З архітектурної кліматології

 

(для студентів архітектурної спеціальності 7.120101)

 

Затверждено на засіданні кафедри

“Архітектура промислових і цивільних будівель”

Протокол № 4 від 05.02.2009

 

 

Макіївка ДонНАБА 2009

 

УДК 69.022 / 026

Тимофєєв М.В. Будівельна кліматологія. Конспекти лекцій для студентів архітектурної спеціальності. – Макіївка, ДонНАБА, 2009. – 38 стор.

 

Наведено основні уявлення про кліматичні параметри, що використовуються в проектуванні, типи погоди і режими експлуатації будівель, оцінку інсоляції та вітрового режиму забудови, виконанню кліматичного паспорту міста, наведено список рекомендованої літератури. Призначено для студентів архітектурної спеціальності (7.120101)

Даны основные представления о климатических параметрах, используеміх в проектировании, типах погоды и режимах эксплуатации зданий, оценке инсоляции и ветрового режима застройки, выполнению климатического паспорта города, приведен список рекомендуемой литературы. Предназначено для студентов архитектурной специальности (7.120101)

 

 

Укладач:      доц. М.В. Тимофєєв

 

 

Відповідальний за випуск: доц. М.Г. Прищенко

 

 

Рецензент:  доц. А.М. Носаль

 

 

 

 

ЗМІСТ

       Вступ…………………………………………………………………………………….3

1. Природно - кліматичні фактори навколишнього середовища…………………….3

2. Сполучення кліматичних факторів...................................................................……..12

3 Природно-кліматичне районування території……………………………………..15

4. Вплив погодних умов на експлуатацію будівель…………………………………..19

5. Інсоляція житлової забудови………………………………………………………..25

6. Аерація території міста………………………………………………………………31

7. Кліматологія міста……………………………………………………………………35

8. Енергоактивні будинки з використанням сонячної, вітрової, гео-,

 гідротермальної енергії, біогазу……………………………………………………..

 

 

Вступ

Будівельна кліматологія є складовою частиною дисципліни “Будівельна фізика” і забезпечує дисципліни  “Будівельна теплофізика”, “Типологія житла”, “Містобудівництво”. Конспект лекцій написано для узагальнення всієї інформації, що розкидана по окремих виданнях, що мають спеціалізований характер. Приведений список літератури необхідний для доповнення і поглиблення знань студентів. В конспекті дані основні поняття і інформація про методи оцінки і урахування кліматичний факторів при проектуванні.

Лекції 1-5, 7 підготовлені М.В.Тимофєєвим; лекція 6 є переведеним на українську мову і скороченим ы доповненим варіантом лекцій 10, 11, написаних В.О.Єгорченковим (Конспект лекций по дисциплине “Архитектурная светофизика”- Макеевка, 2000), що в даному виданні наводиться за згодою автора.

 

Лекція 1

Природньо-кліматичні фактори навколишнього середовища

Історичні аспекти

Кліматологія - це наука про клімат, його типи, умови розповсюдження по земній поверхні та зміни за часом. Клімат є однією з гео­графічних ха­ракте­ристик місцевості, знання і розуміння котрої необхідно для правильного рішення питань господарської діяльності людини та пристосування його житлово-побутових умов до навколишнього середовища.

Предметом вивчення кліматології є погодні умови, сукупність виявлення яких в приземному шарі атмосфери утворює клімат даної місцевості.

Ще Аристотелем (384-322 рр до н.е.) було висловлено, що найбільш гігієнічні міста ті, які розташовані на східних схилах і обдуваються вітрами зі сходу. Наступним за значенням він вважав захист від північних вітрів, оскільки це пом’якшує зиму.

Римський архітектор і інженер Вітрувій у другій половині 1 в. до н.е. в “Десяти книжках про архітектуру” вперше систематизував і визначив основні принципи обліку кліматичних умов в будівництві і містобудуванні. Маючи на увазі природньо-кліматичні умови, Вітрувій писав, що ніяка будівля не буде здоровою поза цих умов.

Враховуючи тривалий термін від згаданих часів до сьогодення, не слід мати сумнівів про накопичення дуже багатого досвіду в цій галузі. Сьогодні діяльність архітектора базується на роботах вчених Головної Геофізичної обсерваторії (ГГО ім. А. І. Воєйкова) м. С.-Петербурга, ЦНДІП будівель м. Москви, КиївЗНІІДТПмістобудівництва- м. Києва, та інших.

