Zon bouwfysica

From BK Wiki
Revision as of 11:22, 30 May 2010 by Ajcbeekers (Talk | contribs)

(diff) ← Older revision | Latest revision (diff) | Newer revision → (diff)
Jump to: navigation, search

Inleiding

De sterkte van de zonnestraling die op een gevel valt kan in totaal wel 900 W/m2 bedragen. Wanneer deze straling ongehinderd binnen kan komen betekent dit een zeer grote warmtetoevoer tot het vertrek. ‘s Winters kan dit een welkome positieve post op de warmtebalans betekenen (passieve zonne­energie); zomers kan dit tot onaanvaardbaar hoog oplopende binnentemperaturen leiden. In voor-en najaar kan één en ander zowel positief, als negatief uitpakken. Hierbij speelt de massa van het gebouw (warmteaccumulatie) een belangrijke rol.

De hoeveelheid opvallende zonnewarmte wordt onder andere bepaald door de oriëntatie van de gevel, beschaduwing door andere gebouwen of door delen van het eigen gebouw (luifels en dergelijke). Het gedeelte van deze energie dat het vertrek binnendringt hangt af van het percentage glas in de gevel, het soort glas en de toegepaste zonwering. Verder kunnen fel door de zon beschenen vlakken grote helderheidverschillen binnen het gezichtsveld veroorzaken, waardoor het kijken niet altijd even eenvoudig is. Niettemin wordt toetreding van zon in vertrekken onder normale omstandigheden als prettig ervaren.

Door de Studiecommissie Grondslagen Woningwaardering zijn in de uitgave Blauwe Reeks nummer 34 (1962) van de Vereniging van Nederlandse Gemeenten aanbevelingen gedaan voor de gewenste zonlichttoetreding bij woningen. Als op 20 januari (en 22 november) tussen 9.00 en 15.00 uur het "normpunt" minstens 3 uur door de zon wordt beschenen spreekt men van de kwalificatie "goed". Een zonbestraling van minstens 2 uur van het "normpunt" op 19 februari (en 23 oktober) is goed voor de kwalificatie "matig". Het "normpunt" bevindt zich op het midden van de vensterbank, in het binnenvlak van de gevel. Voor fabrieken en werkplaatsen en de bijbehorende kantoren en dergelijke moet, volgens het Veiligheidsbesluit van 1938, direct zonlicht op de werkplaats worden vermeden. Een nieuwe versie van het veiligheidsbesluit valt echter binnen niet al te lange tijd te verwachten. Over dit onderwerp zijn verder geen gedetailleerde en algemeen aanvaarde richtlijnen aanwezig, zodat vaak het persoonlijk inzicht van de ontwerper maatgevend wordt.

Hierop en op de manier waarop bezonning (en beschaduwing) kan worden berekend wordt nader ingegaan in paragraaf 3. Paragraaf 4 behandelt de eigenschappen van diverse soorten zonwering. Paragraaf 5 tenslotte geeft een methode om het nuttig effect van zontoetreding ten aanzien van de verwarming te kwantificeren. Begonnen wordt echter met een paragraaf waarin algemene gegevens over zonnestraling worden behandeld.

File:Moetnog.jpg
Figuur 1. Zonnehoogte (h) en azimut (a)


File:Moetnog.jpg
Figuur 2. Zonshoogte en zonsazimut voor 52o N.B. voor de kenmerkende data.

1. 22 juni 2. 23 juli en 21 mei 3. 23 augustus en 20 april 4. 23 september en 21 maart 5. 23 oktober en 19 februari 6. 22 november en 20 januari 7. 22 december

Zonstralingsgegevens

Het lijkt logisch een hoofdstuk over bezonning / beschaduwing, zontoetreding en zonwering te beginnen met enkele basisgegevens over de zonnestraling. Met name moet men hier denken aan zonnestand, sterkte van de straling, etc.

Zonshoogte en azimut

In figuur 1. is aangegeven hoe de stand van de zon op een punt op aarde wordt vastgelegd met behulp van zonshoogte en azimut. De zonshoogte volgt uit:

h = arcsin (sin γ.sin d -cos γ.cos d.cos u)

hierin is:

h = de zonshoogte in graden γ = de breedtegraad van de betreffende plaats op aarde voor Nederland 52o NB d = de declinatie van de zon, dat is de hoek tussen de stralingsrichting en het vlak door de evenaar u = de uurhoek waarin het tijdstip op de dag is verwerkt in graden.

De declinatie d wordt via een goede benadering gevonden uit:

d = 23,44o . sin (360o . (283 + n)/365)

hierin is de n de n-de dag van het jaar. De uurhoek u is om middernacht 0o daarna neemt hij ieder uur 360/24 15o toe.

u = t . 15o, waarin t de tijd is, uitgedrukt in uren zonnetijd.

