Вплив кута падіння сонячних променів на інтенсивність випромінювання в теплицях

Кути падіння сонячних променів та інтенсивність випромінювання

Висота стояння сонця суттєво впливає на надходження сонячної радіації. Коли кут падіння сонячних променів малий, промені мають долати довший шлях крізь товщу атмосфери. Сонячне випромінювання частково поглинається, частина променів відбивається від частинок, зважених у повітрі, і досягає земної поверхні у вигляді розсіяного випромінювання.

Висота сонця безперервно змінюється в міру переходу від зими до літа, як і при зміні доби. Найбільшого значення кут падіння сонячних променів досягає о 18 год 00 хв (сонячний час). Прийнято говорити, що в цей момент часу сонце перебуває в зеніті. Опівдні інтенсивність випромінювання також досягає максимального значення. Мінімальні значення інтенсивності випромінювання досягаються вранці та ввечері, коли сонце розташоване низько над горизонтом, а також узимку. Щоправда, взимку на землю падає дещо більше прямого сонячного світла. Це зумовлено тим, що абсолютна вологість зимового повітря нижча, і тому воно менше поглинає сонячне випромінювання.

На рис. 37 показано, яких великих значень інтенсивність радіації досягає на перпендикулярній поверхні, орієнтованій у бік сонця, попри те, що гострий кут падіння сонячних променів змінюється. Початкова частина цієї кривої досить точно відображає стан у ясний березневий день. Сонце сходить о 6 год 00 хв на сході й незначно освітлює східну фасадну стіну (тільки у вигляді випромінювання, відбитого атмосферою). Зі збільшенням кута падіння сонячних променів швидко зростає інтенсивність сонячної радіації, що падає на поверхню фасадної стіни. Приблизно о 8 год інтенсивність сонячної радіації становить уже близько 500 Вт/м², а максимального значення, що дорівнює приблизно 700 Вт/м², вона досягає на південній фасадній стіні будівлі трохи раніше полудня.

Це справедливо лише при одній і тій самій (влітку та взимку) висоті сонця над горизонтом. (Прим. наук. ред.).

Рис. 36. Шлях сонячних променів при проходженні їх крізь атмосферу землі взимку (1) і влітку (2)

Рис. 37. Вплив кута висоти сонця на інтенсивність сонячного випромінювання влітку та взимку. Перпендикулярна площина орієнтована в сторону сонця

Рис. 38. Видима траєкторія сонця, що спостерігається з Землі

Рис. 39. Видимі траєкторії сонця та проекція траєкторії в дні весняного й осіннього рівнодення на горизонтальну площину

Розсіяне випромінювання

Кут висоти сонця на небосхилі, град.

Завжди двічі на рік кут висоти розташування сонця на небосхилі виявляється однаковим при одних і тих самих значеннях азимутального кута.

На рис. 39 показані траєкторії сонця при його видимому русі навколо земної кулі взимку та влітку в дні весняного й осіннього рівнодення. Проєктуючи ці траєкторії на горизонтальну площину, отримують площинне зображення, за допомогою якого забезпечується можливість точно описати положення сонця на земній кулі. Така карта сонячної траєкторії називається сонячною діаграмою або просто сонячною картою. Оскільки траєкторія сонця змінюється при переміщенні з півдня (від екватора) на північ, то для кожної широти існує своя характерна сонячна карта.

Відбиття сонячного випромінювання від поверхні землі

Узимку на вертикальні поверхні, наприклад на фасадні стінки будівель, може відбиватися від земної поверхні значна кількість додаткового сонячного випромінювання. Із загальної кількості сонячної енергії, що падає на горизонтальну поверхню землі, до 50—80 % залежно від чистоти снігу відбивається від снігового покриву. Нерівна поверхня землі, рослинність, що залишилася під сніговим покривом, тощо розсіюють більшу частину сонячного випромінювання. Це означає, що тільки приблизно половина випромінювання, що падає на горизонтальну поверхню, відбивається і потрапляє на поверхню фасадної стіни. Можна обчислити, що в результаті відбиття зростає ймовірність використання сонячного випромінювання приблизно на 25 %. Такий виграш має суттєве значення, особливо на початку весни, коли кут висоти розташування сонця на небосхилі швидко збільшується і відповідно на поверхню землі падатиме та відбиватиметься від неї більша кількість сонячних променів.

