"ГОСТ Р 53615-2009 (МЭК 60721-2-4:1987). Национальный стандарт Российской Федерации. Воздействие природных внешних условий на технические изделия. Общая характеристика. Солнечное излучение и температура"
(утв. и введен в действие Приказом Ростехрегулирования от 15.12.2009 N 947-ст)

Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании", а правила применения национальных стандартов Российской Федерации - ГОСТ Р 1.0-2004 "Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения".

1. Подготовлен Техническим комитетом по стандартизации ТК 341 "Внешние воздействия" на основе собственного аутентичного перевода стандарта, указанного в пункте 4.

2. Внесен Техническим комитетом по стандартизации ТК 341 "Внешние воздействия".

3. Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 декабря 2009 г. N 947-ст.

4. Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к международному стандарту МЭК 60721-2-4:1987 "Классификация внешних условий. Часть 2. Природные внешние условия. Солнечное излучение и температура" (IEC 60721-2-4:1987 "Classification of environmental conditions. Part 2: Environmental conditions appearing in nature. Solar radiation and temperature") с дополнениями, отражающими потребности национальной экономики (выделены курсивом): уточнением наименования стандарта, области его применения, уточнением терминологии, увязкой показателей, установленных в МЭК 60721-2-4, с показателями, установленными в группе межгосударственных стандартов по статистическим параметрам климатов земного шара, и со стандартами технических требований (ГОСТ 15150) и методов испытаний.

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2004 (подраздел 3.5).

5. Введен впервые.

Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячно издаваемых информационных указателях "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет.

Настоящая часть МЭК 60721 предназначена для использования как основополагающий материал при выборе требуемых жесткостей параметров, относящихся к солнечному излучению, применительно к техническим изделиям.

Солнечное излучение воздействует на изделия в первую очередь путем нагрева материалов и окружающей их среды и путем фотохимического старения материала.

Ультрафиолетовая составляющая солнечного излучения вызывает фотохимическое старение большей части органических материалов. Она отрицательно воздействует на эластичность и пластичность некоторых каучуковых смесей и пластических материалов. Оптические стекла могут потерять прозрачность.

Вследствие солнечного излучения выцветают краски на картинах, текстильных материалах, бумаге и т.п. Это может быть важно, например, в компонентах цветового кода.

Наиболее значительным эффектом воздействия солнечного излучения является нагрев материалов. Установление степеней жесткостей солнечного излучения должно относиться к плотности энергии излучения на поверхность или освещенности, выраженной в ваттах на квадратный метр.

Температура изделия, подвергаемого воздействию солнечного излучения, зависит в первую очередь от температуры окружающего воздуха, энергии солнечного излучения и угла падения излучения на изделие. Другие факторы (например, ветер и теплопередача через места крепления изделия) могут не приниматься во внимание. Кроме того, имеет значение коэффициент поглощения поверхностью излучения с длинами волн, составляющими полный (интегральный) солнечный спектр.

Кажущаяся температура воздуха t_s может быть определена как температура поверхности, образующаяся в результате воздействия (при установленных условиях) реальной температуры воздуха t_u и дополнительного воздействия плотности потока энергии солнечного излучения E.

Приблизительное значение вычисляется по формуле

Коэффициент h_y - это коэффициент теплоотдачи поверхности, Вт/(м²·°C), включающий теплоизлучение в окружающую среду, теплопроводность и конвекцию в результате действия ветра.

Коэффициент поглощения зависит от цвета поверхности (по отношению к теплопоглощению), отражения и прозрачности поверхности.

Ниже приведены типовые значения вышеуказанных коэффициентов для ясного неба:

;

h_y = 20 Вт/(м^2·°C);

E = 900 Вт/м².

При этих значениях превышение температуры вследствие солнечного излучения составляет приблизительно 30 °C. Можно видеть, что погрешность 10% в оценке интенсивности солнечного излучения влияет на температуру не более чем на 5 °C. Таким образом, в этой классификации нет необходимости учитывать экстремально точные жесткости солнечного излучения, а неосновными факторами, определяемыми теплоизлучением, можно пренебречь.

Эффект нагревания вызывается в основном кратковременным излучением высокой интенсивности, то есть солнечным излучением в полуденное время в безоблачные дни. Эти значения приведены в таблице 1.

