Методологічні принципи врахування впливу інсоляції на огороджувальні конструкції будинків і їх можливі рішення

За даними деяких авторів [2, 11, 53, 59, 66, 94, 97, 98] і проведеними власними експериментальними дослідженнями, виявлено, що мікроклімат у міській забудові тісно взаємопов’язаний зі щільністю житлового фонду й ступенем затінення території, а з другого боку, на нього впливає структура та фактура зовнішніх огороджувальних конструкцій, що в цілому узгоджується з даними досліджень Б.А. Айзенштата [2] про закономірності впливу елементів міського середовища на тепловий стан людини.

У той же час щільність житлового фонду мікрорайонів головним чином залежить від величини розривів між будинками, а вони в свою чергу, згідно з нормою [31], повинні визначатися за даними розрахунків інсоляції і природного освітлення, тобто залежить від кліматичних особливостей району будівництва, структури зовнішніх огороджувальних конструкцій, уключаючи фактуру, колір її поверхні, розміри світлоотворів, товщини стін, наявності балконів, лоджій, сонцезахисних пристроїв та інше. Звідси випливає, що щільність житлового фонду кварталу взаємообумовлена кліматичними умовами, національно-побутовими традиціями району будівництва і структурою огороджувальних конструкцій у широкому розумінні слова. З другого боку, вона безпосередньо залежить від щільності забудови зони житлової території і зони громадського призначення, а вони в свою чергу – від чисельності населення в кварталі, від питомих розмірів ділянок громадського призначення і від розмірів будинків, які використовуються у забудові. Нарешті, щільність залежить від ступеня довершеності архітектурної композиції.

Уся ця складна структура зв’язків щільності житлового фонду кварталу з її визначальними елементами та кліматом і зворотний взаємозв’язок із мікрокліматом більш наочно відтворена у вигляді структурної схеми-діаграми, представленої на рисунку 4.4. Вивчення цих зв’язків та пізнання закономірностей, за якими змінюється мікроклімат, дозволяє активно їх використовувати для його регулювання. Перспективним стає також пізнання закономірностей удосконалення огороджувальних конструкцій з урахуванням світлокліматичних факторів середовища: природного освітлення й інсоляції.

Рис.4.4. Структурна схема-діаграма взаємозв’язку щільності міської забудови з мікрокліматом і просторовим середовищем:

1-е кільце: максимальна щільність житлового фонду мікрорайону (умовна щільність житлового фонду мікрорайону), щільність житлового фонду мікрорайону (брутто);

2-е кільце: щільність забудови зони житлової території, щільність забудови зони громадського призначення;

3-є кільце: архітектурна композиція;

4-е кільце: розрахункові величини розриву між будинками (розміри житлових будинків (L, B, H) і їх кількість n), сумарна загальна житлова площа в житлових будинках (чисельність населення в мікрорайоні), розрахункова поправка до площі житлової території/ питомі розміри ділянок громадського призначення;

5-е кільце: клімат району будівництва і національно-побутові традиції;

6-е кільце: колір (питома цінність землі під забудову) характер благоустрою території (рельєф місцевості), об’ємно-планувальна структура будинку (структура огороджувальних конструкцій), орієнтація (вид матеріалу зовнішнього фактурного шару), фактура зовнішньої поверхні огородження;

7-е кільце: мікроклімат у міській забудові;

8-е кільце: клімат району забудови міста.

У даний час при проектуванні нерідко обмежуються лише формальним виконанням вимог норм про забезпечення регламентованого часу інсоляції та перевірки у IV кліматичній зоні зовнішнього огородження на теплостійкість, інколи досліджується ступінь затінення незабудованої території і за необхідності виконуються розрахунки сонцезахисних пристроїв. Інші аспекти, пов’язані з урахуванням фактора інсоляції і природного освітлення при проектуванні забудови, залишаються без уваги. При цьому випадає з поля зору те, що у сучасних умовах давно з’явилися нові можливості для регулювання мікроклімату, про які йшла мова вище, а ще й можливості вдосконалювати зовнішні огороджувальні конструкції з урахуванням фактора інсоляції на основі нових досягнень науки про властивості променевої енергії при взаємодії з матеріалами та середовищем.

