Совмещенное освещение

Совмещенное освещение зданий представляет собой такую комбинацию систем естественного и искусственного освещения, при которой недостаточное по нормам естественное освещение дополняется искусственным, при этом сохраняется доминирующая роль естественного освещения в помещениях.

Совмещенное освещение используется как в многоэтажных, так и в одноэтажных промышленных и общественных зданиях, имеющих широкие корпуса и глубокие помещения.

В производственных помещениях совмещенное освещение необходимо применять в следующих случаях:

• при выполнении зрительных работ І и ІІ разрядов точности;

• при строительстве зданий в суровых климатических зонах, в которых с целью снижения теплопотерь целесообразно сокращать до минимума площадь световых проемов;

• в цехах с крупногабаритным оборудованием или крупногабаритной продукцией, затеняющими естественный свет.

Особенность совмещенного освещения состоит в том, что создаваемое в помещениях дополнительное искусственное освещение обеспечивается, как правило, светящими поверхностями (панелями, полосами, нишами и др.), имитирующими окна и фонари естественного света. Яркость этих поверхностей, равно как и спектр, близки к характеристикам рассеянного света неба. Поэтому при совмещенном освещении необходимо применять люминесцентные лампы типа ЛДЦ, ЛД, ЛЕ, ЛЕЦ и т.п., спектральный состав которых близок к спектру естественного света. В некоторых случаях могут применяться также маломощные металлогалогенные лампы, а также лампы ДРЛ делюкс в сочетании с лампами накаливания. В качестве светорассеивающего материала применяется, как правило, молочное оргстекло.

Искусственное освещение при совмещенном освещении целесообразно применять в виде двух раздельных систем:

• первая, существующая в качестве постоянного дополнительного освещения, работает непрерывно круглые сутки и днем освещает те зоны, в которых значение КЕО ниже нормативного;

• вторая освещает те зоны помещения, в которых значение КЕО выше нормативного, но она включается с наступлением сумерек вечером и отключается с рассветом утром.

Граница между ними может меняться в зависимости от колебаний уровня естественного освещения. Здесь имеет место совмещенное освещение с динамическим искусственным освещением, работающим в соответствии с изменением уровня естественного освещения. Это так называемое световое кондиционирование помещений, суть которого состоит в следующем.

С ростом уровня естественной освещенности в указанных зонах помещения ряды светильников, прилегающих к светопроемам, постепенно отключаются в первую половину дня. Отключение осуществляется в направлении от светопромов в глубину помещения. Во второй половине дня в обратном направлении происходит постепенное включение рядов светильников по мере снижения уровня естественной освещенности.

Управление включением и отключением светильников осуществляется с помощью автоматических систем управления освещением в зависимости от характера изменения наружной освещенности и выбранного уровня критической освещенности по специально разработанной программе. При этом наблюдается значительная экономия электроэнергии на освещение зданий, а также улучшение условий зрительного восприятия.

В зависимости от назначения, объемно-планировочного решения и геометрических пропорций помещений можно выделить пять схем совмещения естественного освещения с искусственным (рис. 31).

Первая схема совмещенного освещения (рис 31а: слева – при установке светящейся панели в удаленной от светопроемов зоне потолка; справа – при установке светящейся панели в верхней зоне противоположной от светопроема стены) может применяться в неглубоких помещениях, в которых в глубине имеется небольшая зона с недостаточным естественным освещением. Примером помещений с такой схемой освещения могут служить рабочие кабинеты зданий управления, помещения с точными работами (І и ІІ разряды зрительных работ). Если источники света тщательно подобраны по цветности излучения, а светильники – по форме и расположению, то дополнительное искусственное освещение почти незаметно и возникает впечатление достаточности естественного освещения.

Вторая схема освещения (рис. 31б) применяется в глубоких производственных помещениях большой площади с системой естественного бокового освещения и некоторых помещений общественных зданий (торговые залы магазинов, залы выставок, музеев и т.п.). В светлое время суток достаточная естественная освещенность обеспечивается только в приоконной зоне на расстоянии двух-трех высот светопроемов. На всей остальной площади помещений возникает

необходимость эксплуатации искусственного освещения в течение всего рабочего времени. Преимущества этой схемы состоит в том, что уровни рабочего искусственного освещения на большой площади помещения относительно независимы от колебаний естественного освещения. Размеры, форма и расположение световых проемов должны выбираться главным образом исходя из требований визуального контакта с внешней средой и устранения монотонности световой среды, которая возникает при одном искусственном освещении. Такая схема целесообразна также для зданий, строящихся в районах с суровыми климатическими условиями.

Третья схема (рис. 31в) применяется в зданиях с верхним естественном освещением. Размещение светильников в этом случае должно увязываться с расположением светопроемов. Эта схема освещения особенно эффективна для зданий, располагаемых в южных и северных районах СНГ, где площадь светопрозрачных ограждений приходится снижать до минимума. При соответствующем технико-экономическом обосновании данную систему совмещенного освещения можно использовать также в промышленных зданиях, расположенных в условиях умеренного климата.

Как видно на рис. 31г, четвертая схема применяется в помещениях, внутреннее пространство которых разделяется на две зоны: с достаточным естественным освещением и только с искусственным светом. Освещение этих зон, особенно если происходит постоянное движение

людей из одной зоны в другую, должно быть увязано между собой по интенсивности, цветно-

Рис. 31. Схемы совмещения естественного освещения с искусственным:

1 – кривая естественной освещенности; 2 – искусственной освещенности;

3 – суммарной освещенности. На схемах показаны только те светильники, которые эксплуатируются в течение дневного времени суток

сти и направлению световых потоков. Важным здесь является то, что переход от параметров световой среды одной зоны к параметрам освещения другой зоны необходимо сделать по возможности менее заметным, так как в этом случае влияние адаптационных процессов органов зрения сводится к минимуму.