В настоящем стандарте также рассмотрен вопрос определения низших возможных значений излучения тепла с поверхности изделия в атмосферу при ясном ночном небе (см. рисунок 1); эти значения можно использовать для определения дополнительного понижения температуры поверхности изделия, находящегося ночью под открытым небом.

Электромагнитное излучение, исходящее на землю от солнца, охватывает широкий спектр - от ультрафиолетового до инфракрасного ближнего. Большая часть энергии, достигающей поверхности земли, находится в диапазоне волн от 0,3 до 4 мкм с максимумом в видимом диапазоне вокруг 0,5 мкм. Типичный спектр диапазона представлен на рисунке 2.

Полное количество лучистой солнечной энергии, проходящей за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной по направлению к солнцу и расположенной за пределами земной атмосферы, называется солнечной постоянной. Ее значение равно приблизительно 1,37 кВт/м².

Расстояние от земли до солнца изменяется в течение года, и, следовательно, уровень излучения изменяется (приблизительно) от 1,41 кВт/м² в январе до 1,32 кВт/м² в июле.

Приблизительно 99% солнечной энергии излучается волнами длиной менее 4 мкм. Большая часть волн длиной менее 0,3 мкм поглощается атмосферой и не достигает поверхности земли. При дальнейшем прохождении через атмосферу солнечного излучения имеет место его дополнительное поглощение и рассеивание вследствие наличия в атмосфере различных газов и твердых частиц. В результате рассеивания прямого солнечного излучения в атмосфере образуется рассеянное небесное излучение. Таким образом, солнечная энергия, достигающая поверхности земли в определенном месте, является суммой прямого и рассеянного солнечного излучений, которое рассматривается как интегральное излучение всего диапазона солнечного спектра. Вышеуказанная сумма влияет на эффект нагрева, и, таким образом, значения уровней солнечного излучения, приведенные в настоящем стандарте, относятся к интегральному излучению всего диапазона солнечного спектра (далее - суммарное интегральное излучение).

6.1. Максимальные уровни

Максимального уровня интегральное суммарное излучение достигает в полдень ясного дня на поверхности, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, и зависит от содержания взвешенных частиц, озона и водяного пара в воздухе. Оно также изменяется в зависимости от географического положения и типа климата.

Интегральное суммарное излучение на поверхности, перпендикулярной к направлению солнечных лучей, может достигать значения 1120 Вт/м² в полдень безоблачного дня при приблизительном содержании 1 см водяного пара, 2 мм озона и количества взвешенных частиц (где - коэффициент помутнения Ангстрема). Значение 1120 Вт/м² является типичным для плоского ландшафта, вдали от индустриальных районов и больших городов с углом падения солнечного излучения более 60°.

Примечание. Водные пары, содержащиеся в атмосфере в виде вертикальных столбов, измеряются по высоте в сантиметрах и соответствуют выпадающим в виде воды осадкам. Аналогично озон, содержащийся в атмосфере в виде вертикальных столбов, измеряется как высота, соответствующая озоновому столбу при нормальных температуре и давлении. Поглощение и рассеивание аэрозольных твердых частиц выражается коэффициентом помутнения Ангстрема, который является оптической глубиной атмосферы по отношению к затуханию монохромного излучения с длиной волны .

Прямое солнечное излучение уменьшается с увеличением помутнения. Помутнение велико в районах с тропическим влажным (в том числе субтропическим) и тропическим сухим климатом, а также в пустынях, где высока концентрация твердых частиц в воздухе. Помутнение также велико в крупных городах и мало в горных районах.

В таблице 1, раздел 4 приведены уровни, рекомендованные для применения как пиковые значения интегральной поверхностной плотности потока солнечного излучения, вычисленные опытным путем в безоблачный день, в полдень на поверхности, перпендикулярной к направлению солнечных лучей. Отклонения указанного уровня возможны всего на несколько процентов в интервале нескольких часов, в полуденное время, так что приведенные в таблице значения могут считаться представительными.