Сніг є природною теплоізоляцією: 30 см снігу відповідає шару мінеральної вати завтовшки 5 см. Навесні сніг відтає спочатку з південного боку, і тому зростає площа поверхні, через яку сонячне світло проникає в теплицю (якщо відтає іній на склі).

Рис. 40. Відбита кількість променистої енергії, яку можна отримати через перпендикулярно розташоване вікно, коли на землю випав свіжий сніг (коефіцієнт r=0,8) і коли поверхня землі світла (коефіцієнт r=0,4)

_ Променева енергія, В/м2 8. |

Рис. 41. Конструкція теплиці в Лапландії, розроблена проф. Россі. Кут висоти сонця

У середині зими На початку весни

Колишній директор Науково-дослідного інституту метеорології професор Россі розробив цікавий варіант будівництва теплиці в Лапландії. У цьому рішенні оптимально використані кліматичні умови Лапландії як щодо накопичення сонячної енергії (на опалення), так і з погляду захисту теплиці від вітру та тепловтрат.

Хороший метод визначення періоду інсоляції теплиці полягає в наступному: необхідно уявити, що ви стоїте в цій теплиці і дивитеся за годинниковою стрілкою зі сходу на захід і від горизонту вгору. Тим самим ви ніби перебуваєте в центрі небосхилу та теплиці, і попереду відкривається вид на південну половину неба.

Починаючи з осені і аж до весни сонце сходить і заходить по такій напівкуполоподібній зоні. У будь-який день зазначеного періоду воно переміщується вздовж поверхні цієї зони, і його видно (у безхмарну погоду) з ранку до вечора. В умовах Фінляндії сонце ніколи не світить прямо зверху вниз, як це спостерігається в південних країнах недалеко від екватора (-Е23,5° північної та південної широти). Однак внаслідок розсіювання сонячного випромінювання, наприклад у хмарний день, світло приходить у приміщення теплиці з усіх боків, навіть безпосередньо зверху!.

Необхідно, щоб рослини щодня протягом якомога довшого часу піддавалися сонячному освітленню, оскільки реакція фотосинтезу не відбувається, якщо освітленість буде занадто низькою. Більшості рослин потрібна мінімальна освітленість сонячним світлом від 2000 до 3000 лк для того, щоб забезпечувалися задовільні умови їхнього росту (див. гл. 7).

У середині зими такі значення освітленості досягаються на відкритому повітрі тільки опівдні приблизно протягом 1 год, а часто через товстий шар хмар навіть це виключається. Тільки в лютому (жовтні) досягаються бажані усереднені рівні ос-

1: Якщо покриття світлопроникне, (Приміт. наук. ред.) і Рис. 42: Вид на південну половину небосхилу з теплиці за відсутності перешкод. Навіть у тому випадку, коли частина стін і стелі 203041 перешкоджає, відкривається 50% південної половини небосхилу

Е ‹ 22 _ й. х. ра / РЕ У ТЕ

Рис. 43. Вид з теплиці на південну половину небосхилу 72 | вітленості протягом достатньо тривалого часу (приблизно з 9 до 15 год).

Для вирощування рослин освітленість є важливішим фактором, ніж температура, тому шляхом відповідного розміщення та надання форми такій теплиці необхідно гарантувати, щоб сама теплиця і особливо рослини отримали достатню кількість світлової енергії. Сонячні промені повинні проникати крізь 1—2 шари скляного або поліетиленового покриття, тому інтенсивність сонячного світла, що потрапляє в приміщення теплиці, зменшується приблизно на 30 $. У навколишньому середовищі також нерідко є будівлі та рослини, які створюють тінь і тим самим зменшують корисну освітленість, створювану сонячним світлом.

