Lektsii_Klim_rus_2012

31

6.3. Вплив рельєфу на вітровий режим

Для обліку рельєфу у формуванні вітрового потоку будуються дві схеми, які кресляться на топографічній основі:

1.схема кутів нахилів місцевості;

2.схема розподілення схилів по експозиціям.

Отримані карти-схеми експозиції схилів та кутів нахилу рельєфу поєднуються. На остаточному рисунку відмічаються межі експозиції схилів та межі переходу похилів, при цьому усі схили розподіляються на три види: верхню, середню та нижню. Більш детально з цим можна ознайомитись в роботі Ф.Л. Серебровського „Аэрация населенных мест”.

6.4. Гігієнічні характеристики комфортності середовища

У роботі К.І. Семашка позначається, що швидкість більша 5 м/с сприймається людиною незадовільно. Там же установлюються величини комфортних швидкостей вітру, які необхідно враховувати під час проектування міського будівництва. Комфортними треба вважати швидкості вітру в межах:

0,6 - 2,5 м/с для температур на інтервалі від +10°С до –10°С, що відповідають середній смузі СРСР. На Україні за даними СНиП 2.01.01 – 82 середньомісячна січнева температура знаходиться у межах від –7,9 °С у м. Суми до +4 °С у м. Ялті.

1 – 3 м/с для температур в інтервалі від +10°С до 30°С Особисту увагу гігієнічним характеристикам повітряного середовища треба приділяти під час

проектування будівництва оздоровчих пунктів населення. Так, для кардіологічних хворих вітер зі швидкістю 3м/с діє негативно. Дослідження показують, що комфортну зону для прийняття повітряних ван всім хворим в умовах Південного берегу Криму можна визначити у межах 0,8 - 2,7 м/с.

6.5. Методи оцінки забудови за аеродинамічними показниками

Щоб мати можливість кількісно характеризувати вітровий режим у житловому будівництві використовуються різні критерії оцінки планових елементів міста за аеродинамічними

де Si площина зони з локальною швидкістю ui ;

So – загальна площина території забудови (без будинків);

uо - швидкість вільного потоку вітру (якби на вибраній території не було забудови). Збільшення критерію kВ означає збільшення провітрювання забудови.

Для одержання кількісної характеристики дії вітру архітектори застосовують різні засоби побудови вітрових тіней за будинками. За вітрову тінь вважається територія за будинком, де швидкість вітру становить 50% і менше від швидкості потоку, що набігає. Довжину вітрової тіні (l) виражають у висотах будинку (Н) і знаходять за спеціальними графіками в залежності від довжини будинку (L). Вітер діє нормально до площі стіни будинку.

32

Можна також приблизно знаходити площину вітрової тіні за формулою

Максимальне значення вільного повітряного потоку становить 7 м/с.

Невдосконаленістю цього методу є те, що вітрові тіни будуються окремо для кожного будинку і не враховується вплив будинків один на одного і складна аеродинамічна ситуація в забудові. В залежності від геометрії будинків їх взаємного розташування, напряму дії вітру, вітер змінюється не тільки за величиною швидкості, а й за напрямом. Крім цього на торцях будинків утворюються зони підвищених швидкостей. Особливої неприємності слід чекати біля висотних будинків, які являються дуже сильними турбулізаторами повітря в приземному шарі.

Для виявлення вітрового режиму в забудові на етапі проектування можливе використання модельного експерименту в аеродинамічній трубі або чисельного за допомогою комп’ютера. На рис 6.1 показано лінії рівних швидкостей у приземному шарі забудови (на рівні пішоходів), що одержані за результатами іспитів в аеродинамічній трубі. Швидкості дані в відносних до вітрового потоку, що набігає, одиницях. На рис 6.2 приведено результати чисельного моделювання (розробка наукової групи “ВІТЕР” кафедр архітектури та прикладної математики ДонНАБА) за допомогою ПЕВМ.

Очевидно, що найбільш сучасним методом оцінки аерації забудови є моделювання на комп’ютері. Метод ґрунтується на закладах чисельних методів. Він дозволяє в автоматичному режимі на персональних комп’ютерах 4 - 5 поколінь наводити картину швидкостей і напряму дії вітру в забудівлі. Спеціальна програма адаптована до графічного редактору AutoCAD, що дозволяє архітектору на сучасному рівні оцінювати різноманітні варіанти забудови і вибирати оптимальні з точки зору аеродинаміки забудову.

Останнім етапом роботи над аерацією забудови є її оптимізація засобами благоустрою. Тут архітектор використовує знайомий йому набір засобів (вітрозахисні перешкоди, зелень, малі архітектурні форми) для покращення вітрового режиму в місцях відпочинку людей.

