Проектирование солнцезащитных устройств по комплексной солнечной карте для города Москвы

Серов А.Д. Проектирование солнцезащитных устройств по комплексной солнечной карте для города Москвы // 2022 / Инновации и инвестиции

Наличие солнцезащитных устройств (СЗУ) является отличительной чертой традиционной архитектуры стран с жарким климатом [1,2]. Например, для архитектуры Ближнего Востока характерны такой элемент как машрабия, представляющая из себя обычно деревянную решетку, расположенную в оконном проеме. Она позволяет рассеивать прямые солнечные лучи и не мешает проветриванию помещения [3]. А североамериканские индейцы Анасази защищали свои вырубленные в скалах поселения от палящего полуденного Солнца огромным козырьком [4]. Если же мы рассмотрим объекты традиционной архитектуры центральной части России, то убедимся в отсутствии каких-либо элементов, играющих роль СЗУ. Это говорит нам о том, что вопрос перегрева помещений в летний период не является большой проблемой для умеренного климата. Здесь основной задачей являлось сохранение тепла, из-за чего размер светопроемов всегда делался небольшим, что в свою очередь ограничивает теплопоступление от солнечных лучей как в зимний, так и в летний периоды [5].

Но для современной архитектуры прослеживается тенденция к часто неоправданному увлечению процента остекления фасадов. И даже в Москве, для которой характерен довольно короткий период теплой солнечной погоды [5], в помещениях с ленточным остеклением или панорамными окнами, ориентированными юг и запад, люди испытывают серьёзнейший дискомфорт от перегрева [6,7]. Помимо этого, глобальное потепление и специфический городской микроклимат усугубляет ситуацию с избыточными теплопоступлениями в летний период [8,9]. Сейчас эта проблема частично решается путем установки дорогостоящих систем кондиционирования. Но постоянно использовать активные системы охлаждения воздуха экономически неэффективно [5,6], особенно на фоне растущих цен на энергоносители и ориентации современных стандартов строительства на принципы устойчивого развития и зеленую архитектуру. Таким образом, разработка типовых решений СЗУ для города Москвы становится актуальной задачей.

Цели данного исследования – на основе имеющихся климатических данных для города Москвы определить зоны желательной и нежелательной инсоляции, построить комплексную солнечную карту и дать обоснованные рекомендации по типу и форме СЗУ с учетом различной ориентации светопроемов, подходящего для массового применения в строительной практике.

Для начала следует определиться какой тип СЗУ подойдет для массового внедрения. Наибольшей эффективностью и архитектурной выразительностью обладают автоматические трансформируемые СЗУ, способные изменять положение экранирующих элементов, раскрываться или закрываться в зависимости от местоположения Солнца и типа погоды. Примером таких СЗУ могут служить кинетические фасады башен Аль-Бахар в городе Абу-Даби [6,10]. Но такие сложные и дорогостоящие решения пока доступны только для уникальных зданий и плохо адаптированы к нашему холодному климату [5]. Помимо этого, автоматические трансформируемые СЗУ требуют постоянных эксплуатационных затрат на работу механизмов, наличие обслуживающего высококвалифицированного персонала и сложного ремонта, т.е. не подходят в качестве типового решения. Для массового же применения следует остановится на наружных стационарных СЗУ: составных козырьках, вертикальных экранах, комбинированных (сотовых) СЗУ и СЗУ общего положения. Они относительно дешевы, наиболее долговечны, требуют минимальных затрат при эксплуатации, обладают высокой эффективностью [4,7,10,11]. При условии точного расчета формы стационарного несплошного (составного) СЗУ в помещении будет снижены теплопоступления в теплый период года, максимально сохранены поступления солнечного тепла в холодный период и общая продолжительность инсоляции, устранена слепящая яркость прямых солнечных лучей при минимальном уменьшении внутренней естественной освещенности [12-14].

