Инсоляционные расчеты

Оптимальный инсоляционный режим обеспечивается путем прямого солнечного облучения в необходимом количестве и в заданное время. При проектировании градостроительной ситуации, зданий и помещений возникает необходимость в определении условий инсоляции и ее оптимизации. Это достигается посредством проведения инсоляционных расчетов.

Расчеты инсоляции обычно охватывают решение задач трех основных типов.

1. Нахождение временных характеристик инсоляции (продолжительность (начало и конец) инсоляции или затенения помещений, фасадов, участков территорий и т.д.).

2. Установление геометрических характеристик инсолируемых или затеняемых участков (построение частных и суточных конвертов: тени от зданий на генеральном плане и инсоляции на рабочих плоскостях в помещениях).

3. Определение затенения помещения окружающей застройкой, нахождение приемлемых расстояний между зданиями, расчет СЗУ.

Расчеты выполняют с помощью следующих методов: аналитически и графически с использованием диаграмм, таблиц и графиков. Кроме того, эти задачи могут быть решены экспериментально в лабораторных или натурных условиях.

Условия инсоляции определяются методом проекций с числовыми отметками. Если проследить суточный ход тени от стержня, поставленного в центре небесной полусферы, то можно заметить, что в день летнего или зимнего солнцестояния (21 июня и 21 декабря) тень от верхней точки стержня будет криволинейной (рис. 34 а, б). в период же весенне-осеннего равноденствия (21 марта и 23 сентября) она будет представлять прямую линию, параллельную прямо, соединяющей точки восхода и захода Солнца (рис. 34 в).

Рис.34. Суточный ход тени от вертикального стержня:

а – лето; б – зима; в – весна-осень.

На основании этого можно построить графики суточного хода тени от вертикального стержня различной высоты для различных периодов. При построении таких графиков пользуются таблицей координат Солнца. Из центра графика проводят лучи под углами, соответствующими азимутам в дневные часы суток, и от центра откладывают на них отрезки, равные котангенсу высоты стояния Солнца в соответствующий час. Такие графики могут быть построены для различных широт в требуемых масштабах (обычно 1:100 или 1:1000). На представленном рисунке 35 показаны графики для 48º с.ш. в масштабе 1:100.

Рис.35. Инсоляционные графики («солнечные транспортиры») для инсоляционных расчетов на период: а – летнего солнцестояния; б – зимнего солнцестояния; весенне-осеннего равноденствия (φ = 48° с.ш.)

Учет времени

При выполнении инсоляционных расчетов принимается солнечное или местное время, которое изменяется для мест, расположенных на разной долготе, - 1º долготы соответствует 4 минутам времени.

Весь земной шар разделен на 24 часовых пояса. При этом разность градусов долготы границ каждого пояса составляет 15º, т.е. один час. Время в пределах одного пояса – поясное время – принимается постоянным и соответствует местному времени меридиана, проходящего по середине пояса. Следовательно, в пределах часового пояса местное время может изменяться от 0 до +30 мин к западу от среднего меридиана пояса и от 0 до -30 мин к востоку от этого меридиана. В 1930 г. Во всех поясах бывшего СССР (а всего их 11) время было переведено на 1 ч вперед для более рационального использования естественного освещения – это декретное время, которое используется в быту. В инсоляционных расчетах время следует согласовывать с ним. Для этого необходимо к поясному времени прибавить 1 ч и поправку на местное время в пределах часового пояса.

Пример. Установить значение декретного времени для 12 часов местного времени в г. Донецке, который находится на 38º западной долготы, т.е. в третьем часовом поясе.

Средний меридиан этого пояса проходит по 45º западной долготы. Донецк отстоит от этого меридиана на 7º к западу, т.е. отстает от поясного времени на:

7 × 4 = 28 мин + 1час = 13 ч 28 мин.

Если инсоляционные расчеты проводятся на период с 1 апреля по 1 октября, следует внести еще сезонную поправку, т.е. прибавить еще 1 час. В итоге декретное время на этот период расчета в г. Донецке составит:

13 ч 28 мин + 1 ч = 14 ч 28 мин.

Способ построения инсоляционного графика для весенне-осеннего равноденствия

Для большинства случаев анализа условий инсоляции территории можно пользоваться графиком, который соответствует периоду равноденствия. Поэтому в качестве примера рассмотрим способ построения инсоляционного графика для весенне-осеннего равноденствия.

Данный график (рис.35 в) представляет собой горизонтальную проекцию наклонной плоскости сектора небосвода. Параллельные линии на графике являются горизонталями этой плоскости, превышения которых отсчитываются от нулевой горизонтали, проходящей через расчетную точку О. Сходящиеся в этой точке азимутальные линии представляют собой проекции секторальных углов наклонной плоскости.

Построение данного графика основано на графической модели небосвода (рис.32) и заключается в следующем.

1. Изобразить разрез небосвода вертикальной плоскостью, проходящей через меридиан С - Ю, как полусферу радиусом R = 1 (рис.36 а).