Кліматологія базується на статистичних даних метеорології – вони називаються строковими замірами. На Україні зараз експлуатуються 187 метеостанцій та метеопостів. Раніше вони входили до системи Гідромету СРСР. Головною організацією є ГГО ім. А.І. Воєйкова (С. Петербург), спостереження на якій ведуться з 1849 р (починав роботи Г.І. Вільд). В СНиП 2.01.01-82, що продовжує діяти в Україні містяться данні, що були зібрані до 1962 р за період спостереження біля 50 років. Зараз ведуться роботи по перегляду та уточненню нормативної кліматичної інформації.

Клімат в будівельній практиці розглядується на різних рівнях і підрозділяється на макро - (регіони держави), мезо - (великі території) та мікроклімат (територія забудови). Клімат впливає на людину через мікроклімат будівель і забудови. Сонячна радіація і вітер – основні елементи, що пов’язують клімат і мікроклімат в єдину систему. В цьому зв’язку будівельна кліматологія враховує взаємодію клімату, архітектурно-планувальної структури міст і архітектури будинків.

1.2. Загальні поняття про клімат і кліматоутворюваючі фактори

Слово «клімат» виникло від гречеської кліма - буквально “нахил" сонячних промінів до земної поверхні. Це означає, що першоосновою кліматоутворюючих процесів є сонячна радіація і експозиція земної поверхні відносно Сонця.

Кліматом, в сучасному розумінні, вважають типовий багаторічний режим погоди, який є властивістю конкретної місцевості і проявляється в визначених метеорологічних показниках. Багаторічний режим погоди це:

- сукупність усіх погодних умов даної місцевості за декілька десятків років;

- типова щорічна зміна погод і можливі відхили її від норми в окремі роки;

 - рідкі аномальні умови погоди, характерні для кожної кліматичної зони (похолодання, засуха, дощові періоди, вітри і т. і.)

До фізичних процесів, які обумовлюють клімат, відносяться: сонячна радіація (по всьому спектру промінів в діапазоні довжин хвиль 3×10² – 6×10² нм в ультрафіолетовій, видимій і інфрачервоній областях спектру); теплооберт біля земної поверхні; вологооберт в атмосфері; повітряна циркуляція.

Окрім цього треба врахувати сучасний стан навколишнього середовища, пов’язаний з промисловою діяльністю. В області так званої містосфери від паління великої кількості палива та забруднення атмосфери газопиловими викидами утворюються очаги техносфери. Наслідком взаємодії указаних очагів і атмосфери, що їх оточує, є:

- виникнення повітряних ореолів і “ковпаків” та “островів тепла” над містами;

- збільшення хмарності і кількості опадів;

- суттєве збільшення температури повітря в місті порівняно з умовами поза містом;

- температурні інверсії з виникненням “парникового ефекту” або смогових явищ.

Таким чином, клімат як результат взаємодії сонячної радіації і географічного середовища залежить від характеру підлеглої поверхні і циркуляційних процесів, які виникають в атмосфері.

Сонячна радіація

Електромагнітне і корпускулярне випромінювання Сонця в навколишнє середовище є сонячною радіацією. Поверхня землі одержує від Сонця щорічно біля 20×10²⁰ кДж (або 1382 Вт/м² на протязі години) промінистої енергії. Біля половини з неї витрачається на випарювання води, яка приймає участь в загальному природному колооберту.

Сонячну радіацію розподіляють на пряму (яка падає на землю паралельними променями від сонця), розсіяну (що розповсюджується з усіх точок небосхилу) та відбиту від земної поверхні. Крім цього частина прямої і розсіяної радіації, що акумулюється земною поверхнею, утворює теплове випромінювання. В свою чергу атмосфера, що нагрілась за рахунок теплообміну з земною по­верхнею, стає джерелом теплового випромінювання, що зветься противипромінюванням атмосфери.

