Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. История формирования понятий морфологические показатели, микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств 11
1.1. Понятие «морфологический оперативный показатель» 11
1.2 . Факторы формирования микроклимата 21
1.3.Архитектурная морфология городской среды и тепловой комфорт открытых общественных пространств 32
1.4. Понятие адаптации пешеходов к условиям теплового комфорта открытых общественных пространств 49
Выводы по главе 1 51
ГЛАВА 2. Методология оценки отношений архитектурной морфологии, микроклимата и теплового комфорта открытыхобщественных пространств 55
2.1. Определение и методы оценки морфологических показателей 55
2.2. Типоморфологический анализ особенностей городов засушливого климата Алжира на основе биоклиматических условий 65
2.3 Анализ результатов микроклиматических измерений и оценки отношений между морфологическими показателями и тепловой средой в городских районах 87
2.4. Внешний тепловой комфорт и физическая адаптация в городских районах 100
Выводы по главе 2 112
ГЛАВА 3. Способы влияния морфологических показателей на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественныхпространств 117
3.1. Способы влияния архитектурно-планировочного решения на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств 117
3.2. Способы влияния геометрии и ориентации улиц на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств 123
3.3. Способы влияния степени открытости небосвода на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств 130
3.4. Способы влияния отражающей способности материалов (альбедо) на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств 139
3.5. Способы влияния воды и растительности на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств 145
Выводы по главе 3 154
Заключение 158
Литература
- Факторы формирования микроклимата
- Понятие адаптации пешеходов к условиям теплового комфорта открытых общественных пространств
- Анализ результатов микроклиматических измерений и оценки отношений между морфологическими показателями и тепловой средой в городских районах
- Способы влияния степени открытости небосвода на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств
Введение к работе
Актуальность темы исследования .Будущее городов зависит от наших действий на сегодняшний день, в соответствии с этой целью пришло время думать об архитектурно-городской концепции будущего, которая гарантирует создание комфортных внешних и внутренних общественных пространств.
С ростом урбанизации, появлением высокотехнологичной архитектуры помимо очевидных достижений цивилизации, наблюдаются и негативные явления: глобально нарушено экологическое равновесие, на земле происходят климатические изменения. В масштабе городов повышается температура окружающей среды, возникают «острова тепла». Контроль и усовершенствование окружающей среды в открытых общественных пространствах городов в соотношении с комфортом для пользователей требует хорошего знания о влиянии городской застройки на микроклимат.
Контекст застройки предполагает богатую и разнообразную окружающую среду, которая оказывает влияние, с одной стороны на то, каким образом используются открытые общественные пространства (движение, последовательность деятельности), и с другой стороны, на восприятие – тепловое, акустическое, визуальное, обонятельное и т.д. В городской среде микроклиматические параметры, такие как температура, движение воздуха и интенсивность солнечной радиации, меняются в зависимости от времени и пространства. Эти изменения под влиянием морфологии архитектурных объектов могут быть более или менее подходящими для теплового, ветрового и визуального комфорта пешеходов. Открытые общественные пространства, исследуемые в этой диссертации, это улицы, площади, дворы, сады и парки. Качество устройства этих мест в большой степени определяет качество жизни в городах. Их микроклиматические параметры важны для деятельности людей, которая происходит в открытом общественном пространстве, поскольку влияют на характер его использования.
Традиционные типы городской застройки («ксур» и «Медины») алжирских городов сухого и жаркого климата связаны с такими характеристиками, как: плотность, компактность, традиционные строительные материалы, соотношение ширина/высота зданий, формирующих улицу, их глухие фасады, наличие растений и воды «оазисы». Всё это делает внутренние и внешние пространства популярными и доступными в любой сезон, несмотря на жаркие климатические условия. Этот эффект достигается благодаря
народной практике, которая интегрировала климатические факторы (ветер, солнечные лучи, температура воздуха) в процессе строительства этих городов.
Новые планировки доминируют в городах Сахары. Так, в Алжире существующая архитектурная морфология городской среды является результатом ошибочного городского планирования и градостроительного законодательства. Основная специфика настоящего исследования делает акцент на динамическом аспекте в анализе влияния архитектурных городских форм на микроклимат и на тепловой комфорт в открытых общественных пространствах алжирских городов. Наблюдения сфокусированы на фактических изменениях в городской среде. Поэтому важно интегрировать понятие микроклимата в каждом случае нового проектирования или реконструкции. В связи с этой необходимостью возникают вопросы:
какие показатели характеризует отношение между архитектурной морфологией городской среды, тепловым комфортом и климатом;
какие формы доминируют в пейзаже городов с сухим и жарким алжирским климатом;
как это сказывается на микроклиматических параметрах внешнего теплового комфорта;
как архитектурная морфология городской среды участвует в улучшении теплового комфорта в открытых общественных пространствах городов сухого и жаркого климата Алжира;
какие рекомендации требуется разработать, чтобы позволить архитекторам, урбанистам и ландшафтникам проектировать более комфортные открытые общественные пространства.
