-ные часовые суммы Ss для пяти ориентации и внутримесячное распределение часовых сумм Sv аппроксимировалось системой кривых Пирсона. Сравнивалась структура ряда, составленного ежедневными часовая значениями Sv' со структурой аналогичных радов средних месячных многолетних значений для соответствующих стен. Отмечается удовлетворительное сходство кривых распределения, а различие состоит лишь в подтипе кривых распределения для отдельных случаев. Таким образом, внутримесячше распределения ежедневных часовых значений . S>/ для каждого месяца стандартного года описываются кривыми Пирсона I типа, подтипов 5, 6, 9 и характеру распределе-нии Ji/ за многолетний период для соответствующих вертикальных поверхностей, в целом аналогичны распределениям за "стандартные годы".
В третьей главе рассматриваются методики расчета часовых суш диффузной радиации ( 5)^ ), поступающей к стенам разных ориентации, Отмечзется, что по результатам натурных наблюдений расхождение в измеренных сушах ^^с рассчитанными при условии изотропического приближения - значительные. Предложены 2 метода учета явления анизотропии рассеивания. Первый исходит из допущения разделения рассеянной радиации на ореальную и фоновую и выражается формулой:
%)v- 7.5,,+ 0 5^- 0,0? S')+ 0,5Л-Q
где А - альбедо подстилающей поверхности .
' Второй метод состоит во введении поправочных коэффициентов в основную формулу расчета $)^ — ^/р для изотропического условия рассеивания. Поправки должны учитывать характер рассеивания радиации по небосводу, зависящий от пространственного распределения облачности, ее количества и некоторых других факторов, определяющих рассеивание.(Введены три поправочных коэффициента:
с3 - (-і + wv4c)!<^<[
где cL - азимутальный угол Солнца, Q. - склонение Солнца
о - угол между перпендикуляром к поверхности и солнечным лучом ct - угол наклона поверхности по отношению к горизонту
Первый коэффициент учитывает рассеивание вблизи горизонта, второй - вблизи солнечного диска и для кавдой из стен имеет свои значения. Третий коэффициент учитывает анизотрошш рассеивания отракают радиации. В качестве сомнозителя, учитывающего степень покрытия неба облачностью, в формулы поправочных коэффициентов вводится функция: _. ,
На основе тлеющихся данных средних многолетних часовых сумм прямой, рассеянной и суммарной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, для каждого месяца получены средние многолетние часовые суммы 3\)v' , поступающей к стенам пяти ориентации. Результаты расчетов }Ь\,' двумя методами различаются не более, чем на 20 - 25/2, поэтому предпочтение отдается более технически простому способу расчета (I способ). Учет анизотропии рассеизэгшя целесообразно проводить для переходных сезонов года для стен всех ориентации и-в любой из часов суток, а зимой - в околополуденные часы и также для стен всех ориентации. В летнее время необходимо обращать внимание на приход диффузной радиации к вертикальным поверхностям всех ориентации, особенно в те сроки, которые отделяют от полудня 2-3 часа.
Необходимость учета анизотрошш в конкретные сроки вызвана тем обстоятельством, что именно в указанные часы доля диффузной радиации, приходящей к стенем, в общем радиационном потоке является преобладающей либо непосредственно величина диффузной радиации достаточно велика. Особенно важным представляется уточненный расчет потоков S)v южной ориентации в летнее время.
В четвертой главе проведен статистический анализ эмпирических распределений часовых сумм -S v . Для большей части распределений преобладают отрицательные значения коэффициентов эксцесса, что свидетельствует о бимодальносги распределения. Первый максимум, который приходится на область малых значений прямой радиации, получается оуммировзшїем повторяемостей часов без солнца либо о достаточно большим баллом облачности. Поэтому такие распределения были рассмотрены как комбинация двух.
Распределение часовых сумм S^ в любой месяц года характеризуется большими значениями не только коэффициентов " во zAkcSy
Это свидетельствует о большой крутости и скошенности распределений.