Последняя схема (рис. 31д) применяется в помещениях, которые имеют «световой шлюз» между наружным пространством и объемом помещения, полностью лишенным естественного света (например, вестибюли бесфонарных промышленных зданий, крупных торговых центров и подземных сооружений). В этом случае важным фактором является изменение интенсивности света между высокими уровнями наружного естественного освещения и значительно более низкими уровнями в помещениях с одним искусственным светом. Длина промежуточного помещения должна определяться на основе средней скорости движения людей и необходимого времени переадаптации. Устройство подобных «световых шлюзов» у входа и вы-

хода больших производственных зданий позволит устранить явление «светового шока», который наблюдается, например, при выходе из помещения с относительно низкой освещенностью непосредственно наружу в солнечный день.

Лекция № 10

Инсоляция и солнцезащита в архитектуре

Инсоляция (лат. insolatio, от insolo – выставляю на солнце) – облучение поверхностей и пространств суммарной солнечной радиацией – важнейший фактор формирования климата.

Солнечный свет – это бесценный и неисчерпаемый источник всех форм жизни на Земле. При решении архитектурно-строительных задач архитекторы должны заботиться о том, чтобы этот источник был максимально использован и вопросы инсоляции застройки и зданий получили наиболее правильное решение, способствующее поддержанию здоровья человека.

Воздействие инсоляции имеет двойственный характер (табл. 12):

• оно благотворно и экономически выгодно, поэтому необходимо обеспечить доступ солнечного света в городские пространства и интерьеры зданий в любых географических широтах;

• оно же вызывает перегрев, световой дискомфорт, ультрафиолетовую переоблученность и перерасход энергии на регулирование микроклимата в зданиях, что предопределяет необходимость защиты от него и рационального его использования.

Положительные и отрицательные воздействия инсоляции в архитектуре

Таблица 12

Аспект воздействия инсоляции	Положительный эффект	Отрицательный эффект
Биологический	Общеоздоровительный эффект (загар, образование витамина D, обогрев), санирующий эффект, улучшение функций зрения при комфортных освещенности и контрастности освещения)	Фотохимическая токсичность отработанных газов в городах, переоблученность и канцерогенность, перегрев (общий и местный) и световой дискомфорт, разрушающее действие на живую клетку, материалы
Психологический	«Солнечность освещения», динамика распределения яркостей и цветностей в поле зрения, связь с внешним пространством	Снижение активности и настроения при световом дискомфорте и перегреве
Эстетический	Выявление пространства, формы, пластики, силуэта и цветовых соотношений, ритма элементов архитектуры и «живописности» композиционных решений	Снижение восприятия формы и ощущения насыщенности цвета при чрезмерных яркостях, выцветание поверхностей
Экономический	Природный источник дополнительного обогрева помещений, сокращение площади светопроемов, повышение производительности труда и работоспособности, сокращение расходов по оплате больничных листов	Повышение расходов на вентиляцию и кондиционирование воздуха, снижение производительности труда и работоспособности при тепловом и световом дискомфорте

Общетонизирующее действие связано с улучшением самочувствия и настроения, повышением эмоциональности и активности при выполнении трудовых процессов.

Витаминизирующее действие обусловлено наличием в солнечном излучении ультрафиолетовой радиации, длинноволновая часть которой способствует образованию витамина D, регулирующего солевой обмен в организме.

Облучение человека солнечными лучами приводит к нарушению терморегуляции в организме. Так, при инсоляции теплопоступления в организм могут превышать нормативные теплопотери в 2,5 – 5 раз. Это приводит к повышению температуры таких жизненно важных органов, как мозг, печень и др., что нарушает их нормальную функцию и может иметь тяжелые физические последствия.

Слепящее действие солнечного излучения связано с нарушением зрения в результате освещения предметов, находящихся в поле зрения, прямыми лучами. При интенсивном световом потоке (а суммарная естественная освещенность может достигать 80 – 90 клк) снижается острота и контрастная чувствительность зрения, повышается его утомляемость.

Солнечная радиация, проникающая в помещение, формирует определенный санитарно-гигиенический режим, который может быть благоприятным или неблагоприятным для человека.

Благоприятное влияние солнечного излучения на санитарно-гигиенические условия в помещениях обусловлено главным образом наличием УФ излучения, которое проявляется в виде бактерицидного (санирующего) и биологического действий. Солнечные лучи уничтожают микробы или замедляют их развитие. Особую роль в этом играет рассеянная солнечная радиация, которая в биологическом аспекте играет не меньшую, если не большую роль, чем прямая радиация, так как благодаря только ей достигается освещение тех мест, куда не поступают прямые солнечные лучи. Кроме того, в естественных условиях солнечная радиация никогда не бывает только прямой.

Координаты Солнца

При выполнении инсоляционных расчетов необходимо знать координаты Солнца, определяющие его положение на небосводе в заданный момент времени.

Чтобы представить себе видимое «движение» Солнца по небосводу и определить его координаты, следует обратиться к «солнечному стереону», как это сделал в свое время Витрувий.

Небосвод представляет собой полусферу, опертую на горизонтальный круг, в центре которого находится рассматриваемая точка О. Через эту точку проходят полуденная линия Юг – Север (Ю – С) и линия Восток – Запад (В – З), определяющие ориентацию в данной точке (рис. 32).

Д вигаясь по кругу, Солнце занимает на небосводе в данный момент определенное положение, характеризующееся двумя координатами – высотой стояния h и азимутом  (угол между полуденной линией и горизонтальной проекцией солнечного луча, направленного к рассматриваемой точке О от центра солнечного диска). Отсчитывается от Юга к Северу.

К

Рис. 32. Схема видимого движения Солнца по небо-

своду. Координаты Солнца

аждый новый день траектория движения Солнца будет выше или ниже предыдущего дня, отличаясь на некоторую угловую величину , которая называется склонением. В течение года величина склонения изменяется от –23,4^о до +23,4^о, дважды проходя через ноль. Нулевое значение склонения оказывается в те дни, когда Солнце взойдет точно на Востоке и зайдет точно на Западе. При этом день будет равен ночи по продолжительности. 21 марта имеет место день весеннего равноденствия, 23 сентября – день осеннего равноденствия.