Оптичний спектр сонячної радіації характеризується довжиною хвилі (1 нанометр = 1/10000 мм) на інтервалі 300-5000 нм. Спектр підрозділяється на среднєхвильве ультрафіолетове (280-320 нм), довгохвильове ультрафіалєтове (320-400 нм), світлове (400-760 нм) та інфрачервоне (760-5000 нм) випромінювання. Особливе значення має ультрафіалетове випромінювання (еритемне), що має оздоровчу та антибактерецидну дію.

З п’яти різновидів промінистої енергії прямої, розсіяної, відбитої, теплової і проти випромінювання атмосфери – три перші сконцентровані в короткохвильової частині спектру, дві останні відносяться до довгохвильових.

Сонячне випромінювання земної поверхні зветься інсоляцією. Тривалість інсоляції (її величина нормується) визначає комфорт або дискомфорт території забудови.

Окремо розглядається процес інтермії – підвищеного теплового випромінювання простору біля будинків. Особливо цьому підвержені внутрішні кути будинків, які орієнтовані на південь.

Температура повітря

Температура виникає в результаті взаємодії промінистого тепла Сонця і теплового противипромінювання земної поверхні. Представляє собою міру кінетичної енергії руху молекул (атомів). Вимірюється у ^о С – Цельсія,  К – Кельвіна, ^о F – Фаренгейта і т.п. Із кількості тепла, що поступає, біля 14 % втрачається на нагрів повітря та 86 % - на нагрів поверхні Землі та уходить у космос. Температура повітря являється основною кліматичною характеристикою.

Спостереження за температурою дозволяють фіксувати:

- стале зниження за висотою (1 ^о С на кожні 100 м);

- коливання в горизонтальних шарах атмосфери (циклони та антициклони);

- зниження среднєрічної температури з південно-західного на північно-східний напрямок;

- коливання температури на протязі доби, тижня, місяця і року.

По амплітуді коливань температури (різниці максимальної та мінімальної) в добовому ході судять про різкість зміни клімату, а по річній (амплітуді різниці самого холодного і самого теплого періоду року)- про ступінь континентальності клімату місцевості.

Температурний режим повітря в річному розрізі характеризують наступні показники:

а) середньомісячні температури на протязі всього року;

б) середньомісячні максимуми та мінімуми добової температури повітря;

в) добовий хід температури повітря в червні, липні, серпні та вересні (теплий період);

г) те ж на протязі опалювального сезону;

д) екстремальні значення температури повітря літом і взимку;

е) середня максимальна (влітку) і середня температура найбільш холодних п’яти діб і найбільш холодної доби;

ж) тривалість періоду з середнє добовою температурою повітря менше 8°С (опалювальний період);

з) тривалість періоду з середньодобовою температурою нижче 0°С;

і) середні температури повітря найбільш холодного періоду, який визначається в 15% періоду за пунктом «ж».

Данні про температурний режим атмосфери використовуються:

а) при кліматичному районуванні території;

б) в теплотехнічних розрахунках огороджувальних конструкцій будівель і споруджень, що опалюються;

в) для розрахунку системи і визначення строків опалювання;

г) при визначенні морозостійкості будівельних матеріалів;

д) в розрахунках тривалості будівельного сезону та визначення заходів для виконання будівельних робіт в зимовий час;

е) для прогнозування біокліматичних показників і визначення ступеню комфортності зовнішнього (житлового) середовища за тепловими відчуваннями людини.

Різниця температур між самим холодним і теплим місяцями визначає ступінь континентальності клімату. За значеннями среднємісячної температури () та амплітуди коливань температури зовнішнього повітря () розраховується среднєдобова температура (t_н) за формулою

.                                                  (1.1)

Формула (1.1) відбиває добову циклічність змін температури, що представляє собою (див. рис. 1.1) косинусоїду з максимумом, який приходиться на 15 годин дня та мінімумом – на 3 години ночі

Крім температури повітря будівельниками використовується кліматологічна інформація по промерзанню ґрунтів. Для сугліністих і глинистих ґрунтів глибина промерзання находиться за спеціальною картою (СНиП 2.01.01-82). Так, наприклад, для Донецька вона становить 90 см. Ця інформація необхідна для визначення глибини закладання фундаментів і організації інженерної підготовки території забудови

                                                                    А_tн

                                                                                                       t_н^ср

                   9          15                     21   3                 9 годин

 

 

Рис. 1.1. Добові зміни температури зовнішнього повітря

 

Температура повітря вимірюється за допомогою термометрів в фіксовані строки спостережень або ведуться безперервні спостереження з використанням термографів.

