Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические основы геоэкологической оценки комфортности микроклимата в условиях города 13
1.1. Понятие о комфортности городской среды и микроклимате города 13
1.2. Общие закономерности формирования городской климатической аномалии 21
1.2.1. Особенности радиационного и теплового балансов города 21
1.2.2. Городской «остров тепла» и факторы его формирования 24
1.2.3. Ветровой режим в условиях подстилающей поверхности города. 32
1.3. Физиологические основы оценки и нормирования комфортности городской среды с учетом комплексных биоклиматических показателей 37
1.4. Общая схема организации исследования 45
Выводы 47
Глава 2. Система критериев и алгоритм биоклиматической диагностики городской среды для оценки риска климатообусловленных заболеваний населения 48
2.1. Алгоритм биоклиматической диагностики городской среды и оценки риска климатообусловленных заболеваний населения 48
2.2. Геоэкологическая оценка роли климатических факторов в формировании уровня общественного здоровья населения города Воронежа 53
2.2.1. Физико-географическая характеристика и ландшафтно-экологическая структура города Воронеж 53
2.2.2. Анализ климатических условий города с учетом комплексных биоклиматических показателей 56
2.2.3. Корреляционно-регрессионный анализ в системе «климат города - характер заболеваемости населения» 73
Выводы 83
Глава 3. Интегральное геоэкологическое зонирование городской среды с учетом эколого-микро-климатических факторов . 84
3.1. Математико-картографическая модель интегрального эколого-микроклиматического зонирования городской среды 84
3.2. Анализ микроклиматической дифференциации города 94
3.2.1 Оценка интенсивности городского «острова тепла» 94
3.2.2 Вычисление параметров шероховатости и оценка аэрационного потенциала городских территорий 116
3.2.3 Оценка качества атмосферного воздуха 122
3.2.4 Климатическая классификация городских ландшафтов и выделение климатопов 126
3.3. Интегральное эколого-микроклиматическое зонирование территории города Воронеж 135
Выводы 141
Глава 4. Методика геоэкологической оценки комфортности городской среды и система градостроительных рекомендаций с учетом микроклиматических особенностей территории 144
4.1. Методика геоэкологической оценки комфортности городской среды с учетом микроклиматических особенностей 144
4.2. Система градостроительных рекомендаций по повышению комфортности городской среды с учетом микроклиматических особенностей территории 147
4.2.1. Основные направления климатозащиты в условиях г. Воронежа 147
4.2.2. Мероприятия по обеспечению комфортных микроклиматических условий в границах климатопов 157
4.2.3. Моделирование микроклимата и оценка уровня теплового комфорта участка жилой застройки 160
Выводы 172
Заключение 174
Список литературы 179
- Городской «остров тепла» и факторы его формирования
- Анализ климатических условий города с учетом комплексных биоклиматических показателей
- Климатическая классификация городских ландшафтов и выделение климатопов
- Моделирование микроклимата и оценка уровня теплового комфорта участка жилой застройки
Городской «остров тепла» и факторы его формирования
Явление изменения термического режима на территории города, выраженное ростом температур в пограничном слое атмосферы, и связанные с этим мезо-и микроклиматические процессы, в климатологии принято описывать общим понятием «острова тепла». Городской «остров тепла» (Urban Heat Island) - зона повышенных температур над городом и крупными промышленными зонами, образующаяся в результате повышенного выброса тепловой энергии [13,23,24,25,73,74,139,158,171,190]. Впервые о положительной температурной аномалии урбанизированной среды по сравнению с окраинами было известно уже в восемнадцатом веке [172], однако, примерно со второй половины двадцатого века наблюдения за разницей температур между городскими и сельскими районами приобрели постоянный и систематизированный характер. В последние десятилетия учеными делаются попытки описать явление «острова тепла» с математической точки зрения. Особый интерес представляет исследование Т.Р. Оке [183], в которой представлено математическое уравнение, описывающее температурную разницу между городом и окраинами - лишь на основе численности городского населения: где P - численность населения, u - средняя скорость ветра на высоте 10 м.