Теоретическая база исследования. Выбранное направление исследования является малоизученным в архитектурной науке. В то же время проблемы, связанные с влиянием архитектурной морфологии городской среды на формирование микроклимата, отражены в научных трудах и публикациях целого ряда ученых. Среди них работы Варенцова М.И., Водяник А.Р., Губернского Ю.Д., Дуничкина И.В., Егорычева О.О., Есаулова Г.В., Коваленко П.П., Коновой Л.И., Константинова П.И., Куприянова В.Н., Лицкевича В.К.,Мягкова М.С., Оке Т.Р., Орловой Л.Н., Петунина Т.Ю, Сапожникова С.А., Арнфиелд А., Мигует Ф., Бухезер Х., Ямагуши К.
Изучение отношения между архитектурной морфологией городской среды, микроклиматом и тепловым комфортом является сложным из-за большого количества переменных (параметры окружающей среды и личные
параметры человека). Это отношение было рассмотрено в работах Аит Амеур K., Гомез Ф. и Жабалойес Ж., Элиассон И., Живони Б., Нагара К., Статопулос Т., Николопулу М., Монтазери Х., Ясин T., Берт Б., Хансен Ж.
В этом контексте несколько морфологических показателей, связанных с климатическими параметрами, были разработаны с целью упростить изучение взаимосвязи между архитектурной морфологией и тепловым комфортом в открытых общественных пространствах. Для этого рассмотрены работы Адолф Л., Бозоннет Е., Димуди А., Самсонова Т.Е., Браун Ж.З., Стеемерс К., Гролеау Д., Гриммонд С., Атамена К., Таха Х., Оуамер А.Ф., Акбари Х., Буссоуалим А., Эскурру Г., Голанеи Г., Буйер Ж., Винет Ж., Адаменко В.Н., Хайруллина К.Ш..
Методы и сложность оценки теплового комфорта с адаптацией человека в открытых общественных пространствах рассмотрены в работах: Бакер Н., Макинтайр Н., Оселанд Н., Лякудис С., Потвина А., Пенуоарден А.Д., Уоисе А.Ф.Е., Тахбаз М., Медеу К.Ф., Жендритскей Г., Хамид М., Ясин Т., Блокэн Б., Хенсен Я., Пеарлмуттер Д. и А.А. Махмуд.
Типоморфологический анализ, история эволюции городской и архитектурной формы были рассмотрены в работах Канижжиа Ж., Панераи П., Леиньш К., Ле Корбюзье, Де Портзампарк К.Ю., Левей А., Кастекс Ж., Графмейер Я., Петуниной Т.Ю., Серже С.
Программное обеспечение для компьютерного моделирования микроклимата –отражено в работах Азар С., Вероника К., Карденас Л.А., Теллер Ж. (Townscope) и в работах Озкерестеси И., Круе К., Бразел А.Ж., Брусе М. (ENVI-met).
Вопросы влияния архитектурной морфологии городской среды на микроклимат и на тепловой комфорт в открытых общественных пространствах в условиях сухого жаркого климата рассмотрены в работах Ратти С., Бурбиа Ф. и Аоуби Б., Аит Тудерт Ф. и Майер Х., Мохамед О. Я., Йоханссон Е., Дженане М., Николопулу М. и Аль Жавабра.
Стандарты высокого качества окружающей среды (HQE Франция, 1996 г.) и рекомендации содержатся в следующих публикациях: Повестка дня на XXI век (Рио-де-Жанейро,1992), Architecture and Urbanspacе (Универсальная Выставка Севильи «Экспо 92»), Международный Конгресс Современной Архитектуры (CIAM), алжирский план устойчивого развития (PNAE-DD, 2002г.), RediscoveringtheUrbanRealmandOpenSpaces (RUROS, 2002), книга Trait d'architecture et d'urbanisme bioclimatiques (Алаин Лиебардь и Андре Де Херде, 2005г.). Комплексные биоклиматические показатели (индексы) и
биоклиматическая комфортность нашли отражение в стандартах: ANSI/ASHARE 55-2004 и ISO 7730.
Однако, в засушливых зонах и, в частности, в алжирских городах с жарким климатом данная тема остается малоизученной.
Цель исследования – выявить закономерности влияния архитектурной морфологии на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств в условиях засушливого климата Алжира. Для достижения данной цели ставились следующие задачи:
- выявить морфологические характеристики архитектурных объектов,
способствующие формированию комфортного и дискомфортного
микроклимата в открытых общественных пространствах;
- определить морфологические показатели (в масштабе открытого
общественного пространства и в масштабе городской застройки),
взаимодействующие с тепловым комфортом, микроклиматом и архитектурной
морфологией городской среды, показать методы их оценки;
определить доминирующие морфологические типы городской ткани городов жаркого сухого климата Алжира на примере города Лагуат;
выявить зависимость между архитектурной морфологией городской среды (морфологические показатели) и тепловой окружающей средой (индексы комфортности: локальная оперативная температура пешеходной зоны «ЛОТ» и ощущаемая температура индекса «PMV») для трех доминирующих городских тканей города Лагуат с помощью графика теплового комфорта и компьютерного моделирования (программа Townscope).
Общая гипотеза исследования базируется на предположении, что между архитектурной морфологией городской среды, микроклиматом и внешним тепловым комфортом существует определенная зависимость, и морфологические показатели играют важную роль в улучшении (или ухудшении) микроклимата и условий теплового комфорта в открытых общественных пространствах.