Вологість повітря і опади

Наявність вологи в повітрі є однією з суттєвих характеристик погоди і клімату. Розрізняють абсолютну та відносну вологості. Абсолютна вологість, f, г, характеризує кількість вологи у 1 м³ повітря. Відносна вологість, φ, % представляє собою відношення дійсної до максимальної пружності водяної пари або так званих парціальних тисків.

При постійній температурі та барометричному тиску дійсна пружність водяної пари (е) може мати граничне значення, вище котрого вона не підвищується. Це граничне значення зветься максимальною пружністю водяної пари - Е, Па.

Відносна вологість повітря φ розраховується за формулою

%.                                                                             (1.2)

Максимальна пружність залежить від температури повітря. З підвищенням температури вона збільшується, що веде до зниження відносної вологості. Температура повітря, при якій відносна вологість при незмінному тиску досягає максимальної величини (100%), зветься точкою роси t _р. При зниженні температури нижче точки роси залишкова кількість вологи буде конденсуватися, переходячи до капельно-рідинного стану. В природі це явище звичайно відбувається при зниженні температури в ранкові часи, особливо взимку, і веде до утворювання туману.

Нормальне відчування людини відбувається при вологості повітря 30-60%. При більшій вологості випарювання вологості з поверхні шкіри в повітря затрудняється і тепловий баланс порушується, що веде до неприємних відчувань. При вологості менше 30% відбувається підвищене випарювання з поверхні шкіри і слизових оболонок, з’являється сухість в роті, на слизових оболонках очей і шляхах дихання.

Різниця Е – е = d, що зветься дефіцитом вологи, характеризує ступінь вологості повітря.

Абсолютна вологість та пружність пов’язані залежністю

,                                                      (1.3)

де α – температурний коефіцієнт об’ємного розширення повітря (0,00366).

 

Інформація про середньомісячну дійсну пружність водяної пари, а також про кількість опадів (за рік, рідких та змішаних за рік, добовий максимум) за багаторічними спостереженнями є в [9].

Заміри вологості проводяться о 7 годині (характеризує ніч) і о 13 годині (характеризує день). Використовують методи замірів: ваговий (абсолютний), психрометричний та гігрометричний – за температурою точки роси. Відносну вологість вимірюють за допомогою психрометрів.

 

Опади. Характеризуються сумою опадів, мм, за рік і максимальних за місяць. Опади підрозділяються на рідинні та сухі. Данні про опади використовуються при розрахунках:

- ливневої каналізації;

- водоотводу з покрівлі;

- снігового навантаження на будинки і споруди;

- снігопереносів на території забудови.

 

Атмосферний тиск

Атмосферний тиск є одним з важливих кліматоутворюючих факторів, різкі зміни котрого приводять до змін погоди і суттєво впливають на живі істоти і самопочуття людей.

За нормальний вважається атмосферний тиск на рівні моря при температурі повітря 0°С на широті 45°, який урівноважується ртутним стовпом висотою 760 мм. Міжнародною одиницею є Паскаль (1мм. рт. ст.=133,322Па, 1атм.=101325 Па, 1кгс/см² = 98066,5 Па).

Але атмосферний тиск незначною мірою впливає на будівлі і більше враховується в соціальних напрямах організації архітектурного середовища.

Вітровий режим

Внаслідок нерівномірного горизонтального розподілу тиску, обумовленого нерівністю температур в атмосфері, виникають вітри - переміщення повітряних мас по земній поверхні з області з великим в область з низьким тиском. Вітер поряд з температурою і вологістю є одним з головних кліматоутворюючих факторів, який обумовлює зміну погоди на місцевості.

Вітер характеризується двома основними показниками: напрямком руху повітря і його швидкістю. Напрямок (вектор) указує ту сторону горизонту (румб), звідки дує вітер. В метеорології прийнято 16 румбів, найменування яких скорочено позначаються буквами українського або латинського алфавітів. Чотири основних румба позначаються наступними буквами: Пн – північ; Сх – схід; Пд – південь; Зх – захід або N – норд (північ), E – ост (схід), S – зюйд (південь), W – вест (захід). Інколи напрямок позначається в градусах горизонту, що відраховуються від півночі, тоді Пн – 0^о (або 360^о), Сх – 90^о, Пд – 180^о  і Зх – 270^о. Для містобудівельної аеродинаміки при попередній оцінки умов аерації досить інформації по 8 румбах.

