Световой климат

Световой климат представляет собой совокупность природных характеристик освещения и ультрафиолетового облучения (количество, спектр и контрастность освещения, яркость ясного и облачного неба, продолжительность солнечного сияния, количество и спектр ультрафиолетовой радиации), которые определяют нормативные значения коэффициента естественного освещения, инсоляции и солнцезащиты, а следовательно, - плотность застройки и ее планировочное решение, размеры и пропорции световых проемов, пластику и масштабность фасадов. Отсюда следует, что при проектировании зданий должен учитываться световой климат не только для создания нормальных условий освещения, но и в архитектурной композиции здания.

Световой климат отражает совокупность ресурсов природной световой энергии, типичной для естественного освещения в той или иной местности за период более 10 лет. Основными компонентами естественной освещенности на открытой местности являются: прямой солнечный свет Е_{с ,} рассеянный (диффузный) свет неба Е_н и отраженный от земли свет Е_з. Суммарная (общая) освещенность Е_о в ясный безоблачный день при полностью открытом горизонте составляет

Е_о = Е_с + Е_н + Е_з (3.10)

К основным характеристикам, определяющим излучательную способность Солнца, относятся солнечные постоянные - световая и тепловая.

Световая солнечная постоянная представляет собой освещенность плоскости, расположенной перпендикулярно солнечным лучам и удаленной от Солнца на расстояние, равное астрономической единице. Это среднее расстояние от Земли до Солнца, которое примерно равно 149,6 ∙10⁶ км.

Приблизительное значение солнечной световой постоянной на границе атмосферы составляет 135000-137000 лк.

Наружная освещенность от диффузного неба зависит в основном от высоты стояния Солнца и характера облачности. Значительное влияние оказывает на нее прозрачность воздуха и состояние земного покрова.

На основании результатов расчетов наружной освещенности, выполненных для наиболее крупных городов и промышленных районов, построена карта светоклиматического районирования нашей страны. Критерием для ее построения было принято среднее за год количество наружного освещения на горизонтальную поверхность при открытом небосводе в течение 1 часа (5000 лк и выше) за период использования в помещении естественного света (рис. 3.3).

Три северных района на карте разделены на подрайоны: восточный и западный. Для восточных подрайонов характерно длительное от 6 и более месяцев в году устойчивое залегание снежного покрова, который оказывает значительное влияние на распределение яркости неба (заштрихованная область карты).

Наружная освещенность зависит от яркости неба, значение которой в различных участках неба неодинаково. Знание закономерности изменения яркости облачного и ясного неба имеет большое значение при выборе ориентации здания по сторонам горизонта и пластического решения фасадов здания.

Распределение яркости облачного неба учитывается коэффициентом q, значения которого определяются по формуле

q= f (L / L_Z), (3.11)

где L - яркость участка неба, видимого из заданной точки помещения М под углом , образованным горизонталью с линией, проведенной из точки к середине светового проема (рис. 3.4);

L_Z - яркость в зенитной части неба.

Яркость участка неба, видимого из заданной точки помещения М под углом , вычисляется по формуле

L = L_Z (0,33 + 0,66 sin ). (3.12)

В районах с устойчивым снежным покровом эта формула имеет следующий вид:

L = L_Z (0,6 + 0,4 sin ). (3.13)

Рис. 3.3. Карта светоклиматического районирования страны

1.- границы поясов светового климата; 2- зоны с устойчивым снежным покровом

Рис. 3.4. График для определения значений коэффициентов q и q_с, учитывающих неравномерную яркость облачного неба: q - при отсутствии снежного покрова; и q_с - при наличии снежного покрова; с - центр светового проема; - угловая высота середины светового проема, град

Численные значения по яркости неба в зените в зависимости от погодных условий и высоты стояния солнца приведены в табл. 3.1 (данные НИИСФ).

О значительном влиянии прозрачности воздуха на наружную освещенность и ультрафиолетовую облученность говорят результаты синхронных измерений, проведенных одновременно в черте города и в пригороде. Прозрачность воздуха оценивается коэффициентом пропускания, который определяет степень видимости предмета и характеризуется отличной видимостью при = 0,9, хорошей при = 0,8 и плохой при = 0,7. В больших городах и крупных промышленных центрах прозрачность воздуха составляет всего лишь = 0,6.

