Содержание к диссертации
Введение
Глава I Предпосылки к архитектурно-строительному проектированию многоэтажной застройки 19
1.1.Жарко-штилевой климат южных городов 20
1.2. Микроклимат жилища, жилой застройки и его физиоло-гическая оценка 26
1.3 Объемно-планировочные и архитектурно-конструктивные приемы улучшения микроклимата жилища и жилой застройки 29
Выводы по первой главе 34
Глава II. Аэродинамика городской застройки 38
2.1.Аэродинамическая обстановка района, учет ветрового
режима при проектировании городов, застройки и зданий 40
2.2. Физико-математическая модель естественной аэрации городскош застройки 45
2.3. Тепло-ветровой режим городской застройки... 59
2.4. Тепловая трансформация воздуха над инсолируемыми участками городской территории 65
2.5.Инсоляция как фактор формирования тепло-ветрового режимазданий и застройки 71
Выводы по второй главе 77
Глава III. Аэрация жилой застройки 79
3.1.Метод оценки аэрации жилой застройки . 80
3.2. Физико-математическая модель вихря методу двумя параллельно расположенными зданиями ..87
З.З.Методика расчета ветровой тени от зданий и аэродинамика зданий 92
3.4.Методрасчета аэрации микрорайона 97
3.5.Экологические аспекты проектирования зданий и застройки 107
Выводы no главе три 112
Глава IV. Методы строительно-климатического микрорайонирования - предпосылка для застройки городов 114
4.1.Использование уравнения радиационного и теплового баланса при прогнозировании микроклимата городской застройки 116
4.21 Метод строительно-климатического микрорайонирования территории города 130
Выводы по главе четыре 138
Глава V. Ландшафтная ситуация и природно-климатические условия рельефной территории потенциального строительства 140
5.1.Орографическо-климатические предпосылки планировочной структуры застройки 143
5.2.Графо-аналитический метод оценки микроклимата сложного рельефа, используемого для жилищно-гражданского
строительства 148
5.3.Микроклимат холмистого рельефа — предпосылка для проектирования зданий и застройки 155
5.4.Аэродинамическая характеристика зданий в условиях сложного рельефа 159
5.5.Аэродинамическая характеристика зданий и застройки
5.6.Принципы формирования архитектурно-планировочной структуры застройки на рельефе. 180
Выводы по главе пять... „... 184
Глава VI. Элементы жилой застройки как составляющие механизма тепло-ветрового
6.1.Задачи и методы натурных наблюдений 186
6.2.Междомовое пространство, его климат и микроклимат. Взаимосвязь внешнего и внутреннего микроклимата 190
6.3. Тепло-ветровой режим городского каньона, взаимосвязь его с воздушной средой помещений 202
6.4.Роль стен зданий и подстилающих поверхностей территории в формировании тепло-ветрового режима 206
6.5.Элементы жилой застройки как механизм формирования и регулирования тепло-ветрового режима 211
6.6. Физическая модель архитектурно-конструктивных и объемно-пространственных решений 216
бїІ.Влияние объемно-планировочной структуры и элементов жилой застройки на тепловое состояние человека 225
Выводы по главе шесть 233
Глава VII. Теплофизические процессы пристенного микроклиматического слоя воздуха, как средство обеспечения теплоустойчивости стен и микроклимата помещения 235
7.1.Натурные исследования пристенного микроклимати ческого слоя многоэтажных жилых домов 235
7.2.Физико-математическая модель тепло-ветровых процессов пристенного слоя воздуха 247
7.3.Влияние движения воздуха на процесс теплоотдачи ограждения. Коэффициент теплоотдачи деятельной поверхности при жарко-штилевых погодных условиях 252
7.4. Учет местных климатических факторов при расчете теплоустойчивости ограждающих конструкций 258
7.5.Роль гравитационной конвекции пристенного слоя воздуха в аэрации помещений 264
Выводы по главе семь ...272
Глава VIII. Методы совершенствования плани ровочных структур застройки, объемно-планировочных и архитектурно-конструктивных решений зданий в условиях жаркого штилевого климата . 274
8.1.Предпосылки к планировке, застройке и проектированию зданий 275
8.2.Методы регулирования тепло-ветрового режима застройки изданий 278
8.3.Методы совершенствования планировки застройки городов и жилых комплексов 284
8.4.Методы совершенствования жилища 291
8.5. Технико-экономическая эффективность реализации предлагаемых решений 300
Основные выводы 309
Рекомендация 314
Литература
- Микроклимат жилища, жилой застройки и его физиоло-гическая оценка
- Физико-математическая модель естественной аэрации городскош застройки
- Физико-математическая модель вихря методу двумя параллельно расположенными зданиями
- Метод строительно-климатического микрорайонирования территории города
Введение к работе
Проблема охраны окружающей среды приобретает в настоящее время все большее экологическое, социальное и экономическое значение. Охрана и улучшение окружающей человека среды, как одна из основных проблем современного градостроительства и строительства, является составной частью проектно-планировочной работы. Важным разделом этой проблемы является совершенствование организации быта и активного отдыха населения, направленное на укрепление его здоровья В условиях жаркого климата остро стоит проблема улучшения среды в жилище, жилой застройке и, в целом, городской территории
Использование солнечной энергии в южных городах для формирования благоприятного микроклимата в жилище и* на территории городской застройки в летний период является одним из логических шагов в решении проблемы улучшения окружающей среды.
В южных районах СНГ и зарубежных странах, близко расположенных к экваториальным широтам, где мощность радиации и продолжительность солнечного сияния имеют значительные величины, создаются весьма благоприятные возможности для широкого применения энергии солнца. Для этих целей разрабатываются множество систем активного и пассивного преобразования солнечной энергии, которые находят применение в зданиях различного функционального назначения.
