Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Исторические и современные проблемы тепло-ветрового режима окружающей среды городов 13
1.1. Краткая историческая справка по учету тепло- ветрового режима жилой застройки городов и обзор литературы 13
1.2. Методы оздоровления окружающей среды традиционной и современной жилой застройки 19
Глава II. Градостроительная оценка тепло-ветрового режима и биоклимата жилой застройки городов 32
2.1 Природно-градостроительная оценка тепло-ветрового режима городов .32
2.2 Показатель тепло-ветрового режима окружающей среды и теплоощущение 43
2.3 Биоклиматическая оценка жилой застройки в условиях высокой температуры 53
2.4 Оценка тепло-ветрового режима путем применения физиолого-геометрического моделирования 64
2.5. Оценка инсоляционного режима жилой застройки городов 72
Глава III. Воздействие инсоляции на тепло-ветровой режим окружающей среды жилой застройки 82
3.1 Математическая модель тепло-ветрового режима окружающей среды жилой застройки 82
3.2. Формирование конвективного движения воздуха в условиях многоэтажной высокоплотной застройки с учетом вовлечения 94
3.3. Критерий оценки инсоляции и ее нормирование 107
3.4. Теплообмен излучением в междомовом пространстве 117
3.5. Объективный метод оценки теплового состояния человека в междомовом пространстве 120
Глава IV. Методика натурных наблюдений и экспериментальных исследований в лабораторных условиях 129
4.1. Выбор объектов исследования 129
4.2. Приборы и порядок измерений 132
4.3. Проведение натурных наблюдений 138
4.4. Определение доли выборки исследований 140
4.5. Анализ натурных наблюдений 145
4.6. Теоретические основы теплового и аэродинамического моделирования процесса 177
4.7. Лабораторные исследования формирования конвективных потоков воздуха и анализ результатов экспериментов 183
Глава V. Методы совершенствования планировочной структуры жилой застройки в целях регулирования тепло-ветрового режима 211
5.1 Районирование территории Узбекистана по гипертермическому и штилевому режиму .211
5.2 Микроклиматическое районирование территории Самарканда 224
5.3 Архитектурно-планировочные и конструктивные решения здания 236
5.4. Гелиоэнергетика жилой застройки 243
5.5. Применение разработанной методики для оздоровления окружающей среды жилой застройки 256
5.6. Определение социально-экономической эффективности предлагаемой методики 262
Общие выводы 268
Литература 273
Методические указания и рекомендации по формированию тепло-ветрового режима при планировке и застройке городов в штилевых условиях жаркого сухого климата 286
Приложения 294
- Методы оздоровления окружающей среды традиционной и современной жилой застройки
- Формирование конвективного движения воздуха в условиях многоэтажной высокоплотной застройки с учетом вовлечения
- Теоретические основы теплового и аэродинамического моделирования процесса
- Применение разработанной методики для оздоровления окружающей среды жилой застройки
Введение к работе
. Актуальность исследования.
В условиях прогрессирующих индустриализации и урбанизации в градостроительных проектах необходимо комплексно рассматривать всю систему оздоровительных факторов, основательно расширить и углубить экологический аспект в градостроительных работах.
Высокая концентрация населения в крупных городах Центральной Азии делает необходимым переход от категории «микроклимат застройки» к таким категориям, как: «оздоровление окружающей среды», «среда жизнедеятельности человека», «экологическая безопасность среды», «экореабилитация окружающей среды». Эти вопросы становятся все более актуальными и служат основными критериями для принятия важнейших решений в области оздоровления городской окружающей среды.
Особенно остро стоит проблема оздоровления окружающей среды современной многоэтажной (разновысотной) жилой застройки и выявление закономерностей формирования тепло-ветрового режима при штилевых (по Бофорту) условиях в жарком сухом климате.
Современная многоэтажная жилая застройка в жарком сухом климате создает свой собственный тепло-ветровой режим, характеризующийся высокими температурами, тяжело переносящимися на фоне безветрия - штиля. В руководствах, нормативных документах и других регламентирующих материалах по градостроительству, разработанных для условий Центральной Азии, отсутствуют методические рекомендации и указания по учету таких негативных специфических природно-климатических факторов как штиль и перегрев, важные определяющие среду для проживания в жилой застройке. В настоящее время имеющиеся рекомендации по оздоровлению окружающей среды относятся к условиям ветрового климата и не включают научного обоснования по учету штилевых условий.
Действующие нормативы СН 1180-74 и СНиП 2.07.01.89 (КМК 2.07.01.94) до сих пор не имеют норм учета безветрия и особых требований к формированию тепло-ветрового режима окружающей среды для условий жаркого сухого климата при штилевых условиях.
Климат многих городов региона в летние месяцы характеризуется именно жарой, сухостью и штилем. Поэтому при планировке жилой застройки необходимо делать акцент на безветрие. Следовательно, дальнейшие исследования следует вести в направлении, учитывающем не только жаркий сухой климат, но и жаркий сухой климат при штилевых условиях.
