Загальна інформація про інсоляцію

Інсоляція (лат. insolatio, от insolo – виставляю на сонце) – випромінювання поверхонь і простору сонячною радіацією – важливий фактор формування клімату.

Сонячне світло – це безцінне невичерпне джерело всіх форм життя на Землі. При рішенні архітектурно-будівельних задач архітектори повинні турбуватися про те, щоб це джерело було максимально використовано. Питання інсоляції забудови і будинків повинні одержати найбільш правильне рішення, що сприятиме підтримки здоров’я людини.

Дія інсоляції має двоякий характер (табл. 5.1):

- вона благотворна і економічно доцільна, тому необхідно забезпечити доступ сонячного світла у міські простори та інтер’єри будинків на всіх географічних широтах;

- вона ж визиває перегрів, світловий дискомфорт, ультрафіолетову надвипромінність і надвитрати енергії на регулювання мікроклімату в будинках, що потребує захисту від неї.

 

Таблиця 5.1 – Позитивна та негативна дія інсоляції

 

Аспект дії інсоляції	Позитивний ефект	Негативний ефект
Біологічний	Загальнооздоровчий ефект (загар, виникнення вітаміну D, обігрів), сануючий ефект, покращення функцій зору при комфортних освітленості та контрастності освітлення)	Фотохімічна токсичність газів в містах, перевипроміненість і канцерогенність, перегрів (загальний і місцевий) і світовий дискомфорт, руйнуюча дія на живу клітину, матеріали
Психологічний	“Сонячність освітлення”, динаміка розподілу яскравості і кольористості в полі зору, зв’язок з оточуваючим простором	Зниження активності і настрою при світловому дискомфорті і перегріву
Естетичний	Виявлення простору, форми, пластики, силуету і кольорових відношень, ритму елементів архітектури і “живописності” композиційних рішень	Зниження сприйняття форми і відчуття насиченості кольору при надмірних яскравостях, погіршення кольору поверхонь
Економічний	Природне джерело додаткового обігріву приміщень, скорочення площі світопройомів, підвищення рівня праці і працездатності, скорочення витрат по оплаті листів непрацездатності	Підвищення витрат на вентиляцію і кондиціонування повітря, зниження продуктивності праці і працездатності при тепловому і світловому дискомфорті

 

Необхідно, щоб промені сонця крізь вікна поникали в житлові кімнати і опромінювали їх. Приблизно 3 - 4 години інсоляції дають людині мінімально необхідну профілактичну дозу випромінювання, яка дорівнює 1/8 - 1/10 еритемної дози, при оптимумі 1/4. Доказано, що звичайне одинарне скло пропускає ультрафіолетове випромінювання (35 - 45% потоку).

Гігієнічний оптимум орієнтації кімнат для широт на північ і південь від 50° північної широти представлені в таблиці 5.2.

 

Таблиця 5.2 - Рекомендована орієнтація кімнат

Житлові помешкання	На південь від 50°		На північ від 50°
	Рекомендована	Допустима	Рекомендована	Допустима
Спальні, дитячі Загальні кімнати Їдальні, гостьові, Кабінети	Півд. Півд.,   Півд-Сх	Півд-Сх. Сх., Півн-Сх.   Півн-Зах.	Півд., Півд-Сх. Півд., Сх.,   Півд-Сх.	Півд-Зах. Півн-Сх.,   Сх.

 

Координати Сонця

При виконанні інсоляційних розрахунків необхідно знати координати Сонця, які встановлюють його положення на небосхилі в заданий момент часу.

Щоб уявити собі видимий “рух” Сонця по небосхилу і знайти його координати, слід звернутися до “сонячного стереону”, як це зробив ще Вітрувій.

Небосхил представляє собою напівсферу, що спирається на горизонтальне коло, в центрі якого знаходиться точка О, що розглядається. Через цю точку проходять полуденна лінія Південь – Північ (Пд – Пн) і лінія Схід – Захід (Сх – Зх), які визначають орієнтацію в даної точки (рис. 5.1 – всі позначки російською мовою).