В настоящей работе исследуется один из способов пассивного использования солнечной энергии, обеспечивающий благоприятные микроклиматические условия в жилище и на территории застройки южных городов с экстремальным жарко-штилевым климатом
Тепловой режим зданий в большей мере зависит от микроклимата территории города, от озеленения и благоустройства района.
Географическая область Центральной Азии, за исключением районов высокогорных и среднегорных территорий, характеризуется четко выраженными признаками аридного климата. Здесь значительная интенсивность
солнечной радиации, в сочетании с высокими летними температурами, большой вероятностью солнечного сияния и малой подвижности воздуха и низкой влажности, часто приводит к перегреву жилых помещений и территории жилой застройки В этих условиях появляются значительные тепловые нагрузки на организм человека, при которых, как известно, существенно понижается работоспособность, производительность физического и, особенно, умственного труда, а при экстремальных термических условиях возникают угроза перегрева организма
Современная наука имеет определенные достижения в области строительной климатологии.
К первым микроклиматическим исследованиям в* жилых зданиях и застройке Центральной Азии относятся работы А.С Антонини, Н.М.Томсона, Г В.Шелейховского [9, 189, 210]. Учеными СНГ разработаны практические методы учета климатических воздействий на тепловой режим зданий (В.И.Ильинский, В Н.Богословский, Б.Ф.Васильев, А.М.Шкловер* К.Ф.Фокин, Ф.В.УШКОВ, Н М.Гусев, И.С Суханов и др.) [24, 32, 75, 182, 195, 199, 212] Основы и научно-методические обоснования природно-климатической типологии жилища разработаны в трудах В.Е.Коренькова, Н.П.Былинкина, ВКЛицкевича, А.А.Гербурт-Гейбовича, М С Горомосова, применительно к условиям жаркого климата - И С Суханова, А В Ершова, Т Б.Рапопорт, И.А Мерпорта, А.К.Биркая, Г.К.Гольдштейн, З.П.Ломтатидзе, Г.И.Полтарак и др.
Объемно-планировочные и архитектурно-конструктивные мероприятия, обеспечивающие благоприятный микроклимат в городской территории и в помещениях, рассмотрены в трудах Г В.Шелейховского, С.Б Чистяковой, К С.Леонтьевой, АЭсенова, М М Чернавской и др [23, 46, 55, 69, 106, 109, 137, 206, 210]
За рубежом значительный вклад в изучение вопроса климатической защиты зданий и застройки в жарком климате внесли Д Аронин, Д Аткинсон, Р Ауэб, В Олжей, Б Саини, Т Роджерс, Г Липсмайер, Б Эванс, Б Гивони, С Зоколей, Б.Андерсон и др [12, 14, 219, 225, 233, 235].
Проблемами* аэрации городской застройки занимались в период 1936-1947гг КМТомсон, А.САнтонини. Теоретические экспериментальные исследования аэродинамики зданий и их комплексов обобщены в капитальных трудах Э И.Реттера, а также в монографиях и статьях В В.Батурина, И А Шепелева, В.М.Эльтермана, Ф Л.Серебровского, ИКЛифанова, В.Н.Талиева, В.П.Титова,Ві.Козаченкоі и др. [17, 89,108, 155, 168,185, 187, 211, 2Ї5].
С цельюшоиска возможностей улучшения-микроклиматической среды городской застройки и жилища путем использования солнечной энергии, прежде всего, необходимо, проанализировать классификацию климатического районирования! территорий, а также типов погодных условий, на основе которых выявить города, характеризующиеся специфическими признаками погоды.
До настоящего времени в архитектурно-строительной практике проектирования w строительства применяется СНиЖ 2.01 01-82 «Строительная климатология^ геофизика» со схемой районирования территории бывшего СССР с характеристикой климатических районов и подрайонов разработанной ЦНИИЭП жилища Указанные схематические карты климатического районирования отражают лишь фоновые изменения климата крупных территорий страны. Учет местных особенностей природы и климата (рельеф, направление ветра, безветрие, пыльные бури и т.п.), играющие существенную роль при проектировании зданий и их комплексов, представляет собой особую проблему
Широко известна также классификация тропического климата английского ученого Г. А Аткинсона [14]. Она в основном учитывает температурно-влажностный режим, преобладающий в течение всего года, и выделяет шесть типов климата жаркий сухой, теплый влажный, горный, приморских пустынь, муссонный, океанских островов.
Принципы статического метода комплексной климатологии (классы погоды) развиты в работах В К Лицкевича и А А Гербурта-Гейбовича [46, 110] для определенных режимов эксплуатации помещений. Ими предложена
классификация метеорологических условий, предназначенная для архитектурно-градостроительных целей на следующие типы погоды: жаркая, жаркая-сухая, теплая, комфортная, прохладная, холодная и суровая.
Жаркий тип погоды в свою очередь имеет признаки жарко-сухого, жарко-влажного, жарко-горного климата. Для территории стран Центральной Азии присуще жарко-сухой признак климата, районы, охватывающие и территорию Закавказья, характеризуется жарко-влажным климатом.
Проанализировав классификацию метеоусловий различных авторов, наряду с указанными выше погодными условиями автором выделены следующие специфические для южных районов признаки погоды - жарко-ветровой и жарко-штилевые Подобное разделение жарко-сухого климата на более мелкие признаки и их учет в градостроительной практике является следующим важным шагом в решении архитектурно-строительных задач.
Климат многих районов южных республик СНГ характеризуется двумя факторами жарой и штилем. Этап особенности во многих городах Центральной Азии составляет ведущий профиль климата в годовом цикле.
