EFFECT OF INSOLATION ON ROOM MICROCLIMATE

ВЛИЯНИЕ ИНСОЛЯЦИИ НА МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЯ

Научная статья

Середа С.Н.*

ORCID: 0000-0002-9982-5875,

Муромский институт (филиал) Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, Муром, Россия

* Корреспондирующий автор (sereda-2010[at]mail.ru)

Аннотация

Целью работы является исследование влияния солнечной радиации на микроклимат жилых помещений путем оценки количества тепловой энергии, поступающей в помещение через светопрозрачные ограждающие конструкции зданий. Рассматривается структура измерительного комплекса, позволяющего осуществлять измерения и дистанционный контроль параметров микроклимата помещения посредством сети Интернет. Представлены результаты наблюдений микроклиматических параметров в переходной и отопительный периоды года. Предложена математическая модель экспериментальной оценки количества солнечной радиации, проникающей в помещение через окна. Получено эмпирическое соотношение отраженной и проникающей солнечной радиации в помещение через окна. Установлена эмпирическая зависимость поступающей теплоты и относительной влажности воздуха в помещении. Построено семейство температурно-влажностных характеристик воздуха в помещении вследствие нагрева от инсоляции. Показано влияние солнцезащитной пленки на термозащиту окон, которая меняет характер температурной зависимости влажности воздуха в помещении на экспоненциальный при нагреве за счет уменьшения доли тепловой энергии, проникающей в помещение. Дана количественная оценка продолжительности инсоляции и количества солнечной радиации, проникающей в помещение через окна в осенний период, а также в течение отопительного периода в ясные солнечные дни.

Ключевые слова: микроклимат, инсоляция, солнечная радиация, ограждающие конструкции, математическое моделирование.

EFFECT OF INSOLATION ON ROOM MICROCLIMATE

Research article

Sereda S.N.*

ORCID: 0000-0002-9982-5875,

Murom Institute of Vladimir State University, Murom, Russia

* Corresponding author (sereda-2010[at]mail.ru)

Abstract

The aim of the study is to examine the influence of solar radiation on the microclimate of residential premises by assessing the amount of thermal energy entering the room through the translucent enclosing structures of buildings. The article examines the structure of the measuring system, which allows to measure and remotely control the parameters of the indoor microclimate via the Internet, and presents the results of observations of microclimatic parameters in the transition and heating periods of the year. The study also proposes a mathematical model for the experimental estimation of the amount of solar radiation entering the room through the windows and obtains the empirical ratio of reflected and penetrating solar radiation into the room through the windows. The authors establish the empirical dependence of the incoming heat and the relative humidity of the air in the room along with constructing a set of temperature and humidity characteristics of indoor air due to heating from insolation.  The influence of the sunshield on the thermal protection of windows is also shown, which changes the nature of the temperature dependence of the indoor air humidity to an exponential one when heated by reducing the share of thermal energy entering the room. The study also conducts a quantitative assessment of the duration of insolation and the amount of solar radiation entering the room through the windows in the autumn period, as well as during the heating period on clear sunny days.

Keywords: microclimate, insolation, solar radiation, enclosing structures, mathematical modeling.

Введение

Для средней полосы России характерна ярко выраженная смена времен года, которые характеризуются различными климатическими параметрами, и, в свою очередь, влияют на микроклимат жилых помещений. Теплому периоду года свойственны умеренные климатические показатели, а микроклиматические в целом соответствуют гигиеническим нормативам. Осенний и весенний сезоны, когда не работает система отопления здания, определяют так называемый переходной период, в который микроклиматические показатели могут значительно отличаться от нормы. Так, например, осень в средней полосе России характеризуется пониженными ночными температурами и высокой влажностью воздуха, особенно в дождливую погоду, что оказывает влияние на микроклиматические параметры жилых помещений, смещая их значения из зоны комфорта на границу зоны допустимых воздействий. Для обеспечения комфортных условий среды в жилых зданиях используются инженерные системы отопления, вентиляции и кондиционирования [1].

