Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Градостроительная оценка природно климатических характеристик и особенности формирования жилой застройки городов Йемена 9
1.1 Градостроительная оценка природно-климатических особенностей Йемена 9
1.2 Градостроительные особенности территорий жилой застройкой Саны 18
1.3 Традиционные методы регулирования тепло-ветрового режима жилой застройки в условиях жаркого сухого климата 26
1.4 Градостроительная и социально-экономическая оценка населения Йемена 30
Выводы по главе 1 37
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование формирования тепло-ветрового режима жилой застройки 38
2.1 Теоретические основы формирования тепло-ветрового режима жилой застройки 38
2.2 Влияние тепло-ветрового режима на организма человека в условиях жаркого сухого климата горной местности 48
2.3 Формирование тепло-ветрового режима в условиях горной котловины проектировании Саны 60
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. Разработка методики натурных наблюдений 71
3.1 Выбор объектов исследования 71
3.2 Методика натурных наблюдений 77
3.3 Обработка результатов исследования 83
Выводы по главе 3
ГЛАВА 4. Разработка методики совершенствования градостроительного проектирования жилой застройки йемена 87
4.1 Природно-климатическое районирование территории Йемена 87
4.2 Градостроительно-микроклиматическое районирование территории Сана 96
4.3 Определение социально-экономической эффективности предлагаемой методики 106
4.4 Апробация разработанной методики регулирования тепло ветрового режима жилой застройки Саны 108
Выводы по главе 4 119
Основные выводы 120
Список литературы 122
- Традиционные методы регулирования тепло-ветрового режима жилой застройки в условиях жаркого сухого климата
- Влияние тепло-ветрового режима на организма человека в условиях жаркого сухого климата горной местности
- Методика натурных наблюдений
- Определение социально-экономической эффективности предлагаемой методики
Традиционные методы регулирования тепло-ветрового режима жилой застройки в условиях жаркого сухого климата
Климат Йемена - тропический, на большей части страны сухой, осадки выпадают преимущественно в весенне-летний период. Растительности лишена большая часть поверхности гор, местами встречается разряженный покров, состоящий из кактусов и колючих кустарников. На плато раскинулись сухие степи, в долинах - листопадные и вечнозеленые древесно- кустарниковые заросли. Реки пересыхают большую часть года. Температурный режим - Йемен относится к районам с жарко-сухими климатическими условиями. Теплый период на территории республики длится около 9 месяцев. По известному методу строительно климатического районирования В.К. Лицкевича [54] продолжительность теплых дней достигает 60-120, жарких-сухих 50-80, перегретых (жарких) до 100 дней.
В разных зонах Йемена температура воздуха неодинакова. Пределы среднегодовых температур достигают от 20С (в северных районах -Саада до 16С, в северо-восточных -Хага). Наиболее низкая среднемесячная июльская температура - в Сане +26С, наиболее высокая в Адене +32.
Для городов характерно резкое колебание суточных и годовых температур. Даже в апреле и октябре может наблюдаться высокая температура: в Адене, Аль-Мукаалле +32С, Ходейде +35С. Самые высокие температуры характерны для середины лета. В городах (Сана, Ибб) +35С и в пустынях (Мареб, Саун) +45 +50С.[58]. Такие высокие температуры воздуха создают неблагоприятный микроклимат на территориях и в помещениях, а также способствуют возникновению температурных напряжений в строительных конструкциях, которые приводят к их деформации, нарушениям герметичности. Суточные перепады температуры поверхности конструкций нередко составляют 50-80 С, и это отражается на эксплуатационном состоянии помещений и условиях проживания людей. Температурные характеристики Йемена приводятся на (рисунок 1.5 а-б) [58,60].
Осадки и влажность воздуха. Существенно влияет на температурно-влажностный режим также и количество выпадающих осадков, их интенсивность.
Минимальное количество осадков выпадает с мая по октябрь в течение юго-западных муссонов. Среднегодовое количество осадков в городе Аден, расположенном на южном побережье - около 50 мм в год, а в городе Ходейда, расположенном на западном побережье - около 19 мм в год (рисунок 1.6 а-б) [60].