На основі певних досягнень у питанні вдосконалення огороджувальних конструкцій з урахуванням фактора інсоляції і природного освітлення при їх проектуванні та з метою подальшого їх удосконалення далі пропонується користуватись методологічними принципами врахування фактора інсоляції при конструюванні огороджень, які були розроблені в руслі поглиблення відомих принципів винахідника при пошуку нових, більш удосконалених конструктивних рішень:

1) логічне визначення можливого впливу на дану конструкцію або елемент будинку фактора інсоляції і природного освітлення;

2) виявлення причин недосконалості конструкції або її властивості;

3) формулювання мети і задачі з усунення недоліків або із заміни небажаних властивостей;

4) пошук нового рішення обов’язково направляється по нетрадиційному шляху, тобто цей відхід від традиційних рішень є принципово необхідним і при цьому нове рішення повинно також відповідати високим вимогам супутних факторів;

5) пошуки реалізуються в діалектичній послідовності від окремого до загального;

6) виконується аналіз можливих варіантів нового рішення зі спробою оптимізувати більш досконалий варіант у діалектичній послідовності від загального до окремого, доводячи нове рішення до високого рівня досконалості.

Відомі деякі рекомендації і методики [36,37,51,66,83,93], у котрих розглядаються шляхи вдосконалення конструкцій з урахуванням конкретних умов місцевого клімату, що, як правило, має вирішальне значення при визначенні структури конструкції. Але ці методики обмежені у своїх можливостях, оскільки в них формулюються лише загальні вимоги до них і вони не дають конкретних відповідей про врахування фактора інсоляції й освітлення при конструюванні, наприклад, вікна. Для початку навіть спростимо задачу до рівня проектування самого світлоотвору в кам’яній або в блочній стіні.

При розрахунках величини розривів між будинками і щільності житлового фонду кварталів легко було помітити, що у цегляних будинках порівняно з великопанельними стінами характеристики щільності помітно знижуються внаслідок більших розривів між кам’яними будинками, ніж це необхідно при великопанельному рішенні. Ця обставина викликана тим, що при більш товстих стінах розрахункове значення тіньового кута вікна на 2-7º більше, ніж при великопанельному рішенні. У цій ситуації достатньо задатися питанням про можливості усунення цього недоліку цегляних будинків, щоб відразу й отримати відповідь на просте рішення, яке вже відоме у містобудуванні.

Дійсно, як показано на рисунку 4.5, тіньовий кут вікна можливо дещо зменшити шляхом улаштування ламаних скосів вікна. У результаті такого заходу тіньовий кут вікна можливо зменшити на 2-3º, що при 5-поверховій забудові можна зменшити розрахунковий розрив на 2 – 3 м і підвищити щільність житлового фонду на 200 – 300 м² з.п./га. Ось чому боротьба за кожен метр інсоляційного розриву в забудові меридіональної орієнтації – це боротьба за підвищення щільності забудови. Але конструювання таким чином віконного отвору (рис.4.5) одночасно пов’язується зі зниженням теплотехнічних якостей ділянки стіни на скосах вікна. Тому, щоб запобігти такому погіршенню конструкції, до скосів вікна необхідно прикріпити плитний або рулонний утеплювач, який би міг компенсувати різницю в опорах теплопередач першого і другого варіантів конструкцій.

Другим елементом будинку, який за своєю формою піддається впливу інсоляції і який відіграє важливу функціональну та архітектурно-естетичну, інсоляційно-гігієнічну й сонцезахисну роль, є балкони, лоджії й у цілому літні приміщення. У ряді робіт різних авторів звертається увага на затінюючі властивості балконів і лоджій, які в багатьох випадках позбавляють інсоляції житлових приміщень.

Вивчення показало, що у сучасному містобудуванні найбільш типовим є розміщення балконів і лоджій безпосередньо над вікном. При цьому в літній період, залежно від орієнтації, вони можуть повністю затінювати приміщення.

За даними Д. С. Масленнікова та М.А. Гостінцевої, балкони й лоджії досить ефективно використовувати як сонцезахисні пристрої. При цьому лоджії можуть дати позитивний результат тільки при західній і південно-західній орієнтації. Щоб зменшити вплив балкона на тривалість інсоляції, вони пропонують дещо переміщувати балкон при східній орієнтації вікна вправо, а при південній та південно-західній, для захисту приміщення в післяполудневий час – зміщувати вліво.