После весеннего равноденствия склонение приобретает положительное значение и достигает своего максимума в день летнего солнцестояния – 21 июня. Далее склонение уменьшается и в день осеннего равноденствия вновь становится равным нулю, после чего приобретает отрицательные значения. Своего минимума склонение достигает 21 декабря в день зимнего солнцестояния. После чего оно снова начинает возрастать и т.д.

За 24 часа Солнце «проходит» по небосводу полный круг» в 360^о. При этом 1 час будет соответствовать 15^о. При расчете координат Солнца время отсчитывают обычно в градусах от линии, образованной пересечением вертикальной плоскости, проходящей через полуденную линию, с плоскостью, в которой лежит видимый путь движения Солнца по небосводу (рис. 32).

Д

Рис. 33. Траектории движения Солнца на экваторе ( = 0^о) и на полюсах ( = 90^о)

ля данного географического пункта плоскость, в которой находится видимый путь движения Солнца по небосводу, имеет наклон относительно вертикальной линии на угол , который называется географической широтой местности. При этом, на экваторе, где  = 0^о, плоскости видимого движения Солнца вертикальны, а на плюсах, где  = 90^о, - горизонтальны (рис. 33).

Итак, координаты Солнца на небосводе зависят от склонения, времени суток и географической широты. Взаимосвязь между этими параметрами определяется из следующих выражений:

sin ·cosh = cos · sint; sinh = sin ·sin + cos ·cos ·cost, (53)

где h – высота стояния Солнца, град;

 - географическая широта, град;

 - склонение Солнца, град;

t - время суток, выраженное в градусах (1час = 15^о);

 - азимут Солнца, град.

Данные формулы позволяют с достаточной степенью точности определить координаты Солнца.

Нормирование инсоляции

В целях наиболее эффективного использования благотворного действия солнечной радиации и ограничения его вредного влияния введено нормирование инсоляции.

Нас везде окружает бактериальная среда. Болезнетворные бактерии постоянно находятся в помещениях, переносятся из помещения в помещение, из здания в здание через одежду, обувь и т.п. Солнечные лучи отрицательно влияют на эти бактерии и их развитие, что подтверждается многочисленными экспериментами. Высокий бактерицидный эффект достигается при 2 – 4-х часовом непрерывном облучении культуры кишечной палочки на расстоянии 0,5 м от окна на уровне стола. На основании этих исследований было определено, что критерием оценки инсоляции на данном этапе развития этой науки является продолжительность облучения солнечной радиацией в часах.

В градостроительных нормах Украины [16] говорится, что размещение и ориентация жилых и общественных зданий (за исключением детских дошкольных учреждений, общеобразовательных школ, школ-интернатов) должны обеспечивать продолжительность инсоляции жилых помещений, определенных нормами, и территорий не менее 2,5 часа в день на период с 22 марта по 22 сентября южнее 58^о северной широты.

Размещение и ориентация зданий в детских дошкольных учреждениях, общеобразовательных школ, школ-интернатов, учреждений охраны здоровья и отдыха должны обеспечивать непрерывную трехчасовую продолжительность инсоляции в помещениях, предусмотренных Санитарными нормами и правилами обеспечения инсоляцией жилых и общественных зданий и территорий жилой застройки.

В условиях застройки зданиями в 9 этажей и выше допускается одноразовое прерывание инсоляции жилых помещений при условии увеличения суммарной продолжительности инсоляции в течение дня на 0,5 часа соответственно для каждой зоны.

В жилых зданиях меридионального типа, где инсолируются все комнаты, а также при реконструкции жилой застройки или при размещении нового строительства в особо сложных градостроительных условиях (исторически ценная городская среда, дорогая подготовка территории, зона общегородского и районного центра) допускается сокращение продолжительности инсоляции помещений на 0,5 часа.

В ІІІ – IV климатических зонах необходима защита зданий и территорий от перегрева путем применения свободной, хорошо проветриваемой, застройки, озеленения, обводнения, использования солнцезащитных средств. Необходимо обеспечить связь жилой застройки с прилежащими благоприятными в природном отношении ландшафтами, равномерное распределение застроенных и открытых озелененно-обводненных территорий.

При проектировании жилых зданий вводятся требования к инсоляции квартир:

• в одно-, трехкомнатных квартирах должна быть обеспечена инсоляция не менее одной комнаты;

• в четырех-, шестикомнатных – не менее двух комнат;

• в общежитиях суммарная площадь инсолируемых жилых комнат должна составлять не менее 60 %.

Кроме того, все южные районы СНГ по солнцезащите разделены на три группы. К первой относятся районы со средней температурой наиболее жаркого месяца t_жм  28^оС, требующие солнцезащиты при всех ориентациях. Ко второй – районы с t_жм  26^оС, требующие солнцезащиты в пределах 45 – 315^о по горизонту. К третьей – районы с t_жм 26^оС, требующие солнцезащиты в пределах 70 – 290^о.

При проектировании промышленных зданий фактором, определяющим необходимость защиты помещений от перегрева, является продолжительность периода со среднесуточной температурой наружного воздуха t_н  20^оС. существует карта климатического районирования территории СНГ для выбора солнцезащитных средств в зависимости от этого фактора:

I зона – менее 20 дней в году с t_н  20^оС – защита помещений от перегрева не рекомендуется;

II зона – 20 – 40 дней – защита рекомендуется в виде внутренних и межстекольных солнцезащитных устройств (сзу). К этой зоне относится север Украины в том числе и г.Киев;

III зона – 40 – 60 дней – в виде межстекольных и наружных устройств. К этой зоне относится средняя полоса Украины;

IV зона – 60 – 100 дней – наружные сзу в сочетании с теплозащитным остеклением. К этой зоне относится юг Украины;

V зона – более 100 дней и высокий температурный фон – наружные сзу, теплозащитное остекление и техническое регулирование микроклимата.