Формула 1.2. неприменима к штилевым условиям. Для безветренных погодных условий максимальная разность температур (-) представляет собой следующие выражение [41]:
Безусловно, это уравнение регрессии имеет региональное значение и не учитывает специфику рельефа. Подобные уравнения были разработаны и отечественными учеными, так Б.И. Вдовиным предложено и рассчитано уравнение множественной регрессии, учитывающее скорость ветра по флюгеру, температуру воздуха, количество нижней облачности и вертикальный градиент температуры, для каждого показателя были рассчитаны коэффициенты множественной регрессии [25].
В работе J.A. Voogt и T.R. Оке [1949] проведен детальный анализ возможностей космической съемки в тепловом диапазоне для исследования городского «острова тепла». Найдена зависимость интенсивности городского «острова тепла» от соотношения средневзвешенной высоты застройки к расстоянию между соседними зданиями: где Н - средневзвешенная высота участка застройки, W - среднее расстояние между зданиями.
На основании проведенных на базе Московского государственного университета исследований «острова тепла» города Москвы с использованием данных тепловой съемки Landsat ЕТМ+ была выявлена сезонная динамика тепловой аномалии, возникающей над городом, кроме того были построены разносезон-ные образы тепловых аномалий различных поверхностей: промышленных объектов и их территорий, акваторий, лесной растительности, открытых безлесных участков с луговой растительностью, сельскохозяйственных территорий и жилой застройки [13,43].
В Воронеже неоднократно проводились исследования, посвященные выявлению микроклиматических различий отдельных его частей [47,55,76,77,82,133]. В 1986 году был систематизирован и обобщен материал метеорологических наблюдений в городе Воронеже на различных метеостанциях (Швер Ц.А. «Климат Воронежа» [65]), отдельная глава посвящена микроклиматическим особенностям города, где отмечаются термические различия между отдельными городскими районами: в среднем за год температура воздуха в левобережной части города выше температуры окраины на 0,5, а правобережной - на 0,3, что в работе В.А. Дмитриевой [47] объясняется особенностями атмосферной циркуляции и различиями рельефа между правобережной и левобережной частями города. При достаточно устойчивых погодных условиях интенсивность «острова тепла» имеет четко выраженный суточный ход с максимумом через несколько часов после захода солнца и минимумом в середине дня. Перепад температур особенно быстро растет после захода солнца из-за различий в скоростях выхолаживания воздуха в городе и сельской местности: в это время в сельской местности запасы тепла быстро расходуются за счет длинноволнового излучения, а город остывает более медленно. Несколько часов спустя разность температур остается постоянной или даже уменьшается в течение ночи. После восхода солнца сельская местность начинает нагреваться более интенсивно и разность температур уменьшается. В определенных погодных условиях при отсутствии ветра и облачности, когда температурный режим определяется только режимом инсоляции, температура воздуха в застройке в течение 2-3 ч после восхода солнца может быть даже несколько ниже, чем в пригороде. Это происходит за счет затенения земной поверхности в городе зданиями и сооружениями и, как следствие, менее интенсивного прогревания воздуха. Усиление ветра и рост облачности в дневные часы способствуют выравниванию горизонтальной неоднородности температуры в городе и сельской местности [42,97].
В годовом ходе «остров тепла» получает максимальное развитие в весенние месяцы, минимальное – в конце осени и начале зимы. Рост аномалий температуры в весенние месяцы связан с более ранним сходом снежного покрова в городах по сравнению с естественными ландшафтами и, как следствие, более ранним и интенсивным прогревом подстилающей поверхности. В предзимье на фоне сезонного похолодания разность температур «город – пригород» нивелируется активностью синоптических процессов, в которых температура воздуха определяется, главным образом, адвективными факторами и, в меньшей степени, – разницей в величине радиационного и теплового балансов.