Город с его застройкой и озеленением, препятствующими движению воздуха, усугубляет безветрие. И не случайно климат многих южных городов в летние месяцы характеризуется жарой и штилем. При этом в приземной микроклиматической зоне жилой застройки образуются застой и перегрев воздуха, определяющие условия «духоты», которая является последствием дискомфортных условий для человека
Для борьбы с перегревом имеется целый ряд бывших общесоюзных и региональных, республиканских рекомендаций по проектированию и строительству зданий и застройки в условиях жаркого климата Осуществлено не мало исследовательских работ, предлагающих пути и средства по борьбе с перегревом. В этом направлении в настоящее время ведутся работы в ТашЛИТИ, Узшахарсозлик ЛИТИ, ЩЖИПградостроительства, НИИСФ, МГСУ, ТТУ и др
Необходимо отметить, что в настоящее время крайне мало исследований, а также практических рекомендаций, связанных с формированием благоприятной микроклиматической среды городов с жарко-штилевым климатом
Если посмотреть рекомендации и предложения различных авторов по борьбе с перегревом в городах и зданиях средствами планировки, застройки, благоустройства, озеленения и обводнения, а также научно-исследовательские работы в области теплоустойчивости ограждающих конструкций, то можно^ пронаблюдать, что все они посвящены решению задач, связанных с жарко-ветровым условием климата. Разработки и рекомендации по проектированию жилых образований и здании в районах с жарко-штилевым профилем климата, практически отсутствуют за исключением отдельных предложений носящих локальный разрозненный и описательный характер.
В разделе СНиП 2.01.01-82, а также в классификациях климатических районов и типов погоды не дается понятие «профиль климата», в силу этого не выделены как специфические условия климата «жара-штиль» типичные для многих городов и районов тропических стран и районов субтропики Центральной Азии, требующих особого учета и средств регулирования.
При этом уместно рассматривать вопрос улучшения дискомфортной микроклиматической среды в южных городах в аспекте «солнце - город -здание - человек».
Формирование комфортных условий внешней среды городских образований в целом, так и внутренних пространств зданий, входящих в систему застройки, не может быть решено без изучения такого важного фактора микроклимата, как ветровой режим.
Проведенный анализ предыдущих исследований показывает, что вопросы организации естественного проветривания жилых образований формированием местных (локальных) ветров являются практически малоизученными и составляют предмет дальнейшего исследования Для решения этой задачи единственным правильным путем является исполь-
зование механизма взаимодействия солнечной энергии с деятельной поверхностью застройки (поверхностью стен, покрытий, проездов, тротуаров, дорожек, зеленых насаждений и др.).
Исследования ученых СНГ и зарубежных стран в области строительной аэродинамики, метеорологии, физики, медицины дает проектировщикам богатый теоретический и экспериментальный материал.
Однако наряду с практикуемыми в градостроительном проектировании методами оценки ветрового режима городской застройки отмечается существенный пробел в очень перспективном и» характерном для южных районов проблеме естественной аэрации застройки в экстремальных жарко-штилевых условиях югимата.
Целью диссертационной работы является разработка теоретических и методических основ по эффективному регулированию микроклимата зданий и застройки в условиях жаркого штилевого климата
Задачи исследования:
1 Выявление специфических экстремальных природно-климатических жарко-штилевых условий и принципы учета их в градостроительном и архитектурно-строительном проектировании;
2. Разработка методических основ строительно-климатического микрорайонирования территории городов, сложного рельефа в соответствии с ландшафтной ситуацией и выявление комплекса климатических факторов районов с жарким штилевым климатом;
3 Выявление влияния местных климатических факторов на микроклимат жилища и тешіофизические качества ограждающих конструкций путем изучения тепло-ветровых процессов в зоне жилища при разных условиях инсоляции застройки,
4. Разработка физико-математической модели тепло-ветровых процессов с описанием аэродинамических характеристик застройки Расчетное прогнозирование аэрации микрорайона и помещений здания,
5 Разработка методических основ по регулированию тепло-ветрового режима застройки и зданий путем эффективного использования энергии солнца;
6. Разработка практических рекомендаций по улучшению и регулированию микроклиматической среды городской застройки и помещений путем использования архитектурно-строительных средств. Методы исследования:
аналитический расчет тепло-ветровых процессов в застройках и в зоне жилища южного города;
графо-аналитический расчет инсоляции территории городской застройки и зданий с выявлением термически контрастных зон и плоскостей путем применения разработанного инсоляционного прибора;
маршрутные натурные обследования климатических, микроклиматических и биоклиматических различий территории города и рельефной ситуации (Душанбе и прилегающих к нему горных склонов) с последующим микро- и биоклиматическим районированием;
графо-аналитический метод оценки микроклимата сложного рельефа и микроклиматическое районирование;
расчет и оценка тепло-ветровых процессов застройки на равнине и на рельефе с применением ЭВМ;
исследования в «метеорологической трубе» тепловой модели композиций групп зданий (в 94-х вариантах) и протекающих в них тепло-ветровых процессов при инсоляции,
натурные экспериментальные исследования микроклиматических и климатических факторов архитектурно-строительных решений застройки (в 9-ти вариантах) и зданий (в 8-й жилых домах)
Натурные экспериментальные исследования проводились во фрагментах застройки центральной части г.Душанбе и в 32-м, 33-м, 46-м, 102-м микрорайонах, а также прилегающих предгорьях в летний период в течении 8
лет Исследование проводились под руководством соискателя экспедиционной группой, состоящей из 3-х аспиратов и 22-х студентов Экспериментальные исследования на физической модели застройки изучались путем продувки вариантов композиций застройки в «метеорологической трубе» Таджикского технического университета
Достоверность полученных научных результатов. В основу исследований теплофизических и) аэродинамических процессов в городской* застройке и в зоне жилища положены методы исследования среды реальной застройки и экспериментально-модельных исследований вариаций застройки в «метеорологической трубе», а также получения сопоставимых аналитических зависимостей Научное положение, содержащееся в работе, достаточно обосновано анализом результатов большого количества литературных источников в области градостроительной климатологии и биоклиматологии, строительной физики, метеорологии, что обеспечивает точность и правомерность разработанной теории и методов, достоверность выводов и рекомен-даций.