Объектом исследования являются открытые общественные пространства.
Предметом исследования является архитектурная морфология открытых общественных пространств в аспекте формирования теплового комфорта.
Границы исследования охватывают:
- периоды эволюции архитектурных форм от традиционной застройки
"ксар" до современной застройки "современная городская ткань";
хронологию измерения микроклиматических параметров (проведено в течение летнего периода 2010 (магистерская диссертация) и 2013 года) и анализ климатических данных города Лагуат с 2003г. до 2012г.;
географические границы – города засушливой зоны Алжира (г. Лагуат), города засушливой зоны стран Северной Африки и города засушливой зоны арабских стран;
ареал применения результатов исследования - г.Лагуат и все ближайшие города в условиях жаркого и сухого климата Алжира и других стран.
Методология настоящего исследования состоит из анализа и обобщения литературных источников, научных публикаций и журналов, интернет-ресурсов, проектных материалов, нормативных документов и стандартов, научно-исследовательских работ, опубликованных по теме диссертации, а также из экспериментального метода, основанного на:
а) типоморфологическом анализе основных элементов исторического
развития физического аспекта городов жаркого климата Алжира;
б) определении и оценке морфологических показателей для основных
доминирующих городских тканей в городе Лагуат с помощью карт, планов,
фотографий, сделанных на месте, и программ: Автокад (проектирования и
черчения), Фотошоп и Таунcкоп («townscope 2.0» программа вычисления и
моделирования городского микроклимата);
в) измерениях микроклиматических параметров в трех основных
доминирующих городских тканях города Лагуат с использованием
портативного прибора (термогигрометр и термоанемометр с чёрным шаром);
г) анализе результатов оценки теплового комфорта и степень адаптации
пешеходов к условиям окружающей среды в открытых общественных
пространствах города Лагуат с помощью графика теплового комфорта и карт-
схем комфорта программы Таунcкоп.
Научная новизна исследования состоит в том, что впервые выявлено влияние морфологических особенностей традиционной, колониальной и современной городской среды на микроклимат и на тепловой комфорт в открытых общественных пространствах городов с сухим жарким климатом Алжира; изучены традиционные архитектурно-градостроительные решения регулирования микроклимата и создания комфортных условий в открытых общественных пространствах; изучено взаимоотношение исторической эволюции архитектурной морфологии городской среды и формирования микроклимата и условий внешнего теплового комфорта для пешеходов;
изучена возможность использовать типоморфологический подход не только в анализе исторических городских архитектурных формообразований типа «традиционный городской остров», но и в анализе современных городских архитектурных формообразований типа «вертикальный городской остров»; предлагается сочетание методов (измерения на месте, компьютерное моделирование и вычисление: «townscope 2.0», натурные наблюдения и т.д.) для наглядного представления соотношений между переменными исследования (архитектурная морфология городской среды, микроклимат и внешний тепловой комфорт);разработаны методика и практические рекомендации по улучшению теплового комфорта в открытых общественных пространствах в условиях жаркого и сухого климата Алжира.
Практическая значимость исследования заключается в раскрытии механизма моделирования комфортной среды обитания в условиях сухого жаркого климата Алжира, основанного на детальном выявлении его особенностей, и в возможности использовать его результаты:
в архитектурном, градостроительном и дизайнерском проектировании городов Алжира с жарким и сухим климатом;
в научно-методической работе в образовательном процессе;
- при включении нового раздела в руководство для будущего
планирования городов, микрорайонов, кварталов под названием «схема
архитектурно-планировочного решения и тепловой комфорт открытых
общественных пространств».
Научные результаты, выносимые на защиту:
- методы изучения взаимосвязи между архитектурной морфологией
городской среды, микроклиматом и внешним тепловым комфортом открытых
общественных пространств;
- морфоклиматическая структура открытых общественных пространств в
городах Алжира с жарким климатом;
метод экспериментального определения и оценки морфологических показателей и измерений микроклиматических параметров;
метод теоретического определения условий теплового комфорта в открытых общественных пространствах, воздействия морфологических показателей на внешний тепловой комфорт;
рекомендации и предложения по созданию и улучшению условий теплового комфорта в открытых общественных пространствах для применения в архитектурной и градостроительной практике.
Апробация и внедрение результатов исследования, основные положения диссертации отражены в 9 публикациях (3 в изданиях, рекомендованных ВАК). Результаты исследования раскрыты в научных докладах на международных, всероссийских, областных и внутривузовских научно-практических конференциях в 2011 и 2013 гг., на 13-м и 15-м Международных научно-промышленных форумах «Великие реки», Нижний Новгород, 2011, 2013 гг. Магистерская диссертация автора "Городская морфология и термический комфорт в общественных пространствах " (2012 г.) послужила началом нашего диссертационного исследования.
Основные положения диссертации апробированы в практической архитектурной деятельности автора, являющегося архитектором архитектурно-градостроительного бюро BETAUR, BETСAU и DAR-СО- Алжир и Международной архитектурно-строительной компании Hi-Tech-Россия. При участии автора выполнены 9 проектных работ, реализующих ряд положений диссертации (2005-2011гг.).
