Координати Сонця

При виконанні інсоляційних розрахунків необхідно знати координати Сонця, які встановлюють його положення на небосхилі в заданий момент часу.

Щоб уявити собі видимий “рух” Сонця по небосхилу і знайти його координати, слід звернутися до “сонячного стереону”, як це зробив ще Вітрувій.

Небосхил представляє собою напівсферу, що спирається на горизонтальне коло, в центрі якого знаходиться точка О, що розглядається. Через цю точку проходять полуденна лінія Південь – Північ (Пд – Пн) і лінія Схід – Захід (Сх – Зх), які визначають орієнтацію в даної точки (рис. 5.1 – всі позначки російською мовою).

Рухаючись по колу, Сонце займає на небосхилі в даний момент визначене положеня, що може характеризуватися двома координатами – висотою стояння h і азимутом a (кутом між полуденною лінією і горизонтальною проекцією сонячного променю, який направлений до точки О від центру сонячного диску).

Азимут відкладається від Півдня до Півночі.

Кожен новий день траєкторія руху Сонця буде вище або нижче попереднього дня, відрізняючись на деяку кутову величину d, котра називається склонєнієм. На протязі року .величина склонєнія змінюється від –23,4^о до +23,4^о, двічі переходячи через нуль. Нульове значення склонєнія буває в ті дні, коли Сонце сходить точно на Сході і заходить точно на Заході. При цьому день буде дорівнюватися ночі по тривалості. Відомо, що 22 березня має місце день весняного рівнодення, 22 вересня – день осіннього рівнодення.

Після весіннього рівнодення склонєніе приймає позитивне значення и досягає свого максимуму в день літнього сонцестояння – 22 червня. Далі склонєніє зменшується і в день осіннього рівнодення знову становиться рівним нулю, після цього приймає від’ємні значення. Свого мінімуму склонєніє досягає 22 грудня в день зимового сонцестояння. Після чого воно знову починає збільшуватися і.т.д.

За 24 години Сонце “проходить” по небосхилу повне коло в 360^о. При цьому 1 година буде складати 15^о. При розрахунку координат Сонця час відраховується в градусах від лінії, що утворюється перетинанням вертикальної площини, яка проходить через полуденну лінію, з площиною, в якій лежить видимий шлях руху Сонця по небосхилу (рис. 5.1).

Для географічного пункту площина, в котрій находиться видимий шлях руху Сонця по небосхилу, має нахилі відносно вертикальній лінії на кут j, який зветься географічною широтою місцевості. При цьому, на екваторі, де j = 0^о, площини видимого руху Сонця вертикальні, а на плюсах, де

j = 90^о, - горизонтальні (рис. 5.2 – позначки російською мовою).

Координати Сонця на небосхилі залежать від склонєнія, часу суток і географічної широти. Взаємозв’язок між цими параметрами знаходиться із наступних залежностей

, (5.1)

, (5.2)

Данні формули дозволяють з достатнім ступенем точності знаходити координати Сонця.

5.3. Нормування інсоляції

Для потреб найбільш ефективного використання благотворної дії сонячної радіації та обмеження негативного впливу введено нормування інсоляції.

Нас всюди оточує бактерицидне середовище. Хвороботворні бактерії постійно знаходяться в приміщеннях, переносяться з приміщення в приміщення, із будинку в будинок через одяг, взуття і т.п. Сонячні промені негативно впливають на ці бактерії та їх розвиток, що підтверджується чисельними експериментами. Високий бактерицидний ефект досягається при 2 – 4-х годинному безперервному випромінюванні культури шлункової палички на відстані 0,5 м від вікна на рівні столу. На засадах цих досліджень було встановлено, що критерієм оцінки інсоляції на даному етапі розвитку цієї науки являється тривалість випромінювання сонячної радіації в годинах.

В містобудівельних нормах України [16] говориться, що розміщення та орієнтація житлових та цивільних (за винятком дитячих дошкільних закладів, загальноосвітніх шкіл, шкіл-інтернатів) повинні забезпечувати тривалість інсоляції житлових приміщень, що визначені нормами, і територій не менше 2,5 години на день на період з 22 березня по 22 вересня на південь від 58^о північної широти.

Розміщення та орієнтація будинків і дитячих дошкільних закладів, загальноосвітні дисципліни х шкіл, шкіл-інтернатів, закладів охорони здоров’я і відпочинку повинні забезпечувати безперервну трьохгодинну тривалість інсоляції в приміщеннях, передбачених Санітарними нормами і правилами забезпечення інсоляцією житлових і цивільних будинків і територій житлової забудови.

В умовах забудови будинками в 9 поверхів і вище допускається одноразове переривання інсоляції житлових приміщень в умовах збільшення сумарної тривалості інсоляції на протязі дня на 0,5 години відповідно для кожної зони.