Рухаючись по колу, Сонце займає на небосхилі в даний момент визначене положеня, що може характеризуватися двома координатами – висотою стояння h і азимутом a (кутом між полуденною лінією і горизонтальною проекцією сонячного променю, який направлений до точки О від центру сонячного диску).

Азимут відкладається від Півдня до Півночі.

Кожен новий день траєкторія руху Сонця буде вище або нижче попереднього дня, відрізняючись на деяку кутову величину d, котра називається склонєнієм. На протязі року.величина склонєнія змінюється від –23,4^о до +23,4^о, двічі переходячи через нуль. Нульове значення склонєнія буває в ті дні, коли Сонце сходить точно на Сході і заходить точно на Заході. При цьому день буде дорівнюватися ночі по тривалості. Відомо, що 22 березня має місце день весняного рівнодення, 22 вересня – день осіннього рівнодення.

Після весіннього рівнодення склонєніе приймає позитивне значення и досягає свого максимуму в день літнього сонцестояння – 22 червня. Далі склонєніє зменшується і в день осіннього рівнодення знову становиться рівним нулю, після цього приймає від’ємні значення. Свого мінімуму склонєніє досягає 22 грудня в день зимового сонцестояння. Після чого воно знову починає збільшуватися і.т.д.

За 24 години Сонце “проходить” по небосхилу повне коло в 360^о. При цьому 1 година буде складати 15^о. При розрахунку координат Сонця час відраховується в градусах від лінії, що утворюється перетинанням вертикальної площини, яка проходить через полуденну лінію, з площиною, в якій лежить видимий шлях руху Сонця по небосхилу (рис. 5.1).

Для географічного пункту площина, в котрій находиться видимий шлях руху Сонця по небосхилу, має нахилі відносно вертикальній лінії на кут j, який зветься географічною широтою місцевості. При цьому, на екваторі, де j = 0^о, площини видимого руху Сонця вертикальні, а на плюсах, де

j  = 90^о, - горизонтальні (рис. 5.2 – позначки російською мовою).

Координати Сонця на небосхилі залежать від склонєнія, часу суток і географічної широти. Взаємозв’язок між цими параметрами знаходиться із наступних залежностей

,                        (5.1)

,                                                       (5.2)

 

Данні формули дозволяють з достатнім ступенем точності знаходити координати Сонця.

 

Нормування інсоляції

 

Для потреб найбільш ефективного використання благотворної дії сонячної радіації та обмеження негативного впливу введено нормування інсоляції.

Нас всюди оточує бактерицидне середовище. Хвороботворні бактерії постійно знаходяться в приміщеннях, переносяться з приміщення в приміщення, із будинку в будинок через одяг, взуття і т.п. Сонячні промені негативно впливають на ці бактерії та їх розвиток, що підтверджується чисельними експериментами. Високий бактерицидний ефект досягається при 2 – 4-х годинному безперервному випромінюванні культури шлункової палички на відстані 0,5 м від вікна на рівні столу. На засадах цих досліджень було встановлено, що критерієм оцінки інсоляції на даному етапі розвитку цієї науки являється тривалість випромінювання сонячної радіації в годинах.

В містобудівельних нормах України [16] говориться, що розміщення та орієнтація житлових та цивільних (за винятком дитячих дошкільних закладів, загальноосвітніх шкіл, шкіл-інтернатів) повинні забезпечувати тривалість інсоляції житлових приміщень, що визначені нормами, і територій не менше 2,5 години на день на період з 22 березня по 22 вересня на південь від 58^о північної широти.