Таким образом, состояние вопроса, действующие в настоящее время нормы и правила, методические рекомендации и указания по планировке и застройке городов требуют совершенствования архитектурно-планировочной организации жилых территорий. Все это показьшает, что избранная тема диссертационной работы представляет актуальную градостроительную и социальную проблему.
Цель настоящих исследований состоит в создании теплофизических и теплотехнических основ формирования тепло-ветрового режима современной многоэтажной жилой застройки с учетом санитарно-гигиенических требований и методов по оздоровлению окружающей среды при штиле в условиях жаркого сухого климата.
Для достижения этой цели были проведены комплексные исследования широкого круга вопросов и решен ряд научных и практических задач, к которым относятся:
исследование закономерностей формирования тепло-ветрового режима традиционной и современной жилой застройки, а также установление критериальных соотношений при комплексной оценке его эффективности;
разработка критериев оценки тепло-ветрового режима окружающей среды территорий жилой застройки с учетом санитарно-гигиенических требований;
определение теплотехнических и теплофизических свойств современной многоэтажной (разновысотной) жилой застройки и математическое выражение его тепло-ветровых процессов для расчетного применения их;
развитие методических основ теоретических и экспериментальных исследований формирования тепло-ветрового режима окружающей среды жилой застройки, создание экспериментальных установок для моделирования;
получение аналитических зависимостей тепло-ветрового режима жилой
застройки с заранее заданными геометрическими параметрами, которые
могли бы способствовать коррегированию неблагоприятных
микроклиматических условий;
экспериментальная проверка теоретически полученных результатов в
натурных наблюдениях и лабораторных испытаниях;
изучение гелиоэнергетики жилой застройки и ее использование в формировании тепло-ветрового режима;
разработка технико-экономических обоснований эффективности предложенных методов при внедрении в практику проектирования и градостроительства;
разработка методологических принципов формирования тепло-ветрового режима окружающей среды в современной многоэтажной жилой застройке при разработке проектов.
Поставленные задачи определены в соответствии с Республиканской
целевой научно-технической программой по строительству Республики
Узбекистан О.Ц.002 пункт 4. «Разработать и внедрить нормативную
документацию по учету специфики природных комплексов при
проектировании городов Восточного Узбекистана с целью обеспечения
благоприятных санитарно-гигиенических условий», подпункт 4.1.
«Определить градостроительные требования и мероприятия по улучшению окружающей среды в городах Узбекистана», а также по теме 3.6 (раздел 3.7) «Исследование экологических аспектов градостроительства, влияющих на
жилую застройку и разработка методических рекомендаций по совершенствованию селитебных территорий городов Узбекистана».
Объект исследования. В соответствии с поставленными задачами объектами исследования выбраны жилые застройки микрорайонов городов Ташкента, Самарканда, Бухары и Джизака. Для этой группы городов характерны наиболее сложные проблемы формирования тепло-ветрового режима окружающей среды жилой застройки. Данная проблема присуща и другим городам Республик Центральной Азии с аналогичными природно-климатическими условиями.
Методика исследования базируются на:
анализе и обобщении отечественного и зарубежного опыта формирования тепло-ветрового режима окружающей среды;
анализе отчетно-статистических метеорологических данных температурных, влажностных, ветровых и инсоляционных режимов городов;
теоретических исследованиях с использованием теории подобия по формированию тепло-ветрового режима окружающей среды на основе методики разработанной автором;
экспериментальных, лабораторных испытаниях и натурных наблюдениях на выбранных объектах жилой застройки;
сопоставлении полученных результатов.
Достоверность результатов исследования подтверждаются:
сопоставлением данных предшествующих исследований отечественных и зарубежных материалов;
адекватностью результатов теоретических исследований путем применения математических моделей с полученными данными для реальной жилой застройки городов;
оценкой экспериментальных результатов с применением теории вероятности, математической статистики, теории систем и системотехники строительства.
Сопоставление полученных результатов дали высокую сходимость аналитических зависимостей с экспериментальными данными. Научная новизна работы состоит:
в создании методов натурных наблюдений и лабораторных испытаний по формированию тепло-ветрового режима окружающей среды застройки;
в разработке новых аналитических зависимостей температурно-влажностных, ветровых, инсоляционных режимов применительно к специфическим условиям многоэтажной (разновысотной) застройки при штиле в условиях жаркого сухого климата;
в установлении закономерностей формирования конвективных потоков в жилой застройке различной ориентации;
в моделировании теплового и ветрового режима на междомовых пространствах застройки с выявлением характера распределения температуры и скоростей ветра при различной ориентации зданий и расстоянии между ними;
в определении качественных характеристик формирования тепло-ветрового режима окружающей среды жилой застройки при различной плотности и ориентации зданий;
в предложении карты-схемы районирования территории по перегревному и штилевому режиму;
в разработке рекомендаций по рациональному использованию территорий застройки в градостроительных целях.
