Слънчева радиация и стъкло
Лъчиста енергия от слънцето
Напоследък в съвременната архитектура тенденцията за използване на големи площи на остъкляване за различни сгради става все по-широко разпространена, което налага разработването на редица нови изисквания, неспазването на които може да доведе до загуба на много предимства.
Като правило непрекъснатото фасадно остъкляване на сградите изпълнява не само и не толкова естетическа функция, а най-често се дължи на икономически и технически фактори. Опитът в строителството е доказал, че стъклените фасади са най-ефективни по отношение както на издръжливост, така и на намаляване на теглото.
Но използването им също създава определени проблеми; по-специално, значителна част от проблемите, които трябва да бъдат решени при използване на големи остъклени повърхности, се отнася до защитата на помещенията от излагане на късовълновата част на слънчевия спектър и други източници на лъчиста енергия и защитата на помещенията от прегряване на слънчевата радиация.
Може да се каже, че самото възникване и развитие на живота на Земята се дължи на действието на лъчистата енергия на Слънцето, тъй като повечето от процесите, протичащи в атмосферата, във водата и в органичния компонент на планетата, се случват само благодарение на него. Източникът на почти всички видове енергия, които човек използва, е индиректно генериран от енергията на Слънцето. Слънчевата радиация значително влияе върху здравето на хората - под въздействието на слънчевата светлина умират много патогенни бактерии, добре осветените помещения повишават ефективността и подобряват общото и благосъстоянието на човека.
Но наред с положителния ефект, слънчевите лъчи могат да имат и отрицателно въздействие върху здравето и състоянието на хората, което се получава при прегряване на помещенията и нарушаване на светлинния режим.Количеството слънчева радиация, идваща отвън, значително влияе върху микроклимата на помещенията, което налага при проектирането на сгради и конструкции да се вземат предвид положителните и отрицателните ефекти на слънчевата светлина върху общия хигиенен режим на помещенията.
Какво е Слънцето
Представите за Слънцето са се променяли безброй пъти през живота на човечеството. Съвременна наука Слънцето е гореща газова топка с диаметър 1,5 милиона км. Средното разстояние от Слънцето до Земята е 150 милиона км, това разстояние се покрива от слънчевия лъч само за 8 минути. Температурата в центъра на Слънцето е от порядъка на 4 - 107 °C, а температурата на излъчващата повърхност (фотосферата) е 6000 °C. Всяка секунда Слънцето произвежда такова количество топлина, което може да се получи от изгарянето на 11 600 милиарда на едно място. тона въглища. При зенитното положение на Слънцето и средното състояние на прозрачност на атмосферата, осветеността, създадена от слънчевата радиация, може да бъде 290 000 лукса. Степента на интензивност на слънчевата радиация, достигаща повърхността на нашата планета, се определя от височината над морското равнище, географската ширина на мястото, височината на Слънцето над хоризонта, която може да варира в зависимост от времето на деня и сезона от 0 до 90 °, както и от ориентацията по хоризонта.
Спектралния състав на всяко лъчение и неговият интензитет зависят от температурата на излъчващата повърхност на тялото. Колкото по-висока е тази температура, толкова по-голям е интензитетът на излъчване на тялото и толкова по-къси вълни излъчва. Така температурата на слънчевата фотосфера е +6000 °C, която е установена с различни методи, всички от които показват един и същ резултат. При такава температура всички известни на науката тела могат да съществуват само в парообразно състояние. Когато се установи нискоОт слънцето над хоризонта до земната повърхност достига по-малко слънчева радиация и пристига само тази част от лъчистата енергия, която е в диапазона на дължината на вълната от 300 до 2500 nm. Тази част от слънчевия спектър се нарича оптична и е разделена на три зони: ултравиолетова (UV зона), видима и инфрачервена (IR зона). Таблица 1 показва сравнителни данни за разпределението на лъчистата енергия в зоните на спектъра на различни източници на светлина.
Ултравиолетова част от спектъра
Дължината на вълната на лъчите на UV зоната е по-малка от 380 nm. Често тази зона е разделена на три части:
1. близо, с дължина на вълната 380-300 nm
2. отдалечен, с дължина на вълната 300-200nm)
3. област на вакуумно UV лъчение с дължина на вълната 2,10–1 - 10–3 микрона.
Основният биологичен ефект на слънчевата радиация пада върху късовълновата зона на спектъра, т.е. UV лъчите са много активни по отношение на всички живи същества, включително човешкото тяло.
На фигура 1 линия А е част от графиката на разпределението на енергията в слънчевия спектър. Бактерицидното действие на радиацията (линия Б) се определя от късовълнова радиация, която не достига до земната повърхност. Неговият дял в слънчевата радиация е малка площ между пресичащите се криви A и B (дължина на вълната от 290 до 305 nm).
Линия С показва разпределението на антирахитния ефект на радиацията. Тази част от слънчевите лъчи се намира в зоната, ограничена от криви C и A (дължина на вълната от 290 до 315 nm). Еритемният ефект се предизвиква само от лъчи с дължина на вълната от 290 до 330 nm. Еритемният компонент на слънчевата енергия е равен на площта, която е ограничена от кривата на еритемна експозиция D и крива A.