Пространственная неоднородность температуры воздуха в пределах города связана с неравномерностью распределения по его территории факторов, определяющих характер и интенсивность трансформации приземного слоя воздуха – неоднородностью теплофизических свойств подстилающей поверхности и термодинамических процессов, на ней протекающих. В большинстве городов к центру увеличивается плотность застройки, а, следовательно, и плотность потребителей тепловой и других видов энергии. Площадь зеленых насаждений – наоборот, снижается. Поэтому типичным считается распределение положительных аномалий температуры воздуха, при котором максимум наблюдается в центре, минимум – на наветренной периферии. На подветренной периферии, куда шлейфом распространяется нагретый в центре города воздух, температура несколько выше. При движении воздуха из окрестностей в городскую среду на него начинают воздействовать новые условия подстилающей поверхности. Над городом и за ним по ходу движения потока воздушных масс появляется слой воздуха с характеристиками, отличными от таковых в городских окрестностях (городской факел), схема образования которого показана выше на рисунке 1.1, а [41,182]. Наиболее характерные закономерности изменения температуры воздуха при переходе от сельской местности к центральной части города показаны на рисунке 1.2.
На границе «город - сельская местность» возникает значительный горизонтальный градиент температуры, соответствующий «утесам острова тепла». Большая часть города представляет собой «плато» теплого воздуха с небольшим повышением температуры по направлению к центру города. Термическая однородность этого плато нарушается влиянием городских парков и акваторий и плотной застройкой промышленных и гражданских зданий (области нагрева). В центральной части больших городов располагается «пик острова тепла», где температура воздуха максимальна, при этом могут наблюдаться несколько «пиков острова тепла», обусловленных планировочной структурой самого города [41,51,182,183].
Анализ работ в области изучения температурных аномалий, возникающих в городских районах, позволил выделить семь наиболее значимых факторов [171], влияющих на городской микроклимат (рис. 1.3):
1) уменьшение интегрального альбедо городских поверхностей, и, как следствие, увеличение доли поглощенной солнечной радиации по сравнению с естественными ландшафтами;
2) поступающие в атмосферный воздух различные твердые примеси и аэрозоли от производственных объектов, транспорта и других источников загрязнения атмосферы снижают прозрачность атмосферы, что приводит к уменьшению прямой солнечной радиации, в то же время растет доля рассеянной радиации;
3) уменьшение потерь тепла за счет длинноволновой радиации вследствие геометрии каньона и многократного переотражения радиационных потоков;
4) большая часть тепловой энергии, вырабатываемой на нужды теплоснабжения в результате работы транспорта и в различных технологических процессах, диссоциируется в окружающее воздушное пространство и почвогрунты, приводя к их нагреванию;
5) увеличение строительного объема из материалов с высокой удельной теплоемкостью приводит к накоплению и хранению теплоты элементами застройки;
6) за счет сокращения площадей с естественным почвенным покровом и зелеными насаждениями снижается расход тепла на испарение, что приводит к росту теплового баланса;
7) снижение потерь тепла за счет длинноволнового излучения происходит внутри плотно застроенных районов вследствие увеличения уровня шероховатости и снижения скоростей ветра, и, как следствие, приводит к формированию зон застоя воздуха, препятствующих турбулентному перемешиванию приземного слоя атмосферы и выносу избыточного тепла в ее вышележащие слои.
Анализ климатических условий города с учетом комплексных биоклиматических показателей
Для более детального анализа климатических условий города были проанализированы фондовые данные и статистические материалы среднемноголет-них климатических характеристик за период 1971-2000 (2006) гг., данные ежедневных метеорологических наблюдений по метеостанции «34123-Воронеж» за период 2006-2016 гг., составлены графики годового хода отдельных метеоэлементов, для характеристики ветрового режима построены розы ветров.
Климат города умеренно-континентальный. Вследствие преимущественно равнинного рельефа территории европейской части РФ сюда со стороны Атлантического океана свободно проникают морские воздушные массы умеренных широт. Зимой они приносят пасмурную погоду, значительное потепление, снегопады. Летом и весной воздушные массы, приходящие с запада, вызывают неравномерное похолодание, резкую смену ветров, большую облачность и выпадение осадков.
