Влияние угла падения солнечных лучей на интенсивность излучения в теплицах

Углы падения солнечных: пучей _ и интенсивность излучения

Высота стояния солнца существенно влияет на постунпление солнечной радиации. Когда угол падения солнечных лучей мал, то лучи должны проходить путь сквозь толщу атмосферы. Солнечное излучение частично поглощается, часть лучей отражается от. частиц, взвешенных в воздухе, и достигает земной поверхности в виде рассеянного излучения.

Высота солнца непрерывно изменяется по мере перехода от зимы к лету, как и при смене суток. Наибольшее значение угол падения солнечных лучей достигает в 18 ч 00 мин (солнечное время). Принято говорить, что в этот момент времени солнце находится в зените. В полдень интенсивность излучения также достигает максимального значения. Минимальные значения интенсивности излучения достигаются утром и вечером, когда солнце расположено низко над горизонтом, также зимой. Правда, зимой на.землю падает несколько. больше прямого. солнечного света. Это обусловлено тем, что абсолютная влажность. зимнего воздуха ниже и поэтому он меньше поглощает солнечное излучение!.

‚На: рис. 37 показано; каких. больших значений интенсивность ‘радиации достигает на перпендикулярной поверхности, ориентированной в сторону солнца, несмотря на то что острый угол падения солнечных лучей меняется. Начальная часть этой ‘кривой довольно точно отражает. положение в ясный. мартовский день. Солице восходит в 6 ч 00 мин на востоке и незначительно освещает восточную фасадную стену (только в виде излучения, отраженного атмосферой). С увеличением угла падения солнечных лучей быстро возрастает интенсивность солнечной радиации, падающей на поверхность фасадной стены. Примерно в 8 ч интенсивность солнечной радиации составляет уже около 500 Вт/м?,:а максимального значения, равного примерно 700 Вт/м?, она достигает на южной фасадной стене здания немногим ранее полудня.

Это справедливо лишь при одной |: той же (летом и зимой) высоте соляца над торизонтом.` (Примеч. науч. ред.). -

5* 67 Рис. 36. Путь солнечных лучей при прохождении их сквозь атмосферу земли зимой (1) и летом (2)

Рис. 37. Влияние угла высоты солнца на интенсивность солнечного излучения летом и зимой. Перпендикулярная плоскость ориентирована в сто- 'рону солнца

Рис. 88. Видимая траектория солнца, наблюдаемая с Земли

Рис, 39. Видимые траектории солнца и проекция траектории в дни весеннего и осеннего равноденствия на горизонтальнию плоскость

-7 Рассеянное изпучен #1 | | погоду, 2 200 оО му. ем ду 2 о. пОГОРТ 5 \5) № -77 у

10 20 30405 60 90 3 Угол высоты солнца % на небосводе, град.

всегда два раза в год угол высоты расположения солнца на небосводе оказывается одинаковым при ‘одних и тех же значениях азимутального угла.

На рис. 39 показаны траектории солнца при его видимом движении вокруг земного шара зимой и летом в дни весеннего и осеннего равноденствия. Проектируя эти траектории на горизонтальную плоскость, получают плоскостное изображение, с помощью которого обеспечивается возможность точно описать положение солнца на земном шаре. Такая карта солнечной траектории называется солнечной диаграммой или просто солнечной картой. Поскольку траектория солнца изменяется при перемещении с юга (от экватора) на север, то для каждой широты‘ существует своя характерная солнечная карта.

Отражение солнечного излучения. от поверхности земли

Зимой на вертикальные поверхности, например на фасадные стенки зданий, может отражаться от земной поверхности значительное количество дополнительного солнечного излучения. Из общего количества солнечной энергии, падающей на горизонтальную поверхность земли, до 50—80 %ф в зависимости от чистоты снега отражается от снежного покрова. Неровная поверхность земли, оставшаяся под снежным покровом растительность и т. д. рассеивают большую часть солнечного излучения. Это означает, что только примерно половина излучения, падающего на горизонтальную поверхность, ‘отражается и попадает на поверхность фасадной стены. Можно вычислить, что в результате отражения возрастает вероятность использования солнечного излучения примерно на 25 $. Такой выигрыш имеет существенное значение, особенно в начале. весны, когда угол высоты расположения солнца на небосводе быстро увеличивается и соответственно на поверхность земли будет падать и отражаться от нее большее количество солнечных лучей. и

Снег является естественной теплоизоляцией: 30 см снега соответствует слою минеральной ваты толщиной 5 см. Весной снег. оттаивает сначала с южной стороны, и поэтому возрастает площадь поверхности, через которую солнечный свет проникает в теплину (если оттаивает изморозь на стекле).