Перспективы дальнейшей разработки темы предполагают следующую теоретическую направленность:
1) методология данного исследования является логичной для
продолжения дальнейших исследований по выявлению воздействий
морфологических показателей на микроклимат помещений и
энергопотребление зданий. Это помогает принять решение о наиболее
эффективной архитектурной морфологии не только в отношении летнего
комфорта, но и в течение всего года;
-
обобщение темы для различных климатических районов;
-
климатическое воздействие планировки и благоустройства открытых общественных пространств на энергопотребление зданий;
-
наружная оболочка здания как элемент влияния на внешний тепловой комфорт и на энергетическое потребление зданий;
-
изучение воздействия архитектурной морфологии и городской среды на визуальный, акустический, ветровой комфорт, и на качество воздуха в открытых общественных пространствах.
Объем и структура работы: диссертационное исследование представлено в двух томах, первый том содержит 179 страниц текста, включающего введение, три главы с основными выводами, заключение, список литературы (232 наименования) и 8 приложений. Второй том иллюстрированный, состоит из 85 графоаналитических таблиц.
Факторы формирования микроклимата
Архитектурная морфология городской среды – это полиморфное понятие, которое может быть рассмотрено в разных аспектах, в зависимости от взглядов каждого архитектора и принятого определения [3]. Ее целью является изучение развития архитектурной городской формы. С точки зрения основных направлений в архитектуре можно определить несколько подходов для изучения, анализа и понятия городской архитектурной формы [3]:
- биоклиматической подход к форме застройки, в соответствии с которым форма застройки рассматривается как обусловленный окружающей средой элемент городского микроклимата; при этом учитываются географические отличия одного района города от другого, связанное с типами городской ткани разнообразие (открытая, закрытая, вертикальная), ориентация (гелиотермическая) и месторасположение (вода, рельеф, растительность) [6;7;199]; - типо-морфологический подход к форме застройки как к форме городских тканей, заключающийся в изучении взаимосвязей между элементами, составляющими городское пространство (к примеру, земельные участки, уличная сеть, соотношение свободное/застроенное пространство и архитектурная морфология городских островов) [4;5]; - подход к форме застройки как к планировочной структуре; этот подход отсылает нас к геометрии плана города (например, органический план, прямоугольная планировка или радиально-концентрический план) [8;9]; - подход к форме застройки как к форме городских пейзажей, для которой городское архитектурное пространство визуально схвачено в трехмерном измерении (объём и габариты) и в своем архитектурном стиле (к примеру, модерн или хай-тек) [10;11]; - подход к форме архитектурных объектов как к социальной форме: городское архитектурное пространство рассматривается как место локализациисоциальных процессов и отношенийдемографических, этнических и религиозных групп [12;13].
Биоклиматический подход в архитектуре и градостроительстве привёл к значительным спорам о будущих формах застройки (рассредоточенная или компактная). Полемика вызвана необходимостью решения актуальных задач, связанных с вопросами устойчивого развития, увеличения энергопотребления и его влияния на климат, улучшения физической средовой обстановки в открытых общественных пространствах. Этот подход находится в тесной связи с другими подходами, в частности, с типо-морфологическим подходом (подходгородской ткани)[3]. В самом деле, элементы, составляющие формы городских тканей и планировку, выступают факторами изменения микроклимата и вызывают флуктуирующее распределение параметров комфорта (к примеру, температуры воздуха, скорости ветра, падающего солнечного излучения) [132; 136].
Масштаб городских пограничных слоёв
Пограничный слой поверхности городской застройкипростирается на высоту несколько десятков метров над зданиями и подразделяется на два подслоя циркуляции воздуха: 1) инерционный подслой и 2) подслой городской шероховатости. Первый слой характеризуется однородностью вертикальных турбулентных потоков и существенно зависит от силы трения и высоты зданий [14]. Что касается подслоя городской шероховатости, он расположен в непосредственной близости с поверхностью и его толщина варьируется между помноженной на 1,5 и 3,5 высотой близлежащих зданий (табл.1-1, рис.1.1) [15].
Полог города или верхний городской слой соответствует уровню, изучаемому в данном исследовании, и стал объектом самостоятельного изучения. В городской климатологии, полог города определяется как слой воздуха от уровня земли до высоты, на которой ветровой поток начинает обтекать застройку как единое препятствие. Он включает городскую ткань, застроенные пространства (здания, квартал или район), городскую земную поверхность (улицы, зоны озеленения), и открытые пространства (дворы или площади). Он зачастую весьма искажён ввиду динамических характеристик движений, вызванных взаимодействием микро-метеорологических параметров с городскими застройками (табл.1-1, рис.1.1) [16,110]. определение оперативного морфологического показателя.Существует понимание, что«…действительное назначение городского проекта – создать время, непрерывность, регулярность, и форму общественномунаружному пространству и формировать контекст архитектурному проектированию»[17].