В житлових будинках меридіонального типу, де інсолюються всі кімнати, а також при реконструкції житлової забудови або при розміщенні нового будівництва в особливо складних містобудівельних умовах (історично цінне міське середовище, дорога підготовка території, зона загальноміського і районного центру) допускається скорочення тривалості інсоляції приміщень на 0,5 години.

У ІІІ – IV кліматичних зонах необхідне захист будинків і територій від перегріву шляхом використання вільної, добре провітрюваної, забудови, озеленення, обводнення, використання сонцезаистнихх пристроїв. Необхідно забезпечить зв’язок житлової забудови з благоприємними в природному відношенні ландшафтами, рівномірний розподіл забудованих і відкритих озелененно-обводнених територій.

При проектуванні житлових будинків вводяться вимоги к інсоляції квартир:

- в одно-, трьохкімнатних квартирах повинна бути забезпечена інсоляція не менше одної кімнати;

- в чотирьох, шестикімнатних – не менше двох кімнат;

- в гуртожитках сумарна площина інсольованих житлових кімнат повинна складають не менше 60 %.

Крім того, всі південні райони СНД за сонцезахистом поділені на три групи. До першої відносяться райони з середньою температурою найбільш жаркого місяця t_жм > 28^оС, потребують сонцезахисту при всіх орієнтаціях. До другої – райони з t_жм > 26^оС, потрібен сонцезахист в межах 45 – 315^о по горизонту. До третьої – райони з t_жм< 26^оС, потрібен сонцезахист в межах 70 – 290^о.

При проектуванні промислових будівель фактором, що визначає необхідність захисту приміщень від перегріву, являється тривалість періоду з среднєдобовою температурою зовнішнього повітря t_н ³ 20^оС. існує карта кліматичного районування території СНД для вибору сонцезахисних пристроїв в залежності від цього фактору:

I зона – менше 20 діб на рік з t_н ³ 20^оС – захист приміщень від перегріву не рекомендується;

II зона – 20 – 40 діб – захист рекомендується в вигляді внутрішніх і поміж скляних сонцезахисних пристроїв (сзП). До цієї зони відноситься північ України в тому числі і м. Київ;

III зона – 40 – 60 діб – в вигляді поміж скляних і зовнішніх пристроїв. До цієї зони відноситься середня смуга України;

IV зона – 60 – 100 діб – зовнішні сзП в сполученні з теплозахистними склінням. До цієї зони відноситься південь України;

V зона – більше 100 діб і високий температурний фон – зовнішні сзП, теплозахисне скління і технічне регулювання мікроклімату.

Інсоляція території забудови також повинна бути не менш 3 години. Це стосується зон повсякденного перебування людей - дитячі ігрові майданчики, спортивні майданчики, зони відпочинку і т. і.

5.4. Інсоляційні розрахунки

Оптимальний інсоляційний режим забезпечується шляхом прямого сонячного випромінювання в необхідній кількості і в визначений час. При проектуванні містобудівельної ситуації, будинків і приміщень виникає необхідність у визначенні умов інсоляції та її оптимізації. Це досягається проведенням інсоляційних розрахунків.

Розрахунки інсоляції охоплюють рішення задач трьох основних типів.

1. Знаходження часових характеристик інсоляції (тривалість: початок і кінець; затіненість приміщень, фасадів, ділянок територій і т.д.).

2. Встановлення геометричних характеристик ділянок, що інсолюються або затіняються: побудова годинних і добових конвертів: тіней від будинків на генеральному плані та інсоляції на робочих площинах в приміщеннях).

3. Визначення затінення приміщень оточуючої забудови, знаходження придатних відстаней поміж будинками, розрахунок сонцезахисних пристроїв (СЗП).

Розрахунки виконують за допомогою наступних методів: аналітично і графічно з використанням діаграм, таблиць и графіків; експериментально в лабораторних або натурних умовах.

Умови інсоляції визначаються методом проекцій з числовими відмітками. Якщо спостерігати добовий хід тіні від стержня, що стоїть в центрі небесної півкулі, то можна помітити, що в день літнього або зимового сонцестояння (21 червня і 21 грудня) тінь від верхньої точки стержня буде криволінійною (рис. 5.3 а, б). А в період весіннє-осіннього рівнодення (22 березня і 22 вересня) вона буде у вигляді прямої лінії, яка паралельна до прямої, що з’єднує точки сходу і заходу Сонця (рис. 5.3 в).

Рис. 5.3. Добовий хід тіні від вертикального стержня:

а – літо; б – зима; в – весна-осінь

На основі цього можна будувати графіки добового хода тіні від вертикального стержня різної висоти для різних періодів. При побудові таких графіків користуються таблицею координат Сонця. Із центру графіка проводять промені під кутами, що відповідні азимутам в денні часи доби, і від центру відкладають на них відрізки, рівні котангенсу висоти стояння Сонця у відповідну годину. Такі графіки можуть бути побудовані для різних широт в потрібних масштабах (1:100 або 1:1000). На рисунку 5.4 показані графіки для 48º пн.ш. в масштабі 1:100.