Рис. 40. Отраженное коли- = 0,8 чество лучистой энергци, которое можно - получить через перпендикулярно расположенное окно, когда на землю выпал свежий снег (коэффициент г=0,8) ‘ц когда поверхность земли светлая (коэффициент г= —=0,4)

_ Лучиетим энергия, В/м2 8. |

Рис. 41. Конструкция“ тепУгол высоты солнца лицы в Лапландии, разработанная проф. Росси

В середине зимы В начале весны

Бывший директор Научно-исследовательского института метеорологии профессор Росси разработал интересный вариант строительства теплицы в Лапландии. В этом решении оптимально использованы климатические условия Лапландии как в отношении накопления солнечной энергии (на отопление), так и с точки зрения защиты теплицы от ветра и теплопотерь.

Хороший метод определения периода инсоляции теплицы заключается в следующем: необходимо представить, что. вы стоите в этой теплице и смотрите по часовой стрелке с востока на запад и от горизонта вверх. Тем самым выскак будто находитесь в центре небосвода.и теплицы, и впереди открывается вид на южную половину неба.

Начиная с осени и вплоть до весны солнце восходит и заходит по такой полукуполообразной зоне. В любой день указанного периода оно перемещается вдоль поверхности этой зоны, и его видно (в безоблачную погоду) с утра до вечера. В условиях Финляндии солнце никогда не светит прямо сверху вниз, как это наблюдается в южных странах недалеко от экватора (-Е23,5° северной и южной широты). Однако вследствие рассеяния солнечного излучения, например в облачный день, свет приходит в помещение теплицы со всех сторон, даже непосредственно сверху!.

Необходимо, чтобы растения ежедневно в течение как можно более длительного времени подвергались солнечному освещению, поскольку реакция фотосинтеза не происходит, если освещенность будет слишком низкой. Большинству растений требуется минимальная освещенность солнечным светом от 2000 до 3000 лк с тем, чтобы обеспечивались удовлетворительные условия их роста (см. гл. 7).

В середине зимы такие значения освещенности доетигаются на открытом воздухе только в полдень примерно в течение 1 ч, а зачастую из-за толстого слоя облаков даже это исключается. Только в феврале (октябре) достигаются желаемые усредненные уровни ос-

1: Если покрытие светопропускающее, (Примеч. науч. ред.) и Рис. 42: Вид на нужную половину небосвода из теплицы при отсутствии преград. Даже в том случае, когда часть стен и потол-.

ка 203041 преграду, открывается 50% южной половины небосвода

Е ‹ 22 _ й. х. ра / РЕ У ТЕ

Рис. 43. Вид из теплицы на южную половину небосвода 72 | вещенности в течение достаточно длительного времени (примерно с 9 до 15 ч).

Для выращивания растений. освещенность является более важным фактором, чем температура, поэтому путем соответствующего размещения и придания формы такой теплице необходимо гарантировать, чтобы сама теплица и особенно растения получили достаточное количество световой энергии. Солнечные лучи должны проникать сквозь 1—2 слоя стеклянного или полиэтиленового покрытия, поэтому интенсивность солнечного света, попадающего в помещение теплицы, уменьшается примерно на 30 $. В окружающей среде также нередко имеются здания и растения, которые создают тень и тем самым уменьшают полезную освещенность, создаваемую солнечным светом.

Существуют две причины, по которым теплицы не рекомендуется возводить полностью из прозрачных материалов: во-первых, в солнечные дни в такой теплице может накопиться слишком много ‘лучистой энергии, в результате чего температура поднимается там до недопустимого уровня; во-вторых, светопропускающие материалы отличаются плохими теплоизоляционными свойствами, в связи с чем могут возникнуть больщие теплопотери. |

Для получения удовлетворительного конечного результата необходимо оптимизировать ряд факторов, например ориентацию теплицы, размер застекленной площади оболочки теплицы, ее форму и теплоаккумулирующую способность, а также свести к минимуму затененность теплицы окружающей средой в.холодное время года. о о

Этот процесс весьма сложен и требует ‘помощи ЭВМ.-На основе проведения автоматической обработки информации «а» и учета практического опыта можно сформулировать «правило болыпого пальца» (т. е. лучшее решение), согласно которому площадь светопропускающего покрытия теплицы: делжна быть такой, чтобы открывалась половина небосвода....