Научная новизна работы.
Впервые исследованы специфические экстремальные климатические жарко-пггилевые условия среды южных городов, подлежащие учету в процессе проектирования и строительстве зданий и их комплексов.
Впервые создана теория жарко-штилевых тепло-ветровых процессов, позволяющая прогнозировать и регулировать микроклимат городской застройки, возводимых в условиях равнины и сложного рельефа
Разработан метод ландшафтно-климатического районирования территории города, рельефной территории, а также склонов гор, предназначенных к строительству зданий.
В новом аспекте решена задача по регулированию городских местных ветров и определена их роль в теплофизических процессах пристенного, приземного слоев воздуха и ограждающих конструкций
Установлена взаимосвязь местных ветров застройки термического происхождения с динамическим ветром при аэрации застройки. Определена роль местных ветров в формировании микроклимата застройки и зданий.
Составлена теоретическая модель трансформации температуры воздуха, позволяющая рассчитать влияние общего городского тепла и единичных тепловых пятен застройки на прилегающую территорию. Разработана программа для численных расчетов на ЭВМ
Усовершенствована методика расчета аэрации помещений здания с учетом гравитационной конвекции.
Практическая ценность работы.
Найден принципиально новый способ регулирования тепло-ветрового режима среды многоэтажной застройки городов с жарким штилевым климатом, основанный на рациональном использовании энергии солнца Установлена роль многоэтажной застройки в регулировании тепло-ветрового режима.
Разработан инженерный метод аэродинамического расчета городской застройки и зданий, возводимых на равнине и сложном рельефе, позволяющий прогнозировать и улучшить микроклимат
Определен метод микро- и биоклиматического районирования территории городов и рельефной ситуации, основанный на разнообразии городского ландшафта и экспозиции рельефа, являющийся пособием в градостроительном проектировании.
Определены методы практического регулирования микроклимата применением рациональных архитектурно-строительных, градостроительных приемов и средств целенаправленной организации естественной аэрации.
Разработаны методические указания по совершенствованию планировочных структур застройки, объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и застройки в условиях жарко-штилевого климата.
Заложена основа для составления особого раздела нормативных документов по проектированию зданий и застройки в условиях жаркого штилевого климата
Внедрение результатов работы.
Материалы исследований внедрены в проектировании и строительной практике, а также используются в научных работах различных организаций. Результаты внедрения имеют оздоровительно-социальное значение, улучшают условия проживания людей, повышают производительность труда, а также снижают заболевания и смертность в экстремальных, условиях.
В АОО «Гипрострой>> результаты работы внедрены при проектировании 9-ти этажных крупнопанельных жилых домов серии 165 и 76, 16-этажного 124-квартирного дома из монолитного железобетона, а также при разработке проекта детальной планировки 3-го микрорайона г Курган-Тюбе, в проекте планировки и застройки 4-этажных блокированных 96-кваптипных домах г.Хорога,
Результаты работы внедрены в Главном управлении архитектуры и градостроительства Хукумата г.Душанбе при разработке проекта детальной планировки* застпойки экспериментальных микрорайонов Испечак-1, Запа/Ь-шон и реконструкции 32-го, 33-го, 46-го и 102-го микрорайонов, а также благоустройстве и озеленении территории г.Душанбе.
В ОАО «Узшахарсозлик ЛИГИ (Узбекский проектный и научно-исследовательский институт по п^ялост^оительств^^ ^ез^льтаты паботы внедрены при разработке раздела «Охрана и улучшение окружающей среды» генерального плана г. Бука Ташкентской области.
В Министерстве охраны природы Республики Таджикистан результаты использ^лются при пазпаботке рекомендаций по з'л^чшению и оздоровлению окружающей среды городов с жарко-штилевым климатом
В Таджикском техническом университете результаты научной работы использованы в учебном процессе - в разделах учебного пособия «Конструи-
издательстве АСВ M 2004г, лабораторных работах по строительной физике, в учебно-исследовательских работах студентов, при дипломном проектировании студентов строительных специальностей
16 Личный вклад автора заключается в формировании концепций пос-
ірОЄЬЯЯ pEtuOibl, НаїїраллЄННОИ на рЄШЄКИЄ ШСГусШЬКОИ upOwjioMm, в иОСТаКОБ-
ке пели и пазпаботке запач исследований Автопом создана теогжя жапко-
XX X АЛ.
штилевых тепло-ветровых процессов, позволяющая прогнозировать и регулировать микроклимат городской застройки, возводимых в условиях равнины я сложного рельефа. Им разработано методическое обеспечение проведения исследований, выполнена обработка полученных результатов, сформулированы научные положения и выводы. Автор принимал личное или непосредственное участие во всех натурных и экспериментальных исследованиях.
ТЛЧ.С ТТО -ТГ*ЛҐГ\СХТТ1Ґ\іЛ Т~*Г\Г\Ґ\ -ГГГ*1ГҐ\Т*Г\ Г»Т^«/ЛТЛ»Т,СкТТХ./^ТЧОО Т* ЛГГ\Г){ТЪЖГ»ТТТУ<Ъ ПГ^ ТГЛТЛТЇТЛ/*ТЛГЧ"Піг\ Tn*vT3rT;rTTzao_ ХАІУА АА«Д, Х\ллЛ^\^^\у\^ JL и|/^Д V1V4/JI V WJL ^/V/Jtil VjiiJVJl »«. XX J*.\J3JxX*.\J JLXJf%* A M/Ji^Ivii.tVVU.XXyjL ЧУ і WiUJJCl '1VV
кого университета1 создана лаборатория теплофизики и микроклимата, являющаяся базой проведения учебно-исследовательских и научно-экспериментальных работ.
