АВТОРЕФЕРАТ_Гиясов А.И. Регулирование микроклимата застройки городов в условиях жаркого штилевого климата
 Скачать 279.9 Kb.
|
|
17 определен характер обтекания зданий и застройки на сложном рельефе воздушным потоком; выявлены аэродинамические характеристики застройки горной кот- ловины; определены аэродинамические характеристики зданий в условиях сложного рельефа. Изучение тепло- и аэродинамической обстановки территории Цен- тральной Азии со сложной орографией по характеру изменения повторяе- мости слабых ветров летнего периода позволило выявить группы городов со сложным аэродинамическим режимом. Орографические особенности рельефа обуславливают наличие систе- мы местных ветров, из которых в Душанбе и других южных городах наибо- лее резко проявляются склоновые и горно-долинные. Натурные обследование проводились экспедиционной группой из 22 человек под руководством автора на сложном рельефе площадью около 300га на восточной части г.Душанбе. Натурными исследованиями установлены, что вследствие условий инсоляции склонов различной экспозиции, значительные контрастные терми- ческие условия между участками от +26 до +64°С. Наиболее значительные термические условия складываются на склонах южной, западной и восточ- ной ориентации. Установлено, что в горных районах с жарко-штилевым условием кли- мата регулирование тепло-ветрового режима является механизм образования и развития местных склоновых дневных анабатических (восходящие) до 5м/с и ночных катабатических (нисходящие) до 2,5м/с ветров термического происхождения. Количественные и качественные оценки масштабных явлений микро- климата сложного рельефа были произведены графо-аналитическим методом картирования территории на морфологической основе, наиболее распростра- ненной, характеристикой которой является: глубина расчленения рельефа, частота рельефа, угол наклона местности, экспозиция склона. Данный метод позволит произвести оценку тепло-ветрового режима с выявлением приемлемости рельефа для жилищно-гражданского строительства. Многолетние исследования, проведенные по изучению тепло-ветрового режима застройки в условиях сложного рельефа, позволили разработать практический метод расчета и оценки аэрационного режима, основанный на следующих положениях: систематизации существующих опыта исследова- ний отечественных и зарубежных авторов; расчете аэрации путем выбора площадки под селитебные территории; производстве графо-аналитического расчета условий инсоляции рельефной поверхности с целью выявления мест- ных ветров; широком использование данных натурных наблюдений и экспе- риментов в «метеорологической трубе»; оценки критерий микроклиматичес- ких факторов и уровня теплового комфорта. Первый этап расчета и оценки аэрации заключается в следующем: 18 выявляется наиболее крупные формы рельефа путем построения кон- тура карты-схемы экспозиции склонов; определяется ориентация склонов по восьми основным румбам, и груп- пируются они на участки соответствующей экспозиции и крутизны склона; производится районирование рельефной территории по ветровым и температурным режимам с последующей оценкой рельефа по микроклимати- ческим факторам; определяется зоны комфорта и дискомфорта рельефной территории по ветровому режиму; строятся карты естественной аэрации территории сложного рельефа выделением склонов с анабатическими и катабатическими ветрами, а также застойными зонами; производится расчет анабатических и катабатических ветров склонов; выявляется характер обтекания холма при взаимодействии фоновых ветров и местных ветров термического происхождения; устанавливается градостроительная маневренность склонов, предназна- ченных для жилищно-гражданского строительства; производится зонирование рельефной территории с выявлением при- годных для строительства участков. Для оценки микроклиматических факторов рельефной ситуации каждая форма рельефа представляется схематически в виде плана и разреза. Расчленением поверхности холма на участки в зависимости от их экспозиции вводится буквенные обозначения плоскостей. Оценка ветрового режима производится обобщением результатов рас- чета анабатических и катабатических ветров пронумерованных расчленен- ных участок-плоскостей с выявлением возможности строительства зданий, селитебных и промышленных районов. На втором этапе исследуется аэродинамическая характеристика зас- тройки из жилых групп на рельефе. Данными для разработки являются опре- деленные на первой стадии расчетные скорости и направления местного ветра, а также варианты планировочного решения застройки. Оценка аэраци- онного режима производится: вычислением средней скорости анабатических и катабатических ветров на участках склоновой застройки различной экспозиции; выявлением мощности, активности и направления распространения местных ветров, а также их взаимодействия