Таблица 3.1

Значения яркости неба в зените при различных погодных условий

Погодные условия	h , град	LZ, кд/м2
при снежном покрове	без снежного покрова
Пасмурно, облачно		При р = 0,8	При р = 0,6
Ясно, безоблачно

На снижение естественной освещенности и ультрафиолетового облучения большое влияние оказывают аэрозоли (дым, пыль, смог, выхлопы автотранспорта), содержащиеся в воздухе, которые не только загрязняют атмосферу и меняют химический состав воздуха, но интенсивно поглощают видимую и в особенности ультрафиолетовую радиацию. Снижение ультрафиолетовой радиации в крупных городах достигает 80%. Дефицит ультрафиолетовой радиации оказывает отрицательное воздействие на растущий организм подростков и детей, а также на рабочих, длительное время пребывающих под землей. Отрицательное влияние особенно сказывается на жителях заполярных районов. Для компенсации недостаточности естественной ультрафиолетовой радиации используют специальные установки ультрафиолетового облучения (фотарии) в виде эритемных ламп.

На наружную освещенность и ультрафиолетовую облученность большое влияние

оказывает состояние подстилающего слоя земли. Исследованиями установлено, что снеговой покров при сплошной облачности увеличивает наружную освещенность на 100% и более. Высокий коэффициент светового и теплового отражения подстилающего слоя земли значительно повышает роль отраженной от земли радиации в южных районах, что необходимо учитывать при архитектурном проектировании зданий.

Примеры рационального использования отраженного от земли и кровли света для повышения освещения помещений приведены на рис. 3.5. Используя светлые цвета подстилающего слоя вокруг здания, можно повысить не только наружную освещенность фасадов здания, но и увеличить внутреннюю освещенность помещений (рис. 3.5, а). Значительного повышения внутреннего интерьера помещения можно достичь при правильном наклоне конструкции кровли, попадая на которую световой луч небосвода, отражается и создает дополнительное освещение внутри помещений здания (рис. 3.5, б-г).

При решении архитектурных задач, связанных с выбором объемной композиции, пластики фасадов и фактуры отделочных материалов, существенную роль играет контрастность освещения, которая изменяется в разных районах в зависимости от высоты стояния солнца, характера облачности и состояния подстилающего слоя земли.

Рис. 3.5. Примеры рационального использования отраженного

от земли (а), кровли (б, в) и внутренней поверхности (г) света

Характеристикой контрастности освещения является отношение величин освещенности, наблюдаемых при солнечном и диффузном освещении.

Наиболее характерные относительные освещенности горизонтальной поверхности при солнечном и диффузном освещении для трех городов приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Относительные значения освещенности солнца и неба

Вид освещения	Относительная освещенность, %
Ашхабад	Москва	Санкт-Петербург
Солнечное (от солнца и неба)
Рассеянное (от неба)

Установлено, что наибольшая контрастность освещения наблюдается летом в южных районах (Средняя Азия, Армения и др.), а наименьшая - зимой в северных районах (Крайний Север, заполярье и др.). Она изменяется также в зависимости от времени суток, имея максимальные значения утром и минимальные - вечером. Это связано с уменьшением прозрачности воздуха из-за увеличения в нем количества аэрозолей.

Критерием оценки контраста светотени при солнечном и диффузном освещении служит коэффициент контраста, численные значения которого меньше единицы. В летнее время контраст светотени колеблется в пределах 0,7-0,8 в южных районах, 0,6-0,5 - в центральных и 0,3-0,4 - в северных. Эти значения контраста необходимо учитывать при проектировании осветительных установок в интерьерах общественных и производственных зданий.

Важное значение в световом климате занимает спектральный анализ естественного света, который изменяется в зависимости от климата, погодных условий, отраженного света от земли и др. Из рис. 3.6 видно, что ясная солнечная погода характеризуется большей величиной светового потока (почти в 2 раза) и содержит значительное количество видимого излучения, которое вызывает непосредственно зрительные ощущения, чем при сплошной облачности.

Рис. 3.6. Кривые спектрального состава естественного света

1- небосвод, сплошная облачность; 2 - солнце + небо, безоблачно

Таким образом, световой климат, представляющий собой совокупность природных характеристик освещения и ультрафиолетового облучения, оказывает значительное влияние на нормативные значения коэффициента естественного освещения, инсоляции и солнцезащиты, а также на плотность застройки и ее планировочное решение, размеры и пропорции световых проемов, пластику и масштабность фасадов. В связи с этим следует, что при проектировании зданий должен учитываться световой климат не только для создания нормальных условий освещения, но и в архитектурной композиции здания.