Архитектурный анализ климатических условий погоды позволяет целенаправленно принимать архитектурные решения в проекте. С характером погодных условий связаны категории архитектурной композиции, ориентация помещений и зданий по сторонам горизонта, устройство солнцезащитных экранов, озеленение, снегозадержание, направление городских магистралей и т.п.
Анализ ведется «от общего к частному» - от оценки наиболее общих климатических закономерностей, характерных для крупных территорий (климат района и климат подрайона по СНиП, климат города и др.), к оценке микроклимата конкретно выбранного для строительства участка (рельеф, растительность, характер застройки и т.п.).
Таким образом, используя готовые климатические характеристики, приведенные в соответствующих нормативных источниках для конкретного места строительства (например, условия широтного пояса, карту районирования территории страны и др.), можно установить сезоны года, определяющие типологию застройки в данном месте; выявить и оценить роль каждого климатического фактора и выявить наиболее благоприятные и неблагоприятные стороны горизонта для решения вопроса о раскрытии архитектурного пространства или его защиты.
|
|
При анализе микроклимата изучается ландшафт и рельеф строительной площадки, оценивается микроклимат склонов разной ориентации, условия обдувания объекта ветром, рассчитывается инсоляция и решается вопрос солнцезащиты объекта, оцениваются и другие факторы, типичные для конкретного места строительства.
Анализу подвергаются следующие климатические факторы:
- климатическое районирование;
- солнечная радиация;
- температурный режим;
- влажность воздуха;
- ветровой режим.
Влияние климатического районирования на обоснование архитектурных решений показано в предыдущем разделе и поэтому в этом разделе не рассматривается. Связь остальных природно - климатических факторов от типов погоды, подлежащих анализу, приведена в табл. 1.5.
Анализ табл. 1.5 позволяет отметить, что такие факторы, как солнечная радиация, поступающая на стены зданий разной ориентации, и комплекс температуры с солнечной радиацией, а также температурно-ветровой режим должны учитываться при любых типах погоды.
Ветро- и снегозаносы следует учитывать только при суровой и холодной типах погоды, а такие сочетания, как ветер с дождем и ветер с пылью, не характерные для этих типов погоды, не подлежат учету.
Влияние подстилающей поверхности на такие климатические факторы, как ветер и солнце, рельеф и ветер необходимо учитывать при любых типах погоды, а озеленение и акватории - кроме суровой и холодной типах погоды.
|
|
Учет солнечной радиации регламентирует ориентацию помещений и зданий по сторонам горизонта, устройство светопрозрачных ограждений и солнцезащитных конструкций, озеленение, малые архитектурные формы и др. Таблица 1.5
Природно-климатические факторы, подлежащие анализу
при различных типах погоды
Природно-климатические факторы | Тип погоды | ||||||
суро вая | холод ная | про хлад ная | ком форт ная | теп лая | жар кая сухая | жар кая | |
Солнечная радиация, поступающая на стены разной ориентации | + | + | + | + | + | + | + |
Комплекс температуры с солнечной радиацией | + | + | + | + | + | + | + |
Комплекс температуры с влажностью | + | + | + | + | + | ||
Ветер: - температурно-ветровой режим - ветроснегозаносы - ветер с дождем - ветер с пылью | + + | + + | + + + | + + + | + + + | + + | + + + |
Влияние подстилающей поверхности на климатические элементы: - ветер и солнце - рельеф и ветер -застройка - озеленение - акватории | + + + | + + + | + + + + + | + + + + + | + + + + + | + + + + + | + + + + + |
Примечание. + - факторы, подлежащие учету; 0 - факторы, не подлежащие учету.
Численные значения солнечной радиации в июле на горизонтальную и вертикальную поверхности при безоблачном небе приведены в СНиП 23-01-99* (табл.4 и 5).
Для оценки солнечной радиации принята бальная система, в которой число баллов для разных ориентаций изменяется в зависимости от географического района, что обусловлено разным тепловым фоном и ходом облачности в течение суток.
Оценка круга горизонта по условиям теплового облучения и солнечной радиации в летний период (май-август) приведена в табл. 1.6.
Рекомендуется учитывать влияние прямой солнечной радиации по шкале, цена деления которой равна 1500 ккал/(м2·сут), что соответствует дополнительному нагреву помещений за счет прямых солнечных лучей на 4оС. Воздействия солнечной радиации можно считать:
- малыми при поступлении менее 1500 ккал/(м2·сут) - соответственно 6300 кДж//(м2·сут);
- средними при поступлении от 1500 до 3000 ккал/(м2·сут) - соответственно 6300 -12500 кДж//(м2·сут);
- большими при поступлении от 3000 до 4500 ккал/(м2·сут) - соответственно 12500 - 18800 кДж//(м2·сут).