Солнечная радиация является главным климатообразующим фактором. Средняя продолжительность солнечного сияния за год в Воронеже составляет 1644 часа. Максимальное количество прямой солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность, наблюдается в июне (90,8 кВтч/м2), а минимум в декабре-январе. Радиационный баланс за год составляет 432,5 кВтч/м2, а в период с ноября по январь имеет отрицательные значения (-1,1 – 4,7кВт/м2) [66]. Годовой ход поступления солнечной радиации на горизонтальную поверхность в Воронеже графически представлен на рисунке 2.1.
Температурный режим. Средняя годовая температура воздуха в Воронеже составляет 6,3С по данным ГУ «Воронежский ЦГМС». В годовом ходе средней месячной температуры воздуха положительные значения отмечаются с апреля по октябрь. От января к февралю средняя месячная температура почти не меняется. Самым холодным месяцем в разные годы является февраль или январь, что зависит от преобладающей атмосферной циркуляции в зимний период [47]: температура колеблется от -6,5С до -7,5С; самый теплый месяц – июль, температура от 19,5С до 22С. Графики среднемесячных температур представлены на рисунке 2.2.
Абсолютный минимум температуры воздуха, как и другие характеристики, сильно варьирует из года в год. В Воронеже он может быть очень низким – до 36,2С (в 1942 году), однако в последние годы зимние температуры не опускаются ниже -25С. Даже в самый теплый месяц (июль) температура воздуха может опускаться до 5С (табл. 2.2) [65,66,68].
Абсолютный максимум температуры воздуха характеризует предельно высокие значения, характерные для сезона года или месяца. Так, в определенные годы температура в январе и феврале превышала 10С. А в теплое время года температура может достигать 40С. В период аномальной жары 2010 года по данным ГУ «Воронежский центр по гидрометеорологии и мониторинга окружающей среды» температура окружающего воздуха достигала максимальных значений +40,5оС [37,56,99].
Анализ данных архива погоды за период 2006-2016 гг. показал увеличение среднегодовой температуры воздуха до 8,1С, причем наибольший рост температур наблюдается в период с июля по декабрь.
Температурный режим города Воронежа во многом зависит от преобладающего в течение года типа атмосферной циркуляции. Господство в зимний период зоны сибирского максимума давления способствует выхолаживанию подстилающей поверхности и снижению приземной температуры воздуха [47]. Средняя месячная температура воздуха в январе и феврале при северо-восточном направлении ветра за период 2006-2016 гг. составила -10,5С, тогда как при направлении ветров западного и юго-западного румбов средняя месячная температура не опускается ниже -5,5С. В годы с высокой повторяемостью ветров восточных направлений температура воздуха за январь и февраль ниже среднемно-голетних значений. Так, например, в январе 2010 года средняя температура воздуха составляла -14,5С при повторяемости ветров северо-восточного направления 28 %, а 2012 году самым холодным месяцем в году был февраль (-12,0С), преобладающее направление ветра – восточное (25 %). И, наоборот, в годы с преобладающим западным типом атмосферной циркуляции средние месячные температуры за зимние месяцы были выше средних многолетних. Например, в 2007 году температура в январе и феврале составила -0,7 и -0,5С соответственно, преобладающее направление ветра – западное и юго-западное (до 29 %).
В летние месяцы воздушные массы Атлантики являются поставщиком влаги и холода на территории Воронежа, а восточный перенос способствует установлению антициклонального типа погоды с высокими значениями температуры и низкими показателями влажности. В 2010 году, когда на территории Воронежской области и Воронежа было отмечено аномально жаркое лето, доминировал восточных тип атмосферной циркуляции, средняя месячная температура июля и августа составила 26,4 и 25,3С соответственно. В 2006 году с преобладающим направлением ветра западных румбов, температура воздуха в июле составила 18,8С.
Самыми холодными годами за период 2006-2016 гг. является 2006 и 2011 года (среднегодовая температура 6,6 и 7,2С), в эти годы преобладающим типом атмосферной циркуляции в зимнее время является восточный, а в летние месяцы господствует западный перенос воздушных масс.
