Роль солнечной радиации в формировании тепло-ветрового режима междомового пространства

вестник 3/2012

УДК 628.9.021 Б.И. Гиясов

Мытищинский филиал ФГБОУ ВПО «МГСУ»

РОЛЬ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ В ФОРМИРОВАНИИ ТЕПЛО-ВЕТРОВОГО РЕЖИМА МЕЖДОМОВОГО ПРОСТРАНСТВА

В результате анализа теплофизических процессов междомового пространства с выявлением механизма конвективных движений у поверхностей отмечается значительная роль солнечной радиации в регулировании тепло-ветрового режима, определяемая условием инсоляции поверхностей и степенью преобразования им тепла. Интенсивное воздействие солнечной радиации на поверхность ограждающих конструкций зданий способствует возникновению конвективных потоков, которые формируют тепло-ветровой режим дворов.

Ключевые слова: солнечная радиация, подстилающая поверхность, конвективные потоки, теплообмен, ламинарный слой, пристенный слой, междомовое пространство, инсоляция, подстилающая поверхность.

Солнечная радиация оказывает разнообразное влияние на деятельную поверхность междомового пространства. В зависимости от теплотехнических качеств вертикальных стен, светопрозрачных ограждений, горизонтальных мостовых приходящая солнечная радиация преобразовывается, по-разному отражается, излучается и, поглощаясь, превращается в тепловую. Значения последней определяют термическое состояние вертикальных стен и подстилающих поверхностей, а в итоге мощность и подвижность конвективных потоков.

В жаркое время года взаимодействие солнечной радиации приводит к перегреву помещений. Теплообмен между воздухом помещений и наружным воздухом происходит вследствие теплопроводности наружного ограждения здания (наружных стен, окон и т.п.), путем радиационной теплопередачи и теплообмена, интенсивность которого зависит от скорости конвективных потоков пристенного слоя воздуха.

Физические процессы, происходящие в нижней микроклиматической зоне и в верхней климатической зоне дворового пространства, формируются также под влиянием подстилающей горизонтальной поверхности [1].

Верхние климатические зоны обладают физическими свойствами, значительно отличающимися от свойств микроклиматических зон. Объясняется это, во-первых, незначительным влиянием горизонтальной подстилающей поверхности и стен на верхние слои воздуха и, во-вторых, тем, что динамика и термодинамика верхней зоны находятся в тесной связи с атмосферными процессами большого масштаба. Эти особенности климатической зоны сказываются на их свойствах. Однако в значительно большей степени физическая структура нижних микроклиматических зон определяется взаимодействием инсоляции со стеной и с подстилающей поверхностью и теплофизическими свойствами последних. При облучении стены нагреваются и подстилающие поверхности, и тепло поступает в прилегающую воздушную среду посредством турбулентной теплопроводности и излучения. Тем самым температурная структура воздуха междомового пространства определяется тепловым балансом подстилающей поверхности и стен зданий [2].

Поскольку на искусственной подстилающей поверхности и на стене здания тепло не может накапливаться, то сумма всего приходящего на поверхность тепла должна равняться всему уходящему теплу.

12

© Гиясов Б.И., 2012

Архитектура и градостроительство. Реконструкция и реставрация

ВЕСТНИК

МГСУ

Уравнение теплового баланса горизонтальной подстилающей поверхности описывается

вг - вк - вп - вт = 0 С1)

где вг — радиационный приток тепла Вт/м2; вК — тепло, отдаваемое в пристенный слой воздуха конвекцией, Вт/м2; вТ — тепло, передаваемое путем теплопроводности, Вт/м2.

Радиационный приток тепла вг определяется по формуле

вг = ^Г +^Г + Е - Яг - ^

где Б — величины прямой и рассеянной солнечной радиации на поверхности, Вт/м2; — коротковолновая радиация, отраженная рассматриваемым элементом поверхности, Вт/м2; Еа — встречное излучение атмосферы, кал/см2 •мин; Е 5 — собственное излучение поверхности, кал/см2-мин;

Тепловой баланс стены здания является главным фактором, определяющим распределение температуры воздуха в пристенном слое.

