Архитектурно-климатические основы проектирования зданий

Многие категории архитектуры, такие, как объемно-пространственная композиция, планировочное и конструктивное решение зданий, внешний облик и т.д. вплоть до национальных признаков, во многом предопределяются конкретными климатическими условиями и, прежде всего, спецификой светового климата и температурно-влажностными характеристиками окружающей среды места строительства.

Крупнейшие мастера архитектуры (Витрувий, Корбюзье, Жолтовский и др.) придавали большое значение климатическим условиям в формировании таких категорий, как композиция, стиль, образ, пластика и т.п. при проектировании зданий.

Знание взаимосвязи климатических условий с архитектурным проектированием позволяет избежать ошибок, так как такие компоненты естественной и искусственной среды, как солнечная радиация, цвет, воздушная среда (температура, влажность, скорость и направление движения), осадки и звук нередко играют главную роль в формировании архитектурно-композиционных и конструктивных решений при проектировании зданий и сооружений.

Особенно большое влияние физических параметров среды необходимо учитывать в современную эпоху, когда на первое место поставлена задача энергосбережений и всемерной экономии не восполняемых энергетических ресурсов.

Композиционные приемы, плотность застройки, ориентация зданий по сторонам горизонта, размеры и заполнение световых проемов, пластика фасадов, а также тепло - и звукоизоляция ограждающих конструкций - факторы, от которых в значительной степени зависят комфортность и выразительность зданий, а также стоимость их энергетической эксплуатации.

Среди физико-технических факторов окружающей среды специфика светового климата (количество, спектр и контрастность освещения, яркость ясного и облачного неба, продолжительность солнечного воздействия, количество и спектр ультрафиолетовой радиации) оказывает существенную роль на плотность застройки и ее планировочное решение, размеры и пропорции световых проемов, пластику и масштабность фасадов зданий. Использование больших площадей остекления фасадов и солнцезащитной пластики (балконы, лоджии, веранды, галереи и т.п.), не связанных с функциональным назначением здания и условиями светового климата, не способствует формированию архитектурного образа, приводит к значительному дискомфорту и огромным тепловым и экономическим потерям.

Наряду со световым климатом при проектировании зданий важно учитывать влияние факторов теплового климата, (тепловая солнечная радиация, температура наружного и внутреннего воздуха, влажность, скорость и направление движения воздуха), которые необходимо учитывать при проектировании тепловой защиты зданий, выборе материала и конструктивного решения ограждающих конструкций.

В связи с тем, что нормативные требования, заложенные в климатическом районировании, не позволяют учесть продолжительность тех или иных погодных условий в течение года и определить необходимые климозащитные средства, институтом «ЦНИИЭП жилища» разработана классификация погодных условий и даны рекомендуемые режимы эксплуатации и технологические требования к ограждающим конструкциям и планировочным решениям зданий, связанные с типом погоды (табл. 1.4).

В классификации приведены климатические характеристики семи типов погоды. При классификации типов погоды основное внимание уделено сочетанию климатических факторов. Так, для жаркой, теплой и комфортной типов погоды к этим сочетаниям относятся температура воздуха и относительная влажность, а для погоды прохладной, холодной и суровой - сочетание температуры с ветром.

В жарко-влажных климатических районах, (тип погоды 1), в которых температуры наружного воздуха находятся в пределах от 30 до 35^оС при влажности 60-25% (Черноморское побережье Кавказа), здания должны защищать человека от сильного перегрева, гиперинсоляции и духоты. Для обеспечения комфортных условий проживания необходимо организовать изолированный режим эксплуатации здания и полное кондиционирование воздушной среды (охлаждение и искусственное уменьшение влагосодержания воздуха). Рекомендуются компактные объемно-планировочные решения, открытые помещения для вечернего и ночного отдыха. Здания целесообразно размещать на возвышенной местности, где скорость ветра повышается, или на северных и южных наветренных склонах, наименее подверженных нагреву от солнечного облучения. Для снижения духоты и перегрева помещений следует предусмотреть плотное устройство притворов и затенение окон, а также осуществлять активную аэрацию помещений и защиту их от солнца.

