1.5. Архитектурный анализ климатических условий погоды

Архитектурный анализ климатических условий погоды позволяет целенаправленно принимать архитектурные решения в проекте. С характером погодных условий связаны категории архитектурной композиции, ориентация помещений и зданий по сторонам горизонта, устройство солнцезащитных экранов, озеленение, снегозадержание, направление городских магистралей и т.п.

Анализ ведется «от общего к частному» - от оценки наиболее общих климатических закономерностей, характерных для крупных территорий (климат района и климат подрайона по СНиП, климат города и др.), к оценке микроклимата конкретно выбранного для строительства участка (рельеф, растительность, характер застройки и т.п.).

Таким образом, используя готовые климатические характеристики, приведенные в соответствующих нормативных источниках для конкретного места строительства (например, условия широтного пояса, карту районирования территории страны и др.), можно установить сезоны года, определяющие типологию застройки в данном месте; выявить и оценить роль каждого климатического фактора и выявить наиболее благоприятные и неблагоприятные стороны горизонта для решения вопроса о раскрытии архитектурного пространства или его защиты.

При анализе микроклимата изучается ландшафт и рельеф строительной площадки, оценивается микроклимат склонов разной ориентации, условия обдувания объекта ветром, рассчитывается инсоляция и решается вопрос солнцезащиты объекта, оцениваются и другие факторы, типичные для конкретного места строительства.

Анализу подвергаются следующие климатические факторы:

- климатическое районирование;

- солнечная радиация;

- температурный режим;

- влажность воздуха;

- ветровой режим.

Влияние климатического районирования на обоснование архитектурных решений показано в предыдущем разделе и поэтому в этом разделе не рассматривается. Связь остальных природно - климатических факторов от типов погоды, подлежащих анализу, приведена в табл. 1.5.

Анализ табл. 1.5 позволяет отметить, что такие факторы, как солнечная радиация, поступающая на стены зданий разной ориентации, и комплекс температуры с солнечной радиацией, а также температурно-ветровой режим должны учитываться при любых типах погоды.

Ветроснегозаносы следует учитывать только при суровой и холодной типах погоды, а такие сочетания, как ветер с дождем и ветер с пылью, не характерные для этих типов погоды, не подлежат учету.

Влияние подстилающей поверхности на такие климатические факторы, как ветер и солнце, рельеф и ветер необходимо учитывать при любых типах погоды, а озеленение и акватории - кроме суровой и холодной типах погоды.

Учет солнечной радиации регламентирует ориентацию помещений и зданий по сторонам горизонта, устройство светопрозрачных ограждений и солнцезащитных конструкций, озеленение, малые архитектурные формы и др. Таблица 1.5

Природно-климатические факторы, подлежащие анализу

при различных типах погоды

Природно-климатические факторы	Тип погоды
	суро вая	холод ная	про хлад ная	ком форт ная	теп лая	жар кая сухая	жар кая
Солнечная радиация, поступающая на стены разной ориентации	+	+	+	+	+	+	+
Комплекс температуры с солнечной радиацией	+	+	+	+	+	+	+
Комплекс температуры с влажностью	0	0	+	+	+	+	+
Ветер: - температурно-ветровой режим - ветроснегозаносы - ветер с дождем - ветер с пылью	+ + 0 0	+ + 0 0	+ 0 + +	+ 0 + +	+ 0 + +	+ 0 0 +	+ 0 + +
Влияние подстилающей поверхности на климатические элементы: - ветер и солнце - рельеф и ветер -застройка - озеленение - акватории	+ + + 0 0	+ + + 0 0	+ + + + +	+ + + + +	+ + + + +	+ + + + +	+ + + + +

Примечание. + - факторы, подлежащие учету; 0 - факторы, не подлежащие учету.

Численные значения солнечной радиации в июле на горизонтальную и вертикальную поверхности при безоблачном небе приведены в СНиП 23-01-99*

(табл.4 и 5).

Для оценки солнечной радиации принята бальная система, в которой число баллов для разных ориентаций изменяется в зависимости от географического района, что обусловлено разным тепловым фоном и ходом облачности в течение суток.

Оценка круга горизонта по условиям теплового облучения и солнечной радиации в летний период (май-август) приведена в табл. 1.6.

Рекомендуется учитывать влияние прямой солнечной радиации по шкале, цена деления которой равна 1500 ккал/(м²·сут), что соответствует дополнительному нагреву помещений за счет прямых солнечных лучей на 4^оС. Воздействия солнечной радиации можно считать:

- малыми при поступлении менее 1500 ккал/(м²·сут) - соответственно 6300 кДж//(м²·сут);

- средними при поступлении от 1500 до 3000 ккал/(м²·сут) - соответственно 6300 -12500 кДж//(м²·сут);

- большими при поступлении от 3000 до 4500 ккал/(м²·сут) - соответственно 12500 - 18800 кДж//(м²·сут).

Таблица 1.6

Оценка круга горизонта по условиям теплового облучения и солнечной радиации

в летний период (май-август)

Территория	Оценка в баллах
	1	2	3	4
От побережий Северного Ледовитого океана До 65-630 с.ш., включая север Дальнего Востока	СЗ - СВ - запретные секторы для квартир односторонней ориентации во всех зонах	В	З, ЮВ	ЮЗ, Ю
От 65-630 с.ш. до 520 с.ш.		З	В, ЮЗ	ЮВ, Ю
К югу от 520 с.ш.		ЮЗ	З, ЮВ	Ю, В
Юг Средней Азии		З	В, ЮЗ	Ю, ЮВ
Юг Дальнего Востока		В	З, ЮЗ	ЮВ, Ю

Примечание. Число баллов пропорционально количеству получаемой солнечной энергии и общему тепловому фону.