с фоновым ветром; установлением аэродинамических коэффициентов поверхностей зда- ний и застройки при обтекании их местными ветрами; определением коэффициента комфортности и дискомфортности терри- тории застройки по ветровому режиму; разработкой вариантов объемно-планировочных и архитектурно- конструктивных решений застройки и зданий способствующие развитию склоновых местных ветров. В горной котловине чаще всего погода штилевая. На основе обобщения и сравнения результатов, натурных и экспериментально-модельных исследо- 19 ваний структуры воздушных потоков, их направления, полей скоростей и температур, а также характеристик микроклимата застройки в горно-котло- винном пространстве, получена аэродинамическая картина движения возду- ха возникающая под действием термических сил и разработана методика расчета аэродинамических характеристик застройки, возводимых на склоне горной котловины. Составлена программа на ЭВМ, позволяющая количес- твенно и качественно определить профиль развивающихся анабатических и катабатических ветров склона при разной крутизне склонов. Все это дает основание сделать следующие выводы. Склоновые ветры формируются путем термической циркуляции небольшой мощности между склоном и равниной. Методы количественной и качественной оценки масштабных климати- ческих явлений, основанные на геоморфологических изменениях, позволили разработать графо-аналитический метод микроклиматического районирова- ния сложного рельефа и выявить градостроительную маневренность склонов разной экспозиции. Установлено, что существующие методы расчета обтекания элементов рельефа местности динамическим ветром в не являются приемлемыми для условий жарко-штилевого климата. Составлена физико-математическая модель аэродинамических характе- ристик застройки в горной котловине с применением ЭВМ для численного расчета скорости склоновых ветров, позволяющая прогнозировать и регули- ровать тепло-ветровой режим склоновых поверхностей и застроек. Изучение методов аэродинамических расчетов, применяемых в строи- тельной аэродинамике и постановка целенаправленных теоретических и экспериментальных исследований, позволили разработать эффективный метод расчета естественной аэрации зданий и застроек на сложном рельефе. Предложенный метод расчета широко используется в градостроитель- ной практике при определении аэродинамических характеристик застроек, аэродинамических коэффициентов, ветровых нагрузок, воздухообмена меж- ду помещением и внешней средой, теплопоступления за счет инфильтрации воздуха через ограждающие конструкции в зданиях. Разработанный метод аэродинамического расчета позволяет произвес- ти оценку и регулирование ветрового и температурного режимов в градо- строительных и архитектурно-планировочных структурах. Орографическо-климатические различия предопределили предпосылки планировочному решению застройки на сложном рельефе. В итоге сформулированы следующие общие принципы размещения и формирования архитектурно-планировочной структуры застройки на рельефе. Исследуемые районы со сложным рельефом необходимо рассматривать как территорию со склонами, по которым днем поднимается анабатический теплый воздух и ночью спускается катабатический прохладный воздух, поэтому планировочная структура жилого района должна организоваться с 20 учетом этого важного фактора, располагая при этом здания перпендикулярно горизонталям. Основным требованием объемно-пространственной формы зданий является, выполнение их более обтекаемым, плоскостным, однородным по этажности. Это необходимо для того, чтобы обеспечить беспрепятственное движение анабатического и катабатического ветра склона вверх и вниз. Основной зоной размещения жилой застройки предусматривать среднюю часть склонов. Наихудшие условия складываются на склонах северо-западной, запад- ной, юго-западной ориентации. Данные территории следует использовать под размещение малоэтажной застройкой заглубленного или частично заг- лубленного террасного типа жилища ковровой структуры, а также общес- твенных учреждений обтекаемой воздухом формы. При необходимости раз- мещения высотных зданий они должны быть отдельностоящие и прерывной структуры или длиннокорпусные на колоннах и защищены от солнечной радиации с применением экранированных стен и крыш. Для размещения зданий средней и повышенной этажности рекоменду- ется использовать склоны восточной, юго-восточной и южной ориентации применением точечных зданий и длиннокорпусных зданий с расположением их оси в направлении склона. Следует соблюдать указанные выше рекомендации при функциональ- ном зонировании селитьбы с учетом предлагаемой нами следующей градо- строительной маневренности склонов для жилищно-гражданского строи- тельства: сектор 315°...45° - неблагоприятная; 45°...90° и 225°...315° - умеренно благоприятная; 