На защиту выносятся.
Теория учета жарко-штилевых тепло-ветровых процессов городской застройки.
Метод микро- и биоклиматического районирования территории города и рельефной ситуации, основывающийся на разнообразие ландшафта и экспозиции склона при условии инсоляции
Прибор для оценки инсоляции территории застройки и помещений.
Метод аэродинамического расчета застройки, возводимых на равнине и сложном рельефе.
Метод регулирования тепло-ветрового режима застройки архитектурно-строительными средствами путем рационального использования энергии солнца.
Апробация работы.
Основные положения результаты работы доложены и обсуждены на II зональной научно-технической конференции «Научно-технический прогресс в области градостроительства» (Ленинград, 1981г.), Республиканской научно -методической конференции ВУЗов Грузинской ССР по образованию в
17 области охраны окружающей среды (Тбилиси, 1981 г ), Республиканской кон-
J „, 1- , „„„„„_, . С „. . „ „„
фсрсшдии \\у родиі/іришслшішс ириилолхы is YWiUBmiA Jivapjvui u ruuaiviai сиг
(Ташкент 1981 г ") Всесоюзной конАепениии «Гапмонизания иелестности и комфортности городской среды» (Ташкент. 1982г). Первой республиканской конференции «Проблемы экологии и охраны окружающей среды» (Тбилиси, 1983г). Республиканских научно-практических конференциях специалистов f ттутттяттбр 198^ и 1985гт ^ Республиканской научно-практической конференции «Современные проблемы застройки и планировки городов и поселков» (Душанбе, 1987г), Республиканской научно-практической конференции, посвященной 70-летию Великого Октября (Душанбе, 1987г ^ Республиканской на^;чно-ппактической конференции ^Перспективы использования солнечной энергии в народном хозяйстве Таджикской ССР» (Душанбе, 1987г). Всесоюзной научно-практической конференции «Основные направления и опыт использования нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве^ ^ ттЧтпанбе 1988г ^ Республиканской на^но-плакти-ческой конференции «Благоустройство городских территорий г Душанбе (архитектурные и экологические проблемы)» (Душанбе, 1989г), Республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов
(Дллтгяттбр 1 QQOr ^ Рргпл/6гпик-янгтгг>т тчгяхлогттп-ттпятгпяиргтгпй тгпрггЬрприттигът
\r—v — —, --..„- ,, „_, _, „ —t „_ j--^-,
«Наука в интересах прогресса и окружающей среды» (Душанбе, 1995г). Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения основателя ТТУ (Душанбе, І998г ). Региональной научно-
ППЯ-Кгттчрртгпіт TrnwrhpnpmTWW «06гія^пї»яргітр гтпятргьта ттрпрллри» ҐЛкигттяргбр
2000г), на заседании секции строительной физики кафедры Архитектуры МГСУ (Москва, 2000г ), Международной научно-практической конференции noc-вященной 10-летию 16 сессии Шурой Олий РТ (Душанбе 2002г), на заседании ка^епТ|ы Гг)ятюстпоительства МГСУ ^Москвя 2004г ^
Некоторые положения диссертации нашли развитие в разработанной и разрабатываемой под руководством и консультации автора кандидатских диссертаций аспирантов МГСУ Б И Гиясова и Щ Р Гамзаева
Публикации. Материалы по теме диссертации представлены в. 53 опубликованных раиотах, в том числе б 3 учебных пособиях, также отражены в 7 научно-технических отчетах
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, списка литератур 240 наименований. Работа изложена на 332 страницах (том I), приложения на 240 страницах, включающие 335 рисунков и 71 таблиц (том 2).
Работа выполнена в Таджикском техническом университете им. М.Осими и в Московском государственном строительном университете в еооївешівии с важной социальной общеі осу дарсі венной задачей, охраны окружающей среды, входящей в комплекс глобальной проблемы охраны природы и улучшения использования природных ресурсов; координационным планом по проблеме «Конструкция, функция и среда в архитектуре зданий, возводимых в условиях жаркого климата» тема 02.02.12.30 «Использование солнечной энергии для опганизации внутренней среды в жилых и общественных зданиях, возводимых в районах с жарким сухим климатом»; Государственным заказом Министерства образования Республики Таджикистан № 32 госрегистрационный номер 0000009891 по теме «Исследование, проектирование и строительство зданий и соогл/жений с учетом региональных условий Таджикистана»; планом НИР ОАО «Узшахарсозлик ЛИГИ» раздел 3 7, 3.6 тема «Исследование экологических аспектов градостроительства влияющих на жилую застройку и разработка методических рекомендаций по совершенствованию селитебных территорий городов Узбекистана»
Автор выражает искреннюю благодарность профессорам, д.т.н. кафедр Архитектуры и ТГВ МГСУ |Ушкову Ф Б ,| Реттеру ЭИ.,||Титову БП|
доценту ктн
Масленников^^ тт с
за оказанною консчпьтативн^лю помочь
при выполнении диссертационной работы Особую благодарность выражает преподавателям кафедры Градостроительства и Архитектуры МГСУ за помощь и поддержку
Микроклимат жилища, жилой застройки и его физиоло-гическая оценка
Современная городская застройка представляет собой сложную многокомпонентную среду обитания человека Жилая среда оказывает определенные воздействия на организм, вызывая ответные реакции. Функция терморегуляционного аппарата человека в городской застройке в экстремальные жаркие и безветренные летние дни приходит в крайнее напряжение. В свяви с этим для проектировщиков при планировке застройки новых микрорайонов и реконструкции, существующих важно знать влияние различных градостроительных комплексов, структуры застройки, элементов благоустройства и озеленения территории на микроклимат, а следовательно, и на тепловое состояние человека, с тем, чтобы выбрать наилучпшй для данных климатических условий вариант.