Практическая ценность работы состоит в том, что:
полученные данные позволяют осуществлять расчет и составлять карты тепло-ветрового режима территорий;
разработаны рекомендации, позволяющие выбрать оптимальные средства и методы по формированию тепло-ветрового режима окружающей среды жилой застройки;
впервые учтен фактор блескости (слепящий эффект поверхности) застройки - субъективного показателя, который ощущается человеком как следствие двух различных эффектов: контраста и насыщенности строительных материалов;
разработаны новые принципы использования солнечной энергии в формировании тепло-ветрового режима окружающей среды;
предложено температурно-влажностное и ветровое районирование территории города в целях локального формирования тепло-ветрового режима отдельных участков современной многоэтажной застройки;
предложены карты-схемы районирования территории по перегревному и штилевому режиму, которые позволяют выбрать рациональный тип архитектурно- планировочного решения застройки;
разработаны методические указания по формированию тепло-ветрового режима при планировке и застройке городов;
на основании результатов исследований получены данные для корректировки СНиП 2.07.01-89 (КМК 2.07.01-94) «Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений» дополнением пункта: «Проектирование жилой застройки при штилевых условиях в жарком сухом климате».
Методологические положения по проектированию жилых застроек, разработанные в диссертации, приняты в проектных и научно-исследовательских институтах, а также использованы в учебнике, учебном пособии и методических указаниях.
Практическое значение
Объективный подход к решению данной проблемы и осуществленные внедрения, а также разработанные конкретные методы и методические научно-технические рекомендации, указания для проектировщиков определяют практическую значимость результатов исследования.
На защиту выносятся следующие результаты исследования:
научная концепция по формированию тепло-ветрового режима окружающей среды современной многоэтажной (смешенной) жилой застройки и применение методов, разработанных автором на этой основе;
метод формирования тепло-ветрового режима окружающей среды жилой застройки с учетом санитарно- гигиенических требований;
совокупность теплотехнических и теплофизических критериев, которые определяют эффективность тепло-ветрового режима, область рационального использования архитектурно-планировочных и инженерно-технических средств, благоустройства и озеленения;
метод оптимизации теплофизических и теплотехнических параметров;
новый разработанный подход проведения мониторинга окружающей среды жилой застройки с применением физического тела в виде цилиндра;
закономерности формирования конвективных потоков под воздействием солнечной радиации, элементов планировки и деятельной поверхности;
районирование территории по температурно-влажностному и ветровому режиму;
методы дифференциации плотности жилого фонда микрорайонов, построение высотной композиции и выбора приемов застройки в соответствии с градостроительными условиями;
математическая модель определения параметров тепло-ветрового режима жилой застройки;
методические предложения по формированию тепло-ветрового режима на стадии проекта детальной планировки и проекта застройки в зависимости от принятых планировочных решений.
Апробация и внедрение полученных результатов:
по результатам диссертации сделано 44 научных доклада на научно-практических конференциях, совещаниях и семинарах, проведенных в городах: Москве, Киеве, Санкт-Петербурге, Вильнюсе, Пензе, Челябинске, Ташкенте, Самарканде, Фергане, Намангане. Также, на научно-технических семинарах институтов: ЦНИИП градостроительства, УзНИИПградо-строительства, Узгипросельстрой, СамаркандНИИгражданпроект и на кафедрах градостроительства Московского Государственного Строительного Университета и Самаркандского архитектурно-строительного института.
полученные научные результаты использованы при выполнении 8 целевых научно-исследовательских и научно-технических программ, разработанных УзНИИП градостроительства, СОПС АН РУз, СамаркандНИИгражданпроект, Самаркандоблсанэпедстанции, а также в 37 нормативных документах Самаркандского областного комитета охраны природы.
новые научные результаты использованы при разработке 12 учебных программ и курсов, 9 методических указаний по экологии, охране природы и градостроительству для студентов специальности «Городское строительство и хозяйство» и «Архитектура» Самаркандского государственного архитектурно-строительного института», а также для специальности «Экология» Самаркандского Государственного Университета.
результаты исследований опубликованы в 69 печатных работах, в том
числе в 1 учебнике, 2 учебных пособиях и в 3 авторских свидетельствах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 186 наименований и приложений.
Общий объем диссертации 336 стр. в том числе: 276 стр. основного текста, 88 рисунка, 40 таблиц и приложений на 38 стр.
Методы оздоровления окружающей среды традиционной и современной жилой застройки
Архитектурное наследие Узбекистана богато и многообразно. Давно уже оценены по достоинству и обрели всемирную славу исторические памятники монументального зодчества. Формы и принципы народной архитектуры, основанные на здоровых рациональных началах, не только красочны и масштабны, но и служат потребностям живого человека.
Учет конкретных природно-климатических условий явился одной из причин возникновения и существования параллельно нескольких течений в народной архитектуре Узбекистана. Основные из них Бухарская, Ферганская и Хивинская. Единые по замыслу, они отличаются устройством жилья и средствами, привлекаемыми к формированию благоприятного тепло ветрового режима окружающей среды.
