916
.pdfдней - наружные или межстекольные устройства в сочетании с теплозащитным стеклом и искусственным охлаждением.
На график годового хода температуры может быть нанесен влажностный режим воздуха с целью установления условий проветривания помещений. Линии 30 и 70% относительной влажности на графике (рис. 1.3) ограничивают зоны с низкой и высокой влажностью.
Анализ суточного изменения температуры в летние месяцы позволяет выявить условия эксплуатации открытых помещений:
- при температуре 16оС и выше необходимо устройство солнцезащиты;
- при температуре от 12 до 16оС достаточно наличие инсоляции.
t, 0С |
v,м/с |
Рис.1.3. Годовой ход температуры и влажности воздуха (на примере Москвы)
Для уточнения типов проветривания помещений (ночное, дневное, круглосуточное) при комфортной, теплой и двух типах жаркой погоды (18-30 оС) строится рабочий график оценки температурно-влажностного состояния воздух (рис. 1.4). Для его построения используют климатические данные для конкретного места строительства: среднемесячные значения температуры, 0С, и относительной влажности, %, воздуха в 7 и 13 ч.
31
Рис. 1.4. Рабочий график оценки температурно-влажностных условий для г. Харьков: 1,2 - зоны оптимальной влажности соответственно в 7 и 13 ч; линия АБ - среднемесячная влажность воздуха в апреле-ноябре в 13 ч; линия ВГ - то же, в 7 ч.
При средней температуре в 13 ч для каждого месяца определяют критические верхние и нижние значения относительной влажности, которые затем наносят на рабочий график, что
дает зону оптимальной влажности в 13 ч.
Сравнивая линию влажности АБ с линией зоны оптимальной влажности (2),
устанавливают, что в апреле-мае находится период с состоянием «сухо», в котором фактическая влажность меньше оптимальной. Если бы линия АБ находилась выше зоны оптимальной влажности, то период характеризовался оценкой «влажно» в 13 ч и для этого
периода потребовалось бы дневное проветривание помещений.
При сравнении линии ВГ, характеризующей среднемесячную влажность в 7 ч, с
оптимальной зоной влажности (1), определяем повышение влажности в период с мая по ноябрь.
Однако, для этого периода не требуется сквозного проветривания, так как температура в эти
часы невысока.
Ветер играет значительную роль для решения планировочных задач, связанных с ветрозащитой или аэрацией застройки, а также воздухопроницаемостью ограждающих конструкций. Он учитывается при выборе ориентации и взаимного расположения селитебных
и промышленных зон. Для анализа ветрового режима используется роза ветров, по которой
устанавливаются направления и скорости ветра по месяцам (рис. 1.5).
При построении розы ветров следует обращать внимание на конкретный румб с
минимальной повторяемостью 20%, а при пыле- и снегозаносах - 10%.
Для защиты селитебной территории от вредного воздействия со стороны промышленного предприятие следует размещать последнее в направлении с наименьшей
повторяемостью ветра.
Из-за невозможности такого размещения необходимо устанавливать минимальное
расстояние от жилого района до промышленной зоны по формуле
Лмин = ло· р/ро , |
(1.1) |
где ло - допустимое расстояние от жилого района до промышленной зоны при отсутствии ветра, равное 1000 м;
ро - средняя повторяемость ветра по любому направлению, принимаемое равным
ро = 100% / 8 = 12.5%; |
(1.2) |
р - повторяемость ветра в данном направлении (р > ро).
Данные ветрового режима необходимо учитывать для определения направления городских магистралей. Установлено, что при совпадении направления ветра с прямой
32
магистралью, застроенной фронтально, возникает эффект усиления скорости ветра до 20%.
Если этот эффект нежелателен, здания (особенно длинные) необходимо размещать под углом
45-900 к направлению магистрали.
Рис. 1.5. Вероятности направлений и скоростей ветра за январь и июль в Москве
Воздействия ветра и температуры воздуха на жилую среду представлено на рис.1.6,
анализ которого позволяет отметить, что при любой температуре скорость ветра более 4 м/с
неблагоприятна для пешехода; при скорости ветра более 6 м/с начинается перенос снега и песка, а при скорости ветра 12 м/с и более возникают механические разрушения элементов здания.