Высокие среднегодовые значения температуры (более 8,5С) в 2007, 2013 и 2015 годах сформировались при господстве восточной циркуляции в теплый период года и западном переносе в зимние месяцы. Высокие значения среднегодовой температуры в 2010 году (8,5С) определяются аномально высокими температурами в период с мая по август.
Влажност ь. Одной из характеристик влажности воздуха является парциальное давление водяного пара в воздухе, называемое упругостью водяного пара (e). Предельное значение упругости соответствует максимально возможному насыщению воздуха водяным паром. Чем выше температура, тем больше будет значение предельной упругости. Наибольших значений парциальное давление водяного пара достигает в июле (до 15 гПа), наименьших – в январе (менее 3 гПа). Суточный ход парциального давления водяного пара наиболее выражен в летний сезон. Перед восходом солнца одновременно с минимумом температуры наступает и первый минимум парциального давления водяного пара, а к 9 часам уже наступает максимум. За счет дневного прогрева и усиления восходящих потоков начинается интенсивное перемешивание нижних влажных слоев воздуха с верхними, более сухими. Это приводит к снижению парциального давления водяного пара в приземном слое воздуха в послеполуденные часы. Затем оно по мере усиления турбулентного обмена снова возрастает.
Дефицит насыщения воздуха водяным паром (разность между насыщающим и фактическим парциальным давлением водяного пара) зимой составляет 0,4-0,5 гПа, в летние месяцы 9-10 гПа. Относительная влажность воздуха (f) представляет собой соотношение действительного влагосодержания к максимальному влагосодержанию при данной температуре, выраженной в процентах. Влажность воздуха анализируется по годовому ходу упругости водяного пара (гПа) и относительной (%) влажности, как это показано для г. Воронежа на рисунке 2.3.
Климатическая классификация городских ландшафтов и выделение климатопов
Для систематизации информации и знаний о микроклиматических различиях отдельных морфологических единиц города автором выполнена климатическая классификация городских ландшафтов. В основу выделения климатопов положена классификация городских ландшафтов Ф.Н. Милькова [9,93], разделяющая город в зависимости от этажности и «каменистости» и с учетом сохранности биоты на 4 основных типа городского ландшафта: садово-парковый, малоэтажный, многоэтажный и заводской. В связи с изменением границ города и активной современной застройкой повышенной этажности автором предложено расширить классификацию ландшафтов с точки зрения микроклиматических различий между ними. Основной характеристикой определения климатопа является категория землепользования, определяющая тип подстилающей поверхности; параметр «каменистости» был учтен с помощью показателя закрытости горизонта, характеризующим соотношение средней высоты зданий и сооружений к расстоянию между ними, а биотическая составляющая городских ландшафтов оценивалась с помощью критерия, характеризующего долю растительного покрова. Оба показателя были рассчитаны ранее в разделе, посвященному оценке интенсивности городского «острова тепла».
Выделение характерных климатопов на территории города Воронежа проводилось с помощью инструментов пространственного анализа в среде ArcGIS. Сформированная для этих целей геоинформационная база данных содержит информацию о типе подстилающей поверхности и застройке с указанием этажности. Выделены следующие типы подстилающей поверхности: жилая застройка; промышленные территории; территории коммунально-складского назначения (гаражи, парковки, территории крупных торговых центров и рынков, площади); улично-дорожная сеть с твердым асфальтовым покрытием; территории с сельскохозяйственной растительностью (дачные участки, сады, опытные поля); водохранилище и другие водные объекты; лесопарковая зона (городские зеленые насаждения, парки и участки леса); естественное покрытие с травянистой и редкой кустарниковой растительностью (луга, пастбища, обширные участки газонной растительности, другие свободные от застройки и древесных зеленых насаждений территории).
Для построения карты климатопов исследуемая территория была разбита на сетку, размер ячейки которой составляет 100 на 100 м. В каждой ячейке был произведен пространственный анализ средствами ГИС, оцениваемые параметры представлены в таблице 3.6.