Рис.5.4 Інсоляційні графіки (“сонячні транспортири”) для інсоляційних розрахунків на період: а – літнього сонцестояння; б – зимового сонцестояння; весіннє-осіннього рівнодення (φ = 48°пн.ш.)

На етапі проектування перед архітектором стоїть завдання просторово - часового містобудівного розрахунку інсоляції її тривалості в заданій точці для цілей забезпечення нормативної величини.

Існують декілька номографічних методів (таблиці, діаграми) для геометричного розрахунку азимутів і відносних довжин тіней при побудові конвертів тіней. Графічні методи застосовані в спеціально розроблених приладах - світопланометру Д. С. Маслєннікова, інсоляметра М. В. Оболєнського, сонячної лінійки Б. А. Дунаєва та ідентичних інсоляційних графіків Г. Марті і А. М. Рудницького.

На рис. 5.5 приведено найбільш простіший приклад-лінійка М. Тваровського. Вона дозволяє для 50° пн. ш. виявляти довжину тіні від стіни заданої висоти для періоду від 21.03 до 21.09 кожного року.

Детальні розрахунки з інсоляції території, а також приміщень приведено в Посібнику для виконання розрахунково-графічних робіт з кліматології.

Рис. 5.5. Лінійка М. Тваровського

Застосовуючи цю лінійну або іншій пристрій можна побудувати конверт тіней за всю добу. На етапі попередньої оцінки варіантів забудови будуються тіни в 10, 12 і 14 годин і виявляється результуюча тінь. Результуюча тінь за коротким будинком буде трикутною, а за довгим будинком в вигляді трапеції. Потім для всієї території забудови підраховується сума всіх тіней і знаходиться коефіцієнт затіненості за формулою:

(5.1).

Де So - загальна площина території, вільна від будинків в межах червоної лінії забудови;

- площа тіні за окремим будинком.

Рис. 5.6. Побудова контуру тіней від будинку (“конверт тіней”)

В останньому варіанті приймається забудова з меншим коефіцієнтом затінення. При детальному плануванні за межі постійної тіні виносяться місця відпочинку мешканців.

Лекція 6

Аерація території міста

6.1. Загальна характеристика вітрових умов України

На території України найбільше поширений легкий помірно-континентальний клімат, помірний по термічному і вологому режиму (Полісся і лісостепу). Континентальність збільшується із заходу на схід.

Кліматичні умови України такі що дозволяють вважати її зоною з підвищеним потенціалом забруднень. Це зумовлено дуже частими штилями і малими вітрами (0,1м/с), які сприяють утворенню зон застою, а також туманами та інверсіями, які приводять до виникнення явищ смогу.

У Кліматичному атласі Української РСР дається інформація по розрахованим найбільшим швидкостям вітру різній імовірності. На Україні виділяють три райони значення швидкостей приведених у табл. 6.1.

Таблиця 6.1- Імовірності найбільших швидкостей

Середня швидкість розраховується для січня, липня та річна. Найбільша швидкість спостерігається у південно-східному степу та у приморській смузі у холодну частину року (жовтень - квітень).У цілому за оцінкою спеціалістів ГГО ім. А.І. Воєйкова на Україні спостерігаються слабкі вітри.

6.2. Вибір розрахункових швидкостей для оцінки вітрового режиму території

За розрахункову швидкість для оцінки вітрового режиму території може прийматися значення, яке розраховується за формулою

, (6.1)

де - величина швидкості відповідного напрямку, м/с;

Р_і - повторюваність вітру відповідного напрямку, %.

Швидкість, що розраховується таким способом представляє собою деяке значення, яке не має певного напрямку руху. Частіше у формулі (6.1) не враховуються румби, за якими Р < 6%, тоді вона приймає наступний вигляд:

. (6.2)

Оцінка територій населених пунктів здійснюється як правило на одно або декілька головних характерних напрямків вітру. При цьому рекомендується наступна класифікація оцінок, яка надана у табл. 6.2.