Нормирование параметров микроклимата жилых помещений, как показателей среды обитания человека, проводится в соответствии с документами [2], [3]. ГОСТ 30494 определяет допустимые температуры воздуха 20 – 28ºC в теплый период и 18 – 24ºC в холодный период (когда среднесуточная температура наружного воздуха не превышает +8ºC), а также комфортные значения влажности 30% - 60% (допустимая не более 65%) в теплый период и 30% - 45% (допустимая не более 60%) в холодный период.

Одним из источников поступления теплоты в помещении, наряду с тепловыделениями от электроприборов и человека, является инсоляция помещения через оконные проемы за счет инфракрасной составляющей в спектре потока солнечной радиации. Солнечный свет создает естественную освещенность в помещении, влияет на микроклимат помещений и психофизиологические процессы в организме человека. Требования инсоляции жилых помещений, определенные в санитарных нормах и правилах [3], регламентируют нормы инсоляции с учетом географического и климатического расположения объекта, в том числе с целью предотвращения излишней солнечной радиации и теплового перегрева, что реализуется посредством объемно-планировочных решений, вентилируемых конструкций, а также применением различных солнцезащитных устройств [4]. Расчеты инсоляции помещений различными методами проводят при проектировании объектов строительства, а также для поверки на соответствие санитарным нормам в условиях изменения городской застройки [5], [6]. При этом одним из инструментов анализа инсоляции является математическое и компьютерное моделирование [7], [8].

По различным оценкам доля солнечной радиации, проникающей в помещение через окна, составляет от 20% до 40% от общего потока солнечной энергии. Применение энергосберегающих технологий, как-то защитные термопленки с внутренней стороны стекла или стеклопакеты с наполнением инертным газом и т.п., позволяет улучшить теплозащитные характеристики окон [9].

Постановка задачи исследования и описание измерительной установки

Научно-практический интерес представляет задача оценки количества солнечной радиации, поступающей в помещения, и анализа ее влияния на параметры микроклимата жилых помещений. Для этого необходимо провести наблюдения за изменением показателей микроклимата жилого помещения в течение переходного и отопительного периодов.

Измерения температуры и относительной влажности воздуха жилого помещения проводились с помощью измерительного комплекса, являющегося составной частью автоматизированной системы управления автономным отоплением [10], который включает: радио-датчик комнатной температуры и относительной влажности воздуха ZONT МЛ-745, размещенный внутри помещения; датчик наружной температуры воздуха ZONT МЛ-711, размещенный на поверхности окна с наружной стороны; радио-модуль ZONT МЛ-489; котроллер GSM ZONT H-1. Показания датчиков отображаются посредством web-интерфейса в личном кабинете на сайте zont-online, а также через мобильное приложение на смартфоне.

Математическая модель оценки поступления солнечной радиации

Для оценки количества солнечной радиации, проникающей в помещение, можно с некоторым допущением использовать формулу расчета теплопотерь (Вт) через ограждающие конструкции

   (1)

где F – площадь ограждения, м²; R0 – приведенное сопротивление теплопередач, равное от 0,49 до 0,8 в зависимости от градусо-суток отопительного периода, (м²∙℃)/Вт; ∆T - разность температур на границе разделения сред, ℃; β – коэффициент, учитывающий добавочные теплопотери через ограждения; n - коэффициент, учитывающий понижение расчетной разности температур для ограждений, отделяющих отапливаемое помещение от неотапливаемого.

С другой стороны, рассматривая окно, через которое солнечная радиация проникает в помещение, как греющую поверхность – источник теплоты, можно с достаточной точностью рассчитать тепловой поток за счет теплопередачи через окно (Вт)

     (2)

где F – площадь греющей поверхности, м2; α– коэффициент теплоотдачи греющей поверхности, для стекла от 1,9 до 2,3, Вт/(м²∙℃); ∆T - разность средней температуры греющей поверхности и температуры воздуха в помещении, ℃, либо, как разность наружной и внутренней температур поверхности окна.