Йемен характеризуется разнообразными влажностью и воздухом. К примеру, в западной части у берегов Красного моря влажность воздуха достигает самых высоких показателей -80%, а по мере удаления от моря, она снижается до 50%. В пустынной, а также частично пустынной зонах влажность воздуха очень низкая -25%. По мере увеличения количества атмосферных осадков, в восточной и юго-восточной части республики, относительная влажность снова повышается до 50%. Сухой воздух влияет на условия проживания людей. В таких условиях организм человека теряет очень много влаги, и это вызывает жажду и утомляемость, иногда и солнечной удар.
Ветровой режим и запыленность. Для Йемена с его климатическими условиями характерна неоднородность воздушных циркуляции. Континентальный тропический воздух преобладает в теплое полугодие, в холодное время преобладают воздушные массы умеренных широт. В регионе морского побережья преобладают сезонные зимние и летние ветры. В зимний период в районе города Аден чаще дуют ветры с востока из пустыни Руб-Эль-Хали со скоростью до 12,9 м/с, в летний период - юго-западные муссоны с восточно-африканского континента со скоростью до 11,5 м/с. Эти ветры приносят пыль и песок. В районе города Ходейда в зимнее полугодие преобладают южные ветры со скоростью до 10,5 м/с, в летнее полугодие - северные ветры со скоростью до 9,8 м/с. На следующем рисунке приведены преобладающие ветры- в летний период юго-восточного направления, а в зимний период северо-западного (рисунок 1.7).
Солнечная радиация и инсоляция. Солнечная радиация (прямая и рассеянная) является одним из основных климатообразующих факторов в создании городского климата (рисунок 1.8).
Ультрафиолетовая часть солнечного спектра (УФ) является более эффективной и ценной. Оценка этого фактора правильно нормирует и обеспечивает архитектурно-градостроительными средствами инсоляцию зданий, застроенных участков, а также позволяет разработать мероприятия для рационального использования ресурсов светового климата с целью регулирования микроклимата на территориях жилой застройки, прочих территориях, гелиотерапии и других целей [90].
Закономерности взаимосвязи солнца - земля, геометрические временные и энергетические характеристики, их широтные, годовые и суточные изменения подробно изложены в работах [86,68] и отражены в виде таблиц и графиков, литературных источниках и справочниках [76,77,78].
Влияние тепло-ветрового режима на организма человека в условиях жаркого сухого климата горной местности
Из этого следует, что с ростом остаточной радиации увеличивается рост теплообмена, и, следовательно, развито тепло ветровых возмущений, что очень важно в безветренных условиях сухого жаркого климата городов Аравийского полуострова.
Уравнение (2.15) показывает, что радиационный баланс водной поверхности увеличивается. Это происходит, с одной стороны, путем увеличения количества поглощенной коротковолновой радиации из-за уменьшения альбедо, которое меньше значений альбедо деятельной поверхности жилой застройки. С другой стороны, снижение температуры подстилающей поверхности и повышение влажности нижнего слоя воздуха вблизи водной поверхности обеспечивает уменьшение эффективного излучения ( Х что увеличивает радиационный баланс.
Существенное изменение радиационного баланса территории происходит при наличии на территории города озеленения или канала. Соответственно при наличии водного бассейна затраты тепла на испарение значительно увеличиваются, что приводит к существенному снижению температуры воздуха.
Отсюда следует, что изменение микроклимата окружающей среды происходит при и изменении теплового баланса городской территории.
Влияние тепло-ветрового режима на организма человека в условиях жаркого сухого климата горной местности
Каждый фактор окружающей среды в условиях Йемена определенным образом воздействует на организм, вызывая при этом соответствующие ответные реакции. Для того, чтобы оценить тепло физиологическое состояние человека, данные о микроклимате города не является достаточными. Поэтому необходимо разработать критерии, которые однозначно отражали бы физиологические реакции организма на жаркий климат, выражались бы определенной количественной мерой и легко поддавались бы учету. В целом общее состояние и самочувствие человека определяется влиянием всего комплекса воздействий, однако, в количественном отношении воздействие каждого фактора
-49 неравнозначно, а эффекты их физиологического проявления по существу несопоставимы. Это обстоятельство практически исключает возможность найти какой-либо единый комплексный показатель, определяющий общее воздействие на организм факторов окружающей среды на основе учета влияния каждого в отдельности. Поэтому отдельные эффекты обычно оценивают, устанавливая определенные критерии там, где это возможно, которые характеризуют уровни их физиологической значимости (например, для шума, освещенности, тепла, степени загрязнения воздуха) [91].