Инсоляционные расчеты

Оптимальный инсоляционный режим обеспечивается путем прямого солнечного облучения в необходимом количестве и в заданное время. При проектировании градостроительной ситуации, зданий и помещений возникает необходимость в определении условий инсоляции и ее оптимизации. Это достигается посредством проведения инсоляционных расчетов.

Расчеты инсоляции обычно охватывают решение задач трех основных типов.

1. Нахождение временных характеристик инсоляции (продолжительность (начало и конец) инсоляции или затенения помещений, фасадов, участков территорий и т.д.).

2. Установление геометрических характеристик инсолируемых или затеняемых участков (построение частных и суточных конвертов: тени от зданий на генеральном плане и инсоляции на рабочих плоскостях в помещениях).

3. Определение затенения помещения окружающей застройкой, нахождение приемлемых расстояний между зданиями, расчет СЗУ.

Расчеты выполняют с помощью следующих методов: аналитически и графически с использованием диаграмм, таблиц и графиков. Кроме того, эти задачи могут быть решены экспериментально в лабораторных или натурных условиях.

Условия инсоляции определяются методом проекций с числовыми отметками. Если проследить суточный ход тени от стержня, поставленного в центре небесной полусферы, то можно заметить, что в день летнего или зимнего солнцестояния (21 июня и 21 декабря) тень от верхней точки стержня будет криволинейной (рис. 34 а, б). в период же весенне-осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) она будет представлять прямую линию, параллельную прямо, соединяющей точки восхода и захода Солнца (рис. 34 в).

Рис.34. Суточный ход тени от вертикального стержня:

а – лето; б – зима; в – весна-осень.

На основании этого можно построить графики суточного хода тени от вертикального стержня различной высоты для различных периодов. При построении таких графиков пользуются таблицей координат Солнца. Из центра графика проводят лучи под углами, соответствующими азимутам в дневные часы суток, и от центра откладывают на них отрезки, равные котангенсу высоты стояния Солнца в соответствующий час. Такие графики могут быть построены для различных широт в требуемых масштабах (обычно 1:100 или 1:1000). На представленном рисунке 35 показаны графики для 48º с.ш. в масштабе 1:100.

Рис.35. Инсоляционные графики («солнечные транспортиры») для инсоляционных расчетов на период: а – летнего солнцестояния; б – зимнего солнцестояния; весенне-осеннего равноденствия (φ = 48° с.ш.)

Учет времени

При выполнении инсоляционных расчетов принимается солнечное или местное время, которое изменяется для мест, расположенных на разной долготе, - 1º долготы соответствует 4 минутам времени.

Весь земной шар разделен на 24 часовых пояса. При этом разность градусов долготы границ каждого пояса составляет 15º, т.е. один час. Время в пределах одного пояса – поясное время – принимается постоянным и соответствует местному времени меридиана, проходящего по середине пояса. Следовательно, в пределах часового пояса местное время может изменяться от 0 до +30 мин к западу от среднего меридиана пояса и от 0 до -30 мин к востоку от этого меридиана. В 1930 г. Во всех поясах бывшего СССР (а всего их 11) время было переведено на 1 ч вперед для более рационального использования естественного освещения – это декретное время, которое используется в быту. В инсоляционных расчетах время следует согласовывать с ним. Для этого необходимо к поясному времени прибавить 1 ч и поправку на местное время в пределах часового пояса.

Пример. Установить значение декретного времени для 12 часов местного времени в г. Донецке, который находится на 38º западной долготы, т.е. в третьем часовом поясе.

Средний меридиан этого пояса проходит по 45º западной долготы. Донецк отстоит от этого меридиана на 7º к западу, т.е. отстает от поясного времени на:

7 × 4 = 28 мин + 1час = 13 ч 28 мин.

Если инсоляционные расчеты проводятся на период с 1 апреля по 1 октября, следует внести еще сезонную поправку, т.е. прибавить еще 1 час. В итоге декретное время на этот период расчета в г. Донецке составит:

13 ч 28 мин + 1 ч = 14 ч 28 мин.

Способ построения инсоляционного графика для весенне-осеннего равноденствия

Для большинства случаев анализа условий инсоляции территории можно пользоваться графиком, который соответствует периоду равноденствия. Поэтому в качестве примера рассмотрим способ построения инсоляционного графика для весенне-осеннего равноденствия.

Данный график (рис.35 в) представляет собой горизонтальную проекцию наклонной плоскости сектора небосвода. Параллельные линии на графике являются горизонталями этой плоскости, превышения которых отсчитываются от нулевой горизонтали, проходящей через расчетную точку О. Сходящиеся в этой точке азимутальные линии представляют собой проекции секторальных углов наклонной плоскости.

Построение данного графика основано на графической модели небосвода (рис.32) и заключается в следующем.

1. Изобразить разрез небосвода вертикальной плоскостью, проходящей через меридиан С - Ю, как полусферу радиусом R = 1 (рис.36 а).

2. От вертикали, проходящей через центр полусферы О и зенит Z в сторону юга, отложить угол φ°, обозначающий географическую широту места. На пересечении проведенной из точки О наклонной линии с полуокружностью находится положение Солнца в 12 часов в дни равноденствия. Наклонная линия является вертикальной проекцией полуденного солнечного луча, лежащего в плоскости солнечной траектории, а угол между ней и линией горизонта показывает высоту стояния Солнца h_о в данный момент времени.

3. Изобразить план небосвода как окружность с R = 1 с центром О (рис.36 б). Указать стороны горизонта – В, Ю, З, С. Спроецировать на южный меридиан с разреза на план положение Солнца и через эту точку провести окружность радиусом r.

4. Разделить сектор ЮВ горизонтальной проекции небосвода на 6 равных частей по 15° (угловая скорость движения Солнца - 15° в час, время с восхода до полудня – 6 ч) и провести радиальные линии (для крупномасштабного графика этот сектор можно разделить на 12, 15 или 24 части соответственно через 30, 20 или 15 минут).

5. Из точек пересечения этими радиусами внешней и внутренней окружностей провести линии, параллельные линиям С – Ю и З – В, построив таким образом небольшие прямоугольные треугольники. Вершины прямых углов являются горизонтальными проекциями Солнца через каждый час.