Районы с жарким сухим климатом, расположенные в поясе между 35-й и 45-й параллелями (тип погоды 2), характеризуются продолжительным жарким летом с температурой 33-36^оС и влажностью менее 24% (Средняя Азия) и интенсивной солнечной радиацией. Под действием солнечной радиации помещения и находящиеся в них люди интенсивно перегреваются, поэтому необходимо устранить или ослабить неблагоприятные для человека климатические факторы жарких районов. Одним из простейших и эффективных средств борьбы с перегревом зданий является правильная ориентация их по странам света и по отношению к направлению господствующих ветров. Необходимо помнить, что восточные и западные стены под воздействием солнечной радиации получают в 3-4 раза больше тепла, чем южные, так как последние облучаются только высоко стоящим солнцем. Рекомендуется закрытый режим эксплуатации помещений с компактным объемно - планировочным решением, обеспечивающим минимальные теплопоступления извне, и специальные ограждающие конструкции. Одним из эффективных приемов борьбы с перегревом помещений являются солнцезащитные устройства. Затеняя оконные проемы (а иногда и стены), они ограничивают поступление тепла от солнечной радиации в помещения и защищают людей от ослепления прямыми солнечными лучами. Кроме того, они снижают затраты на устройство и эксплуатацию вентиляционных установок. В районах с большими суточными колебаниями наружной температуры проектируют стены с высокой степенью теплоустойчивости, которые оказывают достаточное сопротивление тепловому потоку в помещении и не допускают значительных колебаний температуры на внутренней поверхности ограждения. Значительного эффекта можно достичь путем увеличение кубатуры здания, открытых помещений для вечернего и ночного отдыха, а также искусственного охлаждения с помощью вентиляторов-фенов. Требуются специальные мероприятия для защиты от горячих пыльных ветров пустынь и улавливания ночных ветров с гор. Значительно улучшают микроклимат высаживаемые на территории зеленые насаждения, листва которых поглощает (нейтрализует) большую часть солнечной радиации и образует защитный экран. Вместе с тем насаждения не должны быть слишком густыми и частыми, так как в противном случае они будут мешать циркуляции воздуха около зданий. Для охлаждения территории целесообразно устраивать бассейны, пруды, фонтаны и частые поливки. Водоемы, расположенные непосредственно около зданий, способствуют охлаждению воздуха в помещениях. Пешеходные дорожки рекомендуется затенять зелеными насаждениями.

Для теплого типа погоды (тип 3) характерны температуры 24-32^оС при влажности воздуха от 25 до 75%. Жилые здания при такой погоде должно защищать человека от незначительного перегрева. Режим эксплуатации зданий - полуоткрытый с двухсторонней планировкой квартир при активном проветривании помещений. При проектировании зданий необходимо предусматривать открытые приквартирные пространства, дворики, трансформирующие пространства и ограждения в течение суток, открытые окна при наличии солнцезащитных устройств, вентиляторы-фены. В степных районах при влажности 25-50% необходимо предусматривать типичные средства защиты в виде затенения окон и ночное проветривание для аккумуляции ночной прохлады. Таблица 1.4

Классификация типов погоды и режимы эксплуатации жилища

В приморских районах с влажностью 60% и более рекомендуется затенение окон и аэрация пространств, которые обеспечивают помещениям комфортные или близкие к ним условия.

Комфортный тип погоды (тип 4) почти не несет климатозащитных функций. Для него характерны температуры наружного воздуха от 18 до 25^оС, относительная влажность от 30 до 60%, скорость движения воздуха в помещении от 0,1 до 0,2 м/с и от 1 до 3 м/с снаружи. Для жилых помещений рекомендуется открытый режим эксплуатации, связанный с внешней средой. Воздухообмен не ограничен. Для зданий не требуются ограждающие конструкции с высокими теплозащитными характеристиками, а также мощное отопительное и охлаждающее оборудование. Рекомендуются приквартирные открытые пространства. При высоких температурах (более 21^оС) требуется затенение, а при низких (12^оС) - инсоляция помещений.