Формы жилища, каждая из которых по-своему реагирует на количество осадков, направление ветра, наличие того или иного строительного материала. Кроме этого жилище включает в ансамбль и природные ресурсы: воду, зеленые насаждения и. т.д.
Значение народной архитектуры для современной практики чрезвычайно велико и требует внимательного исследования и обобщения накопленного материала. В частности изучение микроклимата на участках средневековой застройки Самарканда может представить определенный научно-практический интерес.
Регулирование теплопоступлений, защита от пыли и перегрева являются важнейшими мероприятиями в создания микроклимата среды проживания. Вопросы, связанные с проектированием жилой застройки в условиях сухого жаркого климата требуют определенного соотношения между открытыми и застроенными пространствами. В традиционных поселениях дома сооружались вплотную один к другому в целях защиты от крайне неблагоприятных воздействий окружающей среды. Ограничение инсоляции территории и стен зданий обеспечивалось созданием так называемой "ковровой планировки", делающей 1-2 этажную строчную, плотную застройку, в основе планировочного решения которой лежат принцип внутреннего дворика (рис. 1.1). В таких условиях инсоляция в течение дня становиться переменной и минимальной, причём более половины поверхностей наружных стен находятся в тени. Крыша и стены таких домов имеют высокую тепло инерционную способность, препятствующую проникновению тепловой радиации. Анализ застройки традиционных жилых территорий и домов в городах (Хива, Бухара, и Самарканд) показывает обоснованность пространственно-планировочных решений, рациональные качества которых могут быть использованы при проектировании многоэтажной жилой застройки.
Основной принцип борьбы с перегревом традиционного жилья заключался в динамичной взаимосвязи структуры дворового пространства с площадью и принятой этажностью жилого дома. При строительстве домов соблюдали устойчивые принципы постепенности перехода от внешней среды во двор -«ховли». Через обширные даланы и из дворового пространства в жилые помещения, через переднее (айваны) в жилье, которые находятся в определенных зависимостях между размерами двора и этажностью застройки, направлением ветра, конфигурацией застройки двора, ориентации летних помещений.
Традиционные принципы разрешения и строительства поселений характеризуется тем, что в них обеспечивается местное проветривание, несмотря на значительную плотность застройки.
Средствами интенсификации проветривания замкнутого дворового пространства являются различные архитектурно-планировочные и композиционные приёмы. Они заключаются в устройстве открытых эксплуатационных площадок, расположение которых способствует их проветриванию: козырьков айванов, открытых в сторону преобладающих ветров и возвышающихся над общим ограждением дворика, что способствует (по принципу эжекции) также естественной вытяжке из камерного пространства дворика.
Например, в городах Центральный Азии (г. Хива) в жилых комплексах большие дворики с двумя айванами, оси которых строго ориентировались с юга на север. Окнами на север располагали главную, летнюю комнату, окнами на юг -зимнюю.
Айван, перед летней комнатой занимал высоту в два этажа, все остальные части - в один. Этот большой айван (унг айвон) в знойное летнее время, улавливая прохладные потоки воздуха, направлял их в низ.
Против него устраивали низкий айван (терс-айвон). В результате чего часть дворика была перекрыта крышами айванов Оздоровительная роль затененных устройств заключается в действий эффекта инерционности дворовой системы замедления прогрева и остывания вовлекаемого в воздухообмен воздуха на приземном уровне поверхности земли.
Практика народного зодчества в использовании дворовых систем заключается в том, что малые дворики оборудуются, как высоко инерционные (с большим удельным весом затененных емкостей), большие, и как малоинерционные системы (с минимальным удельным весом затененных емкостей). Преимущества малых инерционных двориков проявляются в первую половину дня, преимущества больших малоинерционных дворов наступают в вечернее время (с 21-22 часов) за счет проветривания, интенсифицирующего теплоотдачу нагретых поверхностей [97].
Изучение применяемых в традиционном жилье средств борьбы с перегревом дворового пространства (используемого как универсальное летнее помещение) показывает, что для этой цели используются различные архитектурно-планировочные приемы, которые сгруппированы в группы мер защиты: А - защита от инсоляции: Б - интенсификации теплоотдачи проветриванием: В - инерционность дворовых систем (рис. 1.2).
Учитывая временную эффективность действия этих приемов защиты от перегрева, а также от совместимости этих приемов, можно в первом приближении обосновать пространственно-планировочную организацию дворового пространства (рис 1.3. в прил.). Микроклимат двора существенно зависит от таких факторов, как его размеры, ограждение заборами и строениями от соседней территории, высота ограждений, степень и характер озеленения территория двора и т. д. Большую роль в формировании тепло -ветрового режима окружающей среды двора играет условия его инсоляции и аэрации.