Особенно скорость ветра вредна зимой, так как при среднемесячной скорости ветра 5 м/с
и более здания подвергаются заметному охлаждению, поэтому необходима дополнительная защита зданий и пешеходов от ветра. Кроме того, в районах с метелями необходимо предусматривать мероприятия по задерживанию снега. Так, непродуваемая полоса леса шириной более 20-25 м задерживает до 600 м3 снега на 1 м полосы, а продуваемая шириной 7-
10 м - от 100 до 150 м3 снега на 1 м полосы. Система из трех продуваемых полос шириной 12, 12 и 15 м с межполосными разрывами 30-40 м может задержать до 400 м3 снега на 1 м полосы.
Чем холоднее температура воздуха, тем сильнее охлаждающее действие ветра: при температуре - 30 оС даже слабый ветер (2-3 м/с) делает прогулку на воздухе недопустимой. При температуре воздуха от +5 до +20 оС охлаждающее влияние такого ветра значительно, а при температуре +25 оС предпочтительна скорость ветра 1-3 м/с, так как она создает комфорт и снижает перегрев здания.
При температуре более 20 оС большую роль играет влажность воздуха. В сухом воздухе влага, выделяемая потовыми железами человека, легко испаряется и человек, отдавая с потом много тепла, чувствует себя нормально (лето в Крыму, осень в Средней Азии). Во влажном воздухе испарение затруднено и только подвижность воздуха в помещении способствует охлаждению организма (лето в Западной Грузии).
33
Установлено, что при повышении температуры с 19 до 29 оС относительная влажность воздуха должна снижаться с 50-70% до 30-50%. Только в этом случае сохраняется ощущение,
близкое к комфортному, и подвижность воздуха не играет заметной роли. В тех случаях, когда влажность в помещении не снижается, то необходимо организовывать проветривание и аэрацию пространства.
Рис. 1.6. График воздействия ветра и температуры воздуха на жилую среду
Для районов, где ветры сочетаются с ливнями или запыленностью воздуха, следует определять наиболее неблагоприятные направления (стороны горизонта) и предусматривать средства экранирования ограждений, уплотнение стыков, направления планировки пространств, лесопосадки и др.
Большая запыленность возникает при скорости ветра 1-2 м/с на песчаных и рыхлых почвах; при скорости 3-4 м/с - на песчаных и супесчаных почвах; при скорости 5 м/с - на легких суглинках и при скорости 5,5 - 7 м/с - на тяжелых суглинках.
Критическая концентрация пыли в воздухе возникает при ее количестве от 1,5 мг/м3 и
более. Если критическая концентрация пыли в воздухе превышает 30 дней в году и более или повторяемость пыльных бурь составляет не менее 3 в месяц, то необходимо предусматривать защиту зданий от пыли.
Здания, встречающие ветровой поток, создают позади себя ветровую тень (затишье) в
пределах 3 - 8 высот здания (Н). В связи с этим, для защиты территории от ветрового воздействия здания должны размещаться на расстоянии не дальше 5Н друг от друга, а для аэрации - на большем расстоянии.
Помимо отдельных климатических факторов необходимо проводить оценку комплекса климатических факторов, которые позволяют определить стороны горизонта для «закрытия» или «открытия» архитектурного пространства. С этой целью разработана бальная система для оценки круга горизонта (табл. 1.7).
34
Для составления таблицы выявляют климатические показатели, наиболее существенные для района строительства (например, тепловой фон, солнечная радиация, ветер и др.), а
нехарактерные климатические факторы (снегозаносы, пыльные бури и др.) опускают.
Для каждого отобранного показателя устанавливают бальную шкалу, отражающую важность каждого климатического фактора для рассматриваемого места строительства, и
присваивают наиболее важному фактору наибольшую сумму баллов.
