rakennustietosäätiö RT 055.30 bygginformationsstiftelsen Ilmatieteen laitoksen kanssa yhteistyössä 1976 Kesäkuu 1 (7) TÄMÄ RT-KORTTI SISÄLTYY RAKENNUSTIETOSÄÄTIÖN RAKENNUSTIETOKORTISTOON. JÄLKIPAINOS KIELLETÄÄN. OSITTAIN LAINATTAESSA ON LÄHDE MAINITTAVA. ILMASTO, SÄTEILY Climate, solar radiation UDK 551.521 SfB A auringonsäteily pilvisyys valoisuus 1 YLEISTÄ 1.1 Sisältö Tässä RT-kortissa esitetään perustietoja auringon säteilystä sekä säteilyä, valoisan ajan pituutta, auringonpaistetta ja pilvisyyttä koskevia tietoja eräillä paikkakunnilla. Tarkempia tietoja saa Ilmatieteen laitokselta, joka suorittaa havaintoasemillaan säteilyä ja auringonpaistetta koskevia mittauksia. 1.2 Käyttö Säteilyolot vaihtelevat vuodenaikojen ja pilvisyyden mukaan. Pitkäaikaisiin säteilyhavaintoihin perustuvia tietoja voidaan käyttää rakentamisessa hyväksi tulevien säteilyolojen ennustamisessa. Auringonsäteilyn tunteminen on oleellista rakennustekniikkaan liittyvissä lämpö- ja valaistusteknillisissä kysymyksissä, esimerkiksi mitoitettaessa rakennusten lämmitys- ja jäähdytystarvetta sekä jäähdytys- ja ilmastointilaitteita sekä suunniteltaessa luonnonvalon hyväksikäyttöä. Auringonsäteily vaikuttaa rakennusmateriaaleihin ja rakennusten pintakäsittelyyn, sillä se aiheuttaa kemiallisia reaktioita kuten värimuutoksia tai aineiden vanhenemista säteilyn kohteeksi joutuvissa pinnoissa. 1.3 Käsitteitä Auringonsäteily eli insolaatio (solar radiation) on auringon lähettämä säteily. Se koostuu näkyvistä valonsäteistä, infrapunaisista lämpösäteistä ja ultraviolettisäteistä. Auringonsäteily vaikuttaa ilmastoon ja elinolosuhteisiin. Auringonsäteilyn vaikutus vastaanottavan pinnan lämpötilaan riippuu säteilyn määrästä, pinnan laadusta, lämpökapasiteetista ja lämmönjohtavuudesta sekä ilmavirran nopeudesta. Auringon lähettämästä säteilystä vain hyvin pieni osa osuu Maahan. Ilmakehän ulkorajalle tulevan auringonsäteilyn määrä on jokseenkin muuttumaton, noin 1400 W/m². Säteilyn määrää kutsutaan aurinkovakioksi (solar constant). Ilmakehässä olevat ainehiukkaset kuten pölyhiukkaset, vesipisarat jne. absorboivat, heijastavat ja taittavat osan säteilystä. Suora auringonsäteily (direct solar radiation) on auringosta suoraan maanpinnalle tuleva säteily. Hajasäteily (sky radiation) on se osa auringonsäteilystä, joka on siroutunut tai muuttanut suuntaa ilmakehässä olevien ainehiukkasten takia. Hajasäteily on sitä suurempaa, mitä enemmän ilmassa on ainehiukkasia. Kokonaissäteily (global radiation) on suoranaisen säteilyn ja hajasäteilyn summa. Heijastunut säteily (reflected solar radiation) on ylöspäin suuntautunut maanpinnan heijastama säteily. Heijastunut säteily riippuu maanpinnan muodosta, peitteestä jne. Säteilyn heijastuskyky eli albedo on kappaleesta heijastuvan ja sille osuvan säteilymäärän suhde prosentteina ilmaistuna. Heijastumisen keskimääräinen suuruus eri pinnoista on seuraava: merenpinnasta 10 % kuivan maan pinnasta 10...20 % tai vähemmän, sulavan lumen pinnasta 40 % puhtaan lumen pinnasta 80...90 % lumipinnasta keskimäärin 70 % Lämpösäteily on kuumasta tai lämpimästä kappaleesta lähtevä sähkömagneettinen infrapunasäteily, joka useimmissa aineissa absorboituu ja muuttuu pääosaltaan lämmöksi. Aurinkoenergia on auringon säteilyä hyväksi käyttäen synnytetty energia. Näkyvä säteily eli valo on säteilyä, joka välittömästi voi aikaansaada näköaistimuksen. Valaistus on valonlähteen tai valonlähteiden jossain tilassa tai pinnassa aikaansaama valoisuus. Valaistusvoimakkuus on pintaan osuva valovirta jaettuna pinta-alayksikköä kohden. Valaistusvoimakkuus mitataan luksimittarilla ja ilmoitetaan luksina (Ix).
