Методические указания – Солнце 1.
Раздел 1. В в е д е н и е
Солнце – жизненно важный элемент среды, в которой живет, работает и отдыхает человек. Освещая территорию, фасады и интерьеры зданий, лучи солнца в значительной мере определяют качество окружающей среды, оказывают большое влияние на микроклимат, на освещение и гигиену помещений, на выразительность архитектурных композиций и форм.
Инсоляция – суммарное солнечное облучение поверхностей и пространств – важнейший фактор формирования климата.
Воздействие инсоляции на человека и окружающую среду двойственно: оно благотворно и экономически выгодно, поэтому необходимо обеспечить доступ солнечного света в городские пространства и интерьеры зданий в любых географических районах; оно же вызывает перегрев, световой дискомфорт, УФ-переоблученность и перерасход электроэнергии на регулирование микроклимата в зданиях, что предопределяет необходимость защиты от него и рационального его использования.
Одна из задач архитектуры в том, чтобы архитектурно-планировочными и строительными средствами в наибольшей степени 1) использовать положительные функции солнца и 2) устранить отрицательное воздействие на человека.
Для учета инсоляции при проектировании в последние годы в некоторых крупных проектных организациях стали применять методы расчета инсоляции застройки с помощью ЭВМ, однако при композиционных поисках для архитектора более удобны графические способы инсоляционного анализа застройки и видеомакетоскопия.
Продолжительность инсоляции в течение суток для каждой местности определяется временем видимого движения Солнца по небосводу (рис. 1.1).
Положение Солнца на небе и направление лучей солнца определяют координатами: высотой стояния солнца ho и азимутом Ао, которые зависят от географической широты местности, времени года и часа дня.
Высота стояния солнца – это угол в вертикальной плоскости, образуемый лучом солнца и горизонтом. Азимут – угол в горизонтальной плоскости, образуемый горизонтальной проекцией солнечного луча и направлением меридиана.
Азимуты отсчитываются: 1) от южной части меридиана в двух направлениях от 0 до 180 градусов и обозначаются восточными (юго-восточными) и западными (юго-западными) соответственно положению Солнца в первой и во второй половине дня, западные азимуты считаются положительными, а восточные – отрицательными; 2) от северной части меридиана по часовой стрелке (на восток и далее) от 0 до 360 градусов (рис. 1.2).
Чтобы представить себе видимое «движение» Солнца по небосводу и определить его координаты на определенной географической широте, следует обратиться к «солнечному стереону», как это сделал в свое время Витрувий.
Дни, характеризующие инсоляцию для различных периодов времени года, принимают: 22 июня и 22 декабря соответственно дни летнего и зимнего солнцестояния; 22 марта и 22сентября – дни весеннего и осеннего равноденствия.
Траектория Солнца в характерные для летнего солнцестояния, весенне-осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния для географической широты 40 градусов показаны на рис. 1.3. Склонение Солнца весной-осенью равно нулю и определяет высоту солнца hо в полдень. Летом и зимой склонение Солнца в полдень равно соответственно +23.5 и –23.5 градусов. В дни осеннего и весеннего равноденствия продолжительность инсоляции составляет 12 часов для любой географической широты.
Рис. 1.1 Траектория солнца в течение характерных дней года и способ определения положения солнца в полдень дней летнего и зимнего солнцестояния при заданной гео-графической широте
Рис. 1.2 Примеры определения азимутов.
1) Азимут А11 равен: -100о, или 100о В, или 100о СВ; азимут А12 равен: +50о, или 50о З, или 50о ЮЗ;
2) Азимут А11 равен 80о; азимут А12 равен 220о.
Рис 1.3 Траектория солнца
в характерные дни:
Сл – летом; Сз – зимой;
Св-о – весной и осенью;
ЛГ – линия горизонта
Рис. 1.4 Схема к определению воздушной масс-сы (М), проходи-мой солнечным лучом при раз-личной высоте стояния солнца
При световых и тепловых расчетах весьма важно знать путь, проходимый солнечным лучом в атмосфере, окружающей Землю. Для этого вводится понятие «воздушная масса» М (рис 1.4), которую необходимо преодолеть лучу солнца. Значение М изменяются от 1 (солнце в зените) до26,96 (солнце вблизи горизонта) (см. приложение 1.).
Как видим, ранние утренние и поздние пологие лучи пересекают значительно больший слой атмосферы, чем лучи из положения Солнца в зените, и их слабое оздоровительное воздействие может не учитываться. В соответствии с нормами для районов южнее 60 с.ш. в инсоляционный расчет не принимаются первый и последний часы на восходе и закате Солнца, а для районов севернее 60 с.ш. – первые и последние1,5 часа.
Продолжительность теплового воздействия инсоляции на помещения и территории определяется на день летнего солнцестояния – 22 июня, когда в каждой географической широте Солнце проходит наивысшую траекторию. В дни зимнего солнцестояния Солнце проходит наинизшую траекторию. Солнечные лучи косо пересекают большой слой атмосферы и полезное воздействие инсоляции значительно сокращается.