Таблица 1.7
Вспомогательная таблица подсчета баллов для оценки круга горизонта (на примере Москвы)
|
|
|
|
|
Приведенная |
Сторона |
Тепловой |
Солнечная |
Ветер |
Абсолютная |
сумма баллов |
горизонта |
фон |
радиация |
|
сумма баллов |
для построения |
|
|
|
|
|
розы |
С |
1 |
1 |
1 |
3 |
1 |
СВ |
1 |
2 |
3 |
6 |
2 |
В |
3 |
3 |
3 |
9 |
4 |
ЮВ |
3 |
5 |
2 |
10 |
5 |
Ю |
3 |
5 |
3 |
11 |
6 |
ЮЗ |
2 |
4 |
3 |
9 |
4 |
З |
3 |
2 |
3 |
8 |
3 |
СЗ |
1 |
2 |
3 |
6 |
2 |
Так, для Москвы наиболее важным фактором является солнечная радиация, которая оценивается по 5-бальной системе. Тепловой фон и ветер относятся к менее значимым,
поэтому они оцениваются по 3-х бальной системе. После установки бальной оценки
отдельных факторов производится их дифференциация по сторонам горизонта. Абсолютная сумма баллов определяет «место» каждого румба, а приведенная сумма используется для построения круга горизонта (рис. 1.7).
Анализ приведенной суммы баллов (табл. 1.7) и круга горизонта (рис. 1.7) позволяют отметить, что раскрытие пространства жилых групп предпочтительно на Ю, и ЮВ при условии защиты от ветров посадками зелени, а также на ЮЗ при условии сквозной аэрации и хорошего озеленения.
35
Рис.1.7. Комплексная оценка секторов горизонта по ряду наиболее существенных климатических факторов для Москвы
Оптимальной ориентацией для жилых помещений следует считать - Ю и ЮЗ, а
наихудшей - С. При ориентации помещений на З и ЮЗ необходима защита их от солнечной радиации.
На следующем этапе проводится анализ рельефа местности, так как сложный рельеф оказывает влияние практически на все аспекты архитектуры и строительства. К архитектурно-
художественным качествам жилой застройки на рельефе предъявляются повышенные требования, обусловленные присущими ей особенностями зрительного восприятия. Застройка на крутых склонах обозревается из разных точек в виде панорамы, а из домов и внутренних пространств открываются перспективы и виды на окружающий ландшафт.
При оценке ландшафта используют подоснову (рельеф) и методы количественной оценки. На подоснове выделяют ориентацию склонов С, Ю, В, З и др.) и углы наклона местности. Оценка территории по уклонам проводится с учетом следующих градаций: до 3, 3- 10, 10-20 и более 20%. Это связано с тем, что влияние некоторых климатических факторов может усиливаться или ослабляться в зависимости от ориентации и крутизны склонов, формы и степени расчлененности рельефа. Скорость ветра, например, на различных участках холмистого рельефа может изменяться от 60 до 180 % по сравнению с равнинной местностью, что требует большей степени защищенности жилища от ветра. Критерии оценки территории по ветровому воздействию на формы рельефа приведены в табл. 1.8.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.8 |
|
Оценка территории по ветровому режиму |
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
Степень благоприятности форм рельефа |
|
|
||||||||||||
Общая |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оценка |
вершины и |
наветрен |
|
склоны, |
|
подветрен- |
долины, лощины, |
|||||||||||
ветрового |
возвышения |
|
ные |
|
параллель- |
|
|
|
ные |
|
|
|
овраги |
|||||
режима |
с плоскими |
склоны |
ные ветру |
|
|
склоны |
|
|
|
|
||||||||
|
вершинами |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
и пологими |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
продувае- |
|
непродуваемые |
|
склонами |
1 |
2 |
3 |
1 |
|
2 |
|
3 |
|
1 |
|
2 |
|
3 |
мые |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Районы с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
большими |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Неблаго- |
|
Благо- |
скоростями ветра |
Неблаго- |
|
|
|
Благоприятные |
|
|
|
|
|
приятные |
|
приятные |
|||||
(повторяемость |
приятные |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скорости более 5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м/с свыше 20%) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
То же, с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
умеренными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
скоростями |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(повторяемость |
Неблаго- |
|
|
Умеренно |
|
|
|
Благо- |
|
|
Умеренно |
|||||||
скорости ветра 3- |
приятные |
|
благоприятные |
|
|
приятные |
благоприятные |
|||||||||||
5 м/с свыше 50%, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
более 5 м/с - |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
36
менее 20%)
Примечание. Цифрами 1,2,3 обозначены соответственно верхняя, средняя и нижняя части склонов.