‚ Если теплица используется в основном как бытовое помещение, то площадь светопропускающего‘ покрытия можно несколько уменьшить. В. этом случае важно достигнуть благоприятной температуры, т. е. уменьшения теплопотерь, так как теплицу стремятся использовать осенью и весной вечерами, когда солнце уже за горизонтом. В этом случае небольшие участки] для выращивания растений можно организовать в хо-

Размещение и ориентация теплицы

Наиболее светопропускающую стенку теплицы луч-. ше всего ориентировать прямо на юг, так. как наи- | большая высота солнца всегда будет с южной стороны, и интенсивность солнечного излучения здесь мак-. симальна. На вертикальную поверхность падает боль- } ше солнечного излучения, когда высота солнца равна

Небольшие отклонения от южного направления `не д оказывают существенного’ влияния на получение солнечной энергни. Только при превышении этого откло- #

‚ нения более чем на 45° от южного направления количество лучистой экергии солнца, ‚поступающей в теп-. лицу, ошутимо снижается, особенно ‘в период’ отопи1 тельного сезона, когда высота солнца меньше 10°, т.е. когда оно светит в направлениях восток — юго-восток 1

Если нельзя расположить теплицу в южном направлении, то выгодно ориентировать ее в восточном * направлении, так как по утрам чаще всего стоит яс-:

ная погода (облака образуются чаще всего днем).

Значение ориентации тепляцы возрастает в тех случаях, когда она имеет только одну застекленную стенку. В случаях же, когда боковые стенки также застек1 лены, отклонение ориентации теплицы от южного на-:

Следует отметить, что не всегда возможна опти1 мальная ориентация теплицы на’юг. В новых жилых | районах Нередко теснота участка или предписания; властей по планировке становятся непреодолимыми препятствиями, а на’ участках сплошной застройки соседние здания могут затенять теплицу. Получение. допроблемой, когда теплицу пристраивают к существующему зданию. В таком случае приходится тщательно 1 выбирать выгодную ориентацию теплицы по сторонам горизонта, оценивать возможность конструктивной стыковки ее с домом с учетом архитектурных и функциональных особенностей, а также. возможность зате-

Рис. 44. Различные решения, конструкции теплицы при ее ориентации в южном направлении ^ |

Рис. 45. Жилые здания защищают теплицу от воздействия ветра нения объектами окружающей среды. При этом необходимо стремиться к достижению компромисса, предусматривая, например, возведение теплицы в. виде пристройки к торцовой стене или по обе стороны южного угла существующего дома.

Помимо ‘решения проблемы освещенности при размещении теплицы необходимо всегда уделять внимание также защищенности ее от ветра. В качестве защиты от ветра ‘могут служить естественные и искусственные возвышения окружающей местности, существующая и спёциально высаженная растительность, а также ог. рады, стены и вспомогательные строения. Непосредетвенно само жилое здание, как правило, эффективно защищает теплицу от сёверных ветров. В результате частичного заглубления теплицы внутрь южной фасадной стены или в угол дома в какой-то мере ‘обеспечива: ется ев защита и в боковом направлении. |

Рис. 46. Влияние ориентации по сторонам горизонта на количество солнечного излучения, проникающего в теплицу: с одинарным (Г), двойным (2) 1 и тройным (3) остеклением Е

Ф 20 40 60 80 Угол падения лучей, град,

Количество солнечной энергии, поступающей в теплицу

_ 4.51. Угол падения света. Количество солнечной? лучистой энергии, поступающей в теплицу, зависит не только от направления солнечных лучей и площади? светопропускающей поверхности, но и от угла накло1 на прозрачных для солнечного света стекол теплицы 3 относительно падающих лучей. Существенное значение имеет также степень чистоты стекол: загрязненные стекла снижают интенсивность проникающего через. них излучения до 30 %. Максимальное количество солнечной лучистой энергии проходит через оконное сте-1 кло теплицы в том случае, когда оно расположено пер3 пендикулярно солнечным лучам. Кроме того, любое 3 стекло снижает интенсивность солнечного излучения 1 примерно на 10 $. Из анализа данных рис. 46 следует, { что угол падения солнечных лучей является не очень существенным фактором. Только при отклонении угла 3 падения лучей от оптимального направления прохожде- ‚ния света через. стекло (0°) болыше, чем на 50° начина1 ет ощутимо снижаться количество солнечной лучис- | той энергии, попадающей в теплицу. Необходимо так1 же принять во внимание влияние отклонения угла па3 дения этих лучей в вертикальной и горизонтальной * плоскостях. о | 2 `Ориентацию светопроемов. теплицы необходимо } проверить прежде всего применительно к осеннему или 1 весеннему периоду, когда углы падения солнечных лу-.1 чей довольно малы; Лучше всего проводить замеры в 1 конце февраля, например 21 февраля, когда высота солнца составляет 11° (в 9ч утра) и 19° (в 12 ч дня). Практически это означает, что все углы падения солнечных лучей в пределах от 90 до 60° приемлемы для условий Финляндии.

