строительная климатология и физика среды
advertisement
Федеральное агентство по образованию Казанский государственный архитектурно-строительный университет В.Н.Куприянов СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ И ФИЗИКА СРЕДЫ Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 653500 «Строительство» Казань, 2007 УДК 624.0 ББК 38.113 К92 Рецензенты: Кафедра архитектуры Нижегородского государственного архитектурностроительного университета (зав.кафедрой – профессор, член-корреспондент РААСН) В.Н.Бобылев Профессор, заведующий кафедрой архитектуры Московского государственного строительного университета А.К.Соловьев Кандадат технических наук, профессор кафедры архитектуры Казанского государственного архитектурно-строительного университета Т.П.Копсова В.Н.Куприянов К92 Строительная климатология и физика среды: Учебное пособие. – Казань: КГАСУ, 2007. – 114 с. Печатается по решению Редакционно-издательского совета государственного архитектурно-строительного университета Казанского Рассмотрены основные климатические факторы и их воздействия на здания. Дан анализ климата и микроклимата в районе застройки. Рассмотрены архитектурные средства преобразования среды. Особое внимание уделено обоснованию величины показателей климатических факторов и их набору в зависимости от решаемых задач в проектировании и эксплуатации зданий. Описаны процессы физики среды при действии природно-климатических факторов (водоотвод с кровли, снегозаносы, инсоляция, микроклимат, воздухообмен в помещениях, естественное освещение). Пособие предназначено для студентов специальности 270114 «Проектирование зданий» и может быть полезно студентам, магистрам и аспирантам других строительных и архитектурных специальностей, а также специалистам проектных организаций. Илл.64; табл.30; библ. 77 наим. УДК 624.0 ББК 38.113 ISBN 978-5-7829-0169-1 С Куприянов В.Н., 2007 С Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2007 Куприянов Валерий Николаевич СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ И ФИЗИКА СРЕДЫ Учебное пособие Редактор В.В.Попова Подписано в печать 04.12.06 Формат 60х84/16 Заказ № 624 Усл.-печ.л.7,4 Тираж 500 экз. Бумага тип.№1 Уч.-изд.л.7,6 I завод - 300 Редакционно-издательский отдел Казанского государственного архитектурно-строительного университета 420043, г.Казань, ул.Зеленая, 1 ___________________________________________________________ Печатно-множительный отдел Казанского государственного архитектурно-строительного университета 420043, г.Казань, Зеленая, 1 ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА Настоящее учебное пособие написано по материалам авторского курса лекций, который в течение шести лет читается на кафедре архитектуры студентам инженерных и архитектурных специальностей в Казанском государственном архитектурностроительном университете. В отличие от «классических» курсов по строительной или архитектурной физике, в данном учебном пособии описаны такие процессы физики среды, которые протекают под воздействием только природно-климатических факторов. В строительной практике воздействию климата на здания уделяется недостаточное внимание как на стадии проектирования объекта, так и на стадии его строительства и эксплуатации. Многие объекты, принятые в эксплуатацию, не соответствуют санитарногигиеническим нормам. В этом мы видим главную причину того «стихийного бедствия» под названием «подготовка к зиме», которое происходит ежегодно, затрагивая не только властные структуры, но и правоохранительные органы. Зарубежные строительные технологии и материалы, переносимые в условия нашей страны, требуют серьезной экспертной оценки на основе изучения воздействия климата на эти технологии, конструкции и материалы. Эксплуатационная стойкость, долговечность и надежность работы материалов и конструкций в наших климатических условиях должны стать главным требованием при выборе и использовании как зарубежных, так и отечественных материалов и конструкций. Настоящее учебное пособие позволяет в известной степени решать эти проблемы. Автор выражает благодарность ассистенту кафедры архитектуры КГАСУ Сайфутдиновой А.М. за помощь в подготовке рисунков и компоновке оригинал-макета, а также рецензентам учебного пособия профессорам Соловьеву А.К., Бобылеву В.Н. и Копсовой Т.П. за труд и ценные замечания. 3 ВВЕДЕНИЕ Анализ истории архитектуры и градостроительства показывает, что, наряду с региональными и национальными особенностями архитектурных стилей и образов, в решениях объектов нашли отражение особенности климата. Древние зодчие на интуитивном уровне на основе множества проб и ошибок выработали такие конструктивные и стилевые решения, которые в максимальной степени снижали воздействие неблагоприятных погодных факторов и в той же степени использовали благоприятные погодные факторы. С развитием транспортных путей между странами и континентами появилась возможность видеть и оценить достоинства различных архитектурных творений. И как следствие этого, появились заимствование, копирование и перенос визуальных образов из одной климатической зоны в другую. Архитектурные объекты, созданные для одного климата, не имели тех достоинств в другом климате. Это, в целом не самое удачное действие архитекторов и строителей, натолкнуло их на более внимательное отношение к климату, климатическим и метеорологическим факторам, к изучению климата с точки зрения его влияния на объемно-планировочные и конструктивные решения зданий их ориентации по странам света и т.д. Это направление деятельности со временем выделилось в отдельную науку – строительную климатологию. В задачи Строительной климатологии входит получение статистически обеспеченной информации о климатических факторах, которые в наибольшей степени отвечают запросам строительной отрасли. Эти запросы формулируются на основе опыта проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений, на основе исследований воздействия климатических факторов на территории, здания, сооружения, на их конструкции и материалы. Задача архитекторов, проектировщиков и строителей состоит в том, чтобы на основе исследования физических (а иногда химических и биологических) процессов, проходящих в зданиях и непосредственной близости от них, в материалах и конструкциях, то есть на основании исследования физики среды, сформулировать требования к показателям климатических факторов или комплексам факторов. Задача специалистов по метеорологии сводится к обеспечению запрашиваемых данных той или иной статистической обеспеченности. 4 РАЗДЕЛ I СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КЛИМАТА В переводе на русский язык слово «климат» означает «наклон». Древние греки считали, что состояние атмосферы (температуры воздуха) зависит от угла падения (наклона) солнечных лучей на землю. Чем выше солнце, тем угол падения лучей ближе к 90°, тем больше тепла поступает на землю. Если солнечные лучи падают на землю под малым углом (как бы скользят по поверхности), то они приносят меньше тепла и температура воздуха понижается. В связи с этим, климаты земли делились по широтному принципу, в зависимости от высоты стояния солнца и продолжительности дня. Были выделены холодный, умеренный и жаркий пояс. В дальнейшем было обнаружено, что в пределах одного и того же широтного пояса могут наблюдаться различные климаты. В формирование климата существенную роль вносят и другие климатообразующие факторы: астрономические, географические, циркуляционные, влагооборот, рельеф и характер земной поверхности, высота над уровнем моря, наличие морей и больших водоемов, характера поверхности почвы, растительного и снежного покрова. Таким образом, климат – это совокупность и последовательность смены всех возможных в данной местности состояний атмосферы (условной погоды). Многолетний режим погоды и называют климатом. Состояние атмосферы за короткий промежуток времени называют погодой. Погода очень изменчива во времени в силу постоянной изменчивости атмосферных процессов. Однако, в каждой местности существует закономерная последовательность атмосферных процессов, определяющих и погоду, и климат. Строительная климатология изучает те элементы климата, которые воздействуют на здания и требуют учета при их проектировании, строительстве и эксплуатации. Изучению подлежат большие территории страны и выделение районов с близкими параметрами климата. Формируются закономерности климатического районирования и на этой основе - типологические требования к зданиям различного назначения. Изучаются отдельные 5 климатические факторы (солнечная радиация, температура воздуха и т.д.) и их воздействие (и взаимодействие) на материалы, конструкции зданий и объемно-планировочные решения. И, наконец, изучению подлежит изменение климатических факторов в непосредственной близости от земли за счет характеристики подстилающей поверхности и городской застройки. 2. НЕКОТОРЫЕ ИСТОРИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО ВВЕДЕНИЮ КЛИМАТИЧЕСКИХ НОРМАТИВОВ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА Влияние климата при проектировании и строительстве зданий учитывается человеком с древнейших времен до наших дней, в то время как разработка специальных климатических нормативов для строительства стала развиваться только в конце XIX - начале XX веков. Увеличение объемов строительства в нашей стране в годы первых пятилеток и освоение новых земель с малоизученными климатическими воздействиями потребовали серьезных разработок по учету климата и созданию климатических нормативов для строительства. Одним из первых документов были «Правила и нормы застройки населенных мест, проектирования и возведения зданий и сооружений», 1930г. [46]. В этом документе даны указания об учете отношения световой площади окон к площади пола в жилых зданиях (от 1/10 до 1/7 для южных районов и от 1/8 до 1/6 для средних и северных районов). В этом же документе даны нормы уклона крыш и нормы по снеговой нагрузке на крыши для тех же районов. В 1934 году [47] проведено климатическое районирование (СССР), выделено четыре района: северный, средний, южный и субтропический. Деление на районы проведено на основе данных по температуре воздуха за самый холодный (январь) и самый жаркий (июль) месяцы. Требования к ограждающим конструкциям жилищ ограничились толщиной стен: в северном районе толщина стен должна быть 2,5 кирпича; в среднем – 2 кирпича; в южном и субтропическом – 1,5 кирпича. Введено понятие средних расчетных температур за отопительный период. «Временные строительные правила…» 1935 года [48] дополнены предписанием по устройству сплошных галерей в жилых зданиях для южных и субтропических районов. Во «Временных нормах…» 1938 года [49] вводятся ограничения на ориентацию жилых комнат. Впервые приводятся так называемые расчетные температуры для определения величины 6 требуемого сопротивления теплопередаче наружных стен (формула Чаплина): t p 0,4t cx 0,6t aм , (2.1) где tсх – температура воздуха за самый холодный месяц; tам – абсолютный минимум температуры воздуха. В 1948 году в «Нормах проектирования жилых зданий» [50] территория страны разделена на пять районов. Из обзора этих нормативных документов можно сделать вывод о том, что интерес к климату у строителей в 30-е – 40-е годы несомненно возрастает, но собственно данных о метеорологических факторах используется очень мало. В СНиПе по жилым зданиям 1958 года приводится первое районирование территории СССР по ветровым нагрузкам, приводятся данные по снеговым нагрузкам. Расчетная температура наружного воздуха определяется как и ранее – по формуле Чаплина. Важнейшей особенностью СНиПа 1958 года является введение научно-обоснованных санитарно-гигиенических требований к проектированию жилищ в различных климатических районах. В 50-е годы к разработке нормативной литературы по проектированию и строительству активно привлекались метеорологи и климатологи. В конце 50-х годов были разработаны достаточно обоснованные климатические показатели для строительства, которые вошли в большое количество СНиПов. Эти и последующие годы связаны с бурными исследованиями и внедрением климатологических нормативов. В 1962 году впервые издается СНиП II-А.6-62 «Строительная климатология и геофизика» [52], где содержится обширный материал по климатическим факторам. Климатические факторы, которые могут привести к разрушению зданий и сооружений, вошли в отдельную главу СНиП II-А.11-62 «Нагрузки и воздействия». Многие климатические параметры включены в СНиПы по строительной теплотехнике, естественному освещению и др. Таким образом, в 60-е и 70-е годы ХХ-го века заложен фундамент строительных климатологических показателей. В последующие годы на основе современных исследований климатологов и строителей происходит уточнение и совершенствование климатических нормативов для строительства. 7 3. ОСНОВНЫЕ КЛИМАТИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И ИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗДАНИЯ 3.1. Общие сведения К основным климатическим факторам относятся: - солнечная радиация; - температура воздуха; - влажность воздуха; - осадки; - ветер. Важное значение имеет изучение сочетания ряда факторов: - ветер с температурой (температурная роза ветров и воздействие на человека и жилую среду); - ветер с дождем (увлажнение стен при косых дождях); - ветер со снегом и пылью (метели, снегозаносы и пыльные бури). Такие климатические факторы, как температура и влажность воздуха, имеют свойство скалярной характеристики, в то время как солнечная радиация, ветер и осадки являются векторными, что предопределяет требования к ориентации зданий, сооружений и городских территорий по странам света. Основой для изучения климатических факторов являются результаты наблюдений за элементами климата, полученные на метеорологических станциях. В России эти наблюдения регулярно ведутся с XIX века на небольшом количестве метеостанций 3 раза в сутки. С развитием промышленности, транспорта, сельского хозяйства неуклонно развивалась сеть метеостанций и количество наблюдений в сутки. С 1966 года наблюдения ведутся уже 8 раз в сутки и действует более 10000 метеостанций. На основе обработки первичных данных метеостанций об элементах климата получают различные статистические характеристики климата. На практике обычно используют: - средние значения; - экстремальные (наибольшие и наименьшие); - амплитуды; - повторяемости; - непрерывные продолжительности. Средние значения. Среднее суточное определяется из всех значений данного метеорологического элемента, измеренных в течение суток (из 8 измерений). Среднее месячное получается из 8 всех средних суточных значений за данный месяц. Среднее годовое – из всех средних месячных значений. Экстремальные значения. Средние значения факторов позволяют сравнивать климаты разных районов, но их недостаточно для полной характеристики климатических условий конкретной местности. В климатологических справочниках приводятся данные по: - абсолютным экстремумам (максимальным и минимальным) метеорологического фактора, который наблюдался за весь период наблюдений; - средним из годовых экстремальных величин; - средним экстремумам за месяц (средние значения из максимумов и минимумов за каждые сутки). Абсолютные экстремумы весьма редки, поскольку определяются редко наблюдаемыми атмосферными процессами, в то время как средние из экстремальных величин более устойчивы в пространстве, поскольку обусловлены постоянно действующими факторами, характерными для значительных территорий. Амплитуды. В метеорологии и климатологии амплитудой называют разность между максимальным и минимальным значениями фактора за определенный отрезок времени (сутки, месяц, год и т.д.). Этим определяется нагрев и охлаждение материалов строительных конструкций, увлажнение и высушивание, замораживание и оттаивание и т.д. Годовая амплитуда средних месячных температур воздуха наиболее жаркого и наиболее холодного месяца характеризует степень континентальности климата, что, в свою очередь, диктует требования к генеральным планам застройки города, объемно-планировочным решениям зданий, выбору конструкций ограждений зданий. Повторяемости. Этот показатель определяет частоту наблюдения климатического фактора в данной местности. Например, повторяемость ветра больше определенной величины (для расчета ветровых нагрузок) или повторяемость ветра по румбам (для оценки господствующих ветров), повторяемость отрицательных температур воздуха ниже заданной величины (для теплотехнических расчетов ограждений зданий) и т.д. В климатологии понятия «повторяемость» и «вероятность» нередко отождествляют и используют эту характеристику для вероятностного прогноза. Непрерывная продолжительность действия климатического фактора является важной характеристикой климата. Непрерывная продолжительность дождей предопределяет степень увлажнения конструкций, то же – интенсивных дождей диктует требования к техническим решениям ливневого водоотвода и водоотвода с 9 кровель зданий. Непрерывная продолжительность отрицательных температур воздуха ниже определенной величины диктует требования к массивности и конструкции ограждений зданий. Рассмотренные выше климатические факторы и их характеристики носят общий характер. За редким исключением они не привязаны к нуждам архитектурно-строительной отрасли. В связи с этим, одной из главных задач строительной климатологии является с одной стороны – использование климатических факторов общего характера для целей проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений; и на основе знаний поведения материалов и конструкций в эксплуатации, а также взаимодействия с климатом искусственной среды зданий и сооружений - формулирование задания для Гидрометслужбы по разработке специальных климатических характеристик – с другой стороны. Формулированию требований к климатическим факторам для целей строительства должны предшествовать широкие обобщения и специальные научные исследования по взаимодействию здания с климатическими условиями, по физике среды вблизи здания, по влиянию климатических факторов на материалы и конструкции и по физике процессов в материалах и конструкциях в процессе эксплуатации здания. 3.2. Солнечная радиация Солнечная радиация представляет собой мощный поток электромагнитных волн различных частот. На границе атмосферы этот поток приблизительно равен 1200 Вт/м². При прохождении через атмосферу часть энергии теряется за счет поглощения и рассеяния. Солнечная радиация - один из главных климатических факторов, который определяет климат всей планеты. В южных районах солнце несет избыток тепла и требуется защита зданий и помещений от перегрева. Избыток солнечной энергии используют для отоплений зданий, получения горячей воды и т.п. В северных районах ощущается недостаток солнечной радиации и важным является учесть и использовать солнечную радиацию как санитарно-гигиенический фактор и фактор дополнительных теплопоступлений к ограждениям зданий и через светопроемы в помещения. По спектральному составу солнечная радиация подразделяется на: ультрафиолетовое излучение (100 - 400нм) ~ 4% ; видимый свет (400 - 780нм) ~ 54% ; 10 инфракрасное излучение (780 – 3000нм) ~ 42% . Известно благотворное влияние ультрафиолетовой радиации областей А (315-400нм) и В (280-315нм), которая уничтожает болезнетворные бактерии, повышает устойчивость к заболеваниям и общий тонус. Именно с этим участком спектра связаны нормы (продолжительность) инсоляции помещений и территорий. С увеличением широты местности снижается приход ультрафиолетовой радиации. Зона ультрафиолетового комфорта находится в интервале 50-55° северной широты. К югу от этих широт ощущается избыток ультрафиолетового облучения, а к северу – дефицит. Область С ультрафиолетовой радиации (100 - 280нм) вызывает разрушение молекул белка, выцветание, старение и разрушение строительных материалов. Эта часть ультрафиолетовой радиации учитывается при исследовании старения материалов и моделируется в камерах искусственной погоды при исследовании долговечности. Видимый свет определяет световой климат планеты и будет рассмотрен в специальном разделе. Важным элементом солнечной радиации является ее тепловая часть (инфракрасное излучение и частично видимый свет). Солнечную радиацию обычно рассматривают через прямую, рассеянную и суммарную. Прямая радиация – это часть энергии от видимого диска солнца, рассеянная – это части энергии от небосвода без учета прямых солнечных лучей, суммарная – представляет собой сумму прямой и рассеянной радиации. Для горизонтальных поверхностей информация о прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации является достаточно полной, а для стен зданий определенное значение имеет также отраженная радиация земли и соседних зданий. Приход солнечной радиации к зданиям зависит от географической широты местности, облачности, состояния и загрязненности атмосферы, ориентации поверхности, времени года и суток. В количественном отношении интенсивность (напряжение) солнечной радиации на нормальную к лучам поверхность Sн можно определить по формуле: Sн S0 sinh 0 , sinh 0 C (3.1) где S0 – солнечная постоянная, принимаемая равной 1200Вт/м2; h0 – высота стояния солнца для данной местности в расчетный час суток, град.; С – эмпирический коэффициент, характеризующий прозрачность атмосферы. 11 Интенсивность солнечной радиации на поверхности любой ориентации (Sл.о) можно определить по формуле: S л.