Оценивая то, как окружающая среда влияет на человека, основное внимание уделяется тепловому состоянию, определяющего собой систему физиологических процессов, которые ответственны за то, чтобы поддерживать тепловое равновесие в организме на уровне, близком к оптимальному. Учитывая это, можно знать влияние различных градостроительных факторов (структуры застройки, элементов благоустройства городской территории и др.) на тепловой режим человека с тем, чтобы выбрать наиболее благоприятный для данных природно-климатических условий градостроительный вариант. При планировке и застройке новых районов или реконструкции существующих необходимо знать возможные изменения в них тепло-ветрового, а, следовательно, и теплового режима человека, т.е. необходима биоклиматическая оценка [43].
Фирсанов (1982) отмечает: "Биоклиматическая оценка - это стартовая площадка, с которой следует начинать любое архитектурное проектирование, если хотят добиться композиционного и объемно-планировочного решения, отвечающего окружающей природно-климатической обстановке".
Жаркий (аридный) климат создает тяжелые условия для теплового обмена организма человека с окружающей средой. Теплоощущение человека тесно связано с теплообменом его тела. Математическим описанием процессов теплообмена является уравнение теплового баланса тела человека, которое может быть записано в следующем виде [1, 23]: Q±QK±Qn-Qvi-Qp-Q p±bQ = o (2-34) -50 где Q - теплопродукция организма (общее количество тепловой энергии, вырабатываемой организмом); QK QR QH -составляющие баланса теплообмена организма человека соответственно за счет конвекции, излучения и затрат тепла на испарение влаги; QP - расход тепловой энергии на механическую работу; Qq - тепло, затрачиваемое на физиологические процессы (нагрев вдыхаемого воздуха, естественный обмен вещества и пр.); AQ - избыток или недостаток тепла в организме; Общая расходуемая организмом человека энергия Q в основном зависит от степени тяжести выполняемой работы (для спокойно стоящего человека Q = 100 Вт). Расход тепла QP обычно составляет от 5 до 35% от общих затрат тепловой энергии организма.
Если теплопродукция организма и потери тепла не сбалансированы, то в организме может наблюдаться накопление тепла AQ, связанное с повышением температуры или тепловым ударом. Основными составляющими в уравнении теплообмена (2.34) являются [57]: а) конвекция; б) излучение (радиация); в) теплопроводимость (кондукция); г) испарение. Первые три составляющие теплообмена характеризуют явный теплообмен, а испарение - скрытый. Самостоятельный интерес для градостроительства представляет расчет элементов явного и скрытого теплообмена.
М.А.Михеев и И.М.Михеева [57] отмечали, что обмен теплоты путем теплопроводности и конвекции происходит одновременно, поэтому в уравнении (2.34) показатели, характеризующие эти процессы отдельно не будут выделяться.
Методика натурных наблюдений
Количество измерений и выбор объектов производились с целью наиболее полной характеристики микроклиматического режима, образующегося в городской среде.
Наблюдения проводились в наиболее жаркие месяцы (июль-август) 2012 и 2013 гг. по 8 дней, за период наблюдений было зафиксировано 2880 измерений каждого из микроклиматических параметров.
Была организована сеть стационарных пунктов наблюдений. Эти наблюдения необходимы для изучения динамики микроклиматических параметров во времени, для получения статистически обоснованных данных; измерения осуществлялись строго синхронно каждые 3 часа в период с 6 утра до 21 часа (в отдельных случаях до 24 часов) во всех выбранных точках - строго одновременно.
Актинометрические наблюдения проводились через каждые три часа с 6-30 утра до 18-30 час, вечера. Измерялась интенсивность суммарной и отраженной солнечной радиации на инсолируемом участке (отраженная радиация определялась походным альбедометром).
На территории города применялся маршрутный метод наблюдений, с целью получения более полной картины пространственного распределения метеорологических показателей. Проводился объезд пунктов наблюдений на двух специально оборудованных автомобилях.
Влияние местных условии на микроклимат изучалось с использованием следующих методов количественной оценки факторов климата, разработанных Г.К. Климовой [47]:
Расчетный метод, позволяющий получить расчетные характеристики такого фактора тепло-ветрового, как солнечная радиация в зависимости от рельефа местности (в частности, ориентации и крутизны склонов), участков [45];
Метод сопоставлении, давший возможность выявить отличительные, наиболее характерные черты тепло-ветрового режимапо данным метеорологических станций (Аэропорт) и наблюдаемых непосредственно на местности;
Экспериментальный метод, предусматривающий проведение обширной программы натурных наблюдений и получение надежных результатов и определение тепло-ветрового режимаотдельных районов.
