الرئيسية
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذه الصورة]
تأثير الإشعاع على الفراغات العمرانية
إن الإشعاع واحد من أهم المؤثرات فى ظروف الراحة الحرارية داخل الفراغ العمرانى، وخاصة فى المناطق
الحارة الجافة، فسطوع أشعة الشمس المباشرة لمعظم فترات السنة يتسبب فى رفع درجة الحرارة المحسوسة
بالمحيط العمرانى بشكل مباشر، كما يرفع درجة حرارة الأسطح المعرضة له مما يزيد من كمية الإشعاع
الحرارى طويل الموجة المنبعث منها، وتساهم الأشعة المنعكسة عن الأسطح الفاتحة اللون فى زيادة كمية
الإشعاع الشمسى المشتت فى الفراغ، ولا يتوقف تأثير انتقال الحرارة بالإشعاع على حركة الرياح،
فالحرارة تنتقل مباشرة عن الشمس أو الأسطح الساخنة إلى جسم الإنسان لتؤثر على شعوره بالراحة
بغض النظر عن درجة حرارة الهواء، أو تنتقل إلى أسطح ونوافذ المبانى التى يتم تصميمها مناخيًا لتؤثر
بشكل كبير على ظروف الراحة الحرارية ﺑﻬا.
ونظرًا لعدم اعتماد تأثير الإشعاع على تسخين الهواء، فهو أقل المتغيرات تأثرًا بحركة الرياح، ولذلك
يمكن اعتباره متغيرًا مستق ً لا يمكن التنبؤ به بدقة بغض النظر عن باقى الظروف صعبة التمثيل، وخاصة
كما سبق الذكر. CFD مشكلة التمثيل الدقيق لحركة الرياح والتى تحتاج إلى
فما هى الكميات المطلوب التعامل معها لتقييم تأثير انتقال الحرارة بالإشعاع بين عناصر المحيط العمرانى
والإنسان (لتقييم ظروف الفراغ العمرانى) أو بين غلاف المبنى ومحيطه العمرانى فى حالة تقييم تأثير المحيط
العمرانى على الراحة داخل فراغات المبانى.
أ- درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة ١
هذه القيمة هى المعبر الرئيسى عن تأثير الإشعاع على جسم الإنسان، وهى تعرف بأﻧﻬا درجة حرارة
جسم أسود مثالى يحيط بالإنسان من جميع الجهات ويبث كمية من الإشعاع الحرارى تساوى تلك التى
يتلقاها الإنسان من كل المصادر الإشعاعية المحيطة به بالفعل.
ويمكن حساﺑﻬا بطريقتين:-
حساب متوسط درجة حرارة كل من الأسطح المحيطة بالإنسان، وضرب درجة الحرارة هذه فى وزن
نسبى للسطح تتوقف على إنبعاثيته، وعامل مواجهة للإنسان، ويجمع هذه القيم لكل الأسطح، فتنتج
درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة.
١- حساب كمية الطاقة المنبعثة من كل سطح اعتمادا على درجة حرارته وانبعاثيته تبعا لقانون ستيفان
q = e x sb x (T)4 . بولتزمان 2
حيث
هى كمية الطاقة المنبعثة من وحدة المساحات من الجسم خلال وحدة الزمن q
إنبعاثية السطح، أو نسبة الإشعاع الصادر منه إلى أقصى كمية يمكن أن تنتجها جسم أسود فى نفس e
درجة الحرارة.
هى درجة حرارة السطح المطلقة (كلفن) T
درجة الحرارة المطلقة = درجة الحرارة المئوية + ٢٧٣
5.77 x 10 - ثابت ستيفن بولتزمان وقيمته 8 sb
٢- يتم حساب كمية الطاقة الساقطة على جسم الإنسان من كل الأسطح تبعًا لمعامل المواجهة بينه
وبينها .
٣- يتم جمع الطاقة الإشعاعية الواردة عن الشمس، أو من أى مصدر حرارى إشعاعى آخر والساقطة
على الجسم.