Швидкість вітру вимірюється в метрах за секунду (м/с) або кілометрах за годину (км/год). В європейських стандартах міститься також інформація в милях за секунду.

В метеоданних окремо фіксуються періоди відсутності вітру (0 – 1 м/с), що зветься штилем, який встановлюють в % до строку спостереження, що роздивляється.

Напрямок вітру та його швидкість є величини непостійні. Вітер майже завжди дує поривами. Пориви пов’язані з наявністю багатьох невеликих вихорів, що виникають в повітряному потоці і пересікають його в різних напрямках. Рухаючись поперек потоку, вихор створює з навітряного боку підпор повітряних мас, а із завітряної – розрядження. Пересуваючись далі вихор звільняє місце для накопичених мас повітря і ті з силою вриваються у звільнений простір. Так людина відчуває порив вітру після деякого часу затишку. Оскільки таких вихорів виникає велика кількість, то вітер сприймається як безперервний пульсуючий рух повітря.

Стандартна висота флюгера становить 10 м від поверхні землі. У всякому випадку указується висота флюгеру. В системі національної гідрометеослужби для вимірювання вітру використовуються на опорних мережах прилади М–63М-1 (інтервал вимірювання миттєвої швидкості – 3 сек) як основні і флюгери Вильда з легкою або важкою дошкою як резервні.

В мережі авіаційних метеослужб (АМСГ) використовуються окрім М-63М-1 ще й автоматичні станції фірми VAISALA “MILOS - 500” з датчиками WAV-15A або WAA-15A (вони найбільш точні і інтервал вимірювання миттєвої швидкості становить 2 сек) і інші.

Вимірюються наступні параметри:

- швидкість вітру (м/с) максимальна між строками вимірів (тобто. в останні 3 години)

- середня швидкість вітру за 10 хв (як правило 45 – 55 хв або 40 – 50 хв останньої години перед строком;

- максимальна швидкість вітру в строк (тобто за ті 10 хв, коли вимірюється середня швидкість);

- середній напрямок вітру за 2 хв (градус, румб).

При використанні флюгера Вільда вимірюється середній напрямок вітру за 2 хв(48 –50 хв останньої години перед строком) по 16 румбах, середня швидкість вітру за 2 хв і максимальна швидкість за 2 хв. Данні обробляються і випускаються у всеукраїнських виданнях “Метеорологічний щомісячник” і “Метеорологічний щорічник”. Узагальнена інформація по всіх станціях України розміщується в таблицях:

Таблиця 1. Данні про температуру повітря.

Таблиця 4. Швидкість втру (середня і максимальна та кількість випадків за градаціями).

Таблиця 5. Вітер за 16 румбами (повторюваність в % і середня швидкість вітру).

Таблиця 6. Вітер за 8 румбами (повторюваність в % і середня швидкість) та атмосферний тиск.

Ці видання зберігаються у Отраслевому Державному архіві Гідрометкомітета України у м. Києві. Інформація може бути одержана замовником за оплату.

Крім перелічених джерел можна користуватися “Справочником по климату СССР”, СНиП 2.01.01-82 або даними ближньої метеостанції. Найбільше практичне значення має “Научно-прикладной справочник по климату СССР”, в котрому окрім інформації про середні швидкості вітру містяться данні про середнєквадратичні відхилення середнємісячної і середнєрічної швидкості вітру.

Закордонна метеорологія має данні про годинні спостереження за вітром з безперервним (щосекундним) записом інформації. Це надає можливість фіксувати пориви вітру та екстремальні значення швидкості і виконувати розрахунки середніх швидкостей вітру та среднєквадратичних відхилень.

В ДонНАБА є власні наукові розробки (Є.В. Горохов, А.М. Югов та Ю.П Некрасов) і спеціально сконструйовані прилади безперервного спостереження за характеристиками вітру і обробкою результатів, що проводяться за допомогою ПЕОМ. Указані приладне та програмне забезпечення пройшло перевірку на полігоні випробувань високовольтних опор і при дослідженнях вітрового поля Новоазовскої вітроелектростанції. Воно може з успіхом використовуватися для додаткового спостереження за вітром в натурних умовах.