о. S н cos , (3.2) где – угол между направлением луча и нормалью к поверхности. Значение cos зависит от угла падения луча, ориентации по странам света, широты местности и определяется по формулам сферической тригонометрии. Для вертикальных поверхностей – стен зданий суммарная солнечная радиация (интенсивность) будет складываться не из двух (S+D), как для горизонтальной поверхности, а из трех, то есть учитывать еще и отраженную радиацию земли и соседних зданий (R): (3.3) QSDR , где S – прямая радиация; D – рассеянная радиация; R – отраженная радиация. Если использовать эту формулу для оценки интенсивности суммарной радиации, она дает большие ошибки в силу большой анизотропностии потоков D и R. При подсчете сумм тепла за сутки или более эта формула дает удовлетворительную точность. При этом можно использовать обширные данные, приведенные в справочниках по Климату СССР по рассеянной и отраженной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность. В этом случае: ; 2 , R R Г sin 2 2 D D Г sin 2 (3.4) (3.5) где - угол наклона поверхности к горизонту; DГ и RГ – рассеянная и отраженная радиации, поступающие на горизонтальную поверхность. Для вертикальных поверхностей ( =900) sin 2 RВ RГ и общая радиация будет равна: 2 D R QB S B Г Г . 2 2 D 0,5 ; DВ Г и 2 2 (3.6) В специальной актинометрической литературе [10,21,34] и справочниках [40,52-55] приводятся различные данные по интенсивности и суммам солнечной радиации. Задача 12 проектирования (или исследования) состоит в том, что бы как можно более точно для решаемой задачи выбрать значения параметров солнечной радиации. В качестве иллюстрации приведем несколько графиков по интенсивности солнечной радиации. выполненных Кругловой А.И. [21] для июня при безоблачном небе и семибалльной облачности для широты местности 56° (рис.3.1, 3.2, 3.3). Следует отметить то обстоятельство, что абсолютная величина рассеянной радиации при облачном небе на 20-50% выше, чем при безоблачном небе (сравнение рис.3.1 и 3.3). Интенсивность суммарной солнечной радиации на стенах зданий различной ориентации имеет ярко выраженный суточный ход (рис.3.2). Рис.3.1. Интенсивность рассеянной солнечной радиации на стенах различной ориентации (безоблачное небо, широта 560) Рис.3.2. Интенсивность суммарной солнечной радиации на стенах различной ориентации (безоблачное небо, широта 560) 13 Рис.3.3. Интенсивность рассеянной солнечной радиации на стенах различной ориентации (при облачности 7 баллов, широта 560) В строительстве, проектной практике решают различные задачи по учету воздействия солнечной радиации. Продолжительность облучения территорий, зданий и помещений (инсоляция) является важнейшим санитарногигиеническим требованием. Вопросам инсоляции посвящены специальные разделы данного пособия. Для многих целей важным является оценка нагрева материалов и конструкций под действием солнечной радиации. Широкой известностью пользуется формула Шкловера А.М.: t пов t н S , н (3.7) где tпов – температура наружной поверхности ограждения (или конструкции); tн – температура наружного воздуха; - коэффициент поглощения солнечной радиации материалом ограждения; S - интенсивность солнечной радиации; н - коэффициент теплообмена у наружной поверхности ограждений, определяемый по формуле н 1,16 (5 10 ) , (3.8) где – скорость ветра. Кажущаяся простота формулы имеет свои особенности. Можно видеть, что в расчетах участвуют три климатических фактора: tн – температура наружного воздуха; S – интенсивность солнечной радиации и – скорость ветра. Указанные параметры (tн, 14 S и ) должны быть отсчитаны в один момент времени, что и определяет точность расчета. Причем, следует иметь в виду, что параметры S и имеют векторную характеристику по отношению к исследуемой поверхности. В весенне-летний период нагрев поверхностей ограждений может быть значительным и требует учета при выборе материалов. Известны случаи плавления битумных мастик на совмещенных кровлях от солнца и проникновения их через стыки панелей в квартиры верхних этажей. Известны случаи сползания рулонного ковра с кровли, когда температура размягчения мастики оказывалась ниже температуры нагрева кровли (ниже tпов). Перегрев помещений в летнее время связан также с воздействием солнечной радиации. Приходится решать задачи прихода солнечной радиации к ограждениям зданий и поступления тепла солнечной радиации через световые проемы. Для этих целей необходима информация не об интенсивности, а о суммах тепла солнечной радиации за определенное время (час, сутки и т.д.). Следует еще раз напомнить, что солнечная радиация имеет векторные характеристики, а приход тепла к фасадам зданий зависит от ориентации фасадов по странам света. 3.3. Температура воздуха В ранней справочной и нормативной литературе по климату приводится множество значений температуры воздуха: - средняя температура по месяцам и за год; - абсолютные минимальные и максимальные значения; - средние максимальные значения; - средние температуры наиболее холодной пятидневки; - средние температуры наиболее холодных суток; - средние температуры наиболее холодного периода; - повторяемость температур воздуха в часах по сухому термометру (с градацией через один градус с нарастающим и убывающим итогом часов) и т.п. В последующих изданиях СНиПа по строительной климатологии происходит уточнение некоторых показателей температуры воздуха и появляются новые: - амплитуды средние и максимальные за сутки и месяц; - вводятся температуры воздуха различной обеспеченности (0,92; 0,94; 0,95; 0,98); - вводится градация климатических параметров для теплого и холодного периодов года. 15 Из множества значений температур воздуха в практике проектирования зданий в настоящее время находят использование не все значения температур, а их ограниченный перечень. Этот перечень и значения температур определяются задачами, которые решает проектировщик. Так, при расчете сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и вычислении градусо-суток отопительного периода, используются средние температуры воздуха периода со средней суточной температурой ниже 8°С или ниже 10°С (в зависимости от назначения проектируемого здания). При расчете сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций через расчетные температуры наружного воздуха в холодный период года выбор конкретных значений расчетных температур определяется тепловой инерцией ограждающей конструкции (табл. 3.1). Таблица 3.1 Расчетные температуры наружного воздуха для холодного периода года Расчетная температура Средняя температура наиболее холодных суток, обеспеченностью 0,98 Средняя температура наиболее холодных суток, обеспеченностью 0,92 Средняя температура наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,98 Средняя температура наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92 Значение тепловой инерции ограждающей конструкции D=R·S Пример для г.Казани, °С до 1,5 - 40 от 1,5 до 4,0 - 36 от 4,0 до 7,0 - 36 свыше 7,0 - 32 Для производственных зданий, предназначенных для сезонной эксплуатации, за расчетную температуру наружного воздуха принимают минимальную температуру наиболее холодного месяца, которую определяют как среднюю месячную температуру января, уменьшенную на среднюю суточную амплитуду наиболее холодного месяца. При расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций в теплый период года, используют два значения температур воздуха: - средняя месячная температура воздуха за июль; - максимальная амплитуда суточных колебаний температуры воздуха в июле (прилож.Г, СП 23-101-2000). Расчеты на теплоустойчивость ограждений проводят обычно при условиях, если среднемесячная температура июля превышает 21°С. 16 Как будет показано ниже, при климатическом районировании используются средние месячные температуры воздуха за январь и июль. Введены специальные значения температур при расчете вентиляции (для теплого и холодного периода года, параметры А и Б и т.д.). Таким образом, первичным в выборе значений температуры наружного воздуха для архитектурно-строительных целей является постановка задачи, основанная на наиболее полном моделировании физических процессов. С этой точки зрения заслуживают внимания предложения Савина В.К. с коллегами [79] по определению расчетных температур наружного и внутреннего воздуха с точки зрения снижения затрат энергии на отопление зданий. Экономия энергозатрат является важнейшей государственной задачей, однако следует помнить, что экономия в одних вопросах (энергозатраты на отопление) не должна быть в ущерб другим аспектам зданий: комфорту, воздухообмену в помещениях и т.п., здание должно представлять собой единую сбалансированную систему. 3.4. Влажность воздуха Атмосферный воздух представляет собой смесь газов и водяных паров. Погода и климат на планете зависят от распределения тепла, давления и содержания водяного пара в атмосфере. Это содержание может выражаться в единицах абсолютной влажности, г/м3 (количество влаги в граммах, содержащейся в 1м3 воздуха) или парциальным давлением, т.е. давлением водяного пара, находящегося в смеси с другими газами, или упругостью водяного пара в паскалях (Па). Чем больше влаги содержится в воздухе, тем выше значение упругости водяного пара. При увеличении температуры воздуха (при неизменном барометрическом давлении) возрастает способность воздуха к аккумулированию влаги. Для постоянной температуры воздуха его влагосодержание имеет предел, называемый максимальной упругостью водяного пара, что соответствует полному насыщению воздуха водяным паром. Влажность воздуха характеризуют также относительной влажностью ( ), которая представляет собой отношение действительной упругости водяного пара (е) к максимальной при данной температуре (Е), выраженной в процентах: 17 е 100 % . Е (3.9) Относительная влажность воздуха является важнейшим санитарно-гигиеническим показателем. Результаты исследований медицинской науки, закрепленные в нормативных документах, определяют комфортной для человека влажностью 50-60% при температурах 18-22°С. При высокой влажности затрудняется отдача влаги с поверхности кожи человека и нарушается тепловой баланс. При низкой – происходит интенсивное испарение влаги с кожи человека, возникают неприятные ощущения сухости во рту и горле. Влажность воздуха влияет на теплоощущения человека при различных температурах. Известно, что в сухом воздухе легче переносятся низкие температуры, чем во влажном. (Сибирские морозы при -40°С легче переносятся, чем морозы средней полосы при -25°С). Различные сочетания влажности воздуха и его температуры использованы при определении типов погод (см.раздел Климатическое районирование). Нормативная литература по строительной климатологии содержит различные данные по влажности воздуха: - упругость водяного пара наружного воздуха по месяцам, ГПа; - средняя месячная относительная влажность воздуха в 13 часов (в %) для самого холодного и самого жаркого месяцев; - средняя относительная влажность воздуха (в %) по месяцам; - средняя амплитуда суточных колебаний относительной влажности воздуха наиболее жаркого месяца (в %) (например, для Казани - 29%). При колебаниях относительной влажности воздуха и его температуры возникают ситуации полного насыщения воздуха водяным паром =100% и Е = е. Температуру, при которой наступает состояние полного влагонасыщения, называют температурой точки росы. В природной среде это явление известно утренними росами, туманом. В урбанизированной среде происходит конденсация влаги на строительных конструкциях, ограждениях зданий, что вызывает процессы, требующие учета при проектировании и эксплуатации зданий. (Снижение теплозащитных качеств увлажненных конструкций и их долговечности, образование грибков и гниения, коррозии и т.п.). 18 3.5. Осадки и снежный покров К этой группе метеорологических явлений относятся дождь, снег, смешанные осадки, морось, снежная крупа, обильная роса и туман, гололедные явления. Все перечисленные выше разновидности осадков требуют учета при проектировании территорий и зданий, а также при их эксплуатации. Опыт проектирования и эксплуатации зданий показывает, что учет осадков идет, в основном, по следующим направлениям: - проектирование ливневой канализации; - проектирование водоотвода с кровли; - увлажнение стен зданий косыми дождями; - учет гололедных нагрузок; - учет снеговых нагрузок; - учет снегозаносов территории при метелях. Для разных целей требуются различные данные об осадках. Ошибки в проектировании или неправильно выбранные характеристики осадков могут привести к серьезным нарушениям в эксплуатации зданий или к авариям. Известно множество случаев, когда невнимание к осадкам приводило к регулярному замачиванию, а, следовательно, к преждевременному износу несущих и ограждающих конструкций. Здесь имели место как ошибки проектирования водоотвода с кровли, так и некачественное производство работ. Известен случай обрушения кровли одноэтажного гаража с внутренним водоотводом после нескольких часов интенсивного дождя. Сечение водоотводных труб не было рассчитано на интенсивный дождь, в результате чего за парапетом кровли скопились многие тонны воды. Этот перегруз и вызвал обрушение конструкций. На отечественном строительном рынке появилось множество зарубежных технологий. Далеко не все из них могут быть использованы в наших климатических условиях. Архитекторы и проектировщики зданий часто забывают об этом. Так, в средней полосе часто используют конструкцию металлической кровли с подвесными водосборными лотками. В весенний или осенний период при оттепелях и заморозках указанные лотки заполняются льдом и не выполняют функции сбора воды с кровли и отвода ее до приемных воронок. В силу этого, на лотках образуются мощные сосульки, масса которых приводит к обрыву водосборных лотков. (В традиционных «русских» кровлях водосборные лотки являются частью металлической кровли и прочно закреплены на карнизе). Эти примеры можно продолжить. 19 Для решения задачи водоотвода с кровли требуется информация об интенсивных осадках за небольшой отрезок времени или информация о так называемом расчетном дожде. Через расчетный дождь определяются схема водоотвода, площади водосбора, конструкция водоприемных воронок и сечение водоотводящих труб (стояков). Расчетный расход дождевых вод с водосборной площади следует определять по формулам [58]: а) для плоских кровель (с уклоном менее 2,5%): Q расч. F q 20 10000 л/сек ; (3.10) б) для скатных кровель (с уклоном более 2,5%): Q расч. k1 F q5 10000 л/сек, (3.11) где Qрасч. – расчетный расход дождевых вод, л/сек; F – водосборная площадь м²; q20, q5 – интенсивность дождя в л/сек на 1 га для данной местности продолжительностью 20 мин и 5 мин, при периоде однократного превышения расчетной интенсивности, равной одному году; k1 – коэффициент, учитывающий период однократного переполнения. Интенсивность дождя q20 определяется по рис.3.4 для Европейской территории России. Интенсивность дождя q5 следует определять по формуле: q5 4 n q 20 , где n – параметр, определяемый по рис.3.5. Значения величины q5, вычисленные по формуле приведены в табл.3.2. Коэффициенты k1 следует принимать: - для районов с q20 до 90 л/га сек, k1 = 1; - для районов с q20 от 91 до 150 л/га сек, k1 = 1,5; - для районов с q20 более 150 л/га сек, k1 = 2. 20 (3.12) (3.12), Рис.3.4. Значения величин q20 для Европейской территории СССР Рис.3.5. Значения величин параметра п для Европейской территории СССР 21 Таблица 3.2 Значения величин q5 в л/сек с 1 га q20 ,в л/сек с 1 га 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Величина параметра n 0,45 75 93 112 131 149 168 187 206 224 243 262 280 299 317 336 354 373 0,5 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 0,55 86 107 128 150 171 193 214 235 257 278 300 321 342 364 385 407 428 0,6 92 115 138 161 184 207 230 253 276 299 322 345 368 391 414 437 460 0,65 98 123 148 172 197 221 246 271 295 320 344 369 394 418 443 467 492 0,7 106 133 159 186 212 239 265 292 318 345 371 398 424 451 477 504 530 0,75 113 142 170 198 226 255 283 311 340 368 396 425 453 481 509 538 566 Водосборные площади и конструкция водоотвода должны обеспечивать удаление воды с кровли без переполнения системы и без накопления воды. Другой вопрос, который должен учитываться при проектировании зданий и конструировании ограждающих конструкций, – предотвращение замачивания стен при дождях и выбор водостойких материалов. Даже при небольшом ветре капли дождя отклоняются от вертикали и попадают на стены. Метеорологические наблюдения по этим процессам не носят систематического характера, однако существуют методики, позволяющие расчетным путем оценить количество осадков, выпадающих на стены зданий различной ориентации на основе известных многолетних климатических данных об осадках на горизонтальные поверхности и данных по скоростям и повторяемости ветра по различным румбам. Определить количество осадков, выпадающих на стены зданий под действием ветра, можно, используя соотношение, связывающее количество осадков, выпадающих на горизонтальные поверхности РГ , с количеством осадков, выпадающих на вертикальные поверхности РВ (в мм): PB PГ B , n где В – скорость ветра во время дождя (м/с); n – скорость вертикального падения капель дождя (м/с). 22 (3.13) Наблюдения по ветру всегда относятся к определенному румбу, поэтому величина РВ имеет ту же ориентацию. Как было отмечено, в метеорологии отсутствуют систематические данные по скорости ветра во время дождя, однако в работах Кругловой А.И. [21] получена устойчивая статистическая связь между скоростью ветра при дожде и скоростью ветра при всех погодных условиях. Карта зон и графики такой связи представлены на рис.3.6 и 3.7. Пользуясь этой картой и графиком, можно оценить В на основе широко представленных в справочниках по климатологии данных о скорости ветра. Рис.3.6. Карта зон, выделенных по характеру связи между среднемесячной скоростью ветра при дожде и среднемесячной скорости ветра при всех погодных условиях Рис.3.7. График связи среднемесячной скорости ветра при дожде V и среднемесячной скорости ветра при всех погодных условиях V1. Кривые 1-8 соответствуют зонам на карте рис.3.6 23 Скорость вертикального падения капель дождя ( n ) зависит от диаметра капель. Оказалось, что интенсивность дождя (мм/мин) связана с диаметром капель прямой зависимостью: чем больше интенсивность дождя, тем больше диаметр капель. Таким образом, можно воспользоваться эмпирической зависимостью (рис.3.8) [21] и оценить скорость падения осадков ( n ) через широко представленные в справочниках по климатологии данные об интенсивности осадков. Рис.3.8. Эмпирическая интенсивности зависимость вертикальной скорости падения осадков от их Этот метод позволяет с хорошей статистической обеспеченностью получить данные об увлажнении косыми дождями стен зданий различной ориентации. Для общей оценки осадков, выпадающих на вертикальные поверхности, можно также воспользоваться данными рис.3.9 и 3.10. Определение количества дождя, выпадающего на стены зданий, - это только первая часть оценки влажностного состояния ограждений. Важно установить, какие процессы и как они идут в ограждающих конструкциях при дожде с ветром. Дождевая вода с верхних этажей здания будет стекать по стене к нижним, увеличиваясь по массе и скорости. Это происходит при действии ветра, и ветровой напор будет оказывать свое воздействие в зоне стыков, щелей, швов и т.д. Например, описаны случаи, когда при сильных ветрах дождевая вода поднималась по фасаду здания вверх, затекая снизу в швы между панелями. Эти вопросы изучены недостаточно и требуют своего решения. 24 Рис.3.9. Отношение РВ по территории СССР РГ Рис.3.10. Количество осадков, выпадающих на стены зданий наветренной ориентации за теплый период года, в мм Снежный покров учитывается, прежде всего, как снеговая нагрузка. В СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» приводится методика учета снеговой нагрузки. Учитывается масса снегового покрова, вводится перевод этой массы к снеговой нагрузке на здание, учитывается снеговой район, приводятся схемы 25 снеговых нагрузок на покрытия зданий, в том числе с учетом скорости ветра за три зимних месяца. Именно ветер и перемещение по кровле снеговой массы приводит к неравномерности снеговой нагрузки на покрытие. Пластика объема здания вносит свои коррективы в неравномерность снеговой нагрузки, что требует учета при проектировании (рис.3.11). Рис.3.11. Характер снеговой нагрузки на зданиях с различным сечением покрытий а)…ж) (СНиП 2.01.07-85*) Характерной особенностью зимнего периода являются метели, сопровождающиеся снегопереносом. Направление снегопереноса совпадает с направлением господствующих ветров за зимние месяцы, а объемы снегопереноса (м3/м) и объемы отложения снега (сугробы) зависят от аэродинамических характеристик местности, микрорайона, здания. В зависимости от плотности снега, метели начинаются, как правило, при скорости ветра 5-6 м/с. Метеорологические наблюдения учитывают три вида метелей: общую, низовую и поземку [17]. Вклад каждого вида метели в процесс снегопереноса различен, так как они наблюдаются при различных скоростях ветра и в различных слоях над поверхностью земли. Общая метель сопровождается выпадением снега, низовая наблюдается без снегопада при сильном ветре в слое не менее 2м над поверхностью земли, поземкой называют перенос снега только у поверхности земли в слое менее 2м. 26 Многочисленные экспериментальные данные подтверждают, что основная масса снега (более 95%) переносится в приземном слое высотой около 2м. Интенсивность переноса снега пропорциональна кинетической энергии ветра и может быть определена по формуле: J c 3 , (3.14) где – скорость ветра во время метели, м/с; с - коэффициент пропорциональности. Интенсивность переноса снега может выражаться в единицу объема – м3 или массы – кг на метр пути за единицу времени, что заложено в размерности коэффициента пропорциональности с. Количество переносимого снега за время метели (q) зависит от ее продолжительности ( ). Формула интенсивности (3.14) примет вид: 3 (3.15) q J c 3 , м /м . Если ветер дует под углом к данному объекту, то: q J sin . (3.16) Для заносимого участка длинной l после суммирования всех метелей (n) за зиму получим количество накопленного за зиму снега: n n i 1 i 1 Q l qi l c i3 i sin . (3.17) Объем переносимого за зиму снега более 200м³/м, является неблагоприятным и требует специальных проектных решений по снижению снегозаносов территорий застройки. На рис.3.12 приведена карта объемов переносимого за зиму снега [52]. Следует иметь в виду, что точность этих расчетов в значительной степени зависит от точности определения скорости ветра при метелях, так как в формулу она входит в кубе. Определение общих объемов снегопереноса за зимний период еще не означает определения места его отложения во время метелей и образования сугробов. Объемы снегопереноса, методика подсчета которого разработана метеорологами, - это первая часть проблемы. Вторая часть – определение мест его отложения и образования сугробов - связана с аэродинамикой микрорайонов, групп зданий, отдельных зданий и их частей, малых форм, заборов и т.