Расчет и обеспечение инсоляции

Мы выяснили основные закономерности движения Солнца, что такое высота Солнца, периоды года, солнцестояние и т.п. В этом параграфе разберемся с основами расчета инсоляции.

Под расчетом инсоляции будем понимать комплекс средств и приемов, которые должен предусматривать архитектор в своем проекте с целью создания комфортной свето-пространственной среды существования человека, в которой находятся здания, сооружения и городские ансамбли. Как известно, инсоляция может оказывать не только положительное, но и отрицательное воздействие на человека (см. таблицу 13), поэтому архитектору необходимо знать основные ее закономерности и уметь применять в своей деятельности. Архитектор может существенно влиять на инсоляцию проектируемого объекта: во-первых, на стадии объемно-планировочной разработки здания, сооружения; во-вторых, при разработке генерального плана, при проектировании ограждающих конструкций, в первую очередь, светопрозрачных. Рассмотрим эти этапы более подробно.

Объмно-планировочные решения

Здесь необходимо запомнить некоторые термины. Расчетные комнаты квартиры – комнаты, которые должны обеспечиваться нормированной инсоляцией: не менее 1 комнаты в 1, 2 или 3-комнавтных квартирах; не менее 2 комнат в 4 и 5-комнатных квартирах (см. таблицу 13). Для всего здания за расчетную принимают планировочную комнату на уровне первого этажа.

Расчетные стороны жилых зданий – стороны, на которые сориентированы расчетные комнаты.

Световые углы светопроема (окна и системы окон с лоджиями и балконами) – горизонтальные и вертикальные углы, в пределах которых в помещение поступают прямые солнечные лучи, рассеянный свет от небосвода и отраженный свет, отраженный от противостоящих зданий и подстилающей поверхности.

Солнечное время – система отсчета суточного времени, в которой за настоящий полдень принят момент прохождения солнца через вертикальную плоскость меридиана, пересекающего заданную точку на поверхности земли (это местное время).

Живое сечение светопроема – это часть общего сечения светопроема, через которую в помещение проникают прямые солнечные лучи.

Расчетная точка инсоляции – для жилых и общественных зданий считается точка геометрического центра расчетного окна расчетной комнаты, проведенная из этой точки нормаль к плоскости окна называется осью окна. За расчетную точку инсоляции городского ансамбля принимают точку на поверхности земли.

Продолжительность инсоляции – время непрерывного (допускается с одним разрывом в 30 мин.) проникновения прямых солнечных лучей в помещение. Нормативные значения продолжительности инсоляции для различных помещений приведена в таблице 13.

В объмно-планировочном решении архитектор может по своему усмотрению разместить вспомогательные (не требующие инсоляции) и основные помещения. Выбрать их форму, форму всего здания, его высоту, разместить в нужном месте лоджии, балконы и т.п.

Мероприятия при решении генплана

Здесь опять необходимо запомнить несколько терминов. Гарантийная инсоляционная зона (ГИЗ) – минимально необходимое пространство перед главной расчетной стороной здания, служащее для нормального обеспечения инсоляцией расчетных точек.

Градостроительная маневренность жилых зданий – определяется на основании нормативных требований по инсоляции. Она характеризуется возможностью ориентации этих зданий по отношению ко всей окружности горизонта, принимаемой за 100%.

Допустим, архитектору поступило задание разместить здание на генеральном плане. Участок территории отводится, природно - климатические, геологические и другие характеристики удовлетворительные. При этих условиях архитектор может существенно повлиять на инсоляционный режим в помещении ориентацией здания. Под ориентацией здания имеется такое размещение здания, чтобы угол (азимут) между осью расчетного окна и южным направлением был в рекомендуемом секторе (таблица 13, рекомендованной сектор ориентации заштрихован). Это относится в первую очередь к жилым зданиям и ряду общественных, таких как школы, детские сады, культурно-оздоровительные здания, техникумы, институты и т.д. требования к размещению зданий на генплане, их инсоляции и солнцезащиты приведены в [ ], а некоторые из них сведены в таблицу 13.