Все эти построения вспомогательные и выполняются тонкими линиями.

Рис.36. Этапы построения инсоляционного графика для широты φ°: а – разрез небосвода (ЛГ – линия горизонта); б – план небосвода; в – общий вид инсографика (совмещен с линиями построения)

6. Через полученные точки проекций Солнца и центр О провести жирные линии, которые являются горизонтальными почасовыми проекциями солнечных лучей, необходимых для построения графика.

Для упрощения построений разрез и план небосвода можно совместить (рис.36 в).

7. На линии OZ нанести деления через 1 см (для подробного графика – через 1 или 2 мм) и провести горизонтальные линии до пересечения с проекцией полуденного луча. Через точки пересечения провести линии, параллельные направлению В – З на плане небосвода. Эти параллели являются метрической шкалой превышений вспомогательных горизонталей наклонной плоскости солнечной траектории над исследуемой точкой на данной широте и служат для определения длины теней. Цена расстояний между параллелями назначается в соответствии с масштабом архитектурного чертежа.

8. Горизонтальные проекции дополуденных солнечных лучей (с 6 до 12 ч) зеркально перенести в послеполуденную область (сектор ЮЗ плана небосвода) и обозначить часы дня (с 12 до 18 ч).

График выполняется тушью на кальке или прозрачной пленке, вспомогательные линии построения стираются.

Примеры решения инсоляционных градостроительных задач

Рассмотрим некоторые задачи использования данного инсографика.

Задача 1. Определить суточный ход тени от вертикального стержня высотой 10 м.

Совмещаем центр графика с проекцией стержня на плане (рис.37) и сориентируем полуденную линию графика (12 часов) по меридиану С – Ю. На пересечении часовой линии (например, 10 часов) с горизонтальной линией высот (10 м в масштабе 1:100) найдем точку конца тени. Соединив эту точку с горизонтальной проекцией стержня, получим положение и длину тени, например, в 10 часов

Рис.37. Тень от вертикального стержня высотой 10 м (к задаче 1)

Примем продолжительность инсоляции открытого пространства с 7 до 17 часов. Полагаем, что в часовом интервале после восхода и до захода Солнца действие инсоляции ничтожно. Определив, длину тени в 7 и 17 часов, как уже описано выше для 10 часов, соединим линией концы этих теней. Полученный треугольник соответствует площади тени за время инсоляции (рис.37).

Задача 2. Определение продолжительности инсоляции точки на горизонтальной поверхности (рис.38).

Рис.38. Инсоляция точки при наличии здания (к задаче 2)

Точка О графика совмещается с заданной точкой, а сам график ориентируется по направлению север-юг. Высота затеняющего здания Н_зд , т.е. превышение его карниза над заданной точкой, составляет 25 м.

На графике отмечается горизонталь, соответствующая высоте здания, т.е. горизонталь 25 м в выбранном масштабе чертежа и графика.

Затенение заданной точки О всегда происходит только от той части здания, которая находится между отмеченной горизонталью и этой точкой (на схеме заштрихована). В данном случае т. О будет затенена с 9 часов до 11 часов 30 минут.

Следовательно, заданная точка в дни равноденствия будет инсолироваться дважды в сутки: с 7 до 9 часов и с 11ч 30 мин до 17 часов (по нормам инсоляции, как уже отмечалось, первый час после восхода Солнца и последний час перед его заходом в расчет не принимаются).

На градостроительной ситуации, представленной на рис.39, инсоляция расчетной точки О осуществляется трижды в течение дня в пределах углов α_о,так как здание ІІ и часть здания ІІІ оказывают на нее затеняющее действие (в пределах углов α_з). Здание І не оказывает затеняющего действия на т.О, так как оно находится за пределами линии Н_зд. Этот случай имеет место тогда, когда все здания одной высоты. При зданиях разной высоты, для каждого здания будет своя линия Н_зд.

Рис.39. Инсоляция точки при наличии нескольких зданий (к задаче 2).

Задача 3. Построение теней от здания на горизонтальной плоскости (рис.40).

Рис.40. Построение контура теней от здания («конверт теней»)

При построении теней график располагается с разворотом на 180° по отношению к предыдущему случаю. На плане объекта выбирается какой-либо внешний угол, который совмещается с точкой О графика. Азимутальные линии показывают направление теней от данного угла здания в соответствующие часы дня.

Горизонталь, соответствующая высоте здания, например 25 м, показывает длину теней в различные часы дня (в дни равноденствия тень перемещается на горизонтальной плоскости по прямой линии с запада на восток).

Графический метод определения продолжительности инсоляции помещений

Из всех известных графических методов наибольшей универсальностью отличается метод Б.А. Дунаева.

Д ля использования этого метода строится солнечная карта (рис.41), которая представляет собой горизонтальную проекцию сферической координатной сетки, состоящей из меридианов (радиусы для определения азимута Солнца) и параллелей (концентрические окружности, служащие для отсчета высоты стояния Солнца). На полученную таким образом координатную сетку наносится горизонтальная проекция траектории видимого движения Солнца, соответствующего определенному месяцу года на заданной широте.

С

Рис.41. Солнечная карта, построенная для 48°с.ш. Сплошная жирная линия – траектория движения Солнца, пунктир – точки с одинаковым значением времени в различное время года

помощью солнечной карты можно определять продолжительность инсоляции точки, находящейся на вертикально плоскости фасада. Например, точка, расположенная на северном фасаде ( = 180^о), будет инсолироваться в июне на 48^о с.ш. дважды в сутки со времени восхода до 7 ч. 30 мин. и с 16 ч 30 мин до захода Солнца. В марте, сентябре, декабре фасадная плоскость с данной ориентацией инсолироваться не будет. Если же фасад будет ориентирован на юго-запад ( = 45^о), то инсоляция в июне будет длиться с 10 ч. 15 мин. и до захода Солнца.