Для определения вида и расчета формы СЗУ в соответствии с СП 370.1325800.2017 «Устройства солнцезащитные зданий» должна быть обязательно использоваться комплексная солнечная карта (КСК). КСК представляет собой солнечную карту, на которую нанесли зоны желательной и нежелательной инсоляции. Зона нежелательной инсоляции, характеризуется избыточными теплопоступлениями, создающими значительный дискомфорт для людей, находящихся в помещении в данный период. Зона желательной инсоляции, характеризуется избыточными теплпотерями и переохлаждением помещения, которое следует максимально компенсировать теплом, поступающим с солнечными лучами. КСК позволяет запроектировать СЗУ таким образом, чтобы создаваемая им тень максимально перекрывала область нежелательной инсоляции, но в минимальной степени затрагивала зону желательной инсоляции [13,15].

Также важно, чтобы затенение от СЗУ как можно меньше влияла на продолжительность инсоляции, т.к. ультрафиолетовый свет, присутствующий в прямом солнечном свете, обладает санирующим эффектом воздействия на бактерии, вирусы и патогенную микрофлору (споры грибов и плесени) [16].

Общий вид солнечной карты зависит только от широты района строительства [17] и ее готовые варианты представлены в соответствующих нормативных документах (рис. 1). КСК, помимо широты, должна учитывать конкретные климатические данные, т.е. строится она индивидуально для каждого города [15]. Готовых комплексных солнечных карт найти удалось не много. В нормативных документах (СП 370.1325800.2017 «Устройства солнцезащитные зданий» и «Методические рекомендации по оценке влияния солнцезащитных устройств на энергосбережение зданий различного назначения в климатических условиях Российской Федерации»), представлен единственный вариант такой карты и еще несколько примеров можно найти в научных статьях [15,18]. Поэтому, первой задачей стала необходимость построения КСК для города Москвы.

Для построения комплексной солнечной карты для города Москвы из СП Климатология были взяты среднемесячная температура (Tср) и амплитуда среднемесячной температур (Aср) для каждого из месяцев. Климатические данные сведены в таблицу 1. По формулам (1, 2) вычисляли максимальную (Tмакс) и минимальную температуры (Tмин) для каждого из месяцев.

Тмакс = Тср + Аср/2;
Тмин = Тср — Аср/2;

Если температура превышает +21°C, то в данном месяце будет наблюдаться период перегрева, образующий зону нежелательной инсоляции, а если температуры опускаются ниже +8°C, то наблюдаются недостаточные теплопоступления, т.е. образуется зона желательной инсоляции [15]. Для города Москвы периоды перегрева характерен для трех месяцев: июня, июля и августа, а периоды недостаточных теплопоступлений наблюдаются для девяти месяцев: января, февраля, марта, апреля, мая, сентября, октября, ноября и декабря.

Для построения на солнечной карте зон желательной и нежелательной инсоляции были проанализированы только те месяцы, в которых происходит переход из одной температурной зоны в другую. Из таблицы 1 видно, что и максимальные и минимальные температуры января, февраля, марта, ноября и декабря полностью находятся в зонах недостаточных теплопоступлений. Таким образом, дальнейший расчет производился только для месяцев с апреля по октябрь. Для этого были сделаны графики колебания температур для этих месяцев (рис. 2) в виде синусоид, амплитудными значения которого являются минимальными и максимальными значениями температур. На вертикальной оси откладывались температуры, а на горизонтальной – время суток. В соответствие с «Методические рекомендации по оценке влияния солнцезащитных устройств на энергосбережение зданий различного назначения в климатических условиях Российской Федерации» принимали, что максимальное значение температуры соответствует 15 часам дня, а минимальная температура наблюдаться через 15 минут после восхода Солнца [15].

Информация о времени восхода для каждого из месяцев бралась с солнечной карты, построенной для 56° северной широты (рис. 1), т.е. для города Москвы. Данные по времени восхода солнца сведены в таблицу 1. Зная временной промежуток от восхода Солнца плюс 15 минут до 15 часов дня, вычислялась длина отрезка на оси t, которая будет соответствовать одному часу. Вычислив масштаб оси t, задавали интервалы между засечками в один час и откладывали от известного времени, например, от 1500. Аналогично поступали с вертикальной осью T. Зная максимальную и минимальную температуру, вычисляли масштаб оси.

