Wpływ otoczenia na dostępność promieniowania słonecznego

część 3

Analizując dostępność promieniowania słonecznego należy zwrócić uwagę na kilka czynników związanych z otoczeniem i lokalizacją powierzchni, na którą pada promieniowanie słoneczne. W otoczeniu rozważanej powierzchni mogą znajdować się różnego rodzaju naturalne i sztuczne obiekty. Mogą one powodować, że dostęp promieniowania słonecznego będzie utrudniony, lub wystąpią dodatkowe zyski. Dwoma podstawowymi czynnikami, związanymi z otoczeniem...
i wpływającymi na dostępność promieniowania słonecznego, są zacienienie i odbicie.

Zacienienie, opisywane z różnym stopniem szczegółowości w literaturze, jest dość powszechnym zjawiskiem ograniczającym w sposób przypadkowy, lub zaplanowany, dostęp promieniowania słonecznego do powierzchni wystawionej na działanie promieniowania słonecznego. Zacienienie rozważanej powierzchni lub jej fragmentu może być:

całkowite w odniesieniu do promieniowania bezpośredniego i częściowe dla promieniowania dyfuzyjnego, jeżeli przeszkoda utrudniająca dostęp promieniowania słonecznego jest nieprzezroczysta;
częściowe dla promieniowania bezpośredniego i dyfuzyjnego, jeżeli przeszkoda charakteryzuje się określoną transmisyjnością, dla promieniowania słonecznego.

Ponadto można wyróżnić dwa podstawowe typy zacienienia:

zacienienie naturalne, wynikające z miejsca lokalizacji, które jest związane z istnieniem drzew, roślin, obiektów budowlanych, ukształtowaniem i rodzajem terenu;
zacienienie sztuczne, wynikające z odpowiedniego zaprojektowania otoczenia,

w przypadku budynku, otoczenie to jest związane z elementami architektury budynku i specjalnymi elementami tworzącymi jego bezpośrednie sąsiedztwo (np. projekt zieleni).

Zjawisko odbicia, będące tematem rozważań i publikacji rzadziej niż zacienienie, wywołane zaplanowanym lub niezaplanowanym sąsiedztwem obiektów, czy przedmiotów o określonej reflektancji (współczynniku odbicia) może w określonych warunkach powodować dodatkowe zyski wynikające ze wzrostu
udziału promieniowania odbitego (od tych przedmiotów) w całkowitym strumieniu energii promieniowania docierającego do rozważanej powierzchni.

Oprócz odbicia od obiektów znajdujących się na powierzchni ziemi ma miejsce odbicie od naturalnego podłoża, w tym od samego gruntu i jego pokrycia, oraz od wód powierzchniowych, o ile takie znajdują się w danym miejscu.

Dowolny obiekt może być zacieniany w sposób naturalny przez inne obiekty znajdujące się w jego sąsiedztwie.

Lokalizacja narzuca pewne warunki otoczenia, w którym budynek będzie funkcjonował. Jednakże szczegółowe usytuowanie danego obiektu powinno być analizowane m.in. ze względu na jego zacienienie i zmiany zacienienia w czasie, w krótkim okresie, tj. w ciągu dnia, oraz w długim przedziale, tj. w poszczególnych miesiącach roku. Jeżeli istnieje taka potrzeba otoczenie obiektu może być odpowiednio modyfikowane w celu zapewnienia większego zacienienia lub zwiększenia dostępności promieniowania słonecznego.

Kształty obiektów zacieniających elementy obudowy budynku mogą być nieregularne, mogą też zmieniać się w dowolnej chwili czasu (np. drzewa poruszające się pod wpływem wiatru). Jednocześnie niektóre z zacieniających obiektów mogą być całkowicie nieprzezroczyste dla promieniowania słonecznego (np. sąsiednie budynki), inne charakteryzują się określoną transmisyjnością (np. roślinność). W literaturze można znaleŹć informacje dotyczące transmisyjności różnych gatunków drzew i roślin, w zależności od ich wielkości, opisanej np. wysokością i rozpiętością korony, a także w zależności od miejsca na drzewie, tj. wzdłuż osi korony i na obrzeżu korony.