Існують дві причини, з яких теплиці не рекомендується зводити повністю з прозорих матеріалів: по-перше, у сонячні дні в такій теплиці може накопичитися занадто багато променевої енергії, внаслідок чого температура піднімається там до неприпустимого рівня; по-друге, світлопроникні матеріали відрізняються поганими теплоізоляційними властивостями, у зв'язку з чим можуть виникнути великі тепловтрати. |

Для отримання задовільного кінцевого результату необхідно оптимізувати ряд факторів, наприклад орієнтацію теплиці, розмір заскленої площі оболонки теплиці, її форму та теплоакумулювальну здатність, а також звести до мінімуму затіненість теплиці навколишнім середовищем у холодну пору року.

Цей процес досить складний і потребує допомоги ЕОМ. На основі проведення автоматичної обробки інформації «а» і врахування практичного досвіду можна сформулювати «правило великого пальця» (тобто найкраще рішення), згідно з яким площа світлопроникного покриття теплиці повинна бути такою, щоб відкривалася половина небосхилу....

Якщо теплиця використовується в основному як побутове приміщення, то площу світлопроникного покриття можна дещо зменшити. У цьому випадку важливо досягти сприятливої температури, тобто зменшення тепловтрат, оскільки теплицю прагнуть використовувати восени та навесні вечорами, коли сонце вже за горизонтом. У цьому випадку невеликі ділянки для вирощування рослин можна організувати в хо-

Розміщення та орієнтація теплиці

Найбільш світлопроникну стінку теплиці найкраще орієнтувати прямо на південь, оскільки найбільша висота сонця завжди буде з південного боку, і інтенсивність сонячного випромінювання тут максимальна. На вертикальну поверхню падає більше сонячного випромінювання, коли висота сонця дорівнює

Невеликі відхилення від південного напрямку не чинять істотного впливу на отримання сонячної енергії. Тільки при перевищенні цього відхилення більше ніж на 45° від південного напрямку кількість променистої енергії сонця, що надходить у теплицю, відчутно знижується, особливо в період опалювального сезону, коли висота сонця менша за 10°, тобто коли воно світить у напрямках схід — південний схід.

Якщо не можна розташувати теплицю в південному напрямку, то вигідно орієнтувати її у східному напрямку, оскільки вранці найчастіше стоїть ясна погода (хмари утворюються переважно вдень).

Значення орієнтації теплиці зростає в тих випадках, коли вона має тільки одну засклену стінку. У випадках же, коли бічні стінки також засклені, відхилення орієнтації теплиці від південного на-:

Слід зазначити, що не завжди можлива оптимальна орієнтація теплиці на південь. У нових житлових районах нерідко тіснота ділянки або приписи влади щодо планування стають нездоланними перешкодами, а на ділянках щільної забудови сусідні будівлі можуть затінювати теплицю. Отримання додаткової енергії стає проблемою, коли теплицю прибудовують до існуючої будівлі. У такому разі доводиться ретельно вибирати вигідну орієнтацію теплиці за сторонами горизонту, оцінювати можливість конструктивного стикування її з будинком з урахуванням архітектурних і функціональних особливостей, а також можливість затінення об'єктами навколишнього середовища. При цьому необхідно прагнути до досягнення компромісу, передбачаючи, наприклад, зведення теплиці у вигляді прибудови до торцевої стіни або по обидва боки південного кута існуючого будинку.

