3.1.2 Основные климатические характеристики, используемые в архитектурно-строительном проектировании

Влияние климата учитывают при решении многих архитектурно- строительных задач: выборе территорий застройки, способа застройки, планировочных и конструктивных решений зданий, их ориентации, ос­вещения, инсоляции, аэрации и т.д.При решении этих и других задач используют исходные кли­матические характеристики, которые можно разделить на две группы.

К первой группе относят комплексные характеристики: клима­тическое районирование, радиационно-тепловой режим, тепло-влаж­ностный режим, снего- и пылеперенос, наличие косых дождей в сочетании с ветром и др.

Ко второй группе относят пофакторные характеристики: солнечная радиация (приход в виде тепла на горизонтальную и вертикальную поверх­ности, продолжительность облучения, интенсивность ультрафиолетовой радиации), температура воздуха (экстремальная, среднесуточная, отопи­тельного периода, амплитуда колебаний и др.), влажность (абсолютная и относительная), ветер (направление, скорость, повторяемость), осадки (средние, экстремальные, снежный покров).

Характеристики, относящиеся к первой группе, используют для об­щей фоновой оценки климата обширных территорий. Они нацеливают на разработку типологических особенностей проектных решений для терри­торий с примерно одинаковыми фоновыми показателями климата.

Вторую группу показателей используют при выборе способов за­стройки, в теплотехнических расчетах ограждающих конструкций приобеспечении требуемого микроклимата помещений, мер по отводу воды с покрытий зданий и территорий, при решении других архитектурно-строительных задач.

Местные климатические характеристики являются, как правило, следствием изменения фоновых условий климата территорий подстилаю­щей поверхностью данной местности (рельефом, растительностью, аквато­риями, типом городской застройки и др.).В строительстве всегда имеется в виду конкретно заданный район, и в процессе проектирования должны учитываться климатические особенно­сти этого района.

Климатический анализ основан на сведениях об основных климато­образующих факторах: солнечной радиации, температуре и влажности воз­духа, ветре и количестве осадков. Количество тепла, поступающего от солнечной радиации, зависит от географической широты местности, состояния атмосферы и подстилающе­го слоя, расположения поверхности, ее ориентации по сторонам света и времени года и суток. Так, загрязненность атмосферы в результате выбро­сов и отходов промышленных предприятий, транспорта и других источни­ков значительно уменьшает количество прямой солнечной радиации. В крупных городах это уменьшение достигает 40% от радиации в пригоро­дах.

Состояние земной поверхности также сказывается на количестве солнечной радиации, приходящейся на нее. Летом земная поверхность большую часть тепла поглощает, а зимой - отражает. Количество радиа­ции, отраженной от поверхности земли, зависит от отражательной способ­ности поверхности, характеристикой которой является альбедо  отноше­ние количества отражённой солнечной радиации к количеству приходящей. Так, свежий снег имеет коэффициент отражения тепловой радиации около 0,8, трава зеленая - около 0,08, вода - 0,05, кирпич красный - 0,3 и т.д.

При решении ряда архитектурно-строительных задач используют сведения о солнечной радиации в виде прямой, рассеянной и суммарной ее составляющих.

Прямая солнечная радиация - это часть солнечной радиации, посту­пающей на поверхность в виде пучка параллельных лучей, исходящих не­посредственно от видимого диска Солнца.

Рассеянная солнечная радиация - это часть солнечной радиации, по­ступающей на поверхность со всего небосвода после ее рассеивания в ат­мосфере.

Суммарная солнечная радиация - представляет сумму прямой и рас­сеянной.

В ряде теплотехнических расчетов и при решении вопросов за­стройки (ориентация здания, выбор солнцезащитных устройств и др.) ис­пользуют усредненные почасовые (до и после полудня) и суточные данные о количестве прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на разных широтах на горизонтальные и вертикальные поверхности разной ориентации при безоблачном небе. Такие сведения о солнечной радиа­ции, например, в июле месяце используют при расчетах теплоустойчивости ограждающих конструкций и воздухообмена в помещениях.

Солнечная энергия, наряду с тепловой функцией, выполняет важную роль как ресурс естественного освещения и ультрафиолетового облучения. Лучистая энергия солнца и естественный свет оказывают опре­деляющее влияние на жизнедеятельность, физиологические и пси­хологические процессы в живых организмах. Особенно велико значение ультрафиолетового излучения. Данные об ультрафиолетовой радиации используют при расчетах инсоляции помещений жилых и общественных зданий и застройки населённых мест.