Анализ данных, приведенных в табл. 1.8, позволяет отметить, что вершины и возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами, верхние и средние части наветренных склонов, а также продуваемые долины, лощины и овраги являются неблагоприятными для строительства в районах с большими скоростями ветра (повторяемость скорости 5 м/с свыше 20%). Для этих климатических районов благоприятными считаются склоны параллельные ветру и подветренные склоны, а также не продуваемые долины, лощины и овраги.
Для климатических районов с умеренными скоростями ветра (повторяемость скорости ветра 3-5 м/с свыше 50%, более 5 м/с - менее 20%) к благоприятным формам рельефа относятся подветренные склоны; к умеренно благоприятным - склоны параллельные ветру и продуваемые и не продуваемые долины, лощины и овраги, а к неблагоприятным - вершины и возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами.
Уровень солнечной радиации, поступающей на поверхность склона, также существенно отличается в зависимости от ориентации и крутизны склона, влияя на планировочную структуру застройки. Ориентация склона влияет на величину тени, отбрасываемой расположенным на нем зданием. На южных склонах она укорачивается, на северных -
удлиняется. Этот фактор определяет выбор типов зданий и способов их группировки, а также величину инсоляционных разрывов между ними.
Наиболее общими композиционными принципами застройки на сложном рельефе являются: максимальное сохранение естественного строения поверхности и растительности на склонах, масштабное соответствие с формами рельефа, колористическое единство с окружающим ландшафтом, обеспечение визуальной связи с окружающим ландшафтом.
Существуют следующие приемы выявления пластики рельефа: застройка склонов ленточными домами одной этажности; ярусами, поднимающимися от подножия к вершине;
использование специальных типов зданий, повторяющих собой конфигурацию рельефа;
акцентирование характерных точек рельефа; сохранение и включение в архитектурную композицию особо ценных в художественном отношении участков природного ландшафта в естественном виде; чередование застроенных и открытых участков территории. Усиление формы рельефа может достигаться нарастанием этажности зданий от подножия к вершине или размещение на вершине точечных зданий.
Критерии оценки территории по тепловому воздействию солнечной радиации приведены в табл. 1.9.
37
Оценка территории по тепловому воздействию солнечной радиации показывает, что для холодного и умеренного климата благоприятной ориентацией является В-З, находящейся в секторе от 90 до 2700 , а неблагоприятной - (СЗ - СВ) от 315 до 450. Для очень теплой и жаркой погоды благоприятной ориентацией является СЗ-СВ, находящейся в секторе от 315 до 450 , а
неблагоприятной - (В - З) от 90 до 2700 . Остальные сектора горизонта относятся к умеренно благоприятной ориентации для выше перечисленных климатических зон.
Таблица 1.8 Оценка территории по тепловому воздействию солнечной радиации
Климатическая |
|
Степень благоприятности ориентации |
||
зона |
|
|
|
|
|
благоприятная |
|
неблагоприятная |
умеренно благоприятная |
|
|
|
|
|
Холодный и умеренный |
От 90 до 2700 |
|
От 315 до 450 |
От 45 до 900 (СВ - В) |
климат |
|
|
(СЗ - СВ) |
От 270 до 3150 (З - СЗ) |
|
(В - З) |
|
|
|
Очень теплый и жаркий |
От 315 до 450 |
|
От 90 до 2700 |
От 45 до 900 (СВ - В) |
климат |
|
|
(В -З) |
От 270 до 3150 (З - СЗ) |
|
(СЗ - СВ) |
|
|
|
Такой тщательный учет местных климатических характеристик способствует совершенствованию планировочных решений зданий и разнообразию архитектурно-
композиционных решений с целью обеспечения в них комфортных условий проживания и жизнедеятельности людей.
Кроме того, учет местных климатических характеристик снижает затраты на строительство зданий и сооружений за счет применения более легких и эффективных конструкций и использования местных строительных материалов, а также экономии затрат на отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха.
Глава 2
Строительная теплотехника
2.1. Общие положения
При проектировании жилых, общественных, производственных зданий и сооружений
(далее зданий и сооружений) необходимо обеспечивать их тепловую защиту с целью создания оптимальных санитарно-гигиенических условий при разумном расходовании энергоносителей на отопление зданий и сооружений.