6.2. Среднемесячные и среднегодовые значения интегрального суммарного солнечного излучения

В то время как наибольший греющий эффект солнечного излучения на земной поверхности обычно зависит от краткосрочного излучения в полуденное время, фотохимический эффект относится к излучению, суммированному по времени, то есть к облучению. Наиболее удобным и повсеместно используемым для сравнения является значение энергии облучения, получаемой объектом в течение суток (энергетическая суточная экспозиция). В декабре среднемесячное значение энергетической суточной экспозиции достигает (ближе к Южному полюсу) приблизительно 10,8 кВтч/м² из-за продолжительности дневного времени суток. Вне района Антарктики уровень энергетической суточной экспозиции достигает приблизительно 8,4 кВтч/м².

В районах пустынь наибольшие среднегодовые значения энергетической суточной экспозиции достигают 6,6 кВтч/м².

6.3. Совместное воздействие максимальных температур воздуха и солнечного излучения

Наименьшие значения коэффициента помутнения наблюдаются в холодных воздушных массах. Поэтому значения по таблице 1, раздел 4 не встречаются при наивысших значениях температуры воздуха.

Обобщенное значение интегрального суммарного солнечного излучения не превышает 80% значений, приведенных в таблице 1, раздел 4 для максимальных температур воздуха по ГОСТ 15150.

6.4. Распределение энергетической суточной экспозиции интегрального суммарного солнечного облучения по земному шару

Распределение энергетической суточной экспозиции интегрального суммарного солнечного облучения по земному шару представлено в Приложении A.

В безоблачные ночи при очень низком излучении из атмосферы температура поверхности незащищенных изделий опускается ниже температуры окружающего воздуха.

Теоретически установившееся значение температуры T₀ поверхности изделия, в кельвинах, для этого случая вычисляют по закону Больцмана:

где - константа Стефана-Больцмана, 5,67·10^-8 W/(м²·К⁴);

A - излучение тепла в атмосферу при ясном ночном небе, W/м² (см. рисунок 1).

На практике температуры могут быть выше в зависимости от теплопроводимости, конвекции и конденсации влаги.

Например, поверхность термоизолированного диска, находящегося в горизонтальном положении и оставленного под открытым небом ясной ночью, может принять температуру - 14 °C при температуре воздуха 0 °C и относительной влажности, близкой к 100%.

Излучение тепла в атмосферу при ясном ночном небе как функция от температуры воздуха на высоте 2 м над поверхностью земли представлена на рисунке 1. В ясные ночи относительная влажность обычно очень высока.

На картах мира (рисунки A.1 - A.3) приведены изогелии относительной энергетической суточной экспозиции интегрального суммарного солнечного облучения по земному шару (июль, декабрь и среднегодовые значения), полученные по наблюдениям со спутника (см. примечание, п. 1). Относительная энергетическая суточная экспозиция интегрального суммарного солнечного облучения определяется как отношение энергетической суточной экспозиции интегрального суммарного солнечного облучения (измеренного на поверхности земли), деленное на внеземную энергетическую суточную экспозицию интегрального солнечного облучения, представляющего собой солнечное излучение на поверхность, перпендикулярную к направлению солнечных лучей и расположенную вне пределов земной атмосферы.

Примечания

1. Источники ссылок: всемирные карты относительного суммарного солнечного излучения. Всемирная метеорологическая организация, выпуск 172, приложение WMO - N 557. Женева, 1981.

2. Значение ежедневной энергетической экспозиции в кВтч/м² получены путем деления соответственно месячного или годового баланса энергии в мДж/м² на количество дней: 30 - для июня, 31 - для декабря, 365 - для года.

Определить среднюю ежедневную энергетическую экспозицию интегрального суммарного солнечного излучения, которая должна наблюдаться в июне в южной точке Калифорнийского полуострова.

На рисунке A.1 соответствующая точка (находится приблизительно на 23° северной широты) окружена изогелией 60%; значение для точки составляет приблизительно 62%.

Полученное по таблице A.1 интерполированное значение средней энергетической суточной экспозиции интегрального суммарного солнечного облучения для 23° северной широты для графы "Июнь", составляющее 11,16 кВтч/м², умножается на вышеуказанное относительное, соответствующее процентному значение для точки.

Таким образом, средняя энергетическая суточная экспозиция интегрального суммарного солнечного облучения составляет приблизительно 6,9 кВт/м².