Количество солнечной энергии, попадающее в теплицу. В определенные дни поступающее через стекла теплицы количество солнечной энергии можно вычислить с помощью зависимостей «а» по известным программам, или с помощью солнечной карты, или карты солнечного излучения.

Таблица 4,1, Поступление солнечной энергии в теплицу

Количество солнечной энерг ни, Вт. ч/м?, в ясную погоду | в пасму рную погоду

9.00—10.00 450 75 14.00—15.00 450 25 10.00—11.00 570 38 13.00—14.00 570 38 11.00—12.00 650 45 12.00—13.00 650 48. В сего 3340 216

В табл. 4.1. представлены данные о количестве солнечной энергии, которое поступает в Хельсинки с 9 до 15 ч 21 февраля через прямые вертикальные окна с двумя стеклами.

Факторы затененности. Обычно в непосредственной близости от теплицы имеются. строения, одиночные деревья или лес, которые создают тень. Затенение может быть как кратковременным, когда солнце находится за ‘деревом или строением лишь некоторое время, так и длительным, когда тень создается большим зданием или лесом. Весьма важно, в какое время года или суток теплица остается в тени. Соседние здания или лес представляют собой непреодолимые препятствия для света, поскольку на них нельзя оказать никакого влияния. Остается только одна возмож-

Жилой дом степлицей 0 НИ (| м ТИ туч о ЕН 1 жилого дома НЕННН _ с Эдо 15ч риа и |

: = \. ы А С = \ || у ых „^^ й « у х илой А. ч | А,. ЩО а - 7 Берез& ь = Солнечная д карта для „ее Жилой дом А \ Береза — 609 с.ш.

Рис. 47. Определение затенения от объектов окружающей среды ё помощью схены зон затенения в 9—15 ч 21 февраля ность — отыскать для теплицы более выгодное место. Таким образом, вопросы размещения и конструктивного решения теплицы должны быть увязаны. между собой, иначе растения не смогут получить достаточное ‘количество солнечного света. Размещение: теплицы: в менее выгодном в отношении освещенности месте ободля разведения растений. |,

Если имеющиеся на индивидуальном садовом участке деревья затеняют теплицу, то может оказаться целесообразным их прореживание. Прежде всего это относится к елям, которые создают большую затененность в`Любое время года. Вершины сосен могут сравнительно удовлетворительно пропускать солнечный свет. Лиственные породы создают почти сплошную снованно в тех случаях, когда она не предназначена:1

Рис, 48. Определение ватененности теплицы деревом или зданием с помощью солнечной карты -..

тень летом и осенью, однако затененность от них зимой и весной незначительна.. с... о

Определение затененности. С.21 февраля и ло 21’ октября в теплицу. поступает максимум солнечного излучения. В летнее время лучше создать некоторую затененность (например, от лиственных деревьев), поскольку это снижает перегрев воздуха в. теце лице. а ВК

Способ 1. Перед помещением теплицы расчерчивают зоны затенения, создаваемые окружающей средой 21 февраля в промежутке между 9 и 15 ч, и проверяют; как они влияют. на теплицу. При этом. необходимое Рис. 49. Определение затененности с помощью уменьшенной модели и лампы и модели проф. Гуннара Плейеля пользоваться солнечной картой!. С ее помощью уточняют координаты солнца в различное время суток, а также рассматривают почасовые тени, создаваемые строениями и деревьями. В результате получают индивидуальные зоны затененности, создаваемые каждым объектом, на основании которых можно - определить, какая из них будет реально затенять теплицу и сколько времени будет длиться это затенение. Способ 2. Используется так называемая теневая модель вместе с солнечной картой. Вначале определяют углы затененности, проводя прямые линии из теплицы до наружных очертаний деревьев и зданий в

' Проще это сделать с помощью инсогра ика, приме в СССР. (Примеч. науч. ред.) сограф Рименясмого * Или «инсолятор». (Примем, науч. ред.) вертикальном и горизонтальном направлениях, в результате чего получают вертикальные и горизонтальные углы зон затенения. о

Совмещая теневую модель с солнечной картой и нанося в теневую модель упомянутые выше прямые линии «теплица — помехи» на горизонтальной плоскости с учетом соответствующих вертикальных углов (на теневой модели) затененности, создаваемой этими помехами, можно уяснить, когда помещение теплицы будет находиться в тени. По этой модели можно определить, какие месяцы, дни и часы помещение теплицы будет находиться в тени известной преграды, например дерева или здания.