33

Рис. 6.1. Результати іспитів моделі мікрорайону ”Восточный” м. Донецька в аеродинамічній трубі

Рис. 6.2. Результати чисельного моделювання вітрового режиму за допомогою ПЕОМ

34

Лекція 7 Кліматологія міста

7.1. Особливості клімату великих міст

Кліматична ситуація, що виникає в місті може поділятися на три рівня: макроклімат, мезоклімат і мікроклімат.

Мікрокліматичні явища відбуваються біля поверхні землі і залежать від особливостей підлеглої поверхні, на висоті десятків і сотень метрів.

Мезоклімат формується у взаємодії загально-кліматичних факторів з природними факторами підлеглої поверхні місцевого масштабу - це наявність великого водойму, лісного масиву, міста і т. і. Особливості мезоклімату спостерігаються і проявляються в шарі повітря над деякою поверхнею від 2 до 20 метрів і більше та послабшають з висотою.

Мікроклімат об’єднує фізичні явища, які відбуваються в безпосередній наближеності до поверхні ґрунту на висоті зросту людини 1,5 2 м, посилюючись по мірі наближення до ґрунту. Над містом в наслідок його побутової і промислової діяльності суттєво змінюється метеорологічний режим і утворюється особливий мезоклімат:

-на 10 - 25% зменшується притік прямої сонячної радіації;

-внаслідок ефективного випромінювання окремих ділянок поверхні, в тому числі від енергетичних устаткувань, в місті створюються „острови тепла”, в котрих частина техногенного тепла може скласти до половини радіаційного;

-температура повітря в місті в зв’язку з цим може бути вище навколишньої на 7-15 °С;

-внаслідок існування ядер конденсації, аерозолів в повітрі кількість атмосферних випадів над містом зростає взимку на 50 %, влітку на 15 % і простежується на 40 – 50 км з підвітряного боку;

-в порівнянні з приміською територією в добовому ході випадів спостерігаються два максимуми - рано вранці і рано ввечері;

-стік з поверхні атмосферних випадів з території міста з-за штучних покрівель в декілька разів перебільшує стік з ґрунту поза містом;

-повітря над містом в середньому на 5 10% сухіше, досягає вологості 30 40% вечором влітку, якщо вулиці не поливаються;

-повторюваність туманів в промисловому місті бува в 1,5 2 рази більшою, ніж за його

межами.

Мікроклімат території міста поряд з загально метеорологічними факторами залежить головним чином від вітрового режиму, особливостей і характеру підлеглої поверхні.

Закритість горизонту в мікрорайоні залежить від кількості поверхів і знаходиться відношенням площини, яка затінена будинками від сонця житловими будинками терміном нормативного часу, до площини житлової території. Знаходиться вона розрахунком з побудованого ”конверту тіней” і знаходиться в межах 25 75% житлової зони.

Інша особливість поверхні міста - присутність різного роду покрить (дахи будинків, доріг, площ), які займають до 50% території міста, з низькою відбивною спроможністю для сонячних і високою теплоємністю для теплових довгохвильових промінів.

За рахунок різнобарвних відбиваючих поверхонь на рівні мікроклімату можуть відбуватися різкі зміни кліматичних параметрів, наприклад:

-температура асфальтового покриття під сонцем майже на 25°С перевищує температуру повітря на рівні 2 м, а температура зеленого газону на 10°С;

-інтенсивність теплового випромінювання від поверхні може досягати величини 700 800 кВт/м2, що дорівнює величині прямої сонячної радіації опівдні;

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

10%.

Активна роль формування мікроклімату належить елементам благоустрою. Елементи благоустрою поділяють на дві групи. Перша група - покриття проїздів, доріжок, майданчиків. Це найчастіше штучні споруди які мають низькі відбиваючі властивості для сонячних промінів (від 10 до 27%) і особливо для довгохвильових теплових промінів (до 11%), трансформують до

35

90% всієї променевої енергії в тепло. Це тепло іде на нагрів поверхні і повітря і майже не витрачається на випарювання вологи. Цим, наприклад, обумовлюється засушливість пустелі, бо там різко збільшуються витрати тепла на випарювання в порівнянні з оазисом.

Тому дія елементів першої групи може бути:

-позитивною - в прохолодний час року (весна, осінь) при сонячній погоді;

-негативне – в жарку погоду, коли тепло від перегрітих поверхонь впливає відчування

гнітючої духоти.

Елементи благоустрою другої групи, особливо зелені насадження, створюють найбільш благо приємний мікроклімат для людини.