В последние годы всё чаще наблюдается настойчивое употребление термина «показатель» в практических сферах, связанных с вопросами качества окружающей среды. Показатели главным образом призваны упростить сложные положения и передать их практическое следствие участникам воздействия на застроенное пространство: «Показатели сжимают информацию и упрощают подход к зачастую сложным явлениям окружающей среды, что превращает их в ценные инструменты коммуникации»[18]. Итак, показатели содержат менее специализированную информацию и от этого более доступны неспециалистам в дисциплинах, связанных с вопросами климата и окружающей среды, но участвующих в воздействии на застроенное пространство. Однако нам представляется необходимым сразу же разграничить понятия дескриптора и показателя. Дескриптор описывает положение, отталкиваясь от точки зрения одной сферы знаний, как если бы мы описывали определённую форму элементами, составляющими эту форму, или, к примеру, передавали отражение падающих лучей на поверхность через альбедо (коэффициент отражения). В то время как показатель стремится оценить положение в сфере знаний посредством дескрипторов, связанных, прямо или через толкование, с другой сферой знаний. Как если бы мы, например, определяли комфорт пешеходов пространственным
изменением (пространственное изменение здесь – показатель) или же, как мы и стремимся сделать, отражали изменение климатических условий колебаниями параметров, связанных с формой застройки (архитектурная морфология городской среды).Задача показателей – отразить сложное положение. Это весьма интересные понятия для архитекторов, поскольку в процессе проектирования они обращаются к физическим явлениям с оперативной точки зрения для предложения застроенных пространств. Иными словами, морфологические показатели являются морфологическими дескрипторами, позволяющими анализировать неморфологические явления, такие, как климатические условия. Определение Б. Кроче того, что он называет концептуальными тенденциями, кажется нам достаточно целесообразным, чтобы определить роль оперативных показателей:«Необходимо выявить действительный концепт простых концептуальных тенденций. Они бывают двух видов: представление без универсальности (эмпирические концепты) и универсальные без индивидуальности (математические концепты). С учётом того, являются ли концептуальные тенденции (практические и нетеоретические реалии) эмпирическими или абстрактными, они остаются позитивно (оперируя классификациями) или негативно (поддерживая абстракции) на уровне представления, истинность которого выражает концепт, поскольку он выходит за его пределы » [19;20].
Понятие адаптации пешеходов к условиям теплового комфорта открытых общественных пространств
Морфологические особенности, влияющие на температуру воздуха.
1) Плотности застройки. Плотность застройки и урбанизация часто создают разницу в температуре между центром города и периферией и оказывают энергетическое влияние на окружающую температуру воздуха, известное под именем «городской остров тепла», причины и последствия которого были проанализированы и исследованы в трудах выше (см. раз. 2-1): Оке, 1987 ; Акбари и др., 1997 ; Сантамурис и Дулос, 2001. Температура воздуха в городской среде, в основном, выше, чем в ближайшей окружающей сельской местности, разница составляет около 5-10C. Это явление имеет значение преимущественно зимой, так как позволяет повысить температуру и улучшить условия комфорта в открытых общественных пространствах, снизить потребление тепловой энергии на отопление помещений. Однако в жарком и сухом климате повышение температуры ведёт за собой ощущение теплового дискомфорта в открытых общественных пространствах и повышение энергопотребления на кондиционирование воздуха в зданиях.
2) Разнообразие городских поверхностей. В городских районах разнообразие поверхностей формируют разный теплообмен между наружными фасадами зданий и окружающим воздухом. Этот обмен зависит от термических характеристик каждой поверхности, и от её ориентации по отношению к солнцу. В рамках изучения влияния теплых поверхностей на температуру воздуха, Синнефа и др., (2007г.) показали, что повышение альбедо с 0,30 до 0,65 позволяет понизить температуру воздуха на 2,2C на бетонных наружных поверхностях зданий [78]. Результаты исследования Ниащу и др. (2008г.) при изучении термических характеристик городского каньона (улицы-каньона), ориентированной на северо-восток и юго-запад, показывают, что температура воздуха, измеренная в близости от здания, изменяется в зависимости от отражательной способности материалов поверхностей фасадов и от ориентации улицы. Температура воздуха вблизи фасадов, выходящих на юго-запад, выше, чем вблизи северо-восточных фасадов (табл.1-8, Рис. 1. 26) [79].
Морфологические особенности, влияющие на температуру поверхности и на солнечную радиацию.
1) Изменения степени открытости небосвода. Степень открытости небосвода– это величина телесного угла, под которым видно небо с определённой точки открытого общественного пространства (табл.1-8, Рис. 1.27) [80]. Она определяет радиационный теплообмен между определённым местом и небом. Степень открытости небосвода влияет на значение температуры воздуха, который будет зависеть от совокупной городской обстановки. Для доказательства существования тесной связи между степенью открытости небосвода и температурой городских поверхностей, Ратти и др., (2003г.) с помощью компьютерного моделирования, исследовали три различных типа объёмно планировочных решений в жарких и засушливых зонах (табл.1-8, Рис. 1.28). Первый тип представляет собой геометрически закрытые формы с внутренними дворами, похожие на городские застройки центра старинных городов Северной Африки и арабских городов (Медина). Во втором объёмно-планировочном решении внутренние дворы были упразднены, представляя собой компактные формы застройки. Отметим, что эти два объёмно-планировочных решения представляют собой плотную городскую ткань с повышенной поверхностной плотностью застройки с узкими улицами. В противоположность первым двум решениям, третье представляет собой открытую городскую ткань в виде современных периферий старинных городов или пригородных застроек с вентилируемыми формами. Результаты исследования Ратти и др., (2003г.) показали, что, с одной стороны, закрытые формы с внутренними дворами имеют наименьший коэффициент (SVF), порядка 0,13, (при том, что его значение равно 0,23 для компактной застройки и 0,48 для периферических застроек), а с другой наиболее высокая температура поверхностей была зафиксирована у периферических застроек со значением порядка 40,5C [81]. Это максимальное значение на 5,3C выше температуры компактной застройки и на 8,6C выше, чем температура закрытых форм с внутренними дворами.