2. От вертикали, проходящей через центр полусферы О и зенит Z в сторону юга, отложить угол φ°, обозначающий географическую широту места. На пересечении проведенной из точки О наклонной линии с полуокружностью находится положение Солнца в 12 часов в дни равноденствия. Наклонная линия является вертикальной проекцией полуденного солнечного луча, лежащего в плоскости солнечной траектории, а угол между ней и линией горизонта показывает высоту стояния Солнца h_о в данный момент времени.

3. Изобразить план небосвода как окружность с R = 1 с центром О (рис.36 б). Указать стороны горизонта – В, Ю, З, С. Спроецировать на южный меридиан с разреза на план положение Солнца и через эту точку провести окружность радиусом r.

4. Разделить сектор ЮВ горизонтальной проекции небосвода на 6 равных частей по 15° (угловая скорость движения Солнца - 15° в час, время с восхода до полудня – 6 ч) и провести радиальные линии (для крупномасштабного графика этот сектор можно разделить на 12, 15 или 24 части соответственно через 30, 20 или 15 минут).

5. Из точек пересечения этими радиусами внешней и внутренней окружностей провести линии, параллельные линиям С – Ю и З – В, построив таким образом небольшие прямоугольные треугольники. Вершины прямых углов являются горизонтальными проекциями Солнца через каждый час.

Все эти построения вспомогательные и выполняются тонкими линиями.

Рис.36. Этапы построения инсоляционного графика для широты φ°: а – разрез небосвода (ЛГ – линия горизонта); б – план небосвода; в – общий вид инсографика (совмещен с линиями построения)

6. Через полученные точки проекций Солнца и центр О провести жирные линии, которые являются горизонтальными почасовыми проекциями солнечных лучей, необходимых для построения графика.

Для упрощения построений разрез и план небосвода можно совместить (рис.36 в).

7. На линии OZ нанести деления через 1 см (для подробного графика – через 1 или 2 мм) и провести горизонтальные линии до пересечения с проекцией полуденного луча. Через точки пересечения провести линии, параллельные направлению В – З на плане небосвода. Эти параллели являются метрической шкалой превышений вспомогательных горизонталей наклонной плоскости солнечной траектории над исследуемой точкой на данной широте и служат для определения длины теней. Цена расстояний между параллелями назначается в соответствии с масштабом архитектурного чертежа.

8. Горизонтальные проекции дополуденных солнечных лучей (с 6 до 12 ч) зеркально перенести в послеполуденную область (сектор ЮЗ плана небосвода) и обозначить часы дня (с 12 до 18 ч).

График выполняется тушью на кальке или прозрачной пленке, вспомогательные линии построения стираются.

Примеры решения инсоляционных градостроительных задач

Рассмотрим некоторые задачи использования данного инсографика.

Задача 1. Определить суточный ход тени от вертикального стержня высотой 10 м.

Совмещаем центр графика с проекцией стержня на плане (рис.37) и сориентируем полуденную линию графика (12 часов) по меридиану С – Ю. На пересечении часовой линии (например, 10 часов) с горизонтальной линией высот (10 м в масштабе 1:100) найдем точку конца тени. Соединив эту точку с горизонтальной проекцией стержня, получим положение и длину тени, например, в 10 часов

Рис.37. Тень от вертикального стержня высотой 10 м (к задаче 1)

Примем продолжительность инсоляции открытого пространства с 7 до 17 часов. Полагаем, что в часовом интервале после восхода и до захода Солнца действие инсоляции ничтожно. Определив, длину тени в 7 и 17 часов, как уже описано выше для 10 часов, соединим линией концы этих теней. Полученный треугольник соответствует площади тени за время инсоляции (рис.37).

Задача 2. Определение продолжительности инсоляции точки на горизонтальной поверхности (рис.38).

Рис.38. Инсоляция точки при наличии здания (к задаче 2)

Точка О графика совмещается с заданной точкой, а сам график ориентируется по направлению север-юг. Высота затеняющего здания Н_зд, т.е. превышение его карниза над заданной точкой, составляет 25 м.

На графике отмечается горизонталь, соответствующая высоте здания, т.е. горизонталь 25 м в выбранном масштабе чертежа и графика.

Затенение заданной точки О всегда происходит только от той части здания, которая находится между отмеченной горизонталью и этой точкой (на схеме заштрихована). В данном случае т. О будет затенена с 9 часов до 11 часов 30 минут.

Следовательно, заданная точка в дни равноденствия будет инсолироваться дважды в сутки: с 7 до 9 часов и с 11ч 30 мин до 17 часов (по нормам инсоляции, как уже отмечалось, первый час после восхода Солнца и последний час перед его заходом в расчет не принимаются).

На градостроительной ситуации, представленной на рис.39, инсоляция расчетной точки О осуществляется трижды в течение дня в пределах углов α_о,так как здание ІІ и часть здания ІІІ оказывают на нее затеняющее действие (в пределах углов α_з). Здание І не оказывает затеняющего действия на т.О, так как оно находится за пределами линии Н_зд. Этот случай имеет место тогда, когда все здания одной высоты. При зданиях разной высоты, для каждого здания будет своя линия Н_зд.