Вибраний основний напрямок дії вітру (як правило для зимового періоду) приймається також для рішення екологічних задач і враховується при взаємному розташуванні промислової та селітебної території. Житлове будівництво рекомендується розташовувати у навітряній, а промислову - у завітреній частині міста. Хоч у деяких дослідженнях зазначається, що таке розташування не завжди виправдано. Якщо є вітри інших напрямків менших швидкостей, але при значних повторюваннях, екологічна ситуація буде погіршена. Все це указує на необхідність ретельного аналізу усіх можливих проявів вітрового режиму у конкретному місці будівництва

Таблиця 6.2 – Характеристики території за придатністю до будівництва

№	Характеристика вітрового режиму	Оцінка території за придатністю для житлового будівництва
	< 5 м/с	Придатна
	> 5 м/с; P < 17%	Теж, бажано захист від вітру
	> 5 м/с при 17% < P < 34%, але не більше, ніж за 2-ма напрямками вітру	Умовно придатна Захист необхідний
	> 5 м/с; P > 34% для одного напрямку або P < 34% для більш 2-х напрямків вітру	Не придатна

6.3. Вплив рельєфу на вітровий режим

Для обліку рельєфу у формуванні вітрового потоку будуються дві схеми, які кресляться на топографічній основі:

1. схема кутів нахилів місцевості;

2. схема розподілення схилів по експозиціям.

Отримані карти-схеми експозиції схилів та кутів нахилу рельєфу поєднуються. На остаточному рисунку відмічаються межі експозиції схилів та межі переходу похилів, при цьому усі схили розподіляються на три види: верхню, середню та нижню. Більш детально з цим можна ознайомитись в роботі Ф.Л. Серебровського „Аэрация населенных мест”.

6.4. Гігієнічні характеристики комфортності середовища

У роботі К.І. Семашка позначається, що швидкість більша 5 м/с сприймається людиною незадовільно. Там же установлюються величини комфортних швидкостей вітру, які необхідно враховувати під час проектування міського будівництва. Комфортними треба вважати швидкості вітру в межах:

0,6 - 2,5 м/с для температур на інтервалі від +10°С до –10°С, що відповідають середній смузі СРСР. На Україні за даними СНиП 2.01.01 – 82 середньомісячна січнева температура знаходиться у межах від –7,9 °С у м. Суми до +4 °С у м. Ялті.

1 – 3 м/с для температур в інтервалі від +10°С до 30°С

Особисту увагу гігієнічним характеристикам повітряного середовища треба приділяти під час проектування будівництва оздоровчих пунктів населення. Так, для кардіологічних хворих вітер зі швидкістю 3м/с діє негативно. Дослідження показують, що комфортну зону для прийняття повітряних ван всім хворим в умовах Південного берегу Криму можна визначити у межах 0,8 - 2,7 м/с.

6.5. Методи оцінки забудови за аеродинамічними показниками

Щоб мати можливість кількісно характеризувати вітровий режим у житловому будівництві використовуються різні критерії оцінки планових елементів міста за аеродинамічними показниками.

Найчастіше використовується безрозмірний показник

, (6.3)

де S_i площина зони з локальною швидкістю ;

S_o – загальна площина території забудови (без будинків);

- швидкість вільного потоку вітру (якби на вибраній території не було забудови).

Збільшення критерію k_В означає збільшення провітрювання забудови.

Для одержання кількісної характеристики дії вітру архітектори застосовують різні засоби побудови вітрових тіней за будинками. За вітрову тінь вважається територія за будинком, де швидкість вітру становить 50% і менше від швидкості потоку, що набігає. Довжину вітрової тіні (l) виражають у висотах будинку (Н) і знаходять за спеціальними графіками в залежності від довжини будинку (L). Вітер діє нормально до площі стіни будинку.

Можна також приблизно знаходити площину вітрової тіні за формулою

S = 0.8 L×l (6.4)

Максимальне значення вільного повітряного потоку становить 7 м/с.

Невдосконаленістю цього методу є те, що вітрові тіни будуються окремо для кожного будинку і не враховується вплив будинків один на одного і складна аеродинамічна ситуація в забудові. В залежності від геометрії будинків їх взаємного розташування, напряму дії вітру, вітер змінюється не тільки за величиною швидкості, а й за напрямом. Крім цього на торцях будинків утворюються зони підвищених швидкостей. Особливої неприємності слід чекати біля висотних будинків, які являються дуже сильними турбулізаторами повітря в приземному шарі.

Для виявлення вітрового режиму в забудові на етапі проектування можливе використання модельного експерименту в аеродинамічній трубі або чисельного за допомогою комп’ютера. На рис 6.1 показано лінії рівних швидкостей у приземному шарі забудови (на рівні пішоходів), що одержані за результатами іспитів в аеродинамічній трубі. Швидкості дані в відносних до вітрового потоку, що набігає, одиницях. На рис 6.2 приведено результати чисельного моделювання (розробка наукової групи “ВІТЕР” кафедр архітектури та прикладної математики ДонНАБА) за допомогою ПЕВМ.

Очевидно, що найбільш сучасним методом оцінки аерації забудови є моделювання на комп’ютері. Метод ґрунтується на закладах чисельних методів. Він дозволяє в автоматичному режимі на персональних комп’ютерах 4 - 5 поколінь наводити картину швидкостей і напряму дії вітру в забудівлі. Спеціальна програма адаптована до графічного редактору AutoCAD, що дозволяє архітектору на сучасному рівні оцінювати різноманітні варіанти забудови і вибирати оптимальні з точки зору аеродинаміки забудову.

