Г. Ж. Кенжетаев, Н. А. Айтмагамбетов, Л. Е. Бисенова, О. Т

Г.Ж. Кенжетаев,Н.А. Айтмагамбетов,Л.Е. Бисенова,...
Г. Ж. Кенжетаев, Н. А. Айтмагамбетов, Л. Е. Бисенова, О. Т. Манкещева,
Ф. К. Нурбаева
Зональность инсоляции вертикальных поверхностей
(Каспийский государственный университет технологий и инжиниринга, г. Актау)
В статье приводятся результаты расчетов прямой солнечной радиации на вертикальные поверхности, южной, юговосточной и юго-западной ориентаций по сторонам света. Установлено, с увеличением географической широты интенсивность радиации, поступающей на вертикальные поверхности всех ориентаций, возрастает.
Сведения о приходящей солнечной радиации на вертикальные поверхности различной ориентации в нормативных документах до последнего времени отсутствовали. Прямая и особенно
рассеянная солнечная радиация, поступающая на вертикальные поверхности зданий и сооружений безусловно должна быть учтена, поскольку солнечная энергия служит практически единственным источником физических, химических и биологических процессов на земной поверхности, и фактически эти процессы имеют зональный характер. Однако механизм географической
зональности очень сложен, она проявляется далеко не однозначно в разной среде, в различных
компонентах, процессах, а также в разных частях эпигеосферы. Первым непосредственным
результатом зонального распределения лучистой энергии Солнца является зональность теплового баланса земной поверхности. Однако уже в распределении элементов теплового баланса,
мы наблюдаем нарушение строгого соответствия с широтой. Установлено, что максимум приходящей к земной поверхности суммарной радиации приходится не на экватор, чего следовало
бы ожидать теоретически, а на полосы между 20-й и 30-й параллелями в обоих полушариях
- северном и южном. Причина этого явления состоит в том, что на этих широтах атмосфера
наиболее прозрачна для солнечных лучей (над экватором в атмосфере много облаков, которые
отражают солнечные лучи, рассеивают и частично поглощают их) [1, 2].
В этой связи учҷт и расчет интенсивности прямой и рассеянной радиации поступающей на
вертикальные поверхности различной ориентации представляет большой практический интерес. Результаты расчетов прямой солнечной радиации на вертикальные светопрозрачные поверхности, южной, юго-восточной и юго-западной ориентации, выполненных по приведенной
выше методике [3, 4] приводятся ниже. Приведенные значения дают возможность получить величину прямой радиации, поступающей при безоблачном небе на вертикальные светопрозрачные и непрозрачные поверхности зданий, сооружений, за каждый час суток, в зависимости от
географической широты местности.
Широты выбраны в интервале 40 − 50◦ с.ш, т.к. интересующие нас районы расположены в
данном интервале (41 − 42◦ - широта городов Узень и Актау, широта города Форт-Шевченко
составляет 43.36◦ с.ш.). Для анализа падения прямой солнечной радиации берется июль и
февраль месяц, так как в годовом ходе температуры воздуха в июле наблюдаются максимум, а
в феврале минимум температуры. На всех широтах наибольшее количество прямой солнечной
радиации в единицу времени поступает в 11-12 часов и 12-13 часов дня, величина ее в это время
оказывается равной 2,62 - 1,44 МДж/м2 (таблицы 1-2), и при этом оказывается чем больше
широта, тем интенсивнее инсоляция вертикальных поверхностей [4, 5]. Вместе с тем количество
поступающей на эти поверхности солнечной радиации снижается с 12-13 часов. Анализ таблиц
показывает, что в июле наибольшее количество прямой солнечной радиации в единицу времени
поступает на поверхности южной ориентации в (от 11 до 12 часов утра), от 0,93 МДж/м2 до 1,44
МДж/м2 ), юго-воcточной и юго-западной (8 до 9 часов утра и от 15 до 16 часов), и составляет
соответственно (1,54 МДж/м2 и 1,84 МДж/м2 ), что свидетельствует о продолжительности
падения солнечных лучей в этих частях света. По данным таблиц 1-2, построены графики (рис.