К комплексу мероприятий, обеспечивающих надлежащую тепловую защиту, относятся:
38
-оптимальное объемно-планировочное решение зданий и сооружений при минимальной площади наружных ограждающих конструкций
-применение рациональных наружных ограждающих конструкций с использованием в них эффективных теплоизоляционных материалов
-использование современных методов расчета тепловой защиты зданий и сооружений,
базирующихся на условиях энергосбережения.
Проектирование тепловой защиты зданий и сооружений осуществляется на основе требований СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» и СНиП 23-02-03 «Тепловая защита зданий», СП 23-101-04 «Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование тепловой защиты зданий», а также соответствующих ГОСТов и норм проектирования зданий и сооружений, в которых приведены необходимые для расчета параметры микроклимата помещений.
Помимо соответствующих теплотехнических расчетов необходимо учитывать архитектурно-планировочные и конструктивные решения зданий (композиционное решение,
ориентация, размеры и герметичность заполнения световых проемов, теплоизоляция ограждений), которые определяют эксплуатационную эффективность и экономичность искусственных средств (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха.
Следует помнить, что даже идеальные в теплотехническом отношении стены и покрытия не дадут ожидаемого эффекта, если композиция здания характеризуется чрезмерным периметром наружных стен, неглубокими помещениями, большими площадями остекления и нерациональной ориентацией по отношению к господствующим ветрам. Поэтому важно уже на первой стадии проектирования, когда выявляются принципиальные решения здания,
определяющие его теплотехническую, гигиеническую и экономическую эффективность,
правильно оценить тепловой климат и аэрационный режим места строительства по исходным данным и умело пользоваться картами строительно-климатического районирования и зон влажности территории, приведенными в СНиП 23-01-99*.
Наибольшее внимание теплотехническим факторам следует уделять при проектировании зданий в экстремальных климатических районах. Существует один общий принцип подхода к проектированию зданий для северных и южных (с сухим жарким климатом) районов: здания должны быть компактными с высокой теплоинерционностью ограждений и минимально допустимыми световыми проемами, чтобы на севере обеспечивалась минимальная теплоотдача зимой, а на юге - максимальная защита от солнечной радиации летом.
2.2. Виды теплообмена
39
Передача тепловой энергии от более нагретых тел к менее нагретым представляет собой процесс, называемый теплообменом, который проявляется в виде трех видов: конвекции,
излучения и теплопроводности.
Конвекция - это процесс передачи тепла путем механического перемещения частиц вещества в газообразной или жидкой среде.
Излучение (радиация) - процесс передачи тепла с помощью электромагнитных волн,
которые передаются от более нагретого другому, менее нагретому телу, превращаясь в нем в тепловую энергию.
Теплопроводностью называется процесс, когда передача тепла происходит в результате соприкосновения частиц твердого материала (бетон, кирпич и т.п.). При теплопроводности молекулы твердого вещества в процессе передачи тепла остаются на месте, в то время как при конвекции, передача тепла происходит путем изменения положения частичек вещества теплоносителя (нагретого воздуха или горячей воды), что в результате меняет тепловой потенциал окружающей среды.
Тепловая энергия путем излучения может передаваться как через воздух, так и через безвоздушное пространство. Тепловые лучи в виде электромагнитных волн, попадая на поверхность кого-либо материального вещества, частично поглощаются им, а частично отражаются от него. Эффект поглощения обычно используется в солнечных коллекторах, с
помощью которого происходит нагревание воды и отопление помещений. Эффект отражения используется в случае задержания радиационного тепла в помещении путем наклеивания алюминиевой фольги за отопительными приборами или под утепляющим слоем мансарды, а
также путем нанесения специального отражающего слоя на внутренние поверхности оконных стекол.
В ограждающих конструкциях теплообмен главным образом осуществляется в виде теплопроводности, но одновременно он сопровождается конвекцией и излучением.. Так, через сплошные ограждающие конструкции передача тепла происходит путем теплопроводности, а
через воздушные прослойки ограждения и у его внутренних и наружных поверхностей - путем конвекции и излучения.
Передача тепла из одной нагретой газообразной среды к другой через разделяющую твердую ограждающую конструкцию, при котором действуют все три вида теплообмена,
называется теплопередачей.
2.3. Теплопередача через ограждения
Ограждающие конструкции (стены и покрытия) разделяют две среды с различными температурами, давлением и влажностью.
40