Het azimut tenslotte volgt uit:

az = arcsin (cos d . sin u/cos h) als cos u) File:FORMULE MOET NOG!!!

az = 180 -arc sin (cos d x sin u/cos h) als cos u) File:FORMULE MOET NOG!!!

In figuur 2 is een zonnebaandiagram gegeven waarin voor iedere maand op de aangegeven datum, voor ieder uur zonshoogte en azimut zijn af te lezen. In het diagram is de tijd aangegeven in uren MEMT in plaats van in zonnetijd of werkelijke tijd. In Nederland geldt als wettige tijd de Middel-Europese-Middelbare-Tijd (MEMT). Deze komt overeen met de gemiddelde zonnetijd voor een geografische lengte van 15o OL (oosterlengte). Aangezien Nederland tussen 3o OL en 7o OL ligt vindt men de zonnetijd (ZT) door van de klok-tijd (MEMT) 48 tot 32 minuten af te trekken.

Immers iedere 15o lengteverschil betekent een tijdsverschil (ZT) van 1 uur. Gemiddeld kan men echter uit gaan van 40 minuten voor het gehele land. Tijdens de zomerperiode wordt de klok een uur verschoven, zodat dan het verschil tussen kloktijd en zonnetijd 1 uur en 40 minuten bedraagt.

Winter: klok-tijd (MEMT) = ZT + 40 min. Zomer: klok-tijd (zomertijd) = ZT + 100 min.

tabel 1 tabel 2 tabel 3

In de winter staat de zon om 12.40 uur (MEMT) op zijn hoogste punt; in de zomer om 13.40 uur (zomertijd).

De invloed die de verschuiving van de klok-tijd ten opzichte van de zonnetijd heeft op de uren dat de zon op is, is weergegeven in tabel 4.1. Het tijdstip van zonsopgang en zonsondergang is eenvoudig te bepalen door in de formule voor de berekening van de zonshoogte, deze op 0 te stellen. In tabel 1 is tevens aangegeven welke declinatie bij de verschillende data hoort.

De gegeven formules geven niet de exacte situatie weer. Immers een jaar is niet precies 365 dagen en de baan van de zon is niet zuiver cirkelvormig. Dit laatste aspect bijvoorbeeld zorgt ervoor dat de maximale zonshoogte niet altijd om precies 12.00 uur ZT wordt bereikt. Dit tijdsverschil (tijdvereffening) bedraagt echter maximaal slechts ca 15 minuten (plus of min). Voor gebruik in de bouwfysische praktijk is de nauwkeurigheid van de gegeven formules echter groot genoeg.

Sterkte van de directe zonnestraling

De straling van de zon zoals die de dampkring van de aarde binnendringt komt niet ongehinderd op het aardoppervlak terecht. Er kan onderscheid worden gemaakt in de vermindering van de straling (absorptie en verstrooiing) door:

- luchtmoleculen (inclusief de ozonabsorptie)

- waterdamp in de atmosfeer

- zwevende deeltjes (aerosolen, "stof").

In tabel 2 zijn voor Nederland representatief te achten waarden voor de maximale sterkte van de zonstraling loodrecht op de stralingsrichting gegeven. Deze zijn overgenomen uit tabel 1, waarin ook de aangehouden waarden voor de hierboven genoemde effecten zijn weergegeven. Voor zonshoogten boven 10<suo>o</sup> kan de waarde voor deze normaalstraling worden benaderd met de volgende formule:

formuleblad combinatie formules 2 pagina's pdf

Sterkte van de diffuse zonnestraling

Volgens tabel 1 kan de sterkte van de diffusie zonnestraling (hemelstraling) op het horizontale vlak worden berekend uit: formule 4.9

Deze formule geeft slechts een redelijke benadering. Een betere is echter niet eenvoudig te vinden. Het aangegeven verband tussen de diverse factoren is wel goed; de waarde 1/3 blijkt in de praktijk echter nogal de kunnen variëren. Uit de formule blijkt, wat men ook in de praktijk waarneemt, dat bij toenemende bedekking van de hemel, de directe zonnestraling afneemt maar de diffuse straling daarentegen toeneemt; er wordt immers meer straling door de atmosfeer verstrooid. Daarnaast wordt er ook meer straling geabsorbeerd zodat het totaal aan straling, dat het aardoppervlak bereikt wel vermindert. De extra-terrestrische straling qdir.o die buiten op de dampkring valt, varieert voornamelijk met de variatie in de afstand tussen zon en aarde.