При прохладной погоде с типичной температурой 6-10^оС (тип 5) жилище должно защищать человека от незначительного охлаждения. Для квартир рекомендуется полуоткрытый режим эксплуатации с обращением комнат на солнечные стороны горизонта. Объемно-планировочное решение квартир - умерено компактное с ограждающими конструкциями, обладающими теплозащитными свойствами. В квартирах необходимо предусмотреть места для хранения верхней одежды. Воздухообмен через форточки или фрамуги, использование отопительных устройств малой мощности. В городской среде защита помещений от ветра и инсоляция создают условия, близкие к комфортным.

Холодный тип погоды (тип 6) характеризуется типичной температурой до -25^оС и скоростью ветра 3-10 м/с. Холодная погода типична зимой на европейской территории страны, в Западной и на юге Восточной Сибири. Здания при холодной погоде должны защищать человека от сильного охлаждения, что обеспечивается закрытым режимом эксплуатации помещений, компактным объемно-планировочным решением, высокими теплоизоляционными качествами ограждений, уплотненными окнами, закрытыми отапливаемыми лестницами и центральным отоплением средней мощности. В квартирах необходимо предусматривать шкафы для верхней одежды. В отдельных районах снегозаносы требуют защиты территории и входов в здания.

При суровой (сильно охлажденной) погоде (тип 7), характеризующейся типичной температурой наружного воздуха до минус 36^оС (зима в Якутии) или до минус 20 ^оС при повышенных (5-12 м/с) скоростях ветра (зима на побережье Северного Ледовитого океана) жилище должно защищать человека от сильного охлаждения и ветрового напора. Эти условия вызывают необходимость разработки проектов зданий с особыми объемно-планировочными и конструктивными решениями. Так как стоимость освоения и эксплуатации территории в северных районах очень велика, здания необходимо проектировать с соблюдением плотной застройки и компактности планировки. Для зданий рекомендуются закрытые отапливаемые лестницы, минимальное количество входов в здания с обязательным двойным отапливаемым тамбуром. Для создания комфорта требуется побудительная приточно-вытяжная вентиляция с подогревом и увлажнением воздуха. Необходимы хранилища для верхней одежды и кладовые увеличенной площади. Наружные ограждения должны обладать очень высокими теплозащитными качествами и воздухонепроницаемостью. Оконные конструкции должны иметь тройное остекление. В зданиях должно применяться центральное отопление большой мощности. Для повышения комфортности рекомендуется устройство теплых переходов-галерей между квартирами и предприятиями повседневного обслуживания, а также зимние сады и рекреации. Необходимо предусматривать мероприятия от снежных заносов и ветров в виде естественных (лесные массивы, возвышенности и т.п.) и искусственных (искусственные лесополосы, щиты, заборы, стенки и т.п.) преград.

С характером погоды связаны категории архитектурной композиции. Так, для «комфортной» и «теплой» типов погоды рекомендуется:

- открытый характер архитектурных пространств при свободной застройке микрорайонов и площадей; планировка внутренних помещений, обеспечивающих аэрацию и раскрытие во внешнюю среду;

- расчлененная масса здания, характеризующаяся разделением здания на блоки и присутствием двориков и курдонеров;

- расчлененная пластика поверхности, украшенная лоджиями, балконами, окнами значительных размеров, затеняющими козырьками, навесами и перфорированными стенами.

Для «суровой» и «холодной» типов погоды типичными являются:

- замкнутый и полузамкнутый характер архитектурных пространств, включающий плотную, ячеистую и периметральную застройку кварталов; закрытый тип площадей и закрытые связи-галереи между зданиями; одностороннюю планировку кварталов;

- нерасчлененная или малорасчлененная масса здания, характеризующаяся компактной планировкой, простой конфигурацией, а также внутренними закрытыми атриумами;

- нерасчлененная пластика поверхности с преобладанием гладких поверхностей стен, небольших окон и отсутствием лоджий.