В городах с жарким и сухим климатом из-за дискомфортного тепло-ветрового состояниявнешней среды их жители главным образом пребывают днем преимущественно в помещениях (60. 80% опрошенного населения), а вечером и ночью - на открытых участках (70. .90% опрошенного населения) [216].
В помещении тепловое ощущение человека определяется сочетанием нагрева внутренних поверхностей ограждения, температуры, влажности, скорости движения воздуха, а во дворе, на улице и на площадках отдыха — наличием каменных, бетонных и асфальтовых покрытий, массивов стен, светлых плоскостей, зеленых участков, водных поверхностей и их нагревом интенсивной прямой солнечной радиацией (рис 18, 1.9 ггошюж.).
В СНГ и за рубежом проведены много исследований, связанных с выявлением особенности терморегуляции организма человека в жаркое время года и учитывающих акклиматизацию местного населения. Это работы С И Ветошкина, АН Дилера, К А Раппопорт, П.МЛернера, ИМ Геллера, Н А Каротченко, БГБагирова, X И Кулиева, AM Юсупова, К Б.Баратова, И А Кассирского, З.И Умидовой и М Ф Авезбековой. использование результатов этих исследований, а также обобщающих работ Н К Витте, П И.Гуменера, А Н.Марзеева, Б.А Малышевой, Ю Д.Губернского, И С Кондрора, Е И.Кореновской, Б.А.Айзенштата и некоторых зарубежных специалистов Э Адольфа, Д.Гокотта, Д.Драсдайля, КУэбба, Д.Сегала, Л Бонхиди позволяет наметить границы теплового комфорта в помещениях и на территории жилой застройки [3, 16, 35, 36, 58, 107, 113,193].
По данным П.Ю Гамбурга, если при внутренней температуре воздуха +18С и нормальной влажности 45. .50% производительность труда можно принять за 100%, то при повышении температуры в помещении до +25С производительность снижается на 5. . 12,5%, при температуре воздуха +30С -на 13.. 15%, при+35С-на 16 23% [42].
Гигиенистами установлено, что в перегревные часы производительность труда на открытом воздухе в условиях городской застройки снижается до 30% [58]t
ЗИ.Умидова отмечает, что вследствие несовершенства терморегуляционного аппарата особенно угнетающе действует перегрев среды на детей, находящихся в активной зоне теплового возмущения 0,5... 1,0м над поверхностью земли [193].
Установлено, что в условиях сухой атмосферы в недвижном воздухе неприятные ощущения у человека возникают уже при температуре +31 С, а при движении воздуха со скоростью около 1м/с - при температуре не менее +35С [216]
Как отмечает В И Федынский, хороший гигиенический эффект при температуре воздуха +25...+26 С наблюдается при скорости ветра 1м/с. При +27 28С для такого же эффекта необходима скорость ветра 2м/с. Зона комфорта сразу расширяется на 8 10С, если недвижный воздух переходит в движение [197].
По М С Горомосову, при изменении скорости ветра с 0,01м/с до 0,6м/с теплоотдача человека конвекцией возрастает вдвое. При увеличении ветра с 1м/с до 4м/с она возрастает всего на 75% [55].
Незначительное увеличение скорости ветра весьма чувствительно отражается на ЭЭТ (эквивалентно-эффективная температура, характеризующая теплоощущения человека, находящегося на затененном участке). К примеру если увеличить скорость ветра с 0 до 3,5м/с, то теплоощущение по шкале ЭЭТ при стабильной температуре воздуха (+30С) и неизменной относительной влажности (20%) составляет от 23С до 19,9С, т.е. оценка климатических условий переходит из «жарко» в зону «комфорта», так как последняя по шкале ЭЭТ лежит в пределах от 17 до 22С включительно [96].
При определении комфортных нормативов теплового режима жилища обязателен учет климата, места его расположения и степень адаптации к нему человека
Киевским НИИ общей и коммунальной гигиены составлена таблица зависимостей границ комфорта для помещения от климатического района и времени года. Границей комфорта для летнего периода принята температура воздуха +25... +26С, подвижность воздуха 0,01... 0,15м/с [209].
Согласно М.С.Горомосову [55], наиболее благоприятные для организма в летнее время сочетания температуры воздуха внутри помещения +22...+25С с относительной влажностью 45...55%. Результаты исследования А.Е Малышевой [113] подтверждают приведенные показатели
Определение границ комфорта теплового режима на территории двора, улицы представляет более сложную задачу с физической и физиологической сторон в связи с наличием большого количества факторов, участвующих во взаимосвязи человека со средой
Однако имеется ряд предложений по установлению предельных границ комплексной характеристики комфорта
Так, например, Г К Гольдштейн предлагает для Ташкента нижнюю границу комфорта принимать по температуре воздуха +21.. +22С, по относительной влажности воздуха 35. 50% и по скорости ветра 0. 0,7м/с, а верхнюю границу - по температуре +28 +32С, по влажности 35 .40% и по ветру 0,03.. 3,5м/с [51].
Физико-математическая модель естественной аэрации городскош застройки
Процесс возникновения и распространения локальных ветров на территории города и в системе «город — пригородная зона» изучен недостаточно
Влияние урбанизованного города на климат, прослеживается в тенденции к увеличению температуры воздуха. Повышение температуры имеет место в каждом большом и маленьком городе
Выявлению и анализу причин образования «городского острова тепла» посвящено множество работ [23, 31, 220, 239].