На первом этапе анализа климатоп определяется по максимальному значению занимаемой в ячейке площади, относящейся к определенному типу подстилающей поверхности, соответствующему строкам №1-14 в таблице 3.6. Таким образом, были определены 8 классов климатопов по типу подстилающей поверхности: жилой, промышленный, коммунально-складской, дорожно-транспортный, сельскохозяйственный, луговой, лесопарковый и аквальный. Дальнейший анализ заключался в делении жилого климатопа на классы по показателю закрытости горизонта – строки №15-19 и доле растительного покрова – строки 20-21 в таблице 3.6.
Классификация по параметрам закрытости горизонта и доли растительного покрова позволила выделить дополнительно три подкласса жилого климатопа (рис. 3.23): жилой климатоп повышенной этажности, среднеэтажный и малоэтажный. Статистика распределения значений закрытости горизонта и доли растительного покрова по классам климатопов представлена в таблице 3.7. Классифицируемые показатели на территории городской застройки, окруженной улицами Софьи Перовской, Петровской наб., 20 лет Октября, ул. Коммунаров, Кольцовской и Революции 1905 года, имеют широкий разброс значений. Застройка на даннной территории представлена в основном плотно застроенными жилыми и административно-деловыми районами. Характеризуется высокой способностью аккумулирования тепла и собственным длинноволновым излучением поверхностей, а наиболее нагретыми участками являются крыши зданий.
К жилому климатопу повышенной этажности отнесены территории с высокими значениями показателя закрытости горизонта и низкой долей растительного покрова, а именно: жилые микрорайоны с многоэтажной застройкой и современным типом благоустройства дворовой территории, характеризующимся высокой долей искусственных покрытий, растительность представлена в виде отдельных участков газонов. Скорость ветра меняется в широких пределах от полного застоя воздуха до очень высоких значений, что связано с обтеканием воздушным потоком зданий. Климатоп жилой застройки повышенной этажности занимает менее 2% площади города.
Жилой климатоп средней этажности относится к опорной застройке 5-9 этажей, занимает около 4% площади города Воронежа, характеризуется средними значениями показателя закрытости горизонта, имеет высокую долю растительного покрова, искусственные поверхности представлены дворовыми проездами и улицами микрорайонного значения. Суточный ход метеоэлементов сглаженный. Ввиду высоких значений шероховатости как за счет самих зданий и сооружений, так и за счет высокой доли древесных пород в озеленении дворового пространства, могут образовываться застои воздуха, что в районах с высоким уровнем загрязнения способствует накоплению загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Однако более низкие скорости ветра оптимальны с точки зрения обеспечения достаточного уровня теплового комфорта в зимнее время, поскольку исключается охлаждающее действие ветра.
Жилой климатоп малой этажности в большей степени относится к частной и коттеджной застройке города. Данный климатоп довольно широко представлен в черте города и занимает более 10% площади города. Микроклиматический режим этого типа застройки характеризуется довольно выраженными суточным ходом температурно-влажностных характеристик: хорошо прогревается в утренние и дневные часы, а вечером температура воздуха за счет высокой доли озеленения может быть ниже, чем в соседних районах средней и повышенной этажности. Низкий уровень шероховатости поверхности способствует достаточному уровню аэрации с равномерными скоростями ветра. С некоторыми ограничениями послевоенная застройка по ул. Ленинградская, Героев Стратосферы, ул. Менделеева и Саврасова, пр-т Труда, Солнечная, Машиностроителей, частично 9 Января также может быть отнесена к жилому малоэтажному климатопу. Доля растительного покрова имеет широкий разброс значений и может иметь как максимальные, так и минимальные значения, так как в частной застройке растительность представлена в основном плодово-ягодными породами деревьев и участками приусадебного хозяйства, газонными травами, а в старой послевоенной застройке, где зеленые насаждения представлены в основном взрослыми деревьями, показатель доли растительного покрова достигает максимальных значений, затрудняя при этом аэрацию.