2) Изменение соотношения В (высота здания) / Ш (ширина улицы) и типы фасадов улиц. В городских районах улицы имеют разнообразные геометрические формы и различные типы фасадов. Городской каньон (улица каньон), согласно Тим Оке и Изард, имеющий простую геометрическую форму, наиболее типичную для городской застройки, представляет собой два борта (стены зданий) и высота которых как минимум в два раза больше, чем ширина улицы (табл.1-8,Рис.1.29) [82;83]. Геометрические параметры улиц-каньонов, как соотношение В/Ш и разнообразие типов фасадов, влияют на количество проникающей солнечной радиации в каньон и на количество поглощаемой каньоном солнечной радиации. Это означает, что, можно изменять прямо температуру поверхности и условия теплового комфорта в открытых общественных пространствах (улица-каньон). Экспериментальные исследования, проведённые Аида и Гото в 1982г., и в последнее время в работах Боурбиа и Ауоби, 2004г. на улицах-каньонах в условиях аридного климата, показали, что повышение поглощения солнечной энергии и температуры поверхности, когда соотношение В/Ш равно или меньше 0,5, и наоборот, температура поверехности и тепловое поглощение понижаются при соотношении В/Ш переходило от 0,5 к 2 или равном 2 (табл.1-8,Рис.1.30) [84;85]. Во всяком случае, изучение влияния геометрии улицы на её внутреннюю тепловую среду показывает, что чем выше значение соотношения В/Ш в отсутствии естественного проветривания, тем явление накопления тепла более ярко выражено [86;87].
Влияние неоднородности фасадов на тепловой комфорт на улицах-каньонах было изучено Али-Тудерт и Майер (2007г.) при помощи программы системы «ENVI-Мет». Это исследование проводилось летом в городе Гардая в Алжире с аридным климатом. Были проанализированы три вида фасадов улиц-каньонов, оснащенных галереями для пешеходов. Первый тип улицы застроен одинаковыми фасадами и симметричными зданиями с соотношением Ш/В равным 2, второй – ассиметричный со ступенчатыми фасадами и последний состоит из двух разных видов фасадов зданий с балконами или террасами (табл.1-9,Рис. 1.31) [88]. Результаты этого исследования показали что, в течение дня для симметричных улиц, процент комфортных зон сильно связан с соотношением В/Ш улицы и с размерами галерей (высота и ширина). Так же этот процент выше в покрытых галереями пространствах, чем посреди улицы, где продолжительность инсоляции больше.
Анализ результатов микроклиматических измерений и оценки отношений между морфологическими показателями и тепловой средой в городских районах
В этом разделе главы мы будем говорить более детально об экспериментальной части нашего исследования. Прежде чем объяснить ход размышлений и анализ результатов, мы представим изучаемую местность. По результатам типоморфологического прочтения городов Алжира с жарким и засушливым климатом, мы выбрали центром исследования город Лагуат в его климатической и микроклиматической среде. Также мы посвящаем этот раздел описанию трёх изучаемых случаев и причин их выбора.
На основании результатов библиографического исследования первой главы можно сделать вывод, что оценка комфортных условий в открытом городском общественном пространстве требует углублённых познаний множества физических параметров, связанных с городской средой (микроклиматические параметры), и многих показателей архитектурной морфологии городской среды (морфологические показатели). Речь идёт об измерении микроклиматических параметров (температура, относительная влажность и движение воздушных потоков), которые были произведены при перемещении по городу исследователя, снабжённого в каждом случае портативным аппаратом для измерения физических параметров окружающей среды. Для измерений был выбран типичный жаркий день вовремясамого продолжительного и самого жаркого периода в городе Лагуат - летнего периода. Этотраздел также имеет своей целью описание в общих чертах результатов микроклиматических измерений и результатов оценки морфологических показателей. Наконец, мы представим характер взаимосвязи между тепловыми условиями окружающей среды и показателями архитектурной морфологии городской среды, с учетом архитектурного разнообразия. Речь идёт о динамике окружающей среды на городском маршруте для каждого случая исследования.
