Инсоляция и защита помещений от солнечных лучей

Инсоляция – облучение прямыми солнечными лучами какой-либо поверхности. В области архитектурно-строительного проектирования термин «инсоляция помещений» означает облучение их солнечными лучами через световые проемы.

Воздействие инсоляции на человека и окружающую среду носит двойственный характер: с одной стороны оно благоприятно и экономически выгодно, поэтому необходимо обеспечить доступ солнечного света на территории городской застройки и интерьеры зданий; с другой стороны оно вызывает перегрев помещений и создает световой дискомфорт и перерасход электроэнергии на регулирование микроклимата в зданиях.

Обычное оконное стекло в меньшей степени попускает короткие ультрафиолетовые волны (длиной до 400 нм) и в большей степени - видимую (световую) и инфракрасную (тепловую) часть спектра.

Ультрафиолетовая часть спектра оказывает оздоровительное влияние на микроклимат помещения. Поэтому инсоляция является важным оздоровляющим фактором и должна быть использована во всех жилых и общественных зданиях и на территории жилой застройки. Особенно это относится к помещениям лечебных, детских и школьных учреждений и зданиям, построенным на Крайнем Севере, где продолжительность инсоляции оказывает положительный психоэмоциональный эффект.

Исключения составляют отдельные помещения общественных зданий, где по условиям функционального процесса исключается проникновение прямых солнечных лучей. К ним относятся: операционные, реанимационные залы больниц, выставочные залы музеев, химические лаборатории, книгохранилища, архивы и т.п.

Тепловое воздействие инсоляции на ограждающие конструкции зданий в холодное время года позволяет снизить расходы на отопление. В то же время тепловое воздействие инсоляции в теплое время года и особенно в южных районах страны может вызвать перегрев помещений, так как солнечные лучи, проникая в помещения, отдают тепло внутренним поверхностям и оборудованию, которые превращаются в источники излучения тепла.

Требования норм инсоляции достигаются соответствующим размещением и ориентацией зданий, а также их объемно-планировочными решениями.

Оптимальный инсоляционный режим достигается путем прямого солнечного облучения в необходимом количестве, поскольку избыточная инсоляция может вызвать и отрицательные воздействия:

- относительный перегрев поверхностей пола, стен, оборудования и т.п.;

- явление блескости при отражении лучей от гладкой поверхности;

Требования к ограничению избыточного теплового и слепящего действия инсоляции на человека и окружающую его среду распространяются на:

- жилые комнаты и кухни квартир, спальные комнаты общежитий, помещения общественных зданий, детских дошкольных учреждений, учебные помещения общеобразовательных школ, школ-интернатов, ПТУ и других средних специальных учебных заведений, лечебно-профилактических и оздоровительных учреждений и т.п.

- территории жилой застройки, где защита от перегрева должна быть предусмотрена не менее чем для половины игровых площадок, мест размещения игровых устройств, спортивных снарядов и скамей для отдыха или не менее чем для двух третей тротуаров и пешеходных дорожек;

- жилых помещений и территорий, находящихся в Средней Азии.

Инсоляционный режим учитывается:

- при проектировании зданий и сооружений путем размещения и ориентации по сторонам света помещений, лоджий, веранд и т.п.

- при застройке территорий путем устройства между зданиями, расположения зеленых насаждений и выбором этажности застройки.

Требования к инсоляции не распространяются на проектирование застройки промышленных зон и производственных зон сельскохозяйственных предприятий.

Эффект солнечного облучения зависит от длительности процесса, поэтому инсоляцию измеряют в часах.

Продолжительность инсоляции в течение суток для каждой местности определяется временем движения солнца по небосводу (рис. 3.43).

Траектория движения солнца и период суточной инсоляции для каждой географической широты и для каждого времени года различны: в северных районах траектория более пологая и протяженная, в южных - более крутая и короткая.

Горизонтальные углы положения солнца определяются азимутами (А_о), т.е. углом между плоскостью меридиана и вертикальной плоскостью, проходящей через солнце. Азимут отсчитывается от южной части меридиана по часовой стрелке (на запад) от 0⁰ до 360⁰ или в двух направлениях (на запад и восток) от 0⁰ до 180⁰ с обозначением «юго-западный» и «юго-восточный».

Рис. 3.43. Видимый путь солнца и облучение здания для периода равноденствия

Возвышение солнца над горизонтом измеряется вертикальным углом, образованным линией луча солнца к точке на земле и проходящей через нее горизонтальной линией в той же вертикальной плоскости (h₀).

Траектории солнца в характерные для летнего солнцестояния, весенне-осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния для географической широты Москвы ( = 56⁰ с.ш.) показаны на рис. 3.44. Из рисунка следует, что склонение солнца весной и осенью равно нулю и определяет высоту солнца (h₀) в полдень, а летом и зимой склонение солнца в полдень равно соответственно +23,5 и -23,5⁰.

