Человек на протяжении всей своей жизни стремится защититься от неблагоприятных погодных условий, освободиться от непосредственного влияния погоды. Для этого он создает для себя комфортные жилища с определенным микроклиматом внутри них. Однако погодно-климатические условия продолжают оставаться важнейшими среди факторов окружающей среды. Поэтому проектирование, строительство и эксплуатация различных сооружений требует знания особенностей климата и учета влияния климатических факторов. Среди них большая роль принадлежит солнечной радиации. Данные по радиационному режиму имеют большое значение при оценке энергетических возможностей района, корректировке санитарно-гигиенических норм, учете ультрафиолетовой радиации, освещенности.

Зимой солнечная радиация снижает теплопотери через ограждения, проникая через светопроемы, она может служить дополнительным источником отопления, что позволяет сократить продолжительность отопительного периода и дать для ряда районов заметный экономический эффект. Солнечная радиация может применяться и непосредственно для отопления зданий. Летом в южных широтах обилие солнечной радиации при высоких температурах воздуха отрицательно сказывается на теплоощущениях человека и поэтому для создания нормальных условий его жизнедеятельности необходимо принимать меры по снижению воздействия солнечной радиации на здания (теплоустойчивые ограждения, солнцезащитные устройства для светопроемов, охладительные и вентиляционные установки), что удорожает строительство и эксплуатационные расходы [1].

Для правильной оценки и учета как положительного, так и отрицательного воздействия солнечной радиации на здания и сооружения в комплексе с другими метеорологическими факторами или отдельно необходимо знать закономерности пространственно-временного распределения солнечной радиации по территории и прежде всего особенности радиационного режима вертикальных поверхностей.

В связи с обострением проблемы источников энергии возникает особенно актуальная необходимость оценки ресурсов солнечного тепла как гигантского источника энергии, использование которого не сопровождается загрязнением окружающей среды. Количество солнечной энергии, получаемой Землей, намного превосходит потребность человека в энергии, превышая по мощности примерно в 20000 раз все используемые в настоящее время источники энергии.

Цель данной работы – изучить облучение солнечной радиацией вертикальных стен зданий и его влияние на микроклимат жилых помещений в условиях Предбайкалья.

В отличие от своих далеких предков современный человек освободился от непосредственного влияния погоды, создав для себя с помощью разнообразного комфорта и центрального отопления климат. Тем не менее, погодно-климатические условия продолжают оставаться среди факторов окружающей среды во многом определяющих комфортность существования человека на протяжении всей его жизни. Как известно, основной ограничивающий фактор для проживания человека – это температура воздуха. Верхний предел возможных для относительно постоянного проживания – среднегодовых максимальных температур составляет около 55° С, нижний – порядка около –60° С. Зоной климатической комфортности считается узкий интервал температуры воздуха около 20–25°С, который зависит от воздействия на температуру влажности и ветрового режима. Проживание при температуре выше или ниже этих пределов требует дополнительных условий (постоянное утепление или охлаждение кондиционированием) в сооружении и эксплуатации жилищ, выполнение норм питания и особенно его калорийности. Исследование и районирование биотермических условий проживания и жизнедеятельности – весьма актуальная задача, особенно в холодных и жарких климатах. При создании определенных биоклиматических условий (благоустроенное жилище, орошение, искусственное отопление) резервным ареалом расселения человека – пустыни и полупустыни, север, речные бассейны в зоне влажных тропических лесов, высокогорные районы [2].

В процессе адаптации к прошлому и текущему климату помимо биологических существуют также небиологические – социально-бытовые факторы адаптации (достаточное питание, средства медицинской профилактики, инженерные сооружения, различные виды общественной производственно-технической деятельности человека). Эти небиологические приспособления в общем ориентированы на защиту человека от суровой, холодной или жаркой погоды и в конечном итоге направлены на достижение состояния и поддержание постоянства физиологического комфорта. Среди них особое место занимает жилище человека, в котором он проводит большую часть своей жизни, трудится, отдыхает.

Основная задача – сохранение или получение дополнительного тепла в холодных климатах и для ограничения в жарких климатах через усиление составляющих теплоотдачи, в том числе применение искусственных приспособлений внутри и вне помещений (дома с толстыми стенами, с вентиляцией под крышей и через окна, с навесами, карнизами на крышах, из стройматериалов, увеличивающих отражение солнечной радиации). Особенности жилых помещений в жарких климатах – широкие проемы в стенах для постоянного проветривания.

Таким образом, жилище выступает как искусственный способ направленной адаптации и служит для защиты от неблагоприятных условий.

Известно [1], на жилище человека оказывают влияние многие метеорологические факторы. Прежде всего, это температура воздуха. Она является важнейшим климатическим фактором, влияющим на проектирование, обустройство и эксплуатацию жилищ. При среднесуточной температуре воздуха 21° С уже возможен перегрев помещений, а более 24–28° С начинается перегрев человека. Поэтому в этом случае необходима защита от Солнца, использование вентиляции не только в действующем помещении, но и на территории застройки. При температуре ниже +8°С необходимо отопление помещений. Температурный режим определяет систему первонеобходимых требований к изоляции жилых помещений и типологические требования к жилищам. При проектировании и архитектурно-планировочных решениях большое значение приобретают годовая и суточная амплитуды наружной температуры.

Влажность воздуха менее 30 % и более 70 % неблагоприятна для человека. Высокая относительная влажность при положительных температурах может усиливать нагрузку на материалы жилища, вызывать появление сырости в помещении. При отрицательных температурах, когда влагосодержание воздуха незначительно, относительная влажность почти не оказывает влияния на человеческое жилище и приоритетное значение приобретает ветер.