Рис.39. Инсоляция точки при наличии нескольких зданий (к задаче 2).

Задача 3. Построение теней от здания на горизонтальной плоскости (рис.40).

Рис.40. Построение контура теней от здания («конверт теней»)

При построении теней график располагается с разворотом на 180° по отношению к предыдущему случаю. На плане объекта выбирается какой-либо внешний угол, который совмещается с точкой О графика. Азимутальные линии показывают направление теней от данного угла здания в соответствующие часы дня.

Горизонталь, соответствующая высоте здания, например 25 м, показывает длину теней в различные часы дня (в дни равноденствия тень перемещается на горизонтальной плоскости по прямой линии с запада на восток).

Графический метод определения продолжительности инсоляции помещений

Из всех известных графических методов наибольшей универсальностью отличается метод Б.А. Дунаева.

Для использования этого метода строится солнечная карта (рис.41), которая представляет собой горизонтальную проекцию сферической координатной сетки, состоящей из меридианов (радиусы для определения азимута Солнца) и параллелей (концентрические окружности, служащие для отсчета высоты стояния Солнца). На полученную таким образом координатную сетку наносится горизонтальная проекция траектории видимого движения Солнца, соответствующего определенному месяцу года на заданной широте.

С помощью солнечной карты можно определять продолжительность инсоляции точки, находящейся на вертикально плоскости фасада. Например, точка, расположенная на северном фасаде (h = 180^о), будет инсолироваться в июне на 48^о с.ш. дважды в сутки со времени восхода до 7 ч. 30 мин. и с 16 ч 30 мин до захода Солнца. В марте, сентябре, декабре фасадная плоскость с данной ориентацией инсолироваться не будет. Если же фасад будет ориентирован на юго-запад (h = 45^о), то инсоляция в июне будет длиться с 10 ч. 15 мин. и до захода Солнца.

Для определения продолжительности инсоляции в условиях городской застройки, создающей затенение рассматриваемого помещения, а также для учета инсоляционных особенностей светопроемов кроме солнечной карты необходимо иметь вспомогательную контурную сетку (рис. 42). Она представляет собой систему радиальных линий (линии пересечения вертикальных плоскостей, проходящих через данную точку и, например, через вертикальную грань окна, с горизонтальной плоскостью) и систему плановых кривых, соответствующих в натуре горизонтальным линиям границ затеняющих объектов. С помощью контурной сетки строится картограмма контуров объектов, ограничивающих инсоляцию (рис.43 и 44).

Полученную таким образом картограмму контура окна, выполненную на кальке, совмещают с солнечной картой. Отрезки траектории видимого движения Солнца (рис.45), ограниченные картограммой контура затенения, определяют продолжительность инсоляции. С по-

	Рис. 42. Вспомогательная контурная сетка: радиальные линии соответствуют в натуре вертикальным линиям; кривые линии соответствуют в натуре горизонтальным линиям затеняющих объектов (окна помещений, противостоящие здания и др.)		Рис.43. Картограмма контуров затенения окна с вертикальным углом раскрытия 70^о и горизонтальным углом раскрытия 120^о (жирные линии)

	Рис.45. Совмещение картограммы контура окна юго-восточной ориентации с солнечной картой

мощью этого рисунка можно проанализировать продолжительность инсоляции помещения при различных условиях.

Если окно лишено СЗУ и отсутствуют противостоящие затеняющие здания, то продолжительность инсоляции в июне на 48^ос.ш. составит 6 ч и будет длиться от 6 ч. утра до 12 дня. В

марте и сентябре инсоляция будет длиться от момента восхода Солнца (6 часов) до 12 ч. 50 мин., т.е. продолжительность инсоляции составит 6 ч. 50 мин. В декабре – от момента восхода (8 ч.) до 13 ч., т.е. 5 ч.

Если окно будет снабжено горизонтальным козырьком, уменьшающим вертикальный угол раскрытия до 50^о (рис.44), то инсоляция в июне составит 3 ч. 30 мин., т.е. с 6 ч. утра до 9 ч. 30 мин. В марте и сентябре козырек уменьшит инсоляцию всего на 20 мин. В декабре козырек на длительность инсоляции влияния не окажет.

Если окно будет снабжено вертикальными ребрами, уменьшающими горизонтальный угол раскрытия проема до 100^о, то инсоляция в июне начнется не в 6 ч., а в 7 ч. 10 мин. И будет длиться до 12 часов, т.е. продолжительность составит 4 ч. 50 мин.

Если окно затеняется противостоящим зданием, уменьшающим вертикальный угол раскрытия проема на 30^о, то в июне продолжительность инсоляции уменьшится всего на 40 мин. В марте и сентябре инсоляция начнется примерно в 9 ч. 30 мин., закончится в 12 ч. 45 мин., т.е. будет длиться 3 ч. 15 мин. В декабре в результате затенения противостоящим зданием помещение инсолироваться не будет.

Лекция № 11

Дата добавления: 2014-01-20