Определение прямого солнечного пропускания по различным стандартам

Вступление

Одной из важнейших характеристик строительного стекла, помимо способности пропускать видимый свет, является его способность пропускать солнечное излучение (энергию) в диапазоне УФ–вид.–бл. ИК — так называемое прямое солнечное пропускание, данные по величине которого широко используются при проектировании остекления. Для определения этой величины установлена международная стандартная методика, включающая определение спектрофотометрических характеристик материала и последующий расчет на их основе и на основе спектрального распределения солнечного излучения.
Авторами проведены расчеты прямого солнечного пропускания по различным стандартам для нескольких видов стекол и сделана оценка степени расхождения полученных данных в зависимости от оптических свойств стекол.
Характер спектрального распределения излучения солнца является величиной, зависящей от множества факторов, связанных с географическим положением местности: от зенитного угла солнца и от наклона земной поверхности (соответствующего географической широте), определяющих воздушную массу (АМ)*, от атмосферных условий — содержания способной осаждаться влаги (паров воды), озона, аэрозолей, от температуры и давления. В стандартах приводятся данные по нормализованному относительному спектральному распределению общего (глобального) солнечного излучения (прямого и диффузного) для стандартных условий, установленных МКО (CIE) [1, 2]. Но условия, для которых приведены эти данные, не всегда совпадают. Например, в последнем варианте ISO-9050 (2003 г.) спектральное распределение солнечного излучения дано для АМ = 1,5, а в ЕN-410 — для АМ = 1. В более раннем издании ISO-9050 (1990 г.) предлагалось два варианта расчета: по CIE [1] для АМ = 1 и по Муну [3] для АМ = 2. Кроме того, имеются различия в волновом диапазоне (300–2500 нм или 350–2100 нм) и в интервалах между длинами волн (шаге) и их значениях, для которых приводятся расчетные данные. В «старом» ISO расчетных точек 20 (по CIE) и 36 (по Муну), в «новом» — 95, в EN-410 — 56. Более подробные сведения об условиях, для которых приведено спектральное распределение солнечного излучения (содержание Н2О, озона, аэрозоля и т.д.), см., соответственно, [4–6]. Таким образом, использование разных стандартов может привести к расхождению получаемых по ним данных. И, хотя в настоящее время преимущественно используется стандарт ISO 9050 2003 года, имеет смысл определить возможные расхождения между данными, получаемыми по разным стандартам, поскольку из-за расхождений в оценке величины прямого солнечного пропускания, даже очень малых, может возникнуть вопрос — соответствует или не соответствует данное стекло указанным требованиям (заявленным параметрам, требованиям), что в свою очередь может приводить к спорам между поставщиками и потребителями. Отметим также, что аналогичные расхож­дения могут иметь место и при расчетах прямого солнечного отражения и, соответственно, поглощения солнечной энергии, и, что очень важно, привести к расхождению в тепловых и оптических расчетах остекления.

* Воздушная масса (АМ) — отношение атмосферной массы, имеющейся в направлении «реальный наблюдатель — солнце», к атмосферной массе, которая имела бы место непосредственно над наблюдателем, находящимся на уровне моря при стандартном барометрическом давлении. Иначе: АМ-отношение длины пути прямого солнечного луча через атмосферу при положении солнца с зенитным углом Z к длине пути луча при вертикальном положении солнца.