п. 27 Отложение переносимого при метелях снега у препятствий связано с частичной потерей скорости ветра и возникновением вихревых потоков воздуха. Качественный характер снегоотложений у препятствия показан на рис.3.13. Реальный характер снегоотложений может видоизменяться в зависимости от скорости ветра, от величины которой зависит отрыв струи от препятствия и образование вихрей. Рис.3.12. Схематическая карта районирования территории СССР по объемам снегопереноса в м3/м за зиму Рис.3.13. Качественный характер снегоотложений у препятствий: а) и б) схемы в разрезе, соответственно, точечного и протяженного зданий, в) и г) схемы в плане, соответственно, короткого (вдоль направления ветра) и длинного (вдоль направления ветра) зданий 28 Интенсивность отложений снега в зоне препятствия может быть определена по формуле: 3 J J 1 J 2 c (13 23 ) м /м час, (3.18) где J1 - интенсивность снегопереноса до препятствия; J2 - то же в зоне препятствия; 1 - скорость ветра до препятствия; 2 - то же в зоне препятствия. Величина отложений снега в зоне препятствия зависит от продолжительности метели ( ) и, в соответствии с формулой (3.18), может быть определена из выражения: 3 q c (13 23 ) м /м . (3.19) По объемам снегоотложений известны лишь единичные работы и требуются системные исследования. 3.6. Ветер Ветровой режим городов и поселений находился во внимании древних зодчих, беспокоит он и современных строителей. Гиппократ предсказывал виды заболеваний у горожан в зависимости от преобладающих в городе ветров. Витрувий предостерегал от ветров в переулках города: холодные ветры неприятны, знойные нездоровы, влажные вредны. Аристотель обращал внимание при выборе месторасположения города: города, обращенные к востоку и в сторону восточных ветров, наиболее удовлетворяют санитарным условиям. В национальных типах жилья и застройках поселений учету ветрового режима уделяется серьезное внимание. Так, в Японии жилище строилось так, чтобы потоки воздуха могли свободно проходить сквозь дом с севера на юг и наоборот за счет легких раздвижных перегородок. В Индонезии дома поднимают на столбы от раскаленной почвы, а стены делают легкопроницаемыми для малейшего дуновения ветра. Улицы сибирских сел располагаются вдоль зимних господствующих ветров с целью защиты от снегозаносов. Известны конструкции эффективного воздухообмена в тканевых навесах и шатрах, используемых народами Ближнего Востока рис.3.14 Воздухообмен обеспечивается при малейших ветерках любого направления и даже в штили за счет 29 гравитационного давления (удаления через шахту перегретого воздуха и вовлечения в сооружение менее нагретого воздуха). Рис.3.14. Ветровая «ловушка» (с использованием гравитационного давления) Еще Палладио предостерегал от строительства в долинах: ветра там яростны вследствие узких расселин, через которые они вырываются, а без ветра воздух становится тяжелым и нездоровым. Эти предостережения архитекторов эпохи Возрождения не были учтены при проектировании городов Кузбасса (Кемерово, Кузнецк и др.). В Кузбассе в зимний период наблюдается большое количество штилей, а рельеф местности характеризуется замкнутыми котловинами и плохо проветриваемыми долинами. Падение скорости ветра в котловинах и большое количество штилей привели к сильнейшему загрязнению жилых районов выбросами производства, хотя размещение предприятий было правильным – по розе ветров. Ветровой режим в строительной климатологии характеризуют скоростью и повторяемостью ветра по румбам. Скорость ветра измеряется в м/с, а направление - в % (без учета штилей). В соответствии со странами света, различают 8 румбов: северный (С), северо-восточный (СВ), восточный (В), юго-восточный (ЮВ), южный (Ю), юго-западный (ЮЗ), западный (З), северо-западный (СЗ). Данные о ветровом режиме какой-либо местности представляют в табличный форме или графически в виде так называемый розы ветров (табл.3.3, рис.3.15). В зависимости от задачи проектирования, используют годовую, сезонную или месячную розу ветров. Надежность проектного решения будет тем выше, чем точнее соответствуют решаемым задачам параметры ветрового режима. В современных условиях учет ветрового режима идет по четырем направлениям: 1) учет ветрового режима при планировке и застройке городов и территорий (в т.ч.аэрация); 30 2) 3) 4) учет охлаждающего действия ветра на людей и здания; учет ветра при проектировании воздухообмена в зданиях; учет ветра как нагрузки. Таблица 3.3 Данные по скорости ветра и его повторяемости для Казани за январь и июль Румбы ЮВ Ю С СВ В Январь Показатели Повторяемость, в % 11 4 6 20 Скорость ветра, в м/с 3,8 4,2 4,2 Июль Месяц ЮЗ З СЗ 28 12 13 6 5,0 5,7 4,8 4,8 3,8 Повторяемость, в % 16 13 11 10 10 8 14 18 Скорость ветра, в м/с 3,8 3,6 3,9 3,3 3,3 3,2 4 4,2 Рис.3.15. Роза ветров для Казани (январь); 1 – скорость ветра в м/с; 2 – повторяемость в % Учет ветрового режима городских территорий наиболее сложный. Каждое новое здание или подросшие деревья городского парка вносят свои коррективы в направление и скорость ветра, а, следовательно, в аэрацию городской территории. В г. Алма-Ата центральная часть города обеспечивалась свежим воздухом, стекающим с гор по городским магистралям, которые начинались у их основания. Впоследствии поперек указанных магистралей были выстроены крупные объекты. Архитектурный эффект был достигнут, но город потерял свежий воздух. В настоящее время отсутствует теория и методика расчета аэрации городских территорий, а наблюдения и эксперименты отдельных исследователей носят частный характер. 31 В первом приближении можно использовать рекомендации [55] для оценки планировочных решений застройки с учетом ветрового режима через коэффициент продуваемости (К). Коэффициент продуваемости численно равен отношению средней скорости ветра на территории застройки к скорости невозмущенного ветрового потока. Чем больше указанный коэффициент, тем выше скорость ветра в застройке и тем больший объем воздуха проходит через застройку. Рекомендуемые планировочные схемы объединены в две группы в зависимости от повторяемости ветра по направлениям. В табл.3.4 приведены планировочные схемы и коэффициенты продуваемости для районов с равномерной повторяемостью ветра по направлениям, а в табл.3.5 - для районов с преобладающим направлением ветра по одному из направлений. Таблица3.4 Эти рекомендации носят слишком общий характер. Как использовать данные о коэффициенте продуваемости? С одной стороны, это свежий воздух в застройке, с другой - увеличение скорости ветра за счет сложения потоков, возникновение ветрового дискомфорта и дополнительное охлаждение зданий, возможности образования сугробов при зимних метелях. В настоящее время проектная наука не располагает количественными методами оценки перечисленных выше проблем. Главным инструментом остается интуиция проектировщика. 32 Таблица 3.5 При учете охлаждающего действия ветра необходимо рассматривать его в сочетании с температурой. Комфортными условиями для человека является ветер со скоростью не более 2,5 м/с, условия комфортности сохраняются при температурах воздуха 16-28°С. При увеличении скорости ветра происходит сильное охлаждение, при увеличении температуры до 32°С ветер дает некоторое облегчение, а при температуре свыше 32°С ветер не дает облегчения. 33 В зимних условиях при скорости ветра свыше 5 м/с происходит сильное охлаждение зданий. Наветренные стены зданий со стороны господствующих зимних ветров требуют повышенной воздухонепроницаемости и теплозащиты. Согласно нормативным документам, теплопотери в зданиях за счет инфильтрации и действия ветра составляют 5% для ограждений, защищенных от ветра и 10% - для ограждений, открытых ветрам. Фактически теплопотери от ветра могут достигать 30%. В зарубежных нормах теплопотери зданий от инфильтрации при ветре в зависимости от высоты зданий составляют: США – 3040%, Англия 15-50%, ФРГ 7-40%. Есть предложения [21] учет теплопотерь при ветре проводить на основе так называемой температурной розы ветров, в которой объединены повторяемость, средняя температура и средняя скорость ветра каждого направления (румба). Пребывание человека на улице в условиях Севера определяется совместным воздействием отрицательных температур и скорости ветра (рис.3.16). Данные рисунка предъявляют требования к проектированию зданий и комплексов в условиях Севера, исключающие или сводящие к минимуму переход между зданиями по открытому воздуху. Рис.3.16. Воздействие ветра и отрицательных температур на человека Для решения третьей и четвертой задач требуется информация о ветровом напоре на здания, который, в свою очередь, зависит от скорости ветра и аэродинамических характеристиках зданий, комплексов или микрорайонов. На рис.3.17 показаны примеры обтекания здания воздушным потоком, который определяет ветровой напор на наветренной стороне и отсос на заветренной и других ограждениях здания. 34 В общем случае давление ветра на здание определяется по формуле: н н2 , PK 2g (3.20) где Р – давление ветра на здание, кПа (кгс/см2); К – аэродинамический коэффициент; 3 н - плотность наружного воздуха кг/м ; н – скорость ветра, невозмущенного ветрового потока, м/с; 2 g - ускорение свободного падения, 9.81м/с . Рис.3.17. Ветровой напор на здания при различных параметрах модели Для расчета ветровой нагрузки на элементы зданий аэродинамический коэффициент принимают в соответствии со СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия». На наветренной стороне здания эти коэффициенты не превышают +1,0 , на заветренной могут достигать значения – 2,0 в зависимости от профиля зданий. Рис.3.18. Участки зданий с повышенным отрицательным давлением ветра 35 В связи с ветровой нагрузкой, важное значение приобретает проектирование конструкций углов, карнизов, коньков и парапетов зданий, крепление ограждающих элементов в этих местах, поскольку эти участки испытывают повышенное отрицательное давление ветра (аэродинамический коэффициент равен – 2,0 (рис3.18). Невнимание к вопросам конструирования указанных элементов зданий может привести к серьезным авариям. Так, в зиму 1956/57гг. в Норильске во время сильного ветра была сорвана крыша пятиэтажного здания вместе с частью стояков отопления. При проектировании воздухообмена в зданиях при действии ветра формула (3.20) примет вид: 2 K K 2 н н , P 1 2 2g (3.21) где K1 и K2 – аэродинамические коэффициенты с наветренной и заветренной сторон здания. Следует заметить, что результаты расчетов по формулам (3.20) или (3.21) в значительной степени зависят от правильности выбора значения скорости ветра, поскольку в формулу она входит в квадрате. Несмотря на «одинаковость» в написании формул (3.20) и (3.21) и похожесть задач (оценка ветрового давления на здания), выбор значения скорости ветра для них принципиально различен. Для ветра как нагрузки следует выбирать скорость ветра, повторяющуюся достаточно редко - один раз за определенный период лет. Этот период зависит от решаемой задачи. При расчете ветровой нагрузки на здание в целом, принимается скорость ветра, случающаяся один раз за 20 или более лет. При расчете крепления элементов зданий, которые могут быть заменены в процессе эксплуатации, можно принять другое значение скорости ветра, повторяющееся один раз за 5 лет. Это значение будет ниже, ветровое давление будет также ниже, и крепежные элементы могут быть экономичнее. При оценке воздухообмена в зданиях, подход к величине скорости ветра (формула 3.21) принципиально другой. Воздухообмен в зданиях формирует санитарно-гигиенические условия помещений, а эти условия должны поддерживаться постоянно (зимой и летом, днем и ночью, сразу по завершении строительства здания и через десятки лет эксплуатации). Для решения этой задачи необходима информация о скорости ветра в любой момент времени или информация о скорости ветра за 36 определенные периоды времени: дневные, вечерние, сезонные, наличие штилей. В справочной литературе о климате в концентрированном виде эти данные отсутствуют. В СНиП 41-01-2003 при расчете воздухообмена за счет действия ветра для всех случаев установлено: скорость ветра - 1м/с. Безусловно, значение скорости ветра, принимаемое в расчетах, требует большего обоснования (теплый или холодный период года, объемно-планировочное решение квартир, их ориентация по странам света, направление ветра в разные сезоны, конструктивные решения систем естественной вентиляции и т.д.). 3.7. Оценка круга горизонта по климатическим факторам и анализ микроклимата в районе застройки Проведенный в предыдущих разделах анализ климатических факторов дает первое представление по учету климата для задач строительной отрасли. Следующим этапом учета климата при проектировании зданий является оценка круга горизонта по климатическим факторам, выполняемая на основе экологической модели пространства профессора Блинова В.А. Модель позволяет получить климатический (экологический) паспорт города, в котором собраны климатические факторы, имеющие векторные характеристики. Выделены положительные и отрицательные воздействия факторов. В графическом выражении модель представляет собой круг с наблюдателем (или проектируемым объектом) в центре, а по странам света расположены климатические факторы, векторно сориентированные на наблюдателя (рис.3.19). Для удобства прочтения различные климатические факторы размещаются на концентрических окружностях разных диаметров. Оценку круга горизонта по климатическим факторам легко превратить в экологическую модель пространства добавлением других факторов городской среды, имеющих векторный характер (шум, производственные загрязнения, газы и запахи, технологическая пыль и т.д.). Климатические факторы, рассмотренные в предыдущих разделах и сведенные в оценку круга горизонта, представляют собой оценку климата, полученную на специальных метеорологических станциях на большой высоте или на специальных площадках, расположенных за городом на открытой местности. Эти данные применимы для проектирования отдельно стоящего здания в сельской местности. 37 Урбанизированная среда, рельеф, растительность, водные поверхности вносят коррективы в «классические» характеристики климатических факторов. Эти коррективы могут идти как в сторону усиления действия факторов, так и в сторону их ослабления. Для корректировки «классических» значений климатических факторов, учитывающих рельеф и другие природные характеристики участка строительства, рекомендуется использовать табл.3.6. [26]. Таблица 3.6 Основные закономерности формирования микроклимата в условиях природной среды 38 Элементы природной среды Рельеф: - вершины и открытые верхние части склонов; Закономерности изменения климатических факторов Днем температура воздуха на 2-4°С ниже, чем в окружающей местности, в ясные тихие ночи – на 1,5-2°С теплее по сравнению с ровным местом и на 2-8°С - с дном долин и подножьем склонов. - южные склоны; Максимальные дневные температуры. Получают тепла на 4-8% больше, чем на равнине. - северные склоны; Наиболее холодные (особенно летом), получают тепла на 8-10% меньше, чем на равнине. - наветренные склоны; Наиболее холодные, имеют глубину снежного покрова. - подветренные (заветренные) склоны; Наиболее теплые, имеют большую глубину снежного покрова. - долины, котловины, нижние части склонов; Значительно большие суточные колебания температуры воздуха, частое образование туманов, росы. Ночью самые низкие температуры и высокая влажность воздуха. Плохие условия проветривания. Растительность На 2-22% снижается проникновение солнечной радиации. Возможно снижение температуры воздуха на 10°С. Ветрозащитное действие. Моря, водохранилища, озера Весной и в начале лета водоем охлаждает прилегающую территорию; в конце лета и осенью – утепляет. Вблизи водоема днем температура воздуха на 2-4°С ниже, а ночьюна 2-4°С выше, чем вдали от берега. небольшую Для учета городской среды в районе застройки рекомендуется пользоваться табл.3.7 [22]. Таблица 3.7 Основные закономерности формирования микроклимата в городской среде Элементы климата Солнечная радиация Изменение климатических характеристик в сравнении с загородной зоной Снижение до 20% в зависимости от степени загрязнения воздуха, времени года и суток. Температура воздуха Повышение на 1-4°С в зависимости от плотности застройки: в застройке плотностью до 20% - на 1-2°С, плотностью более 20% - на 3-4°С (без учета влияния озеленения на снижение температуры). Скорость ветра Снижение или увеличение на 20-70% в зависимости от плотности застройки: в застройке плотностью до 30% на 20-25%, плотностью более 30% - более чем на 50%. Рис.3.19. Оценка круга горизонта по климатическим факторам для Казани 39 4. КЛИМАТИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ И АРХИТЕКТУРНЫЕ СРЕДСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СРЕДЫ Разнообразие физико-географических и климатических районов нашей страны диктовало необходимость районирования и выработки типологических требований к жилым (и не только жилым) зданиям для разных районов. Первые попытки районирования территории СССР были предприняты в 1930 году, это касалось уклонов крыш и снеговой нагрузки для северной, средней и южной полос ЕТС. В 1934 году в «Основных строительных нормах» территория СССР была разделена на четыре района: в I и II районе предусматривалась защита от холодных зим, а в III и IV – от жаркого лета. В основу этого районирования положены средние температуры воздуха за самый холодный месяц (январь) и самый жаркий (июль). Опыт строительства и эксплуатации жилых зданий в последующие годы показал, что важное значение имеют и другие климатические факторы. Так, в северных районах сильные теплопотери в зданиях зимой связаны с ветром. В южных районах теплоощущения человека определяются сочетанием температуры и влажности воздуха. Кроме того, в каждый из четырех предложенных районов входили огромные территории с различными климатическими условиями (хотя и близкими по средним температурам воздуха в январе и июле). Дальнейшие исследования метеорологов, архитекторов, проектировщиков и строителей позволили уточнить границы районов, ввести деление районов на подрайоны с более узкими границами климатических факторов. В итоге этих работ, в СНиПе издания 1972г. «Строительная климатология и геофизика» появилась карта климатического районирования территории СССР для строительства (рис.4.1) и табл.4.1 с параметрами температуры воздуха в январе и июле, относительной влажности воздуха в июле и средней скорости ветра за три зимних месяца. 40 Рис.4.1. Схематическая карта климатического районирования территории для строительства (СНиП 23-01-99) Карта климатического районирования и таблица параметров действуют и в настоящее время (некоторое уточнение по зимней температуре внесено в подрайон IД). При использовании карты климатического районирования в отдельных регионах России возникают ситуации, когда границы климатических районов и подрайонов не совпадают с границами административных районов, что затрудняет использование расчетных климатических параметров. В этих случаях на региональном уровне в территориальных строительных нормах уточняют границы климатических районов и подрайонов и совмещают их с границами административных районов. Климатическое районирование 1972 года несло в себе большую позитивную роль. Это позволило развить типологические требования к жилым зданиям в различных климатических районах и нашло отражение во всех последующих изданиях СНиПов «Жилые здания». За прошедшие годы поднялся общий уровень стандарта жилища, менялись требования к жилью в потребительском смысле. Возникла потребность в новых разработках по учету климата при проектировании жилья. 41 Таблица 4.1 Характеристика климатических районов и подрайонов СреднемеСредняя Клима- Климати- Среднемесячная Среднемесячная сячная скорость тичесческие температура температура относительная ветра за кие подвоздуха в воздуха в июле, влажность три зимних районы районы январе, град град воздуха в месяца, м/с июле, % I IА От –32 и ниже От +4 до +19 IБ От –28 и ниже 5 и более От 0 до +13 Более 75 IВ От –14 до -28 От +12 до +21 IГ От –14 до -28 5 и более От 0 до +14 Более 75 IД От –14 до -32 От +10 до +20 II IIА От –4 до -14 5 и более От +8 до +12 Более 75 IIБ От –3 до -5 5 и более От +12 до +21 Более 75 IIВ От –4 до -14 От +12 до +21 IIГ От –5 до -14 5 и более От +12 до +21 Более 75 III IIIА От –14 до -20 От +21 до +25 IIIБ От –5 до +2 От +21 до +25 IIIВ От –5 до -14 От +21 до +25 IV IVА От –10 до +2 От +28 и выше 50 и более в IVБ От +2 до +6 От +22 до +28 13ч. IVВ От 0 до +2 От +25 до +28 IVГ От –15 до 0 От +25 до +28 Примечание: климатический подрайон IД характеризуется продолжительностью холодного периода года (со средней суточной температурой ниже 0°С) 190 дней в году и более Весьма перспективными оказались предложения ЦНИИЭП жилища (А.А.Гербурт-Гейбович и В.К.