Уравнение теплового баланса для этого случая определяется равенством

вв - вк - ви - вт = 0.

где вВ — количество суммарного тепла, падающего на вертикальную стену, Вт/м2; ви — тепло, излучаемое нагретой стеной, Вт/м2.

Суммарная солнечная радиация, поступающая на поверхность стены, определяется равенством

вв = ^в + + ^

где £в, Бв, Яв — соответственно величины прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации в застройке, Вт/м2.

Как в стенах зданий (в виде светопроемов), так и на территории (в виде водоемов) имеются участки с большой способностью отражения и поглощения солнечной радиации. На все эти поверхности приходит тепловая солнечная энергия, которую в климатических и теплотехнических расчетах принято учитывать как сумму трех показателей прямой, рассеянной и отраженной солнечной радиации [3].

Тепло от солнечной радиации, падающей на наружную поверхность стен здания, суммируется с тепловым потоком от действия температуры наружного пристенного воздуха.

Около нагретых и охлажденных свободно расположенных вертикальных поверхностей зданий возникают конвекционные токи, которые вызывают теплообмен между поверхностями и воздухом. Если поверхность стены нагрета под воздействием инсоляции, то воздух около нее нагревается и поднимается вверх, вытесняемый снизу более холодным. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный (пристенный) слой, толщина которого возрастает по направлению движения.

Закономерности пристенного конвективного потока применительно вертикальных пластин, стен здания приводятся в работах отечественных и зарубежных ученых .

Различают три неодинаковые по природе и толщине слоя нагретого воздуха: ламинарный, турбулентный и наиболее отдаленный от поверхности стены вихре-вый слой [4].

Первый ламинарный слой нагретого воздуха имеет небольшую протяженность по высоте стены здания — до уровня подоконника первого этажа здания. В связи с этим при решении архитектурно-строительных задач им можно пренебречь.

Во втором и третьем слое господствуют большие вихревые образования, характерные для струйных течений, которые способствуют интенсивному перемешиванию ближайших к поверхности слоев нагретого воздуха с соседними слоями

ВЕСТНИК

3/2012

воздуха пристенного слоя и междомового пространства и участию их в восходящем движении.

Аналогичная картина наблюдается около охлажденной теневой поверхности стены здания, поток свободной конвекции у которой направлен вниз. В пределах толщины пограничного слоя до 0,5 м от стены происходит изменение температуры и скорости воздуха [1].

При инсоляции одновременно стены здания и прилегающих к нему подстилающих поверхностей территории естественные конвективные восходящие потоки накладываются друг на друга, и формируется более мощная конвективная струя воздуха с большими показателями скорости и температуры воздуха, приводящие в движение прилегающий воздух в междомовом пространстве и помещении.

Интенсивность естественного потока для любых форм поверхностей и сред в обобщенном виде определяется критерием Грасгофа Gr или произведением критериев Грасгофа на Прандтля GrPr

где в — температурный коэффициент объемного расширения, град1; g — ускорение свободного падения, м/с2; ^ — определяющий размер поверхности в направлении потока воздуха, м; Лt — перепад между температурой воздуха и поверхности, град; V — кинематическая вязкость, м2/с; а — температуропроводность, м2/с.

Условия свободного конвективного теплообмена определяется системой критериев подобия

Входящие в формулу коэффициенты С и п определяются эмпирическим путем.

Интенсивность выделения тепловой энергии при нагреве стены, а также стены и подстилающей поверхности является наиболее важным фактором, влияющим на его динамику.

Таким образом, в результате анализа теплофизических процессов междомового пространства с выявлением механизма конвективных движений у поверхностей отмечается значительная роль солнечной радиации в регулировании тепло-ветрового режима, определяемая условием инсоляции поверхностей и степенью преобразования им тепла.

Библиографический список

1. Гиясов А. Исследование тепло-ветровых процессов на модели жилой застройки городов с жарко-штилевым условием климата // Известия ВУЗов. Строительство и архитектура. 1989. № 6. С. 43—47.

2. Абдуллоев М. Аэродинамические характеристики жилых зданий в условиях сложного рельефа : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 1984. 24 с.