Розміщення та орієнтація будинків і дитячих дошкільних закладів, загальноосвітні дисципліни х шкіл, шкіл-інтернатів, закладів охорони здоров’я і відпочинку повинні забезпечувати безперервну трьохгодинну тривалість інсоляції в приміщеннях, передбачених Санітарними нормами і правилами забезпечення інсоляцією житлових і цивільних будинків і територій житлової забудови.

В умовах забудови будинками в 9 поверхів і вище допускається одноразове переривання інсоляції житлових приміщень в умовах збільшення сумарної тривалості інсоляції на протязі дня на 0,5 години відповідно для кожної зони.

В житлових будинках меридіонального типу, де інсолюються всі кімнати, а також при реконструкції житлової забудови або при розміщенні нового будівництва в особливо складних містобудівельних умовах (історично цінне міське середовище, дорога підготовка території, зона загальноміського і районного центру) допускається скорочення тривалості інсоляції приміщень на 0,5 години.

У ІІІ – IV кліматичних зонах необхідне захист будинків і територій від перегріву шляхом використання вільної, добре провітрюваної, забудови, озеленення, обводнення, використання сонцезаистнихх пристроїв. Необхідно забезпечить зв’язок житлової забудови з благоприємними в природному відношенні ландшафтами, рівномірний розподіл забудованих і відкритих озелененно-обводнених територій.

При проектуванні житлових будинків вводяться вимоги к інсоляції квартир:

- в одно-, трьохкімнатних квартирах повинна бути забезпечена інсоляція не менше одної кімнати;

- в чотирьох, шестикімнатних – не менше двох кімнат;

- в гуртожитках сумарна площина інсольованих житлових кімнат повинна складають не менше 60 %.

Крім того, всі південні райони СНД за сонцезахистом поділені на три групи. До першої відносяться райони з середньою температурою найбільш жаркого місяця t_жм > 28^оС, потребують сонцезахисту при всіх орієнтаціях. До другої – райони з t_жм > 26^оС, потрібен сонцезахист в межах 45 – 315^о по горизонту. До третьої – райони з t_жм< 26^оС, потрібен сонцезахист в межах 70 – 290^о.

При проектуванні промислових будівель фактором, що визначає необхідність захисту приміщень від перегріву, являється тривалість періоду з среднєдобовою температурою зовнішнього повітря t_н ³ 20^оС. існує карта кліматичного районування території СНД для вибору сонцезахисних пристроїв в залежності від цього фактору:

I зона – менше 20 діб на рік з t_н ³ 20^оС – захист приміщень від перегріву не рекомендується;

II зона – 20 – 40 діб – захист рекомендується в вигляді внутрішніх і поміж скляних сонцезахисних пристроїв (сзП). До цієї зони відноситься північ України в тому числі і м. Київ;

III зона – 40 – 60 діб – в вигляді поміж скляних і зовнішніх пристроїв. До цієї зони відноситься середня смуга України;

IV зона – 60 – 100 діб – зовнішні сзП в сполученні з теплозахистними склінням. До цієї зони відноситься південь України;

V зона – більше 100 діб і високий температурний фон – зовнішні сзП, теплозахисне скління і технічне регулювання мікроклімату.

Інсоляція території забудови також повинна бути не менш 3 години. Це стосується зон повсякденного перебування людей - дитячі ігрові майданчики, спортивні майданчики, зони відпочинку і т. і.

 

5.4. Інсоляційні розрахунки

 

Оптимальний інсоляційний режим забезпечується шляхом прямого сонячного випромінювання в необхідній кількості і в визначений час. При проектуванні містобудівельної ситуації, будинків і приміщень виникає необхідність у визначенні умов інсоляції та її оптимізації. Це досягається проведенням інсоляційних розрахунків.

Розрахунки інсоляції охоплюють рішення задач трьох основних типів.

1. Знаходження часових характеристик інсоляції (тривалість: початок і кінець; затіненість приміщень, фасадів, ділянок територій і т.д.).