Территории производственных объектов относятся к промышленному кли-матопу. Данный микроклиматический тип застройки характеризуется высоким разнообразием строительных конструкций и материалов. Очень высокая плотность застройки и преобладание искусственных поверхностей приводит более выраженному тепловому загрязнению прилегающих территорий. Сами здания являются источниками длинноволнового излучения, аэрация затруднена из-за высокого уровня шероховатости. Условия рассеивания загрязняющих веществ в атмосфере зависят в большей степени от высоты источника выбросов на предприятии. Площадь, занимаемая промышленным климатопом, достигает около 8% всей территории города.
Коммунально-складской климатоп, представленный территориями гаражных кооперативов, автостоянок, складов, крупных торговых центров и прилегающих к ним обширных парковочных площадей, занимает более 6% площади города. Высокая доля искусственных покрытий способствует более интенсивному нагреву поверхностей, а более низкие значения шероховатости подстилающей поверхности, по сравнению с жилой застройкой, обеспечивают достаточный уровень аэрации.
Дороги с твердым покрытием, городские улицы, участки шоссе и трасс в черте города, городские площади относятся к дорожно-транспортному клима-топу, который занимает около 2% всей территории города. Отсутствие затрат на испарение влаги вследствие зарегулированности стока приводит к резкому снижению относительной влажности воздуха, а низкое альбедо асфальтированной поверхности вместе с разогретыми выхлопами автомобилей способствуют формированию выраженного приземного «острова тепла», имеющего вытянутую форму. В июле в полдень при средней температуре воздуха 19,5 температура поверхности асфальта достигает 54,5. В то время как автотранспорт является основным источником загрязнения атмосферного воздуха в городе Воронеже, широкие участки дорожно-транспортной сети города, ориентированные основному направлению ветра и благодаря низкой шероховатости поверхности, одновременно выполняют функцию вентиляционных коридоров.
Моделирование микроклимата и оценка уровня теплового комфорта участка жилой застройки
Использование приемов микроклиматического моделирования при проектировании и реконструкции жилых кварталов дает возможность оценить эффективность предлагаемых климатомелиоративных решений: например, более рациональное размещение площадок для отдыха и зеленых насаждений, ориентация и этажность здания, объемно-планировочное решение группы зданий для создания эффективных условий аэрации и защиты от ветра, с одной стороны, и ветрозащиты, с другой стороны. Моделирование микроклиматических условий проводилось с использованием программного пакета ENVI-met v.4.2.
Программный комплекс ENVI-met использует уникальный целостный подход, при котором все различные аспекты микроклимата связываются и моделируются вместе в одной комплексной CFD (computational fluid dynamics) – модели, обеспечивающей всесторонний анализ. Физическая составляющая ENVI-met основана на решении системы уравнений трехмерного движения вязкой среды (На-вье-Стокса), замкнутого уравнением неразрывности, описывается в материалах разработчиков программы [147], расчет ведется в жесткой регулярной сетке. В отличие от основных аэродинамических моделей, рассчитывающих аэродинамические характеристики в вакууме без учета радиации и возникающих конвективных потоков, ENVI-met учитывает температуру поверхностей в зависимости от основных теплофизических характеристик материалов, затраты тепла на испарение, радиационные характеристики, влажность. Для получения надежных результатов моделирования теплового комфорта человека в условиях городской среды необходимо стремиться к более точному представлению условий подстилающей поверхности и метеорологических переменных. Максимальный размер моделируемого поля составляет (100 х 100) ячеек в горизонтальной плоскости и 30 клеток в вертикальном направлении. В данном исследовании здания, растительность и поверхности исследуемой области представлены в трехмерной модели с разрешением 4 м.
В качестве исследуемого участка была выбрана территория типичного современного 17-25-ти этажного жилого комплекса, расположенного в Железнодорожном районе города Воронежа по адресу ул. Переверткина, 1п (см. ситуационный план на рис. 4.8) и относящийся к жилому климатопу повышенной этажности и зоне крайне дискомфортных эколого-микроклиматических условий.