Останнім етапом роботи над аерацією забудови є її оптимізація засобами благоустрою. Тут архітектор використовує знайомий йому набір засобів (вітрозахисні перешкоди, зелень, малі архітектурні форми) для покращення вітрового режиму в місцях відпочинку людей.

Рис. 6.1. Результати іспитів моделі мікрорайону ”Восточный” м. Донецька в аеродинамічній трубі

Рис. 6.2. Результати чисельного моделювання вітрового режиму за допомогою ПЕОМ

Лекція 7

Кліматологія міста

7.1. Особливості клімату великих міст

Кліматична ситуація, що виникає в місті може поділятися на три рівня: макроклімат, мезоклімат і мікроклімат.

Мікрокліматичні явища відбуваються біля поверхні землі і залежать від особливостей підлеглої поверхні, на висоті десятків і сотень метрів.

Мезоклімат формується у взаємодії загально-кліматичних факторів з природними факторами підлеглої поверхні місцевого масштабу - це наявність великого водойму, лісного масиву, міста і т. і. Особливості мезоклімату спостерігаються і проявляються в шарі повітря над деякою поверхнею від 2 до 20 метрів і більше та послабшають з висотою.

Мікроклімат об’єднує фізичні явища, які відбуваються в безпосередній наближеності до поверхні ґрунту на висоті зросту людини 1,5 ё 2 м, посилюючись по мірі наближення до ґрунту.

Над містом в наслідок його побутової і промислової діяльності суттєво змінюється метеорологічний режим і утворюється особливий мезоклімат:

- на 10 - 25% зменшується притік прямої сонячної радіації;

- внаслідок ефективного випромінювання окремих ділянок поверхні, в тому числі від енергетичних устаткувань, в місті створюються „острови тепла”, в котрих частина техногенного тепла може скласти до половини радіаційного;

- температура повітря в місті в зв’язку з цим може бути вище навколишньої на 7-15 °С;

- внаслідок існування ядер конденсації, аерозолів в повітрі кількість атмосферних випадів над містом зростає взимку на 50 %, влітку на 15 % і простежується на 40 – 50 км з підвітряного боку;

- в порівнянні з приміською територією в добовому ході випадів спостерігаються два максимуми - рано вранці і рано ввечері;

- стік з поверхні атмосферних випадів з території міста з-за штучних покрівель в декілька разів перебільшує стік з ґрунту поза містом;

- повітря над містом в середньому на 5 ё 10% сухіше, досягає вологості 30 ё 40% вечором влітку, якщо вулиці не поливаються;

- повторюваність туманів в промисловому місті бува в 1,5 ё 2 рази більшою, ніж за його межами.

Мікроклімат території міста поряд з загально метеорологічними факторами залежить головним чином від вітрового режиму, особливостей і характеру підлеглої поверхні.

Закритість горизонту в мікрорайоні залежить від кількості поверхів і знаходиться відношенням площини, яка затінена будинками від сонця житловими будинками терміном нормативного часу, до площини житлової території. Знаходиться вона розрахунком з побудованого ”конверту тіней” і знаходиться в межах 25 ё 75% житлової зони.

Інша особливість поверхні міста - присутність різного роду покрить (дахи будинків, доріг, площ), які займають до 50% території міста, з низькою відбивною спроможністю для сонячних і високою теплоємністю для теплових довгохвильових промінів.

За рахунок різнобарвних відбиваючих поверхонь на рівні мікроклімату можуть відбуватися різкі зміни кліматичних параметрів, наприклад:

- температура асфальтового покриття під сонцем майже на 25°С перевищує температуру повітря на рівні 2 м, а температура зеленого газону на 10°С;

- інтенсивність теплового випромінювання від поверхні може досягати величини 700 ё 800 кВт/м², що дорівнює величині прямої сонячної радіації опівдні;

- вологість повітря у перегрітій поверхні покриття доріг і біля стін зменшується на 5 ё 10%.

Активна роль формування мікроклімату належить елементам благоустрою. Елементи благоустрою поділяють на дві групи. Перша група - покриття проїздів, доріжок, майданчиків. Це найчастіше штучні споруди які мають низькі відбиваючі властивості для сонячних промінів (від 10 до 27%) і особливо для довгохвильових теплових промінів (до 11%), трансформують до 90% всієї променевої енергії в тепло. Це тепло іде на нагрів поверхні і повітря і майже не витрачається на випарювання вологи. Цим, наприклад, обумовлюється засушливість пустелі, бо там різко збільшуються витрати тепла на випарювання в порівнянні з оазисом.

Тому дія елементів першої групи може бути:

- позитивною - в прохолодний час року (весна, осінь) при сонячній погоді;

- негативне – в жарку погоду, коли тепло від перегрітих поверхонь впливає відчування гнітючої духоти.