Суммарная разность наружных температур воздуха равна

    (3)

где t₁, t₂ – моменты времени начала и окончания инсоляции помещения за счет прямого и рассеянного светового потока; T_н - температура наружного воздуха, регистрируемая при прямом солнечном потоке; T_н0 - наименьшая суточная температура наружного воздуха, регистрируемая до восхода солнца.

Суммарная разность температур воздуха в помещении равна    (4)

где t₁, t₂ – моменты времени начала и окончания инсоляции помещения за счет прямого и рассеянного светового потока; T_в - температура воздуха в помещении, регистрируемая при прямом солнечном потоке; T_в0 - наименьшая суточная температура воздуха в помещении.

Тогда можно рассчитать суммарное количество тепловой энергии, поступающей в помещение и отраженной от окна, подстановкой в формулу (2)  соответственно.

Доля солнечной радиации, проникающей в помещение через окно, определяется

    (5) Доля солнечной радиации, отраженной от поверхности окна, определяется      (6)

Анализ результатов эксперимента

На рисунке 1 показаны графики температуры наружного воздуха и температуры и влажности воздуха в помещении в переходной период с 24.09. по 07.10.2020 до начала отопительного сезона. Динамика изменения температур отражает суточные колебания, обусловленные восходом и заходом солнца. Поступление в помещение теплоты от прямого солнечного света приводит к росту температуры внутреннего воздуха выше +30ºC в зоне светового проема и падению влажности воздуха до 40%. В остальное время суток наблюдается превышение нормы относительной влажности воздуха в помещении.

Рис. 1 – Графики температур и влажности воздуха в период с 24.09 по 07.10

  На рисунке 2 показаны графики температур и влажности воздуха в помещении 28.09.2020.

Рис. 2 – Графики температур и влажности воздуха от 28.09.2020

 

Уличная температура растет с 8,8ºC до 34,7ºC, максимум достигается в 11:08. В 12:46 за счет движения солнца по небосводу датчик «улица» оказывается в зоне тени, что приводит к дальнейшему снижению температуры наружного воздуха. В ночное время комнатная температура находится в пределах от 20,2 до 19,4ºC, влажность воздуха составляет 75 – 79%. Восход солнца приводит к снижению влажности до минимума 34% и росту комнатной температуры воздуха до 30,1ºC в полдень, но затем с перемещением солнца влажность растет, а комнатная температура воздуха падает до 20.7 ºC.

На рисунке 3 показаны графики температур и влажности воздуха в помещении от 27.09.2020 при закрытой оконной солнцезащитной матовой пленке, которая играет роль фильтра, что позволяет избежать перегрева воздуха в помещении, вызванного инсоляцией.

Рис. 3 – Графики температур и влажности воздуха от 28.09.2020

 

Динамика изменения температур и влажности воздуха в целом соответствует описанной выше. Максимум температуры на наружной поверхности окна достигается в полдень 34,5ºC. В 13:05 датчик «улица» оказывается в зоне тени и комнатная температура воздуха падает до 20.2 ºC в 23:58. Влажность воздуха в помещении при отсутствии отопления и инсоляции составляет 73 – 74%. Солнечная радиация снижает влажность воздуха до минимума 51% в 11:07 при опущенной солнцезащитной пленке с момента времени 8:50, при этом комнатная температура воздуха растет до 26,8ºC. далее растет до 74%. Открытие форточки на проветривание, с 7:15 до 8:00, приводит к снижению комнатной температуры до 19ºC.

Основное влияние на микроклимат помещения в зимний период оказывает работа системы отопления и теплопотери ограждающих конструкций (см. рисунок 4), поскольку существенно снижается число солнечных дней и сокращается время инсоляции. В установившемся режиме температура воздуха в помещении 21ºC, влажность воздуха меняется в пределах от 25% до 37%. Под воздействием солнечной радиации с 12 до 14 часов дня, температура воздуха растет до 26ºC, а влажность воздуха падает до 22%.