Лицкевич) по установлению типов погоды, их повторяемости и продолжительности [22]. При установлении типов погоды за основу было принято теплоощущение человека в зависимости от сочетания температуры воздуха, его относительной влажности и скорости ветра. Для теплых районов определяющим оказалось сочетание температуры и влажности воздуха, а для холодных – температуры воздуха и скорости ветра. Было выделено семь типов погоды: жаркая, жаркая сухая (засушливая), теплая, комфортная, прохладная, холодная и суровая. Границы значений климатических факторов для различных типов погоды приведены на рис.4.2. В основу нового предложения по районированию территории СССР по данному принципу Гербурт-Гейбович и Лицкевич положили повторяемость метеорологических условий, определяющих указанные типы погоды. За предельное значение принимается повторяемость 17%, что соответствует 60 дням в году. По этому принципу было выделено 7 районов и 20 подрайонов табл.4.2 и карта, рис.4.3. 42 Рис.4.2. Характеристика типов погоды Таблица 4.2 Климатические характеристики районов (предложения Гербурт-Гейбовича и Лицкевича) Район Тип погоды 1 Суровая, холодная Суровая, холодная, прохладная Суровая, холодная, прохладная, комфортная Холодная, прохладная Холодная, прохладная, комфортная Холодная, прохладная, комфортная, теплая Холодная, прохладная, комфортная, теплая, засушливая 2 3 4 5 6 7 Сумма градусо-дней отопления 12000-15000 Общая продолжительность комфортной и теплой погоды, месяцы <2 12000-15000 <2 12000-14000 2-2,5 6000-12000 <2 3800-12000 2-8 1900-7500 7-8 1900-3800 4-8 В целом уровень требований к жилищу в соответствии с этими предложениями значительно возрос. Однако в официальной нормативной литературе они нашли лишь частичное использование. (Например, градусо-сутки отопления при изменении СНиП II-3-79*). 43 Рис.4.3. Климатическое районирование для типизации жилища (предложение ГербуртГейбовича и Лицкевича) Известны и другие предложения по климатическому районированию территории, суть которых заключается в том, что определяющие параметры (табл.4.1) должны быть дополнены характеристикой солнечной радиации (Биркая К.А.). Известны предложения по районированию на основе комплексных показателей, связанных с тепловым режимом зданий в эксплуатации (учет теплопотерь за зимний период, в том числе при ветре, в том числе приход тепла от солнечной радиации и др.) (Аннапольская Л.Е., Гандин Л.С.). Представления о типах погоды позволили научно обосновать переход к одному из основных положений климатической типологии, - к вопросу об архитектурных средствах преобразования среды, а также к вопросам о связи категорий архитектурной композиции с климатическими условиями, о раскрытии или закрытии помещений во внешнюю среду. Основополагающими следует считать представления о четырех эксплуатационных режимах зданий: изолированном, закрытом, полуоткрытом и открытом. В изолированном и закрытом эксплуатационных режимах требуются специальные проектные решения инженерных систем по жизнеобеспечению зданий. В полуоткрытых режимах системы жизнеобеспечения менее выражены, а в открытых отсутствуют совсем. На рис.4.4 дано графическое представление об основных режимах эксплуатации 44 жилища при семи типах погоды, а в табл.4.3 приведена характеристика типов погоды, режимов эксплуатации жилища и значений климатических факторов. Рис.4.4. Режимы эксплуатации жилища при семи типах погоды: а-жаркая, б-сухая жаркая, втеплая, г-комфортная, д-прохладная, е-холодная, ж-суровая 45 Таблица 4.3 Характеристика типов погоды и соответствующие им режимы эксплуатации жилища Тип 1 1.Жаркая (сильный перегрев при нормальной и высокой влажности) Характеристика погоды СреднемеСреднемесячсячная ная относитемпература тельная воздуха, °С влажность воздуха, % 2 3 40 и выше 24 и менее 32 и выше 25-49 25 и выше 50 и более Среднемесячная скорость ветра, м/с Режим эксплуатации жилища 4 - 5 Изолированный. Характерны затенение, аэрация ,компактное объемно-планировочное решение зданий, полное кондиционирование воздуха, побудительная вытяжная вентиляция, воздухонепроницаемость и теплозащита ограждений. 2.Сухая жаркая (сильный перегрев при низкой влажности) 32-39,9 24 и менее - Закрытый. Характерны затенение, защита от пыльных ветров, искусственное охлаждение помещений без снижения влагосодержания, воздухонепроницаемость, теплозащита ограждений. 3.Теплая (перегрев) 24-27,9 20-24,9 24-31,9 28-31,9 50-74 75 и более 24 и менее 25-49 - Полуоткрытый. Характерны затенение и аэрация, сквозное (угловое, вертикальное) проветривание квартир, лоджии и веранды, механические вентиляторы-фены, трансформация ограждений. 4.Комфортная (тепловой комфорт) 12-23,9 12-23,9 12-27,9 12-19,9 4-11,9 24 и менее 50-74 25-49 75 и более - 5.Прохладная 6.Холодная (охлаждение) 46 -35,9 — +4 -27,9 — +4 -19,9 — +4 -11,9 — +4 - 0 и более 1,9 и ниже 2-4,9 5-9,9 10 и более Открытый. Климатозащитной функции архитектуры не требуется, типичны лоджии, веранды. Полуоткрытый. Защита от ветра, ориентация на солнце, отопление малой мощности, трансформация и необходимая воздухонепроницаемость ограждений. Закрытый. Защита от ветра, ориентация на солнце, компактное объемнопланировочное решение, закрытые лестницы, шкафы для верхней одежды, центральное отопление средней мощности, вытяжная канальная вентиляция, воздухонепроницаемость и теплозащита ограждений. Окончание табл. 4.3 1 7.Суровая (сильное охлаждение) 2 -36 и ниже 3 - -28 и ниже -20 и ниже -12 и ниже - 4 1,9 и менее 2-4,9 5-9,9 10 и более 5 Изолированный. Желательны переходы между жилищем и сетью первичного обслуживания, максимальная компактность зданий, отопление большой мощности, искусственная приточная вентиляция с обогревом и увлажнением воздуха, высокие воздухонепроницаемость и теплозащита зданий, двойной тамбур, шкафы для верхней одежды. Данные табл.4.3 позволяют оценить тип погоды в конкретном географическом пункте на основе сравнения значений климатических факторов в этом пункте в любой момент времени на протяжении года с аналогичными факторами таблицы. В итоге можно получить запись типов погоды для географического пункта помесячно, а также в разное время суток. В качестве примера в табл.4.4 приведены данные по типам погоды за день (Д) и ночь (Н) в течение 12 месяцев по некоторым городам. В последнем столбце приведена лаконичная запись (формула) погодного комплекса, которая выражает климатотипологическую сущность жилища. Из записи погодного комплекса становится очевидна защита человека от суровой и холодной погоды в Диксоне, холодной – в Москве, жаркой – в Ашхабаде. Таблица 4.4 Запись типов погоды за день и ночь по 12 месяцам года для условий Диксона, Москвы и Ашхабада Запись погодного комплекса (формула) Место Время суток I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Месяц Н с с с с х х х х х х с с Д с с с х х х п п х х х с Н х х х х п п к п п х х х Д х х х п к к к к к п х х Н х х п п к к к к к п х х Д п п к к т з Диксон Москва Ашхабад з з полная сокращенная 10с12х2п 6с6х1п 12х6п6к 6х3п3к 4х6п9к2т3з 2х3п4,5к1т1,5з т к к п Установление преобладающего типа погоды позволяет перейти к обоснованию категорий архитектурной композиции в 47 проектируемых зданиях, то есть к выбору архитектурного пространства, массы, пластики объема и поверхности. Так, для теплой и комфортной погоды типичны открытый характер архитектурных пространств (свободная застройка микрорайонов, планировка внутренних помещений, раскрытие во внешнюю среду), расчлененная масса здания (дворики, курдонеры, разделение на блоки), расчлененная пластика поверхностей (лоджии, балконы, террасы, навесы). Для суровой, холодной и жаркой погоды типичны замкнутый характер архитектурных пространств (плотная, ячеистая, периметральная застройка кварталов, закрытые связи-галереи между зданиями, односторонняя планировка квартир), нерасчлененная масса здания (компактная планировка, простая конфигурация, объемы, близкие к кубу, шару, внутренние закрытые атриумы), нерасчлененная пластика поверхности (небольшие окна, преобладание гладких поверхностей стен, отсутствие лоджий) (табл.4.5) [2]. Таблица 4.5 Связь категорий архитектурной композиции с климатическими условиями Тип погоды и дополнительные характеристики климата Архитектурное пространство: замкнутое + + полузамкнутое + + + + полуоткрытое + + малорасчлененная расчлененная + + + + + + со штилем с пыльными бурями + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + обтекаемая + + + + ориентированная + + + + 48 жаркая влажная + + + с повышенной влажностью + открытое Масса, пластика объема: нерасчлененная засушливая + + неориентированное ориентированное теплая комфортная прохладная с косыми дождями с ветром Категория холодная с ветром суровая + Окончание табл. 4.5 Тип погоды и дополнительные характеристики климата малорасчлененная расчлененная активно расчлененная + + + жаркая влажная со штилем с пыльными бурями + засушливая с повышенной влажностью + теплая комфортная прохладная с косыми дождями Пластика поверхности: нерасчлененная с ветром Категория холодная с ветром суровая + + + + + + + + + + 49 Р А З Д Е Л II ФИЗИКА СРЕДЫ В понятие «физика среды» мы вкладываем такие физические процессы, которые проходят в помещениях под воздействием климатических факторов: солнечной радиации, температуры и влажности воздуха, ветра и регулирование этих процессов проектными средствами. В разделе рассматриваются: формирование микроклимата и воздухообмена в помещениях, закономерности инсоляции территорий и помещений и естественного освещения зданий, т.е. те разделы классического курса «Строительная физика», которые связаны с природно-климатическими факторами. 5. КОМФОРТНЫЕ УСЛОВИЯ И МИКРОКЛИМАТ ПОМЕЩЕНИЙ Комфорт, комфортное состояние, комфортные условия чрезвычайно многогранный термин. Можно рассматривать разные стороны этого понятия: физиологический комфорт, психологический комфорт, эмоциональный, эстетический, тепловой и т.д. Многие исследователи приходят к выводу, что «состояние комфорта – это субъективное чувство, возникающее у людей под влиянием комплексных воздействий» [3]. Несмотря на множественность понятия «комфорт», первичными или основными его параметрами остаются климатические показатели, поскольку в процессе эволюции у человека выработалась определенная настройка терморегуляторного аппарата на климатические воздействия. Исследованиями гигиенистов, архитекторов, строителей, метеорологов определены основные параметры микроклимата помещений, значения и сочетания которых и определяют комфортные условия для человека: - температура воздуха в помещении и ее колебания в течение суток и года; - температура внутренних поверхностей помещения; - влажность и чистота воздуха в помещении; - скорость движения воздуха. 50 Для уточнения вклада каждого климатического параметра в состояние комфорта следует рассмотреть закономерности теплообмена человека с окружающей средой. Температура тела человека (35-37°С) всегда выше температуры окружающей среды (16-22°С), в связи с чем человек постоянно отдает тепло. Теплообмен человека с окружающей средой идет четырьмя путями: конвекцией, кондукцией, излучением (радиацией) и испарением. В зависимости от условий, изменяется теплоотдача человека по тому или иному механизму, однако в условиях, близких к оптимальным, человек отдает тепло: - конвекцией и кондукцией – 15-33%; - радиацией (излучением) – 45-60%; - испарением – 20-30%. Механизм теплоотдачи человека предопределяет требования к параметрам микроклимата, к его оптимальным (или комфортным) значениям. Конвекция – это передача тепла от тела человека воздуху за счет разности температур. Поэтому температура воздуха помещения считается первым критерием среды. Кондукция – это способ передачи тепла при контакте двух тел. Чаще всего человек ощущает это при нахождении на «теплом» или «холодном» полу. Полы из каменных материалов, керамических и даже линолеума считаются холодными, так как, в силу высокого коэффициента теплоусвоения этих материалов, усиливается передача тепла от человека к полу кондукцией. В южных странах эти свойства материалов (и вид теплопередачи) используют для снижения перегрева и повышения комфортности. Для северных широт ряд исследователей рекомендуют вводить дополнительный показатель микроклимата помещений – температуру пола (рис.5.1). Рис.5.1. График распределения комфортных температур пола в зависимости от времени пребывания человека в помещении 51 Излучение, или радиация – это лучистая передача тепла (перенос энергии в виде электромагнитных волн) от более нагретого тела к менее нагретому телу. В умеренном и холодном климате идет передача тепла от человека к ограждениям и тем интенсивнее, чем ниже температура поверхности ограждений. Человек начинает ощущать дискомфорт через 15-30 мин, если находится вблизи окна, хотя через окно и «не дует», а температура воздуха в помещении в пределах нормы. Низкая температура стекла за счет излучения интенсивно «отбирает» тепло у человека. В южном климате в силу перегрева ограждений за счет солнечной радиации направление тепла может оказаться обратным – от ограждения к человеку, что также отрицательно действует на человека. Требуются проектные решения для защиты от перегрева. Таким образом, данный вид теплообмена, а это около половины теплопотерь человека, выдвигает требования к контролю температуры внутренних поверхностей ограждений. Лицкевич В.К. [22] утверждает, что «изменение температуры всех поверхностей помещения на 1°С равноценно изменению температуры воздуха в этом помещении на 4-5°С, то есть воспринимается как очень значительное». Испарение – это процесс отдачи тепла человеком за счет испарения влаги с поверхности кожи и при дыхании (скрытая форма теплоотдачи). Интенсивность теплоотдачи этим способом зависит от сочетания температуры, воздуха в помещении и его относительной влажности. При относительно высокой температуре и сухом воздухе испарение влаги протекает спокойно и человек чувствует себя комфортно. При увеличении влажности воздуха потоотделение затрудняется, возникает ощущение дискомфорта (духоты). По этой причине относительная влажность воздуха входит в параметры микроклимата. При конвективном теплообмене и испарении большую роль играет подвижность воздуха. Низкая подвижность воздуха (или застойный воздух) затормаживает сосудистые реакции организма и затрудняет теплообмен человека с окружающей средой. Высокая подвижность воздуха способствует переохлаждению, возникает эффект «сквозняков», то есть дискомфорта. Создание оптимальных (комфортных) скоростей воздуха в помещениях является важной задачей проектирования. Следует заметить, что движение воздуха в помещении находится во власти архитектора в большей степени, чем специалиста по вентиляции. Именно архитектор обеспечивает 52 движение воздуха по всему помещению, направляя потоки воздуха к человеку или от него по всей рабочей зоне. Жители северных или южных регионов в результате естественной эволюции акклиматизировались к метеорологическим параметрам своих регионов и, как следствие, этого терморегуляторные аппараты человека тесно связаны с параметрами климата. В силу этого, значения параметров микроклимата, определяющих комфортные условия климата, для «северян» и «южан» будут различны. Киевским НИИ общей и коммунальной гигиены даны рекомендации по гигиеническим требованиям к микроклимату жилых помещений для разных климатических районов, табл.5.1. Таблица 5.1 Гигиенические нормы микроклимата жилищ в различных климатических районах Параметры Сезон Температура воздуха, °С Влажность воздуха, % Подвижность воздуха, м/с Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций, °С Зима Лето Зима Лето Зима Лето Зима Лето I 21-22 23-24 30-45 35-50 0,08-0,1 0,08-0,1 21 26 Климатический район II III 18-20 18-19 23-24 25-26 30-45 35-50 35-50 30-60 0,08-0,1 0,08-0,1 0,08-0,1 0,1-0,15 18 18 26-27 28 IV 17-19 25-26 35-50 30-60 0,08-0,1 0,1-0,15 18 28 Следует заметить, что разница в температурах воздуха помещений для различных климатических районов составляет: для зимы - 5°С, для лета - 3°С. А разница в температурах воздуха помещений между сезонами составляет для климатических районов: I - 3°С, II - 6°C, III - 8°C и IV - 9°С. Оказалось, что гигиенический норматив имеет гораздо большее расхождение между сезонами, чем между климатическими районами. Существуют гигиенические обоснования параметров микроклимата в жилье для разных возрастных групп населения и для разного времени суток. В табл.5.2 приведены рекомендации Киевского НИИ общей и коммунальной гигиены по гигиеническим требованиям к параметрам микроклимата. Можно видеть значительную разницу в температурах воздуха между жилыми комнатами и спальнями. Медиками установлено, что сон в прохладных условиях более глубокий. Это значит, что в разных помещениях одной квартиры разница в температурах воздуха может составлять 8°С. 53 Из вышесказанного следует, что гигиенические требования к параметрам микроклимата в жилых помещениях имеют некоторые интервалы по каждому из параметров. В этих интервалах условия будут оставаться комфортными. Таблица 5.2 Гигиенические требования к параметрам микроклимата жилища для различных возрастных групп Возрастные группы 12-13 лет 20-30 лет 55-60 лет Помещения Температура воздуха, °С Влажность воздуха, % Скорость воздуха, м/с Жилые Спальни Жилые Спальни Жилые Спальни 20-22 16-17 18-20 14-15 20-22 16-17 45-50 38-50 45-50 38-50 45-50 38-50 0,1-0,15 0,08-0,1 0,1-0,15 0,08-0,1 0,1-0,15 0,08-0,1 Температура внутренних поверхностей ограждающих конструкций, °С 18 15 18 14 18 15 На рис.5.2 приведены зоны комфорта для различных сочетаний температуры воздуха с температурой поверхностей стен (а) и с относительной влажностью воздуха (б). Данные этих рисунков подтверждают, что ощущение комфорта сохраняется на некотором интервале значений по каждому параметру микроклимата. То есть ощущение комфорта у человека связано не столько с величиной того или иного параметра микроклимата, сколько с сочетаниями их значений. Рис.5.2. Ощущение комфорта в зависимости от сочетаний параметров микроклимата: а) температуры воздуха в помещении и температуры поверхностей стен; б) температуры воздуха в помещении и относительной влажности воздуха в помещении 54 На основании этого стало возможным оценить степень комфорта в помещении через индекс комфортности, который представляет собой некую условную безразмерную величину. В эмпирической формуле индекс комфортности (Н) связан с температурой воздуха в помещении (tв), температурой поверхностей стен в помещении ( П ), абсолютной влажностью воздуха (е) и скоростью движения воздуха ( ). H 0,24(t в П ) 0,1e 0,99(37,8 t в ) . (5.1) В таблице 5.3 приведены данные по оценке индекса комфортности для различных климатических районов. Следует обратить внимание на первый и второй столбцы таблицы: среда остается комфортной при некотором отклонении в сторону «прохладно» и «тепло». Можно оценить и значительные отклонения от комфорта: дискомфорт первой и второй степени. Таблица 5.3 Индекс комфортности (ощущения человеком условий среды жилых помещений) Климатические районы I летний зимний летний зимний летний Сезоны зимний Дискомфорт ные первой степени Дискомфорт ные второй степени IV летний Комфортные Характеристика микроклимата III зимний Условия среды II Прохладно Нормально Тепло Холодно Жарко 9,6 10,6 11,6 8,6 12,6 11,0 12,0 13,0 10,0 14,0 9,0 9,5 10,0 8,0 11,0 11,0 12,0 13,0 10,0 14,0 7,8 8,8 9,8 6,8 10,8 11,9 12,9 13,9 10,9 14,9 8,1 8,7 9,1 7,1 10,1 12,7 13,7 14,7 11,7 15,7 Очень холодно Очень жарко 7,6 13,6 9,0 15,0 7,0 12,0 9,0 15,0 5,8 11,8 9,9 15,9 6,1 11,1 10,7 16,7 Строчки «комфортно» в этой таблице получены по гигиеническим нормам микроклимата жилища, приведенным в табл.5.1 Анализ табл.5.3 показывает, что значения индекса комфортности имеют более выраженную сезонную зависимость, чем зависимость от климатического района. В проектной практике для создания комфортных условий в жилых помещениях руководствуются действующими нормативными документами по жилым зданиям [69,70] или специальными нормативными документами, касающимися параметров 55 микроклимата в помещении ГОСТ 30494-96 [73], СанПиН 2.1,2.1002-00 [74]. В табл.5.4 приведены параметры микроклимата жилых помещений по [73]. Следует заметить, что в [74] приведены те же параметры микроклимата. Таблица 5.4 Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий и общежитий оптимальная допустимая оптимальная допустимая, не более оптимальная допустимая, не более Скорость движения воздуха, м/с допустимая Относительная влажность, % оптимальная Наименование помещения Результирующая температура, °С Жилая комната 20-22 18-24 (20-24) 19-20 17-23 (19-23) 45-30 60 0,15 0,2 То же в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) минус 31°С и ниже 21-23 20-24 (22-24) 20-22 19-23 (21-23) 45-30 60 0,15 0,2 Кухня Туалет Ванная, совмещенный санузел 19-21 19-21 24-26 18-26 18-26 18-26 18-20 18-20 23-27 17-25 17-25 17-26 НН* НН НН НН НН НН 0,15 0,15 0,15 0,2 0,2 0,2 Помещения для отдыха и учебных занятий 20-22 18-24 19-21 17-23 45-30 60 0,15 0,2 Жилая комната 22-25 20-28 22-24 18-27 60-30 65 0,2 0,3 Теплый Холодный Период года Температура воздуха, °С НН* - не нормируется Примечание: значения в скобках относятся к домам для престарелых и инвалидов В табл.5.4 нормативы параметров микроклимата жилых помещений записаны через оптимальные и допустимые значения. Интервалы изменений параметров микроклимата, указанные в 56 табл.5.4, очень близки к таковым табл.5.1, следовательно, параметры микроклимата табл.5.4 пригодны и гигиенически обоснованы для всех климатических районов, а достижение комфорта в жилых помещениях будет определяться искусством проектировщика. Сформулированный ранее перечень параметров микроклимата, определяющий комфортные условия (см. так же табл.5.1 и 5.2), не совпадает с перечнем параметров микроклимата в официальных нормативных документах (табл.5.4). В последних температура внутренних поверхностей помещения заменена на так называемую результирующую температуру помещения, которая представляет собой комплексный показатель радиационной температуры помещения и температуры воздуха помещения. В [73] (приложение А) приведена методика расчета результирующей температуры. Необходимым элементом расчета является измерение температуры в помещении по шаровому термометру. А это, в свою очередь, означает, что, прежде чем провести измерение температуры в помещении по шаровому термометру, необходимо построить и сдать в эксплуатацию это помещение. То есть, при проектировании жилых зданий нет возможности проектными средствами задавать то или иное значение результирующей температуры в будущем помещении. С этой точки зрения параметр «результирующая температура» становится неопределенным при проектировании жилых зданий. Приводимый ранее близкий (но другой) параметр микроклимата жилых помещений – температура внутренних поверхностей помещения ( П ) вполне поддается расчету на стадии проектирования объекта. В СНиП «Строительная теплотехника» [63] приводится методика расчета этого параметра по известным расчетным значениям температуры наружного (tн) и внутреннего (tв) воздуха, условиям теплообмена и внутренней поверхности ( в ) и сопротивлению теплопередаче ограждающей конструкции (R0), которые легко задаются при проектировании ограждения: В tв nt в t н . R0 в (5.2) Таким образом, при использовании параметра «температура внутренних поверхностей помещения» становится возможным еще на стадии проектирования объекта задавать комфортные значения параметров микроклимата. Основной параметр микроклимата помещений – температура воздуха с высокой уверенностью задается проектированием 57 наружных ограждений и расчетом их термического сопротивления (стен, покрытий, световых проемов и т.