Sivu 2 RT 055.30 2 SÄTEILYN MÄÄRÄ 2.1 Kokonais-, haja- ja heijastunut säteily Auringonsäteilyn mittaus perustuu säteilyn lämpö-, valo- tai kemiallisiin vaikutuksiin. Mittaus suoritetaan esimerkiksi solarimetrillä tai pyranometrillä ja ilmoitetaan wattia (W) pinta-alayksikköä kohti. Ilmatieteen laitos käyttää mittauksissaan yksikköä milliwattitunti neliösenttimetriä kohti (mwh/cm²). Säteilymittaukset suoritetaan Suomessa vaakasuoralle pinnalle. Saaduista arvoista voidaan laskemalla eräin oletuksin johtaa säteilyn määrät eri suuntaisille pystysuorille pinnoille, kun tunnetaan auringon korkeuskulma ja sitä vastaava atsimutikulma. Auringon korkeuskulman ja atsimutikulman määräämisestä ks. Varjon suunta ja pituus, RT 055.33. Säteilyn määrä riippuu auringon korkeuskulmasta, vastaanottavan pinnan suunnasta sekä ilmakehän läpäisykyvystä. Seuraavassa esitetään tietoja auringon eri säteilylajeista kolmella paikkakunnalla ajanjaksolta 1958...1967. Tiedot perustuvat Ilmatieteen laitoksen suorittamiin mittauksiin. Taulukossa 1 on esitetty tietoja vaakasuoralle pinnalle tulevasta kokonais-, haja- ja heijastuneesta säteilystä Helsingissä, Jyväskylässä ja Sodankylässä kaudelta 1958...1967. Kokonaissäteily saavuttaa vuoden maksimiarvon kesäkuussa kaikilla havaintoasemilla (noin 20 MWs/m²). Hajasäteilyn maksimialue on kesäkuussa (noin 7...8 MWs/m²), josta se alkaa pienentyä maan eteläosissa heinä...elokuussa. Heijastuneen säteilyn suurimmat arvot esiintyvät keväällä lumipeitteisenä kautena maalis...huhtikuussa (noin 3...9 MWs/m²). Kuvissa 1...3 on esitetty kokonaissäteilyn vuorokautinen ja vuotuinen vaihtelu sekä valoisa, hämärä ja pimeä aika. Kuvissa kuukaudet on merkitty vaaka-akselille ja kellonajat pystyakselille. Uloimmat käyrät esittävät auringon nousun ja laskun aikoja, muut käyrät kokonaissäteilyn voimakkuutta. Pystysuorilta riveiltä saadaan tietyn päivämäärän kokonaissäteilyn voimakkuudet vuorokauden eri aikoina ja vaakasuorilta riveiltä tietyn vuorokaudenajan kokonaisvoimakkuudet eri päivinä vuodessa. Kuvasta 1 havaitaan, että keskipäivätuntien arvot Helsingissä marras...tammikuussa ovat noin 60 W/m². Päivän pidentyessä kesää kohti lisääntyy keskipäivän säteily suhteellisen säännöllisesti ja on toukokuun lopulla noin 600 W/m². Heinäkuun puolen välin jälkeen kokonaissäteilyn määrä keskipäivällä vähenee säännöllisesti talven alkuun saakka. Kuvista 2 ja 3 havaitaan, että Jyväskylässä ja Sodankylässä kokonaissäteilyn määrä on keskimäärin suurempi aamupäivällä kuin iltapäivällä. Kesän suurimmat arvot ovat noin 450 W/m², 600 W/m 2 ylittäviä arvoja ei esiinny. Sodankylässä ei esiinny joulukuussa kokonaissäteilyä auringon ollessa horisontin