1) Типоморфологический анализ и результаты оценки различных морфологических показателей трёх доминирующих типов архитектурных морфологией городской среды города Лагуат. Настоящее исследование, изучающее влияние архитектурной морфологии городской среды на микроклимат и внешнюю тепловую среду в условиях жаркого и засушливого климата Алжира, может быть подтверждено только работами на местности, результаты которой должны быть отобраны в соответствии с искомыми физическими характеристиками. Исследование имеет цель совместить два подхода: климатический и морфологический. И должно вписываться в географическое пространство, где оба фактора имеют место быть. Эта экспериментальная работа, основанная на сравнительном анализе, проведена в городе Лагуат, в жарком, засушливом регионе Алжира. А) Типоморфологический анализ трёх доминирующих типов архитектурных морфологией городской среды города Лагуат (см. приложение 2): - Выбор и презентация города Лагуат;выбор и презентация изучаемых объектов. 1)Ксар Згаг Эль-Хаджадж.Это результат совместного творчества жителей, ведущий к проектированию для данной местности с учётом совокупности окружающих социально-культурных, экономических и климатических условий, характерных для этой местности. Для него в равной степени характерно (табл.215, рис.2.70): - простота и длительность использования архитектонических приёмов; - компактная городская ткань, возникающая из-за тесного соседства зданий, значительная горизонтальная плотность застройки, когда постройки занимают всю территорию квартала; - гармония пропорций и объёмов (вертикальная однородность застройки); - его архитектурная и градостроительная модель отличается простой планировкой, в которой открытое общественное пространство сокращено до минимума в пользу теневых зон; - единственная торговая улица, пересекающая ксар (в направлении северо восток, юго-запад) и соединяющая две площади ксара (площадь Этуаль и площадь Баб-Эль-Уэд), представляет собой главное общественное пространство ксара. Ширина её составляет 3.5м, и она не имеет тротуара. Это была первая и самая известная улица Ксара Згаг Эль-Хаджадж. На этой улице была организована торговля ремесленными товарами и другие виды деятельности. От одной и от другой стороны этой осевой линии отходят перпендикулярно узкие улочки в направлении юго-восток и северо-запад, таким образом, нарушая непрерывность этой оси, что является лишь выражением социального запроса и требований климата (личное пространство, тень). Эти улочки обеспечивали подход к домам, движение по ним было практически везде пешеходным; - отсутствие растительности в общественных открытых пространствах -зелень присутствует только во дворах «патио» жилых домов (внутри кварталов); - почти полное отсутствие движения механических средств передвижения в ксаре - оно присутствует лишь на больших магистралях на периферии ксара; - представленные здания - местный тип архитектуры, имеют форму трёхуровневого куба или параллелепипеда (2 этажа + терраса), для которых характерно наличие открытого пространства: патио, вокруг которого располагаются помещения. Все помещения проветриваются и освещаются через патио. Вдоль улицы тянутся практически глухие (из соображения скрыть частную жизнь) фасады домов, лишь иногда выполненные с небольшими окнами; - использование традиционных местных материалов, адаптированных к местным климатическим условиям, которые обладают великолепной тепловой инерцией и имеют цвет земли (аттуб, кирпич-сырец, известь, глина, смесь земли и соломы, камень, пальмовые стволы, красный кирпич, тростник …). В ксаре мы видим образцы архитектуры и градостроительства, которые уже зарекомендовали себя. К сожалению, сегодня такой тип городской ткани находится в стадии упадка и краха. Можно сказать, что ксар смог выстоять, несмотря на многочисленные видоизменения (новые материалы, заброшенные и разрушенные дома, появление домов из бетона...), и сохранил свой основной прежний вид. 2) Микрорайон Эль-Гарбия. Микрорайон Эль-Гарбия – пример постройки первого центра европейского типа в городе Лагуат. Для него в равной степени характерно (табл.2-16, рис.2.71): - плотная некомпактная городская ткань с поверхностным уплотнением и ростом зданий в высоту; - широкие и прямолинейные улицы и кварталы образуют некомпактную городскую ткань. Застраивается периферия кварталов; - сохранение некоторых архитектурных и градостроительных элементов традиционного города (ксара), как, например, крытые проходы под домами и традиционные строительные материалы (кирпич-сырец, известь, глина, камень…);
Способы влияния степени открытости небосвода на микроклимат и тепловой комфорт открытых общественных пространств
Это зависит от типа климата, времени года и времени суток. Во внешних общественных пространствах, доступ солнца или защита от его излучения позволяют контролировать температурную и энергетическую ситуации на поверхностях пространства, освещение улиц и использование растительности или твердых материалов в ландшафте для комфорта пешеходов и осуществления всех видов наружной деятельности. Этот аспект является важным для контроля ночных температур поверхности и воздуха. Подобное охлаждение позволяет восстановить тепло, накопленное за день. Это является определяющим фактором в формировании городского острова тепла в городе и явления микроклимата на уровне улицы, где внешние температуры имеют прямое влияние на изменение внутренних температур зданий, в зависимости от теплопроводимости материалов и конвекции через вентиляцию. Любое проникновение биоклиматического проектирования в городскую среду требует знания связи между городской застройкой и проистекающими микроклиматами. Действительно, архитектурная морфология городской среды имеет огромное влияние на микроклиматические городские условия и даже на глобальный городской климат. Многие исследователи, изучавшие данный вопрос, установили эту зависимость и выделили городские факторы, влияющие на контроль солнечного излучения Кновлес (1981), Оке (1988), Арнфилд (1990). Доступ к солнцу – основная причина расширения подхода биоклиматической архитектуры в городском контексте. Сложность заключается в уменьшении возможностей солнечного излучения из-за близости зданий и их защитой от солнечных лучей. Понятие солнечной оболочки, предложенное архитектором Кновлес (1981), является первым шагом для решения данной проблемы. В целом, солнечная оболочка (воображаемый объем который покрывает построения сверху), определяется как оптимальный объем покрытия земельного участка, который обеспечивает доступ к солнцу на соседних участках в определенный период инсоляции. Это оболочка формируется согласно продолжительности инсоляции и движения солнца, связанного с географической широтой, она также зависит от формы и ориентации земельного участка, который определяет высоту строения. на уровне городского микрорайона, формирование этой оболочки определяется отношением к ориентации солнца. Действительно, городские улицы, ориентированные на Север-Юг, являются симметричными ходу солнца, в то время как улицы, ориентированные на Восток-Запад, ассиметричны, поэтому стены, стоящие лицевой стороной к югу, выше, чем стены, стоящие лицевой стороной на север. Основанное на минимально допустимом расстоянии между зданиями, где соседские отношения заключаются в решении вопроса высоты, это понятие имеет главной целью солнечное освещение внутри зданий, так как уличное солнце не способствует комфорту[5]. Вопрос солнечного освещения, касающийся внешнего комфорта, был изучен архитектором Арнфилд (1990): отношение между высотой и шириной улиц становится главной переменной величиной. Арнфилд исследовал зависимость излучения стен, улиц и пешеходных тротуаров по отношению к геометрическим переменам, которые меняются от H/L =0,25 до H/L =4, при ориентации Север-Юг и Восток-Запад и широте от 0 до 70, летом и зимой в ясную и пасмурную погоду. Это исследование позволило определить значение каждого параметра для инсоляции.