Часи, близкие к восходу и заходу Солнца, отличает положительные; знак А. Величина его сначала увеличивается от января (0,31) к маю (1,1В), затем в течение года происходит незначительное уменьшение коэффициента к сентябрю - октябрю и, наконец, к концу года А резко возрастает до значений 1,48 - 1,51 (декабрь).
В течение дня в январе - апреле знак коэффициента асимметрии меняется на противоположный, и абсолютная величина его в часы, приближающиеся к полудню, достаточно велика - 0,70 - 1,35. После 12 часов наблюдается уменьшение значений А и за час до захода Солнца (Ш - ІУ) либо в час захода Солнца происходит смена знака А на положительный. Асимметричность кривых распределения средних часовых сумм 5v и сентябре - октябре схожа с той, что имеет место в соответствующие часы в апреле и марте, что подтверждает схокость атмосферных условий и преобладающей облачности в переходные сезоны года. Таким образом, показано, что эмпирические кривые распределения Sv далеки от нормального распределения,в Оольшшстве случаев они являются асимметричными либо с правосторонней, либо с левосторонней скошенностью. Затем было высказано предположение о возмоаностях выравнивания полученнных эмпирических распределений логцормадышм и обратным логаормалышм теоретическими законами распределения. Использовалось 3-х параметрическое логнормальнов распределение.
Для объективной оценки степени приближения эмпирического
распределения к какой-либо теоретической зависимости вычислены
значения критерия ^-Пирсона. , ^
., При сравнении полученных % с критическими %cos и ^00(при соответствующих степенях свободы, получено, что из общего числа обработанных гистограмм (134), в 13% случаях значение
^ превышало его величины, соответствующие вероятности Р = 0,05 . В этих случаях отклонение теоретического от экспериментального распределения имеет неслучайный характер. Это, как правило, относится к часам, соответствующим времени начала и конца инсоляции not верхности. В остальных случаях отклонения теоретического от экспериментального распределений соответствовала вероятность 90 -95%, что свидетельствует о правомерности использования данных теоретических законов распределения часовых сумм <5v в практических расчетах.
Для параметров распределения, приведенных в главе 2, рассчитаны теоретические значения -Sv различной обесдезенности. Из графиков накопленных вероятностей следует, что большинство кривых имеют различную конфигурацию и наклон. Интересной особенностью
распределений Sv Л^я восточных стен яздлотся то, что в часи, близкие к полудню, крише накопленных вероятностей достаточно близки, поэтому за характерную кривую обеспеченности во временном интерволе II - 12 часов можно принимать любую из них. Однако, в часы восхода и захода Солнца интегральные кривые почти всогда значительно различаются, как в послополуданные часы, для стен промежуточных ориентации, и объединить их но представляется возмодшм. Далее отмечается целесообразность косвенного расчета характеристик распределения средних месячных и суточнш: часовых сумм -5V на основе известных статистик распределения ежедневных часових суш
Sv . Используя метод наименьших квадратов для степеней функции вида у = кхр и применяя при подборе аппрокенмируюцлх виражений искусственный прием - линеаризацию исходной зависимости, автор провел расчеты и получил параметры степенных уравнении достаточно хорошо (на уровне значимости 0,05), описываших зависимость среднего часового месячного значения f>z от G, распределений средних отдельных часовых сумм v . Невысокие значения кооффи-шентов корреляции между «5і, и б^г при ориентации стены на восток и запад в летнее время объяснимы существенным разбросом значений «Sv в часы восхода и захода Солнца. Поэтому для последующих расчетов дашше соотношения следует применять, анализируя получаемые результаты. Описанным спосбоы рассчитаны
Распределение средних суточных 5V можно представить как комбината) распределений средних часовых суш S по срокам. В результате этого в летний период кривая распределений Sv для восточных стен островершинна и положительно асимметрична. Распределения -Sv для западных стен островершинны и отрицательно асимметричны. Плосковершинная кривая характерна для распределений средних суточных -S^ , поступавшей к ванш стенам.