alapuolella. Taulukossa 2 on esitetty erisuuntaisille pystysuorille pinnoille tulevan auringonsäteilyn vuorokausisummat 60 ja 70 leveysasteella. Taulukon mukaan etelään suuntautuvalle pinnalle tulee Etelä-Suomessa helmikuussa enemmän auringonsäteilyä kuin kesäkuussa. Pohjoiseen suuntautuvalle pinnalle ei talvikuukausina tule auringonsäteilyä juuri ollenkaan. Pohjois-Suomessa tulee kesällä erisuuntaisille pinnoille säteilyä melko tasaisesti. Kuva 1. Kokonaissäteilyn vuorokautinen ja vuotuinen vaihtelu (W/ m²) sekä valoisa, hämärä ja pimeä aika Helsingissä (Ilmala) 1958...1967 Kuva 2. Kokonaissäteilyn vuorokautinen ja vuotuinen vaihtelu (W/m²) sekä valoisa, hämärä ja pimeä aika Jyväskylässä (lentoasema) 1958...1967 Kuva 3. Kokonaissäteilyn vuorokautinen ja vuotuinen vaihtelu (W/m²) sekä valoisa, hämärä ja pimeä aika Sodankylässä 1958...1967
Sivu 3 RT 055.30
Sivu 4 RT 055.30 2.2 Valosäteily Auringonsäteilyn voimakkuuden ja valon voimakkuuden välillä on suhteellisen kiinteä korrelaatio. Sään vaihtelu ja auringon korkeuskulma voivat jossakin määrin vaikuttaa korrelaatioon. Selkeän sään vallitessa säteilyn perusteella voidaan valaistuksen voimakkuus ilmaista säteilyhavaintojen avulla. Valaistusvoimakkuus riippuu esimerkiksi leveysasteesta, vuodenajasta, säätilasta ja kellonajasta. Pilvipeite vaikuttaa valaistukseen haittaavasti. Ylimmät pilvimuodot estävät vähemmän valon läpipääsemistä, keskipilvet ja alimmat pilvikerrostumat estävät valon tehokkaasti. Täysin pilvisenä päivänä tulee valo kuitenkin maanpinnalle siten, että valaisu on noin 25...30 % pilvettömän taivaan valaisumäärästä. Kuvassa 4 on esitetty valaistusvoimakkuuden jakautuminen vaakasuoralla pinnalla 60 leveysasteella. Valaistusvoimakkuus on suurimmillaan keväällä ja kesällä (11 000...40 000 Ix), alimmillaan syksyllä ja talvella (100...11 000 Ix). Valaistusvoimakkuus on suurimmillaan auringon ollessa korkeimmillaan. 2.3 Valoisa, hämärä ja pimeä aika Valoisan, hämärän ja pimeän ajan vaihtelu riippuu paikkakunnan sijainnista sekä vuoden- ja vuorokaudenajasta, sekä lisäksi pilvisyydestä, kosteudesta ja ilman puhtaudesta. Taulukossa 3 on esitetty aamu- ja iltahämärän sekä pimeyden kestoaika eräillä paikkakunnilla. Joulukuun alun ja tammikuun alun välisen ajan aurinko on Pohjois-Suomessa horisontin alapuolella, jolloin vallitsee hämärä ja pimeä aika. Toukokuun alun ja heinäkuun lopun välisenä aikana aurinko ei Pohjois-Suomessa laske horisontin alapuolelle. Valoisan, hämärän ja pimeän ajoista ks. kuvat 1...3. Kuva 4. Valaistusvoimakkuuden (Ix) jakautuminen vaakasuoralla pinnalla 60 leveysasteella. Lähde; Rakennustekniikan käsikirja. Talonrakennustekniikka, osa 4. Helsinki 1974.