Для определения продолжительности суточной инсоляции и координат Солнца на различных широтах в требуемое время дня и период года нужны сложные астрономические расчеты. Для архитектурной практики разработаны так называемые солнечные карты, на которые нанесены кольцевые и радиальные координаты. Кольцевые координаты в виде концентрических окружностей, описанных из точки зенита – они служат для отсчета высоты стояния солнца ho. Радиальные координаты в виде систем дуг, радиально исходящих из точки зенита к горизонту – они отсчитывают азимуты солнца Ао. С помощью этих координат для различных географических широт на солнечные карты нанесены траектории движения Солнца (рис.1.5 а-в), разделенные на часы суток (графики Дунаева), позволяющие установить время инсоляции для характерных периодов года.
На рис. 1.5 приведены три солнечные карты для географических широт 40, 55 и 70 градусов, характеризующие южные районы нашей страны, среднюю полосу и крайние северные районы. Наивысший угол солнцестояния в северных районах около 40, а в средней полосе – более 60 и в южных – свыше 80. Соответственно увеличивается интенсивность инсоляции.
За Полярным кругом в течение зимних месяцев Солнце не поднимается над горизонтом и инсоляции нет. В средней полосе наиболее короткий период инсоляции 4-5 часов в декабре.
Самый длинный период инсоляции на севере ( «вечный день» ) – 16-13 часов в сутки в летний период. Однако интенсивность инсоляции здесь невелика, так как в летнее время траектория солнечных лучей в этих районах пологая. В средней полосе летом самая продолжительная инсоляция 12-14 часов, а в южных районах – 10-12 часов.
Приведенные данные о продолжительности инсоляции, полученные из солнечных карт, относятся к точке под открытым небосводом, ничем не заслоненной от Солнца, и являются теоретически максимально возможной инсоляцией для данной местности (без учета затеняющих факторов). В действительности затеняющие факторы (застройка, выступающие элементы зданий) значительно сокращают теоретический суточный период инсоляции.
Нормируемая продолжительность непрерывной инсоляции для помещений жилых и общественных зданий устанавливается дифференцированно в зависимости от типа квартир, функционального назначения помещений, планировочных зон города, географической широты:
- для северной зоны (севернее 58° с.ш.) - не менее 2,5 часов в день с 22 апреля по 22 августа;
- для центральной зоны (58° с.ш. - 48° с.ш.) - не менее 2 часов в день с 22 марта по 22 сентября;
- для южной зоны (южнее 48° с.ш.) - не менее 1,5 часов в день с 22 февраля по 22 октября.»
Поэтому для северной зоны (севернее 58° с.ш.) необходимо на солнечной карте построение проекции траектории солнца на апрель месяц, а для южной зоны (южнее 48° с.ш.) – на февраль.
При проектировании микрорайонов и зданий в городах архитектору приходится решать следующие практические задачи для удовлетворения гигиенических требований по инсоляции застройки и помещений:
определять действительную продолжительность инсоляции территории застройки и помещений;
определять затенение помещений лоджиями, балконами, пилонами и другими выступающими деталями зданий;
строить зоны инсоляции и контуры теней для определения допустимых расстояний между зданиями и мест расположения в застройке спортивных площадок, цветников и т.д.
Решение этих задач удобно проводить с помощью инсоляционного планшета Дунаева, или инсоляционного графика (рис. 1.6).
Инсографик представляет собой горизонтальную проекцию наклонной плоскости сектора небосвода, на планшете состоит из двух систем линий:
часовых радиальных линий, представляющих горизонтальные проекции солнечного луча, направленного к расчетной точке в различное время суток для определенного времени года;
горизонталей, показывающих их превышение над центральной (расчетной) точкой
инсографика( на графике представлена как высота противостоящих зданий).
При каждой радиальной линии на инсографике в кружках обозначены часы дня по солнечному времени; под цифрами, обозначающими часы дня, приведены васоты стояния солнца над горизонтом в градусах.
Представленный инсографик составлен для местности, расположенной на широте 55о с.ш.; он может применяться для чертежей в масштабе 1:1000 с учетом высоты зданий до 40м. Инсографик может применяться с достаточной для практики точность в пределах широт +2,5 ; например, инсографик для 55 с.ш. может применяться в пределах 52,5-57,5 с.ш.
Здесь необходимо вспомнить разницу между солнечным временем (астрономическим) и декретным на Земле, которая может достигать почти 1,5ч. При выборе ориентации зданий по сторонам горизонта архитектору надо уметь определять эту разницу в любом городе земного шара. Кроме того, существуют понятия поясного и сезонного времени, которые тоже надо учитывать.
Далее в работе будут представлены примеры:
построения солнечных карт для заданной географической широты;
построения инсографиков и конверта теней;
перевода местного солнечного времени в декретное;
решения задач по определению времени инсоляции, построению теней от зданий и различных высотных сооружений, определению ширины улиц в различных направлениях.