Максимальное количество солнечной радиации при безоблачном не­бе в летнее время получают вертикальные ограждения, ориентированные на запад и юго-запад. Комплексное воздействие интенсивной солнечной радиации и высоких послеполуденных температур создает весьма неблаго­приятные условия для человека, особенно в жилых помещениях. В связи с этим предусматривается расчет и конструирование ог­раждающих конструкций с учетом теплоустойчивости.

Температура воздуха является одной из важнейших климатических характеристик. В архитектурно-строительном проектировании используют чаще всего следующие показатели температуры воздуха:

1.Среднюю температуру воздуха по месяцам и за год, которая ха­рактеризует температурный режим по отдельным месяцам и всему году. Показатель используют для общей оценки климата местности, выбора объемно-планировочных и конструк­тивных решений, норм расхода топлива и др;

2.Среднюю температуру воздуха наиболее холодного периода, оп­ределяемую как среднюю температуру периода, со среднесуточной температурой воздуха, равной и меньше 8° С. Показатель используют припроектировании систем отопления, определении расхода топлива и др;

3. Абсолютную минимальную и абсолютную максимальную температуру воздуха, т.е.наиболее низкие и наивысшие пределы температуры воздуха в данном пункте за весь период наблюдений. Показатели относятся к числу экстремаль­ных значений, так как для практических целей недостаточно иметь только средние значения метеорологических наблюдений. Учет этих показателей необходим для многих отраслей народного хозяйства, в том числе и для строительства; он позволяет предупредить аварии и стихийные бедствия, возникающие вследствие резкого изменения погоды (температур, штормовых ветров, обильных осадков и т.п.);

4.Среднюю температуру воздуха наиболее жаркого месяца. Этот показатель рассчитывают как среднее значение ежедневных значений тем­пературы воздуха за период наблюдений. Обеспеченность этого показателя составляет в среднем 0,5. Показатель используют в основном при разработ­ке мероприятий по защите зданий от перегрева;

5.Температуры воздуха наиболее холодных суток и наиболее хо­лодной пятидневки, которые рассчитывают на основе выборки их значений за 30-50 лет. Эти показатели лежат в основе теплотехнических расчетов ограждающих конструкций (расчеты сопротивления теплопередаче и др.);

6.Среднюю температуру воздуха наиболее жарких суток, которую рассчитывают по среднесуточным значениям температуры воздуха летних(июль - август) месяцев. Показатель используют при расчете теплоустойчивости ог­раждающих конструкций, проектировании солнцезащиты зданий, конди­ционирования воздуха и др.

Влажность воздуха является другим важнейшим показателем ги­гиенического состояния воздушной среды в помещениях и на территории застройки. Кроме того, она оказывает влияние и на состояние строитель­ных конструкций, например, на теплотехнические свойства материалов и их долговечность.

В воздухе всегда присутствует водяной пар. Количественное содер­жание влаги ввоздухаоценивают обычно в единицах абсолютной влажности, то есть количеством влаги в граммах, содержащимся в единице объёма.

В строительной климатологии и теплотехнических расчетах чаще используют величину парциального давления водяного пара е, Па ("парциаль­ный" - частичный; парциальное давление - это давление газа (пара), нахо­дящегося в смеси с другими газами). Парциальное давление зависит от влагосодержания воздуха. Эту характеристику называют также упругостью водяного пара.

Упругость водяного пара возрастает по мере увеличения количества пара в воздухе. Но, как и абсолютная влажность, она не может возрастать беспредельно в воздухе с определенной температурой и барометрическим давлением. Максимальное значение упругости водяного параЕ, Па, соот­ветствует полному насыщению воздуха водяным паром. ЗначенияЕ увели­чиваются с увеличением температуры и давления воздуха.

Степень насыщения воздуха водяным паром характеризуется отно­сительной влажностью. Относительная влажность воздуха φ представляет собой процентное отношение упругости водяного пара в рассматриваемой воздушной среде е к его максимальному значениюЕ, соответствующему температуре этой среды, то есть

Нормальной для человека считают относительную влажность в пре­делах 50-60% при температуре 18-20°С (температура в помещениях).