д.), а также проектированием и расчетом системы отопления зданий. Относительная влажность и скорость движения воздуха в помещении должны рассматриваться совместно с обеспечением воздухообмена в помещении средствами вентиляции. Однако для обеспечения вентиляции в наиболее «грязных» помещениях – кухнях и санузлах на стадии проектирования используют нормативные документы [66,67,68] с методиками расчета и проектными решениями по объемам удаляемого воздуха, в то время как методика расчета по обеспечению влажности и скорости движения воздуха в помещении на стадии проектирования объекта отсутствует. Подводя итоги анализу микроклимата помещений и созданию в нем комфортных условий, следует сказать, что из четырех параметров микроклимата, приведенных в официальных нормативных документах [73,74], на стадии проектирования объекта проектными средствами может быть обеспечен только один – температура воздуха. По остальным трем параметрам в настоящее время не могут быть заданы их оптимальные значения расчетнопроектными средствами. Эти вопросы требуют дальнейших исследований. 6. ЕСТЕСТВЕННЫЙ ВОЗДУХООБМЕН В ЗДАНИЯХ Важнейшим параметром качества жилой среды является чистота воздуха, которая обеспечивается воздухообменом обоснованной кратности и движением воздуха по всей рабочей зоне обоснованной скорости. Экологическая наука, занятая контролем и мониторингом чистоты атмосферного воздуха, не уделяет должного внимания воздуху жилых помещений и общественных зданий, в которых человек проводит 70-80% своей жизни. Чистота атмосферного воздуха крупных городов вызывает беспокойство у экологов, тем не менее, врачи рекомендуют чаще открывать форточки и проветривать помещения (этим-то «беспокойным» воздухом!). Питьевая вода, пища подвергаются постоянному санитарно-эпидемиологическому контролю, хотя человек потребляет 2-3 кг этих продуктов в сутки. Потребление воздуха составляет около 25кг в сутки, но этот важнейший третий «ключ человеческой жизни» (по словам Гиппократа) остается без контроля. 58 В таких условиях воздух помещений оказывается в 4-10 раз загрязненнее атмосферного воздуха. Не случайно Всемирная организация охраны окружающей среды (ЕРА) включила воздух закрытых помещений в список пяти наиболее загрязненных точек окружающей среды. 6.1. Гигиенические основы воздухообмена Воздух помещений подвержен различным процессам загрязнений. Прежде всего, биологическое загрязнение, связанное с физиологическими процессами жизнедеятельности человека: дыхание, выделение пота и продуктов его разложения, а также микроорганизмы, клещи и т.п. Большие загрязнения вносятся от работы газовых плит, процесса приготовления пищи, от одежды, ковров. Вредные выделения из строительных материалов, мебели и т.д. В воздухе увеличивается содержание двуоксида углерода. Тягостное воздействие на человека оказывают различные запахи. При наличии неприятного запаха, воздух будет признан непригодным по санитарным нормам, даже если остальные физические и химические показатели воздуха находятся в пределах нормы. Достаточно объективным индикатором качества воздуха помещений служит содержание в воздухе двуоксида углерода (СО2). Общепринятой гигиенической нормой содержания СО2 в жилых помещениях является 0,1% (или 1 литр/м3). В атмосферном воздухе крупных городов содержится 0,05% (или 0,5 л/м3) двуокиси углерода (в малых города – 0,4 л/м3). В условиях рационального воздухообмена с наружным воздухом в помещение будет внесено 0,5 л/м3 двуоксида углерода, до допустимой гигиенически безопасной нормы (1л/м3) может быть дополнено еще 0,5 л/м3. Взрослый человек, выполняющий легкую работу, выдыхает в час около 23л двуоксида углерода. Таким образом, при кратности воздухообмена, равном единице, концентрация СО2 не будет превышена, если в помещении на 1 человека приходится 23л:0,5л/м3=46м3 объема помещения. Эта величина и составляет санитарную норму объема жилого помещения («воздушный куб») на одного человека. Существовавший в СССР норматив жилой площади (а не объема жилого помещения) в 9 или 12 м2 на человека имел политическое, а не гигиеническое обоснование. Важнейшим показателем качества воздуха жилых помещений является его аэроионный состав (количество и баланс между положительно и отрицательно заряженными ионами) (табл.6.1) [76]. 59 Таблица 6.1 Нормируемые показатели концентрации аэроионов Нормируемые показатели Минимально допустимые Максимально допустимые Концентрация аэроионов, (ион/см3) положительной отрицательной полярности полярности 400 600 50000 50000 Коэффициент униполярности У 0,4 У 1,0 Известно, что горение природного газа в кухонной плите, работа бытовых электроприборов, видиодисплейные терминалы, синтетические материалы и покрытия, способные накапливать электростатический заряд, вызывают рост положительно заряженных ионов и исчезновение – отрицательно заряженных. С увеличением загрязнения воздуха увеличивается количество ядер конденсации (пыль, микроорганизмы, пар и т.п.) и увеличивается скорость исчезновения отрицательно заряженных ионов по сравнению с чистым воздухом. Отрицательно заряженные аэроионы иногда называют «витаминами воздуха», много их содержится в хвойном лесу, морском и горном воздухе (табл.6.2 [38]). При сравнении этой таблицы с таблицей 6.1 нормативных данных, можно видеть, что в СанПиНе 2.2.4.1294-03 заложен широкий диапазон норм от «воздуха городских улиц» до «воздуха у водопада». Таблица 6.2 Количество отрицательных аэроионов в различных условиях Природные и искусственные условия Воздух городских квартир Воздух городских улиц Лесной и морской воздух Воздух горных курортов Воздух у водопада Воздух после грозы Количество отрицательных аэроионов в 1 см3 50-100 100-500 1000-5000 5000-10000 10000-50000 50000-100000 Следует констатировать, что в настоящее время в проекты зданий не закладываются системы, вырабатывающие отрицательные аэроионы. 60 6.2. Вредные выделения в жилых помещениях и их количественная оценка Вредными считаются все выделения в жилом помещении, образующиеся в результате его эксплуатации: газовыделения, образование пыли из имущества и строительных материалов, влагои тепловыделения. По ряду вредных выделений существуют нормативные документы по предельно-допустимым концентрациям (ПДК), по другим таких нормативов нет. Газовыделения в жилых помещениях связаны, прежде всего, с углекислым газом (СО2), который выделяется при дыхании человека и горении газа в плитах. Предельно допустимые концентрации СО2 в воздухе помещений составляют: - в жилых комнатах (при постоянном пребывании людей) – 1,0 л/м3; - в общественных зданиях (при периодическом пребывании людей) – 1,25 л/м3; - в местах массового пребывания людей (кинотеатры и т.п.) – 2,0 л/м3; - детские учреждения и больницы – 0,7 л/м3. В предыдущем разделе был приведен пример расчета «воздушного куба», приходящегося на одного человека, при расчете по СО2. Для расчета воздухообмена в помещении по данному параметру можно воспользоваться данными табл.6.3. Таблица 6.3 Количество углекислого газа, выделяемого одним человеком Возраст и характер выполняемой работы Взрослые люди при выполнении работы: - умственной (или в состоянии покоя) - физической: легкой тяжелой Дети до 12 лет Открытое горение газа в кухонной плите Расход СО2 массовый, объемный, л/м3 г/час 23 45 30 45 12 700л при сгорании 13 газа 60 90 24 Следует заметить, что концентрация СО2 свыше 2,0 л/м3 является недопустимым загрязнением, поскольку ей сопутствуют газы, являющиеся продуктом распада белковых тел. 61 ПДК по другим газам, характерным для жилых помещений, приведены в СанПиНе 2.1.2.1002-00 [74], а для производственных помещений - в ГОСТ 12.1.005.-88 [72]. Серьезную озабоченность вызывает наличие пыли в жилых помещениях. Те пылинки, которые парят в солнечном луче, пробившемся через стекло в помещение, - лишь 1% всех пылевых частиц, находящихся в помещении. Остальные, в силу их микроскопических размеров, невидимы для нас. С каждым вдохом в наш организм попадает от 40000 до 75000 частиц пыли. Увеличение концентрации на 10 мкг в м3 увеличивает число приступов астмы на 10%, количество случаев респираторных заболеваний – на 25%. Для промышленных зданий содержание пыли в воздухе рабочей зоны регламентируется рядом нормативных документов, а для жилых зданий подобные нормативы не установлены. Избытки тепла в помещениях приводят к ухудшению комфортных условий и с этой точки зрения являются вредными. Теплоизбытки в помещениях образуются за счет выделения тепла человеком, величина этих тепловыделений зависит от характера работы, выполняемой человеком, и параметров микроклимата (табл.6.4 (по [27]). В помещениях возникает избыток тепла за счет работы бытовых приборов, дополнительного нагрева ограждений зданий и проникновения в помещения через световые проемы солнечной радиации. Все эти источники дополнительного тепла поддаются учету и суммируются, образуя суммарную величину теплоизбытков – Qизб. Избытки влаги в помещениях связаны с влаговыделениями человека и технологическими процессами (приготовление пищи, стирка) (табл.6.4). В последнем случае влаговыделения могут быть настолько значительными, что приведут к резкому увеличению влажности воздуха против нормальной, вплоть до конденсации влаги на ограждающих конструкциях. Повышение влажности воздуха в помещениях особенно недопустимо в зимнее время, когда внутренние поверхности наружных ограждений (особенно остекленные поверхности) имеют наиболее низкие температуры. Увлажнение наружных ограждений влагой помещений в последние годы приобретает массовый характер в силу использования герметичных "евроокон" и недостаточного воздухообмена и вентиляции. Имеют место случаи разрастания плесени в постоянно увлажняемых местах наружных ограждений. 62 Таблица 6.4 Количество тепла и влаги, выделяемых одним человеком при разных температурах Характер выполняемой работы Состояние покоя Физическая работа: - легкая - средней тяжести - тяжелая Тепло, Вт полное явное при при при при 10°С 35°С 10°С 35°С 160 93 140 12 180 215 145 195 150 165 5 5 290 290 195 10 Открытое горение газа в кухонной плите Влага, г/час при 10°С 30 при 35°С 115 40 70 200 280 135 415 1100г с 1м3 газа Таким образом, для борьбы с отрицательным воздействием влаги в помещениях необходимо, прежде всего, уметь подсчитать количество влаги, выделяющейся в помещениях в наиболее характерные периоды года – W, г/час. Количественные данные о выделении в помещениях газа, влаги, пыли и тепла служат основой для расчета необходимых воздухообменов. 6.3. Определение необходимых воздухообменов Необходимый воздухообмен требуется определять по каждому из вредных выделений. Однако, как было сказано, не по всем видам загрязнений в настоящее время существуют методики расчета и предельно допустимые концентрации. Наибольшее использование для жилых помещений находят расчеты воздухообмена по предельному содержанию углекислого газа (СО2), по удалению избыточной влаги Wизб и тепла Qизб: - при выделении углекислого газа (СО2): LU U ; k в k пр (6.1) - при удалении избыточного тепла: LQ Qизб ; c t ух t пр (6.2) W . d ух d пр (6.3) - при удалении избыточной влаги: LW 63 В этих формулах: LU, LQ и LW - необходимый воздухообмен по углекислому газу, избыткам тепла и влаги, соответственно (м3/час); U - количество углекислого газа, выделяющегося в помещении в течение 1 часа, л/час; Qизб – теплоизбытки в помещении, кДж/час; W – влаговыделения в помещении, г/час; kв и kпр – предельнодопустимая концентрация углекислого газа в жилом помещении, л/м3 и концентрация СО2 в приточном воздухе, л/м3, соответственно; с – массовая удельная теплоемкость воздуха, равная 1 кДж(кг°С); - плотность воздуха, поступающего в помещение, кг/м3; tух и tпр температура удаляемого и приточного воздуха, °С; dух - допустимое содержание влаги в воздухе помещения, г/м3; dпр - влагосодержание наружного воздуха, г/м3. За величину необходимого воздухообмена (L) следует принимать наибольшее значение, полученное по приведенным формулам. Итак, для обеспечения чистоты воздуха в жилых помещениях система воздухообмена должна в течение 1 часа заменять в квартире L м3 воздуха. Удалить загрязненный воздух и заменить его свежим и так каждый час, сутки, год и весь жизненный цикл здания. В нормативной литературе используют как объемы уделяемого воздуха (м3), так и параметр кратности воздухообмена. Объемы удаляемого воздуха (или поступление свежего воздуха) относят либо ко всему помещению, либо к 1м2 площади пола, либо в расчете на одного человека. Кратность воздухообмена представляет собой отношение величины воздухообмена L к объему помещения (или квартиры) – V. n=L/V . (6.4) Величина n может изменяться от 0,2 до 30 (табл.6.5). Это означает, что в течение 1 часа должен быть заменен воздух в количестве от 0,2 до 30 объемов помещения. Величина n определяется требованиями к помещениям и технологическими процессами, в них происходящими. В общественных зданиях, особенно в промышленных, требуемый воздухообмен обеспечивается системами механической вентиляции и кондиционирования. В жилых зданиях использование таких систем носит единичный характер. Для массового жилья следует искать системы естественной вентиляции с побуждением за счет гравитационных сил или ветрового напора. В табл.6.5 приведены нормы воздухообмена в жилых зданиях по различным нормативным документам. 64 Таблица 6.5 Нормы воздухообмена в жилых зданиях по нормативным документам Наименование помещений Жилые комнаты Кухни Ванные комнаты, туалеты Постирочные Гардеробные, кладовые СНиП 2.08.01-89* [67] 3 3м в час на 1 м2 пола От 60 до 90м3/час ТР АВОК-42004 [71] Кратность 0,35, но не менее 30м3/час на человека От 30 до 180 м3/час А.Беккер «Системы вентиляции» [4] СНиП 31-01-2003 [70] в в режиме нерабочем обслужирежиме вания Кратность 2-4 Кратность 0,2 Кратность 0,5-1,0 Кратность 25-30 Кратность 0,5 90м3/час 25м3/час От 10 до 120 м3/час Кратность 8 Кратность 0,5 25м3/час Кратность 7 Кратность 1-5 Кратность 6-8 Кратность 05 90м3/час Кратность 0,5 Кратность 1,0 __ Кратность 0,2 Кратность 0,2 Прежде всего, следует отметить отсутствие единых представлений о нормах воздухообмена (о нормах обеспечения свежим воздухом жилых помещений). Колебания в нормах воздухообмена для помещений одного и того же назначения находятся в очень широких пределах. Так, например, кратность воздухообмена в кухнях – в 2-3 раза, в жилых комнатах - такое же различие при сравнении нормативных документов. Из табл.6.5 видно также, что по зарубежным источникам нормы воздухообмена во много раз превышают отечественные. (Сравните для жилых комнат по кратности воздухообмена – 0,35 [71], 0,5-1,0 [70] и 2-4 [4]). Здесь имеет место недоучет рекомендаций гигиенистов по обеспечению жилых помещений свежим воздухом, с одной стороны, и необоснованная экономия энергоресурсов в ущерб здоровью людей - с другой. По различным источникам уход тепла с «грязным» воздухом составляет 8-15%, что составляет соблазнительный процент энергосбережений! Эти вопросы требуют серьезных исследований и обоснований. 65 6.4. Побудители естественного воздухообмена в зданиях Существуют лишь два условия, при которых можно организовать естественный воздухообмен: 1) за счет теплового напора, образующегося за счет разности плотностей воздуха снаружи ( н ) и внутри ( в ) помещения; 2) за счет ветрового напора ( н 2 / 2 ). В случае теплового напора избыточное давление Рt прямо пропорционально разности ( н в ) и высоте столба Н (расстоянию по вертикали в метрах от оси приточного отверстия до устья вытяжной шахты) (рис.6.1а). Рt Hg н в . (6.5) С увеличением разности температур внутреннего (tв) и наружного (tн) воздуха увеличивается разность ( н в ) и возрастает тепловой напор. С увеличением столба Н, тепловой напор также возрастает. Этим объясняется хорошая проветриваемость нижних этажей многоэтажных жилых зданий и недостаточная – верхних. В силу этого, ряд норм [70,71] предусматривает установку на вытяжных каналах верхних этажей индивидуальных вытяжных вентиляторов. Ветровой напор ( Р ) определяется по известной формуле: k k Р 1 2 н 2 2 2 , (6.6) где k1 и k2 - аэродинамические коэффициенты с наветренной и заветренной сторон здания; - скорость ветра, м/с. Следует заметить, что при тепловом напоре движение воздуха в помещении вертикальное, а при ветровом напоре – горизонтальное (рис.6.1). Полная разность давлений воздуха (или располагаемый напор) по обе стороны ограждения ( Р ) определяется как сумма теплового ( Рt ) и ветрового ( Р ) давлений: Р Рt Р . (6.7) В формулах теплового (6.5) и ветрового (6.6) напора присутствуют два климатических параметра: температура наружного воздуха (через н ) и скорость ветра. От правильного 66 учета этих параметров зависит точность расчетов давления воздуха и, в конечном счете, качество воздухообмена. Так, в [26] рекомендуется принимать tн как температуру воздуха для наиболее холодной пятидневки, обеспеченностью 0,92, а скорость ветра - как максимальную из средних скоростей ветра по румбам за январь, повторяемость которых составляет более 16%. В [27] за tн рекомендуют принимать температуру воздуха, равную +5°С, а величину скорости ветра принять равной 1м/с. Рис.6.1. К расчету воздухообмена при тепловом (а) и ветровом (б) напорах Расчетные значения располагаемого напора для рассматриваемых случаев будет различными, поскольку разница (tвtн) для первого случая будет около 50°С.,а для второго – около 15°С, т.е. отличается более чем в три раза! Как же оценить фактический воздухообмен? Ответ очевиден: для определения действительного воздухообмена в расчетах должны быть использованы действительные значения температуры наружного воздуха и скорости ветра, с их изменениями в течение года, а для ветра - еще и его значения по румбам. Использование в расчетах значений скоростей ветра по румбам позволяет повысить точность определения аэродинамических коэффициентов в формуле (6.6), а, следовательно, и точность расчетов в целом. В табл.6.6 приведены среднемесячные температуры (tн) и соответствующие им плотности наружного воздуха ( н ) для Казани. Величина g н в в таблице представляет собой избыточное давление в Па на 1 м высоты столба Н. Можно видеть, что удельное избыточное давление для летних и зимних месяцев различается в десятки раз. Следовательно, в том же порядке будет изменяться возможность организации воздухообмена. 67 Таблица 6.6 Годовой ход температур наружного воздуха и величины удельного избыточного давления для Казани Месяцы Показатели tн , °С н , кг/м н в 3 g н в I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII -13,5 -12,9 -7,0 3,3 12,1 16,9 19,0 17,1 10,7 3,2 -4,7 -11,0 1,360 1,357 1,327 1,277 1,239 1,218 1,209 1,216 1,245 1,278 1,315 1,348 0,156 0,152 0,122 0,072 0,034 0,013 0,004 0,011 0,040 0,073 0,110 0,143 1,53 1,49 1,197 0,71 0,33 0,13 0,04 0,108 0,39 0,716 1,08 1,40 Па Табл.6.6 показывает реальный ход теплового напора для Казани в течение года, а расчет естественной вентиляции по [66,68] рекомендуют проводить при единой температуре наружного воздуха +5°С. Очевидно, что расчет естественного воздухообмена по [66] будет соответствовать действительности лишь 1-2 месяца в году. Избыточное давление за счет ветрового напора нуждается в аналогичном анализе. Скорость ветра изменяется по сезонам и по направлениям. К сожалению, в СНиПах по строительной климатологии всех лет изданий по скорости ветра очень ограниченная информация. Наряду с информацией о повторяемости и скорости ветра по направлениям, которая используется для построения розы ветров (рис.3.15), в СНиПах приведены только две характеристики ветра: минимальная (за июль) и максимальная (за январь) из средних скоростей ветра с указанием господствующего направления ветра за три летних и три зимних месяца. Этой информации недостаточно для анализа ветрового напора в течение года. При оценке воздухообмена и определении реального значения суммарного избыточного давления Р , его составляющие части Рt и Р должны быть просуммированы для одного и того же момента времени. В связи с этим, необходима информация о повторяемости и скорости ветра по направлениям за каждый месяц года. Это позволит с использованием табл.6.6 получить действительную картину избыточных давлений (с точностью в один месяц, а не шесть месяцев, как рекомендует [66,68]). Как было сказано, нормативные документы по строительной климатологии не содержат необходимых данных по ветру. Для получения требуемых данных следует обратиться к справочникам по климату СССР [40] или к данным местных метеостанций. В таблице 6.7 приведены среднемесячные данные по направлению ветра по станции Казань - Опорная [39]. 