Распределение по территории Казахстана квангадышх значений S(/ 99/г-обеспеченности носит зональный характер, но имеет ряд особенностей, обусловленных характером подстилающей поверхности и циркуляционкым фактором, сказывающимся в основном в юго-вос-точнах районах республики.
Правильный учет этих особенностей мохет обеспечить удлинение периода с комфортными условиями погоды з помещениях, находящихся в северных районах Казахстана, и обеспечить рациональную солнцезашиту в центральных, юяных и юго-западных районах.
В пятой главе даны рекомендации по использованию специализированных климатических показателей солнечной радиации в теплотехнических расчетах. Перечислены возмокные тепловые воздействия на здание. Оценка воздействий солнечной радиации на ограждение сводится к определению амплитуды колебания температуры на внешних и внутренних погерхностях ограждающих конструкций или к расчету затухания температурных колебаний в ограждении.
Показана техника расчетов теплозащиты здании на иачальной стадии проектирования с учетом радиации. Она проведена в соответствии о теми правилами, которые устанавливает СНиП.
В связи с тем, что приход тепла за счет солнечной радиации на западную стену во вторую половину дня совпадает с максимумом температуры воздуха, т.е. создаются условия неблагоприятные для ограждений, в качестве расчетных значений для стен принята величина суммарной радиации, поступающий на западную стену в июле.
Расчеты приведены со средними значениями ,8^ , которые рекомендует использовать СНиП и теми, которые получены в данной работе. Анализ теплоустойчивости наиболее характерной ограндаю-шей конструкции, однослойной панели из керамзитобетоне, сделан с целью уточнения необходимых геометрических размеров панели (толщины), Исходя из климатических условий Казахстана.
Для однослойных конструкций величина затухания колебаний температуры в ней выражается формулой:
С-SтV) <^ н
где - тепловая инерция ограадешш;
oU - коэффициент теплоотдачи внутренних поверхностей отрак-" дения
Y - коэффициент теплоусаоения наружной поверхности стены;
<&н - коэффициент теплоотдачи наружной поверхности стены, принимаемой для летних условий
dH = 1,16 (5 + I0V~F ),
где V - скорость ветра;
S - расчетный коэффициент теплоуовоения материала, для керамзитобетона 3 = 6,77 Вт/ьг* С
Поскольку величина ^ нормируемая, то
/MOV
Величина Jr-iu определяется из соотношения:
j,,qs4t. *&***>
-4-і
гдо Л-іи - максимальная амплитуда суточных колебаний температуры наружного воздуха в июле;
а - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом
ijtt(U*Jnn/^„^максимальное среднее часовое значение Q, в июле
ф ,., - сроднее суточное значение Q^ в июле;
~i -х - соответственно максимальные средние часовые эначе-
Wy.} f.«.^ ния ^ и j) в июле;
лгсёо- " нормируемая величина перепада температуры по обе
А стороны от огрэвдения, которая определяется по
?а формуле
где ~Ь~ц - средняя месячная температура в июле;
Варьированием значений (в преобрэженном равенстве квантилей заданной обеспеченности) подучены величины тояшны стен, отвечающие основным нормативным требованиям СНиП и оптимальной теплоустойчивости. Для этого использовались результирующие формулы в - СЛ
где JL - термичеокое сопротивление передаче
и в то же время о
JL - ~jy-
где о - толщина одграядаюшей конструкции
Я - 0,52 Ъч/иг" С - коэффициент теплопроводности керамзитобетоне .
При проектировании стен в расчете на летние условия в рассматриваемом регионе необходимо было увеличить их толщину на 5 см по отношению к той, что проектируется при ориентировке на средние данные о потоках коротковолновой радиации.