يتم التعويض ﺑﻬذه القيمة فى معادلة ستيفان بولتزمان، مع اعتبار الإنبعاثية تساوى واحد صحيح، بحيث
يتم تحديد درجة حرارة الجسم الأسود الذى يمكن أن يبث مثل هذه الطاقة.
والطريقة الثانية أدق حيث يمكن سهولة إضافة الطاقات الإشعاعية الواردة من مصادر نقطية كالشمس أو
الأشعة المنتشرة فى الغلاف الجوى.
ب- درجة الحرارة العاملة ١
يتأثر إحساس الإنسان بالحرارة بناءًا على مزيج من تأثير درجة حرارة الهواء ودرجة الحرارة الإشعاعية،
وفى الظروف المعتادة يعتبر أن نصيب كل منها تساوى، ولكن مع زيادة سرعة حركة الهواء تبريد التبادل
الحرارى مع الهواء المحيط، لذلك تزيد نسبة تأثير درجة حرارة الهواء عن درجة الحرارة الإشعاعية.
والتأثير اﻟﻤﺠمع لكل من درجتى الحرارة هاتين يسمى (درجة الحرارة العاملة) فى الفصل الثالث، ويمكن
حساﺑﻬا من الخرائط شكل ( ٣ - ) أو بواسطة برنامج بسيط تم تطويره كترجمة رقمية لهذه الخرائط
(ملحق ).
وهنا يعود تأثير حركة الهواء للظهور كمؤثر فى تحديد تأثير الإشعاع على الإنسان، لكنه لا يغير من قيمة
هذا الإشعاع.
ج- كمية الإشعاع الحرارى الساقطة على سطح معين
سواء كان هذا السطح، أحد أسطح المبانى أو جسم الإنسان.
وتتخذ فى حالة السطح الذى يتلقى الإشعاع من وجه واحد، أى أنه يواجه نصف كرة يتلقى منها كل
إشعاعه، أما جسم الإنسان فهو يتلقى الإشعاع من كل الجهات (يواجه كرة كاملة).
ما هى الكميات الإشعاعية التى يتلقاها أى سطح فى الفراغ العمرانى:
أ- الإشعاع الشمسى المباشر.
ب- الإشعاع الشمسى المشتت.
ج- الإشعاع الشمسى المنعكس (عن الأرض وعناصر المحيط العمرانى الأخرى).
د- الإشعاع الحرارى من السماء.
ه- الإشعاع الحرارى من عناصر المحيط العمرانى نتيجة درجة حرارﺗﻬا.
د- كمية الإشعاع التى يمتصها السطح:
والسطح لا يمتص كل الأشعة التى تسقط عليه، بل يعكس جزء منها، يتوقف على انعكاسية السطح
لنوع الإشعاع.
٤٠ % من الإشعاع الشمسى - % فمعظم الأسطح غير المعدنية ذات اللون الفاتح تمتص حوالى ١٠
وتعكس الباقى، بينما تمتص ٩٠ % من الإشعاع الحرارى قصير الموجه، ولذلك تختلف تمامًا كمية
الإشعاع التى يمتصها السطح وتدخل فى حساب اتزانه الحرارى تبعًا لنوع الأشعة الساقطة عليه، ولا
تختلف جسم الإنسان عن ذلك كثيرًا، حيث أن امتصاصيته للإشعاع الحرارى حوالى ٩٠ %، بينما
تتوقف امتصاصيته للإشعاع الشمسى والضوء المرئى على لون بشرته ولون ملابسه.