Разпределението на радиацията на тен се характеризира с крива Е, а на графиката тя съответствазоната между кривите на разпределение на енергията в спектъра на слънчевата енергия, която е обозначена със защрихованата област и е в диапазона на дължината на вълната 300-450 nm.
Делът на UV радиацията в слънчевия спектър намалява заедно с намаляването на височината на слънцестоенето.
Ултравиолетовите лъчи оказват значително влияние върху ретината, която е силно повлияна от разсеяната и отразената слънчева радиация. Най-високата чувствителност на ретината към излагане на UV лъчи. Въпреки факта, че окото предпазва ретината от тяхното действие, тъй като лещата е непроницаема за ултравиолетовите лъчи, с възрастта и поради продължително излагане на радиация тя се износва и губи своята защитна функция. В състава на лещата влиза протеин, който се превръща от лесноразтворим в трудноразтворим. Резултатът от това при някои възрастни хора може да бъде помътняване на очната леща, т.е. катаракта.
UV зоната на спектъра включва и частта от радиацията, която има бактерициден ефект, т.е. лъчите на тази зона са най-разрушителни за бактериите. Бактерицидният ефект се увеличава с намаляване на дължината на вълната на радиацията.
Но ултравиолетовите лъчи имат ефект не само върху живи организми и органични съединения, но и върху неорганични вещества. Например, това се проявява в намаляване на яркостта на различни цветове, избледняване на тъкани и др.
В същото време топлинният ефект на ултравиолетовите лъчи е много незначителен, те представляват само 2-4% от общото количество топлинна енергия, която идва със слънчевата радиация. По-специално, обикновеното прозрачно силикатно стъкло почти не пропуска биологично активни лъчи от UV частта на спектъра (виж фиг. 2).
Ориз. 2. Спектрално пропускане на прозрачно силикатно стъкло в UV областта на спектъра
Ориз. 3. Спектраленпропускане на прозрачно силикатно стъкло във видимата област на спектъра
зона на видима светлина
Следващата област от спектъра е зоната на видимите лъчи, които имат дължина на вълната от 380 до 750 nm. Името се дължи на факта, че в рамките на тази зона всякакви лъчения могат да се възприемат от окото, което определя тяхното значение за човешкия живот - без тях би било невъзможно да се види нищо. Така че те играят важна роля в живота на абсолютно всички органични обитатели на планетата. Това се обяснява с факта, че диапазонът от видими лъчи с дължина на вълната 650-700 nm (червени лъчи, както и сини лъчи с l = 480 nm) е необходим за асимилацията (асимилацията) на въглероден CO2 от растителните клетки. Факт е, че този процес изисква наличието на хлорофилни тела в растенията, условието за образуването на които е наличието на достатъчно количество видима светлина. Очевидно въздухът, наситен с въглероден диоксид, би станал неподходящ за дишане, ако растителният свят с участието на видими лъчи не го насити с кислород.
Що се отнася до топлинния ефект на видимите лъчи, той е 44-46% от общото количество слънчева радиация. Обикновеното силикатно стъкло пропуска добре лъчите от видимия спектър (фиг. 3).
Ориз. 4 Спектрално пропускане на обикновено силикатно стъкло в IR частта на спектъра
IR областта на оптичната част на спектъра на слънчевата радиация заема дължината на вълната от 750 до 2500 nm. Подобно на ултравиолетовата радиация, лъчите от инфрачервения спектър са невидими за окото и имат само топлинен ефект, но по-значителен: делът на инфрачервеното лъчение в топлинното излъчване е 50 - 52%. Прозрачното стъкло почти напълно пропуска инфрачервените лъчи (фиг. 4).
Както се вижда от горното, телата се нагряват в резултат на комбинираното действие на видими и инфрачервени лъчи: 46 + 52 = 98%.
При преминаване презатмосферата променя не само интензивността на слънчевата радиация, но и нейния качествен и количествен състав. Това се дължи на факта, че атмосферата не е напълно прозрачна, така че част от радиацията се разпръсква, част се абсорбира. Графиката на разпределението на интензитета на слънчевата радиация (E) в оптичната част на спектъра е показана на фиг. 5.
Обикновеното силикатно стъкло пропуска добре слънчевата светлина, т.е. степента на тяхното отражение и поглъщане е много малка. Следователно слънчевата радиация, проникваща в помещението, загрява повърхностите на стените, подовете, мебелите и други предмети. От своя страна самите нагрети предмети започват да излъчват топлина във вътрешния въздух на помещението и към други тела под формата на инфрачервено лъчение с дължина на вълната от 7,5 до 14 микрона. Обикновеното стъкло не пропуска радиация с такъв диапазон на дължина на вълната (капацитетът му на предаване е ограничен до лъчи с дължина на вълната приблизително 5 микрона), така че цялата лъчиста енергия, натрупана или отразена от телата, се натрупва вътре в помещението.