Из многочисленных работ, посвященных изучению метеорологических условий в городах СНГ и за рубежом, известно, что в них наблюдается швы шение температуры воздуха и изменение влажности, снижение скорости ветра по сравнению с окрестностями [33, 168, 210, 222].
Одним из существенных факторов, снижаюпщх комфортные условия городской среды, является образование острова тепла, возникновение которого связано с радиационными факторами [20, 44, 229, 230].
Исследования, проведенные в Душанбе, Алма-Ате, Самарканде и других городах СНГ и их пригородной зоне в июле при небольших скоростях ветра показали, что максимальный прогрев воздуха внутри города наблюдался на участках, где имеются большие асфальтовые площади, не озелененные пешеходные магистрали и в районах с плотной многоэтажной застройкой [49, 205]. На этих участках максимальная разница температуры воздуха города и села отмечаются в послеполуденные часы в 18...21ч — до 5,5С, а минимальные — в утренние часы в 6 8ч с температурой до 2,5С
Воздух в городской застройке Душанбе днем на 3 8С, ночью 6 .. 8С теплее, чем в окружающей горной и сельской местности.
При рассмотрении распространения местных ветров в плане географического ландшафта «город - пригородная зона» отмечается, что в теплом воздухе изобарические поверхности над городом располагаются на больших расстояниях друг от друга, чем в холодном. При этом возникает замкнутая циркуляция воздуха. При отсутствии нагрева деятельной поверхности города температура и давления на всех участках подстилающей поверхности ABC (рис 2.7, 2.8 прилож.) одинаковы и изменение давления с высотой над этими участками тоже одинаково Тогда изобарические поверхности располагаются горизонтально, так что у поверхности подстилающего слоя и на всех высотах отсутствует горизонтальный градиент давления и горизонтального движения воздуха нет
При инсоляции городской территории «В» деятельная поверхность нагревается и постепенно распространяется в вышележащие слои воздуха Изобарические поверхности над этим районом начнут приподниматься и расходиться (см. рис 2 7 прилож.). Так как барическая степень с высотой увеличивается, а в теплом воздухе она больше, чем в холодном, то чем выше уровень, тем больше приподнимается изобарическая поверхность. На верхних уровнях давление над районом В окажется больше, чем над районами А и С, т.е. возникает горизонтальный градиент давления и начинается движение воздуха от большого давления к меньшему
Подобное движение приводит к изменению давления и на нижних уровнях. В районе В вследствие оттока воздуха оно понизится, а в районах А и С вследствие притока воздуха оно повысится Соответственно в районе В изобарические поверхности на нижних уровнях опустятся, а в районах А и С - поднимутся. На нижних уровнях возникает горизонтальный градиент давления и начнется движение воздуха от большего давления к меньшему, т е из районов А и С воздух будет перемещаться район В.
Кривизна нижних изобарических поверхностей будет уменьшаться с высотой, и на некоторой средней высоте изобарическая поверхность останется плоской. Еще выше изобарические поверхности останутся изогнутыми кверху и будет продолжаться отток воздуха из района В районы А и С Этот отток будет компенсироваться восходящими движениями теплого воздуха в районе В, а над районами А и С воздух, притекающий сверху, будет опускаться
Таким образом между нагретыми районами города В и не нагретыми районами (периферия) А и С формируется термическая циркуляция воздуха, состоящая из четырех звеньев- над теплой поверхностью — восходящее движение, над более холодной - нисходящее, у земной поверхности - движение от холодной области к теплой, а выше некоторого уровня воздух охлаждается и движется над теплой областью к холодной Циркуляция такого типа возникает и в результате охлаждения какого-либо отдельного участка городской застройки Над ним развивается нисходящее движение воздуха, а над соседними, не охлаждавшимися участками - восходящее
Физико-математическая модель вихря методу двумя параллельно расположенными зданиями
Численные значения относительных координат зоны аэродинамической тени за зданием при конвекции приведены на рис 3 16, 3 17 и табл 3.3, 3 4 прилож
Если длина здания меньше 10-кратной его высоты, то граница аэродинамической тени и аэродинамическогоследа понижается, так как чем меньше длина здания, тем больше воздух обтекает его с торцов
При обтекании здания с нагреваемыми фасадами, крышами и прилегающими территориями наблюдается увеличение толщины вытеснения натекающего воздушного потока обуславливающая давлением, создаваемым в наветренной стороне здания и архимедовой силой. Разница между линиями отрыва при обтекании здания с учетом и без учета конвекции от инсолируе-мых поверхностей здания и придомовой территории равно «8» (рис 3 1 прилож.). Значение «8» изменчивое и зависит от степени нагрева деятельной поверхности
Приращение подъемной силы определяется из закона Архимеда и в условиях неравномерного распределения плотности воздуха по площади поперечного сечения Действие подъемной архимедовой сила, равна g(Pcc-P)=gPccj3(to0) (3.1)
Эта сила и вызывает конвективное движение среды Из уравнения (3 1) следует, что подъемная сила будет тем больше, чем выше значение следующих величин: напряженность гравитационного поля g, температурного коэффициента объемного расширения (3 и температурного напора.