Рис. 44. Різні рішення, конструкції теплиці при її орієнтації в південному напрямку

Рис. 45. Житлові будівлі захищають теплицю від впливу вітру

Крім вирішення проблеми освітленості при розміщенні теплиці необхідно завжди приділяти увагу також захищеності її від вітру. Як захист від вітру можуть слугувати природні та штучні підвищення навколишньої місцевості, існуюча та спеціально висаджена рослинність, а також огорожі, стіни та допоміжні будівлі. Безпосередньо сама житлова будівля, як правило, ефективно захищає теплицю від північних вітрів. У результаті часткового заглиблення теплиці всередину південної фасадної стіни або в кут будинку певною мірою забезпечується її захист і в бічному напрямку.

Рис. 46. Вплив орієнтації за сторонами горизонту на кількість сонячного випромінювання, що проникає в теплицю: з одинарним (1), подвійним (2) і потрійним (3) заскленням

Ф 20 40 60 80 Кут падіння променів, град.

Кількість сонячної енергії, що надходить у теплицю

4.51. Кут падіння світла. Кількість сонячної променистої енергії, що надходить у теплицю, залежить не тільки від напрямку сонячних променів і площі світлопрозорої поверхні, а й від кута нахилу прозорого для сонячного світла скла теплиці щодо падаючих променів. Істотне значення має також ступінь чистоти скла: забруднене скло знижує інтенсивність випромінювання, що проникає крізь нього, до 30 %. Максимальна кількість сонячної променистої енергії проходить крізь шибку теплиці в тому разі, коли вона розташована перпендикулярно до сонячних променів. Крім того, будь-яке скло знижує інтенсивність сонячного випромінювання приблизно на 10 %. З аналізу даних рис. 46 випливає, що кут падіння сонячних променів є не дуже істотним фактором. Тільки при відхиленні кута падіння променів від оптимального напрямку проходження світла крізь скло (0°) більше ніж на 50° починає відчутно знижуватися кількість сонячної променистої енергії, що потрапляє в теплицю. Необхідно також взяти до уваги вплив відхилення кута падіння цих променів у вертикальній і горизонтальній площинах.

Орієнтацію світлопрорізів теплиці необхідно перевірити насамперед стосовно осіннього або весняного періоду, коли кути падіння сонячних променів досить малі. Найкраще проводити заміри наприкінці лютого, наприклад 21 лютого, коли висота сонця становить 11° (о 9 год ранку) і 19° (о 12 год дня). Практично це означає, що всі кути падіння сонячних променів у межах від 90 до 60° є прийнятними для умов Фінляндії.

Кількість сонячної енергії, що потрапляє в теплицю. У певні дні кількість сонячної енергії, що надходить крізь скло теплиці, можна обчислити за допомогою залежностей «а» за відомими програмами, або за допомогою сонячної карти, чи карти сонячного випромінювання.

Таблиця 4.1. Надходження сонячної енергії в теплицю

Кількість сонячної енергії, Вт·год/м², у ясну погоду | у похмуру 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. Всього 3340 216

У табл. 4.1. представлені дані про кількість сонячної енергії, яка надходить до Гельсінкі з 9 до 15 год 21 лютого через прямі вертикальні вікна з двома шибами.

Фактори затіненості. Зазвичай у безпосередній близькості від теплиці є споруди, поодинокі дерева або ліс, які створюють тінь. Затінення може бути як короткочасним, коли сонце знаходиться за деревом або спорудою лише деякий час, так і тривалим, коли тінь створюється великою будівлею або лісом. Вельми важливо, в який час року або доби теплиця залишається в тіні. Сусідні будівлі або ліс являють собою непереборні перешкоди для світла, оскільки на них не можна здійснити ніякого впливу. Залишається тільки одна можливіс-

Жилий будинок степлицею 0 НИ (| м ТИ хмар о ЕН 1 жилого будинку НЕННН _ з Едо 15год ріа і |

: = \. и А З = \ || у их „^^ й « у х житловий А. ч | А,. ЩО а - 7 Береза& ь = Сонячна д карта для „її Житловий будинок А \ Береза — 609 пн.ш.

