Оценка характеристик солнцезащитных устройств: новые исследования
В шестидесятых годах прошлого столетия калориметрические эксперименты
с параметрами наружного солнечного
освещения проводились в комбинации с изучением солнцезащитных устройств
(СЗУ), одно- и двухслойного остекления и стеклопакетов. Благодаря
этим экспериментам были изучены и опубликованы типичные значения
коэффициентов снижения эффективной передачи солнечной энергии. Типичные
коэффициенты по основным типам СЗУ были представлены в таблицах
стандартов, например, в EN 832. Однако для более точного определения
суммарных показателей солнцезащиты и передачи солнечной энергии
фасадами потребовались новые исследования и новая постановка задачи.
В Институте солнечной энергии (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) попытались разработать и проверить экспериментальную методику описания характеристик СЗУ и сравнить ее с различными расчетными методами. Экспериментальное определение характеристик опиралось на испытательное калориметрическое оборудование нового типа, разработанное в рамках Европейской и Германской национальных программ. В этой статье представлено сравнение экспериментальных результатов, полученных на новых установках с расчетными данными, полученными по новым, еще не стандартизованным методикам для различных комбинаций СЗУ и типов остекления.
Нынешняя ситуация
Солнечные калориметрические измерения годятся для определения общего уровня
передачи солнечной энергии фасада, состоящего из остекления и СЗУ. Методика
и измерительная процедура были разработаны в рамках Европейского проекта
ALTSET (Angular Light and Total Solar Energy Transmittance — Угловой Свет
и Общая Передача Солнечной Энергии), а также в рамках Германского проекта
REGES. Однако только часть результатов была опубликована, например, сравнение
экспериментальных данных модели, основанной на светопропускании и адаптированной
связной цепи сопротивлений.
Европейская организация по стандартизации пробует расширить круг методик
для вычисления коэффициентов затенения пусть и приблизительно, но с использованием
упрощенных алгоритмов, а в конечном итоге выпускает очень грубый метод
вычислений в EN 13363, часть 1, и уточняющий детальный метод, но который
не прошел формальную процедуру голосования и приводится как необязательный
(часть 2 стандарта). Однако имеется несколько серьезных ограничений и
упрощений в обоих документах, что не позволяет основательно охарактеризовать
свойства СЗУ из ламелей.
Параллельная деятельность f ISO, пытавшаяся разработать непротиворечивый
стандарт для солнечных и термальных вычисляемых характеристик остекления,
оконных проемов и СЗУ не увенчалась полным успехом.
Подобно Европейским вычислительным инструментам для остекления и солнцезащитных
устройств WIS (Window Information System — Оконная Информационная Система)
была разработана следующая сетевая Европейская система WINDAT (www.windat.org).
Моделирование затенения этим программным комплексом имплементировано международным
стандартом ISO/FDIS 15099. Все эти алгоритмы основаны на стандартах All
these algorithms based on standards, точнее ограничены рамками применимости
в особых ситуациях и описывают только идеализированные системы. Более
того, моделирование не было подтверждено измерениями. Этот “провал” и
предстояло устранить работами, описанными в этой статье.
Рис. 1. Профиль наружной ламели СЗУ шириной 94 мм.
Описание системы
В рамках подхода задачи 27 “Характеристики фасадов” IEA был испытан ряд
различных комбинаций СЗУ и остекления. Эти системы включали внутренние,
встроенные и наружные СЗУ. Особенности данных конструкций приведены ниже.
Наружные створчатые системы:
Внутренние системы:
Встроенные системы
Солнечные калори-метрические испытания остекления
и СЗУ
В рамках Европейского проекта ALTSET (Angular Light and Total Solar Energy
Transmittance — Угловой Свет и Общая Передача Солнечной Энергии) угловые
отражательные свойства так называемого сложного (или комплексного) остекления
(т.е. остекления с особыми оптическими свойствами) и собственно СЗУ были
подвергнуты испытанию. Цель проекта — сравнение результатов калориметрических
измерений с математическим моделированием свойств каждого из слоев конструкции,
особенно:
Результаты показали, что несмотря на использование различных подходов к конструкции аппаратной части, можно достичь сходимости результатов исследований, если были достаточно четко определены условия проведения экспериментов и ограничения, а команда проектировщиков разработала саму испытательную процедуру в соответствии с данной целью. Солнечная калориметрия может быть выполнена таким образом, что станет исключительной универсальной методикой для всех видов остекления, например, для светорассеивающего остекления, прозрачного изолирующего пакета и затеняющих ламелей, для шторной защиты (переключающееся остекление), а также может быть использована для валидации оптико-термальных моделей остекления и сможет стать применимой для обычных видов остекления для достижения большей точности по сравнению со стандартной методикой испытаний.