Для определения продолжительности инсоляции в условиях городской застройки, создающей затенение рассматриваемого помещения, а также для учета инсоляционных особенностей светопроемов кроме солнечной карты необходимо иметь вспомогательную контурную сетку (рис. 42). Она представляет собой систему радиальных линий (линии пересечения вертикальных плоскостей, проходящих через данную точку и, например, через вертикальную грань окна, с горизонтальной плоскостью) и систему плановых кривых, соответствующих в натуре горизонтальным линиям границ затеняющих объектов. С помощью контурной сетки строится картограмма контуров объектов, ограничивающих инсоляцию (рис.43 и 44).

Полученную таким образом картограмму контура окна, выполненную на кальке, совмещают с солнечной картой. Отрезки траектории видимого движения Солнца (рис.45), ограниченные картограммой контура затенения, определяют продолжительность инсоляции. С по-

Рис. 42. Вспомогательная контурная сетка: радиальные линии соответствуют в натуре вертикальным линиям; кривые линии соответствуют в натуре горизонтальным линиям затеняющих объектов (окна помещений, противостоящие здания и др.)

Рис.43. Картограмма контуров затенения окна с вертикальным углом раскрытия 70^о и горизонтальным углом раскрытия 120^о (жирные линии)

Рис.44. Разрез и план окна для определения угловых параметров

Рис.45. Совмещение картограммы контура

окна юго-восточной ориентации с солнечной картой

мощью этого рисунка можно проанализировать продолжительность инсоляции помещения при различных условиях.

Если окно лишено СЗУ и отсутствуют противостоящие затеняющие здания, то продолжительность инсоляции в июне на 48^ос.ш. составит 6 ч и будет длиться от 6 ч. утра до 12 дня. В

марте и сентябре инсоляция будет длиться от момента восхода Солнца (6 часов) до 12 ч. 50 мин., т.е. продолжительность инсоляции составит 6 ч. 50 мин. В декабре – от момента восхода (8 ч.) до 13 ч., т.е. 5 ч.

Если окно будет снабжено горизонтальным козырьком, уменьшающим вертикальный угол раскрытия до 50^о (рис.44), то инсоляция в июне составит 3 ч. 30 мин., т.е. с 6 ч. утра до 9 ч. 30 мин. В марте и сентябре козырек уменьшит инсоляцию всего на 20 мин. В декабре козырек на длительность инсоляции влияния не окажет.

Если окно будет снабжено вертикальными ребрами, уменьшающими горизонтальный угол раскрытия проема до 100^о, то инсоляция в июне начнется не в 6 ч., а в 7 ч. 10 мин. И будет длиться до 12 часов, т.е. продолжительность составит 4 ч. 50 мин.

Если окно затеняется противостоящим зданием, уменьшающим вертикальный угол раскрытия проема на 30^о, то в июне продолжительность инсоляции уменьшится всего на 40 мин. В марте и сентябре инсоляция начнется примерно в 9 ч. 30 мин., закончится в 12 ч. 45 мин., т.е. будет длиться 3 ч. 15 мин. В декабре в результате затенения противостоящим зданием помещение инсолироваться не будет.

Лекция № 11

Методы оптимизации инсоляционного режима

Как говорилось ранее, влияние инсоляции может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от интенсивности, спектрального состава, продолжительности и времени действия. Следовательно, одной из основных задач архитекторов и строителей является максимальное использование различными средствами положительных качеств солнечного излучения и устранение отрицательных его воздействий.

Оптимизация инсоляционного режима помещений и городской застройки может быть достигнута только при комплексном подходе к проблеме рационального использования природных ресурсов солнечной энергии.

Все существующие методы оптимизации инсоляционного режима можно разделить на четыре группы:

• градостроительные, методы, оптимизирующие инсоляционный режим застройки и помещений на градостроительном уровне. К ним относятся ориентация зданий по сторонам горизонта, планировка застройки, озеленение и обводнение территории и др.;

• объемно-планировочные, которые представляют собой рациональное с точки зрения инсоляции размещение помещений в объеме здания;

• конструктивные, представляющие собой оптимизацию инсоляционного режима помещений конструктивным решением здания. К ним относятся применение различного рода СЗУ, затеняющих устройств (балконы, лоджии, галереи и др.), специальных конструктивных решений наружных ограждений (конструкции стен, покрытий, форма, размеры и расположение окон и др.), а также использование специального остекления (теплопоглощающего, светорассеивающего и т.д.);

• технические, представляющие собой применение технических средств регулирования микроклимата (принудительная вентиляция, кондиционирование и др.).

Применение только одной лишь группы методов не дает высокого результата. Только сочетание всех групп позволит получить высокоэффективное решение, причем применение этих методов должно осуществляться в указанной последовательности. Технические средства регулирования микроклимата необходимо использовать лишь тогда, когда первыми тремя группами методов невозможно добиться положительного результата.

Выбор ориентации

Как уже сообщалось, одним из первоначальных методов оптимизации инсоляции является выбор ориентации здания и его расположения в системе застройки. Это сложная задача, так как кроме инсоляционных требований, следует учитывать назначение помещений, климатические особенности района строительства и условия уже сложившейся городской застройки.

Прежде всего ориентацию зданий, располагаемых в северных районах, следует выбирать так, чтобы помещения получили максимум инсоляции. В южных районах, наоборот, следует избегать тех ориентаций, при которых перегрев будет максимальным.

В отношении инсоляции все помещения гражданских зданий можно разделить на две группы:

• помещения, которые должны инсолироваться круглый год с соблюдением защиты от перегрева летом (жилые комнаты квартир, групповые детских учреждений, учебные помещения школ, палаты больниц, спальные комнаты санаториев и т.д.);

• помещения, которые не требуют инсоляции в течение года (операционные залы больниц, чертежные и проектные залы, некоторые лабораторные помещения, демонстрационные и выставочные залы, книгохранилища библиотек, экспозиционные залы музеев, общественные прачечные, кухни и т.д.). Для этой группы помещений предпочтительнее будет северная, северо-западная и северо-восточная ориентации.