Рис. 47. Визначення затінення від об'єктів навколишнього середовища за допомогою схеми зон затінення в 9—15 год 21 лютого ть — відшукати для теплиці більш вигідне місце. Таким чином, питання розміщення і конструктивного вирішення теплиці повинні бути ув'язані між собою, інакше рослини не зможуть отримати достатню кількість сонячного світла. Розміщення теплиці в менш вигідному щодо освітленості місці обґрунтовано в тих випадках, коли вона не призначена для розведення рослин. |,

Якщо наявні на індивідуальній садовій ділянці дерева затінюють теплицю, то може виявитися доцільним їхнє проріджування. Перш за все це стосується ялин, які створюють велику затіненість у будь-який час року. Вершини сосен можуть порівняно задовільно пропускати сонячне світло. Листяні породи створюють майже суцільну

Рис, 48. Визначення затіненості теплиці деревом або будівлею за допомогою сонячної карти -..

тінь влітку і восени, проте затіненість від них взимку і навесні незначна.. с... о

Визначення затіненості. З 21 лютого до 21 жовтня в теплицю надходить максимум сонячного випромінювання. У літній час краще створити деяку затіненість (наприклад, від листяних дерев), оскільки це знижує перегрів повітря в теплиці. а ВК

Спосіб 1. Перед розміщенням теплиці розкреслюють зони затінення, створювані навколишнім середовищем 21 лютого в проміжку між 9 і 15 год, і перевіряють, як вони впливають на теплицю. При цьому необхідно Рис. 49. Визначення затіненості за допомогою зменшеної моделі та лампи і моделі проф. Гуннара Плейеля користуватися сонячною картою!. З її допомогою уточнюють координати сонця в різний час доби, а також розглядають погодинні тіні, створювані спорудами і деревами. У результаті отримують індивідуальні зони затіненості, створювані кожним об'єктом, на підставі яких можна визначити, яка з них буде реально затінювати теплицю і скільки часу буде тривати це затінення. Спосіб 2. Використовується так звана тіньова модель разом із сонячною картою. Спочатку визначають кути затіненості, проводячи прямі лінії від теплиці до зовнішніх обрисів дерев і будівель у

' Простіше це зробити за допомогою інсографа, що застосовується в СРСР. (Прим. наук. ред.) сограф, що застосовується * Або «інсолятор». (Прим. наук. ред.) вертикальному і горизонтальному напрямках, у результаті чого отримують вертикальні і горизонтальні кути зон затінення. о

Поєднуючи тіньову модель із сонячною картою і наносячи в тіньову модель згадані вище прямі лінії «теплиця — перешкоди» на горизонтальній площині з урахуванням відповідних вертикальних кутів (на тіньовій моделі) затіненості, створюваної цими перешкодами, можна з'ясувати, коли приміщення теплиці буде знаходитися в тіні. За цією моделлю можна визначити, в які місяці, дні і години приміщення теплиці буде знаходитися в тіні відомої перешкоди, наприклад дерева або будівлі.

Спосіб 3. Спочатку виконують грубу оцінку затіненості, створюваної навколишнім середовищем безпосередньо на самій ділянці з будинком, і з урахуванням цього проектують приміщення теплиці. Якщо теплицю влаштовують у вже існуючій будівлі, то стежать за зміною координат сонця і за тим, які дерева та будівлі затінюють приміщення теплиці в різні пори року. Не слід вирубувати дерева, за винятком ялин, що створюють надмірно густу тінь. При невеликій затіненості доцільно побудувати теплицю і в реальних умовах випробувати вплив цієї затіненості. Може виявитися, що в літній час така затіненість буде корисною. |