formule pdf 4.10-13

tabellen 4.4-4.6

Reflectie via het aardoppervlak

Van de op het aardoppervlak vallende straling wordt ook een deel gereflecteerd; dit kan aldus indirect op gevels en dergelijke terechtkomen. Uitgaande van een diffuse reflectie van het grondoppervlak volgt voor de grondreflectie:

formule 4.14

Voor een verticaal vlak, uitkijkend op een zich oneindig uitstrekkend horizontaal vlak is g = 0,5. Ook voor een gevel liggend aan een vrij groot terrein geldt dit bij benadering. Voor hellende vlakken kan deze geometrische factor worden vermenigvuldigd met (1-cosa) waarbij a de helling van het beschouwde vlak ten opzichte van het horizontale vlak is. Als gemiddelde reflectiecoëfficiënt van het aardoppervlak kan men r = 0,2 aanhouden. Met het invullen van deze waarden verandert de formule in: formule 4.15 Uiteraard kan men met behulp van de zichtfactoren zoals behandeld in hoofdstuk 7 en eventueel andere waarden voor de reflectiecoëfficiënt zelf de juiste waarde van qgr bepalen.

Overzicht maximale directe en diffuse straling op horizontale en verticale vlakken

In enkele tabellen zijn voor alle maanden (berekend voor de 15e) waarden gegeven voor de zonnestraling, nl.: Tabel 4.4: maximale waarden voor de directe zonnestraling op het horizontale vlak bij helder weer. Tabel 4.5: Diffuse zonnestraling (hemelstraling) bij helder weer. Tabel 4.6 Totale zonnestraling (direct, diffuus en gereflecteerd via de grond) voor verticale t/m 4.9: vlakken bij helder weer voor de oriëntaties noord, oost, zuid en west. tabel 4.7 tabel 4.8 tabel 4.9

Bezonning en beschaduwing

Met behulp van de in paragraaf 1 genoemde gegevens over zonshoogte en zonsazimut kan ook worden bepaald of bepaalde gedeelten van gebouwen of terreinen op een zeker moment in de zon, dan wel in de schaduw liggen en op welke manier de zon een vertrek binnen schijnt.

Schaduwlengte, schaduwdiagrammen

De lengte van de schaduw die een verticaal geplaatste naald werpt op het horizontale vlak kan eenvoudig worden bepaald (zie figuur 4). figuur 4.16

De richting van de schaduwlijn volgt rechtstreeks uit het zonsazimut Op basis van deze gegevens kunnen schaduwdiagrammen worden getekend.

figuur 4.4 figuur 4.5-4.7 N.B. Figuren zijn niet op schaal; aan het eind van dit hoofdstuk zijn de drie diagrammen op de juiste grootte opgenomen. Deze kunnen worden gekopieerd voor gebruik bij oefeningen en tentamens.

Als figuur 4.5 t/m 4.7 zijn diagrammen gegeven voor de schaduwlengte op 22 december, 21 maart/23 september en 24 juni. Deze zijn berekend voor een declinatie van -23,44o, 0o respectievelijk 23,46o. De diagrammen worden gegeven in klok-tijd MEMT. Voor de zonnetijd is in de berekening aangehouden ZT = MEMT - 40 min. In het diagram voor 22 juni is de zomertijd gebruikt ZT = MEMT-100 min.

In de diagrammen vindt men lijnen voor verschillende hoogten van het schaduwgevende object. De hierbij aangegeven cijfers passen bij een schaal 1:1000. Bij andere schalen kan men deze cijfers evenredig aanpassen. In figuur 8 is aangegeven op welke wijze men met behulp van de diagrammen een schaduwbeeld vaststelt. Men bepaalt van ieder hoekpunt van het gebouw de schaduwlengte. Hiervoor legt men het diagram met de oorsprong op het betreffende hoekpunt en de lijn van 12.00 uur zonnetijd in de richting van de noordpijl. Het schaduwpunt vindt men op de kruising van de lijn die overeenstemt met de hoogte van het gebouw met de bij het gewenste tijdstip behorende lijn. Een en ander werkt heel gemakkelijk als men het diagram op een transparant blad heeft. Met bijvoorbeeld een passerpunt kan men dan door het diagram heen op de tekening een merkteken (gaatje) aanbrengen.

figuur 4.8

In figuur 9 is aangegeven hoe lang een raam in het lage gebouwgedeelte in de schaduw van het hoge zal liggen. Uitgegaan wordt van de plaats van (het midden van) een raam, 2 m uit de hoek van het gebouw en 2 m boven het maaiveld. Het hoge bouwblok heeft een hoogte van 13 m boven het midden van het raam. De gedeelten van het hoge bouwblok die onder de lijn (in het diagram) van 13 m liggen werpen schaduw op het raam. De zon komt pas om 8.30 uur over het gebouw heen. Om 10.05 schijnt de zon evenwijdig aan de beschouwde gevel. Het beschouwde raam ontvang op 21 maart en 23 september dus alleen zon tussen 8.30 en 10.05 uur. De rest van de dag ligt het in de schaduw.

figuur 4.9

3 x pagina pfd diagrammen