Основная задача эксперимента сводится к установлению рациональной методики испытания, выбору основных констант подобия и установлению функциональной зависимости между характерными критериями
Согласно результатам аэродинамических испытаний моделей теоретических исследований, натурных наблюдений, обтекание отдельностоящего здания определяется зона «ветровой тени», расположенной с наветренной стороны
В пределах зоны ветровой тени скорость ветра не превосходит некоторой величины существенно меньшей, чем скорость ветра на свободном участке иц U UoK,,, Кц= , (3.2) и0 где иц -скорость ветра в пределах ветровой тени, U0 — скорость ветра на свободном участке; Кц - коэффициент снижения скорости в циркуляционной зоне
Реальная физическая картина аэродинамики вихревой зоны весьма сложна. Для целей архитектурно-строительного проектирования важна средняя величина скорости ветра за зданием с учетом вероятных значений скорости ветра на свободном участке
Здание неудобное к обтеканию, вызывает вихреобразное возмущение ветрового потока. Ориентация вихрей в пространстве может быть различна, но в приземном слое воздуха вблизи поперечной оси здания образуется четко выраженный обратный ток со скоростью, спадающей до нуля примерно на расстоянии 5 высот здания По мере удаления от здания средняя скорость воздуха постепенно восстанавливается до начальной величины U0. Аналогичные изменения происходят и в поперечном направлении — по мере приближения к створу торца, а также по высоте Таким образом, степень уменьшения средней скорости в некоторой точке за зданием по отношению к U0, выражаемая коэффициентом Кц, которая зависит от положения точки относительно здания Для архитектурно-планировочньгх целей важно определить зону, в которой иср не превосходит заданную величину Допускаемое значение ид определятся на основе гигиенических требований к микроклимату Расчетное значение Upac можно получить путем обработки метеоданных Отсюда требуемое значение коэффициента снижения скорости Кц = , (3 3) U рас
В соответствии с полученным значением Кц можно установить границы зоны снижения и затишья ветра Однако ряд наблюдений и теоретических исследований приводят к выводу, что практически нельзя получить компактную и достаточно большую зону, в которой Кц 0,4; в то время для значений 0,4 Кц 0,5 зоны, как правило, являются достаточными.
Метод строительно-климатического микрорайонирования территории города
С целью всестороннего изучения» местных особенностей южных городов СНГ были проведены масштабные климатические и микроклиматические исследования
Для этого в наиболее характерных городах - представителях были проанализированы данные сети метеорологических постов, проведены натурные наблюдениям и сделаны графоаналитические расчеты по изучению местных особенностей климата, микроклимата, рельефа, ландшафта и др
Специфика проблемы требует методики исследования, основанного на данных метеорологических городских станций, а также использования специальных измерений, направленных для выявления особенностей теплофизи-ческих процессов, характерных для конкретного города, застройки, зданий.
Для изучения микроклимата и климата города проанализированы"
- данные длительных наблюдений стационарных метеорологических станций и пунктов, расположенных в городе и окраине (для анализа использованы последние 20-летние сроки наблюдения управления гидрометеорологии и контроля среды Республики Таджикистан, Среднеазиатского регионального научно-исследовательского гидрометеорологического института им. В.А. Бугаева),
- создана сеть из нескольких постоянных и передвижных временных наблюдательных пунктов в городе Душанбе и вне его, оснащенных метеорологическими приборами, самописцами (рис 4 15 прилож);
- произведен маршрутный объезд города, сопровождаемый измерениями на территориях и площадях, отличающихся специфическими климатическими условиями — микроклиматом,
- изучен тепло-ветровой режим застройки при различном объемно-планировочном решении городской застройки на физической модели в лабораторных условиях путем использования специальной методики предложенной автором [48];
- произведен анализ данных, полученных несколькими метеостанциями и маршрутными пунктами о направлении! и повторяемости ветра в городе и пригороде, а также климатических данных.
В процессе исследования производились следующие измерения путем применения метеорологических приборов приведенных в табл. 6.2 прилож. согласно методики [120]: градиентные замеры температуры воздуха и скорости ветра, замеры влажности воздуха, температура деятельной поверхности городской застройки; тепловой поток от горизонтальных и вертикальных поверхностей застройки; актинометрические замеры солнечной (суммарной, прямой, рассеянной, отраженной - альбедо) радиации; замеры температуры радиационным цилиндром и шаром; задымление территории для качественной оценки ветрового режима.
Основной задачей работы было определение количественной величины тех микроклиматических изменений, которые необходимо учитывать при изучение климата городской территории в разнообразных условиях деятельной поверхности
Для выявления микроклиматической картины были изучены теплофи-зические процессы на территории городской застройки с использованием следующих методов оценки: - климатического, путем выявления особенностей микроклимата по данным гидрометеорологической сети, опубликованных в климатических справочниках, - теоретического, путем расчета характеристик микроклимата на основе данных основной сети метеорологических станций и данных натурных экспериментальных исследований; - проведением обширных натурных наблюдений в разных вариантах застройки, на территории города; - моделирования территории городской застройки.
Исследования проводятся по общей схеме исследований [49, 120], включающей градиентные теплобалансовые и микроклиматические наблюдения, позволяющие изучить основные физические закономерности возникновения факторов микроклиматических различий над разными подстилающими поверхностями и в разных условиях объемно-композиционного и планировочного решения застройки и зданий.
Проблема формирования и регулирования микроклимата и климата городских образований была рассмотрена в следующих аспектах: - климат города как единое целое; мгла, образованная аэрозолями; интенсивность солнечной радиации, продолжительность солнечного сияния; характер ветров явления штиля, застоя воздушных масс, система городских ветров; повышение температуры с увеличением размеров города и численности населения и др.; - климат отдельных микроклиматических районов плотно или редко застроенных кварталов; вновь строящихся или сложившихся районов, условных жилых и промышленных районов; центр города, окраина и пр ; - климат отдельных улиц, дворов в зависимости от их ширины, их положения по отношению к солнцу, ветру, застроенности площадей; территорий парков, озелененных зон, территорий обводнения, орошения; типа подстилающих поверхностей мостовых и пр , - климат зданий в зависимости от их объемно-планировочного и архитектурно-конструктивного решения, ориентации по сторонам света
Похожие диссертации на Регулирование микроклимата застройки городов в условиях жаркого штилевого климата