68 Таблица 6.7 Направление ветра (%) Месяцы Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Год С 9 12 7 7 14 11 13 8 11 5 10 9 9 СВ 5 8 4 6 12 7 12 10 5 3 3 6 7 В 9 2 4 10 12 10 10 13 6 2 3 7 8 Румбы ЮВ Ю 18 20 22 22 17 24 15 18 11 11 10 9 10 11 14 12 14 15 13 24 14 18 25 18 14 17 ЮЗ 15 14 22 22 12 15 11 12 18 23 25 16 18 З 14 10 16 13 16 23 17 15 17 21 15 8 15 СЗ 10 10 6 9 12 15 16 16 14 9 12 11 12 В данных по направлению ветра прослеживается четко выраженный годовой ход с вероятностью 16% и выше: с южного и юго-восточного направления - в январе и феврале, через южное и юго-западное направление - в марте-апреле, западное – май-июнь и западное и северо-западное – июль-август. Далее к декабрю месяцу направление ветра возвращается к юго-восточному - через югозападное и южное - к юго-восточному (см. числа в табл., выделенные жирным шрифтом). Таким образом, получено статистически обоснованное направление ветра за каждый месяц. В табл.6.8 приведена вероятность ветра различной скорости за каждый месяц. Таблица 6.8 Вероятность ветра различной скорости (%) Скорость м/с 0-2 3-4 5-6 7-8 9-10 11-14 >15 Месяцы I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Год 30 20 22 13 11 3 1 32 29 20 11 7 1 0 26 25 22 15 8 3 1 28 27 20 12 10 3 0 31 22 24 13 7 3 0 34 26 23 12 4 1 0 38 28 21 8 3 2 0 40 28 22 5 3 2 0 31 23 25 12 6 2 1 35 27 24 12 9 3 0 24 31 24 12 6 3 0 24 25 30 12 7 2 0 30 26 23 12 7 2 0 Вероятность ветра различной скорости по месяцам не имеет больших различий, в связи с чем с высокой степенью точности в расчетах можно использовать среднегодовые значения. 69 Анализ табл.6.8 показывает, что скорость ветра до 4м/с составляет 56% случаев. Следовательно, с высокой обеспеченностью эту скорость ветра можно принять в качестве расчетной для Казани. По данным табл.6.7 и табл.6.8 стало возможным определить помесячные значения скоростного напора и преобладающее направления ветра для Казани, табл.6.9. Таблица 6.9 Среднемесячные значения скоростного напора и преобладающее направление ветра для г.Казани Месяцы Показатели I II III IV V VI VII VIII IX X XII XII Год tн , °С -13,5 -12,9 -7,0 3,3 12,1 16,9 19,0 17,1 10,7 3,2 -4,7 -11,0 2,8 н , кг/м3 1,360 1,357 1,327 1,277 1,239 1,218 1,209 1,216 1,245 1,278 1,315 1,348 1,280 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 10,88 10,86 10,62 10,22 9,91 9,74 9,67 9,73 9,96 10,22 10,52 10,78 10,24 ЮВ Ю ЮВ Ю Ю ЮЗ ЮЗ З З З СЗ З СЗ З ЮЗ Ю ЮЗ Ю ЮЗ ЮВ Ю Скорость ветра, обеспеченностью более 50% н 2 / 2 Па Преобладающее направление ветра Следует иметь ввиду, что значения скоростного напора приведены в табл.6.9 для случая, когда направление ветра перпендикулярно фасаду, а угол = 90º (см. рис.6.2). Рис.6.2. К определению углов между направлением ветрового потока и плоскостью фасадов Для жилых зданий форма параллелепипеда является массовой. В этом случае аэродинамические коэффициенты в значительной степени зависят от угла между осью ветрового потока и плоскостью наветренного фасада - . На рис.6.2 показаны три наиболее типичных случая при = 0º, 45º и 90º. 70 Из рис.6.2 видно, что в реальной планировке микрорайонов угол может принимать любые значения. Таким образом, в настоящем разделе приведена методика отбора статистически обеспеченных климатических параметров для определения теплового ( Рt ) и ветрового ( Р ) напора на фасадах зданий различных ориентаций. 6.5. Расчет и проектирование воздухообмена Расчет воздухообмена должен быть связан не столько со зданием вообще, сколько с конкретной частью жилого здания – квартирой. В этом случае объемно-планировочные решения квартиры вносят свои коррективы в воздухообмен. Анализ объемнопланировочных решений жилых зданий позволил выявить некоторые общие типологические принципы в ориентации зданий по сторонам горизонта и планировке квартир. Выделяются два типа зданий: меридиональной и широтной ориентации. По расположению квартир в здании наиболее массовыми случаями являются одностороннее, угловое и двустороннее расположение квартир. С точки зрения воздухообмена, угловые и двусторонне расположенные квартиры идентичны. Следовательно, два типа квартир: односторонняя и двусторонняя представляют собой более 90% всех возможных случаев (рис.6.3.). Рис.6.3. Типологические особенности квартир с точки зрения организации естественного воздухообмена. Одностороннее (1), двустороннее (2) и угловое (3) расположение квартир в здании Другим важным элементом организации воздухообмена в квартире является ее площадь (внутренний объем), поскольку нормы проектирования воздухообмена в жилых зданиях [66,68] предусматривают вытяжные каналы только в «грязных» помещениях (2-3 канала на квартиру). Для квартир больших площадей невозможно обеспечить нормы воздухообмена только через 2-3 вытяжных канала, тем более воздухообмен в каждом помещении. Расчеты показывают, что в этом случае должны резко возрасти скорости движения воздуха в помещениях (свыше 71 нормативной 0,2м/с) и у приемных решеток вытяжных каналов (до 5-8 м/с), что невозможно обеспечить средствами естественной вентиляции. Из этого напрашивается единственный вывод: количество вытяжных каналов в квартирах должно быть больше, оптимально - в каждой комнате. Рис.6.4. Схемы воздухообмена. С приточными отверстиями в окнах или стенах и вытяжкой через шахты (а) и с притоком и вытяжкой через каналы (б). При заданных объемах заменяемого воздуха L (м3 или кг в час) и избыточном давлении воздуха на фасаде Р расчет должен сводиться к определению сечений приточных отверстий, а также вытяжных отверстий и сечений воздуховодов для той или иной схемы воздухообмена, рис.6.4. Объем заменяемого воздуха L (м3) является необходимой частью воздухообмена, но недостаточной. Вторым обязательным элементом воздухообмена, обеспечивающим комфортные показатели микроклимата, является скорость движения воздуха в рабочей зоне помещений в процессе воздухообмена. Скорость движения воздуха должна оставаться в пределах гигиенических норм (0,1-0,2 м/с), но при этом в течение часа в помещении должен полностью заменятся объем воздуха L (м3). Если задача специалиста по вентиляции - обеспечить замену в помещении L (м3) воздуха, то задача инженера-архитектора, как организатора пространства - обеспечить не только замену объема, но и движение воздуха необходимых скоростей по всей рабочей зоне помещений как по площади, так и по объему квартиры или жилого дома. С учетом вышеизложенного расчетные схемы для расчета естественного воздухообмена должны иметь вид, изображенный на рис.6.5. 72 Рис.6.5. Расчетные схемы естественного воздухообмена: а – односторонняя квартира, б – двусторонняя квартира, F1,…, F6 – сечения приточных или вытяжных отверстий Анализ нормативных документов показывает, что предложенный алгоритм расчета и проектирования воздухообмена не подкреплен методическими разработками. В нормах расчета естественного воздухообмена выбор параметров климата носит слишком общий характер. Расчетные температуры наружного воздуха и скорости ветра приняты без серьезных обоснований. Эти параметры приняты едиными для всего года, не учитывается колебание температуры и изменение ветра в течение года как по величине, так и по направлению. СНиП 2.04.05-91 рекомендует вообще не учитывать скорость ветра при воздухообмене, это означает, что реальный воздухообмен в жилье будет значительно отличаться от расчетного. В классических трудах Реттера Э.И. по аэрации и аэродинамике зданий [30-32] расчетные схемы воздухообмена за счет гравитационных сил и ветрового напора не учитывают вытяжных каналов, рис.6.6. Рис.6.6. Расчетные схемы при тепловом (а) и ветровом (б) напоре по Реттеру Э.И. СНиП [66] полагает, что удаляемый из кухни и ванной комнаты «грязный» воздух заменяется воздухом из комнат. Как 73 чистый воздух попадает в комнаты, в каких объемах, через какие устройства приточных отверстий и какого поперечного сечения указанный СНиП не предписывает. Нет этих рекомендаций и в учебной литературе [42]. Нет и расчетных методик по учету ветра при воздухообмене. На технологическом рынке и в научной литературе появились предложения по использованию приточных устройств, различных конструкций [14,29]. Устройства устанавливаются в оконные переплеты и в стены, имеют различные размеры и конструктивные решения, различную производительность, возможности подогрева воздуха и защиты от уличного шума. В табл.6.10 представлены данные по приточным конструкциям фирмы Аеreco. Таблица6.10 Параметры гигрорегулирующих приточных и вытяжных устройств фирмы Аеreco Наименование устройства Приточные: ЕММ ЕНА ЕНТ Вытяжные: GHN GRH С датчиком движения ТОА Расход воздуха, м3 максимальный минимальный Снижение уличного шума 35 50 40 3 10 5 33-37 42 20 100 120 15 15 - Основной поток 50 Уменьшенный поток 5 - При расчете и проектировании воздухообмена требует осмысления еще один аспект. Воздухообмен верхних этажей зданий за счет гравитации затруднен в силу низкого давления Рt (малого столба Н, м). В связи с этим, в нормативной литературе рекомендуется установка вентиляторов на вытяжных решетках в каналах. Однако на верхних этажах значительно возрастает доля давления за счет ветрового напора Р в силу того, что скорость ветра возрастает с высотой. По-видимому, проектные решения по воздухообмену для верхних и нижних этажей зданий должны быть различны. На нижних этажах преобладающий воздухообмен должен быть организован за счет гравитационного давления (большого столба Н, м), а на верхних этажах преобладающий воздухообмен может быть организован за счет возрастающего с высотой ветрового напора. Очевидно, что не только проектные решения, но и конструкции приточных и вытяжных отверстий для нижних и верхних этажей могут оказаться различными. 74 Таким образом, из материалов данного раздела становится очевидным, что естественный воздухообмен в жилых зданиях не имеет законченной методологии. Вопрос стал приобретать особую остроту в связи с переходом на герметичные окна, через которые исключен приток свежего воздуха. По-видимому, проблема может быть успешно решена при совместной работе специалистов по вентиляции и инженеровархитекторов – специалистов по организации и контролю воздушных потоков в рабочей зоне. 7. ИНСОЛЯЦИЯ ЗДАНИЙ И ТЕРРИТОРИЙ Солнечный свет является важнейшим элементом в жизнедеятельности человека. Это освещение планеты, архитектурных ансамблей и сооружений, освещение помещений, бактерицидное и эритемное действие. Это эмоционально тонизирующее и психологическое воздействие солнца. М.Горький сравнивал солнце с «океаном энергии, красоты и опьяняющей душу радостью». К отрицательному действию солнца относятся перегрев помещений и ускорение процессов старения материалов за счет деструкции облицовочных материалов, красок и других материалов. Отмеченные выше положительные и отрицательные воздействия солнца являются предметом изучения различных разделов, а под термином «инсоляция» стали понимать лишь продолжительность облучения прямой солнечной радиацией территорий и помещений, имея в виду, что нормативная продолжительность облучения обеспечивает санитарногигиеническую норму, меньшая продолжительность облучения недостаточна, а избыточная вызывает перегрев и требует солнцезащиты. 7.1. Нормирование инсоляции Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите территорий и помещений жилых и общественных зданий определяются СанПиНом 2.2.1/2.1.1.1076-01 [77]. Нормативная продолжительность инсоляции устанавливается на определенные календарные периоды с учетом географической широты местности: - для северной зоны (севернее 58°с.ш.) – с 22 апреля по 22 августа, не менее 2,5 часов в день; 75 - для центральной зоны (48°с.ш. - 58°с.ш.) – с 22 марта по 22 сентября, не менее 2,0 часов в день; - для южной зоны (южнее 48°с.ш.) – с 22 февраля по 22 октября, не менее 1,5 часов в день. Указанная продолжительность инсоляции должна быть обеспечена не менее чем в одной комнате для 1-3-комнатных квартир и не менее чем в двух комнатах - для 4 (и более) – комнатных квартир. Допускается прерывистость периода облучения, при этом общая продолжительность инсоляции должна увеличиваться на 0,5 часа. Продолжительность инсоляции территорий детских, спортивных, школьных и площадок у жилых домов должна составлять не менее 3 часов на 50% площади участка. Расчет продолжительности инсоляции проводится на день начала периода или день его окончания. В расчетах продолжительности инсоляции не учитывается первый час после восхода солнца и последний час перед заходом солнца для районов южнее 58°с.ш. и 1,5 часов - для районов севернее 58°с.ш.1 В тех же нормах [77] сформулированы требования по ограничению избыточного теплового воздействия инсоляции на жилые комнаты и территории игровых и подобных им площадок. Следует отметить, что в вопросах нормирования продолжительности инсоляции есть расхождение в различных нормах. Так, в отличие от норм, предусмотренных в СанПиНе [77], в СНиПе 2.07.01-89 по градостроительству и планировке городских и сельских поселений [61], территория страны делится на северную и южную со своими нормативами продолжительности инсоляции: - для северной зоны (севернее 58°с.ш.) – не менее 3 часов в день на период с 22 апреля по 22 августа; - для южной зоны (южнее 58°с.ш.) – не менее 2,5 часов в день на период с 22 марта по 22 сентября. 7.2. Видимое движение солнца по небесной сфере и солнечные карты Продолжительность инсоляции территорий, размер и движение теней от зданий в течение дня зависят от перемещения солнца по небесной сфере. Перемещение солнца по небесной сфере, представленное графически через его координаты на плоскости, является основой всех инсоляционных расчетов. Наиболее распространенной и удобной формой представляющей видимое 1 Некоторые авторы рекомендуют не учитывать инсоляцию при угле падения лучей к поверхности менее 10-12°. 76 движение солнца по небесной сфере за каждый месяц и час в течение года, является солнечная карта. Солнечная карта составляется для конкретной географической широты местности. Прежде всего, рассмотрим траекторию движения солнца по небесной сфере в течение характерных дней года: зимнее и летнее солнцестояние и весенне-осеннее равноденствие (рис.7.1). Наиболее высокое положение солнца на этих графиках приходится на 12 часов дня в направлении на юг. Графики рис.7.1 построены для солнечного времени, которое отличается от используемого нами декретного времени. Рис.7.1. Траектория движения солнца по отношению к кругу горизонта в характерные дни года Для решения задач инсоляции принято, что наблюдатель стоит в центре полусферы и круга горизонта – точка О, а солнечные лучи приходят к этой точке в любой месяц и час суток в виде пучка параллельных лучей (рис.7.2). Можно видеть, что в день весеннеосеннего равноденствия солнечные лучи, приходящие к точке О, в любой час лежат в одной плоскости, проходящей через центр круга горизонта по линии восток-запад (рис.7.2б). В другие характерные дни года солнечные, лучи приходящие к точке О, представляют собой выпуклую (рис.7.2а) или вогнутую (рис.7.2в) поверхность. Рис.7.2. Траектория движения солнца и направление лучей к наблюдателю, находящемуся в т.О в характерные дни года: а) зимнее и в) летнее солнцестояния, б) день весенне-осеннего равноденствия 77 Координаты солнца на небесной сфере могут быть описаны двумя параметрами: высотой стояния солнца h0 (град) – то есть углом между линией солнечного луча и горизонтальной плоскостью, а также азимутом А0 (град) – то есть углом между направлением на север или на юг и проекцией солнечного луча на горизонтальную плоскость. Азимут А0 отсчитывается либо от направления на север по часовой стрелке, либо от направления на юг в сторону востока и в сторону запада. Таким образом, если нанести на небесную полусферу, опирающуюся на круг горизонта, две системы линий (широтные линии, которые представляют собой угол h0 от 0 градусов на круге горизонта до 90 градусов в зените и меридиональные линии, идущие по полусфере от зенита к кругу горизонта через определенное число градусов), то можно описать координаты солнца через h0 – А0 в любой месяц и любое время суток, рис.7.3. Рис.7.3. Координаты солнца на небесной полусфере; h0 – высота стояния солнца в град., А0 – азимут в град. После проекции этих систем линий на горизонтальную плоскость получим на круге горизонта системы концентрических окружностей (через определенную величину h0) и систему радиусов (через определенную величину А0). Объединяя эту координатную сетку с проекцией на горизонтальную плоскость траектории движения солнца в характерные дни года (по рис.7.1), получим солнечную карту (рис.7.4). Солнечная карта строится для определенной широты местности. На рис.7.1 угол , образуемый между солнечным лучом и зенитом в 12 часов в день весеннеосеннего равноденствия, и будет представлять широту местности (град). Солнечная карта, приведенная на рис.7.4, называется проекционной, поскольку представляет собой ортогональную проекцию. Можно видеть, что при малых значениях высоты стояния солнца h0 трудно провести точные измерения. Иногда используют 78 так называемые развернутые солнечные карты, когда на горизонтальной плоскости концентрические окружности высоты стояния солнца h0 идут через равные интервалы (рис.7.5). Рис.7.4. Солнечная карта для широты 560 (проекционная) Рис.7.5. Солнечная карта для широты 560 (развернутая) 79 7.3. Солнечные линейки, их построение и использование Для построения теней от зданий в различные часы суток недостаточно иметь солнечную карту. Необходимо определить закономерность образования и размер тени. Для уяснения этих закономерностей рассмотрим рис.7.6. На рис.7.6а в центр круга горизонта поставлен стержень высотой Н и показаны тени от него в 9, 12 и 14 часов. В соответствии с рис.7.2б, вершины теней будут расположены на одной лини, параллельной направлению востокзапад (хотя длины теней будут различны), а длина тени в 12ч будет представлять собой высоту стержня Н, перенесенную на горизонтальную плоскость. На рис.7.6б показаны закономерности образования теней и их размеры на горизонтальной плоскости в зависимости от высоты стержня Н. В 12 часов дня будет наивысшее положение солнца, которое определяется по формуле: h0 90 , (7.1.) где h0 – высота стояния солнца (град) в 12 часов в день весеннеосеннего равноденствия; – широта местности, град. Рис.7.6. Построение теней от вертикального стержня, стоящего в центре круга горизонта (а), принцип определения размера тени (б), масштабная шкала теней (в). Высота стержня Н символизирует высоту здания, тени от которого нам и требуется построить в различное время суток. Наряду с широтой местности ( ), солнечная линейка должна быть привязана к масштабу подосновы микрорайона или плана застройки, где размещается проектируемое здание. Если размер Н выразить в масштабе подосновы, то мы получим солнечную линейку в том же масштабе и, соответственно, получим реальные размеры теней, рис.7.6в. 80 В окончательном виде солнечная линейка представляет собой объединенные двух чертежей: часть солнечной карты с координатами движения солнца в каждый час суток и масштабную шкалу теней, построенную по данным рис.7.6, рис.7.7. Рис.7.7. Солнечная линейка для весенне-осеннего равноденствия Для построения теней от здания нулевую точку солнечной линейки необходимо совместить с углом здания, ориентированного на север, а направление солнечной линейки север-юг - совместить с этим же направлением на плане. На рис.7.8 с использованием солнечной линейки построены тени от здания высотой 15м для различных часов суток. (Для того, чтобы не загромождать чертеж, тени показаны только в 9,12 и 15 часов). Группу теней от здания в различные часы суток называют конвертом теней. Рис.7.8. Построение теней от здания при помощи солнечной линейки. Высота здания Н = 15м Следует обратить внимание на то обстоятельство, что вершины теней от стержня (рис.7.6а) и теней от здания (рис.7.8) располагаются на линии «восток-запад» независимо от времени. Это справедливо только для двух дней в году – дней весеннего и осеннего равноденствия, что подтверждается рис.7.2б по анализу направления солнечных лучей к наблюдателю, находящемуся в центре круга горизонта в точке О. 81 В другие дни года вершины теней от стержня или от здания будут расположены на кривых линиях, что также подтверждается рис.7.2а и 7.2в для случаев зимнего и летнего солнцестояния. Таким образом, для построения реальных теней от здания в разные периоды года необходимы солнечные линейки для зимнего и летнего периодов. Вид этих линеек, в соответствии с рис.7.2а и 7.2в, представлен на рис.7.9. Рис.7.9. Солнечные линейки для зимнего (а) и летнего (б) солнцестояния Для практической работы удобно иметь набор солнечных линеек для тех географических широт, для которых ведется проектирование зданий, и тех масштабов подосновы или планов застройки, с которыми приходится работать. С линейками удобно работать, если они выполнены на прозрачных носителях. 7.4. Расчеты продолжительности инсоляции территорий и фасадов зданий Эти задачи удобно решать с помощью инсографика Дунаева (иногда его называют инсоляционным планшетом). Инсографик построен с использованием тех же закономерностей, которые описаны при построении солнечной линейки (см. параграф 7.3). На рис.7.10 показан инсографик Дунаева. Он представляет собой систему параллельных линий и радиальных лучей, сходящихся в точке О. Система параллельных линий представляет собой уже известную нам масштабную шкалу теней (или высоту зданий, противостоящих точке О), а радиальные лучи представляют собой проекцию на горизонтальную плоскость солнечных лучей в каждый ровный час суток от 6 утра до 18 часов вечера (т.