В германском национальном проекте REGES такой подход был расширен и распространен на СЗУ (внутренние и наружные), и выработан ряд рекомендаций для испытаний.
Рис. 2. Вид камеры для солнечных калориметрических испытаний в институте Fraunhofer ISE с наружным солнцезащитным устройством, смонтированным впереди калориметрической плиты.
Принципы и преимущества солнечных калориметрических испытаний заключаются
в том, что остекление и СЗУ, комплексная фасадная конструкция испытываются
совместно как “черный ящик”, т.е. без дополнительной информации о свойствах
составляющих конструкцию “слоев” солнцезащиты или о неявном переносе
тепла (или наличии вентиляции). Это не моделирование путем суммирования
и стыковки моделей, что всегда представляет собой проблему в моделировании
сложных составных фасадных конструкций. Здесь используется только общая
параметрическая модель, данные которой сличаются с экспериментом и параллельными
оптическими измерениями.
Второе важное преимущество в том, что угловая зависимость может быть
измерена непосредственно.
Рис. 3. Испытательная рама для внутреннего СЗУ.
Сравнение измерений и моделирования
Для моделирования затеняющих устройств ламельного и ролетного (шторного)
типов в сочетании с остеклением использовались два разные пакета исследовательских
программ. Первый из них — это хорошо известный европейский пакет прикладных
программ (ППП) European Window Information System WIS (версия 2.0b),
который был разработан в развитие европроекта WINDAT (см. http://www.windat.org).
Для световых экранов используется стандартный алгоритм “чувствительности
к излучению”, по которому пластины соединяются вместе в 10 полосный
экран, который обеспечивает равновесное светорассеяние (5 пластин вывернуто
наружу, 5 — внутрь). Экраны зеркального типа не могут моделироваться
этим алгоритмом. Второе упрощение в рамках WIS — это обращение пластин
так, чтобы они были полностью сомкнуты, без просветов. Таким образом,
ламель с профилем по рис. 1 представляет проблему для этого алгоритма,
когда излучение пропускается почти параллельно пластинам экрана. Модель
недооценивает возможность “пробоя” световым потоком ламелей жалюзи и
переоценивает тепловую передачу. ППП WIS не учитывает тепловой поток
через СЗУ на базе модели “потока вытеснения” с использованием температуры
слоев, описанной в стандарте ISO/FDIS 15099.
Был запрограммирован фактор внешнего вида (с использованием только одной
секции, повернутой вниз, а второй — вывернутой вверх), что несколько
упрощает модель “чувствительности к излучению” из 10 пластин. Этот подход
подобен задокументированному в prEN13363-2, однако, с двумя важными
допущениями: во-первых, ламель должна быть выгнута по радиусу, во-вторых,
принимается в расчет только прямой поток передачи. Используя солнечную
передачу и отражение, вычисленные по этому алгоритму, общая передача
энергии через СЗУ (как внутреннее, так и наружное) и остекление вычисляются
по простой резистивной модели. Конвективные и излучающие поверхностные
коэффициенты от поверхности остекления к СЗУ и через СЗУ в пространство
оценивались, опираясь на “открытость” СЗУ. Конвективная часть передачи
энергии принималась всегда постоянной. Такая модель называется в этой
статье “модель Института солнечной энергии” (ISE-модель), но нигде более,
чтобы не спутать ее с другими, более точными моделями светопропускания
внутрь здания.
Итак, были задействованы две упрощенные модели, каждая со своими недостатками
в некоторых аспектах. Модели достаточно скоростные для счета и могут
быть использованы и для учета спектральной информации оптических компонент
(стекла, светопропускающих элементов СЗУ). Они способны дать нить к
рассуждениям, насколько были хороши принятые приближения и упрощения,
и насколько это повлияет на общий показатель светопропускания “g”.
Рис. 4. Сравнение оптических измерений для жалюзи (белые, 25 мм) при
различных углах поворота пластин по сравнению с данными математического
моделирования с использованием модели WIS и ISE-модели.
Рис. 5. Данные эксперимента по сравнению с моделью WIS с плоскими пластинами
и ISE-модель с расширенным фактором обзора с выгнутыми ламелями. Белые
наружные жалюзи с low-eстеклом в однокамерном ИСП, углы наклона 0°,
30° и 45°
Коэффициент пропускания через жалюзи
В качестве первого шага исследователи сравнили измерения для внутренних
жалюзи с использованием большой интегрирующей сферы (см. Platzer, W.J.,
Directional-hemispherical solar transmittance data for plastic honeycomb-type
structures, Solar Energy, Vol. 49 No. 5 (1992), 359-370) с вычислениями
солнечной проницаемости, вычисленной с помощью двух моделей “чувствительности
к излучению”. Измерения наружных жалюзи с профилем по рис.1 было затруднено
в связи с недостаточной высотой входного проема измерительной сферы,
наполовину закрытого СЗУ. Для внутренних жалюзи с меньшей разбежкой
ряд последовательных измерений был усреднен.