Рис. 3.44. Траектория солнца в течение характерных дней года и способ определения его положения в полдень в дни летнего и зимнего солнцестояний при заданной географической широте

Дни, характеризующие инсоляцию для различных периодов времени года, принимают: 22 июня - день летнего солнцестояния; 22 марта и 22 сентября - дни весеннего и осеннего равноденствия; 22 декабря - день зимнего солнцестояния.

В дни осеннего и весеннего равноденствия продолжительность инсоляции составляет 12 ч, так как в эти дни солнце восходит точно на востоке и заходит на западе, описывая дугу в 180⁰. Продолжительность теплового воздействия инсоляции на помещения и территории определяется на день летнего солнцестояния - 22 июня.

В дни равноденствия при ориентации плоскости фасада здания на юг период активной инсоляции составляет 8-10 ч, на восток или запад - 3,5-4 ч. В дни летнего солнцестояния в каждой географической широте солнце проходит наивысшую траекторию.

В дни зимнего солнцестояния солнце проходит наинизшую траекторию, солнечные лучи косо пересекают большой слой атмосферы и полезное воздействие инсоляции значительно сокращается.

Продолжительность инсоляции для помещений жилых и общественных зданий, детских и дошкольных и школьных учреждений, а также их территории нормируется. Норма зависит от типа квартир, функционального назначения помещений, планировочных зон города и географической широты местности.

Согласно СНиП 2.07.01-89* «Планировка и застройка городских и сельских помещений» нормируемая продолжительность непрерывной инсоляции жилых помещений и территорий (за исключением детских дошкольных учреждений, общеобразовательных школ и школ-интернатов) должна составлять:

-для северной зоны (севернее58^о с.ш.) – не менее 3 часов в день с 22 апреля по 22 августа;

-для 58^о с.ш. и южнее – не менее 2,5 часов в день на период с 22 марта по 22 сентября.

Продолжительность инсоляции в жилых зданиях должна быть обеспечена не менее чем в одной комнате 1 – 3 –комнатных квартир и не менее чем в двух комнатах 4 и более -комнатных квартир.

В зданиях общежитий должно инсолироваться не менее 60% жилых комнат.

В условиях многоэтажной застройки, когда территория или здания частично облучаются с одноразовым перерывом, нормами предусмотрено увеличение суммарной инсоляции на 0,5 ч, а в условиях плотной и исторически ценной застройки максимальную продолжительность инсоляции допускается сократить, но не более чем на 0,5 ч в течение дня для каждой зоны.

В центральной части и исторических зонах города в жилой застройке должна обеспечиваться 1,5-часовая инсоляция территории и не менее чем одной комнаты, независимо от числа комнат в квартире, на период с 22 апреля по 22 августа.

По согласованию со службой Госсанэпиднадзора допускается сокращение нормативной инсоляции до 1ч при обоснованиях, связанных с условиями сохранения исторической планировки и застройки и при компенсации повышенной комфортности за счет кубатуры и площади квартир.

Все жилые секции в соответствии с этими нормами делятся на секции ограниченной и неограниченной ориентацией. Если планировка секции включает однокомнатные квартиры или двухкомнатные квартиры односторонней ориентации, то эта секция называется секцией ограниченной ориентации. Квартиры в такой секции нельзя располагать окнами на секторы горизонта 45 – 75^о и 285 – 315^о.

В зонах с жарким климатом, расположенных в III-IV климатических районах, не допускается ориентация квартир, в которых все окна жилых комнат выходят на одну сторону дома в пределах сектора горизонта 200 – 290^о.

Указанная ориентация допускается в III-IV климатических районах в одно и двухэтажных домах, в которых все окна и балконные двери оборудованы наружными регулируемыми солнцезащитными устройствами.

В общественных зданиях, размещенных в IV климатическом районе, при ориентации окон и балконных дверей на сектор горизонта в пределах 200-290^о, необходимо устраивать солнцезащитные устройства. В случае применения в общественных зданиях повышенного остекления наружных стен, солнцезащитные устройства должны предусматриваться для помещений с ориентацией на 200 - 290^о во всех климатических районах, расположенных южнее 58^о с. ш.

Ориентация и размещение детских дошкольных учреждений, общеобразовательных школ, школ-интернатов должны обеспечивать непрерывную 3 часовую продолжительность инсоляции в помещениях. Минимальное расстояние от детских учреждений до жилой застройки по условиям освещенности допускается принимать равным 1,8 высоты противостоящего здания при двустороннем освещении детских комнат.

В помещениях производственных зданий с постоянным пребыванием рабочих, выполняющих работы I – IV зрительных разрядов, необходимо для III и IV климатических районов предусматривать солнцезащитные устройства.