Спосіб 4. У житлових районах з високою щільністю забудови визначення затінення від об'єктів навколишнього середовища та будівель за допомогою сонячних карт і тіньових моделей являє собою вельми складний і трудомісткий процес. Для більш ефективного та швидкого аналізу затінення можна використовувати зменшену модель будівлі та лампу, що імітує сонце, або безпосередньо сонячне світло, а також прилад, розроблений шведським дослідником архітектором Гуннаром Плейелем. Голка, що стирчить у центрі приладу, відкидає тінь на розліновану шкалу, за якою можна отримати значення висоти та азимуту сонця. Висота сонця вказує на пору року в досліджуваний період. Змінюючи кут нахилу моделі відносно лампи, що імітує сонце, можна визначити затінення в різні пори року та в різний час доби. Експериментальні результати, що характеризують затінення в різ-

6— 293 81 них випадках, можна зафіксувати на відповідних аркушах паперу і тим самим знайти оптимальні місця для зведення будівель та теплиць!, |

‚ Вибір форми. іе вн ря о ми теплиці визначають такі особливості: орієнтація теплиці відносно сторін горизонту; ‚ затінення, що створюється навколишнім середовищем; ‚ основне експлуатаційне призначення теплиці; ‚”можливість з’єднання теплиці з житловим будинком таким чином, щоб утворилося єдине гармонійне архітектурне ціле. пи ‚Найбільш характерним ‘для використання ‘теплиці є період з березня до вересня, коли сонце світить найгарячіше, починаючи з висоти близько 30° (з 21 березня по 23 вересня)... _ о ‚ Як було сказано вище, з теплиці повинна бути видна приблизно половина південного небосхилу або сонячне світло, що падає в теплицю під кутом 45°, повинно доходити до нижнього краю її задньої стінки. Торцеві стіни повинні бути повністю або частково прозорими, якщо теплиця орієнтована на південь або відхилення від цього напрямку незначне. При дотриманні вказаних умов забезпечується найвигідніша і найбільш рівномірна освітленість теплиць. Корисну площу підлоги теплиці можна збільшити, зробивши південну засклену стінку похилою, в результаті чого утворюється добре освітлена ділянка. У тих випадках, коли навколишні будинок споруди та дерева створюють сильне затінення або будинок має переважну орієнтацію на північ, одну з торцевих стін можна зробити наглухо закритою, оскільки сонячне світло все одно потрапляє в теплицю в нікчемній мірі. Для забезпечення достатнього сонячного освітлення доцільно: зробити про-

. ' Ще простіше це ви | А: в НДІБФ. (Примак номов інсоляторах системи МАРХІ зрачною весь дах або його частину, а також обладнати задню стінку світловідбивною поверхнею або зафарбувати її білою фарбою. Такі ж заходи можна вжити в тих випадках, коли теплицю прагнуть зробити заглибленою в житловий будинок, щоб збільшити її площу видовженої форми, а також при необхідності забезпечити потрапляння сонячного світла в житлові кімнати через теплицю. Дах останньої повинен бути частково або повністю прозорим:

Найбільш вигідними щодо освітленості є частини теплиці, розташовані безпосередньо біля південних вікон, тому доцільно влаштовувати довгі, але не надто глибокі теплиці. Глибина залежить і від висоти — чим більша висота теплиці, тим на більшу глибину проникає сонячне світло. Рекомендується вибирати глибину теплиці в межах 2—5 м.. о |

Як розрахувати площу скління для пристінної теплиці

При проектуванні теплиць будь-які готові креслення та схеми служать лише орієнтиром для агронома. Однак для нормального розвитку рослин важливо дотримуватися базових параметрів світлопропускання конструкції. Прийнятним варіантом вважається світловий отвір, розмір якого дорівнює 50 % від усієї площі огородження теплиці.

Такий розрахунок дозволяє використовувати споруду і як виробничу площу, і як засклену веранду. Це планувальне рішення особливо актуальне для конструкцій, що примикають до будівель. При дотриманні цієї пропорції сонячне світло продовжує повністю або частково проникати в житлові кімнати, розташовані позаду теплиці.