Кроме того, дневная жара сохраняемая на стенах и крышах строений городской ткани должна ночью возвращаться обратно в городскую среду, тем самым освежая здания. Такой возврат соответствует потере радиации с большой длиной волны. Следовательно, это является дополнительным фактором, который должен быть принят во внимание в вопросе контроля солнечной радиации [168]. В городской среде охлаждение вертикальных поверхностей отличается от плоских и ровных поверхностей, полностью открытых к небу, так как здания, образуя перегородки, создают необходимые затенения. Таким образом, открытость небосвода общественного пространства передает способность к охлаждению. Понятие открытости небосвода было введено для использования солнечной энергии как дополнительного инструмента экономии при отоплении. Оно допускает гибкие и податливые ориентации, ставя на первое место требуемое качество, а не результат, чтобы гарантировать правильное толкование архитектором в соответствии с климатическими требованиями месторасположения городских и архитектурных пространств. Оптимизация открытости небосвода может оказаться сложной, принимая во внимание характер, иногда конфликтный и несовместимый с городскими требованиями, которые направлены на обеспечение доступа к свету. В условиях жаркого климата Алжира, например, город Лагуат, где сильная солнечная радиация, единственной защитой могла бы быть слабая открытость небосвода, обеспечивающая минимальное улавливание солнечного излучения, особенно летом. По той же причине и при отсутствии ночного проветривания ночное охлаждение сделала бы неизбежным наибольшая открытость небосвода (табл. 3-4, рис. 3-14). С другой стороны, доступ к солнцу требует учитывать два различных пространства, подразумевающих улицы и внешние стены зданий, тогда речь может идти о различных морфологиях. Таким образом, любой выбор архитектурной морфологии следует из компромисса между этими задачами. Идеальной морфологии не существует; в городской архитектуре для любого действия формальные выборы должны быть спроектированы на основе определенных аспектов для климатического контроля.
Можно просто определить показатель открытости небосвода, как степень преграды или открытости неба между зданиями вдоль улицы. Этот показатель вычисляется через определение процентного содержания доступа солнечного излучения на данной улице (табл. 3-4, рис. 3-15). Действительно, исходя из расчётов нашего исследования, можно заключить, что степень открытости небосвода появляется в качестве одного из наиболее значимых концептов, которые необходимо учитывать для достижения целей климатического освоения в предмете городской архитектуры, и способствует условиям теплового комфорта в открытых общественных пространствах. Результаты расчетов показали, что, показатель открытости небосвода играет определяющую роль в перегревании воздуха и поверхностей, прямо влияет на увеличение (или уменьшение) средней радиационной температуры и окружающей температуры(например, в точках измерений микрорайона Эль-Гарбия и Аль Мустакбаль). К подобному выводу пришли К.Е.Рунналс и Т.Р.Оке в 2000 году после исследований городского микроклимата Страсбурга [179].По результатам расчетов можно заключить, что, степень открытости небосвода одновременно участвует в определение количества солнечного излучения, которое получают различные уличные профили, но также в эффекте ночного охлаждения этих же поверхностей здания. Кроме того, его значение тесным образом связано с урбанизацией городов (плотность застройки), оно достигает максимального значения, равного 1, в открытых пространствах без каких-либо зданий, деревьев, препятствий. Интерпретация влияния степени открытости небосвода и, в последующем, городского острова тепла в жарком климате является более чем спорной. На самом деле, минимизирование городского острова тепла в жарком климате дает основание предположить, что это приведет к редким и разбросанным на большие расстояния городским застройкам (как в случае современных планировок). Однако, это противоречит тому, что общепринято в народной (традиционной) архитектуре жарких, засушливых регионов Алжира и арабских стран. Там наиболее распространенной является компактная городская планировка (Ксар) в виде домов с внутренним двором (патио), которая сводит к минимуму степени открытости небосвода внешнего общественного пространства и к сокращению эффекта городского острова тепла (табл. 3-4, рис. 3-16).