ه- كمية الحرارة المنبعثة من سطح الجلد:
وتتوقف على درجة حرارته وانبعاثيته، وتصدر فى جميع الاتجاهات، فالسطح المستوى يصدر الأشعة
باتجاه نصف كرة فى صورة مشتتة، أما جسم الإنسان فتصدر الأشعة فى اتجاه كرة كاملة، وبافتراض أن
درجة حرارة سطح الجلد ٣ُ٤ م وأن انبعاثية جسم الإنسان للإشعاع الحرارى ٩٠ % نجد أن كمية
الطاقة التى يبعثها الإشعاع تساوى:
q = 0.9 x 5.77 x 10-8 x (34 + 273)4
q = 512.5 watt / m2
ويكون تأثير المحيط العمرانى مخفضًا لحرارة جسم الإنسان إذا قل ما يصدره من إشعاع إلى جسم الإنسان
عن ٥١٢ وات /م ٢ ، بينما يزيد من درجة حرارته إذا زاد عن ذلك.
حساب درجة الحرارة فى الشمس:
من الشائع سماع مصطلح أن درجة الحرارة فى الظل ٤ُ٠ م، ودرجة الحرارة فى الشمس ٥ُ٠ م، أو أحيانا
نسمع أرقام ضخمة مثل درجة الحرارة فى الشمس فى توشكى تصل إلى ٨ُ٥ م !!
فماذا تعنى هذه الأرقام ؟
إن درجة الحرارة فى الشمس هى درجة الحرارة العاملة التى تجمع تأثير الإشعاع الشمسى وتأثير درجة
حرارة الهواء، ويتم استنتاجها بحساب كمية الأشعة التى يتلقاها الإنسان من الشمس وباقى عناصر المحيط
العمرانى، وحساب درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة التى تتسبب فى كل هذا الإشعاع، ثم دمج تأثيرها
مع درجة حرارة الهواء.
مثال :
شخص يوجد فى الصحراء معرضًا لأشعة الشمس المباشرة، إذا علم أن الإشعاع الشمسى المباشر شدته
٩٠٠٠ وات/م ٢ والإشعاع المشتت ٥٠ وات/م ٢، وأن الأشعة المنعكسة من الأرض مقدارها
٣٠٠ وات/م ٢، وأن درجة حرارة الهواء ٣ُ٥ م، وأن الإشعاع الحرارى المنبعث من الأرض الواصل إليه
٣٠٠ وات/م ٢، وأن الامتصاصية الجسم للإشعاع الشمسى ٤٠ % ، افترض أن معامل مواجهة السماء
هو ٠,٥ والأرض هو ٠,٥
٢٥ وات / م ٢ = ٠,٥ × الطاقة الشمسية المشتتة = ٥٠
٢٧٠ وات/م ٢ = ٠,٤ × ٠,٥ × الطاقة الشمسية المباشرة = ٩٠٠
٢٠٠ وات/م ٢ = ٠,٣ × ٠,٥ × الطاقة الشمسية المنعكسة = ٣٠٠
١٧٣ وات/م ٢ = ٠,٩ × ٠,٥ × الطاقة الحرارية المنبعثة من الأرض ( ٥ُ٠ م) = ٦٣٠
٢٠٥ وات/م ٢ = ٠,٩ × ٠,٥ × الطاقة الحرارية المنبعثة من السماء ( ٢ُ٥ م) = ٤٥٥
كمية الطاقة الإشعاعية الإجمالية = ٦٢٨ وات/م ٢
بتطبيق قانون ستيفان بولتزمان :
درجة الحرارة الإشعاعية المشتتة = ٥ُ٠ م
ولتحديد درجة الحرارة العاملة بفرض أن سرعة حركة الهواء ١م/ث
T0 = Tr x 0.5 + Tair x 0.5 = [50.25 x 0.5] + 35 x 0.5 = 42.6 C
إذن درجة الحرارة العاملة فى الشمس تساوى ٤٢,٦ درجة مئوية
أى درجة الحرارة التى تضيفها الشمس إلى solar excess وفى هذه الحالة يعتبر أن الفائض الشمسى
إحساس الإنسان بالحرارة تساوى ٧,٦ درجة مئوية.