1-4), на которых показан суточный ход прямой солнечной радиации в зависимости от широты
и времени суток, для южной, юго-восточной и юго-западной ориентаций поверхностей.
В зависимости от географической широты места интенсивность прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности, изменяется следующим образом: с увеличением географической широты интенсивность радиации, поступающей на вертикальные поверхности всех ориентаций, возрастает.
243
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршы - Вестник ЕНУ им.Л.Н. Гумилева, 2010, №4
Особенно резко увеличивается с широтой интенсивность прямой радиации, падающей на
поверхности южной ориентации: она изменяется в (от 11 до 12 часов), от 0,93 МДж/м2 ) на
40◦ с.ш, до 1,44 МДж/м2 ) на 50◦ с.ш, что соответствует широте города Астана - столицы Казахстана, в то время как интенсивность радиации, поступающей на поверхности юго-западной
и юго-восточной ориентации, изменяется незначительно - от 1,54 МДж/м2 до 1,84 МДж/м2 ,
в (от 8 до 9 часов), соответственно для широт от 40 до 50◦ . Следует отметить, что величина
прямой радиации падающей на поверхности юго-восточной и юго-западной ориентации, с 6 - 7
утра до 10 - 11 часов, превышает 1 МДж/м2 ), от 1,21МДж/м2 до 1,27 МДж/м2 на 40◦ широте,
и от 1,54 МДж/м2 до 1,28 МДж/м2 на 50◦ широте [6].
Наибольшее количество тепла за сутки от прямой радиации поступает при безоблачном
небе летом повсюду на отдельные поверхности юго-восточной и юго-западной ориентации. В
декабре, когда солнце находится особенно низко над горизонтом, наибольшее количество тепла
вследствие облучения прямой солнечной радиацией приходится на стены южной ориентации.
При этом зависимость приходящей солнечной радиации от географической широты местности
оказывается обратной.
Интенсивность радиационного потока и суточные суммы увеличивается с уменьшением географической широты, что обусловлено соотношением между высотой солнца над горизонтом и
ориентацией вертикальных поверхностей. Рассматривая зависимость между максимальными и
минимальными температурами можно сделать следующий вывод: наибольшее падение прямой
солнечной радиации на вертикальные поверхности приходится на более холодный период года
(февраль).
По данным таблиц видно, что максимальные значения падения солнечной энергии приходится на более низкие широты. Так из таблицы 1, видно, что при безоблачном небе в феврале,
приток солнечной радиации на вертикальную поверхность южной ориентации (в 7-8 часов утра)
увеличивается от величины 0,55 до 2,60 МДж/м2 на 40◦ широте, и от 0,32 до 2,62 МДж/м2 , на
50◦ северной широты.
Таблица 1. Прямая радиация, падающая на вертикальную поверхность южной ориентации при
безоблачном небе в июле в зависимости от широты и времени суток, в МДж/2
Широта
Часы
Сумма
за
сутки
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
40
0,22
0,54
0,80
0,93
4,98
42
0,01
0,28
0,63
0,90
1,03
5,70
43
0,02
0,32
0,67
0,95
1,08
6,08
44
0,02
0,36
0,72
1,00
1,13
6,46
46
0,04
0,44
0,81
1,09
1,24
7,23
48
0,10
0,50
0,87
1,18
1,34
7,97
50
0,17
0,55
0,94
1,27
1,44
8,74
Широта
Часы
17-18
16-17
15-16
14-15
13-14
12-13
Таблица 2. Прямая радиация, падающая на вертикальную поверхность южной ориентации при
безоблачном небе в феврале в зависимости от широты и времени суток, МДж/2
Часы
Сумма
за
сутки
Широта
6-7
7-8
8-9
9-10
10-11
11-12
40
0,55
1,48
2,00
2,37
2,60
17,99
42
0,50
1,41
1,99
2,39
2,67
17,93
43
0,47
1,38
1,96
2,38
2,65
17,70
44
0,44
1,35
1,94
2,37
2,64
17,48
46
0,42
1,28
1,89
2,35
2,62
17,11
48
0,37
1,26
1,90
2,37
2,62
17,04
50
0,32
1,23
1,92
2,39
2,62
16,98
Часы
Широта
17-18
16-17
15-16
14-15
13-14
12-13
244
Г.Ж. Кенжетаев,Н.А. Айтмагамбетов,Л.Е. Бисенова,...