7.2. Ландшафтне зонування і кліматичне районування території великих міст

На території великого міста за функціональним призначенням звичайно виділяють шість зон: селітібна, промислова, комунально-складська, зовнішнього транспорту, рекреаційна, санітарнозахисна. Крім цього може бути громадянські центри, парки приміські лісопарки. В сукупності з забудовою, інженерними спорудами і зовнішнім благоустроєм вони утворюють середовище міста.

В наслідок різноманітності вони утворюють різні планувальні засоби організації оптимального середовища.

Основою зонування житлової території є особливості теплового балансу ділянок з різним благоустроєм, їх розташування відносно забудови і функціонального призначення виділяються наступні зони:

-смуга біля будинків шириною до 10 м (закритість горизонту 0,75 - 0,55);

-проїзди - тротуари біля стін домів на відстані 5-10м (закритість горизонту 0,65 - 0,50);

-різні майданчики на відстані 20м і більше від стін домів (закритість горизонту 0,50 - 0,25);

-зелені насадження.

Оцінка умов мікроклімату жилої території проводиться в залежності від класифікації. Приклади результатів оцінки наведено на рис.

В практичному містобудуванні напрацьовані основні ситуації, які вважаються важливими при проектуванні:

-асфальтові прибудинкові смуги стримують формування різко дискомфортних умов з 9 до 21 ч, зелені стримують цей період на 5 - 7 годин, але недостатньо поліпшують мікроклімат;

-для проїздів і тротуарів найліпшими являються бетонні покриття, замість асфальтових;

-проїзди треба віддаляти від стін, що інсолюються, не менш ніж на 8м, скорочує дискомфорт на 1,5 - 2 год;

-в літній період необхідно затіняти проїзди (тротуари) у південних стін з 10 - 11 до 15 - 16 год, а біля західних - після 12 - 13 год.;

-найбільш сприятливий мікроклімат на дитячих майданчиках, які мають штучне бетонне покриття або світлий ґрунт, поліпшений додатками з піску або дресви, при умові відстані від будинків на 40 – 50 м;

-необхідно часткове затінення тихого і активного відпочинку висококронними деревами з 11-12 до 16-17 ч.;

-всякі зелені насадження в ранкові часи до 11-12 ч і після 14-15 ч. забезпечують

комфортні умови.

Біокліматичним критерієм оцінки комплексу метеорологічних показників на відчування тепла людиною є еквівалентно-ефективна температура. Регулювання щільності забудови, температури і вологості оточуючих забудову поверхонь і просторів шляхом зміни розташування ділянок відносно забудови і стін будинків, підбор покриття ділянки і використання землі дає змогу активно і ефективно впливати на елементи мікроклімату і, внаслідок цього, на відчуття людини.

36

7.3. Будівельно-кліматичний паспорт міста

Зібрання метеорологічних і геофізичних даних, які характеризують загальні і місцеві погоднокліматичні умови і які використовуються в містобудівній практиці, представляються в вигляді будівельно-кліматичного паспорту міста.

Вгрупу загальних характеристик входять:

-сонячна радіація - прихід на горизонтальну і вертикальну поверхні, тривалість випромінювання, ультрафіолетова радіація;

-температура повітря - середня, екстремальна; зимового, літнього і опалювального періодів;

-вітер - напрямок, швидкість;

-вологість повітря - відносна, абсолютна;

-опади - суми, середні і екстремальні, сніговий покров, ожеледь;

-промерзання ґрунтів - глибина, хід нульової ізотерми в зимовий час.

До групи комплексних характеристик входять:

-кліматичне районування;

-радіаційний і тепловологісний режими - еквівалентно-ефективна температура;

-погодні умови - суворість клімату, термічна роза вітрів, сніговий клімат, снігоперенос, піскоперенос, косі дощі.

Більш докладніше з вимогами до будівельно-кліматичного паспорту міста можна ознайомитись в „Рекомендациях по методике строительно-климатической паспортизации городов для жилищного строительства”, розробленого ЦНИИЭПжилища м. Москва у 1981 р.

7.4. Ефективність архітектурних засобів

Зниженню витрат тепла сприяють наступні заходи:

-збільшення ширини корпуса з 12 до 16 метрів на 8 – 9 %;

-збільшення поверхів до 12 - на 4%;

-застосування подвійних окремих віконних перепльотів замість спарених - на 10 -12%;

-застосування теплозахисного скла, вкритого плівкою двоокисі олова - на 7 – 10 %. Підвищують витрати тепла наступні заходи:

-збільшення на 20 см висоти поверху - на 3-4 %;

-влаштування лоджій, які входять в теплий об’єм будинку - на 4 – 6 %;

-застосування невщілених притворів вікон, погана заділка віконних коробок - на 13-14 %.