90°...225° - благоприятная. В шестой главе устанавливается энергетические основы и факторы тепло-ветрового режима в городских каньонах и помещениях. Для решения поставленной задачи необходимо иметь объективную качественную и количественную климатическую картину в объеме междо- мового пространства жилой застройки, раскрывая физическую сущность инсолируемых поверхностей как основания зарождения микроочага. Главным вопросом, требующим своего раскрытия, является определе- ние роли планировки застройки, благоустройства и озеленения, а также объемно-планировочного и конструктивного решения зданий в регулирова- нии тепло-ветрового режима междомовых пространств и помещения зданий. Решение этого вопроса была произведено путем: - определения доли участия инсолируемых поверхностей жилых дворов в формировании тепло-ветрового состояния воздуха междомовых прос- транств; - определения теплофизических характеристик состояния среды в кли- матических и микроклиматических зонах застройки; - установление качественной и количественной картины теплового и ветрового поля в междомовых пространствах при различной планировке, благоустройстве и озеленения; 21 - выявление степени энергоактивности инсолируемых поверхностей территории застройки и стен зданий, и их роль в формировании тепло- ветрового режима; - выявление степени нагрева инсолируемых поверхностей стен и подстилающих поверхностей в зависимости от их цвета, фактуры, текстуры, экспозиции, материала и их роль в регулировании тепло-ветрового режима пристенного микроклиматического слоя воздуха и помещения; - получение качественной и количественной картины конвективного потока формируемого в пристенном слое воздуха, мощности последнего в разрезе высоты зданий. Поиск путей активизации конвективной циркуляции средствами планировки застройки, конструктивными приемами; - определение взаимосвязи внутреннего и внешнего теплового режима. В качестве натурных исследований были выбраны территории совре- менной жилой застройки четырех микрорайонов (на примере Душанбе): два — обжитые с развитыми формами благоустройства и два других — новострой- ки, с только что начатыми работами по благоустройству. В каждом из них намечено по одному фрагменту в масштабе обстройки двора четырехэтаж- ными домами широтной и меридиональной ориентации. В поперечном разрезе междомовых пространств (до высоты 11,4м) по вертикальной сетке в 72 точках в течение 5 дней производились замеры тем- пературы воздуха, покрытий территории и фасадов, скорости движения воз- духа, а также актинометрические замеры. Направления конвективных пото- ков на территории дворов фиксировались путем задымления дымовых шашек РГД. Параллельно этим замерам производились измерение температуры воздуха в помещениях, обращенных в сторону исследуемых дворов. Сопоставление температурных показателей характерных точек жилых дворов (у облучаемой и теневой стены, в центре двора) и помещений с дан- ными городской метеостанции позволил установить графические зависимос- ти дневного хода температуры воздуха в виде эллипсов, которые открывают возможность предварительно прогнозировать тепловой режим жилых дворов аналогичной планировки, благоустройства и помещений в зависимости от их ориентации, а также позволяют установить взаимосвязь между внутренней, внешней средой и метеостанцией. Учет сформированных температурных различий окружающей здания среды при определении внешних тепловых нагрузок на здания и теплофизи- ческих расчетах ограждающих конструкций позволил уточнить расчетные данные температуры воздуха и амплитуды колебания температуры наружно- го воздуха СНиП для жаркого периода года. Обращают на себя внимание следующие особенности климатообразо- вания в застройке: - в озелененных дворах минимальные и среднестабильные значения температурных показателей (+33...+34°С) в наиболее жаркие часы дня ока- зываются близкими к верхнему пределу комфорта, что указывает на реаль- ную возможность снижения показателей теплового режима дальнейшим комплексным его регулированием; 22 - контрастность температурных показателей и изменчивость теплового режима проявляются больше с приближением к деятельной поверхности. Чем выше термическая контрастность соседствующих деятельных поверх- ностей, тем активнее над ними конвективное движение воздуха. Мы подошли непосредственно к энергетическим основам климатооб- разующего механизма в природе, к выявлению качественных и количест- венных характеристик начальных теплообменных процессов, возникающих в точке взаимодействия инсоляции с деятельной поверхностью застройки. Анализ материалов натурных наблюдений климатического разреза междомового пространства показал, что: - междомовое пространство четко разделяется на климатические и микроклиматические зоны (вертикальная пристенная и горизонтальная при- земная). Распространение