Таблица 1.6
Оценка круга горизонта по условиям теплового облучения и солнечной радиации
в летний период (май-август)
Территория | Оценка в баллах | |||
От побережий Северного Ледовитого океана До 65-630 с.ш., включая север Дальнего Востока | СЗ - СВ - запретные секторы для квартир односторонней ориентации во всех зонах | В | З, ЮВ | ЮЗ, Ю |
От 65-630 с.ш. до 520 с.ш. | З | В, ЮЗ | ЮВ, Ю | |
К югу от 520 с.ш. | ЮЗ | З, ЮВ | Ю, В | |
Юг Средней Азии | З | В, ЮЗ | Ю, ЮВ | |
Юг Дальнего Востока | В | З, ЮЗ | ЮВ, Ю |
Примечание. Число баллов пропорционально количеству получаемой солнечной энергии и общему тепловому фону.
Для наглядности воздействия солнечной радиации строится круг горизонта, на котором в зависимости от баллов теплового облучения приводятся допустимые, благоприятные, неблагоприятны и недопустимые сектора ориентации жилых зданий (рис.1.2). Оценка круга горизонта для широты Москвы в баллах по условиям теплового облучения (см. рис. 1.2) показывает, что наиболее благоприятным сектором ориентации жилых помещения является южный, а наиболее неблагоприятным - северный. Благоприятным сектором с учетом ветрозащиты помещений в зимний период является юго-восточный. К неблагоприятным секторам ориентации помещений относятся северо-западный и северо-восточный. Малоблагоприятным сектором ориентации является западный, средней благоприятности - юго-западный и восточный.
Рис. 1.2. Оценка круга горизонта Москвы в баллах по условиям теплового
|
|
облучения и с учетом ограничения ориентации жилых помещений на север
При анализе температурного режима следует определить начало перегрева помещений и необходимость установки различных солнцезащитных средств на оконных проемах и площадках отдыха. Температурный режим характеризуется данными годового и суточного хода температуры воздуха. С этой целью строится график годового хода среднемесячных температур (рис. 1.3), на который наносятся линии, отмечающие продолжительность температур, которые подвергаются анализу. Необходимо выделить продолжительность температуры 21оС и более, так как это связано с началом перегрева помещений и необходимостью устройства солнцезащитных средств на оконных проемах и площадках отдыха.
При продолжительности перегрева менее 20 дней рекомендуется установка внутренних солнцезащитных устройств (жалюзи, плотные шторы и т.п.); от 20 до 40 дней - межстекольные или наружные солнцезащитные средства и при продолжительности перегрева от 61 до 100 дней - наружные или межстекольные устройства в сочетании с теплозащитным стеклом и искусственным охлаждением.
На график годового хода температуры может быть нанесен влажностный режим воздуха
с целью установления условий проветривания помещений. Линии 30 и 70% относительной влажности на графике (рис. 1.3) ограничивают зоны с низкой и высокой влажностью.
Анализ суточного изменения температуры в летние месяцы позволяет выявить условия эксплуатации открытых помещений:
- при температуре 16оС и выше необходимо устройство солнцезащиты;
- при температуре от 12 до 16оС достаточно наличие инсоляции.
t, 0С v,м/с
Рис.1.3. Годовой ход температуры и влажности воздуха
(на примере Москвы)
Для уточнения типов проветривания помещений (ночное, дневное, круглосуточное) при комфортной, теплой и двух типах жаркой погоды (18-30 оС) строится рабочий график оценки температурно-влажностного состояния воздух (рис. 1.4). Для его построения используют климатические данные для конкретного места строительства: среднемесячные значения температуры, 0С, и относительной влажности, %, воздуха в 7 и 13 ч.
|
|
Рис. 1.4. Рабочий график оценки температурно-влажностных условий для г. Харьков:
1,2 - зоны оптимальной влажности соответственно в 7 и 13 ч; линия АБ - среднемесячная
влажность воздуха в апреле-ноябре в 13 ч; линия ВГ - то же, в 7 ч.
При средней температуре в 13 ч для каждого месяца определяют критические верхние и нижние значения относительной влажности, которые затем наносят на рабочий график, что дает зону оптимальной влажности в 13 ч.