После того, как вы сорентировали здание с учетом инсоляции, необходимо определить расстояние между зданиями.

Расстояния между зданиями определены в [7], однако в ряде конкретных случаев расстояние необходимо определять на месте.

Таблица 13 – Классификация помещений по размещению на генплане, требованиям к их инсоляции и солнцезащите

Основой расчета является нормированный параметр инсоляции помещений и территорий внутриквартальных пространств, который определяется суммарным вектором инсоляции СИ (рисунок 71).

Рисунок 71 – Схема к сектору инсоляции

СИ измеряется по плоскости, проходящей через расчетную точку и наклонной к югу под углом j к плоскости горизонта. Угол j определяется из зависимости:

(95),

где Ш – географическая широта в градусах.

Пример. Определить наклон плоскости сектора инсоляции для города Харькова.

Некоторые значения угла j приведены в таблице 14.

Таблица 14 – Нормативные значения сектора инсоляции СИ

*Примечания: при определении суммарного сектора инсоляции минимальное значение одного из составляющих секторов инсоляции должно быть не менее 15 %.

На основании данных таблицы 14 и примера в г. Харькове вектор инсоляции для жилых помещений должен быть равным 45° и находится в плоскости наклонной к горизонту под углом примерно 32°. Зная величину сектора инсоляции, его наклон к горизонту, с учетом того, что он должен быть симметричным полудню, можно определить продолжительность инсоляции. Следует подчеркнуть, что СИ не характеризует плоскость, в которой Солнце перемещается по небу, он характеризует условную плоскость с точки зрения достаточности инсоляции. Например, как уже было сказано, угол j для Харькова составляет» 33°, а h₀ для Харькова в период равноденствия составляет 40°.

Построив сектор инсоляции архитектор может свободно варьировать расстояние между зданиями, используя рельеф, зелень и т.п. (рисунок 72).

Рисунок 72 – Определение расстояния между зданиями

по сектору инсоляции

Из рисунка 72 видно, что расстояние между зданиями могут быть различными при одном и том же угле j. Как построить этот сектор? И как им воспользоваться? Для архитектора проще всего построить сектор инсоляции для конкретных условий и рассчитать инсоляцию. Для этого определим j и нормированный угол СИ сектора инсоляции (таблица 13, для конкретных условий). Предположим, что сектор инсоляции совмещен с горизонтальной плоскостью (рисунок 73, «а» – заштрихованный участок на полуокружности). Разделим окружность, с которой он совпадает, на часовые секторы. Повернем сектор инсоляции вокруг оси на 18-6 и установим под углом j к горизонту (рисунок 73, «б»). В результате получим СИ в двух плоскостях.

Рисунок 73 – Схема для определения сектора СИ

Пример. Допустим, нам необходимо оценить с точки зрения инсоляции детскую игровую площадку, размещенную возле многоэтажных домов в городе Харькове (рисунок 74).

Рисунок 74 – Схема оценки инсоляции детской игровой площадки,

размещенной возле многоэтажных жилых домов

На фрагменте генплана видно размещение зданий и детской игровой площадки. Мы знаем, что плоскость СИ направлена с юга на север под углом j к горизонту. Построим проекцию домов, размещенных на генплане на перпендикулярную плоскость Q, как показано на рисунке.

Расчетная точка Т взята на поверхности игровой площадки. Она подвержена наиболее вероятному затенению (в принципе, можно оценить инсоляцию и в нескольких точках). Изобразим прямо на генплане в тонких линиях сектор СИ. Его угол a=45° (таблица 14). Определим угол j наклона вектора инсоляции СИ к горизонту. В соответствии с (95) зависимость для определения j имеет вид:

(96)

В нашем случае географическая широта г. Харькова Ш = 50°, тогда j» 33°. Спроецируем сектор СИ на плоскость Q. Это будет линия, проходящая через точку Т под углом 33° к горизонту (рисунок 74). На плане из точки Т₁, как из центра, проведем радиальную дугу любого удобного радиуса.