Большую нагрузку на жилища оказывает ветер. Ветер, проникая через ограждения, создает в помещении потоки, которые усиливаются ростом скорости ветра. Ветер скоростью 5–10 м/с приводит к значительной инфильтрации наружного воздуха через ограждающие конструкции, при ветре более 10 м/с необходимо укреплять внешние элементы здания, в особенности оконные переплеты, солнцезащитные и противодождевые устройства.

Солнечная радиация. Ее эффект прежде всего проявляется в дополнительном нагреве помещений. Общая сумма, получаемой жилищами солнечной радиации, распределение ее по отдельным направлениям, интенсивность радиации в отдельные часы суток – все это в значительной степени зависит от ориентации здания, положения его в системе застройки и ограждающего ландшафта. Для обогрева жилищ, прежде всего, важны суточные суммы прямой солнечной радиации, поступающей на поверхность стен разной ориентации. Рассеянная солнечная радиация по вертикальным поверхностям распределяется сравнительно равномерно и ее влияние на микроклимат помещений малосущественно. Влияние отраженной радиации зависит от альбедо поверхностей, окружающих здание.

При разной ориентации световых проемов здания влияние солнечных лучей на микроклимат помещений будет различным: на севере в полярных широтах наибольшее количество прямых солнечных лучей летом попадает в помещение с окнами на юг, юго-восток, а на юге Средней Азии в помещения с окнами на восток [1].

Дополнительный тепловой эффект, получаемый от солнечной радиации стеной здания можно оценить по формуле А.М. Шкловера условной температуры [1]

t_усл = t_н + р*Q_в/К_н,

где t_н – температура наружного воздуха; Q_в – суммарная радиация на вертикальную поверхность; р – коэффициент поглощательной способности стены, К_н = 20 ккал/час*м²*град – коэффициент теплообмена между наружной поверхностью и наружным воздухом, зависящий от скорости ветра.

Для получения количественной оценки температурной поправки ∆t_С за счет солнечной радиации может быть использована зависимость между величиной поглощенной радиации (В_в) и величиной самой поправки.

∆t_С = 0,04 В_в – 0,8, где

В_в = Q_в (1 – А_С), в котором

Q_В – суммарная радиация на вертикальную поверхность;

А_С – альбедо стены;

В – индекс вертикальности.

При положительных температурах t_С и t_усл могут различаться на 1–2° С, при отрицательных – на 0,5–0,7° С.

Солнечная радиация компенсирует некоторым образом теплопотери здания. В зимние месяцы количество тепла, поступающего от Солнца, мало и уменьшение теплообмена небольшое. В марте добавка тепла в здание за счет радиации 10–14° C, в июле – более 20° С. Дополнительное тепло, проникающее в здание под влиянием лучистых потоков, уменьшает теплопотери за счет пониженной температуры воздуха в среднем на 30–40 %, а в Приморье – до 60 %. На большей территории России здания получают 140–150° С за год дополнительного тепла от Солнца.

Зная средние значения температуры за год и средние значения прямой солнечной радиации, поступающей на вертикальные поверхности разной ориентации, на территории Предбайкалья (Ербогачен, Иркутск, Хужир), коэффициент поглощательной способности стены примем равным 0,7 и вычислим дополнительный тепловой эффект, получаемый стенами зданий для каждой станции:

При проведении сравнительной оценки лучистого теплообмена зданий на территории Предбайкалья (Ербогачен, Иркутск, Хужир) нами были получены следующие результаты:

1. В Ербогачене среднегодовой дополнительный тепловой эффект, получаемый стенами зданий за счет потока прямой радиации, составляет для северной стены 0,09° С, для северо-восточной – 0,42° С, для восточной – 0,93 ° С, для юго-восточной – 1,52° С и для южной – 1,69° С.
2. В Иркутске среднегодовой дополнительный тепловой эффект, получаемый стенами зданий за счет потока прямой радиации, составляет для северной стены 0,1° С, для северо-восточной – 0,42° С, для восточной – 1,11° С, для юго-восточной – 1,9° С и для южной – 2,23° С.
3. В Хужире среднегодовой дополнительный тепловой эффект, получаемый стенами зданий за счет потока прямой радиации, составляет для северной стены – 0,12° С, для северо-восточной – 0,53° С, для восточной – 1,23° С, для юго-восточной – 2,17° С и для южной – 2,21° С.

Таким образом, в целом дополнительный тепловой эффект весьма является существенным для юго-восточно- и южно ориентированных стен, составляя в среднем 2° С, незначителен для северо-восточно- и северно-ориентированных стен – всего 0,3° С, а для восточно-ориентированных стен величина дополнительного теплового эффекта равна 1,1° С.

Т.А. Липатова, И.А. Семкович

Литература:

1. Гандин Л.С. Влияние метеорологических факторов на тепловой режим зданий // Тр. ГГО, 1970. – 208 с.
2. Исаев А.А Экологическая климатология. Учебное пособие для георг. гидромет. экол. спец. вузов и колледжей. 2-е изд. – М.: Научный Мир, 2003. – 472 с.
3. Кондратьев К.Я., Пивоварова З.И., Федорова М.П. Радиационный режим наклонных поверхностей – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 215 с.
4. Пивоварова З.И. Характеристика радиационного режима на территории СССР применительно к запросам строительства // Тр. ГГО, 1973. – Вып. 321. – 123 с.