Projektując zagospodarowanie przestrzeni wokół budynku można ograniczać w sposób zaplanowany dostępność promieniowania słonecznego sadząc w odpowiedni sposób odpowiednie drzewa. Drzewa iglaste stwarzają takie samo zacienienie przez cały rok. Drzewa liściaste umożliwiają w czasie jesienno - zimowym po opadnięciu liści, zwiększenie dostępu promieniowania słonecznego do obudowy. Projekt zieleni odgrywa istotną rolę przy planowaniu otoczenia budynku. Odmienny projekt tworzy się przy konieczności zapewnienia jak najlepszych warunków nasłonecznienia przez cały czas, inny dążąc do stworzenia całorocznego, lub tylko sezonowego zacienienia.

Zagadnieniami transmisyjności różnych gatunków drzew zajmowali się min. Holzberlein , Montgomery, Motloch. Wyniki ich badań dowodzą, że drzewa pozbawione w zimie liści przepuszczają średnio (dla całego drzewa) 50 -70% padającego na nie promieniowania.

Balcomb stworzył model oceny zacienienia powodowanego przez rząd drzew znajdujący się przed zacienianym obiektem. Burns stwierdził, że w krajach o trudniejszych warunkach klimatycznych, budynki wyposażone w systemy pasywne nie powinny być zasłaniane od strony południowej przez żadne drzewa. Ograniczają one bowiem dostęp promieniowania słonecznego w tak znacznym stopniu (30 -50%), że przy niskich wartościach strumienia promieniowania w czasie zimy funkcjonowanie systemów pasywnych staje się nie efektywne.

Natomiast równoczesne sadzenie drzew od strony wschodniej i zachodniej daje pozytywne skutki stwarzając właściwe zacienienie w lecie, nie ograniczając jednocześnie dostępu promieniowania słonecznego w zimie. Zacienienie dawane przez drzewa zależy nie tylko od gatunku drzew i ich wieku, a w konsekwencji wielkości, ale także od sposobu ich sadzenia (gęstości) i oczywiście miejsca na kuli ziemskiej, te same gatunki w różnych strefach geograficznych inaczej rosną, jednakże wyniki badań tego typu nie są jeszcze dostępne.

Elementy obudowy budynku w sposób zaplanowany lub nie powodują zacienianie przegród zewnętrznych, przede wszystkim okien i innych przezroczystych fragmentów elewacji budynku. Do elementów specjalnie zaprojektowanych jako zacieniające należą okapy i inne występy nad oknami i na ścianach bocznych.

Zacienienie jest także powodowane istnieniem loggii i balkonów. W literaturze można znaleŹć różną metodykę określania zacienienia wywołanego przez elementy obudowy budynku, a także przez wszystkie elementy obudowy i otoczenia.

Do określenia zacienienia mogą być wykorzystywane tzw. diagramy drogi Słońca. Diagramy drogi Słońca opisujące pozycję Słońca na pozornym nieboskłonie zostały po raz pierwszy wprowadzone przez Olgyay i Olgyay. Do rozpowszechnienia stosowania diagramów drogi Słońca przyczynił się Mazria. On też stworzył metodykę ich stosowania przy wyznaczaniu zacienienia promieniowania bezpośredniego dla dowolnej powierzchni zwróconej w stronę południową. Przy tworzeniu diagramu drogi Słońca wykorzystuje się zależności geometrii sferycznej opisujące położenie Słońca na nieboskłonie względem obserwatora. Jednocześnie możliwe jest skojarzenie tych zależności z konkretnymi wartościami natężenia promieniowania słonecznego, a w konsekwencji określenie dostępności promieniowania słonecznego dla rozważanych powierzchni obudowy. Dzięki uwzględnieniu modelu sferycznego trójwymiarowego i poprzez odpowiednie przetransformowanie go w układ płaski możliwe jest bezpośrednie wyznaczanie kształtu i wymiarów zacienienia.