2. Встановлення геометричних характеристик ділянок, що інсолюються або затіняються: побудова годинних і добових конвертів: тіней від будинків на генеральному плані та інсоляції на робочих площинах в приміщеннях).

3. Визначення затінення приміщень оточуючої забудови, знаходження придатних відстаней поміж будинками, розрахунок сонцезахисних пристроїв (СЗП).

Розрахунки виконують за допомогою наступних методів: аналітично і графічно з використанням діаграм, таблиць и графіків; експериментально в лабораторних або натурних умовах.

Умови інсоляції визначаються методом проекцій з числовими відмітками. Якщо спостерігати добовий хід тіні від стержня, що стоїть в центрі небесної півкулі, то можна помітити, що в день літнього або зимового сонцестояння (21 червня і 21 грудня) тінь від верхньої точки стержня буде криволінійною (рис. 5.3 а, б). А в період весіннє-осіннього рівнодення (22 березня і 22 вересня) вона буде у вигляді прямої лінії, яка паралельна до прямої, що з’єднує точки сходу і заходу Сонця (рис. 5.3 в).

 

Рис. 5.3. Добовий хід тіні від вертикального стержня:

а – літо; б – зима; в – весна-осінь

 

На основі цього можна будувати графіки добового хода тіні від вертикального стержня різної висоти для різних періодів. При побудові таких графіків користуються таблицею координат Сонця. Із центру графіка проводять промені під кутами, що відповідні азимутам в денні часи доби, і від центру відкладають на них відрізки, рівні котангенсу висоти стояння Сонця у відповідну годину. Такі графіки можуть бути побудовані для різних широт в потрібних масштабах (1:100 або 1:1000). На рисунку 5.4 показані графіки для 48º пн.ш. в масштабі 1:100.

Рис.5.4 Інсоляційні графіки (“сонячні транспортири”) для інсоляційних розрахунків на період: а – літнього сонцестояння; б – зимового сонцестояння; весіннє-осіннього рівнодення (φ = 48°пн.ш.)

 

На етапі проектування перед архітектором стоїть завдання просторово - часового містобудівного розрахунку інсоляції її тривалості в заданій точці для цілей забезпечення нормативної величини.

Існують декілька номографічних методів (таблиці, діаграми) для геометричного розрахунку азимутів і відносних довжин тіней при побудові конвертів тіней. Графічні методи застосовані в спеціально розроблених приладах - світопланометру Д. С. Маслєннікова, інсоляметра М. В. Оболєнського, сонячної лінійки Б. А. Дунаєва та ідентичних інсоляційних графіків Г. Марті і А. М. Рудницького.

На рис. 5.5 приведено найбільш простіший приклад-лінійка М. Тваровського. Вона дозволяє для 50° пн. ш. виявляти довжину тіні від стіни заданої висоти для періоду від 21.03 до 21.09 кожного року.

Детальні розрахунки з інсоляції території, а також приміщень приведено в Посібнику для виконання розрахунково-графічних робіт з кліматології.

 

 

Рис. 5.5. Лінійка М. Тваровського

 

Застосовуючи цю лінійну або іншій пристрій можна побудувати конверт тіней за всю добу. На етапі попередньої оцінки варіантів забудови будуються тіни в 10, 12 і 14 годин і виявляється результуюча тінь. Результуюча тінь за коротким будинком буде трикутною, а за довгим будинком в вигляді трапеції. Потім для всієї території забудови підраховується сума всіх тіней і знаходиться коефіцієнт затіненості за формулою:

                                                                                                                                                                                             (5.1).

Де So - загальна площина території, вільна від будинків в межах червоної лінії забудови;

 - площа тіні за окремим будинком.

 

Рис. 5.6. Побудова контуру тіней від будинку (“конверт тіней”)

 

 

В останньому варіанті приймається забудова з меншим коефіцієнтом затінення. При детальному плануванні за межі постійної тіні виносяться місця відпочинку мешканців.

Лекція 6

Аерація території міста