Елементи благоустрою другої групи, особливо зелені насадження, створюють найбільш благо приємний мікроклімат для людини.

7.2. Ландшафтне зонування і кліматичне районування території великих міст

На території великого міста за функціональним призначенням звичайно виділяють шість зон: селітібна, промислова, комунально-складська, зовнішнього транспорту, рекреаційна, санітарно-захисна. Крім цього може бути громадянські центри, парки приміські лісопарки. В сукупності з забудовою, інженерними спорудами і зовнішнім благоустроєм вони утворюють середовище міста.

В наслідок різноманітності вони утворюють різні планувальні засоби організації оптимального середовища.

Основою зонування житлової території є особливості теплового балансу ділянок з різним благоустроєм, їх розташування відносно забудови і функціонального призначення виділяються наступні зони:

- смуга біля будинків шириною до 10 м (закритість горизонту 0,75 - 0,55);

- проїзди - тротуари біля стін домів на відстані 5-10м (закритість горизонту 0,65 - 0,50);

- різні майданчики на відстані 20м і більше від стін домів (закритість горизонту 0,50 -0,25);

- зелені насадження.

Оцінка умов мікроклімату жилої території проводиться в залежності від класифікації. Приклади результатів оцінки наведено на рис.

В практичному містобудуванні напрацьовані основні ситуації, які вважаються важливими при проектуванні:

- асфальтові прибудинкові смуги стримують формування різко дискомфортних умов з 9 до 21 ч, зелені стримують цей період на 5 - 7 годин, але недостатньо поліпшують мікроклімат;

- для проїздів і тротуарів найліпшими являються бетонні покриття, замість асфальтових;

- проїзди треба віддаляти від стін, що інсолюються, не менш ніж на 8м, скорочує дискомфорт на 1,5 - 2 год;

- в літній період необхідно затіняти проїзди (тротуари) у південних стін з 10 - 11 до 15 - 16 год, а біля західних - після 12 - 13 год.;

- найбільш сприятливий мікроклімат на дитячих майданчиках, які мають штучне бетонне покриття або світлий ґрунт, поліпшений додатками з піску або дресви, при умові відстані від будинків на 40 – 50 м;

- необхідно часткове затінення тихого і активного відпочинку висококронними деревами з 11-12 до 16-17 ч.;

- всякі зелені насадження в ранкові часи до 11-12 ч і після 14-15 ч. забезпечують комфортні умови.

Біокліматичним критерієм оцінки комплексу метеорологічних показників на відчування тепла людиною є еквівалентно-ефективна температура. Регулювання щільності забудови, температури і вологості оточуючих забудову поверхонь і просторів шляхом зміни розташування ділянок відносно забудови і стін будинків, підбор покриття ділянки і використання землі дає змогу активно і ефективно впливати на елементи мікроклімату і, внаслідок цього, на відчуття людини.

7.3. Будівельно-кліматичний паспорт міста

Зібрання метеорологічних і геофізичних даних, які характеризують загальні і місцеві погодно-кліматичні умови і які використовуються в містобудівній практиці, представляються в вигляді будівельно-кліматичного паспорту міста.

В групу загальних характеристик входять:

- сонячна радіація - прихід на горизонтальну і вертикальну поверхні, тривалість випромінювання, ультрафіолетова радіація;

- температура повітря - середня, екстремальна; зимового, літнього і опалювального періодів;

- вітер - напрямок, швидкість;

- вологість повітря - відносна, абсолютна;

- опади - суми, середні і екстремальні, сніговий покров, ожеледь;

- промерзання ґрунтів - глибина, хід нульової ізотерми в зимовий час.

До групи комплексних характеристик входять:

- кліматичне районування;

- радіаційний і тепловологісний режими - еквівалентно-ефективна температура;

- погодні умови - суворість клімату, термічна роза вітрів, сніговий клімат, снігоперенос, піскоперенос, косі дощі.

Більш докладніше з вимогами до будівельно-кліматичного паспорту міста можна ознайомитись в „Рекомендациях по методике строительно-климатической паспортизации городов для жилищного строительства”, розробленого ЦНИИЭПжилища м. Москва у 1981 р.

7.4. Ефективність архітектурних засобів

Зниженню витрат тепла сприяють наступні заходи:

- збільшення ширини корпуса з 12 до 16 метрів на 8 – 9 %;

- збільшення поверхів до 12 - на 4%;

- застосування подвійних окремих віконних перепльотів замість спарених - на 10 -12%;

- застосування теплозахисного скла, вкритого плівкою двоокисі олова - на 7 – 10 %.