Рис.1 - Суточный ход интенсивности прямой солнечной радиации, поступающей при безоблачном небе
на вертикальную поверхность южной ориентации в июле для широт 40◦ − 50◦ , в МДж/2
Рис.2 - Суточный ход интенсивности прямой солнечной радиации, поступающей при безоблачном небе
на вертикальную поверхность юго-восточной и юго-западной ориентации в июле для широт 40◦ − 50◦ ,
вМДж/м2
Рис.3 - Суточный ход прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности южной
ориентации при безоблачном небе в феврале для широт 40◦ − 50◦ , в МДж/м2
Для полного анализа даются таблицы и графики падения прямой радиации на горизонтальную и на нормальную к лучу поверхность (таблица 3 рисунки 5 и 6). Рассматривая таблицы
данных, по прямой радиации падения выявляется закономерность в том, что есть различия
между вертикальной и горизонтальной поверхности, летом большее падение прямой радиации
наблюдается на горизонтальных поверхностях, а зимой на вертикальную поверхность. Большие суммы тепла от прямой радиации, поступающие на южные стены зимой, не могут быть
неиспользованными, так как могут оказать решающее влияние на температурный режим в
гелиоустройствах со светопрозрачными ограждениями этой ориентации, особенно в районах с
большой повторяемостью ясной безоблачной погоды. Широтное распределение максимальной
за час величины прямой солнечной радиации, поступающей при безоблачном небе на вертикальные поверхности южной, юго-восточной и юго-западной ориентации в июне и декабре,
необходимое при расчетах теплового режима гелиоустройств, показано на рисунках 7 и 8.
Из анализа распределения максимальной за час интенсивности прямой радиации можно
выявить следующую закономерность, что наибольший рост прямой радиации отмечается в
интервале 40 − 50◦ с.ш.
245
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршы - Вестник ЕНУ им.Л.Н. Гумилева, 2010, №4
Таблица 3. Суммы прямой солнечной радиации, в МДж/м2 на горизонтальную поверхность при ясном
небе для широты 43◦ с.ш.
Месяцы
4-5
Февраль
Июль
0.03
За часовой интервал (истинное солнечное время)
9101112131415161710
11
12
13
14
15
16
17
18
5-6
6-7
7-8
8-9
0.23
0.66
1.18
0.01
1.74
0.23
2.17
0.64
2.48
1.09
2.66
1.45
2.66
1.64
2.46
1.64
2.15
1.46
1.74
1.09
1.18
0.69
0.66
1819
1920
0.23
0.23
0.01
0.03
За
сутки
19.14
22.28
За
месяц
284
691
Рис.4 - Суточный ход прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности
юго-восточной и юго-западной ориентации при безоблачном небе в феврале для широт 40◦ − 50◦ , в
МДж/м2
Рис.5 - График суммы прямой солнечной радиации, в МДж/м2 на горизонтальную поверхность при
ясном небе
Рис.6 - График суммы прямой солнечной радиации, в МДж/м2 на на нормальную к лучу поверхность
при ясном небе и интегральной прозрачности атмосферы
Рис.7 - Широтное распределение максимальной за час интенсивности прямой солнечной радиации при
безоблачном небе на вертикальные поверхности различной ориентации в июне
246
Г.Ж. Кенжетаев,Н.А. Айтмагамбетов,Л.Е. Бисенова,...