Сравнение данных эксперимента с данными расчета дает возможность сделать
вывод, что оба метода очень хорошо воспроизводят именно оптическую проницаемость
в основной группе интервала углов наклона. Как и надлежит согласно WIS,
прямая максимальная светопередача была переоценена — даже большая величина
относилась к темным жалюзи (это было принято во внимание при вычислительном
интервале по 10 градусов, и величина пропускания в 100% не была достигнута
в большинстве случаев).
Расширенный фактор обзора дает лучшее приближение к максимальной светопередаче,
однако, на больших отрицательных углах наклона (отражение от земли)
эта модель, видимо, недостаточно хорошо описывает пропускание.
В связи с очевидно более сложным характером влияния формы ламели на
результаты, мы должны обратиться к калориметрическим измерениям.
Рис. 6. Данные эксперимента по сравнению с моделью WIS с плоскими пластинами
и ISE-модель с расширенным фактором обзора с выгнутыми ламелями. Коричневые
наружные жалюзи с low-eстеклом в однокамерном ИСП, углы наклона 0°,
30° и 45°
Три варианта СЗУ этого типа были промерены в сочетании с ИСП с покрытием, а именно белые, белые перфорированные и коричневые ламели. Из-за геометрии ламелей различия между двумя моделями очень существенны в области максимальной проницаемости, но похожи на максимальных углах наклона (см. рис. 5 и рис. 6). Различия линейны с данными, полученными с использованием большой интегрирующей сферы, но промодулированы влиянием остекления, расположенного за световыми экранами. Как и прямые солнечные лучи, положительные углы профиля к лучам экспериментально проверяются, а вот отрицательные углы не изучались. Однако эта область означает отражение лучей от земли, а не прямое воздействие солнца.
Для встроенных СЗУ тип остекления имеет даже большее значение, чем угловая функция. Это будет описано ниже.
Рис. 7. Данные эксперимента по сравнению с моделью WIS с плоскими пластинами
и ISE-модель с расширенным фактором обзора с выгнутыми ламелями. Белые
внутренние жалюзи с остеклением “Ipasol 6634”, углы наклона 0°, 45°
и 80°
Рис. 8. Данные эксперимента по сравнению с моделью WIS с плоскими пластинами
и ISE- модель с расширенным фактором обзора с выгнутыми ламелями. Белые
внутренние жалюзи с остеклением “Silverstar”, углы наклона 0°, 45° и
80°
Встроенные белые жалюзи были испытаны и смоделированы с двумя типами солнцезащитного остекления. Оба сравнительных результата моделирования с экспериментальными данными показали хорошую сходимость полученных данных. Незначительное различие между моделями были вследствие расхождений данных для остекления с покрытием. Угловая зависимость пропускания “g” для флоат-стекла использовалась с учетом упрощенной ISE-модели. Представлена, безусловно, не полная последовательность измеренных данных, особенно по остеклению Ipasol 6634, см. рис. 7. Однако это незначительно повлияло на конечные результаты.
Внутренний серый экран-штора ролетного типа с пропусканием 60% была смоделирована ППП WIS. Было несколько адаптировано соотношение по вентиляции (ролетная штора проветривалась внутрь и наружу) в связи с необходимостью достичь экспериментального значения величины передачи энергии U в данной конфигурации. Параметр “g” менее зависим от этого (Таблица 1 ). Таблица 1. Величины g и U полученные экспериментально и расчетно для остекления с внутренними серыми ролетами (в зависимости от уровня вентиляции (на метр ширины ролеты)
| СЗУ |
Угол падения
|
Вентиляция,
расход воздуха (л/мин.м) |
g
|
U Вт/м2К
|
g
|
U Вт/м2К
|
| Ipasol |
0
|
0
|
0,219
|
0,86
|
||
|
0
|
60
|
0,229
|
1,37
|
|||
|
0
|
24
|
0,221
|
1,06
|
0,218
|
1,06
|
|
|
60
|
24
|
0,19
|
1,06
|
0,184
|
1,06
|
|
| Silverstar |
0
|
0
|
0,284
|
0,94
|
||
|
0
|
60
|
0,297
|
1,46
|
|||
|
0
|
30
|
0,291
|
1,20
|
0,305
|
1,21
|
|
|
60
|
30
|
0,245
|
0,258
|
1,21
|
Евростандарт EN13363-2 дает методику вычисления оптических свойств решетчатых СЗУ (например, жалюзи), но с двумя ограничениями: предполагается, что нет прямых лучей, которые могут проникать через такой световой экран. Таким образом диапазон углов падения, где методика может быть применима, ограничен и зависим от угла поворота самих пластин. То есть мы не использовали эту модель, а применили нашу собственную расширенную модель.