Підвищують витрати тепла наступні заходи:

- збільшення на 20 см висоти поверху - на 3-4 %;

- влаштування лоджій, які входять в теплий об’єм будинку - на 4 – 6 %;

- застосування невщілених притворів вікон, погана заділка віконних коробок - на 13-14 %.

Планувальне рішення квартири мало впливає на температуру повітря, але суттєво - на його рух. Провітрювання помешкання наскрізь в декілька разів інтенсивніше бокового чи кутового.

В умовах літнього перегріву житла температура в помешканнях залежить від наявності сонцезахисних пристроїв і орієнтації вікон. Так при відсутності сонце захисту температура в західних і східних кімнатах на 3 - 3,5° вище, ніж в північних. Літом в південних районах в помешкання через вікна надходить більш 70% тепла. Але застосування регульованого сонцезахисту.

Лекція 8

Енергоактивні будинки з використанням сонячної, вітрової, гео-, гідротермальної енергії, біогазу

Людство стоїть перед проблемою вичерпання традиційних джерел енергії та бачить вихід у використанні нетрадиційних, альтернативних. Задача архітекторів – придання привабливого архітектурно-художнього вигляду енергоактивним будинкам.

8.1. Геліобудинки

(дивись додатково конспект лекцій «Проектування енергоекономічних та енергоактивних будівель», частина 2, Єгорченков В.О.)

8.2. Вітроенергоактивні будинки (ВЕАБ) – принципи підходу

ВЕАБ – будинки (житлові, промислові або сільськогосподарські), що наділяються додатковими функціями – уловлювати і перетворювати енергію вітру в інші види: електричну, теплову або механічну. Швидкість вітру на висоті 1,5 м повинна складати не менше 3 м/с.

Вітер – похідна від сонця, характеризується інтенсивністю, спрямованістю і періодичністю, будівлі деформують повітряні потоки.

Вітровий потік, що проходить через перетин площею F із швидкістю u, має потужність (Вт)

(8.1)

і питому потужність (Вт/м2)

(8.2)

де η – густина повітря (при температурі 15 ^оС значення η = 1,225 кг/м3); ρθ2/2 – кінетична енергія.

Слід зазначити, що неточність в оцінці швидкості вітру на 1 – 1,2 м/с для діапазону швидкостей 3 – 6 м/с може привести до помилки в оцінці енергії вітру, що досягає 100 % і більш.

Облік рельєфу здійснюється на підставі поправочних коефіцієнтів, значення яких для рівня 2 м від поверхні землі даються в таблиці 7.1.

Перерахунок швидкості на висоту вітроагрегата здійснюється по ступеневому закону, приведеному в першій лекції.

Принципи проектування ВЕАЗ

1. Будівля забезпечується рухомими елементами, трансформованими в елементи вітроколеса.

Реалізація здійснюється:

- використовування поворотних стулок світлових прорізів (зенітні ліхтарі на покриттях);

- додання стулкам аеродинамічної форми;

- вироблення електроенергії генератором (на рис. 8.1 показана робота за першим принципом).

Рис. 8.1. Ветроенергоактівниє елементи будівель - група зенітних ліхтарів із захисними стулками, трансформованими в лопаті вітроколеса: а – розріз, б – план

Таблиця 8.1 - Коефіцієнти зміни швидкості вітру в різних умовах рельєфу в порівнянні з відкритим рівним місцем (на висоті 2 м)

2. Наявність конструктивних елементів будівлі, що збільшують інтенсивність вітру.

Ефективність досягається за рахунок:

- нагнетаючо-розряджаючій формі покриття (конфузор - дифузор);

- установці у вузькому місці вітротурбіни;

- генерації енергії (схема на рис. 8.2 дає уявлення про роботу за другим принципом).

Рис. 8.2. Вітроенергоактівні форми будівель

3. Форма будівлі зручна для розміщення вітроколеса. Для цього:

- частина будівлі перетворюється у вітроактивну;

- вибраній частині надається аеродинамічна форма (циліндр, многогранник);

- вітротурбіна поліфункціональна - з лопатями, що розвертаються, кожна з яких має нагоду торкання з суміжною лопаттю, тим самим знижуються тепловтрати або регулюється інсоляція (рис. 7.3. ілюструє цей принцип роботи).

Рис. 8.3. Енергоактивні будівлі з вітроколесом у вигляді вертикального циліндра, що охоплює циліндровий об'ємний елемент (технічний поверх, машинне відділення, муфта): 1- циліндровий блок будівлі; 2 – вітроколесо; 3 – трансформовані лопаті

4. Будівля своєю формою уловлює і концентрує подачу повітряних потоків до елементів вітроколеса.

5. Будівля – опора для вітроколес.

6. Поєднання з іншими енергетичними системами (сонячна радіація).

Містобудівні прийоми підвищення ефективності використовування вітру:

1. Вивчення і облік метеоданних, рельєфу, випробування в аеродинамічних трубах. Прив'язка будівлі в зоні найбільш забезпеченою енергією.