Аналіз типових проектів показав, що балкони і лоджії, як правило, передбачаються у житлових приміщеннях. При цьому лоджії найчастіше розміщуються при спальних кімнатах, а балкони найчастіше зустрічаються в загальних кімнатах, і зовсім рідко вони зустрічаються при кухнях. Між тим уключення кухні в число тих, які будуть обслуговуватись ще й літнім приміщенням, зручно в багатьох випадках, але особливо зручно при зв’язку кухні із загальною кімнатою через балкон або лоджію, особливо якщо вони використовуються й для господарських потреб. Діючі норми проектування не регламентують принципи проектування літніх приміщень. Із досвіду містобудування відомі балкони різних форм, розмірів і конструкцій. Між тим в останні десятиліття радянського періоду прямокутна форма балкона стала традиційною, що звужує можливості архітектора і збіднює архітектурну композицію будинку. Ось чому повернення всього багатства форм балконів та їх конструкцій є вчасним заходом для поновлення номенклатури виробів, які легко і просто можуть випускати заводи чи домобудівні комбінати.

Беручи до уваги всі аспекти, про які йшла мова, враховуючи також фактор інсоляції, можливо запропонувати деякі нетрадиційні варіанти розміщення і форми балконів при приміщеннях у квартирі, як це показано на рисунку 4.6.

Рис.4.6. Нетрадиційні способи розміщення балконів у квартирі

З рисунка видно, що в інсольованих кімнатах балкони слід розміщувати і надавати їм таку форму, щоб сонячні промені безперешкодно попадали до приміщення в секторі вікна, де балкон відсутній. Як показано (рис. 4.6.), форма балкона, розміри й розміщення його вирішуються залежно від орієнтації вікна, а період інсоляції має відповідати нормативному періодові. Проектування літніх приміщень повинно виконуватись згідно з архітектурно-просторовою композицією будинку, але одночасно з урахуванням функціональної ролі кожного такого елемента і забезпеченням при цьому також санітарно-гігієнічних, естетичних та конструктивних вимог норм проектування.

Більш переконливо застосування методологічних принципів врахування фактора інсоляції і природного освітлення можна показати на прикладі проектування огороджувальних конструкцій житлового будинку для ІІ кліматичної зони. Із сказаного вище стає очевидним, що тривалість інсоляції, а разом із цим і освітленість приміщення залежить від розмірів та пропорцій світлоотворів. У районах, північніших від 48º п.ш., при висоті поверху 2,7–2,8 м вікна житлових будинків, як було вже показано [72], мають малу світлоактивність через малу їх висоту. З цієї ж причини тіньовий кут вікна на 2º і більше стає більшим через затінення перемичкою, ніж при тих же розмірах, але більшій його висоті, наприклад, 1,8 м. Таким чином, виникає задача – знайти таке вирішення огороджувальних конструкцій будинку, яке б дозволяло влаштовувати такі вікна.

Традиційний шлях вирішення цієї задачі зводиться до підвищення висоти поверху, наприклад, до 3 м. Підвищення поверхів будинку дозволило б не тільки розв’язати питання інсоляції і природного освітлення, але й радикально поліпшити повітрообмін у приміщеннях, який, за деякими свідченнями, при висоті приміщень 2,5 м недостатній навіть на широті Києва. І все ж у самих принципах обумовлюється вирішення задачі через дотримання вимог норм проектування в усіх інших аспектах, а тому вирішення задачі буде коректним при попередній висоті поверху (2,7 – 2,8 м).

У цьому випадку збільшення висоти вікна до 1,8 м можливе, лише коли світлоотвір підніметься до самої стелі, лутка розміститься на висоті 75 см від підлоги і роль перемички над вікном буде відігравати саме перекриття розміром, наприклад, на кімнату. Тобто такий варіант можливий у великопанельному рішенні.

