Вплив інсоляції на температуру повітря у житловій забудові

У 2-ій половині ХХ століття з’являються публікації про характер впливу інсоляції на тепловий баланс [2, 36, 45, 63, 68, 71, 89, 94, 96, 98] приземного шару атмосфери. Пошуки причин низьких урожаїв у Радянському Союзі були спрямовані головним чином на виявлення природних факторів, які погіршують умови проростання сільськогосподарських культур. Одним із винуватців низьких урожаїв у колгоспах вважались посухи, суховії, бездощів’я. Через це метеорологи, агрономи та інші спеціалісти почали вивчати дію інсоляції на квіткову клумбу, на картопляне поле, дещо пізніше на мікроклімат пустелі і аж тоді вже на мікроклімат міста.

Перші роботи Сапожнікової С.А., Б.А. Айзенштата [2] й інших немало подивували тим, що, виявляється, навіть окремий горбочок у полі, за словами С.А.Сапожнікової, характеризується своїм індивідуальним мікрокліматом. Але ще довший час температура великого міста оцінювалась за одним виміром термометра на метеостанції, яка нерідко розміщувалась у випадкових місцях або в кращому випадку у відкритому полі.

Поступово прийшло розуміння, що температура й вологість повітря в одній лише точці міста не характеризуть усю його територію.

У 70-і роки А.А.Дмитрієв, Ф.Л.Серебровський [69] і інші помічають, що в надвеликих містах, в мегаполісах із поперечником понад 20 км улітку виникають міські вітри, які дмуть від периферії до центру внаслідок того, що температура повітря на околицях міста нижча, а в центрі вища через нерівномірне нагрівання забудови міста інсоляцією. Дещо відмінну від цього думку висловив Е.А.Тацій [83], пояснивши підвищення температури повітря в центрі міста викидами тепла виробничими об’єктами, що більш наближені, як він каже, до центру.

Не заперечуючи можливість теплових викидів промислових виробництв і громадських будинків у центрі міста, все ж маємо всі необхідні дані для того, щоб стверджувати, що основною причиною підвищення температури в центрі міста є його планувальна структура, щільність забудови, фактура опромінюваних сонцем поверхонь. Справа в тому, що в більшості міст центр забудовано невисокими будинками з великими розривами між ними, а це створює при низькому альбедо підстеляючих поверхонь умови для їх сонячного перегрівання. До цього додаються підвищені викиди тепла громадськими і виробничими об’єктами. Міські вітри мають швидкість до 2,5-3,0 м/с. На своєму шляху вони захоплюють пил міських вулиць й аерозолі, забруднені маси промислових підприємств і виносять їх над територією міста у вигляді гриба. За даними Г.Е. Ландсберга [45], вони істотно знижують приток УФР та яскравість небосхилу.

У всіх цих дослідженнях 50 – 70-их рр. дивним є те, що всі дослідники вказують одну і ту ж величину різниці температури між периферією і центром 1^оС. Хоча ті, котрі досліджували температуру повітря в локальних зонах між будинками, вказують на температуру дорожнього покриття, що досягає часом 40 – 45^оС, а в тіні воно має лише 26^оС. Ці дані, власне, породжують сумнів про сталість температурної відмінності між центром і периферією в 1^оС. Швидше за все це пояснюється недостатньою вивченістю питання.

Звичайно температура повітря підвищується значно менш інтенсивно, ніж температура опромінюваної сонцем поверхні, але повітря в оточуючому просторі нагрівається внаслідок його переміщення над нагрітими поверхнями містобудівних об’єктів, тобто переважає конвективна складова теплопереносу над променистою і теплопровідною передачею тепла. Від цих міркувань можна прийти до думки, що температура повітря сонячного літнього дня буде підвищуватись тим менш інтенсивно (з ранку до кінця дня) у випадку, коли поверхні опромінювання будуть мати якомога меншу площу і з якомога меншими коефіцієнтами теплозасвоєння або коли інтенсивність сонячного потоку радіації буде знижуватись до повної її відсутності при захмареному небі.

Справедливість цих думок підтверджено дослідженнями [71] впливу інсоляції на мікроклімат у житловій забудові, зокрема впливу інсоляції на температуру повітря й швидкість вітрових потоків у тіньових зонах забудови. Ці дослідження проводились [71] на вулицях м. Полтави, м. Ворошиловграда і м. Москви.

