Изследване на ослънчеността на остъклени южни фасади с обратен наклон

Доц. д-р арх. Стоянка Иванова, УАСГ В последните години в света се увеличават реализациите на сгради с остъклени южни фасади с обратен наклон (фиг. 1) [1-4]. Освен да се постигне ефектен архитектурен образ, има и още една причина за използването на похвата, която е свързана с пасивния слънчев дизайн. Такъв наклон е подходящ и за двата критични сезона. В студения той благоприятства усвояването на лъчите на ниското зимно слънце, а в горещия - блокира тези на високото лятно слънце. Така обаче сериозен дял от глобалната слънчева радиация, падаща върху наклонената фасада, принадлежи на отразената, а тя зависи от албедото (величина, характеризираща отражателната способност на телата) на терена в южна посока от сградата. Така отражателната способност е в състояние да повлияе на определянето на благоприятния обратен наклон. Това е и целта на това изследване – да определи как този наклон се влияе от характерните климатични условия за България и от албедото на терена в южна посока от зданието, както и дали по-високите или по-ниските стойности на това албедо подпомагат или възпрепятстват постигането на целите на пасивния слънчев дизайн. Модел и методика за определяне на оптималния обратен наклон на южна фасада За определяне на оптималния обратен наклон на южна фасада трябва да бъде изчислена глобалната падаща радиация върху фасадата за двата критични сезона. Студеният сезон (условно наречен „зима”) е този, в който има нужда от отопление. Можем да считаме, че това са шестте месеца от октомври до март включително. Отоплителният сезон за София например е от 15 октомври до 23 април. Топлият сезон („лято”) е този, в който има нужда от охлаждане. За България това са трите месеца от юни до август включително. Точното предсказване на количеството слънчева радиация, което пада върху дадена наклонена повърхност през конкретен времеви период, е трудна задача и зависи от пълнотата и качеството на модела на слънчевата радиация, който се прилага. Определяне на падащата слънчева радиация по дни върху повърхности с различни наклони Слънчевата енергия, която пада върху една наклонена повърхност, има 3 компонента: директна, дифузна и отразена радиация. По дефиниция директната радиация идва от мястото в небосвода, където се намира слънчевият диск, и от зоната на 2,5° от неговия център. При ясно време тя е преобладаваща. Дифузната радиация е тази, която идва от останалата част на небосвода. Тя е разсеяна от атмосферата. При облачно време тази компонента преобладава. Отразената идва от обектите в околната среда на фасадата, които в зависимост от тяхното албедо отразяват различна част от падналата върху тях глобална радиация. Макар че често се работи със средногодишно албедо 0,2 за обкръжаващата среда, все пак за по-точни изчисления могат да се използват следните стойности: сградите отразяват радиацията в зависимост от цвета на покритието си (колкото са по-светли, толкова повече радиация отразяват, и обратно), например при покритие тухла, камък – албедото е 0,2-0,4, покритие с бяла боя – 0,5-0,9, покритие с цветна боя – 0,15-0,35, и т.н. Зелените площи имат албедо около 0,24 (дървета – 0,15-0,18, трева – 0,25-0,3), снегът в зависимост от чистотата си – между 0,65 (за стар замърсен) и 0,85 (за чист). Метод за кумулативно изчисляване на слънчевата радиация В по-ранни наши работи [5-7] разработихме метод за кумулативно (с натрупване) изчисляване на слънчевата енергия, която пада върху единица площ за определена географска позиция с нейните специфични климатични особености. Този метод използва т.