Получившиеся графики пересекали горизонтальными линиями со значениями температур +21°C или +8°C. Точки пересечения являлись началом и окончанием периода перегрева или охлаждения помещения. Проекции точек пересечения на горизонтальную ось позволили определить точное время этих периодов. Полученные точки наносились на солнечную карту и соединялись кривыми. От траектории движения Солнца в декабре до кривой, образованной соединением точек начала и окончания периодов охлаждения образуется область желательной инсоляции. А от кривой, образованной соединением точек начала и окончания периодов перегрева до траектории движения Солнца в июне образуется область нежелательной инсоляции (рис.3).

Проанализировав форму и расположение зоны нежелательной инсоляции, можно сделать вывод о том, что значительный перегрев будет наблюдаться в помещениях с южной, юго-западной и западной ориентацией окон и в меньшей степени – для юго-восточной и северо-западной ориентации. Далее подбирались солнцезащитные устройства с учетом затенения зон на комплексной солнечной карте теневыми масками различных форм. В данном случае стандартные вертикальные экраны были эффективными, только при юго-восточной и северо-западной ориентации фасадов, т.к. зона нежелательной инсоляции здесь будет очень небольшой. Для определения углов наклона экранов решалась обратная задача по подбору формы теневой маски [13]. Сначала определялся минимальный угол, позволяющий тени перекрыть зону нежелательной инсоляции, затем подбирался наклон и относительное расстояние между экранами так, чтобы оставить максимальный световой угол (рис. 4 а, б). Получились экраны со световыми углами в 137° (рис. 4 а) и 88° (рис. 4 б).

А вот попытка перекрыть теневой маской от прямоугольных козырьков или экранов полностью зону нежелательной инсоляции при южной, юго-западной и западной ориентациях приводила к тому, что также затенялась большая часть зоны желательной инсоляции и значительно уменьшалась общая продолжительность инсоляции. Решением данной проблемы стало применение солнцезащитных устройств общей ориентации, представляющих собой ряды наклонных к горизонту ламелей [4,15]. Теневая маска такого СЗУ имеет округлую форму и смещенную точку «выхода тени», что позволило максимально перекрыть именно зону нежелательной инсоляции, практически не затронув зону желательной инсоляции. Теневая маска строилась по теневому угломеру для СЗУ общего положения при угле наклона направляющей ламелей 30°. Для определения углов СЗУ решалась обратная задача [13]. Сначала подбиралась оптимальная форма той части теневой маски, которая создается углом δ0, определялась величина этого угла, а затем по разрезам определялся второй угол δz и, исходя из его величины, определялась форма второго участка теневой маски (рис.5 а-г). Для достижения наибольшей эффективности можно рекомендовать расположение ламелей, которое будет образовывать следующие углы: на окнах юго-восточной ориентации δ01=50°, δz1=72°, на окнах южной ориентации δ02=45°, δz2=71°, на окнах юго-западной ориентации δ03=33°, δz3=68°, на окнах западной ориентации δ04=12°, δz4=66°.

Выводы

По итогам исследования можно сделать следующие выводы:

1. В результате составления комплексной солнечной карты для города Москвы были установлены границы зон нежелательной и желательной инсоляции.
2. Проанализировав форму зоны нежелательной инсоляции, была выявлена необходимость в установки СЗУ для условий города Москвы при сплошном и ленточном остеклении и ориентации светопроемов на восток, юго-восток, юг, юго-запад, запад и северо-запад.
3. В качестве типовых решений для СЗУ были предложены следующие варианты: для восточной и северо-западной ориентации светопроемов – вертикальные экраны, расположенные под углом к фасаду и образующих световой угол в 137° и 88° соответственно. А для юго-восточной, южной, юго-западной и западной – СЗУ общего положения при угле наклона направляющей ламелей 30° и парами углов δ01=45° и δz1=71°, δ02=45° и δz2=71°, δ03=45° и δz3=71°, δ04=45° и δz4=71° соответственно.

Перспективы дальнейших исследований

В качестве перспективы дальнейших исследований следует указать возможность более детального анализа каждого вида СЗУ с описанием достоинств и недостатков каждого из вариантов по различным параметрам (стоимости, долговечности, эффективности в зависимости от ориентации фасада, влиянию на естественную освещенность и т.д.). Также возможным направлением исследования может стать расчет экономической целесообразности установки СЗУ различного типа и срока их окупаемости.