Рис. 4 – Графики температур и влажности воздуха от 11.12.2020

 

Увеличение продолжительности светового дня приводит к увеличению времени инсоляции помещения и количеству тепловой энергии, поступающей через окна (см. рисунок 5). Температура воздуха в помещении увеличивается на 5,5 ºC.

Рис. 5 – Графики температур и влажности воздуха от 01.12.2021

 

Графики на рисунке 6 показывают зависимость относительной влажности воздуха от температуры воздуха в помещении, изменяемой при поступлении солнечной радиации, построенную по данным наблюдений с учетом экстраполяции (пунктирные линии). Можно заключить, что данная зависимость имеет близкий к линейному характер при отсутствии светозащитной пленки. Солнцезащитная пленка на окне меняет характер температурной зависимости влажности воздуха в помещении на экспоненциальный при нагреве за счет уменьшения доли тепловой энергии, проникающей в помещение.

Рис. 6 – Графики зависимости влажности от температуры воздуха в помещении

 

Заключение

Согласно результатам расчетов по формулам (5) и (6) количество теплоты, проникающей в помещение через окно и отраженной от поверхности окна, составило 41,2% и 58,8% соответственно. Если закрыта солнцезащитная пленка, то соотношение доли проникающей в помещение тепловой энергии солнца и отраженной составляет 16% и 84% соответственно. Удельное количество солнечной радиации, проникающее в помещение через окно, рассчитанное на момент времени с максимальной дневной температурой 28.09.20, составило 88 Вт*ч, а за восьмичасовой световой период, с 7:00 до 15:00, 408 Вт*ч/м2. При этом, количество солнечной радиации 11.12.20 оказалось в 4,3 раза меньше, а 01.03.21 в 2,7 раза по сравнению с 28.09.20.

Продолжительность инсоляции жилых помещений зданий в центральной зоне России (58° с.ш.- 48° с.ш.), согласно нормам, составляет не менее 2 часов в день с 22 марта по 22 сентября. Фактическая инсоляция по результатам наблюдений для города Муром, 55°34′21″ с.ш. 42°03′05″ в.д., ориентация окон на Юго-восток, показывает, что продолжительность инсоляции за двухнедельный период с 24.09.2020 по 07.10.2020 составила около 4 часов ежедневно, за исключением пасмурных дней 29.09 и 07.10.2020. Продолжительность прямой инсоляции в декабре составила около 2 часов, а в начале весны около 3 часов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. СП 131.13330.2018. “СНиП 23-01-99* Строительная климатология”. – Введ. 2012–06–30. – М.: Стандартинформ, 2019. – 114 с.
2. ГОСТ 30494–2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. – Введ. 2013–01–01. – М.: Стандартинформ, 2013. – 12 с.
3. СанПиН 1.2.3685–21 Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека фактов среды обитания. – Введ. 2021–01–28. – [Электронный ресурс]. – URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102030022 (дата обращения: 14.04.2021).
4. Золотозубов Д.Г. Анализ влияния изменения инсоляции квартир на энергосбережение / Д.Г. Золотозубов, О.С. Карманова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. – 2016. – Т. 7. – № 1. – С.82–92. DOI: 10.15593/2224–9826/2016.1.11
5. Бахарев Д.В. О нормировании и расчете инсоляции / Д.В. Бахарев, Л.Н. Орлова // Светотехника. – 2006. – №1. – С.18–27.
6. Куприянов В.Н. К исследованию инсоляции жилых помещений / В.Н. Куприянов, Ф.Р. Халикова // ACADEMIA архитектура и строительство. – 2010. – №3. – С.477–482.
7. Стрижак П.А. Математическое моделирование теплового режима здания с учетом инсоляционных теплопоступлений / П.А. Стрижак, М.Н. Морозов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2015. – Т.326. – №8. – С.36–46.
8. Милосердов Е.П. Расчет и моделирование естественного освещения помещений / Е.П. Милосердов, А.А. Сидоров, Л.А. Шарипов // Информационная среда вуза. – 2015. – №1 (22). – С.102–107.
9. Борухова Л.В. Проектирование конструктивных солнцезащитных устройств / Л.В. Борухова, А.С. Шибенко // Наука и техника. – 2016. – Т. 15. – №2. – С.107–114.
10. Середа С.Н. Дистанционное управление системой автономного отопления / С.Н. Середа // Современные наукоемкие технологии. – 2020. – № 6–2. – С.283–287.