В вечернее время, после того как территория двора оказывается в тени, в приземном слое формируется инверсия, особенно глубокая в слое 10-15 см, где перепад температуры часто превышает 3С, а в отдельных случаях может достигать 5 С. При этом разность значений относительный влажности в слое 10-150 см составляет около 40%. Существенно, что вечером, когда во дворе развита глубокая инверсия Af10_15 = -4.1 С, на улице над асфальтом, прогретым за день, наблюдается сверхадиабатические градиенты: AViso = -1.4С при температуре воздуха более 30С.
Если о современных застройках принято сейчас говорить, что они являются "островами тепла", то об озелененных традиционных дворах можно сказать, что они являются "малыми озерами холода", благоприятно выделяющимися на общем фоне жаркого современного строительства.
В жарко-сухих районах распространен и другой традиционной прием по использованию испарительного охлаждения. Для этого оконные проемы оборудуют влажными щитами, матами из соломы или льна, через которые пропускаются воздушные потоки. Такие сетчатые экраны должны постоянно смачиваться водой и быть по возможности настолько тонкими, чтобы обеспечить беспрепятственное прохождение сквозь них воздушных потоков. Известен и ещё один вид охлаждения, основанный на принципе регулирования микроклимата в помещениях с помощью подачи прохладных потоков воздуха, источниками которых служат влажные стенки подземных тоннелей [124]
Крыши-сады и озелененные дворы с бассейнами и фонтанами, способствующие оздоровлению окружающей среды, являются характерной особенностью и существенным элементом архитектуры стран с жарко-сухим климатом.
Применение трансформируемых элементов и конструкций получало также широкое распространение в народном зодчестве. В Ферганской долине строятся дома "Кашкарча" с трансформируемыми стеновыми ограждениями. В центре жилища располагается комната, называемая "дален", наружное ограждение которой состоит из стоек и поднимающихся решетчатых ставен -"ровон". Когда ставни подняты, дален превращается в полузакрытое помещение, способствуя тем самым регулированию микроклимата. В двухэтажных домах ставни - ровон устраивают на втором этаже. В Намангане и Андижане встречаются дома, имеющие айван со ставнями - "равонлик айвон", которые позволяют превращать открытый айван в закрытую жилую комнату.
Формирование конвективного движения воздуха в условиях многоэтажной высокоплотной застройки с учетом вовлечения
Около нагретых поверхностей стен зданий возникают конвективные (аквалонные) токи. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого возрастает по направлению движения. В начальной зоне движения пристенный слой является вязким, ламинарным. Предположим, что стена вдоль оси OZ- оо
Для упрощения решения задачи примем следующие допущения:
1. силы инерции достаточно малы по сравнению с силами тяжести и вязкости;
2. конвективный перенос теплоты, а также теплопроводность вдоль движущегося слоя можно не учитывать;
3. градиент давления равен нулю;
4. физические параметры воздуха (исключая плотность) постоянны, а плотность является линейной функцией температуры.
Будем полагать, что температура в движущемся слое воздуха изменяется по уравнению
Толщина движущегося слоя переменна по высоте и связана со скоростью движения в этом слое. Поле скоростей описывается уравнением движения. При принятых условиях течение происходит в основном в направлении оси ОХ, поэтому используем уравнение движения (с учетом упрощения) только в проекциях на ось ОХ
Таким образом, мы можем определить количество конвективного потока в при стенном слое, а также объем и скорость подтекающего воздуха, как из более удаленного ("сахара эффект") от стены расстояния, так и прилегающего горизонтального участка территории.
По теории А.А. Скворцова [130] в приземном слое над ровной поверхностью можно установить в летний, ясный, спокойный день существование трех ярусов.
Первый самый нижний ярус имеет мощность 3 - 4 см, его по праву следует назвать припочвенным.
Второй ярус простирается до 2-3 м наверх, его следует назвать нижним приземным, в отличие от следующего, третьего, который может быть назван верхним приземным ярусом, его границы находятся несколько десятков метров от поверхности.
Соотношением между объемом части потока в некотором слое и скоростью поднятия может быть выражено, отношением:
В этом выражении Vn+i и Vn обозначает объем, занимаемый восходящим потоком в некоторой части слоев пип+1, которые имеют одинаковую толщину - n; Wn и Wn+i,- скорость поднятия потока в тех же слоях. Выражение (3.41) позволяет понять весьма существенные особенности формирования конвективных потоков.
Совершенно естественно, что всплывание воздушных потоков яруса не может осуществляться в виде пластов, а должно осуществляться в виде отдельных токов, размеры (диаметры) которых определяется мощностью (высотой )яруса.
Восходящие токи воздуха вызывают компенсирующие токи опускающего воздуха.
Согласно исследованиям В.М.Эльтермана [164], рассмотрим тепловую среду возникающую над нагретой пластинкой. Тепловую струю можно разделить на три зоны (рис.3.7.)
1. зона пограничного слоя, состоящий из ламинарного подслоя, расположенного непосредственно у пластины и основного пограничного слоя, характер течения, который зависит от определяющего процесс комплекса критериев СгРг;
2. зона участок сильного разгона струи;
3. основной участок струи.