Особое внимание выбору оптимальной ориентации следует уделять при проектировании детских школьных и лечебных учреждений. Здесь наилучшей ориентацией является южная и юго-восточная. Не допускается для них ориентация окон на север и северо-запад. В южных районах следует избегать западной и юго-западной ориентаций.

Оптимальные ориентации для учебных помещений в школах – южная, юго-восточная и восточная. Допускаются также западная и юго-западная ориентации. Следует избегать северных ориентаций.

В лечебных учреждениях помещения палат должны хорошо инсолироваться и в то же время иметь летом достаточную защиту от перегрева. Поэтому предпочтение в данном случае следует также отдать южным ориентациям, используя северные ориентации для размещения вспомогательных лечебных помещений и операционных.

Оптимальная ориентация спальных помещений санаториев – южная и юго-восточная. Допускается ориентация на запад и север до 25 % общего количества коек, при этом окна, обращенные на запад должны иметь регулируемые СЗУ. Помещения северной ориентации следует предназначать для отдыхающих, не переносящих жару.

Солнцезащитные устройства (СЗУ)

Солнцезащитные устройства используются в тех случаях, когда градостроительные и объемно-планировочные методы не довели параметры инсоляционного режима до оптимальных.

Все СЗУ можно подразделить на две группы:

1. постоянные или стационарные, представляющие собой органическую часть здания;

2. временные или нестационарные, являющиеся предметом оборудования здания.

Постоянные СЗУ – козырьки, выступающие из плоскости стены, балконы, лоджии, веранды, галереи, вертикальные ребра, экраны и сочетания этих устройств.

Временные СЗУ – жалюзи различных конструкций, маркизы (наружные горизонтальные навесные элементы над окнами или балконами), шторы и пр., которые обычно устанавливаются на летний период в светопроемы и они подвержены быстрому износу.

Классификация различных типов СЗУ представлена в таблице 13.

Основной элемент любого СЗУ – плоскость (или поверхность), экранирующая прямую, рассеянную или отраженную радиацию. Экранирующие плоскости могут быть сплошными или

расчлененными. Они могут иметь различные пространственные положения, по которым все СЗУ делятся на следующие:

а) горизонтальные (рис.46 а), в которых экранирующая плоскость расположена горизонтально; сюда могут быть отнесены козырьки различных конструкций, веранды, галереи, жалюзи с горизонтальными пластинами, балконы, навесы карнизы;

б) вертикальные (рис.46 б), в которых экранирующая плоскость располагается вертикально; к этому типу относятся вертикальные ребра, жалюзи с вертикальными пластинами, экраны;

в) смешанные, в которых экранирующие плоскости могут иметь различные положения в пространстве. Это сотообразные или ячеистые конструкции, представляющие сочетания горизонтальных, вертикальных или наклонных экранирующих плоскостей, лоджии.

Правильность проектирования стационарных СЗУ, геометрические параметры козырьков и экранов, их число и углы наклона их элементов определяются следующими зависимостями (рис.46):

Классификация основных типов солнцезащитных устройств

Таблица 13

Продолжение таблицы 13

Продолжение таблицы 13

Продолжение таблицы 13

Рис.46. Горизонтальные (а) и вертикальные (б) СЗУ.

Схемы к расчету величины выноса СЗУ

для горизонтальных СЗУ

tg = l_г / H = ctgh₀·cos; l_г = H·ctgh₀·cos, (54)

где  - угол, образованный вертикальной проекцией солнечного луча, проходящего через ниж-

ний край козырька в нижнюю точку окна, град;

l_г – вынос козырька, жалюзи и т.п.,м;

H – расстояние от низа козырька до низа окна, м;

h₀ – угловая высота солнцестояния, определяемая для периода апрель – август, град;

 - угол между горизонтальной проекцией солнечного луча и перпендикуляром к фасаду

здания с экранируемым окном, град.;

для вертикальных солнцезащитных экранов

tg = (l_в + ) / В; l_в = В·tg - , (55)

где  - угол, образованный горизонтальной проекцией солнечного луча и горизонтальной лини-

ей в плоскости фасада здания, град.

По характеру эксплуатации все СЗУ делятся на регулируемые (жалюзи, ставни, маркизы и пр.) и нерегулируемые (козырьки, балконы, лоджии, веранды и т.п.)

Выбор типа СЗУ определяется главным образом ориентацией (табл. 14), а также назначением помещений и замыслом архитектора по архитектурно-художественному оформлению.

При выборе типа и конструкции СЗУ необходимо иметь ввиду некоторые их теплофизические особенности, так как внутренние СЗУ (шторы, жалюзи и пр.) устраняя блескость и выраженный контраст яркостей, аккумулируют тепло, а потом в течение второй половины дня отдают его в помещение. Этого лишены наружные СЗУ. Промежуточными свойствами подобного рода обладают СЗУ, располагаемые в межстекольном пространстве окон.

Рекомендации по выбору типа СЗУ в зависимости от ориентации

Таблица 14

Тип СЗУ	Ориентация
Козырьки	Ю
Веранды, галереи	Ю, ЮЗ, ЮВ, ЗЮЗ, ВЮВ
Лоджии и СЗУ ячеистого типа	Ю, ЮЗ, ЮВ
Жалюзи и вертикальные СЗУ	ЗЮЗ, ВЮВ, ЗСЗ, ВСВ, З, В
Маркизы	ЮЮЗ

При устройстве наружных СЗУ следует принимать такие конструктивные решения, при которых экранирующие плоскости не способствовали бы застою нагретого воздуха и обеспечивали бы эффективное проветривание пространства между плоскостями СЗУ и наружной плоскостью светопроема. С этой точки зрения более целесообразными следует считать СЗУ, состоящие из экранирующих плоскостей, расчлененных на отдельные элементы, свободно омываемые воздухом.

Специальное солнцезащитное остекление

Регулировать действие солнечной радиации, проникающей в помещение, можно путем применения специальных стекол или пленок, при этом можно изменять как спектральный состав потока солнечного излучения, так и его интенсивность.