Список литературы на английском языке / References in English

1. SP 131.13330.2018. “SNiP 23–01–99* Stroitelnaya climatologia. [Construction Climatology]. – Introdused 2012–06–30. – M.: Standartinform, 2019. – 114 p. [in Russian]
2. GOST 30494–2011. Zdania zhilye y obshestvennye. Parametry microclimata v povesheniah. [Residential and public buildings. Indoor climate parameters]. –Introdused 2013–01–01. – M.: Standartinform, 2013. – 12 p. [in Russian]
3. SanPiN 1.2.3685-21 Gigienicheskie normativy y trebovania k obespecheniyu bezopasnosty y (ily) bezvrednosty dlya cheloveka factov sredy obitania. [Hygienic standards and requirements for ensuring the safety and (or) harmlessness of the natural environment to humans]. – Introdused 2021–01–28. – [Electronic resource]. – URL: http://publication.pravo.gov.ru/Document/View/0001202102030022 (accessed: 14.04.2021). [in Russian]
4. Zolotozubov D.G. Analis vliyania ismenenia insolatzii kvartir na energosberegenie [Analysis of the influence of changes in the insolation of apartments on energy saving] / D.G. Zolotozubov, O.S. Karmanova // Vestnik Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta. Stroitel'stvo i arhitektura [Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Construction and architecture]. – 2016. – V.7. – № 1. – P.82–92. DOI: 10.15593/2224–9826/2016.1.11 [in Russian]
5. Bakharev D.V. O normirovanii y raschete insolatzii [About rationing and calculation of insolation] / D.V. Bakharev, L.N. Orlova // Svetotehnika [Svetotekhnika]. – 2006. – №1. – P.18–27. [in Russian]
6. Kupriyanov V.N. K issledovaniyu insolatzii zhilych pomesheniy [To study the insolation of residential premises] / V.N. Kupriyanov, F. R. Khalikova // ACADEMIA arhitektura i stroitel'stvo [ACADEMIA architecture and construction]. – 2010. – № 3. – P.477–482. [in Russian]
7. Strizhak P.A. Matematicheskoe modelirovanie teplovogo regima zdania s uchetom insolatzionnych teplopostupleniy [Mathematical modeling of the thermal regime of a building taking into account the insolation heat gain] / P.A. Strizhak, M.N. Morozov // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov [Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering]. – 2015. – V. 326. – №8. – P.36–46. [in Russian]
8. Miloserdov E.P. Raschet y modelirovanie estestvennogo osveshenia pomesheniy [Calculation and modeling of natural lighting of premises] / E.P. Miloserdov, A.A. Sidorov, L.A. Sharipov // Informacionnaja sreda vuza [Information environment of the university]. – 2015. – №1 (22). – P.102–107. [in Russian]
9. Borukhova L.V. Proektirovanie konstruktivnych solntzezashitnych ustroystv [Designing constructive sunscreen devices] / L.V. Borukhova, A.S. Shibenko // Nauka i tekhnika [Science and Technology]. – 2016. – V. 15. – №2. – P.107–114. [in Russian]
10. Sereda S.N. distancionnoe upravlenie sistemoy avtonomnogo otoplenia [Remote control of the autonomous heating system] / S.N. Sereda // Sovremennye naukoemkie tehnologii [Modern high-tech technologies]. – 2020. № 6–2. – P. 283–287. [in Russian]