В климатических зонах с умеренным климатом, где опасность перегрева практически отсутствует, здания на местности следует располагать так, чтобы максимально увеличить продолжительность инсоляции.

Расстояния между жилыми и общественными зданиями должны определяться требованиями обеспечения нормируемой инсоляции и нормами освещенности. По условиям освещенности допускается принимать минимальные расстояния между жилыми зданиями в соответствии с этажностью противостоящего здания согласно табл. 3.43.

В том случае, когда между торцами зданий отсутствуют окна из жилых комнат расстояния между ними принимают по нормам противопожарных требований. Для домов протяженностью менее 150 м расстояния определяют интерполяцией между данными пп. 1 и 2 табл. 3.43.

При расположении третьего здания перпендикулярно торцам двух параллельно стоящих зданий расстояние между последними должно быть увеличено на 20%.

В условиях реконструкции с преобладанием плотной застройки расстояния между зданиями допускается уменьшить с соблюдением норм естественной освещенности.

При сложной конфигурации зданий расстояния между ними определяют по расчету с учетом норм естественной освещенности.

Таблица 3.43

Расстояния между жилыми зданиями по условиям естественной освещенности

при высоких коэффициентов отражения фасадов

Нормируемые расстояния	При этажности
Между длинными сторонами зданий протяженностью 150 м и более	-
Между зданиями башенного типа протяженностью не более 50 м
Между длинными сторонами зданий и торцами зданий с окнами

Расчеты инсоляции и эффективности солнцезащитных устройств осуществляются по так называемому расчетному времени суток и года, которые зависят от географического района строительства. За расчетное время принимается:

а) при необходимости устранения перегрева помещений - средний период жарких месяцев года при среднемесячной температуре наружного воздуха t = 22 ^оС;

б) при определении максимальных теплопоступлений в помещениях с кондиционированием воздуха - наиболее жаркий месяц года (по среднемясячной температуре наружного воздуха);

в) при устранении ослепляющего действия инсоляции - рабочее время суток и года в зависимости от назначения помещения.

Оценка условий инсоляции зданий и территорий городской застройки, а также для решения вопросов инсоляции при проектировании населенных мест и отдельных зданий осуществляется с помощью инсографиков, светопланометров, климаграмм, ЭВМ и т.п.

На рис. 3.45 приведен общий вид накладного инсоляционного графика (инсографик) для определения условий инсоляции и построения теней методом проекций с числовыми отметками.

Рис. 3.45. Инсоляционный график для расчета продолжительности инсоляции и построения теней

Инсографик представляет собой горизонтальную проекцию наклонной плоскости сектора небосвода. Параллельные линии на графике являются горизонталями этой плоскости, превышение которых отсчитываются от нулевой горизонтали, проходящей через расчетную точку О. Сходящиеся в этой точке азимутальные линии представляют собой проекции секторальных углов наклонной плоскости.

Построение инсографика для дня равноденствия производится следующим образом (рис. 3.46, а).

Проводятся две взаимно перпендикулярные линии mn и kl и вокруг точки их пересечения О вычерчиваются полуокружности радиусом 6-10 см. Через точку О проводится прямая линия AS под углом j (географическая широта, град) к прямой mn. Из точки A пересечения прямой AS с полуокружностью опускается перпендикуляр AB на прямую kl и из точки О вычерчивается четверть окружности BM с радиусом OB.

На четверти окружности kNn наносится шкала секторальных углов с градацией через 5^о. На отрезках радиальных прямых, заключенных между дугами kNn и BMc, строятся прямоугольные треугольники вида MNR.

Вертикальные катеты треугольников проводятся из точек внешней дуги kNn, горизонтальные – из точек внутренней дуги BMc. Через вершины прямых углов треугольников и точку О проводятся азимутальные линии графика.

На линии mn, начиная от точки О, наноситя метрическая шкала превышений горизонталей наклонной плоскости с градацией через 1 см. Шкалу необходимо спроектировать на прямую OS и через полученные на ней засечки параллельно линии mn провести горизонтали графика. Цена делений горизонталей назначается в соответствии с масштабом чертежа генплана.

Рис. 3.46. Построение инсографика (а) и вид графика (б)

Правая часть графика будет симметрична построенной. График следует скопировать на кальку или какой-либо иной прозрачный материал (рис. 3.46, б).

Возможен второй вариант построения инсографика, основанный на графической модели небосвода, для дней равноденствия и угла географической широты места строительства здания (рис. 3.47).