теплоты между сформированными условными воз- душными подушками междомового пространства с разными теплоэнер- гетическими свойствами сопровождается преимущественно конвекцией; - в обеих зонах действуют тепло-ветровые механизмы на базе микро- климатических очагов; - движения воздуха в климатической зоне обеспечивается противо- стоянием инсолируемых и теневых фасадов, в микроклиматической зоне - сочетанием покрытий с различными условиями инсоляции; - фасады многоэтажных зданий способны привести в движение воз- душные массы междомового пространства с полукольцевым перемещением их через приземную микроклиматическую зону при озеленении территории высокоштамбовыми древесными насаждениями без подлески; - сформированный в междовом пространстве пристенный микроклима- тический слой имеет непосредственную взаимосвязь со средой в помещении, участвует в тепломассообмене, оказывая влияние на теплофизические качес- тва ограждающих конструкций. Итог проведенным натурным исследованиям термо- и аэродинамичес- кого состояния среды в городских каньонах позволяет сделать следующие выводы: -механический перенос традиционных приемов и средств регулирова- ния микроклимата в многоэтажную застройку приводит не к улучшению тепло-ветрового режима, а наоборот, ухудшает его; -планировка, застройка, благоустройства и озеленения жилых массивов южных городов, осуществленные в соответствии с действующими СНиП, РСН, рекомендациями и методическими указаниями, не обеспечивают необ- ходимый микроклимат в городах с жарким штилевым климатом; -ориентация зданий и различия в углах падения прямой солнечной радиации вносит свой вклад в вариации микроклиматов, создаваемых харак- теристиками строительных материалов и геометрией застройки, что требует корректировки процесса теплообмена внутри городского каньона предвари- тельным программированием очагов микроклимата. В результате натурных исследований выявился механизм движения и застоя воздуха в междомовом пространстве. Для определения этого механиз- 23 ма и овладения им рассмотрена физическая сущность происходящих явле- ний в основании очагов микроклимата (вертикальных стен и горизонталь- ных участков территории), и найдена их физико-математическое выражение. Поиск путей активизации термической конвекции производились экс- периментальными исследованиями на физической модели застройки. При этом решались следующие задачи: - выявление зоны теплового и ветрового возмущения в междомовом пространстве при переменных термических контрастах фасадов зданий и подстилающих поверхностей территории; - поиск путей и средств активизации естественных конвективных дви- жений в зоне жилища при различных вариантах планировки, благоустройства и озеленения жилой застройки. Основным направлением исследований явилось: 1. Выявление роли зданий, элементов благоустройства и озеленения в формировании тепло-ветрового режима междомового пространства, пристен- ного микроклиматического слоя и территории застройки. 2. Поиск объемно-планировочных и конструктивных решений зданий, способствующих развитию местных ветров на территории застройки и в жилище. Определены направления постановки эксперимента в части: сочетания различно инсолируемых подстилающих поверхностей территории застройки; сочетания солнцезащитных устройств на территории застройки; инсолируе- мости фасада здания и прилегающей территории; конвективности потоков в пристенном слое воздуха; инсолируемости жилого дома на колоннах с прос- транственным, промежуточным этажами и прилегающей территории; здания с жалюзийным экраном; дома на рельефе и с конвективным потоком. Подытоживая результаты проведенных экспериментов на моделях, сле- дует отметить ряд существенных закономерностей, определяющих движение воздуха, которые с полным основанием можно перенести и на реальные условия застройки. Увеличение высоты здания и повышение температуры нагрева его фасадов активизирует развитие конвективного потока в пристенной микро- климатической зоне, вызывая движения воздуха с прилегающей территории. Восходящий поток воздуха, возникающий над нагретой прилегающей к фасаду территорией, отклоняется в сторону облучаемого фасада, активизируя проветривание пристенного слоя воздуха и вихря у теневого фасада. У стен здания с пространственным колонным первым этажом наблюда- ется образование полукольцевого движения воздуха от менее нагретого фаса- да к более нагретому, через пространство под зданием. Устройство на фасаде жалюзийных солнцезащитных устройств, повер- нутых плоскостью пластин к солнцу, активизирует движение пристенного слоя воздуха и воздуха придомовой территории. Применение зеленой полосы, в прилегающей к зданию территории, создает «шлюзы» на пути развивающегося от термически активной поверх- ности конвективного потока и тем самым удаляет его от фасада здания. |