Вони виконувалися з одночасним вимірюванням температури повітря, його вологості, інтенсивності сонячної радіації і швидкості вітрових потоків у двох, трьох, а інколи й шести точках у просторі між будинками на висоті 2,0 м від рельєфу чи асфальту. Точки для вимірювань вибирались так, щоб одночасно одержати виміри в тіньовій зоні території й опроміненій сонцем або на межі тіні та опромінення.

Результати деяких із цих вимірювань наведено на рисунках 3.4, 3.5 і 3.6. Аналіз цих результатів досліджень і тих, яких на графіках не представлено, дозволяє відразу зазначити, що всі характеристики клімату, за винятком барометричного тиску й відносної вологості повітря, виявились істотно відмінними від тих, що були в цей час зареєстровані на метеостанції, розміщеній у відкритому полі на пагорбі поблизу м. Полтави. При цьому якщо дані про відносну вологість повітря не дали змоги виявити певної закономірності зміни у просторі й часі, то в зміні величин інших характеристик помічені цілком стійкі закономірності між ними, а між освітленістю й інтенсивністю сумарного потоку сонячної радіації виявлено повний паралелізм.

Між даними вимірювань температури та інтенсивності потоків сонячної радіації можна бачити безпосередній зв’язок. Так, зі зростанням інтенсивності сонячної радіації відповідно підвищується і температура повітря в забудові. Вслід за зниженням інтенсивності потоку радіації через невеликий інтервал часу починає знижуватися й температура повітря. Тобто у зростанні чи зниженні температури повітря помітна деяка інерційність процесу прогрівання чи, навпаки, охолодження маси повітря в часі.

Зіставлення змін температури повітря в часі в забудові й на метеостанції дозволило, всупереч розповсюдженому твердженню в науковій літературі про погіршення мікроклімату, побачити, що температура в просторі між будинками у більшості випадків нижча, ніж на метеостанції. Заглиблюючись у зміст процесів, що відбуваються в забудові при дії на неї сонячної радіації влітку, виявлено тенденцію в зміні температури повітря в просторі між будинками порівняно з умовами відкритої місцевості на метеостанції залежно від величини відносних розривів між будинками, їх орієнтації, фактури та матеріалу опорядження фасадів.

За даними досліджень і наведених графіків (рис. 3.4, 3.5, 3.6), температура повітря в просторі між будинками навіть на опроміненому Сонцем боці майже завжди нижча, ніж на метеостанції, якщо розриви між будинками висотою Н_δ не перевищують (2… – 2.5…) Н_δ, а при відносних розривах, що перевищують ці значення, навпаки, як завжди вища, ніж на відкритій місцевості. Зокрема, це підтверджується даними, наведеними на рисунку 3.6, порівняно з даними графіків рисунків 3.4, 3.5. Цікаво звернути увагу на те, що навіть в цьому випадку (рис. 3.6) температура повітря в точці на тіньовому боці до полудня (точка 12) виявилась усе ж дещо нижчою, ніж на метеостанції, навіть при орієнтації затінюючого будинку, близько до меридіональної. Тобто на температуру повітря в просторі між будинками великою мірою впливають умови затіненості території.

Цей висновок ґрунтується не тільки на аналізі змін температури повітря на вулицях м. Полтави, Ворошиловграда і Москви, а й на аналізі умов затінення дворових просторів.

Так, на рисунку 3.4. можна бачити, що температура в центрі спортивного майданчика (точка 29) перевищує температуру повітря в тіньовій зоні вулиці (точка 26) і в затіненій зоні будинками та деревами (точка 28). І це узгоджується з даними інших не наведених тут прикладів.