Разобьем дугу на часовые секторы и «поднимем» сектор на угол j. Последовательность выполнения этой операции приведена на рисунке 56. Из рисунка видно, что сектор как бы «отрезает» верхушки домов. Найдем на плане линии срезов. Очевидно, что затенять точку Т будет та часть здания, которая попадает в секущую плоскость. Выделим эти сектора затенения штриховкой. Суммы углов, образованных заштрихованными секторами, будут характеризовать участок СИ, затененный домами для точки Т. Для определения углового значения этого участка необходимо плоскость СИ «положить» на горизонтальную плоскость. Это то же, что перенести крайние точки секторов параллельно оси С–Ю с линии III на линию II, и полученные точки соединить с точкой Т₁. На рисунке 56 полученные углы заштрихованы. Их сумма составляет 46°. Весь секторный угол составляет 180 – (2´ 30) = 120°. Следовательно, не затемненным будет угловой сектор a=74°. По нормам этот угол – суммарный сектор инсоляции, должен составлять не менее 45° (таблица 14). Следовательно, размещение допустимо.

Проектировщик, на стадии решения генплана, может существенно повлиять на инсоляцию, правильно используя влияние на нее рельефа местности со сложившимся природно-географическим ландшафтом. Кроме этого, он может предусмотреть зеленые насаждения, искусственно изменить водоемы, разумно «облагородить» рельеф и др. Но не следует забывать, что решение инсоляции является только частью архитектурных задач, которые необходимо решать архитектору.

Мы рассмотрели только часть проблемы, научились строить сектор инсоляции и оценивать инсоляцию в расчетной точке. Кроме этого, архитектору часто приходится оценивать ситуацию и определять реальное время затенения, время инсоляции, гарантийную зону инсоляции, предусматривать градостроительную маневренность застройки и др. Для решения этих задач одним из условий является правильное построение отбрасываемой тени зданием или группой зданий, зелеными насаждениями, рельефными образованьями. От длины тени зависит не только время ее воздействия на архитектурный объект, но и интенсивность солнечной радиации, так как она увязана непосредственно с высотой солнца. Мы узнали, как определить высоту солнца в соответствующий период года и время суток (это рассмотрено в [ ]). При построении теней приходится многократно определять высоту солнца и направление лучей, что является достаточно трудоемким процессом. Поэтому существует много упрощенных способов для определения этих параметров [ ]. В них, как правило, рассмотрены конкретные случаи, например, равноденствие, солнцестояние, задание широты и т.п. Все это, наряду с легкостью и доступностью, ограничивает расчет параметров только частными случаями. Ниже приведен способ расчета необходимых параметров для произвольных исходных данных. Он основан на ряде соображений. Как уже было показано, площадь, в которой перемещается Солнце, является основанием конуса с вершиной в точке Т, причем угол a остается неизменным, и зависит только от угла q. Так же было сказано, что конус поворачивается вокруг точки Т¢ с юга на север, и обратно. Поэтому, определить высоту солнца в полдень и в полночь можно, построив осевое сечение этого конуса, т.е. сечение плоскостью, проходящей через указанные точки и вершину Т. Имея такой треугольник с соответствующими углами наклона к линии горизонта можно определить время восхода и захода солнца, продолжительность дня, а так же направление теней в любое время дня. Как это сделать?