Для наглядности воздействия солнечной радиации строится круг горизонта, на котором в зависимости от баллов теплового облучения приводятся допустимые, благоприятные, неблагоприятны и недопустимые сектора ориентации жилых зданий (рис.1.2). Оценка круга горизонта для широты Москвы в баллах по условиям теплового облучения (см. рис. 1.2) показывает, что наиболее благоприятным сектором ориентации жилых помещения является южный, а наиболее неблагоприятным - северный. Благоприятным сектором с учетом ветрозащиты помещений в зимний период является юго-восточный. К неблагоприятным секторам ориентации помещений относятся северо-западный и северо-восточный. Малоблагоприятным сектором ориентации является западный, средней благоприятности - юго-западный и восточный.

Рис. 1.2. Оценка круга горизонта Москвы в баллах по условиям теплового

облучения и с учетом ограничения ориентации жилых помещений на север

При анализе температурного режима следует определить начало перегрева помещений и необходимость установки различных солнцезащитных средств на оконных проемах и площадках отдыха. Температурный режим характеризуется данными годового и суточного хода температуры воздуха. С этой целью строится график годового хода среднемесячных температур (рис. 1.3), на который наносятся линии, отмечающие продолжительность температур, которые подвергаются анализу. Необходимо выделить продолжительность температуры 21^оС и более, так как это связано с началом перегрева помещений и необходимостью устройства солнцезащитных средств на оконных проемах и площадках отдыха.

При продолжительности перегрева менее 20 дней рекомендуется установка внутренних солнцезащитных устройств (жалюзы, плотные шторы и т.п.); от 20 до 40 дней - межстекольные или наружные солнцезащитные средства и при продолжительности перегрева от 61 до 100 дней - 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 16^оС и выше необходимо устройство солнцезащиты;

- при температуре от 12 до 16^оС 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.

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

Л_мин = л_о· р/р_о , (1.1)

где л_о - допустимое расстояние от жилого района до промышленной зоны при отсутствии ветра, равное 1000 м;

р_о - средняя повторяемость ветра по любому направлению, принимаемое равным

р_о = 100% / 8 = 12.5%; (1.2)

р - повторяемость ветра в данном направлении (р > р_о).

Рис. 1.5. Вероятности направлений и скоростей ветра за январь и июль в Москве

Данные ветрового режима необходимо учитывать для определения направления городских магистралей. Установлено, что при совпадении направления ветра с прямой 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.

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.

Рис. 1.6. График воздействия ветра и температуры воздуха на жилую среду

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).

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.

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).

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)

Сторона горизонта	Тепловой фон	Солнечная радиация	Ветер	Абсолютная сумма баллов	Приведенная 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.

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 последнем этапе проводится анализ микроклиматической изменчивости основных факторов климата (прямой солнечной радиации и ветра) под влиянием подстилающей поверхности - ландшафта и застройки данного города.

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, подразделяя ровные места на повышенные и пониженные. С этой целью перемещают треугольник с углами 30-60⁰ по подоснове таким образом, чтобы катеты треугольника были параллельны С-Ю и З-В. В точках касания гипотенузой горизонталей рельефа делают засечки, по которым проводят границы участков разной экспозиции

(рис. 1.8).

Рис. 1.8. Распределение склона г. Москвы по экспозициям: от 90 до 270⁰ (З-В, Ю) - благоприятные; от 315 до 45⁰ (СЗ - СВ) - неблагоприятные; от 45 до 90⁰ (СВ - В) и от 270 до 315⁰ (З - СЗ) - допустимые

Границы между участками смежных экспозиций проводят через те точки на горизонталях, в которых нормали к ним имеют азимуты 30, 60, 90, 120, 150⁰ и т.д.

Оценка территории по уклонам проводится с учетом следующих градаций: до 3,

3-10, 10-20 и более 20%.

Критерии оценки территории по тепловому воздействию солнечной радиации приведены в табл. 1.8.

Таблица 1.8

Оценка территории по тепловому воздействию солнечной радиации

Климатическая зона	Степень благоприятности ориентации
	благоприятная	неблагоприятная	умеренно благоприятная
Холодный и умеренный климат	От 90 до 2700 (В - З)	От 315 до 450 (СЗ - СВ)	От 45 до 900 (СВ - В) От 270 до 3150 (З - СЗ)
Очень теплый и жаркий климат	От 315 до 450 (СЗ - СВ)	От 90 до 2700 (В -З)	От 45 до 900 (СВ - В) От 270 до 3150 (З - СЗ)

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.

Критерии оценки территории по ветровому воздействию на формы рельефа приведены в табл. 1.9.

Анализ данных, приведенных в табл. 1.9, 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.

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.

Таблица 1.9

Оценка территории по ветровому режиму

Общая оценка ветрового режима

Степень благоприятности форм рельефа

вершины и возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами

наветрен ные склоны

склоны, параллель- ные ветру

подветрен- ные склоны

долины, лощины, овраги

1

2

3

1

2

3

1

2

3

продувае- мые

непродуваемые

Районы с большими скоростями ветра (повторяемость скорости более 5 м/с свыше 20%)

Неблаго-приятные

Благоприятные

Неблаго-приятные

Благо- приятные

То же, с умеренными скоростями (повторяемость скорости ветра 3- 5 м/с свыше 50%, более 5 м/с - менее 20%)

Неблаго- приятные

Умеренно благоприятные

Благо- приятные

Умеренно благоприятные

Примечание. Цифрами 1,2,3 обозначены соответственно верхняя, средняя и нижняя части склонов.

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.