Литература

1. Стецкий С.В., Серов А.Д. Особенности создания комфортного микроклимата в административных зданиях для климатических условий стран Ближнего Востока // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 12. с. 112-117.
2. Стецкий С.В., Ходейр В.А. Эффективные солнцезащитные устройства в гражданском строительстве регионов с жарким солнечным климатом // Вестник МГСУ. 2012. № 7. с. 9—15.
3. Стецкий С.В. Эстетика гражданских зданий при использовании в них стационарных солнцезащитных средств для условий жаркого климата // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 7. с. 76-80.
4. Дворецкий А.Т. Солнечная энергия в энергоэффективных зданиях // В сборнике: Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2020 году. Сборник научных трудов РААСН: в 2 томах. Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН). Москва. 2021. с. 61-73.
5. Vorobyeva P. Solar control strategies for continental climate of Moscow. Architecture and Modern Information Technologies. 2013. №4 (25). p. 1-8.
6. Спиридонов А.В., Шубин И.Л., Римшин В.И., Семин С.А. Солнцезащитные устройства: европейская и российская практика нормирования // АВОК. 2014. №5. с. 64-68.
7. Коматина Д., Паунович-Зарич С., Алиходжич-Ясаревич Э., Соколовский Н.Д., Рябухина С.А. Статические солнцезащитные устройства в архитектуре зданий // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2015. №4(31). с. 122-134.
8. Сумеркин Ю.А. Расчет радиационной температуры окружающей среды городской застройки // Промышленное и гражданское строительство. 2020. №4. с. 34–40.
9. Стецкий С.В., Дорожкина Е.А. Повышение качества световой, акустической и инсоляционной среды в помещениях гражданских зданий с применением стационарных солнцезащитных устройств // Инновации и инвестиции. 2021. № 2. с. 193-198.
10. Белаш Т.А., Иванова Ж.В., Найденова В.В. Обеспечение комфортных условий эксплуатации транспортных объектов в условиях жаркого климата // Промышленное и гражданское строительство. 2020. №2. с. 23-28.
11. Буравченко В.С., Дворецкий А.Т., Сергейчук О.В., Спиридонов А.В., Шубин И.Л. Современные солнцезащитные устройства. Классификация основных типов // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2018. № 1-2 (228-229). с. 54-56.
12. Стецкий С.В., Хдейр В.А. Зависимость естественной освещенности помещений от формы и положения солнцезащитных устройств в климатических условиях Ливана // Промышленное и гражданское строительство. 2013. № 6. с. 71-73.
13. Дворецкий А.Т., Моргунова М.А., Сергейчук О.В., Спиридонов А.В. Методы проектирования стационарных солнцезащитных устройств // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2018. № 11-12 (238-239). с. 46-50.
14. Фыонг Н.Т.Х., Соловьев А.К. Оценка естественного освещения зданий с учетом солнцезащитных конструкций при реальных состояниях облачности // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 2. с. 180-200.
15. Сергейчук О.В. Особенности учёта и регулирования теплопоступлений от солнечной радиации при помощи солнечных карт // Строительство и техногенная безопасность. 2016. №4(56). с. 39–45.
16. Шмаров И., Земцов, В., Гуськов, А., Бражникова, Л. Инсоляция помещений как средство ограничения распространения COVID-19, гриппа и ОРВИ в городской среде // Academia. Архитектура и строительство. 2021. №4. с. 83–92
17. Земцов В.А., Шмаров И.А., Земцов В.В., Козлов В.А. Методика расчета продолжительности инсоляции помещений жилых и общественных зданий и территорий по солнечным картам // Жилищное строительство. 2018. № 7. с. 32-37.
18. Сергейчук О.В. Анализ украинского стандарта по расчёту инсоляции ДСТУ-НбВ. 2. 227:2010 // Вестник МГСУ. 2011. №3. с. 449-458.

Автор

Серов Алексей Дмитриевич

старший преподаватель, заведующий лабораторией кафедры архитектуры ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет Москва» , gigantmisly@mail.ru