Sivu 5 RT 055.30 Taulukko 3. Aamu- ja iltahämärän sekä pimeyden kestoaika eräillä paikkakunnilla. Suluissa olevat luvut tarkoittavat hämärän kokonaiskestoaikaa silloin
Sivu 6 RT 055.30 3 AURINGONPAISTE JA PILVISYYS Auringonpaisteen kestoaika riippuu vuodenajasta ja pilvisyydestä. Auringonpaisteaika mitataan aurinkoautografilla ja ilmoitetaan tunteina. Taulukossa 4 ja kuvassa 5 on esitetty auringonpaistetuntien keskimääräinen lukumäärä eräillä paikkakunnilla. Auringonpaistetunteja esiintyy eniten touko-, kesä- ja heinäkuussa, vähiten joulu- ja tammikuussa. Suhteellinen auringonpaisteaika on havaitun auringonpaisteajan ja auringon ylhäälläoloajan suhde prosentteina ilmaistuna. Taulukossa 5 on esitetty suhteellinen auringonpaisteaika eräillä paikkakunnilla. Auringonpaisteaika on syyskuun ja helmikuun välisenä aikana vähäinen. Maaliskuusta elokuuhun auringonpaisteaika on suhteellisesti suurempi. Keskimääräinen pilvisyys on aamu-, päiväja iltapilvihavainnon keskiarvo. Keskimääräisen pilvisyyden avulla eri paikkakuntien pilvisyyttä voidaan verrata toisiinsa. Taulukossa 6 on esitetty keskimääräinen pilvisyys eräillä paikkakunnilla. Rannikkoalueilla pilvisyys on pienempi kuin sisämaassa. Suurin pilvisyys esiintyy Pohjois-Suomessa, minkä aiheuttavat lähinnä kesän suhteellisen suuret pilvisyyden arvot. Kuva 5. Auringonpaistetuntien lukumäärä vuodessa 1931... 1960 LÄHDEKIRJALLISUUTTA Almanakka karkausvuodeksi 1976. Helsinki 1975. Brown, Gösta Isfält, Engelbrekt; Solinstrålning och solavskärmning. Statens Institut för byggnadsforskning. Stockholm. Rapport R 19:1974. Guide to meteorological instrument and observing practices. World meteorological organization. N:o 8. TP-3. Geneva 1971. Huovila, Seppo; Fysikaalinen meteorologia l. Helsinki 1974. Huovila, Seppo Pihlajavaara, S.E; Suomen ilmaston pääpiirteet erityisesti talvirakentamista silmälläpitäen. Valtion teknillinen tutkimuslaitos. Tiedotus 2. Sarja III. Helsinki 1956. Ilmastohavainnot. Suomen Meteorologinen vuosikirja, osa 4. Julkaistaan vuosittain. Sisältää tiedot noin 30 havaintoasemalta. Kolkki, Osmo; Katsaus Suomen ilmastoon. Ilmatieteen laitoksen tiedonantoja n:o 18. Helsinki 1969. Matilainen, Veijo; LVI-tekniikassa tarvittavat säätiedot. Rakennustaito 6/1976. Rakennustekniikan käsikirja, osa 4. Talonrakennustekniikka. Helsinki 1974. Rossi, Veikko; Auringon säteilyn mittauksien tuloksia Suomessa 1958...1967. Helsinki 1976. Liite Suomen meteorologiseen vuosikirjaan, osa 4. Rossi, Veikko; Lapin ilmasto. Eripainos Kansallis-Osake- Pankin kuukausikatsauksesta n:o 5/1971. Teaching the Teachers on Building Climatology, CIB Steering Groups S4 colloquium Stockholm September 4 6, 1972. The National Swedish Institute for Building Research, Document D 20:1973. Tekniikka ja ilmasto. Insinöörijärjestöjen Koulutuskeskus ry. Julkaisu 27 69. Helsinki 1969.
Sivu 7 RT 055.30 Taulukko 4. Auringonpaistetuntien keskimääräinen lukumäärä eräillä paikkakunnilla 1957...1967 Taulukko 5. Suhteellinen auringonpaisteaika prosentteina eräillä paikkakunnilla 1957...1967