нар. fisheye ортографска проекция – вид кръгла проекция на небесната полусфера върху равнина. Разработеният метод се характеризира с висока реалистичност на модела на дифузната и директната радиация. С оглед на сложността на атмосферните процеси може да се каже, че той доста прецизно отчита промяната в интензивността на фоновата компонента на дифузната радиация в зависимост от височината над хоризонта или ъгловото разстояние от зенита. Сравнително точно се моделира и околослънчевата компонента на дифузната радиация, като постепенно намаляваща с отдалечаване от слънчевия диск. Бяха разработени подходи за изчисление както за проекция върху хоризонтална, така и върху вертикална повърхност (Фиг. 2) [7]. Изобразената върху фигурата синя област илюстрира излъчваната от небосвода дифузна радиация. По-светлата жълто-бяла зона показва с натрупване за периода излъчената директна радиация от зоната на движещия се върху небосвода слънчев диск и до 2,5° около центъра му. Към тях в [8] прибавихме и изчисление на падащата радиация върху наклонена под произволен ъгъл равнина. То се базира на геометрично преобразуване на данните от другите основни проекции (хоризонтална и вертикална). В резултат получаваме проекциите върху фиг. 3, изпълнени за обратни наклони от 135° и 110°. При наклонена приемна равнина хоризонтът в южна посока се изобразява като част от елипса, която отделя изображението на небосвода от проекцията на терена (черната зона). От терена приемните равнини получават отразена слънчева радиация. При големи наклони спрямо хоризонта, както става ясно от графиките на първия ред (фиг. 3а-в), тези зони са големи по площ и техният принос към получената глобална радиация е значителен. Стойността на изотропно отразената радиация се изчислява по формулата: (2.1) RR = ρGh (1– cos γ) / 2 , където ρ е средното албедо на терена, Gh е хоризонталната глобална радиация (сума от директна и дифузна радиация), а γ е наклонът на приемната равнина спрямо хоризонта. Така например при стандартното средногодишно албедо 0,2 и наклон 110° на приемната равнина (както на Фиг. 3г-е) отразената радиация е 13,4% от хоризонталната глобална радиация. Отразената радиация започва да придобива по-съществено значение при още по-голям наклон на приемната повърхност и по-високо албедо на обкръжаващия терен или на околните обекти. Например приемна повърхност с наклон 135° (Фиг. 3а-в) получава отразена радиация, равна на 25,6% от Gh при албедо 0,3 и значителните 68,3% от Gh при албедо 0,8 (чист сняг). От значение за коректното изчисляване на падащата слънчева радиация върху наклонена повърхност в градски условия е засенчването на отразяващата и приемната от близки и по-далечни обекти. Настоящата методика има потенциала да бъде доразвита в тази посока. Принципно е възможно резултатите от такива изчисления да променят оптималния ъгъл на наклона с няколко градуса. Програмна реализация на методиката и примери С разработения модул на софтуера за кумулативно определяне на падащата глобална радиация върху наклонена повърхност бяха изпълнени изчисления за всичките 365 дни в годината и наклони през 1 градус от 90° до 135°. Резултатите за района на София (42°41'47" North) бяха попълнени в две големи таблици с по 16 790 полета, подредени в 365 реда и 46 колони. Първата таблица съдържа сумата от получената директна и дифузна радиация, а втората – отразената радиация при средногодишно албедо на терена 0,2. Стойностите са визуализирани на Фиг. 4. Най-големи абсолютни стойности на падащата радиация са визуализирани в най-светлите долни части на графиката на Фиг. 4а, които отговарят на преходните сезони пролет и есен за наклони, близки до 90°. Фиг. 4б показва отразената радиация при средногодишно албедо 0,2, която има най-големи стойности през лятото, и при по-големи наклони, които увеличават изгледа към терена. На базата на тези две таблици бяха изготвени още 4 подобни на първата таблици за глобалната слънчева радиация при албедо 0,2; 0,4; 0,6; 0,8. После чрез формула (3.1) беше изчислена разликата D между летните и зимните стойности на радиацията. Колкото по-ниска стойност има D, толкова по-благоприятна ориентация има повърхността на фасадата, защото има ниски стойности на лятната радиация Is и високи стойности на зимната радиация Iw. (3.1) D=(Is - Iw) / sin γ На Фиг. 5а са показани графиките на зимна и лятна глобална радиация върху наклонена повърхност при албедо 0, т.