В пограничном ламинарном подслое движение только вдоль плоскости, вертикальная составляющая скорости очень мала и может быть принята равной нулю.
Передача тепла от нагретой пластины в этом подслое происходит только путем теплопроводности, поэтому здесь имеет значительный перепад температуры.
В пределах основного пограничного слоя характер движения различный и зависит от величин произведения критериев СгРг. При значениях Cr Pr 5 10 наблюдается ламинарное течение потока воздуха, подтекающего к пластинке. По мере увеличения размеров пластинки и возрастания разности температур на ее поверхности в определяющей среде, то есть при больших значениях СгРг, картина подтекания воздуха меняется, т.е. наблюдается "сахара-эффект".
Для основного участка струи, Прандтлем (исходя из уравнения постоянства количества тепла в поперечных сечениях струи и диффенциального уравнения движения) были установлены зависимости для изменения скорости VM И избыточной температуры Д/, вдоль оси струи.
В основе развитой в термодинамике атмосферы модели вертикального движения частиц воздуха, сопровождающегося образованием конвективных потоков, лежит представление об отсутствии тепла и массообмена частицы с окружающей ее воздушной средой.
В реальных условиях атмосферы частицы воздуха нельзя считать адиабатически изолированными от среды: между ними и окружающей средой происходит обмен массой, теплом, количеством движения, влагой и др. Этот процесс обмена взаимодействия конвективных токов с окружающей средой, принято называть вовлечением. Под влиянием вовлечения адиабатическая кривая состояния смещается в сторону кривой стратификации, при этом смещение тем больше, чем ниже относительная влажность окружающего воздуха.
Впервые на роль вовлечения в развитии конвенций в форме струи (трубы), указал русский ученый И.И.Касаткин (1915г). Термики, по гипотезе Скорера, имеют форму пузырей теплового воздуха.
Наиболее благоприятные условия для образования пузырей создаются над местностью с резкими различиями в радиационных свойствах подстилающей поверхности на смежных участках.
Конвективные движения воздушного потока с учетом вовлечения. Введем понятие показателя вовлечения а являющегося мерой интенсивности вовлечения. Пусть при перемещении термика массой m с уровня Z на Z+dz., его масса увеличилась на m+dm за счет присоединения (вовлечения) окружающего воздуха.
Показатель вовлечения, согласно определению, представляет собой массу вовлеченного (присоединенного) воздуха, отнесенную к единице массы, термика и единице высоты
Теоретические основы теплового и аэродинамического моделирования процесса
Проводить исследования конвективных потоков, вызываемых застройкой, с метеорологическими элементами непосредственно очень сложно. Для этого потребовался бы большой штат сотрудников и сложная автоматическая аппаратура. Вести наблюдения пришлось бы в многочисленных пунктах города и длительное время, так как в разные сезоны и при различных условиях погоды влияние города на воздушные течения не одинаково. Самое существенное заключается в том, что при проведении натурных исследований мы почти лишены возможности варьировать типами зданий, расстоянием между ними, направлением движения воздуха. Даже при большом объеме обследования трудно получить объективные данные, так как над большой территорией застройки обязательно возникает целый ряд Ф дополнительных, локальных течений и циркуляции. Локальные перемещения воздушных масс внутри застройки, наблюдается от зеленых насаждений и водоемов (арыков) в центры тяжести прилагающей к ним застройки. Возникают воздушные перемещения и внутри участков со сплошной застройкой от теневой стороны улиц освещенной солнцем, от нагретых солнцем крыш вверх и т.д.
Выявить влияние на развитие конвективных потоков перегрева различной интенсивности от отдельных участков территории застройки так же, как и влияние от сочетаний высокой застройки и деятельного слоя, просто не возможно, так как не мыслимо производить строительство существующей застройки для экспериментальных целей. Поэтому было решено применить моделирование.
Лабораторные исследования процессов в миниатюре не только экономичны в отношении средств и время, но и позволяют произвольно управлять отдельными переменными величинами, что обычно невозможно в натуре. Так, например, на модели можно за несколько часов воспроизвести возникновение конвективных потоков во все сезоны при любых конкретных условиях. В то время в натуре весь этот цикл протекает за год, а определенное сочетание условий может не сложиться еще дальше.
Метод моделирования уже не раз с успехом применялся в строительной климатологии для исследования процессов дыма [157] для изучения микроклиматических особенностей [116, 127, 157]. Применение моделирования для исследования депрессивного состояния воздушного бассейна застройки в целях улучшения его воздухообмена открывает большие перспективы для дальнейшего развития градостроительства.
Возможность применения теории подобия к опыту почти безгранична. Она начинается с той степени малости, когда молекулярная структура тел делается незаметной ... и для нее не является препятствием такие крупные размеры объектов, какими являются атмосферные течения, солнечные пертурубацы и даже звездные туманности... [68].