إن هذا المثال البسيط يوضح كيف يمكن أن يؤثر الإشعاع الشمسى والشمس فى شعور الإنسان
تأثير الإشعاع على الفراغات العمرانية
إن الإشعاع واحد من أهم المؤثرات فى ظروف الراحة الحرارية داخل الفراغ العمرانى، وخاصة فى المناطق
الحارة الجافة، فسطوع أشعة الشمس المباشرة لمعظم فترات السنة يتسبب فى رفع درجة الحرارة المحسوسة
بالمحيط العمرانى بشكل مباشر، كما يرفع درجة حرارة الأسطح المعرضة له مما يزيد من كمية الإشعاع
الحرارى طويل الموجة المنبعث منها، وتساهم الأشعة المنعكسة عن الأسطح الفاتحة اللون فى زيادة كمية
الإشعاع الشمسى المشتت فى الفراغ، ولا يتوقف تأثير انتقال الحرارة بالإشعاع على حركة الرياح،
فالحرارة تنتقل مباشرة عن الشمس أو الأسطح الساخنة إلى جسم الإنسان لتؤثر على شعوره بالراحة
بغض النظر عن درجة حرارة الهواء، أو تنتقل إلى أسطح ونوافذ المبانى التى يتم تصميمها مناخيًا لتؤثر
بشكل كبير على ظروف الراحة الحرارية ﺑﻬا.
ونظرًا لعدم اعتماد تأثير الإشعاع على تسخين الهواء، فهو أقل المتغيرات تأثرًا بحركة الرياح، ولذلك
يمكن اعتباره متغيرًا مستق ً لا يمكن التنبؤ به بدقة بغض النظر عن باقى الظروف صعبة التمثيل، وخاصة
كما سبق الذكر. CFD مشكلة التمثيل الدقيق لحركة الرياح والتى تحتاج إلى
فما هى الكميات المطلوب التعامل معها لتقييم تأثير انتقال الحرارة بالإشعاع بين عناصر المحيط العمرانى
والإنسان (لتقييم ظروف الفراغ العمرانى) أو بين غلاف المبنى ومحيطه العمرانى فى حالة تقييم تأثير المحيط
العمرانى على الراحة داخل فراغات المبانى.
أ- درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة ١
هذه القيمة هى المعبر الرئيسى عن تأثير الإشعاع على جسم الإنسان، وهى تعرف بأﻧﻬا درجة حرارة
جسم أسود مثالى يحيط بالإنسان من جميع الجهات ويبث كمية من الإشعاع الحرارى تساوى تلك التى
يتلقاها الإنسان من كل المصادر الإشعاعية المحيطة به بالفعل.
ويمكن حساﺑﻬا بطريقتين:-
حساب متوسط درجة حرارة كل من الأسطح المحيطة بالإنسان، وضرب درجة الحرارة هذه فى وزن
نسبى للسطح تتوقف على إنبعاثيته، وعامل مواجهة للإنسان، ويجمع هذه القيم لكل الأسطح، فتنتج
درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة.
١- حساب كمية الطاقة المنبعثة من كل سطح اعتمادا على درجة حرارته وانبعاثيته تبعا لقانون ستيفان
q = e x sb x (T)4 . بولتزمان 2
حيث
هى كمية الطاقة المنبعثة من وحدة المساحات من الجسم خلال وحدة الزمن q
إنبعاثية السطح، أو نسبة الإشعاع الصادر منه إلى أقصى كمية يمكن أن تنتجها جسم أسود فى نفس e
درجة الحرارة.
هى درجة حرارة السطح المطلقة (كلفن) T
درجة الحرارة المطلقة = درجة الحرارة المئوية + ٢٧٣
5.77 x 10 - ثابت ستيفن بولتزمان وقيمته 8 sb
٢- يتم حساب كمية الطاقة الساقطة على جسم الإنسان من كل الأسطح تبعًا لمعامل المواجهة بينه
وبينها .
٣- يتم جمع الطاقة الإشعاعية الواردة عن الشمس، أو من أى مصدر حرارى إشعاعى آخر والساقطة
على الجسم.