Изменение скорости ветра определялось как разница между скоростью ветра в наблюдаемом пункте и скоростью ветра на опорном пункте (метеостанция "Сана"). Сравнение климатических наблюдений на метеостанциях с климатическими наблюдениями в городских условиях имеет важное значение. На метеоплощадке наблюдения за температурой и влажностью воздуха ведутся по срочным термометрам на высоте 2 м. Наши наблюдения велись по психрометрам на высоте 1,5 м. Как показали одномоментные наблюдения, разница между показаниями этих приборов не превышает 0,3С - 0,1 С, что является несущественным, допускается и возможно для использования натурного наблюдения.
Сложной является "привязка" скорости ветра на уровне 1,5 м к наблюдениям метеостанции, где характеристика ветра дается на уровне 10 м отметки. Поэтому была применена формула, выражающаяся логарифмическим законом изменения скорости ветра в зависимости от высоты [48]:
Проводилась регистрация всего комплекса микроклиматических компонентов: температуры и влажности воздуха, скорости ветра, температуры поверхности деятельного слоя и интенсивности солнечной радиации [48].
Если предполагать, что прилегающие к застройке территорий микроклиматические характеристики будут различными, то при одномоментной или временной съемке они должны выражаться кривыми линиями. Следовательно, для графического построения кривых количество точек при замерах должно быть достаточным. Согласно исследованиям, Д. Норри и Ж. Фриз [64] для построения кривых желательно, чтобы количество точек замеров было не менее пяти.
Исходя из выше сказанного, приборы устанавливали и проводили наблюдения через определенное расстояние. Таким образом, одновременно были зафиксированы 10 наблюдений на разных уровнях, еще одна точка - контрольная -находилась в 300 метрах от наблюдаемых застроек. В связи с ограниченностью числа приборов, с учетом стабильности сияния и яркости солнца вместо синхронных замеров здесь тоже был применен метод разъездов по всем точкам в течение 20-25 мин. На первой и последней точке производились последовательно три отсчета показателей в целях большей надежности измерения [48].
С помощью шелковых ниток и вымпелов, в некоторых местах с помощью дымовых шашек в городе и застройке определялось направление ветраВсего в каждой точке наблюдений было сделано в среднем 38-44 повторности, что при статистической обработке позволяет считать полученные данные достоверными [48].
Определение социально-экономической эффективности предлагаемой методики
Относительная влажность. Относительная влажность воздуха в г. Сана достигает 10-15%, а в отдельных случаях до 25-33%, по сравнению с относительной влажностью в опорных пунктах [65]. Большую разницу в относительной влажности воздуха вызывает контраст температур на территории города.
Так как в г. Сана почти нет летом осадков, то в значительной мере влияет на влажность воздуха искусственное обводнение и увлажнение, озеленение территории и особенности городского рельефа.
По степени влажности большие, хорошо озелененные городские территории резко отличаются от влажности открытых площадок. Например, относительная влажность в парке составляет 50%, а на Главной площади - 18%). Наиболее резкое снижение относительной влажности происходит с 6 до 12 час. дня. Суточный минимум влажности воздуха приходится с 12 до 15 часов, а повышение - с 17 до 21 час.
В жаркое время года сухой воздух в основном служит вполне положительным фактором, т.к. облегчает физиологическую реакцию у людей, находящихся в состоянии перегрева. Однако частые, в среднем около 90% дней в году, падения дневной относительной влажности до нижнего предела - 30% приводят, как правило, к хроническим заболеваниям слизистых оболочек носа, рта, гортани [33]. В связи с этим необходимо предусматривать мероприятия по увлажнению воздуха (повышению его относительной влажности), которые будут давать эффективный результат на территориях застройки.
Таким образом, микроклимат территорий жилой застройки и микроклимат открытых пространств города (а также пригорода) отличаются друг от друга и зависят от характера озеленения и обводнения и того, по какому приему расположены здания. В жилой застройке происходит отражение стенами зданий, и деятельной поверхностью усиливается интенсивность суммарной солнечной радиации. Это приводит к повышению температуры воздуха, снижению
- 104 относительной влажности, изменяется скорость ветра и формируются штилевые условия.