Сравнивая линию влажности АБ с линией зоны оптимальной влажности (2), устанавливают, что в апреле-мае находится период с состоянием «сухо», в котором фактическая влажность меньше оптимальной. Если бы линия АБ находилась выше зоны оптимальной влажности, то период характеризовался оценкой «влажно» в 13 ч и для этого периода потребовалось бы дневное проветривание помещений.
При сравнении линии ВГ, характеризующей среднемесячную влажность в 7 ч, с оптимальной зоной влажности (1), определяем повышение влажности в период с мая по ноябрь. Однако, для этого периода не требуется сквозного проветривания, так как температура в эти часы невысока.
Ветер играет значительную роль для решения планировочных задач, связанных с ветрозащитой или аэрацией застройки, а также воздухопроницаемостью ограждающих конструкций. Он учитывается при выборе ориентации и взаимного расположения селитебных и промышленных зон. Для анализа ветрового режима используется роза ветров, по которой устанавливаются направления и скорости ветра по месяцам (рис. 1.5).
При построении розы ветров следует обращать внимание на конкретный румб с минимальной повторяемостью 20%, а при пыле- и снегозаносах - 10%.
Для защиты селитебной территории от вредного воздействия со стороны промышленного предприятие следует размещать последнее в направлении с наименьшей повторяемостью ветра.
Из-за невозможности такого размещения необходимо устанавливать минимальное расстояние от жилого района до промышленной зоны по формуле
Лмин = ло· р/ро, (1.1)
где ло - допустимое расстояние от жилого района до промышленной зоны при отсутствии ветра, равное 1000 м;
ро - средняя повторяемость ветра по любому направлению, принимаемое равным
ро = 100% / 8 = 12.5%; (1.2)
р - повторяемость ветра в данном направлении (р > ро).
Данные ветрового режима необходимо учитывать для определения направления городских магистралей. Установлено, что при совпадении направления ветра с прямой магистралью, застроенной фронтально, возникает эффект усиления скорости ветра до 20%. Если этот эффект нежелателен, здания (особенно длинные) необходимо размещать под углом 45-900 к направлению магистрали.
Рис. 1.5. Вероятности направлений и скоростей ветра за январь и июль в Москве
Воздействия ветра и температуры воздуха на жилую среду представлено на рис.1.6, анализ которого позволяет отметить, что при любой температуре скорость ветра более 4 м/с неблагоприятна для пешехода; при скорости ветра более 6 м/с начинается перенос снега и песка, а при скорости ветра 12 м/с и более возникают механические разрушения элементов здания.
Особенно скорость ветра вредна зимой, так как при среднемесячной скорости ветра 5 м/с и более здания подвергаются заметному охлаждению, поэтому необходима дополнительная защита зданий и пешеходов от ветра. Кроме того, в районах с метелями необходимо предусматривать мероприятия по задерживанию снега. Так, непродуваемая полоса леса шириной более 20-25 м задерживает до 600 м3 снега на 1 м полосы, а продуваемая шириной 7-10 м - от 100 до 150 м3 снега на 1 м полосы. Система из трех продуваемых полос шириной 12, 12 и 15 м с межполосными разрывами 30-40 м может задержать до 400 м3 снега на 1 м полосы.
Чем холоднее температура воздуха, тем сильнее охлаждающее действие ветра: при температуре - 30 оС даже слабый ветер (2-3 м/с) делает прогулку на воздухе недопустимой. При температуре воздуха от +5 до +20 оС охлаждающее влияние такого ветра значительно, а при температуре +25 оС предпочтительна скорость ветра 1-3 м/с, так как она создает комфорт и снижает перегрев здания.
При температуре более 20 оС большую роль играет влажность воздуха. В сухом воздухе влага, выделяемая потовыми железами человека, легко испаряется и человек, отдавая с потом много тепла, чувствует себя нормально (лето в Крыму, осень в Средней Азии). Во влажном воздухе испарение затруднено и только подвижность воздуха в помещении способствует охлаждению организма (лето в Западной Грузии).
Установлено, что при повышении температуры с 19 до 29 оС относительная влажность воздуха должна снижаться с 50-70% до 30-50%. Только в этом случае сохраняется ощущение, близкое к комфортному, и подвижность воздуха не играет заметной роли. В тех случаях, когда влажность в помещении не снижается, то необходимо организовывать проветривание и аэрацию пространства.
Рис. 1.6. График воздействия ветра и температуры воздуха на жилую среду
Для районов, где ветры сочетаются с ливнями или запыленностью воздуха, следует определять наиболее неблагоприятные направления (стороны горизонта) и предусматривать средства экранирования ограждений, уплотнение стыков, направления планировки пространств, лесопосадки и др.