Перенос тепла по EN13363-2 подобен описанному в ISO15099 и таким образом можно ожидать получение результатов, очень близких с полученными на ППП WIS. Исследовался только упрощенный подход к моделированию, где находятся величина g от СЗУ и остекления вычисляются по оптическим свойствам (пропускание и рассеивание), а для остекления — обе величины, g и U.
С упрощением по стандарту EN13363-1 (“модель EN”) была проведена и третья серия измерений и сравнение ее с данными вычислений. Оптические данные светового экрана были использованы затем в модели ISE. Модель EN всегда выдавала данные, которые корректно подходили к упрощенной вычислительной модели. Таблица 2. Результаты для трех различных расчетных моделей (ISE, WIS, EN) для остекления Silverstar и внутренними белыми жалюзи сравнительно с экспериментальной величиной g
| Углы освещения профиля |
Угол падения света
|
Экспери-мент
|
Модель ISE
|
Модель WIS
|
Модель EN
|
|
0
|
0
|
0,46
|
0,48
|
0,48
|
0,48
|
|
30
|
0
|
0,38
|
0,40
|
0,41
|
0,41
|
|
45
|
0
|
0,32
|
0,33
|
0,35
|
0,36
|
|
60
|
0
|
0,27
|
0,29
|
0,31
|
0,32
|
|
0
|
45
|
0,34
|
0,35
|
0,35
|
0,39
|
|
0
|
60
|
0,23
|
0,25
|
0,24
|
0,32
|
Таблица 2. Результаты для трех различных расчетных моделей (ISE,
WIS, EN) для остекления Silverstar и наружными белыми жалюзи сравнительно
с экспериментальной величиной g
| Углы освещения профиля |
Угол падения света
|
Экспери-мент
|
Модель ISE
|
Модель WIS
|
Модель EN
|
|
0
|
0
|
0,43
|
0,42
|
0,51
|
0,49
|
|
45
|
0
|
0,10
|
0,12
|
0,15
|
0,14
|
|
60
|
0
|
0,07
|
0,07
|
0,12
|
0,08
|
|
0
|
45
|
0,15
|
0,19
|
0,18
|
0,21
|
|
45
|
45
|
0,04
|
0,05
|
0,06
|
0,05
|
Для встроенного СЗУ была разработана нерезистивная модель. Однако для сравнения использовался очень простой подход из EN13363-1 для встроенных штор. Результаты показаны на рис 9., и там видно, что максимум величины g-value сверхпредсказуем, хотя моделировались изогнутые пластины. Т.е. проблема не в оптической составляющей, а в тепловой части модели! Вычисления модели WIS основывались на ISO15099, дающих корректную сходимость с данными эксперимента.
Рис. 9. Данные эксперимента по сравнению с моделью WIS с плоскими пластинами
и упрощенной EN-моделью (по EN 13363-1) теплопереноса и с плоскими ламелями
для оптических данных. Белые встроенные жалюзи со светозащитным стеклом
g = 47% , углы наклона 0°, 45° и 70°
Выводы
Представленные результаты были получены в рамках международной исследовательской
программы IEA-SHCP, задача 27 “Характеристики, надежность и устойчивость
развитой оконной конструкции и солнечных компонентов для оболочек здания”.
основная работа была проделана в Германии при курировании со стороны
Министерства экономики и труда “BMWA” в рамках проекта IBIG “Integrale
Bewertung innovativer GebКudehЯllen, FKZ 0327276A.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что математические модели
для оптических расчетов, приведенные в стандартах, неадекватно описывают
исследованные системы, также как и светосопротивление плоскими пластинами
СЗУ, и не позволяют опираться на них в ситуациях расчета коэффициентов
пропускания энергии при прямом облучении. Но важно отметить тем не менее,
что было оценено отражение от земли. Аппроксимация показателей диффузных
ламелей сложной формы с данными эквивалентных гнутых ламелей той же
высоты подтверждается данными эксперимента. К тому же данные теплопереноса,
основанные на модели поверхностных коэффициентов сопротивления, видимо,
адекватны, поскольку упрощенный подход по EN13363-1 хорошо спрогнозировал
общий коэффициент переноса солнечной энергии.
(Werner J. Platzer, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)
на GLASS PROCESSING DAYS 2005.