يتم التعويض ﺑﻬذه القيمة فى معادلة ستيفان بولتزمان، مع اعتبار الإنبعاثية تساوى واحد صحيح، بحيث
يتم تحديد درجة حرارة الجسم الأسود الذى يمكن أن يبث مثل هذه الطاقة.
والطريقة الثانية أدق حيث يمكن سهولة إضافة الطاقات الإشعاعية الواردة من مصادر نقطية كالشمس أو
الأشعة المنتشرة فى الغلاف الجوى.
ب- درجة الحرارة العاملة ١
يتأثر إحساس الإنسان بالحرارة بناءًا على مزيج من تأثير درجة حرارة الهواء ودرجة الحرارة الإشعاعية،
وفى الظروف المعتادة يعتبر أن نصيب كل منها تساوى، ولكن مع زيادة سرعة حركة الهواء تبريد التبادل
الحرارى مع الهواء المحيط، لذلك تزيد نسبة تأثير درجة حرارة الهواء عن درجة الحرارة الإشعاعية.
والتأثير اﻟﻤﺠمع لكل من درجتى الحرارة هاتين يسمى (درجة الحرارة العاملة) فى الفصل الثالث، ويمكن
حساﺑﻬا من الخرائط شكل ( ٣ - ) أو بواسطة برنامج بسيط تم تطويره كترجمة رقمية لهذه الخرائط
(ملحق ).
وهنا يعود تأثير حركة الهواء للظهور كمؤثر فى تحديد تأثير الإشعاع على الإنسان، لكنه لا يغير من قيمة
هذا الإشعاع.
ج- كمية الإشعاع الحرارى الساقطة على سطح معين
سواء كان هذا السطح، أحد أسطح المبانى أو جسم الإنسان.
وتتخذ فى حالة السطح الذى يتلقى الإشعاع من وجه واحد، أى أنه يواجه نصف كرة يتلقى منها كل
إشعاعه، أما جسم الإنسان فهو يتلقى الإشعاع من كل الجهات (يواجه كرة كاملة).
ما هى الكميات الإشعاعية التى يتلقاها أى سطح فى الفراغ العمرانى:
أ- الإشعاع الشمسى المباشر.
ب- الإشعاع الشمسى المشتت.
ج- الإشعاع الشمسى المنعكس (عن الأرض وعناصر المحيط العمرانى الأخرى).
د- الإشعاع الحرارى من السماء.
ه- الإشعاع الحرارى من عناصر المحيط العمرانى نتيجة درجة حرارﺗﻬا.
د- كمية الإشعاع التى يمتصها السطح:
والسطح لا يمتص كل الأشعة التى تسقط عليه، بل يعكس جزء منها، يتوقف على انعكاسية السطح
لنوع الإشعاع.
٤٠ % من الإشعاع الشمسى - % فمعظم الأسطح غير المعدنية ذات اللون الفاتح تمتص حوالى ١٠
وتعكس الباقى، بينما تمتص ٩٠ % من الإشعاع الحرارى قصير الموجه، ولذلك تختلف تمامًا كمية
الإشعاع التى يمتصها السطح وتدخل فى حساب اتزانه الحرارى تبعًا لنوع الأشعة الساقطة عليه، ولا
تختلف جسم الإنسان عن ذلك كثيرًا، حيث أن امتصاصيته للإشعاع الحرارى حوالى ٩٠ %، بينما
تتوقف امتصاصيته للإشعاع الشمسى والضوء المرئى على لون بشرته ولون ملابسه.