Способ 3. Сначала выполняют грубую оценку затененности, создаваемой окружающей средой непосредственно на самом участке с домом, и с учетом этого проектируют помещение теплицы. Если теплицу устраивают в уже существующем здании, то следят за изменением координат солнца и за тем, какие деревья и здания затеняют помещение теплицы в ‘различные времена года. Не следует вырубать деревья, за исключением елей, создающих чрезмерно густую тень. При небольшой затененности целесообразно построить теплицу и в реальных условиях испытать влияние этой затененности. Может оказаться, что в летнее время такая затененность будет полезной. |

Способ 4. В жилых районах с высокой плотностью застройки определение затененности от объектов окружающей среды и зданий с помощью солнечных карт и теневых моделей представляет собой весьма сложный и трудоемкий пронесс. Для более эффективного и быстрого анализа затененности можно использовать уменьшенную модель здания и лампу, имитирующую солнце, либо непосредственно солнечный свет, а также прибор, разработанный шведским исследователем архитектором Гуннаром Плейелем. Торчащая в центре прибора игла отбрасывает тень на разлинованную шкалу, по которой можно получить значение высоты и азимута солнца. Высота солнца указывает на время года в рассматриваемый период. Меняя угол наклона модели относительно лампы, имитирующей солнце, можно определить затененность в разные времена года и в различное время суток. Экспериментальные результаты, характеризующие затененность в различ-

6— 293 81 ных случаях, можно зафиксировать на соответствую“ щих листах бумаги и тем самым найти оптимальны места`для возведения зданий и теплиц!, |

‚ Выбор формы. ие вн ря о мы теплицы определяют следующие осориентация | воно от ц теплицы относительно ‚сторон гори- ‚ `затененность, создаваемая окружающей средой; ‚ основное эксплуатационное назначение теплицы; ‚”возможность соединения теплицы с жилым здани- ‚ем таким образом, чтобы образовалось единое гармоничное архитектурное целое. пи ‚Наиболее характерным ‘для использования ‘тенлицы является период с марта до сентября, когда солнце светит наиболее жарко, начиная с высоты около 30° (с 21 марта по 23 сентября)... _ о ‚ Как было сказано выше, из теплицы должна быть видна примерно половина южного небосвода либо солнечный свет, падающий в теплипу под углом 45°, должен доходить до нижнего-края ее задней стенки. Торцовые стены должны быть полностью ‘или частично прозрачными, если теплица ориентирована на юг. или отклонение от этого направления незначительно. При соблюдении указанных условий обеспечивается наидумая. и наиболее равномерная освещенность тей. Полезную площадь пола теплицы можно увеличить сделав южную застекленную стенку наклонной, в-реЗульт те чего образуется хорошо освещенный участок В тех случаях, когда ‚окружающие. дом постройки и деревья создают сильную затененность или дом имеет преимущественную ориентацию. на’ север, одну из торцовых стен можно сделать наглухо закрытой поскольку солнечный свет все. равно поступает в теплипу в ничтожной. степени. Для обеспечения достаточного солнечного освещения. целесообразно: сделать про-

. ' Еще проще это вы | А: в НИИСФ. (Примак номов инсоляторах сястемы МАрхИ зрачной всю крышу или ее часть, а также оборудовать заднюю стенку светоотражающей поверхностью или закрасить ее белой краской. Такие же меры можно принять в тех случаях, когда теплицу стремятся сделать заглубленной в жилой дом, чтобы увеличить ее площадь продолговатой формы, а также при необходимости обеспечить попадание солнечного света в жилые комнаты через теплицу.. Крыша. последней должна быть частично или полностью прозрачной:

Наиболее выгодными в отношении освещенности являются части теплицы, расположенные непоередственно у южных окон, поэтому. целесообразноустра-; ‘ивать длинные, но не слишком глубокие теплицы. Глу-- бина зависит и от высоты — чем больше высота тёплицы, тем на большую глубину проникает солнечный свет. Рекомендуется выбирать глубину теплицы в пре- ‘делах 2—5 м.. о |

Как рассчитать площадь остекления для пристенной теплицы

При проектировании теплиц любые готовые чертежи и схемы служат лишь ориентиром для агронома. Однако для нормального развития растений важно соблюдать базовые параметры светопропускания конструкции. Приемлемым вариантом считается световой проем, размер которого равен 50 % от всей площади ограждения теплицы.

Такой расчет позволяет использовать сооружение и как производственную площадь, и как застекленную веранду. Это планировочное решение особенно актуально для конструкций, примыкающих к зданиям. При соблюдении этой пропорции солнечный свет продолжает полностью или частично проникать в жилые комнаты, расположенные позади теплицы.