При нагревании воздуха с определенным влагосодержанием относи­тельная влажность понижается, так как величина упругости водяного пара е не изменяется, а ее максимальное значение с повышением температуры увеличивается. Наоборот, с понижением температуры относительная влаж­ность будет увеличиваться, и при некотором значении температуры может достигнуть своего предела (100%), и тогда наступает состояние полного насыщения охлажденного воздуха водяным паром.

Температуру, при которой наступает полное насыщение воздуха во­дяным паром, называют температурой точки росы. При дальнейшем понижении температуры часть влаги из воздуха будет конденсироваться, то есть переходить в жидкое состояние.

В практике эксплуатации зданий нередки случаи образования кон­денсата на поверхностях ограждающих конструкций. Причиной образова­нии влаги является понижение температуры на поверхности ограждения ниже значения температуры точки росы. Чаще всего конденсация наступа­ет на внутренних угловых поверхностях конструкций и в других недоста­точно утепленных местах. Образование влаги на конструкциях ухудшает гигиеническое состояние помещения, снижает теплозащитные свойства конструкций и сокращает срок их службы, способствует гниению, возникновению грибковых образований, коррозии и т.д.

Ветер, особенно в сочетании с изменяющейся температурой, влаж­ностью воздуха и осадками, существенно изменяет восприятие человеком погоды, что, в свою очередь, сказывается на его физическом и психологическом состоянии.

Ветер может создавать пыльные бури, метели, бураны, а также пере­носить промышленные отходы, загрязняющие атмосферу. В сочетании с дождем он приводит к увлажнению ограждающих конструкций зданий, снижая их долговечность. Силовое воздействие ветра на здания и сооруже­ния во многом определяет их конструктивное решение, особенно в вопро­сах обеспечения устойчивости.

В холодное время года под воздействием ветра значительно увели­чиваются теплопотери здания, особенно через неплотности окон и дверей. При большой скорости ветра теплопотери в зданиях возрастают на 30-40%.Вместе с тем, ветер может способствовать улучшению аэрации тер­ритории застройки, наилучшему воздухообмену внутри зданий, высу­шиванию строительных материалов, а при определенных параметрах и смягчению отрицательного воздействия высоких температур, и влажности.

Ветровой режим в строительной климатологии оценивают повто­ряемостью направлений ветра и средней скоростью ветра по румбам.

В архитектурно-строительном проектировании принято харак­теризовать направления ветра по 8 румбам. В соответствии со сторонами света различают северный, северо-восточный, восточный, юго-восточный, южный, юго-западный, западный и северо-западный румбы. Многолетние данные о ветровом режиме местности изображают графически в виде так называемой "розы ветров" (рис. 3.1).Данные о ветровом режиме обязательны при разработке генераль­ных планов застройки, расчетах аэрации, оценке планировочных решений, разработке специальных мероприятий по снего- и пылезащите, определе­нии размеров санитарно-защитных зон, в расчетах теплопотерь из здания и др. Осадки, как правило, оценивают по значениям их среднего количе­ства за год, месяц или сутки и характеризуют высотой слоя воды, мм, обра­зовавшегося на горизонтальной поверхности от выпавшего дождя, мороси, обильной росы и тумана, растаявшего снега, града и снежной крупы при отсутствии стока, просачивания и испарения.

Рис 3.1 - Роза ветров для г. Краснодара: а – январская; б – июльская; в – годовая.

При решении вопросов повышения долговечности наружных стен используют сведения о количестве осадков, выпадающих на вертикальную поверхность наветренной ориентации за какой-либо период.Сведения о количестве осадков необходимыпри проектировании водоотвода с покрытий зданий, территории застройки, дорог, при выборе конструктивных решений ограждающих конструкций и т.д. В ряде случаев крайне необходимо учитывать критические макси­мальные значения осадков.

Снежный покров является, прежде всего, существенной дополни­тельной нагрузкой на конструкции зданий, что учитывают при расчете не­сущих элементов здания. Кроме того, переносимый снег значительным образом влияет на условия эксплуатации зданий и территорий, усложняет организацию движения транспорта, людей и т.д. Вместе с тем, снежный покров имеет и положительное значение как фактор улучшения естествен­ного освещения, защиты грунтов от более глубокого промерзания и т.д.