к. этот инсографик построен для дня весенне-осеннего равноденствия). Если инсографик развернуть точкой О к северу, он служит для расчета продолжительности инсоляции точки на территории (рис.7.11а) или 82 на цоколе здания (рис.7.11б). Если инсографик развернуть точкой О к югу, он служит для построения конверта теней от зданий (рис.7.12). Рис.7.10. Инсографик Дунаева Рис.7.11. Определение продолжительности инсоляции точки О на территории (а) и на цоколе здания (б) На рис.7.11а показано, что противостоящее точке О здание высотой 25 метров будет затенять эту точку в том случае, когда противостоящее здание (или его часть) расположены к точке О ближе, чем горизонталь 25м. В случае, изображенном на рис.7.11а, точка О будет затенена с 9.00 до 11.30 (2,5 часа). Все остальное время от заката до захода она будет освещена солнцем. С учетом требований по нормированию инсоляции, при оценке продолжительности не учитываются один час после восхода солнца и один час перед заходом солнца, в силу слишком малого значения h0, когда солнечные лучи идут почти параллельно горизонтальной поверхности. Итак, общая продолжительность инсоляции точки О составит 12ч–2ч–2,5ч=7,5 часов, что не меньше допустимой нормы, даже с учетом прерывистости инсоляции. На рис.7.11б представлен 83 аналогичный случай, за исключением того, что точка О расположена на цоколе здания (II) и требуется рассчитать продолжительность инсоляции этой точки на фасаде. В силу ориентации здания II, инсоляция поверхности фасада закончится в 14 часов. Поэтому общая продолжительность инсоляции точки О составит: 8ч–1ч– 2,5ч=4,5часа, что также соответствует нормативной. Рис.7.12. Построение конверта теней от здания высотой 25м При включении нового здания в существующую застройку приходится решать вопросы размещения здания и ненарушения инсоляции существующих зданий. В связи с этим введено понятие гарантийно-инсоляционных зон (ГИЗ). Это территория вокруг существующего здания, свободная от застройки. За пределами ГИЗ можно размещать здания, причем размер ГИЗ увеличивается с увеличением высоты строящихся зданий. Рис.7.13. Построение угла затенения (а) и гарантийно-инсоляционных зон для восточной стороны меридионально расположенного здания (б) 84 При построении гарантийно-инсоляционных зон используют инсографик Дунаева. Построения будут более понятны, если точку О инсографика поместить в точку А, затем - в точку Д, рис.7.13. Из рис.7.13 видно, что инсоляция помещения в меридионально расположенном здании закончится в 11.15, что соответствует отклонению солнечного луча от направления север-юг в 15°. Эти градусы определяются толщиной наружных ограждений и размером проемов (рис.7.13а). Точка В (рис.7.13б) определяет необходимую норму инсоляции – 3 часа (с 8.15 до 11.15). На рис.7.13 приведено построение гарантийно-инсоляционной зоны с восточной стороны меридионально расположенного жилого здания. Пятиугольник АБВГД и будет представлять собой ГИЗ. Можно видеть, что ГИЗ сокращается при снижении этажности зданий. 7.5. Инсоляция помещений Первым условием для расчета инсоляции помещений является облучение фасадов необходимой продолжительности, что было определено в предыдущих разделах. Расчет инсоляции помещений может быть выполнен различными методами. Наиболее распространенным и точным является геометрический метод с использованием картограмм затеняющих объектов или светопроемов. Рис.7.14. Построение картограммы затенения: а) разрез; б) план; в) измеритель угла затенения; г) угол вертикального затенения на картограмме; д) углы горизонтального затенения на картограмме; е) контурная сетка картограммы затенения; 1 – наблюдатель; 2 – здание; 3 – затеняемая область неба; А – угол вертикального затенения, образуемый горизонтальными краями зданий; Б и В – углы горизонтального затенения, образуемые вертикальными краями зданий 85 Последовательность построения картограмм затеняющих объектов представлена на рис.7.14. Картограмма светопроемов строится аналогично и выглядит точно так же, как на рис.7.14е. Таким образом, картограммы света или тени от строительных объектов являются взаимообратными. Рассмотрим случай построения углов затенения (или углов светопроемов) на конкретном помещении. Под термином «конкретный» понимается помещение с реальными проектными размерами комнаты, лоджии, толщины стены и пр. Углы затенения определяются реальными проектными размерами. На рис.7.15 в определенном масштабе приведены разрез (а) и план (б) помещения и приведено построение вертикальных (на разрезе) и горизонтальных (на плане) углов затенения. Найденные углы затенения перенесены на картограммы (рис.7.15в и г). Рис.7.15. Построение углов затенения светопроема: а) разрез; б) план; в) угол вертикального затенения; г) угол горизонтального затенения 86 Рис.7.16. Картограмма затенения светопроема окна (1) и лоджии (2) Рис.7.17. Солнечная карта, совмещенная с картограммой затенения лоджии Перенеся найденные вертикальные и горизонтальные углы затенения на единую контурную сетку картограммы (см. рис.7.14е), получим картограмму светопроема от лоджии и оконного проема рис.7.16. Незаштрихованная часть картограммы показывает, какую часть небосвода видно из данного светопроема. Однако это еще не означает, что в этой части небосвода обязательно окажется солнце. Это зависит от ориентации окна по странам света. Для определения 87 продолжительности инсоляции рассматриваемого помещения необходимо картограмму затенения светопроема (рис.7.16) с учетом ориентации окна наложить на солнечную карту, выполненную в том же масштабе, рис.7.17. Можно видеть, что солнце окажется в видимом из окна участке небосвода с 11.00 до 18.00, то есть 7 часов. Продолжительность инсоляции данного помещения будет значительно изменяться при другой ориентации окна, рис.7.18. Рис.7.18. Изменение продолжительности инсоляции помещения через лоджию при изменении ориентации здания 8. ЕСТЕСТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь естественное освещение. Без естественного освещения допускается проектировать помещения, которые определены соответствующими главами СНиП или другими нормативными документами. Естественное освещение, в зависимости от расположения световых проемов в зданиях, подразделяется на боковое, верхнее и комбинированное (верхнее и боковое). Особенностью естественного освещения является его непостоянство во времени: высота стояния солнца и его азимут, степень облачности, характер подстилающей поверхности (поверхности земли), наличие снежного покрова, удаленность и цвет фасадов соседних зданий, а также чистота стекол в оконных проемах, конструкция и материал штор и жалюзи, характер внутренней отделки. Это обстоятельство привело к необходимости нормировать естественную освещенность не в абсолютных единицах (люксах), а в относительных - через коэффициент естественной освещенности (к.е.о.). Коэффициент естественной освещенности (ем) представляет собой отношение освещенности в какой либо точке помещения (Ем, 88 люксы) к одновременной наружной освещенности горизонтальной площадки на открытом месте от всего небосвода (Ен, люксы), выраженное в процентах: ем Ем 100% . Ен (8.1) При удалении от светового проема в глубину помещения Ем, а следовательно и ем, снижаются, образуя так называемые кривые относительной естественной освещенности. По кривым относительной освещенности ем может быть найдена абсолютная освещенность какой-либо точки в помещении Ем (в люксах), если известна, в данный момент времени, наружная освещенность Ен в люксах. Наружная освещенность Ен определяется световым климатом района строительства или ресурсами природной световой энергии. 8.1. Ресурсы природной световой энергии Природное освещение земли определяется солнечной радиацией. Вблизи земной поверхности освещенность может превосходить 100000лк. Основными компонентами дневной освещенности являются: прямой свет от солнца (ЕП), рассеянный (диффузный) - от неба (Ен) и отраженный - от земли и окружающих зданий (Ез). Совокупность перечисленных компонентов определяет суммарную освещенность Ес: Ес = ЕП + Ен + Ез . (8.2) В значительной степени Ес определяется характером облачности, рассеивающей способностью атмосферы и состоянием подстилающего слоя, а также высотой стояния солнца (h0) и его азимутом (А). Данные о природной освещенности не носят систематического характера, в связи с чем используются многолетние наблюдения за солнечной радиацией. При этом, по интенсивности солнечной радиации через световой эквивалент может быть определена наружная освещенность. По данным ГГО им. Воейкова, световой эквивалент составляет 71000 – 73000 лк на 1 кал/мин.см2. Обобщение этих исследований позволило получить представление о световом климате территории России (а ранее СССР). 89 Первые предложения носили чисто широтный принцип (рис.8.1), где 3-й пояс принят за 1.0, а коэффициенты светового климата изменялись от 0.76 до 1.2. Можно видеть, что северные районы имеют большую освещенность за счет преобладания диффузной освещенности неба (Ен). В южных районах прямая солнечная радиация имеет большие значения, но диффузная освещенность неба (Ен) оказывается меньшей. Рис.8.1. Карта светоклиматических поясов Дальнейшие исследования показали, что границы светоклиматических поясов не являются широтными, как на рис.8.1. Очертания поясов носят более ломаный характер, причем выделены зоны с устойчивым снежным покровом (более 6 мес. в году, что значительно увеличивает компоненту Ез) (рис.8.2). Эта карта включена в СНиП II-4-79. Использование данной карты светового климата оказалось более прогрессивным, хотя в практических расчетах вызывало определенные трудности в тех случаях, когда граница поясов проходила по территории административного района. Для устранения этого недостатка в новой редакции СНиПа 23-05-95 изъята карта светоклиматического районирования, а группы административных районов распределили по ресурсам светового климата (с едиными коэффициентами светового климата в группе). 90 Рис.8.2. Карта светового климата СССР Наиболее важной компонентой светового климата является диффузное освещение от неба (Ен). Величина и характер облачности, прозрачность атмосферы и состояние земного покрова (леса, луга, водные акватории, снежный покров и т.д.) существенно влияют на величину диффузной освещенности. На основе обработки большого массива статистических данных по солнечной радиации получены значения диффузной освещенности для различных месяцев года и часов суток для многих населенных пунктов. На рис.8.3 приведены кривые диффузной освещенности для Москвы, построенные по данным СНиП II-А.6-72 [52]. Можно видеть, что диффузная освещенность даже в зимние месяцы достигает нескольких тысяч люкс, а в летнее время составляет десятки тысяч люкс. Рис.8.3. Наружная диффузная освещенность по месяцам и времени суток в Москве 91 Если на графиках диффузной освещенности провести горизонталь с критической освещенностью (Екр), то можно получить продолжительность использования естественной освещенности для разных месяцев года ( рис.8.3). Это обстоятельство является основой для экономической оценки использования естественного света и экономии электроэнергии на сокращении использования искусственного освещения. Критическая освещенность определяется как освещенность в моменты включения (вечером) и выключения (утром) искусственного освещения в помещении: Е кр ЕИ , е (8.3) где: ЕИ - освещенность при искусственном освещении; е - нормированное значение к.е.о. Величина диффузной освещенности зависит от яркости неба, величина которой в разных участках неба различна. Зависимость яркости неба L от яркости неба в зените LZ определяется зависимостями: - для районов, где снеговой покров лежит более шести месяцев в году: L LZ 0,6 0,4 sin , (8.4) - для остальных районов: L LZ 0,33 0,66 sin , (8.5) где: L - яркость участка неба, видимого через световой проем из расчетной точки помещения М под углом , образованным с горизонтальной линией, проведенной из точки М к середине светового проема (рис.8.4); LZ – яркость неба в зените. При расчетах естественной освещенности и определении к.е.о. это обстоятельство учитывается коэффициентом q, вклад которого в освещенность хорошо виден из рис.8.4. Следует заметить, что продолжительный (более 6 месяцев) снежный покров влияет на коэффициент только при малых углах . 92 Рис.8.4. Коэффициент яркости неба q (qс и q - коэффициент при наличии и отсутствии снегового покрова, - угловая высота середины светопроема над рабочей поверхностью) Наибольшая яркость неба - в зените, в связи с чем наибольшую освещенность в помещении обеспечивают светопроемы в покрытиях зданий. Чем более низкий участок неба виден через окно из расчетной точки, тем ниже его яркость и тем меньшая освещенность будет в помещении. 8.2. Нормы естественного освещения Строительными нормами и правилами (СНиП 23-05-95) и санитарными правилами и нормами (СанПиН 2.2.1(2.1.1.1278-03) устанавливается уровень освещенности рабочих поверхностей в зависимости от характеристики и разряда зрительной работы в помещениях. В зависимости от назначения помещений, рабочими поверхностями являются: горизонтальные (уровень пола, рабочего стола и т.д.) и вертикальные (музеи, картинные галереи и т.п.). Характер зрительной работы подразделяется на восемь разрядов в зависимости от размеров предмета различения (в мм). Первый разряд предусматривает самые высокие нормы освещенности, восьмой разряд – самые низкие. Для помещений промышленных зданий разряды зрительной работы обозначаются римскими цифрами от I до VIII (табл.8.1). Для помещений жилых, общественных и административно-бытовых зданий – буквами русского алфавита от А до З (табл.8.2). 93 Таблица 8.1 Требования к освещению помещений промышленных предприятий (по СНиП 23-05-95*) Характеристика Размер объекта зрительной различения, мм работы Наивысшей точности Очень высокой точности Высокой точности Средней точности Малой точности Грубая (очень малой точности) Работа со светящимися материалами в горячих цехах Общее наблюдение за ходом производственного процесса Разряд зрительной работы к. е.о., % при верхнем при боковом или освещении комбинированном освещении Менее 0,15 I - - От 0,15 до 0,30 II - - От 0,30 до 0,50 III - - От 0,5 до 1,0 IV 4,0 1,5 От 1,0 до 5,0 V 3,0 1,0 Более 5,0 VI 3,0 1,0 Более 0,5 VIII 3,0 1,0 - VIII От 0,7 до 3,0 От 0,2 до 1,0 Из табл.8.1 видно, что для помещений промышленных зданий с I и II разрядом зрительной работы естественное освещение не используется (только искусственное или совмещенное). Для помещений жилых, общественных и административных зданий естественное освещение не регламентируется для разрядов зрительной работы Ж и З (табл.8.2). Для проектирования естественного освещения помещений важно знать не столько характеристику и разряд зрительной работы, сколько нормируемые показатели естественного освещения, отнесенные к помещению того или иного назначения. Эти показатели регламентируются в СанПиНе 2.2.1/2.1.1. 1278-03 и СНиПе 23-05-95* для жилых, общественных и административных зданий. Некоторые выдержки из этих документов приведены в табл.8.3 и 8.4. Для сравнения в таблицах приведены значения нормируемой освещенности тех же рабочих поверхностей при искусственном освещении (в люксах). Из таблиц можно также видеть, что в одних случаях естественное освещение не является обязательным, в других – недостаточным и требуется искусственное освещение. 94 Таблица 8.2 Требования к освещению помещений жилых, общественных и административных зданий (по СНиП 23-05-95*) Характеристика зрительной работы Очень высокой точности Высокой точности Средней точности Обзор окружающего пространства: - при высокой освещенности - при нормальной освещенности - при низкой освещенности Общая ориентировка в пространстве интерьера Общая ориентировка в зонах передвижения Размер объекта различения, мм От 0,15 до 0,30 От 0,30 до 0,50 Разряд зрительной работы А Б к.е.о., % при верхнем при или боковом комбинирован- освещении ном освещении От 1,2 до От 3,5 до 4,0 1,5 От 0,7 до От 2,5 до 3,0 1,0 Более 0,5 В 2,0 0,5 Не нормируется Г 3,0 1,0 Д 2,5 0,7 Е 2,0 0,5 Не регламентируется Ж Не регламентируется Не регламентируется З Не регламентируется Таблица 8.3 Нормируемые показатели естественного освещения помещений жилых зданий Помещения Рабочая поверхность и ее высота над полом, м Коэффициент естественной освещенности к.е.о., % при верхнем при или боковом комбинироосвещении ванном освещении 2,0 0,5 Нормируемая освещенность рабочих поверхностей при искусственном освещении, лк 150 Жилые Г-0,0 комнаты Кухни Г-0,0 2,0 0,5 150 Детские Г-0,0 2,5 0,7 200 Кабинеты Г-0,0 3,0 1,0 300 Внутриквар тирные Г-0,0 50 коридоры Ванные комнаты, Г-0,0 50 уборные, санузлы, душевые Примечание: Г- горизонтальная рабочая поверхность, В- вертикальная 95 Таблица 8.4 Нормируемые показатели естественного освещения некоторых помещений общественных зданий Помещения Кабинеты, рабочие комнаты Проектные залы Читальные залы Компьютерные классы Коэффициент естественной освещенности к.е.о., % Рабочая при верхнем при боковом поверхность и ее или освещении высота над комбинирополом, м ванном освещении Нормируемая освещенность рабочих поверхностей при искусственном освещении, лк Г-0,8 3,0 1,0 300 Г-0,8 Г-0,8 Г-0,8 экран монитора В-1,2 4,0 3,5 3,5 - 1,5 1,2 1,2 - 500 400 400 200 Классные рабочие столы 4,0 1,5 300-500 комнаты, Г-0,8 аудитории, середина доски 500 кабинеты, В-1,5 чертежные залы Примечание: Г – горизонтальная рабочая поверхность, В - вертикальная 8.3. Проектирование и расчет естественного освещения помещений Проектирование естественного освещения помещений заключается в выборе формы, размеров и расположения световых проемов. Цель проектирования – обеспечение светового комфорта в помещениях. Под световым комфортом понимается рациональное освещение помещений и качество освещения. Качество освещения определяется: а) равномерностью освещения (отношение минимального к.е.о. в помещении к максимальному); б) направлением световых потоков по отношению к рабочей поверхности; в) устранением слепящего действия света, вызывающего дискомфорт; г) яркостью окружающего пространства для обеспечения меньшей напряженности и повышения жизненного тонуса человека. Исторически сложившийся метод проектирования естественного освещения заключается в выборе отношения площади световых проемов к площади пола (1:6, 1:7, 1:8 и т.д.). Этот метод обобщает многолетний опыт проектирования и эксплуатации зданий 96 и является достаточно верным для традиционных архитектурных решений. Дальнейшее развитие проектирования естественного освещения помещений позволило получить метод, который учитывает законы распределения света от неба и в помещении, светопотери через оконные проемы (от переплетов, стекла и его загрязнения и т.п.), затенение и отражение противостоящих зданий, светотехнические характеристики внутренней отделки помещений, учитывает качественные характеристики освещения. В основе нового метода проектирования и расчета естественного освещения лежат два светотехнических закона: закон проекции телесного угла и закон светотехнического подобия. 8.3.1. Закон проекции телесного угла Закон говорит, что освещенность в какой-либо точке помещения, создаваемая равномерно светящейся поверхностью неба, прямо пропорциональна яркости неба, видимого из этой точки, и площади проекции на освещаемую (рабочую) поверхность части неба (условной полусферы), ограниченной телесным углом, под которым из данной точки виден участок неба (условной полусферы). Если равномерную яркость небосвода обозначить через L, а площадь проекции части неба, ограниченной телесным углом, на рабочую поверхность через , то запись закона проекции телесного угла будет иметь вид: Ем L . (8.6) Сущность этого закона становится понятной из схемы, представленной на рис.8.5. Рис.8.5. Схема к закону проекции телесного угла: 1 – телесный угол; 2 – разрез помещения; 3 – световой проем; 4 – рабочая поверхность (или освещаемая поверхность); 5 – условная полусфера; 6 – участок неба (условной полусферы), видимый из т.М, ограниченный телесным углом; 7 – проекция на рабочую поверхность части неба (условной полусферы), ограниченной телесным углом Вывод этой формулы изложен в [13] стр.20 97 Если принять, что точка М горизонтальной поверхности находится на открытом месте и освещается всей полусферой с равномерно распределенной яркостью, то Е н L R 2 , (8.7) где R 2 - площадь проекции полусферы на горизонтальную поверхность. Для условной полусферы R=1, следовательно Ен L . (8.8) В этом случае коэффициент естественной освещенности примет вид: ем Ем L , Ен L (8.9) то есть значение к.е.о. в какой-либо точке поверхности определяется отношением площади проекции на освещаемую поверхность видимого из данной точки помещения участка неба к величине (3,14). Это отношение является геометрическим выражением к.е.о. Закон проекции телесного угла позволяет оценить относительную световую активность светопроемов различного размера и светопроемов одного размера, различно расположенных относительно рабочей поверхности (рис.8.6). Рис.8.6. Относительная «активность» светопроемов на горизонтальной (а) и вертикальной (б) плоскостях На основании закона проекции телесного угла разработаны графические методы расчета естественного освещения, которые вошли в нормативную и справочную литературу [59] (графики Данилюка). 