Рис. 1.2. Роза вітрів для січня, м Донецьк (румби помічені російською мовою)

 

Побудова рози вітрів. Загальною графічною інформацією про вітер по румбах є роза вітрів. Вона будується за значеннями повторюваності та середньої швидкості вітру і може мати вигляд такий, як це показано на рис. 1.2. В центрі рози вітрів вказується повторюваність штилю, %. Концентричними колами відмічаються повторюваності. Цифрами указуються значення швидкостей за румбами. Коло з повторюваністю 16 % є рубіжним при виборі основного напрямку і розрахункової швидкості вітру.

Для детальної інформації про вітер будується роза вітрів повторюваності різних значень швидкостей за румбами. Таку розу (див. рис. 1.3) приводить, наприклад, J.Gerchardt (Німеччина). Подібна роза вітрів підходить для детальної оцінки вітрового режиму.

 

Рис. 1.3. Роза вітрів повторюваності різних швидкостей вітру

Вертикальний профіль швидкостей. З ростом висоти швидкість вітру збільшується і змінюється його напрямок. Останнє пов’язано з дією сил Коріоліса, за рахунок яких вітер у північній півкулі землі, наприклад, повертає вправо. На побутовому рівні це поняття зводиться до того, що якщо стати спиною до вітру, то з висотою він повертає в сторону правої руки приблизно до 30 - 45^о. В метеорології використовується спіраль Екмана, котра описує цей процес.

Існують два найбільш простих засоби розрахунку швидкості вітру: по ступені і за логарифмічним законом. На рис. 1.4. приведено вид вертикальних профілів над характерними шорсткості земної поверхні.

Логарифмічний закон є більш точним на висотах до 100 -200 м, що цілком підходить для території міської забудови. Багато вчених неодноразово звертали увагу, що логарифмічний закон розподілу швидкості вітру в приземному шарі являється лише частковим випадком більш загального закону за ступенем. Логарифмічний закон є слушним лише для адіабатичного стану атмосфери і при інверсіях цей закон повинен бути змінений на закон за ступенем.

 

 

Рис. 1.4 - Профілі швидкостей над різними шорсткостями(за A. Davenport’ом)

 

Коли є інформація про середню швидкість () на будь якій фіксованій висоті (z_ref)(флюгер метеостанції), то логарифмічний закон розподілу має вигляд:

,                                                      (1.4)

де - середня швидкість на висоті z;

 - параметр шорсткості (висота, на якій швидкість дорівнює 0);

 - товщина витискання (складає біля 2/3 висот перешкод).

В таблиці 1.2 наведені значення  і для різних категорій територій, що прийняті в європейському стандарті.

Закон за ступенем, на відміну від логарифмічного, котрий використовується за кордоном, є найбільш простим. Він прийнятий в нормах СРСР при розрахунках вітрових навантажень на будівлі та споруди.

Загально прийнятою є залежність наступного виду

,                                                                (1.5)

де     a  - показник ступеню, останні позначення ті ж самі, що в формулі (1.4).

Величина показника ступеню a  залежить від швидкості вітру і характеру місцевості (шорсткості підлеглої поверхні), над якою відбувається рух вітру.

В інженерних розрахунках прийнято три типу місцевості:

перший (А) – відкриті узбережжя озер і водосховищ, пустелі, степи, лісостепу, тундра, для котрих a = 0,16;

другий (В) – міські території, лісні масиви і інші місцевості, що рівномірно вкриті перешкодами висотою більше 10 м, для котрих a = 0,22;

третій (С) – місцевість з крупними елементами шорсткості (міські райони з забудовою будинками більшими 25 м), для котрих a = 0,33.

Споруда вважається розташованою в місцевості даного типу, якщо місцевість зберігається з навітряного боку споруди на відстані 30 h – при висоті споруди h до 60 м і 2 км – при більшій висоті. За кордоном прийнята інша класифікація територій та інші показники ступеню.

Таблиця 1.2 – Категорії території та значення величин z_o і d_o