Инсоляционный режим. В ходе исследований выявлено, что этот режим характеризуется температурно-радиационным режимом внешней среды. Замкнутые дворы, которые имеют асфальтовое покрытие (микрорайоны Сауан, Аль-асбахи), как показали результаты наблюдений, на протяжении 12-15 часовой инсоляции и за счет того, что резко снизилась скорость ветра (вследствие уменьшения турбулентного теплообмена), характеризуются тяжелыми температурно-радиационными условиями, которые по сравнению с общеклиматическим фоном ухудшены.
Анализ показывает, что на горизонтальную поверхность застройки поступает наименьшее количество солнечной радиации, если здание имеет меридиональную ориентацию. При такой же ориентации, на вертикальную поверхность зданий поступает солнечной радиации больше, чем при широтной ориентации здании. При широтной ориентации зданий в рассматриваемом г. Сана выявлен менее благоприятный радиационный режим, чем у застройки меридиональной ориентации.
Количество поступающей солнечной радиации соответственно изменяет температуры прилегающих слоев воздуха.
Так, на затененном участке поступающая радиация равна 800 Вт/м2, а инсолируемом - 810 Вт/м2, температура воздуха на уровне 1,5м от поверхности на затененном участка не превышает 33С, а на инсолируемом участке достигала 40,6С.
Такой неблагоприятный температурно-радиационный режим наблюдается во всех случаях вблизи фасадов западной ориентации вследствие теплового воздействия радиации, отраженной стенами домов. Вблизи инсолируемых фасадов западной ориентации интенсивность этих радиационных потоков может достигать 250-300 Вт/м2.
Оценка тепло-ветрового режима городских территорий, изучение особенностей распределения метеорологических факторов в г. Сане позволяют выделить 5 зон с различными температурно-влажностными и аэрационными условиями и предложить рекомендации по регулированию их тепло-ветрового.
Первая зона охватывает плотно застроенные территории старого города, расположенные на высоте 2200 м. Наиболее неблагоприятный микроклимат, здесь наблюдается в летнее время. Зона отличается тяжелым микроклиматическим режимом, высокими температурами, высокой солнечной радиацией и большой сухостью воздуха.
Вторая и третья зоны представляют собой центральную и южную части города. С точки зрения тепло-ветрового, физиологической и сточки зрения гигиены здесь распространены наиболее благоприятные температурно-влажностные и аэрационные условия. В жаркое время года преобладает умеренная температура воздуха, нормальная относительная влажность и равномерный ветровой режим на хорошо озелененных территориях.
В связи с тем, что на юго-восточных территориях (предгорье) преобладают благоприятные природные условия, которые оказывают положительно влияние на микроклимат города в целом, то в этих районах необходимо сохранять малоэтажную застройку. Многоэтажная застройка здесь может быть возможна лишь в виде отдельно стоящих зданий башенного типа или многосекционных протяженных домов, которые будут располагаться параллельно направлению прохладного ветра с гор.
Четвертая зона расположена в центральной части города. Здесь наблюдаются сравнительно благоприятные температурно-влажностные условия. Пятая зона - пригородная, имеет специфические микроклиматические условия. По всей территории здесь необходима эффективная солнцезащита. И на участках жилой застройки, и на территориях промышленных зон.
Воздействие окружающей среды на человека оценить с экономической точки зрения очень сложно. Благоприятные условия для человека создают снижение температуры окружающей среды, повышение влажности воздуха, обеспечение проветривания территорий. Они влияют на его самочувствие и психофизическое состояние, восстанавливают его силы и повышают уровень трудовой активности и производительности труда [99,100]. Их можно делить на следующее:
На основе гигиенических исследований (таблица 4.5) установлено, что если отдых проходил при повышенных показателях температуры воздуха и безветрии, то трудовая активность снижалась до 30% [97]. Кроме этого известно, что уровень снижения радиационного фона на 50 % обеспечивает биоклиматический эффект в зависимости от скорости ветра при температуре воздуха до 30-33С. па 80 % - до 33-39С [97]. В условиях Сана в жилой застройке на основе уравнений натурных наблюдений определены тепловые состояния окружающей среды [89]. Таким образом, рассматриваемые здесь показатели и Кц изменяются по времени. В таблице приведены значения, которые показывают, что уровень благоустройства в утренние часы оказывает несущественное влияние на тепловое состояние человека.