Але у звичайному великопанельному варіанті таке рішення стіни ускладнить конструкцію стику панелі перекриття зі стіною з технологічної і теплотехнічної точки зору. Йдучи таким чином від окремого до загального й у зворотному напрямі, приходимо до остаточного рішення, коли в оптимальному варіанті плита перекриття монолітно зв’язана перемичковим поясом і при цьому перша виготовляється із важкого бетону, а перемичкова поясна частина, як це показано на рисунку 4.7, із легкого бетону. Технологічно такий великорозмірний елемент перекриття на кімнату може бути виготовлений у касетному варіанті з постановкою на арматурний каркас на лінії важкого та легкого бетону дротяної сітки з розміром чарунок, які дещо менші від розміру крупної фракції заповнювача бетону. У такий або й інший спосіб може виготовлятись елемент перекриття, який зображено на рисунку 4.7.

Для формування цілісної великорозмірної індустріальної структури будинку необхідно також нетрадиційно [72] вирішити і нижню частину поля стіни. Традиційно, очевидно, нижня частина стіни вирішувалась би у вигляді форми панелі розміром на кімнату з вертикальним стиком їх на внутрішній перегородці. Але таке вирішення малоефективне. Пошуки нетрадиційного вирішення конструкції стіни привели до тих варіантів, які зображені на рисунках 4.7, 4.8, 4.9. У цьому варіанті панелі стін утворені шляхом простого монолітного об’єднання простінкових частин будинку з підвіконною частиною та одержання варіантів ( – швелера, – тавра і – кутика) – форми великорозмірного елемента стіни по фасаду і лінійні, Z- та L-видні панелі за формою у плані. Про просторову структуру будинку з укрупнених великорозмірних елементів остаточного рішення дає уявлення схема, що наведена на рисунку 4.9.

Рис. 4.7. Укрупнені елементи будинку:

а) укрупнений елемент перекриття;

б, в, г) укрупнені елементи стін

Аналізуючи конструктивне рішення такого будинку [72] у зіставленні з відомими великоблочними та великопанельними прототипами, можемо перш за все побачити архітектурно естетичні й функціональні переваги нового рішення. Воно дозволяє врізноманітнювати форму, пропорції і розміри вікон, як це показано на рисунках 4.8. і 4.10. У функціональному відношенні збільшення висоти вікна до 1,8 м у житлових будинках дає змогу значно підвищити їх світлоактивність, довівши освітленість навіть глибоких приміщень до нормативного значення при мінімально допустимих розривах між будинками. Окрім цього, підвищення висоти вікна збільшує одночасно висоту активної зони повітрообміну в приміщенні й у деяких випадках приводить до зменшення інсоляційних розривів між будинками.

Рис. 4.8. Варіанти фасадного вирішення будинку

Рис. 4.9. Конструктивна структура будинку

У теплотехнічному відношенні запропоноване рішення значно ефективніше від великопанельного і великоблочного. У традиційному великопанельному домобудуванні найбільш слабкими в теплотехнічному відношенні є вертикальні стики між панелями стін та горизонтальний стик панелей стін із перекриттями, де останні утворюють місточки холоду. У запропонованому варіанті рішення такі стики просто відсутні, бо вертикальний стик у даному випадку перемістився на лінію краю вікна, а вертикальний стик у стіновій частині – в зону радіатора і за своєю довжиною майже в десять разів коротший, ніж у великопанельному будинку. Надійність обробки такого простого стику значно підвищується. Горизонтальний пояс холоду взагалі відсутній. Довжина горизонтальних стиків у цьому рішенні збільшується, але вони прості й надійні, працюючи в силовому відношенні лише на стиск. Просторова жорсткість забезпечується стінами сходових кліток і установкою поперечних стінок жорсткості через 48 м. Вага великорозмірних елементів перекриттів та стін стає майже рівновеликою, не перевищуючи 6,5 т. Зменшується кількість вантажних елементів, знижуються затрати праці.

Зміна конструктивної системи на схему з трьома поздовжніми стінами дозволяє більш гнучке планування житлового будинку. Важливі також нові можливості у вирішенні інтер’єру з вікнами різної форми і пропорції. Збільшення висоти вікна підвищує глибину інсоляції, а оскільки під дією сонячних променів у закритому приміщенні відбувається конвективний рух повітря понад підлогою до вікна, далі повітря піднімається догори й попід стелею йде у глиб кімнати. Багаторазове обертання повітря в кімнаті за інсольований період дозволяє підвищити бактерицидну та іонізуючу дію інсоляції в усьому приміщенні.