Всего было выполнено 8 моделирований микроклиматических условий существующей ситуации и с учетом предлагаемых климатомелиоративных мероприятий для теплого и холодного времени года. За основу были взяты среднестатистические (за период 2006-2016 гг.) фоновые погодно-климатические параметры воздуха, характерные для зимнего и летнего периода года (табл. 4.3). Расчеты выполнялись в дни зимнего и летнего солнцестояния. Во всех моделируемых вариантах территория строительства, принцип организации жилой застройки, типы зданий и количество секций оставались общими и постоянными с той целью, чтобы наглядно показать, к каким изменениям приводят только специфические (направленные) мероприятия комплексного благоустройства территории застройки.
Оценка холодового дискомфорта в зимний период проводилось по следующим показателям: минимальная, максимальная и средняя скорости ветра на высоте 2 м и v – среднеквадратическое отклонение скорости ветра от среднего значения в узлах расчетного прямоугольника. Этот параметр характеризует контрастность поля ветра и величину его горизонтальных градиентов. Чем выше значение этого параметра, тем более неравномерным и, следовательно, менее комфортным является ветровая ситуация на территории застройки. Оценка уровня теплового комфорта в теплый период проводится в программном пакете BioMet 1.0, интегрированном с ENVI-met с помощью индекса PMV для уровня метаболического выделения пешехода, одетого по-летнему (брюки и рубашка или легкое летнее платье). Визуализацию результатов моделирования также обеспечивает дополнительно встроенное программное обеспечение Leonardo 4.3.0 (64Bit). Трехмерное изображение моделируемого участка в ENVI-met представлено на рис. 4.9.
Для достижения ветрового комфорта на участке существующей застройки применение объемно-планировочных решений невозможно, если это не капитальная реконструкция микрорайона. Поэтому в качестве климатомелиоратив-ных мероприятий на исследуемом участке рекомендовано применение различных вариантов благоустройства. Перспектива участка с учетом предлагаемых рекомендаций по обеспечению комфортного микроклимата представлена на рисунке 4.10.
Выгодное сочетание искусственного рельефа (поз. 1), элементов малых архитектурных форм, например, пергол и беседок с озеленением (поз. 2), направлено на комплексное решение проблемы ветрового охлаждения в холодное время года и перегрева в летнюю жару. С целью снижения неблагоприятного действия ветра на данном участке застройки можно рекомендовать высадку полосы вечнозеленых насаждений со стороны ветров западного, северо-западного, северного и северо-восточного румбов (поз. 3). При высадке древесных пород необходимо придерживаться требований СанПин 2.2.1/2.1.1.1076-01 «Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий» по максимальному сохранению условий инсоляций на придомовой территории и жилых помещений первых этажей в холодное время года, поэтому с восточной, юго-восточной, южной и юго-западной стороны площадки рекомендуется высаживать листопадные породы деревьев, которые в летнее время дополнительно защищают от действия прямых солнечных лучей и перегрева, а зимой не препятствуют инсоляции жилых помещений (поз. 4).
Ниже представлены результаты моделирования микроклимата участка застройки в существующих условиях и с учетом благоустройства, направленного на обеспечение допустимого уровня теплового комфорта, дано сравнение статистических параметров полей ветра в зимний период и уровня теплового комфорта в условиях перегрева.
Сравнение результатов расчета скорости по варианту Х.1 (западный ветер 4 м/с) показывает, что в условиях существующего варианта благоустройства территории исследуемого жилого комплекса создается крайне неблагоприятный ветровой режим (рис. 4.11), характеризующийся порывистостью и высокими скоростями ветра на углах зданий, в местах движения пешеходов (до 6 м/с), а также на площадках отдыха и игр детей и взрослых (свыше 2,5 м/с). Расчет скорости ветра и ее изменчивости с учетом ветрозащитных мероприятий показывает незначительную положительную динамику (рис. 4.12), однако высадка вечнозеленых насаждений по западной границе участка и устройство мелких форм рельефа позволяет добиться комфортных скоростей ветра и уменьшения контрастности ветра на территории трех детских площадок, расположенных в жилом комплексе.