Планувальне рішення квартири мало впливає на температуру повітря, але суттєво - на його рух. Провітрювання помешкання наскрізь в декілька разів інтенсивніше бокового чи кутового.

В умовах літнього перегріву житла температура в помешканнях залежить від наявності сонцезахисних пристроїв і орієнтації вікон. Так при відсутності сонце захисту температура в західних і східних кімнатах на 3 - 3,5° вище, ніж в північних. Літом в південних районах в помешкання через вікна надходить більш 70% тепла. Але застосування регульованого сонцезахисту.

37

Лекция 8 Энергоактивные здания с использованием ветровой, гео-, гидротермальной энергии, биогаза.

Человечество стоит перед проблемой исчерпания традиционных источников энергии и видит выход в использовании не традиционных, альтернативных. Задача архитекторов – придание привлекательного архитектурно-художественного облика энергоактивным зданиям, а строители призваны дать оптимальные конструктивные решения и продуманные технологии возведения таких зданий.

Ветроэнергоактивные здания (ВЭАЗ) – принципы подхода

ВЭАЗ – здания (жилые, промышленные или сельскохозяйственные) наделенные дополнительными функциями – улавливать и преобразовывать энергию ветра в другие виды: электрическую, тепловую или механическую. Скорость ветра на высоте 1,5 м должна составлять не менее 3 м/с.

Ветер – производная от солнца, характеризуется интенсивностью, направленностью и периодичностью, здания деформируют воздушные потоки.

Ветровой поток, проходящий через сечение площадью F со скоростью u, имеет мощность

где ρ – плотность воздуха (при температуре 15 оС значение ρ = 1,225 кг/м3); ρи2/2 – кинетическая энергия.

Следует отметить, что неточность в оценке скорости ветра на 1 – 1,2 м/с для диапазона скоростей 3 – 6 м/с может привести к ошибке в оценке энергии ветра, достигающей 100 % и более.

Учет рельефа осуществляется на основании поправочных коэффициентов, значения которых для уровня 2 м от поверхности земли даются в таблице 7.1.

Пересчет скорости на высоту ветроагрегата осуществляется по степенному закону, приведенному в первой лекции.

Принципы проектирования ВЭАЗ:

1.Здание снабжается подвижными элементами, трансформируемыми в элементы ветроколеса.

Реализация осуществляется:

-использование поворотных створок светопроемов (зенитные фонари на покрытиях);

-придание створкам аэродинамической формы;

-выработка электроэнергии генератором (на рис. 7.1 показана работа по первому принципу).

Рис. 7.1. Ветроэнергоактивные элементы зданий - группа зенитных фонарей с защитными

створками, трансформируемыми в лопасти ветроколеса: а – разрез, б – план

38

Таблица 7.1 - Коэффициенты изменения скорости ветра в различных условиях рельефа по сравнению с открытым ровным местом (на высоте 2 м)

2. Наличие конструктивных элементов здания, увеличивающих интенсивность ветра. Эффективность достигается за счет:

-нагнетающе-разряжающей форме покрытия (конфузор-диффузор);

-установке в узком месте ветротурбины;

-генерирования энергии (схема на рис. 7.2 дает представление о работе по второму принципу).

40

настоящее время нерешенными являются проблемы отбора и аккумулирования энергии, шумо- и виброзащиты и т. п.

Гидротермальные энергоактивные здания (ГидроЭАЗ)

Используется низкопотенциальная тепловая энергия, накопленная в водоносных пластах земной поверхности,. Источники энергии могут быть естественными (гейзеры) или искусственными (сбросные воды ТЭЦ, металлургических производств и т. п.).

Реализация может осуществляться:

-пропуском гидротеплоносителя через полости ограждающих конструкций;

-напорной подачей воды через трубчатые теплообменники;

-забор воды из водонасыщенного слоя грунта.

Конструктивное решение ГидроЭАЗ:

1.Выполнение фундаментов в виде резервуара (гидроколлектора), гидроизолируется от внешней среды и воспринимают нагрузки от здания.

2.Здание с гидротермальным коллектором, расположенным в водонасыщенном слое грунта.

Рис 8.4. Конструктивное решение здания с гидротермальными коллекторами

Рис. 8.5. Здания гидротермальным коллектором, размещенным в водонасыщенном слое грунта В любом случае конструкция фундамента выполняется из водоустойчивых материалов.

Примеры конструктивного решения таких зданий приведены на рис. 7.4 и 7.5.

Геоэнергоактивные здания (ГеоЭАЗ)

Используется низкопотенциальная тепловая энергия, накопленная в толще земной поверхности. Слой земли в пределах 1,5 – 3 м от поверхности земли представляет практический