2. Організація за допомогою рельєфу аеродинамічних русел.

3. Взаємне розташування ВЕАЗ для посилення аеродинамічного ефекту.

Приведені варіанти ВЕАЗ мали на меті показати можливості використовування будівлі для цілей вітроенергетики. В майбутньому можуть з'явитися інші форми реалізації цієї ідеї. В даний час невирішеними є проблеми відбору і акумуляції енергії, шумо- і віброзахисту і т.п.

8.2. Гідротермальні енергоактивні будівлі (ГідроЕАБ)

Використовується низька потенціальна теплова енергія, накопичена у водоносних пластах земної поверхні. Джерела енергії можуть бути природними (гейзери) або штучними (скидні води ТЕЦ, металургійних виробництв і т. п.).

Реалізація може здійснюватися:

- пропуском гідротеплоносія через порожнини захищаючих конструкцій;

- напірною подачею води через трубчасті теплообмінники;

- забір води з водонасиченого шару грунту.

Конструктивне рішення ГідроЕАЗ:

1. Виконання фундаментів у вигляді резервуару (гідроколектора), гідроізолюються від зовнішнього середовища і сприймають навантаження від будівлі.

2. Будівля з гідротермальним колектором, розташованим у водонасиченому шарі ґрунту.

Рис 8.4. Конструктивне рішення будівлі з гідротермальними колекторами

8.3. Геоенергоактівниє будівлі (ГеоЕАБ)

Використовується низькопотенціальна теплова енергія, накопичена в товщі земної поверхні. Шар землі в межах 1,5 – 3 м від поверхні землі представляє практичний інтерес для енергоактивних будівель. Спостереження, проведені в Петропавловську-Камчатському (табл. 8.2), наприклад, ілюструють розподіл температур таким чином.

Таблиця 8.2 – Розподіл температур в ґрунті

Таблиця 8.2. указує на річну стабільність температури на глибині 3 м.

Для використовування тепла землі застосовуються різні варіанти:

- масив ґрунту підключений до системи тепло- і холодозабеспечення;

- у масив включається щебінь або галечник для збільшення тепломасообмінних властивостей;

- шар ґрунту теплоізолюються;

- ґрунт теплоізолюються; а потім насичується водою;

- додаткове використовування сонячної радіації;

- виконання укосів, що обрамляють частину або всі стіни будівлі.

8.4. Біоенергоактівні будівлі (БіоЕАБ)

Використовують біогаз – кінцевий продукт багатоступінчатої конверсії сонячної енергії. Сировиною є органічні відходи сільськогосподарської і тваринницької діяльності, лісорозробок, легкої промисловості і т.п.

Отримання біогазу або Метанове бродіння проходить цикли: завантаження (в метантенки), перемішування, сепарації і відведення газу, видалення відходів, зберігання газу в газгольдерах. Для активізації здійснюється додатковий обігрів метантенків теплотою промислових відходів. В результаті синтезу утворюється газ з низьким октановим числом (110-115) і відходи у вигляді азотних і фосфорних добрив. В традиційних способах приготування добрив втрачається 30-40 % азоту.

Тільки за рахунок переробки відходів харчової промисловості в Україні методами біоконверсії можна буде одержати в рік до 850 млн. м3 біогазу, або 850 тис. т умовного палива. Спосіб отримання біогазу без механічного перемішування приведений на мал. 7.6.

світлопрозора плівка

газ

біомаса

Рис. 8.5. Спосіб отримання біогазу без механічного перемішування

Для активізації процесу отримання газу використовуються спеціальні види ємностей, з яких найбільш зарекомендували себе циліндрові резервуари з конусною верхньою і нижньою частиною або яйцеподібні. Вони характеризуються невеликим простором для накопичення газу, концентрованої в обмеженому об'ємі плаваючою кіркою, а також хорошим відведенням шламів. Резервуари такої форми виготовляються з бетону, а останнім часом з металу. Особливістю роботи таких установок є необхідність підтримки постійної температури бродіння субстрату.

Рис 8.6. Конструктивні прийоми поєднання підігріву і перемішування біомаси в метантенках: а – лопатевий пристрій з трубчастим теплообмінником; би – теплообмінник в днищі метантенка, повідомлений з сонячним колектором; в - те ж, з безпосередньою подачею сонячної енергії на метантенк

Міністерство освіти і науки України

Донбаська національна академія будівництва і архітектури

Кафедра архітектури промислових і цивільних будівель

КОНСПЕКТИ ЛЕКЦІЙ

З БУДІВЕЛЬНОЇ КЛІМАТОЛОГІЇ

(для студентів архітектурної спеціальності 7.120101)

Укладач: ТИМОФЄЄВ Микола Васильович

Комп’ютерна верстка: ТИМОФЄЄВ Микола Васильович