Как известно, обычное оконное силикатное стекло пропускает видимую и инфракрасную части спектра солнечного излучения, которые несут основную долю тепловой энергии. УФ часть спектра, которая обладает всеми ценными оздоровительными свойствами, силикатное стекло не пропускает.

Для таких помещений, как групповые детских садов и ясель, палаты больниц, спальные комнаты санаториев, зимние солярии и т.д., желательно применять специальные стекла, пропускающие УФ часть спектра. Такими стеклами являются увиолевые – чистые кварцевые стекла и органическое стекло.

Для защиты от солнечного перегрева помещений могут быть использованы специальные теплорассеивающие, теплоотражающие и теплопоглощающие стекла.

Теплорассеивающим эффектом обладают узорчатые стекла и стеклоблоки

Теплоотражающие стекла обычно имеют тонкие пленки из хорошо отражающих свет металлов (золота, алюминия и платины), которые препятствуют проникновению в помещение значительной части тепловой энергии.

Теплопоглощающие стекла включают в себя добавки оксидов металлов (марганца, титана, железа и т.д.). Эти стекла не обладают высокой прозрачностью, так как часть солнечного излучения, в том числе и тепловая, поглощается в толще стекла.

Особого интереса заслуживают специальные фотохромные стекла (в народе они называются «хамелеоны»), содержащие светочувствительные соединения серебра или йода. На свету такие стекла темнеют, при ослаблении света они восстанавливают свою прозрачность. Применение их позволяет автоматически регулировать в помещении не только освещенность, но и солнечные теплопоступления.

В настоящее время широкое применение в строительстве находят различные типы солнцезащитных (например, М 20\D серебро) и термосберегающих (например, ТМ 20 серебро) пленок. Наносятся они на поверхность стекла, значительно повышая при этом светотехнические и теплотехнические показатели.

Литература

1. Архитектурная физика: Учеб. для вузов: Спец. «Архитектура»/В.К.Лицкевич, Л.И. Макриненко, И.В. Мигалина и др.; Под ред. Н.В. Оболенского.- М.: Стройиздат, 1997.

2. Видео экология «…Я с детства угол рисовал!» – Здоровье, №1, 1990. – 1-3с.

3. Волоцкой Н.В. Светотехника.- М.: Стройиздат, 1979.

4. Гусев Н.М. Основы строительной физики. Учебник для вузов.- М.: Стройиздат, 1975.- 440 с.

5. Гусев Н.М., Макаревич В.Г. Световая архитектура. – М.: Стройиздат, 1973. –236 с.

6. Гусев Н.М., Никольская Н.П. О светоклиматическом районировании территории Союза. - В кн.: Естественное освещение и инсоляция зданий (нормирование, расчеты и проектирование).- М.: Стройиздат, 1968.- С. 5-11.

7. Дашкевич Л.Л. Методы расчета инсоляции при проектировании промышленных зданий.-М., 1939.

8. Дунаев Б.А. Инсоляция жилых зданий.-М.:Стройиздат, 1962.

9. Егорченков В.А., Югов А.М. Световой климат Украины и влияние орографии на естественное освещение помещений.- В кн.: Технічна метеорологія Карпат. Матеріали першої Міжнародної науково-технічної конференції – ТМК-98.- Львів: Видавництво “ОКСАРТ”,1998.- С. 164-166.

10. Елагин Б.Т. Учет лучистой энергии Солнца в архитектуре: Уч. Пособие.-К.:УМК ВО, 1992.-140 с.

11. Естественное и искусственное освещение. Нормы проектирования. СНиП ІІ-4-79. [С изменениями] // Светотехника, 1991, № 6. - С. 1-31.

12. Зрение без очков: пер. с англ./ Сост. В.В. Шарпило. – Мн.: Парадокс, 1998. – 416 с.

13. Кравков С.В. Глаз и его работа. – М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1950. – 531с.

14. Лабораторный практикум по строительной физике: Учеб. пособие для студентов вузов / Объедков В.А., Соловьев А.К., Кондратенков А.Н. и др.- Высш. школа, 1979.- 221 с.

15. Мешков В.В. Основы светотехники. – М.: Энергоиздат, 1979. –368 с. Пособие по расчету и проектированию естественного, искусственного и совмещенного освещения. /НИИСФ. –М.: Стройиздат, 1985.

16. Містобудування. Планування і забудова міських і сільських поселень. ДБН 360 – 92^*. Міністерство України у справах будівництва і архітектури (Мінбудархітектури України). – Київ, 1993.

17. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 10. Украинская ССР. Книга 1. Часть 1. Солнечная радиация. - Л.: Гидрометеоиздат (ГМИ), 1990.

18. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3, многолетние данные. Части 1-6. Выпуск 10. Украинская ССР. Книга 2. Часть 5. Облачность, атмосферные явления….- Л.: Гидрометеоиздат (ГМИ), 1990.

19. Оболенский Н.В. Архитектура и солнце.- М.: Стройиздат, 1988.

20. Пособие по расчету и проектированию естественного, искусственного и совмещенного освещения (к СНиП II-4-79) / НИИСФ. - М.: Стройиздат, 1985. -384с.

21. Пэдхем Ч., Сондерс Дж. Восприятие света и цвета. Перевод с англ. – М.: Изд-во «Мир», 1978. – 256 с.

22. Руководоство по проектированию естественного освещения зданий/ НИИСФ. – М.: Стройиздат, 1976 – 96 с.

23. Русин Н.П. Прикладная актинометрия. - Л.: Гидрометиздат, 1979.

24. Соловьев С.П., Динеева Ю.М. Стекло в архитектуре.- М.: Стройиздат, 1981.

25. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга.- М. : Энергоатомиздат, 1983.

26. Справочная книга по светотехнике. Ч. ІІ. Основы светотехники и осветительные установки. - М.: Изд-во АНСССР, 1958.

27. Штейнберг А.Я. Расчет инсоляции зданий.- К.: Будивельнык, 1975.

28. Ярбус А.Л. Роль движений глаз в процессе зрения. – М.: Наука, 1965.