Рис.8 - Широтное распределение максимальной за час интенсивности прямой солнечной радиации при
безоблачном небе на вертикальные поверхности различной ориентации в декабре
Широтный ход максимальной за час радиации соответствует общему характеру распределения прямой радиации: летом с увеличением географической широты максимальная за час
интенсивность прямой солнечной радиации на все поверхности возрастает, зимой уменьшается
(рис. 8). Величины прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности
гелиоустройств, отличаются от данных, полученных ранее, от 10% до 25% в зависимости от
широты местности и времени года. Эта величина способна оказать существенное влияние на
точность расчетов тепловых режимов гелиотехнических устройств.
Известно, что восточные и западные стены зимой получают тепла неизмеримо меньше чем
южные, юго-восточные и юго-западные, а северные стены остаются совершенно необлученными прямой солнечной радиацией. Широтный ход максимальной за час радиации соответствует общему характеру распределения прямой радиации: летом с увеличением географической
широты максимальная за час интенсивность прямой солнечной радиации на все поверхности
возрастает, зимой уменьшается (рис. 8).
Рис.9 - Суточный ход прямой радиации, поступающей на вертикальную поверхность южной ориентации:
1 и 4 – для ϕ = 45◦ декабрь; 2 и 5 – для ϕ = 55◦ июнь; 3 и 6 – для ϕ = 45◦
Учҷт величины прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные светопрозрачные и непрозрачные поверхности зданий, сооружений, очень важен для решения мероприятий
по обеспечению микроклимата помещений, повышения эффективности работы систем отопления и вентиляции, на основе энергосберегающего подхода, с использованием вечной энергии
Солнца, за счет непосредственного нагрева ограждающих вертикальных поверхностей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Голубчик М.М., Евдокимов С.П., Максимов Г.Н., Носов А.М. Теория и методология
географической науки. М.: Гуманитарный издательский центр Владос,2005.-463с.
2. Жаков С.И. Общие климатические закономерности Земли М.: ”Просвещение”,1998.- 159 с.
3. Справочник по климату СССР. Солнечная радиация, радиационный баланс и солнечное
сияние.- Выпуск 18.- 1967.- С. 178-181.
4. Пивоварова З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как
источника энергии на территории СССР. - Л.: ”Гидрометеоиздат”,- 1988.- С. 14-17.
247
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршы - Вестник ЕНУ им.Л.Н. Гумилева, 2010, №4
5. Кенжетаев Г.Ж., Диханова Ж. К вопросу оценки гелиопотенциала Мангистауской области.
Научный журнал Министерства образования и науки ”Поиск”. -Серия естественных и технических наук- №1.- 2006.- C. 150 -158.
6. Кенжетаев Г.Ж., Ахмеджанов Т.К. Эмпирические формулы для определения интенсивности
прямой солнечной радиации на нормаль к лучу поверхности // Вестник МОиН НАН РК, №2.
2002. С. 111-116.
Кенжетаев Ғ.Ж. Айтмагамбетов Н.А., Бисенова Л.Е, Манкешева О.Т., Нурбаева Ф.К.
Тiк беттердiң күн сәулесiмен шалдыққанда жер ендiгiне байланысты өзгеруi
Мақалада күн радиациясының тiк беттерге, яғни оңтустiк - батыс, оңтүстұк - шығыс және оңтүстiкке түсу сәулесұнұң
есептеу қорытындысы кептiрiлген. Сондай - ақ, тiк беттерге түскен радиацияның қарқынды көбеюi анықталған.
Kenzhetaev G.Z., Ajtmagambetov N.A., Bisenova L.E., Mankesheva O. T., Nurbaeva F.K.
Ash value insolation of vertical surfaces
In article results of calculations of direct solar radiation on vertical surfaces, southern, southeast and southwest orientations
on parts of the world are resulted. It is established, with increase in geographical width intensity of radiation arriving on vertical
surfaces of all orientations, increases.
Поступила в редакцию 12.04.10
Рекомендована к печати 24.05.10
248