ه- كمية الحرارة المنبعثة من سطح الجلد:
وتتوقف على درجة حرارته وانبعاثيته، وتصدر فى جميع الاتجاهات، فالسطح المستوى يصدر الأشعة
باتجاه نصف كرة فى صورة مشتتة، أما جسم الإنسان فتصدر الأشعة فى اتجاه كرة كاملة، وبافتراض أن
درجة حرارة سطح الجلد ٣ُ٤ م وأن انبعاثية جسم الإنسان للإشعاع الحرارى ٩٠ % نجد أن كمية
الطاقة التى يبعثها الإشعاع تساوى:
q = 0.9 x 5.77 x 10-8 x (34 + 273)4
q = 512.5 watt / m2
ويكون تأثير المحيط العمرانى مخفضًا لحرارة جسم الإنسان إذا قل ما يصدره من إشعاع إلى جسم الإنسان
عن ٥١٢ وات /م ٢ ، بينما يزيد من درجة حرارته إذا زاد عن ذلك.
حساب درجة الحرارة فى الشمس:
من الشائع سماع مصطلح أن درجة الحرارة فى الظل ٤ُ٠ م، ودرجة الحرارة فى الشمس ٥ُ٠ م، أو أحيانا
نسمع أرقام ضخمة مثل درجة الحرارة فى الشمس فى توشكى تصل إلى ٨ُ٥ م !!
فماذا تعنى هذه الأرقام ؟
إن درجة الحرارة فى الشمس هى درجة الحرارة العاملة التى تجمع تأثير الإشعاع الشمسى وتأثير درجة
حرارة الهواء، ويتم استنتاجها بحساب كمية الأشعة التى يتلقاها الإنسان من الشمس وباقى عناصر المحيط
العمرانى، وحساب درجة الحرارة الإشعاعية المتوسطة التى تتسبب فى كل هذا الإشعاع، ثم دمج تأثيرها
مع درجة حرارة الهواء.
مثال :
شخص يوجد فى الصحراء معرضًا لأشعة الشمس المباشرة، إذا علم أن الإشعاع الشمسى المباشر شدته
٩٠٠٠ وات/م ٢ والإشعاع المشتت ٥٠ وات/م ٢، وأن الأشعة المنعكسة من الأرض مقدارها
٣٠٠ وات/م ٢، وأن درجة حرارة الهواء ٣ُ٥ م، وأن الإشعاع الحرارى المنبعث من الأرض الواصل إليه
٣٠٠ وات/م ٢، وأن الامتصاصية الجسم للإشعاع الشمسى ٤٠ % ، افترض أن معامل مواجهة السماء
هو ٠,٥ والأرض هو ٠,٥
٢٥ وات / م ٢ = ٠,٥ × الطاقة الشمسية المشتتة = ٥٠
٢٧٠ وات/م ٢ = ٠,٤ × ٠,٥ × الطاقة الشمسية المباشرة = ٩٠٠
٢٠٠ وات/م ٢ = ٠,٣ × ٠,٥ × الطاقة الشمسية المنعكسة = ٣٠٠
١٧٣ وات/م ٢ = ٠,٩ × ٠,٥ × الطاقة الحرارية المنبعثة من الأرض ( ٥ُ٠ م) = ٦٣٠
٢٠٥ وات/م ٢ = ٠,٩ × ٠,٥ × الطاقة الحرارية المنبعثة من السماء ( ٢ُ٥ م) = ٤٥٥
كمية الطاقة الإشعاعية الإجمالية = ٦٢٨ وات/م ٢
بتطبيق قانون ستيفان بولتزمان :
درجة الحرارة الإشعاعية المشتتة = ٥ُ٠ م
ولتحديد درجة الحرارة العاملة بفرض أن سرعة حركة الهواء ١م/ث
T0 = Tr x 0.5 + Tair x 0.5 = [50.25 x 0.5] + 35 x 0.5 = 42.6 C
إذن درجة الحرارة العاملة فى الشمس تساوى ٤٢,٦ درجة مئوية
أى درجة الحرارة التى تضيفها الشمس إلى solar excess وفى هذه الحالة يعتبر أن الفائض الشمسى
إحساس الإنسان بالحرارة تساوى ٧,٦ درجة مئوية.
إن هذا المثال البسيط يوضح كيف يمكن أن يؤثر الإشعاع الشمسى والشمس فى شعور الإنسان