98 При рассмотрении закона проекции телесного угла многократно упоминалось одно допущение – яркость неба L является равномерной по всему небосводу. В действительности яркость неба в различных участках различна, она возрастает от горизонта к зениту (см. раздел.8.1.). Рис.8.7. Относительная «активность» светопроемов одинаковых размеров, расположенных на разной высоте Это обстоятельство следует учитывать при проектировании световых проемов в здании. В частности, светопроемы одного размера в одинаковых помещениях, но на разной высоте от пола дадут различную освещенность в помещении (рис.8.7). Из рисунка четко видно, что расположение окна по варианту 3 хотя и дает минимальную освещенность у наружной стены, но по глубине помещения освещенность выше, чем по вариантам 1 и 2 и более равномерна. 8.3.2. Закон светотехнического подобия Закон говорит о том, что освещенность в какой-либо точке помещения зависит не от абсолютных, а от относительных размеров помещений. Из рис.8.8. видно, что помещения разных абсолютных размеров имеют одинаковую освещенность точки М в силу одинаковой площади проекции участка неба на рабочую плоскость. Рис.8.8. Схема к закону светотехнического подобия 99 Закон позволяет решать задачи естественного освещения помещений на моделях при помощи установок, называемых искусственным небом. 8.3.3. Расчет естественного освещения Расчет естественного освещения в помещении сводится к определению действительного значения к.е.о (ем) на рабочей поверхности и сравнению его с нормированным значением к.е.о (еN) для помещения данного назначения. Действительное значение к.е.о (ем) должно быть не ниже нормированного (еN). Нормированное значение к.е.о. (еN) определяется по формуле [СНиП 23-05-95*]: е N енор m N , (8.10) где N – номер группы административных районов по обеспеченности естественным светом; енор – нормируемые показатели к.е.о. в зависимости от назначения помещения (например, табл.8.3. и 8.4. данного пособия); mN – коэффициент светового климата (выбирается по СНиП 2305-95* в зависимости от N и ориентации световых проемов по сторонам горизонта, изменяется от 0,75 до 1,2). Действительное значение к.е.о (ем) определяют либо в характерной точке рабочей поверхности помещения, либо по характерным разрезам помещения путем построения кривых освещенности (кривых к.е.о.). Освещенность в какой-либо точке помещения определяется следующими компонентами: 1) светом, исходящим от участка небосвода, видимого из данной точки через световой проем (проемы) (Ен); 2) светом, отраженным от противостоящих зданий и пришедшим в данную точку (Езд); 3) светом, отраженным от внутренних поверхностей помещения (Еотр). Графическое представление об освещенности в т.М представлено на рис.8.9. Таким образом, коэффициент естественной освещенности (ем) в данной точке М будет иметь три слагаемых: ем=ен+езд+еотр . 100 (8.11) Рис.8.9. Графическое представление об освещенности помещения Влияние на освещенность помещений света, отраженного от земли, прилегающей к зданию, чаще всего учитывают компонентой еотр. Расчет естественного освещения проводится в два этапа. На первом этапе (предварительном) определяется площадь световых проемов, необходимая для обеспечения требуемой освещенности (величины к.е.о). На втором этапе проводят проверочный расчет коэффициента естественной освещенности в точках характерного разреза помещения при помощи метода и графиков Данилюка. (Схематическое представление графиков Данилюка приведено на рис.8.10). Рис.8.10. Схематическое представление графиков Данилюка 101 8.3.4. Расчет площади световых проемов (S0) при боковом освещении S0 S n e N k З 0 k зд , 100 0 r1 (8.12) где: Sn – площадь пола помещения; еN- нормированное значение к.е.о; kЗ – коэффициент запаса, зависящий от угла наклона светопропускающего материала к горизонту и от количества чисток остекления в год; 0 - световая характеристика окон, зависящая от соотношений геометрических параметров помещения; kзд – коэффициент, учитывающий изменение внутренней отраженной составляющей к.е.о в помещении при наличии противостоящих зданий (с учетом коэффициентов отражения фасадов противостоящих зданий и внутренних поверхностей помещения); 0 - общий коэффициент светопропускания окон (зависит от светопропускания стекла, переплетов, солнцезащитных устройств и т.п.); r1 – коэффициент, учитывающий повышение к.е.о. при боковом освещении благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения (стены, потолок, пол) и поверхности земли, прилегающей к зданию. Параметры kЗ, 0 , kзд, 0 , и r1 находятся по таблицам, приведенным в нормативной [59,60] и учебной [16]литературе. В [59] приводится аналогичная формула для расчета площади световых проемов при верхнем освещении. 8.3.5. Расчет коэффициента естественной освещенности (к.е.о.) Расчет следует производить по формулам: а) при боковом освещении: е бр б q зд k зд r1 б) при верхнем освещении: 0 ; kЗ k е вр в ср r2 k ф 1 0 ; (8.14) З в) при комбинированном освещении (верхнем и боковом): е кр е бр е вр , 102 (8.13) (8.15) где б – геометрический к.е.о в расчетной точке при боковом освещении, учитывающий свет неба, определяемый по графикам Данилюка I и II; q – коэффициент, учитывающий неравномерную яркость неба, в зависимости от угловой высоты середины светового проема над рабочей поверхностью (рис.8.4.); зд – геометрический к.е.о в расчетной точке при боковом освещении, учитывающий свет, отраженный от противостоящих зданий, определяется по графикам Данилюка I и II; в – геометрический к.е.о в расчетных точках при верхнем освещении, определяемый по графикам Данилюка II и III; ср – среднее значение геометрического к.е.о. при верхнем освещении из всех расчетных точек; r2 – коэффициент, учитывающий повышение к.е.о при верхнем освещении благодаря свету, отраженному от поверхностей помещения; kф – коэффициент, учитывающий тип фонаря освещения. Параметры r2 и kф находятся по таблицам, приведенным в нормативной [59,60] и учебной [16] литературе. Рис.8.11. Определение геометрического к.е.о. от прямого света неба по графикам Данилюка. График I для разреза (а) и график II для плана (б) 103 Расчеты геометрических к.е.о ( ) по графикам Данилюка проводятся в следующем порядке (см.рис.8.11): а) график I накладывается на чертеж поперечного разреза помещения, центр графика (0) совмещается с расчетной точкой М, а нижняя линия графика - с линией рабочей поверхности; б) подсчитывается количество лучей n, проходящих через световые проемы; в) отмечается номер полуокружности на графике I, которая проходит через точку С1 – середину светового проема; г) график II накладывается на план помещения таким образом, чтобы вертикальная ось графика и горизонталь, номер которой соответствует номеру полуокружности, выбранной по графику I, проходили через точку С1; д) подсчитывается количество лучей n2 по графику II, проходящих через световые проемы; е) определяется геометрический к.е.о, учитывающий прямой свет неба в данной точке помещения при боковом освещении ( б ) по формуле: б 0,01 n1 n2 . (8.16) Подсчет лучей, отраженных от противостоящего здания n1/ и n2/ , проходящих через световой проем, производится аналогично (рис.8.12.) Рис.8.12. Схемы к определению n1, n1/ (а) и n2, n2/ (б) Геометрический к.е.о, учитывающий свет, отраженный от противостоящего здания ( зд ) при боковом освещении определяется по формуле: (8.17) зд 0,01 n1/ n2/ . 104 Таким образом проводится расчет к.е.о в расчетных точках помещения и результаты расчета наносятся в виде графиков на характерные разрезы помещений в виде кривых к.е.о. (рис.8.13). Рис.8.13. Кривые освещенности в помещении (кривые к.е.о.) 8.4. Естественное освещение помещений при помощи световодов Традиционные окна не могут обеспечить достойного уровня естественного света при большом удалении от окна. Использование верхнего света через зенитные фонари позволяет создать равномерное естественное освещение в помещениях больших пролетов, но только в одноэтажных зданиях или на верхних этажах многоэтажных зданий. Освещение естественным светом внутренних помещений ширококорпусных зданий или подземных этажей успешно решается трубчатыми световодными системами [8]. Рис.8.14. Принципиальная схема световода: 1 – купол из светопрозрачного пластика со светонаправляющим устройством (4); 2 – стаканная система, интегрированная в кровлю;, 3 – трубчатый канал для транспортирования света; 5 – диффузор для распределения света в интерьере Световодные системы состоят (рис.8.14) из наружного светоприемного устройства, из транспортирующих свет трубчатых 105 секций и внутреннего устройства для распределения света в интерьере. Наружное светоприемное устройство представляет собой оптическое устройство, принимающее как прямой солнечный свет, так и диффузный свет неба. Оно является также своеобразной оптической воронкой, наполняющей транспортирующую трубу естественным светом. Транспортирующие свет трубы покрыты изнутри многослойной светоотражающей пленкой с коэффициентом отражения света 0,99. За счет многократного отражения внутри трубы свет попадает в устройство распределения света в интерьере. Так, например, световод фирмы «Solarspot» (Италия) длиной 5м и диаметром 25см при наружной освещенности около 5000лк способен осветить помещение площадью 8 кв.м с освещенностью 80лк. При диаметре световода 38см освещенность этого помещения увеличится в 3 раза, при 53см – в 5 раз и при 63см – в 7 раз. Фирма «Solarspot» имеет опыт использования световодов до 10м длиной с различными отводами под 30, 60 и 90º. Рис.8.15. Схематические примеры использования световодов Наружные устройства могут располагаться как на крыше, так и на фасадах зданий. На рис.8.15 показаны схематические примеры устройства естественного освещения при помощи световодов. 106 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Материалы учебного пособия содержат данные по многостороннему влиянию климата на территорию застройки и здания. Здания в эксплуатации окажутся тем эффективнее и комфортнее, чем полнее учтены при их проектировании воздействия климатических факторов. Весьма важно понять, какие климатические факторы или их комплексы в какой степени и как влияют на здания. Как это влияет на объемно-планировочное и конструктивное решение здания, на обеспечение санитарногигиенических и комфортных условий в помещениях, на выбор материалов, как последствия всех этих проектных решений отразятся на эксплуатации зданий и территорий. Известное выражение «у природы нет плохой погоды…» вызывает у нас скептицизм лишь в том случае, если мы оказались на природе одетыми не по погоде. Так и здания будут вызывать неудовольствие при эксплуатации, если они спроектированы без должного учета климатических факторов – «не по погоде». Надеемся, что материалы учебного пособия позволят более обоснованно и многосторонне учесть климатические факторы. Позволят проектными средствами использовать положительные аспекты климата и нейтрализовать отрицательные. Позволят использовать мощный энергетический потенциал климата для создания оптимальных проектов зданий доступного и комфортного жилья. 107 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК А. Научная и учебная литература 1. Аронин Д.Э. Климат и архитектура. Пер. с англ.-М.: ГСИ, 1959г. – 250с. 2. Архитектурная физика: Учебн.для вузов / В.К.Лицкевич, Л.И.Макриненко, И.В.Мигалина и др.; Под ред.Н.В.Оболенского. – М.: С.И., 2001. – 448с. 3. Банхиди Л. Тепловой микроклимат помещений. Пер. с венгерского. –М.: СИ, 1981. – 248с. 4. Беккер А. Системы вентиляции. Пер. с нем. –М.: Техносфера, Евроклимат, 2005. – 232с. 5. Блази В. Справочник проектировщика. Строительная физика. Пер. с нем. – М.: Техносфера, 2004г. – 480с. 6. Блинов В.А.Ю Захарикова Г.М. Архитектурная климатология в курсовом и дипломном проектировании: Методические разработки. – Екатеринбург: Урал ГАХА, 2002. – 52с. 7. Богословский В.Н. Строительная теплофизика: Учебн.для вузов. – М.: В.Ш., 1970. – 376с. 8. Бракле Д.Ж. Естественное освещение помещений с помощью новой пассивной световодной системы «SolarSpot». – «Светотехника» №5, 2005. - С.34-42. 9. Вопросы строительства в условиях жаркого климата: Пособие по курс.проект. –М.: Унив.дружбы народов им.Патриса Лумумбы, 1966. – 128с. 10.Гамбург П.Ю. Расчет солнечной радиации в строительстве. –М.: С.И. 1966. – 140с. 11.Гусев Н.М. Естественное освещение зданий. – М.: ГСИ, 1961. – 170с. 12.Гусев Н.М., Климов П.П. Строительная физика: Учебное пособие. – М.: ГСИ, 1965г. – 228с. 13.Гусев Н.М. Основы строительной физики: Учебн.для вузов. – М.: ГСИ, 1975г. – 440с. 14.Гилязов Д.Г., Валиуллин М.А. Подоконный вентиляционный блок для притока наружного воздуха. Патент РФ №2270959, Бюл.№6 от 27.02.06 15.Дунаев Б.А. Инсоляция жилища. – М.: СИ, 1979г. - 104с. 16.Дятков С.В., Михеев А.П. Архитектура промышленных зданий. – М.: АСВ, 1998. – 480с. 17.Заварина М.В. Строительная климатология. Гидрометеоиздат, Л.1976г. - 312с. 108 18.Ильинский В.М. Строительная теплофизика (ограждающие конструкции и микроклимат зданий): Учебное пособие. – М.: В.Ш., 1974г. – 320с. 19.Колобов Н.В. Климат Среднего Поволжья. –Казань: КГУ, 1968. – 252с. 20.Копсова Т.П. Физические факторы среды в архитектурном проектировании: Учебное пособие. – Казань, КИСИ, 1990. – 66с. 21.Круглова А.И. Климат и ограждающие конструкции, СИ, М.1970г. - 166с. 22.Лицкевич В.К. Жилище и климат. – М.: СИ, 1984. – 288с. 23.Майнерт З. Теплозащита жилых зданий. Пер.с нем. – М.: СИ, 1985. – 208с. 24.Марзеев А.Н., Жаботинский В.М. Коммунальная гигиена: Учебн.для вузов. – М.: Медицина, 1968. – 519с. 25.Михеев А.П., Береговой А.М., Петрянина Л.Н., Проектирование зданий и застройки населенных мест с учетом климата и энергоснабжения: Учебное пособие. – М.: Изд.АСВ, 2002г. – 192с. 26.Михеев А.П., Мельников В.Б., Строительная климатология и теплотехника. – Пенза: ППИ, 1989. – 152с. 27.Отопление и вентиляция: Учебн. для вузов / В.Н.Богословский, В.П.Щеглов, Н.Н.Разумов. – М.: СИ, 1980. – 295с. 28.Проспект фирмы Тherару Аir – по бытовым системам очистки воздуха в помещениях 29.Проспект фирмы Aereco по приточным и вытяжным устройствам 30.Реттер Э.И. Архитектурно-строительная аэродинамика. – М.: СИ, 1984. – 294с. 31.Реттер Э.И., Стриженов С.И. Аэродинамика зданий. – М.: СИ, 1968 – 240с. 32.Реттер Э.И. Естественный воздухообмен в жилых помещениях: Метод.указ. для студентов спец.ПГС, М.: МИСИ им.В.В.Куйбышева, 1983. – 32с. 33.Роджерс Т.С. Проектирование тепловой защиты зданий. Пер.с англ. – М.: СИ, 1966. – 228с. 34.Русин Н.П. Прикладная актинометрия, -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. – 232с. 35.Савин В.К. Строительная физика: энергоперенос, энергоэффективность, энергосбережение. М.: «Лазурь», 2005. – 432с. 36.Серебровский Ф.Л. Аэрация жилой застройки. – М.: СИ, 1972. – 112с. 37.Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. Пер. с англ. – М.: СИ, 1984. – 360с. 109 38.Системы экологической безопасности. Проспект фирмы Eco Quest international по электронным системам очищения воздуха «Living air», М.: 2003г. 39.Смоляков П.Т. Климат Татарии. – Казань: Татгосиздат, 1947. – 108с. 40.Справочник по климату СССР. 4.1-5. Вып.1.34. Л.: Гидрометеоиздат, 1968 – 1972. 41.Строительная физика / Е.Шильд, Х.-Ф.Кассельман, Г.Дамен, Р.Поленц: Пер. с нем.- М.: СИ, 1982. – 296с. 42.Тихомиров Н.В., Сергиенко Э.С. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция: Учебн.для вузов. – М.: СИ, 1991. – 480с. 43.Харкиесс Е., Мехта М. Регулирование солнечной радиации в зданиях / Пер.с англ. Г.М.Айрапетовой. Под ред.Н.В.Оболенского. –М.: СИ, 1984. – 176с. 44.Холщевников В.В. Луков А.В. Климат местности и микроклимат помещений: Учебное пособие. – М.: Изд.АСВ, 2001г. – 200с. 45.Швецов К.К. Проектирование зданий для районов с особыми природно-климатическими условиями: Учебн.пособие, - М.: ВШ, 1986. – 232с. Б. Нормативная литература 46.Правила и нормы застройки населенных мест, проектирования и возведения зданий и сооружений. Утверждены Строительной Комиссией Экономического Совета РСФСР в январе 1930г. М., 1930. 47.Основные строительные нормы. – Жилые здания. Комитет стандартов ВСНХ при ЦИК СССР. 1934. 48.Временные строительные правила для жилых, общественных, административных и коммунальных зданий. Комитет норм и стандартов Народного Комиссариата коммунального хозяйства РСФСР, 1935. 49.Временные нормы строительного проектирования жилых зданий. Бюро стандартизаци Наркомзема РСФСР, 1938. 50.Нормы проектирования жилых зданий. Академия архитектуры СССР, М., 1948. 51.Строительные нормы и правила, СниП II-В. 6-62 «Ограждающие конструкци. Нормы проектирования», 1963г. 52.Строительные нормы и правила. СНиП II-F/ 6-72 “Строительная климатология и геофизика”, 1973г. 53.Строительные нормы и правила. СНиП 2.01.01 – 82 “Строительная климатология и геофизика”, 1996г. 110 54.Строительные нормы и правила Российской Федераци. СНиП 2301.99*, “Строительная климатология”, 2004г. 55.Руководство по строительной климатологии (пособие по проектированию, - М.: СИ, 1977г. – 328с. (НИИСФ) 56.Строительные нормы и правила, СНиП II-6-74 «Нагрузки и воздействия», Нормы проектирования, 1976г. 57.Строительные нормы и правила, СНиП 2.01.07.-85, «Нагрузки и воздействия», 1987г. 58.Указания по проектированию внутренних водостоков зданий, СН 264-63, М.:СИ, 1964г. – 44с. 59.Строительные нормы и правила. СНиП II-4-79 “Естественное и искусственное освещение,” 1980г. 60.Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 23-05-95*, “Естественное и искусственное освещение”, 2004г. 61.Строительные нормы и правила СНиП 2.07.01-89 “Градостроительство, планировка городских и сельских поселений, 1990г. 62.Строительные нормы и правила. СНиП II-А.7-62 «Строительная теплотехника. Нормы проектирования», 1963 63.Строительные нормы и правила, СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника», 1995г. 64.Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий», 2004г. 65.Свод правил по проектированию и строительству, СП 23-1012000, «Проектирование тепловой защиты зданий», 2001г. 66.Строительные нормы и правила, СНиП 2.04.05-91* «Отопление вентиляция и кондиционирование», 1992. 67.Справочное пособие к СНиП 2.08.01-89 «Отопление и вентиляция жилых зданий, 1990г. 68.Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование», 2004г. 69.Строительные нормы и правила, СНиП 2.08.01-89* «Жилые здания», 1995г. 70.Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 31-01-2003 «Здания жилые многоквартирные», 2003г. 71.Технические рекомендации по организации воздухообмена в квартирах многоэтажного жилого дома, ТР АВОК-4-2004, М. – 2004г. 72.ГОСТ 12.1.005-88, Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны 73.ГОСТ 30494-96, Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях. 111 74.Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, СанПиН 2.1.2.1002-00, «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям», 2001г. 75.Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, СанПиН 2.1.6.1032-01 «Гигиенические требования к обеспечению качества атмосферного воздуха населенных мест», 2001г. 76.Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, СанПиН 2.2.4.1294-03 «Гигиенические требования к аэрономному составу воздуха производственных и жилых помещений», 2003г. 77.Санитарные правила и нормы, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий», 2003г. 78.Санитарные правила и нормы, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01 «Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий», 2002. 79.Строительная климатология: Справочное пособие к СНиП 23-0199* /Под ред.чл. корр. Савина В.К. М.: НИИ строительной физики РААСН, 2006. – 258с. 112 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие автора…………………………………………..…………3 Введение…………………………………………………………………4 Р а з д е л I . Строительная климатология………………………..5 1. Общая характеристика климата…………………………………….5 2. Некоторые исторические данные по введению климатических нормативов для строительства…………………...6 3. Основные климатические факторы и их воздействие на здания…8 3.1.Общие сведения…………………………………………………..8 3.2.Солнечная радиация…………………………………………….10 3.3.Температура воздуха……………………………………………15 3.4.Влажность воздуха……………………………………………...17 3.5.Осадки и снежный покров……………………………………...19 3.6.Ветер……………………………………………………………..29 3.7.Оценка круга горизонта по климатическим факторам и анализ микроклимата в районе застройки……………...…..37 4. Климатическое районирование и архитектурные средства преобразования среды……………………………………………...40 Р а з д е л II . Физика среды………………………………………..50 5. Комфортные условия и микроклимат помещений……………….50 6. Естественный воздухообмен в зданиях…………………………...58 6.1.Гигиенические основы воздухообмена………………………..59 6.2.Вредные выделения в жилых зданиях и их количественная оценка…………………………………………61 6.3.Определение необходимых воздухообменов…………………63 6.4.Побудители естественного воздухообмена в зданиях………..66 6.5.Расчет и проектирование воздухообмена……………………..71 7. Инсоляция зданий и территорий…………………………………..75 7.1.Нормирование инсоляции……………………………………...75 7.2.Видимое движение солнца по небесной сфере и солнечные карты………………………………………….…..76 7.3.Солнечные линейки, их построение и использование……….80 7.4.Расчеты продолжительности инсоляции территорий и фасадов зданий………………………………………………….82 7.5.Инсоляция помещений…………………………………………85 8. Естественное освещение…………………………………………..88 8.1.Ресурсы природной световой энергии………………………...89 8.2.Нормы естественного освещения……………………………...93 8.3.Проектирование и расчет естественного освещения помещений………………………………………………………96 8.3.1. Закон проекции телесного угла……………………...….97 8.3.2. Закон светотехнического подобия………………………99 113 8.3.3. Расчет естественного освещения………………………100 8.3.4. Расчет площади световых проемов S0 при боковом освещении……………………………………………….102 8.3.5. Расчет коэффициента естественной освещенности (к.е.о.)…………………………………...102 8.4.Естественное освещение помещений при помощи световодов……………………………………………105 Заключение……………………………………………………………107 Библиографический список………………………………………….108 114