Большая запыленность возникает при скорости ветра 1-2 м/с на песчаных и рыхлых почвах; при скорости 3-4 м/с - на песчаных и супесчаных почвах; при скорости 5 м/с - на легких суглинках и при скорости 5,5 - 7 м/с - на тяжелых суглинках.
Критическая концентрация пыли в воздухе возникает при ее количестве от 1,5 мг/м3 и более. Если критическая концентрация пыли в воздухе превышает 30 дней в году и более или повторяемость пыльных бурь составляет не менее 3 в месяц, то необходимо предусматривать защиту зданий от пыли.
Здания, встречающие ветровой поток, создают позади себя ветровую тень (затишье) в пределах 3 - 8 высот здания (Н). В связи с этим, для защиты территории от ветрового воздействия здания должны размещаться на расстоянии не дальше 5Н друг от друга, а для аэрации - на большем расстоянии.
Помимо отдельных климатических факторов необходимо проводить оценку комплекса климатических факторов, которые позволяют определить стороны горизонта для «закрытия» или «открытия» архитектурного пространства. С этой целью разработана бальная система для оценки круга горизонта (табл. 1.7).
Для составления таблицы выявляют климатические показатели, наиболее существенные для района строительства (например, тепловой фон, солнечная радиация, ветер и др.), а нехарактерные климатические факторы (снегозаносы, пыльные бури и др.) опускают.
Для каждого отобранного показателя устанавливают бальную шкалу, отражающую важность каждого климатического фактора для рассматриваемого места строительства, и присваивают наиболее важному фактору наибольшую сумму баллов. Таблица 1.7
Вспомогательная таблица подсчета баллов для оценки круга горизонта
(на примере Москвы)
Сторона горизонта | Тепловой фон | Солнечная радиация | Ветер | Абсолютная сумма баллов | Приведенная сумма баллов для построения розы |
С | |||||
СВ | |||||
В | |||||
ЮВ | |||||
Ю | |||||
ЮЗ | |||||
З | |||||
СЗ |
Так, для Москвы наиболее важным фактором является солнечная радиация, которая оценивается по 5-бальной системе. Тепловой фон и ветер относятся к менее значимым, поэтому они оцениваются по 3-х бальной системе. После установки бальной оценки отдельных факторов производится их дифференциация по сторонам горизонта. Абсолютная сумма баллов определяет «место» каждого румба, а приведенная сумма используется для построения круга горизонта (рис. 1.7).
Анализ приведенной суммы баллов (табл. 1.7) и круга горизонта (рис. 1.7) позволяют отметить, что раскрытие пространства жилых групп предпочтительно на Ю, и ЮВ при условии защиты от ветров посадками зелени, а также на ЮЗ при условии сквозной аэрации и хорошего озеленения.
Рис.1.7. Комплексная оценка секторов горизонта по ряду наиболее
существенных климатических факторов для Москвы
Оптимальной ориентацией для жилых помещений следует считать - Ю и ЮЗ, а наихудшей - С. При ориентации помещений на З и ЮЗ необходима защита их от солнечной радиации.
На следующем этапе проводится анализ рельефа местности, так как сложный рельеф оказывает влияние практически на все аспекты архитектуры и строительства. К архитектурно- художественным качествам жилой застройки на рельефе предъявляются повышенные требования, обусловленные присущими ей особенностями зрительного восприятия. Застройка на крутых склонах обозревается из разных точек в виде панорамы, а из домов и внутренних пространств открываются перспективы и виды на окружающий ландшафт.
При оценке ландшафта используют подоснову (рельеф) и методы количественной оценки. На подоснове выделяют ориентацию склонов С, Ю, В, З и др.) и углы наклона местности. Оценка территории по уклонам проводится с учетом следующих градаций: до 3, 3-10, 10-20 и более 20%. Это связано с тем, что влияние некоторых климатических факторов может усиливаться или ослабляться в зависимости от ориентации и крутизны склонов, формы и степени расчлененности рельефа. Скорость ветра, например, на различных участках холмистого рельефа может изменяться от 60 до 180 % по сравнению с равнинной местностью, что требует большей степени защищенности жилища от ветра. Критерии оценки территории по ветровому воздействию на формы рельефа приведены в табл. 1.8.