Разделим основание конуса на часовые секторы. На рисунке 74 «б» показана только половина основания, а секторы приняты двухчасовые. Спроецируем соответствующие часовые точки на линии П_н и П_т. Для определения проекций часовых точек на плане небесной полусферы (примем радиус полусферы равным единице, рисунок 74) необходимо сделать следующее. Каждая из часовых точек находится в полусфере на соответствующей высоте. Если срезать полусферу на этой высоте плоскостью, параллельной основанию, то в проекции линия среза будет окружностью. А соответствующая часовая точка будет на пересечении этой окружности и перпендикуляра, опущенного из соответствующей точки на плане плавной кривой, получим траекторию движения солнца и углы направления теней.

Изобразим конус при произвольных исходных данных. Для этого можем воспользоваться данными таблицы 15 или любыми другими источниками (рисунок 75).

Таблица 15 – Зависимость высоты солнца h_0Д и h_0Н от широты Ш и времени года (q взято на 20 число)

Пример 1. Построить конверт теней с шагом 1 час на горизонтальной плоскости от шеста высотой 1 м в г. Москва, 20 августа.

Решение: Определим высоту h_0Д и h_0Н из таблицы 15. Москва расположена на 55° СШ. Следовательно, h_0Д=46, 5°; h_0Н=-23, 5°.

Построим график траектории движения солнца по аналогии с рисунком 74. Для этого отложим углы h_0Д и h_0Н (рисунок 75).

Сделаем почасовую разбивку основания конуса и спроецируем траекторию движения солнца на горизонтальную плоскость. Изобразим шест в плавне (точка Т₁ позиция «б») и нанесем направления проекций теней. Они должны совпадать в плане с линиями соответствующих часовых лучей. Угловая высота солнца изменяется в течение суток. Направления лучей для каждой из высот можно определить из рисунка 75. Из проекции часовой точки, например, 8, на основании конуса, проводим линию параллельно оси Т-Ю и линией Т-8¢ ¢ будет искомым. Аналогично определяем угловые высоты солнца в другие часы суток. На рисунке 75 показан результат расчета угловых высот солнца в другие часы суток, а в позиции 2 построен конверт теней от шеста, из которого видно, что шест высотой 1 м отбрасывает тень в 7 часов и в 17 часов длинной около 3 метров. В более раннее и более позднее время тени будут длиннее (на рисунке не показано).

Рисунок 75 – Схема к построению траектории движения Солнца

Пример. Построить конверт теней от здания (схема прилагается), размещенного в городе Харькове в период равноденствия.

Решение: Определяем высоты солнца h_0Д и h_0Н из таблицы 15 (эти параметры можно определить и по другим источникам). h_0Д=40°; h_0Н=-40°. Определяем направление лучей по описанной выше методике (рисунок 75).

Определяем длины отбрасываемых теней зданий в различные часы дня. Так как здание имеет одну и туже высоту (Н = 10 м) по всему периметру, то нам достаточно определить длины отбрасываемых теней от одного шеста высотой 10 м, а затем их перенести на здание в целом. Схема определения длин теней приведена на рисунке 75. Затем соответствующие длины теней откладываем на часовых направлениях и соединяем прямыми линиями.

Таким образом можно построить конверт теней от группы зданий, определить затененные зоны в расчетный период и т.п. и с учетом этого размещать на генеральном плане объекты.

Обеспечение инсоляции может быть реализовано и другими средствами, в частности конструктивными. Некоторые из них приведены в таблице 16.

Таблица 16 – Конструктивные солнцезащитные и светорегулирующие средства

В этом параграфе приведена только та часть средств и приемов обеспечения инсоляции, которыми обязан владеть архитектор. В каждом конкретном случае могут быть свои оригинальные решения, не похожие на приведенные.

Кроме показанных в таблице конструктивных средств, часто используются технические. Одним из них является кондиционирование воздуха, используемое для любых зданий: жилых, общественных и промышленных. В южных странах для охлаждения помещений часто используют бассейны на кровле. На городской территории применяют водоразбрызгивающие устройства, в медицинских целях – солнцезащитный воздушный бассейн для группового облучения рассеянной ультрафиолетовой солнечной радиацией, так называемый солярий и т.п.