Klimatukr_lektsii_2005

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:

KТ SТ	So	(5.1).
	і

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

Район		Швидкість вітру, можлива один раз у
	1 рік	5 років	10 років	15 років	20 років
І	17	21	22	23	24
ІІ	20	24	26	27	28
ІІІ	24	29	31	32	33

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
					P	100	,	(6.1)
	u	o		u
			i i

де ui - величина швидкості відповідного напрямку, м/с;

Рі - 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:

	o		i i				i
	u			u	P		Р .	(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	Оцінка території за
					режиму	придатністю для житлового
						будівництва
1				2 < 5	м/с	Придатна
		u
2				2 > 5	м/с; P < 17%	Теж, бажано захист від вітру
		u
3				2 > 5	м/с при 17% < P < 34%, але не	Умовно придатна
		u
	більше, ніж за 2-ма напрямками вітру					Захист необхідний
			2 > 5		м/с; P > 34% для одного
		u
4	напрямку або P < 34% для більш 2-х					Не придатна
	напрямків вітру

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
kB Si ui So uo ,	(6.3)

де Si площина зони з локальною швидкістю ui ;

So – загальна площина території забудови (без будинків);

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

Збільшення критерію kВ 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 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 10% сухіше, досягає вологості 30 40% вечором влітку, якщо вулиці не поливаються;

-повторюваність туманів в промисловому місті бува в 1,5 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 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 700 800 кВт/м2, що дорівнює величині прямої сонячної радіації опівдні;

-вологість повітря у перегрітій поверхні покриття доріг і біля стін зменшується на 5

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, санітарнозахисна. Крім цього може бути громадянські центри, парки приміські лісопарки. В сукупності з забудовою, інженерними спорудами і зовнішнім благоустроєм вони утворюють середовище міста.

Внаслідок 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.

Впрактичному 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)
P F u u 2 2 1 2 Fu 3	(8.1)
і питому потужність (Вт/м2)
P P F 1 2 u3	(8.2)
уд

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