Таблица 1.8
Оценка территории по ветровому режиму
Общая оценка ветрового режима | Степень благоприятности форм рельефа | ||||||||||||
вершины и возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами | наветрен ные склоны | склоны, параллель- ные ветру | подветрен- ные склоны | долины, лощины, овраги | |||||||||
продувае- мые | непродуваемые | ||||||||||||
Районы с большими скоростями ветра (повторяемость скорости более 5 м/с свыше 20%) | Неблаго-приятные | Благоприятные | Неблаго-приятные | Благо- приятные | |||||||||
То же, с умеренными скоростями (повторяемость скорости ветра 3- 5 м/с свыше 50%, более 5 м/с - менее 20%) | Неблаго- приятные | Умеренно благоприятные | Благо- приятные | Умеренно благоприятные | |||||||||
Примечание. Цифрами 1,2,3 обозначены соответственно верхняя, средняя и нижняя части склонов.
Анализ данных, приведенных в табл. 1.8, позволяет отметить, что вершины и возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами, верхние и средние части наветренных склонов, а также продуваемые долины, лощины и овраги являются неблагоприятными для строительства в районах с большими скоростями ветра (повторяемость скорости 5 м/с свыше 20%). Для этих климатических районов благоприятными считаются склоны параллельные ветру и подветренные склоны, а также не продуваемые долины, лощины и овраги.
Для климатических районов с умеренными скоростями ветра (повторяемость скорости ветра 3-5 м/с свыше 50%, более 5 м/с - менее 20%) к благоприятным формам рельефа относятся подветренные склоны; к умеренно благоприятным - склоны параллельные ветру и продуваемые и не продуваемые долины, лощины и овраги, а к неблагоприятным - вершины и возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами.
Уровень солнечной радиации, поступающей на поверхность склона, также существенно отличается в зависимости от ориентации и крутизны склона, влияя на планировочную структуру застройки. Ориентация склона влияет на величину тени, отбрасываемой расположенным на нем зданием. На южных склонах она укорачивается, на северных - удлиняется. Этот фактор определяет выбор типов зданий и способов их группировки, а также величину инсоляционных разрывов между ними.
Наиболее общими композиционными принципами застройки на сложном рельефе являются: максимальное сохранение естественного строения поверхности и растительности на склонах, масштабное соответствие с формами рельефа, колористическое единство с окружающим ландшафтом, обеспечение визуальной связи с окружающим ландшафтом.
Существуют следующие приемы выявления пластики рельефа: застройка склонов ленточными домами одной этажности; ярусами, поднимающимися от подножия к вершине; использование специальных типов зданий, повторяющих собой конфигурацию рельефа; акцентирование характерных точек рельефа; сохранение и включение в архитектурную композицию особо ценных в художественном отношении участков природного ландшафта в естественном виде; чередование застроенных и открытых участков территории. Усиление формы рельефа может достигаться нарастанием этажности зданий от подножия к вершине или размещение на вершине точечных зданий.
Критерии оценки территории по тепловому воздействию солнечной радиации приведены в табл. 1.9.
Оценка территории по тепловому воздействию солнечной радиации показывает, что для холодного и умеренного климата благоприятной ориентацией является В-З, находящейся в секторе от 90 до 2700 , а неблагоприятной - (СЗ - СВ) от 315 до 450. Для очень теплой и жаркой погоды благоприятной ориентацией является СЗ-СВ, находящейся в секторе от 315 до 450 , а неблагоприятной - (В - З) от 90 до 2700 . Остальные сектора горизонта относятся к умеренно благоприятной ориентации для выше перечисленных климатических зон.
Таблица 1.8
Оценка территории по тепловому воздействию солнечной радиации
Климатическая зона | Степень благоприятности ориентации | ||
благоприятная | неблагоприятная | умеренно благоприятная | |
Холодный и умеренный климат | От 90 до 2700 (В - З) | От 315 до 450 (СЗ - СВ) | От 45 до 900 (СВ - В) От 270 до 3150 (З - СЗ) |
Очень теплый и жаркий климат | От 315 до 450 (СЗ - СВ) | От 90 до 2700 (В -З) | От 45 до 900 (СВ - В) От 270 до 3150 (З - СЗ) |
Такой тщательный учет местных климатических характеристик способствует совершенствованию планировочных решений зданий и разнообразию архитектурно-композиционных решений с целью обеспечения в них комфортных условий проживания и жизнедеятельности людей.
Кроме того, учет местных климатических характеристик снижает затраты на строительство зданий и сооружений за счет применения более легких и эффективных конструкций и использования местных строительных материалов, а также экономии затрат на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха.
Глава 2
Строительная теплотехника