В настоящей работе не описывается, и даже не перечисляются работы, проведенные ранее в области моделирования другими авторами. Современное состояние конвективных потоков застройки находятся в сложном положении и требуют безотлагательного его улучшения не только путем санитарно -гигиенических мероприятий, но и посредством градостроительных. Обычно над территорией застройки стратификация атмосферы менее устойчива по сравнению с его окрестностями вследствие его перегрева, что (явление «сахара - эффекта») приводит к образованию термической депрессии, застою воздушных масс.
Особый интерес в аспекте уменьшения над застройкой депрессионного состояния воздушных масс, способствующих аккумуляции загрязняющих атмосферу ингредиентов, являются проветриваемость, целенаправленность которых может значительно улучшить аэрацию застройки. Использование градостроительных приемов в целях улучшения аэрации застройки должно базироваться на теории ярусности и моделирования, т.к. они дают возможность выявления и проверки наиболее оптимальных вариантов развития конвективных токов за счет размещения строений повышенной этажности и др. градостроительных мероприятий.
Условия моделирования, т.е. условия, которым должны удовлетворять модель и протекающий в ней процесс, дает теория подобия. Принципы и определение теории подобия. Аналитический метод исследования процесса теплообмена и циркуляции воздушных масс в жилой # застройки имеет ограниченные возможности. Поэтому такие исследования обычно производятся экспериментальным путем на моделях, построенных на принципе геометрического, теплового и аэродинамического подобия.
Экспериментальные исследования на модели преследует цель изучения влияния всех определяющих факторов в отдельности с последующим установлением общей эмпирической зависимости для практических расчетов в натуре.
,л Методы обработки и обобщения экспериментальных данных являются задачей теории подобия, принципы которой разработаны М.В. Кирпичевым и его школой и достаточно полно изложены в литературе [48, 68, 81, 94, 142, 167]. Рассматривая какой то класс явлений, который описывается определенной системой дифференциальных уравнений, и, приведя эти уравнения к безразмерной форме, мы получаем некоторую группу безразмерных комплексов, называемых критериями подобия. Критерии подобия называются 180 по именам ученых, работавших в данных областях науки (например, Re -Райнольдс, Аг - Архимед, Рг - Прандтль, Gr - Грассхоф и др.) и распадаются на два основных класса - критерии определяющие и критерии не определяющие.
Термин определяющих и не определяющих критериев вытекает из третьей теоремы подобия (теорема акад. М.В. Кирпичева и А.А. Гухмана). Она формулируется так: «Подобны те явления, условия, однозначности которых подобны, и критерии, составленные из условий однозначности, численно одинаковы».
Определяющими критериями являются те критерии, которые составлены полностью из величин, входящих в так называемые условия однозначности. Последние же определяются следующими признаками явления: [68].
1. Геометрические свойства системы.
2. Существенные для процесса физические константы тел, образующих систему.
3. Начальное состояние системы.
4. Условия на границах системы.
Теория подобия утверждает, что при соблюдении равенства определяющих критериев в двух системах, не определяющие критерии будут автоматически равны, а рассматриваемые процессы подобны между собой. Этот выход имеет исключительно важное практическое значение.
Экспериментальные исследования, описанные в диссертации, относятся к свободному движению при стационарном режиме. Определяющим критерием при этом движении будет критерий Грассхофа -Gr, который имеет вид: v2T и является мерой отношения сил тяжести к силам внутреннего трения. Но определяющими критериями для свободного (конвективного) стационарного движения при стационарном режиме будут критерий Рейнольдса Re и Архимеда Аг, так как один из сомножителей в них является скорость движения, которая неизвестна заранее и не может входить в условия однозначности.
Применение разработанной методики для оздоровления окружающей среды жилой застройки
Жилая застройка в условиях городов Центральной Азии оказывает значительное воздействие на состояние окружающей среды жилой территории, что требует оздоровления, т.е. формирование тепло-ветрового режима в штилевых условиях в летное время: во-первых, вне зависимости от планировочных решений за счет отраженной стенами зданий и деятельной поверхностью усиливается солнечная суммарная радиация, что в свою очередь вызывает повышение температуры воздуха, снижение его относительной влажности, скорости ветра и усугубляет формирование штилевых условий. В связи с этим улучшение микроклимата в жилых районах, микрорайонах имеет важное практическое значение как для сложившейся застройки, так и для проектируемой.
В результате исследования по оздоровлению окружающей среды выявлена возможность коррегирования теплового режима жилой застройки средствами планировки, обводнения и озеленения.
Оздоровление окружающей среды жилой застройки воспроизводятся в следующей последовательности:
- учитываются мезоклиматические и микроклиматические данные, характеризующие условия местного климата;
- учитываются направление благоприятных умеренных ветров или бризовые циркуляции и определяется возможность их максимального использования при планировке и застройке;
- выявляются возможные для обводнения участки территории, перепады высот и наличие экранирующих форм рельефа;
- составляется проект планировки и инженерного благоустройства с подобным озеленением участков и ориентацией зданий;
- выявляются участки с максимальным и минимальным нагревом территории;
- на основе инсоляционной карты территории жилой застройки, имеющей изолинии продолжительности инсоляции в часах и изолиний количества поступающей энергии на горизонтальную поверхность, составляются карты теплового режима территории жилой застройки.