3. Гиясов Б.И. Влияние жарко-штилевого климата на ограждающие конструкции и микроклимат жилых зданий : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2000. 24 с.

4. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М. : Физматгиз, 1960. 375 с.

5. Баум В.А., Бабаев Ч. Исследование поглощения солнечной радиации различными материалами // Гелиотехника. 1966. № 3. С. 54—61.

Поступила в редакцию в январе 2012 г.

Об авторе: Гиясов Ботир Иминжонович — кандидат технических наук, заведующий кафедрой архитектурно-строительного проектирования, Мытищинский филиал Московского государственного строительного университета, Московская область, г. Мытищи, Олимпийский проспект, 50, dandyr@mail.ru.

№ = С^гРг)п.

14

КБИ 1997-0935. Vestnik MGSU. 2012. № 3

Архитектура и градостроительство. Реконструкция и реставрация

ВЕСТНИК

МГСУ

Для цитирования: ГиясовБ.И. Роль солнечной радиации в формировании тепло-ветрового режима междомового пространства // Вестник МгСУ. 2012. № 3. С. 12—15.

B.I. Giyasov

ROLE OF SOLAR RADIATION IN FORMATION OF THERMAL AND WIND CONDITIONS OF THE INTER-BUILDING SPACE

Upon the completion of the analysis of thermal physic processes undergoing within the interbuilding space and upon the identification of the mechanism of the convective motion undergoing in close proximity to the surfaces of buildings, substantial impact of solar radiation on thermal and wind conditions within inter-building spaces is identified. The impact intensity is driven by the exposure of surfaces to the sun and the intensity of heat transformation processes. Intensive influence of solar radiation produced on surfaces of buildings promotes convective streams that shape up the thermal and wind conditions within inter-building spaces.

Key words: solar radiation, underlying surface, convective streams, heat exchange, laminar layer, boundary layer, inter-building space, sun exposure.

References

1. Giyasov A. Issledovanie teplo-vetrovykh protsessov na modeli zhiloy zastroyki gorodov s zharko-shtilevym usloviem klimata [Research of Thermal and Wind Processes as Exemplified by Residential Housing Areas in Hot and Windless Climatic Conditions]. Izvestiya VUZov [News Bulletins of Universities], Stroitel'stvo i arkhitektura [Construction and Architecture], Novosibirsk, 1989, no. 6, pp. 43—47.

2. Abdulloev M. Aerodinamicheskie kharakteristiki zhilykh zdaniy v usloviyakh slozhnogo rel'efa [Aerodynamic Characteristics of Residential Buildings in the Complex Terrain Relief Environment]. Author's abstract of a dissertation for the title of the candidate of technical sciences. Moscow, 1984, p. 24.

3. Giyasov B.I. Vliyanie zharko-shtilevogo klimata na ograzhdayushchie konstruktsii i mikro-kli-mat zhilykh zdaniy [Influence of the Hot Windless Climate on Shell Structures and the Microclimate of Residential Buildings]. Author's abstract of a dissertation for the title of the candidate of technical sciences. Moscow, 2000, p. 24.

4. Abramovich. G.N. Teoriya turbulentnykh struy [The theory of Turbulent Streams]. Moscow, Fizmatgiz, 1960, p. 375.

5. Baum V.A., Babaev C. Issledovanie pogloshcheniya solnechnoy radiatsii razlichnymi materialami [Research of Absorption of Solar Radiation by Various Materials]. Geliotekhnika, 1966, no. 3, pp. 4—61.

About the author: Giyasov Botir Iminzhonovich — Candidate of Technical Sciences, Head of Department of Architectural and Civil Engineering Design, Mytishchinskiy Branch, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), Moscow Region, Mytishchi, 50 Olimpiyskiy prospekt, 141006, Russia; dandyr@mail.ru.

For citation: Giyasov B.I. Rol" solnechnoy radiatsi v formirovanii teplo-vetrovogo rezhima mezhdo-movogo prostranstva [Role of Solar Radiation in Formation of Thermal and Wind Conditions of the InterBuilding Space]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering], 2012, no. 3, pp. 12—15.