Na rysunku 1.5 jest zamieszczony diagram drogi Słońca sporządzony dla Warszawy.
Na osi rzędnych przedstawiany jest kąt wzniesienia Słońca, natomiast na osi odciętych oznaczony jest kąt azymutalny Słońca. Na wykresie w środku osi odciętych zaznaczony jest kierunek południowy. Na diagramach oznacza się linie krzywe reprezentujące trajektorię Słońca w poszczególnych typowych dniach kolejnych miesięcy. Począwszy od górnej krzywej dla czerwca kolejne krzywe odpowiadają poszczególnym wyszczególnionym miesiącom, ostatnia dolna krzywa grudniowi. Linie przerywane przecinające poszczególne trajektorie Słońca są krzywymi godzinnymi, odnoszącymi się do poszczególnych godzin dnia od wschodu (po lewej stronie diagramu kąt wzniesienia jest równy 0) do zachodu Słońca (po prawej stronie kąt wzniesienia jest równy 0). Południe atmosferyczne odpowiada pionowej linii prostej przechodzącej przez środek wykresu. Droga Słońca po nieboskłonie odpowiada przejściu od lewej do prawej strony wykresu.

Rys.1.5. Diagram drogi słońca dla Warszawy

Dzięki diagramowi pozycji Słońca dla danej lokalizacji (szerokości geograficznej) można odczytać dla wybranego dnia o określonej godzinie wartości kąta wzniesienia Słońca i kąta azymutalnego Słońca, co jest bardzo przydatne przy projektowaniu budynków i instalacji słonecznych. Podstawową zaletą diagramów pozycji Słońca jest możliwość określania zacienienia dla powierzchni, odniesionych do elementu punktowego, wystawionych na działanie promieniowania słonecznego. Zacienienie może być wywołane naturalnym ukształtowaniem terenu (np. pobliskie wzgórza), sąsiednimi budynkami, jak i specjalnie zaprojektowanymi elementami architektury budynku (np. okapami) służącymi do wywołania sztucznego zacienieniu. Sposób korzystania z diagramów Słońca w celu wyznaczania zacienienia danej powierzchni, czyli określenia (ograniczenia) dostępności promieniowania bezpośredniego w związku z istnieniem naturalnego ukształtowania terenu, obiektów naziemnych i elementów architektonicznych ocieniających dany obiekt od góry został przedstawiony w publikacjach.

Promieniowanie słoneczne (bezpośrednie i rozproszone) docierając do powierzchni ziemi ulega odbiciu, jeżeli po drodze napotyka różnego rodzaju przedmioty, w zależności od ich własności refleksyjnych, w mniejszym lub większym stopniu odbija się również od nich. Stosunek promieniowania odbitego od powierzchni ziemi do promieniowania na nią padającego jest określany jako współczynnik odbicia (nazwa albedo powinna być stosowana tylko w odniesieniu do współczynnika odbicia zewnętrznych warstw atmosfery. W literaturze, można znaleŹć, wartości współczynnika odbicia dla promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię ziemi przy różnym rodzaju jej pokrycia. Współczynniki te wahają się od 0,05 do wartości bliskich jedności. W większości analiz z zakresu energetyki słonecznej przyjmuje się średnią wartość współczynnika odbicia na poziomie 0,2 .

Oprócz rodzaju podłoża (jego refleksyjności), od którego odbija się promieniowanie słoneczne, wpływ na wartość strumienia energii promieniowania odbitego ma pochylenie powierzchni, na którą pada promieniowanie słoneczne. W przypadku modelu izotropowego promieniowania zgodnie z równaniem (1.30) współczynnik korekcyjny Ro dla promieniowania odbitego osiąga maksimum dla powierzchni pionowej. Im mniejsze pochylenie powierzchni tym udział promieniowania odbitego w promieniowaniu całkowitym jest mniejszy.

Istnieje możliwość wprowadzenia w otoczenie budynku specjalnych elementów o powierzchniach mających silne własności refleksyjne. Mogą to być np. umieszczone na południowej ścianie budynku pod odpowiednim kątem, w stosunku do powierzchni pochłaniających promieniowanie słoneczne, powierzchnie metalowe - odbłyśniki, o dużym współczynniku odbicia, zwiększające efekt napromieniowania powierzchni pochłaniającej wzrostem udziału składowej odbitej promieniowania.

Komentarze (0) >>

Write comment