• Share

• Share

Расчеты прямого солнечного пропускания

Для оценки возможных расхождений нами проведены расчеты прямого солнечного пропускания (?e) нескольких образцов стекол, исходя из следующих (наиболее часто применяемых) стандартов: I — ISO 1990 года по CIE (диапазон 300–2500  нм, 20 расчетных точек, АМ = 1)**; II — ISO 1990 года по Муну (диапазон 350–2100 нм, 36 расчетных точек, АМ = 2), III — EN?410 (диапазон 300- 2500, 56 точек, АМ = 1), IV — ISO 2003 года (диапазон 300–2500 нм, 95 точек, АМ = 1,5), V — ISO 2003, но количество расчетных точек (20) и их значения аналогичны ISO 1990. Последний вариант имеет своей целью оценить, допустим ли упрощенный расчет по 20 точкам вместо 95, поскольку расчет по 95 точкам — процедура весьма трудоемкая для тех, кто не располагает современным оборудованием, позволяющим автоматизировать этот процесс, и не секрет, что таковых (заинтересованных в упрощенном варианте) имеется еще немало. Для перехода к 20 точкам был сделан соответствующий перерасчет и нормирование значений спектрального распределения общего (глобального) солнечного излучения. Кривые спектрального распределения глобального солнечного излучения, используемые в разных стандартах, приведены на рис. 1.
Расчеты были проделаны для нескольких видов стекол, имеющих различные спектральные характеристики: для бесцветных и окрашенных с преимущественным поглощением (пропусканием) либо в синей, либо в красной области спектра, а также для стекла с покрытием. Спектры пропускания исследуемых образцов представлены на рис. 2. Запись спектров производилась на приборах СФ-26 (300–1200 нм) и ИКС-14А (750–2500 нм).
Результаты расчетов для исследуемых образцов представлены в таблице 1.
Анализ полученных результатов показывает, что для стекол бесцветных или имеющих примерно одинаковый уровень пропускания в исследуемом диапазоне длин волн и у которых не наблюдается уменьшение пропускания в длинноволновой области спектра, принципиальной разницы в том, по какому стандарту рассчитывалось пропускание, нет: максимальное расхождение (причем только для одного стекла — № 9) составляет не более 2%. Расхождение при расчетах по «новому» ISO и его упрощенному варианту для таких стекол не превышает 1%. Также не превышают 1% расхождения данных по «новому» ISO и по EN-410. Более существенная разница в результатах расчетов отмечается только для тех стекол, у которых значительно снижено пропускание в сторону инфракрасной области спектра. Максимальное расхождение для них составляет 5%. В основном наиболее существенные отклонения наблюдаются при сравнении данных, полученных по ISO 1990 г. (CIE) и по ISO 2003 (хотя большие расхождения имеются и при расчетах по двум вариантам старого ISO — по СIЕ и по Муну), разница по двум вариантам «нового» ISO составляет 2%, разница между ISO 2003 и EN-410 — 1%.

** Аналогичные данные для расчета прямого солнечного пропускания приводятся в стандарте DIN 67507.

Таблица 1. Результаты расчетов прямого солнечного пропускания некоторых стекол по различным стандартам

• Share

Заключение

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод, что расчеты, сделанные по двум действующим в настоящее время стандартам — ISO-9050 (2003) и EN-410, принципиально не различаются. Также можно заключить, что вполне допустимы расчеты по упрощенному варианту ISO 2003, в особенности для бесцветных стекол. Исключение составляют те случаи, когда требуется особая точность, или когда в спектрах стекол имеется сильно выраженное избирательное поглощение.
Следует заметить, что принятые в этом стандарте данные по спектральному распределению солнечного излучения в наибольшей степени соответствуют географическому положению территорий США (~30–50° северной широты) и Западной Европы (в основном ~40–55°).

Литература (ссылки)

Publication CIE No. 20 (TC-2.2), Recommendation for the integrated irradiance on the spectral distribution of simulated solar radiation, Paris 1972.
Publication CIE No. 85, Solar spectral irradiance, technical report (1989).
Proposed standard solar-radiation curves for engineering use. P.Moon, J. Franklin Inst.,203, 583-618.
ISO 9050: 1990, Glass in building — Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance and ultraviolet transmittance, and related glazing factors.
ISO 9050: 2003, Glass in building — Determination of light transmittance, solar direct transmittance, total solar energy transmittance, ultraviolet transmittance, and related glazing factors.
EN 410: 1998, Glass in building — Determination of luminous and solar characteristics of glazing.

О.А. Гладушко, с. н. с. отдела стандартизации и испытаний;
А.Г. Чесноков, Зав. отделом стандартизации и испытаний;
ОАО «Институт стекла».
Доклад на GLASS PERFORMANCE DAYS 2009, Тампере, Финляндия