е. няма отразена радиация. В зелено е показана разликата между тях с минимум при наклон 108°, следователно това е оптималният обратен наклон на фасадата при албедо 0% за района на София. Понеже България е разположена в рамките само на 2 ъглови градуса географска ширина, можем да очакваме подобни резултати за цялата й територия. На фиг. 5б са показани графиките на разликите между лятната и зимната радиация за различни наклони и албедо на терена пред фасадата. Вижда се, че колкото е по-ниско албедото, толкова по-благоприятно е това. Обяснението е, че фасадите с обратен наклон са чувствителни към отразената радиация и през лятото тя значително увеличава глобалната радиация, което води до по-големи нежелани топлинни печалби, а това налага по-големи разходи за охлаждане. От друга страна, през зимата отразената радиация има сравнително ниски стойности (освен ако има сняг). Забелязва се, че колкото по-голямо е албедото на терена, толкова по-близо до вертикалата е оптималният наклон на фасадата (албедо 0 – наклон 108°, албедо 0,2 – 280 наклон 106°, албедо 0,4 – наклон 105°, албедо 0,6 – наклон 103°, албедо 0,8 – наклон 99°). Освен това кривите на разликите плавно и слабо се променят, което означава, че близките до оптималните ъгли ще дават сходни резултати. В изследване [9] за определяне на оптимален наклон на южна стена с цел предпазване от прегряване през лятото в Лондон (географска ширина 51°30' North) има подобен резултат, базиран на направени температурни измервания без отчитане влиянието на албедото на терена в южна посока. Полученият оптимален наклон за предпазване от прегряване през лятото е 110°. В изследването не е взето предвид ослънчаването през зимата. Изводи В настоящата статия беше проучена ослънчеността на фасади с обратен наклон с различно от южно изложение за условията на България, като бяха разгледани двата основни фактора, влияещи върху качествата на решението: ъгъл на наклона и албедо на терена през фасадата. За северната фасада няма опасност от прегряване и обратният наклон не носи ползи. От гледна точка на пасивния дизайн по-добре е теренът пред източната и западната фасада да има възможно по-ниска способност за отражение, като оптималните ъгли на фасадите са функция от него. Колкото по-високо е албедото, толкова по-близо до вертикалата е оптималният ъгъл. Получените криви се променят незабележимо плавно, затова целият изследван ъглов диапазон дава сходни резултати. Като цяло ползата от обратния наклон при неюжни фасади е значително по-малка, отколкото при тези с южно изложение. ЛИТЕРАТУРА [1] https://www.architectureanddesign.com.au/news/80kg-chunk-of-concrete-claddingfallsoff-zaha-had [2]https://www.gkdmetalfabrics.com/blog/austrian_bank_boldly_announces_to_the_world_ its_presence_using_gkd_metal_fabric.html [3] https://www.e-architect.co.uk/london/siemens-urban-sustainability-centre [4] https://taylor-boyd.co.uk/project/ecit/ [5] Ivanova S., Use of fisheye orthographic projection for cumulative estimation of direct and diffuse irradiation under partially obstructed sky, In Proceedings of 7th International Conference on solar radiation and daylighting Solaris 2015, Celje, Slovenia, 21-22 May 2015, pp. 16–21. [6] Ivanova S., Using of orthographic fisheye projection for cumulative estimation of direct and diffuse radiation on building surfaces in an urban environment, In Proceedings of WREC 2015 – World Renewable Energy Congress XIV, Bucharest, Romania, 8-12 June 2015. [7] Ivanova S., Using of cumulative sky approach for variant analysis of the seasonal vertical solar irradiation for different types of urban street canyons, In Proceedings of WREC 2015 – World Renewable Energy Congress XIV, Bucharest, Romania, 8-12 June 2015. [8] Иванова Ст., Определяне на оптимален наклон на плосък фиксиран соларен панел, Сборник доклади от Втора научно-приложна конференция с международно участие „Управление на проекти в строителството /УПС/”, 5-6 ноември 2015, София, България, стр. 194-203. [9] Lavaf Y. , Sharples S., The Potential of Inclined Walls to Reduce Overheating Risk: A Passivhaus Case Study for UK Current and Future Climates, In Proceedings of Conference PLEA 2016, Los Angeles, USA