У ході досліджень виявлено іншу важливу обставину дії сонячної радіації на середовище. Спостережено, що між інтенсивністю сонячної радіації в забудові і на метеостанції через різні умови захмареності неба можна спостерігати не завжди однакову закономірність її зміни, не кажучи вже про кількісну відмінність, яка залежить ще і від умов затінення території та опромінення фасадів довколишньої забудови та альбедо їх поверхонь. У кінцевому результаті всі ці обставини радикально впливають на температуру повітря в забудові. Дослідження показали, що при меридіональній орієнтації будинків температура повітря в просторі між ними влітку має більш високі значення, ніж при широтній або діагональній орієнтації, і найчастіше вища, ніж на відкритій місцевості. При розривах менше ніж 2Н у забудові діагональної та широтної орієнтації температура повітря між будинками, як правило, значно нижча, ніж на метеостанції, навіть і тоді, коли інтенсивність сонячної радіації в забудові мала більш високі значення, ніж на метеостанції.

Рис. 3.4. Графік вимірювання температури повітря, інтенсивності

сонячної радіації та швидкості вітру в часі

Виміри 18.09.84. Полтава, вул. Нечуй-Левицького, №3,

з А_у = 35⁰ при Z_у = 2,43 Н_з о 10⁰⁰

т.26 у тіні будинку; т.28 у дворі і в тіні дерева; т.29 у дворі в центрі спортмайд.;

двір озеленений оазисами; м/с – дані метеостанції

Про дію сонячної радіації на міські вітри вже говорилось, але в даному випадку мова піде про її вплив на вітрові потоки в локальних зонах, власне, в просторі між окремими будинками, про що в широкорозповсюдженій літературі про мікроклімат ще не говорилось, за винятком наших спостережень [71]. Так, на графіках рисунків 3.4, 3.5; 3.6 не можна не помітити, що в усіх випадках, за винятком останнього графіка (рис. 3.6), швидкість вітру між будинками з 10^оо до 19^оо практично не змінювалась і в усіх точках була в межах 1.1 – 1.5 м/с, тоді коли на метеостанції в кожному окремому випадкові зміна швидкості вітру характеризується різними величинами. Вітер посилювався до 7,5 м/с 18.09.84 року, а надвечір знизився знову до 5 м/с. У випадку вимірювань на вул. Н.Левицького 14.09.84 вітер до 13 години утримувався на рівні 4,8 м/с, а надвечір знизився до 0,5 м/с. Водночас у забудові вітер після 13-ої години не змінив своєї швидкості й утримувався на рівні 1.1 – 1.8. м/с в окремих точках.

Ця поведінка вітру в забудові свідчить лише про те, що в забудові вітер виник у результаті конвективного руху повітря, і ці потоки ніяк не пов’язані з вітром загальноатмосферних циркуляцій. Тобто останні можуть подавити місцеві конвекції в тому випадку, коли вихрові потоки за будинками-екранами будуть дещо перевищувати швидкість локальних конвекцій між будинками. Із наведених графіків стає зрозумілим, що при швидкості вітру на метеостанції до 5–6 м/с конвективні вітрові потоки між будинками можуть виникати під дією інсоляції й існують, допоки не втратять свою енергію. За проведеними дослідженнями їх швидкість досягає 1,8 – 2 м/с.

Рис. 3.5. Графіки зміни температури повітря, інтенсивності

сонячної радіації та швидкості вітру у часі

Виміри 22.08.84. Полтава, т.т. 4 і 5 по вул. Пушкіна,

А_у = 120⁰; т.т. по вул. Ванцетті, біля Управи с/г, де А_у = 55⁰ при

Z_у = (0,67–2,08)Н_з; т. 7 в центрі скверу; о 10⁰⁰ т.т. 5 і 8 у тіні будівель,

т.т. 4 і 9 на сонячній стороні

Рис. 3.6. Графіки зміни температури повітря, інтенсивності

сонячної радіації та швидкості вітру в часі

Виміри 29.08.84. Полтава, вул. Фрунзе, № 4 та 6;

А_у = 21⁰ при Z_у = (4,2–4,36)Н_з; о 10⁰⁰ т.12 у тіні будинку;

т.т. 11 і 13 на сонячній стороні; м/с – дані метеостанції

У випадку, представленому рисунком 3.6, конвективний рух повітря в просторі між будинками був теж присутній до 16 години, а далі в зв’язку зі зміною погодних умов і найперше, у зв’язку із захмареністю неба, інтенсивність сонячної радіації знизилась до нуля, температурна неоднорідність маси повітря почала зменшуватися і швидкість потоку теж почала знижуватись до нуля.