Процесс составления инсоляционной карты жилой территории по конкретной ориентации зданий заключается:
- в построении схем затенений в виде изолиний продолжительности инсоляции в часах;
- в определении и построении на плане энергетических изолиний;
- в определении общего дневного поступления энергии на горизонтальную поверхность (Вт/м ).
Для условий штилевого режима необходимо разрабатывать комплексный проект застройки для отдельных групп домов, с учетом их особенностей в регулировании микроклимата. Для этого необходимо:
- определение типа зданий, их высоты, фактуры, цвета и текстуры фасадов,
- определение объемно-пространственного решения зданий, пластики фасадов - с лоджиями, балками,
- выявление суточного хода скорости и направления ветра - определение разновидности малых архитектурных форм и их расположение.
Для составления инсоляционной карты весьма удобно применять светопланомеры ДМ-55, по которым определяется продолжительность Ф инсоляции в любой месяц и количество поступающей при этом энергии путем наложения планшетки соответствующего масштаба на чертеж застройки [92].
Основными требованиями, которым должна отвечать стена являются:
1. Максимальная термоактивность облучаемой поверхности;
2. Минимальная тепловая инерция термоактивного слоя;
3. Максимальная теплоизоляция всех последующих слоев термоактивной поверхностью.
Вопрос возбуждения максимальной термоактивности стен подробно рассмотрен в гелиотехнике. Имеется расчет и изготовление без инерционных селективных поверхностей с высокой термоактивностью.
Фасады домов, ориентированных в сторону востока и запада, должны быть оборудованы вертикальными солнцезащитными панелями, имеющими белую окраску или отделанные плиткой светлых тонов, которые должны иметь термоактивные покрытия и располагаться на расстоянии 1-2 м от фасада. Сама территория должна оборудоваться вертикально стоящими жалюзами с высокотермоактивными пластинками, которые могут служить для расчленения кольцевых и полукольцевых движений воздушного потока в меж- домовых пространствах..
Согласно изложенной выше методике осуществлено коррегирование микроклимата на конкретном экспериментальном проектировании - 29 квартале Самарканда (рис 5.15. прил.).
Краткая градостроительная характеристика 29 квартала: климат - типичный, жаркое лето, сухое (условно выделенный 1 микроклиматический район); направление ветра - северо-восточное и юго-восточное, ориентация - разная; разрыв параллельно расположенными зданиями 40 м, количество этажей 5 (дома № 1-6) и 9 (дом № 7 строится), общая высота зданий -15 м. условия обводнения - на расстоянии 80 метров от квартала находится канал шириной 4 м, водные бассейны отсутствуют, территория плохо озеленена 0 (5% от общей площади); покрытия - асфальтированные (13%), газонные (8%), естественный грунт (79%).
С помощью светопланомера ДМ-55 составлена инсоляционная карта изолиний продолжительности инсоляции в часах (рис.5.17. прил.). Дневное поступление энергии на горизонтальную поверхность определялось по натурным наблюдениям (рис. 5.18. прил.).
На основании анализа полученных карт установлено: при меридиональной ориентации застройки наблюдается равномерное затенение территории и распределение солнечной радиации; при этом на горизонтальную поверхность территории поступает наименьшее количество солнечной радиация (7600 Вт/м2); при широтной ориентации зданий наблюдается неравномерное затенение и поступление солнечной радиация на горизонтальную поверхность; 260 при этом наблюдается менее благоприятный инфляционный режим на горизонтальной поверхности по сравнению с меридиональной ориентацией (9000 Вт/м2); при диагональной ориентация здания можно наблюдать, что линия затенения незначительно отклоняется по краям зданий, отражается и в распределении дневных сумм солнечной энергии; но наблюдается повышенное поступление радиации на стены зданий (до 3100 Вт/м) поэтому диагональная ориентация является самой неблагоприятной.
В результате такого анализа определено место и степень регулирования очагов неблагоприятного микроклимата в жилой застройке с использовании свойств воды, озеленения, а также отражательной и поглощающей способности различных поверхностей.
Для регулирования тепло-ветрового режима территорий, прежде всего, делается попытка направить в застройку северо-восточные ночные или юго-восточные ветры. С этой целью в домах широтной ориентации (дом № 7 и 1) предусматривается первый этаж на колоннах. Так как линия затенения и распределения солнечной радиации домов № 1 и 2 асимметричные, то дома используются как экраны для затенения пешеходной дороги, для чего необходимо повышать их этажность.
Похожие диссертации на Формирование тепло-ветрового режима жилой застройки городов жаркого климата