Сущность построения заключается в следующем:

- на бумаге изображают разрез небосвода по меридиану С - Ю в виде полусферы радиусом R = 1 (рис. 3.47, а);

- от вертикальной линии OZ откладывают в сторону юга угол ^о, обозначающий географическую широту места строительства здания;

- из точки О под углом ^о проводят наклонную линию до пересечения с полуокружностью. Точка пересечения означает положение солнца в дни равноденствия, а наклонная линия является вертикальной проекцией полуденного солнечного луча, лежащего в плоскости солнечной траектории. Угол между наклонной линией и линией горизонта показывает высоту стояния солнца h_о в этот момент.

Рис. 3.47. Вариант построения инсоляционного графика для широты jо: а- разрез небосвода; б - план небосвода; в - вид инсогрфика

Под чертежом разреза небосвода изображают план небосвода как окружность с

R = 1 с центром О, на которой указывают стороны горизонта - В, Ю, З, С (рис. 3.47, б). На южный меридиан (линия ОЮ) проецируют с разреза положение полуденного солнца и через точку пересечения проводят окружность радиусом r.

Сектор ЮВ горизонтальной проекции небосвода делят на 6 равных частей по 15^о (угловая скорость движения солнца - 15^о в час, время с восхода до полудня - 6 ч) и через полученные точки и центр О проводят радиальные линии. Для крупномасштабного графика сектор ЮВ можно разделить на 12, 15 или 24 части соответственно через 30, 20 или 15 мин).

Из точек пересечения радиальных линий с внешней и внутренней окружностей проводят линии, параллельные линиям С- Ю и В - З, и получают, таким образом, небольшие прямоугольные треугольники, вершины прямых углов которых являются горизонтальными проекциями солнца через каждый час. Вершины прямых углов соединяют жирными линиями с центром О, которые являются горизонтальными почасовыми проекциями солнечных лучей, необходимыми для построения инсографика.

На линии ОZ через 1 см проводят горизонтальные линии до пересечения с наклонной линией проекции полуденного солнечного луча и через полученные точки пересечения опускают перпендикуляры на план небосвода, которые являются метрической шкалой превышений вспомогательных горизонталей наклонной плоскости солнечной траектории над исследуемой точкой на данной широте и служат для определения длины теней. Цену расстояния между параллелями назначают в соответствии с масштабом генерального плана архитектурного чертежа.

Горизонтальные проекции дополуденных солнечных лучей (с 6 до 12 ч) зеркально переносят в послеполуденную область (сектор ЮЗ плана небосвода) и обозначают часы дня (с 12 до 18 ч). Убирают вспомогательные линии построения инсографика, а сам график выполняют тушью на кальке.

Для упрощения построенный разрез и план небосвода можно совместить и этим облегчить работу по построению инсографика (рис. 3.47, в).

Расчеты по определению продолжительности инсоляции следует производить непосредственно на плане застройки с помощью накладного инсографика, показанного на рис. 3.46 или 3.47.

В расчетах продолжительности инсоляции не учитывается первый час после восхода и последний час перед заходом солнца.

Расчетные значения продолжительности инсоляции округляются до 5 минут. Допускается погрешность при расчете продолжительности инсоляции – 10 минут.

Примеры определения продолжительности инсоляции точки и построения теней от объекта на горизонтальной поверхности приведены в приложении (7).

При проектировании и реконструкции городской застройки, насыщенной зданиями разной этажности и сложной конфигурации, графические методы определения инсоляции зданий и территории с помощью инсографиков, вызывают значительные затраты времени и определенные затруднения.

Для решения этих вопросов наиболее предпочтительным является метод моделирования условий инсоляции на макетах застройки с помощью установки моделирования инсоляции «Инсолятор», (рис. 3.48) состоящей из трех основных частей:

- «искусственного солнца» в виде прожектора с параболическим зеркальным отражателем в защитном кожухе на поворотной штанге с противовесом. Наклон штанги прожектора устанавливают по шкале вертикальных углов солнца от 0 до 90^о;

- «искусственной земли» в виде поворотного стола со шкалой азимутальных углов от 0 до 180^о, отсчитываемых от юга;

- ручного приводного механизма управления «искусственным солнцем».

Моделирование условий инсоляции производится на макете застройки, выполняемой в определенном масштабе, путем освещения ее лучами «искусственного солнца».

Поворотный стол позволяет установить макет застройки согласно заданной географической широте, месяцу года и часам суток, что позволяет визуально оценить ход светотеневых градаций на земле и фасадах противостоящих зданий и, таким образом, экспериментально определить оптимальное по условиям инсоляции решение градостроительной ситуации.

Рис. 3.48. Общий вид инсолятора:

1 – «искусственное солнце»; 2 – «искусственная земля»

С помощью инсолятора можно определить продолжительность инсоляции в помещениях и эффективность солнцезащитных устройств.

Наличие на специальном кронштейне фотоаппарата в зенитном над инсолируемым макетом положении позволяет получать наглядные фотографии суточного хода условий инсоляции исследуемой градостроительной ситуации зданий или отдельного помещения.