Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Архитектурная климатография

Скорость и направление ветра

Ветровой режим считается одной из наиболее важных климатических характеристик местности. От скорости и направления ветра зависят аэрация городской застройки, ее ветровой комфорт, условия естественной вентиляции зданий, их теплопотери и другие процессы, определяющие архитектурно-планировочные и типологические особенности зданий и морфотип застройки.

Физическая сущность. Ветром называется движение воздуха относительно земной поверхности. Как правило, имеется в виду (и измеряется на метеостанциях) горизонтальная составляющая движения. С архитектурно-строительной точки зрения такого подхода не всегда достаточно. Целый ряд очень важных для воздушной среды внутри и снаружи здания явлений (например, тепловой напор внутри здания или восходящие и нисходящие потоки вдоль фасадов зданий при их обтекании ветром) связан именно с вертикальным движением воздуха, о чем будет говориться ниже.

ВИЛЬНІ

МИНСК

КИЕВ^-І

в Л[1] •тд» X

^ ^Курск [ «РЯУ1М.

'«Белгород

. «Липецк С Воронеж •Тамбов ? Саранске

ІИЖНИЙ

еКуДЫМКвр /

^ Перме/ і о1

Краснодар^,-— ЧЦА|«Л N. у ДСтапрополі

^[1]ЧІр[1]ЄСО< О

Самара

Тагил <

Оренбург

АСТАІ

БАКУ

/ТАШКЕНТ

N • /

фрун:

ЗешугЬранца ИовОфа

Нофї'я Земля

Новосибирские

Жцгвиск

Тикси

О /

П-Ов/^амчати

.о. Сахалин

.Усты-К]

Ч о:'

Тында

Барнаул

% 3

( Кызыл,

Кайл ал

Государственная граница РФ Зоны: 1 Границы стран Балтии и СНГ 2

Границы зон влажности 3

влажная

нормальная

сухая

ІАНБЕ

Рис. 1.38. Карта зон влажности по СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий»

Ветер характеризуется вектором скорости, а следовательно, определяется скоростью и направлением. Когда говорят о скорости ветра, имеют в виду только числовое значение, т.е. путь, проходимый индивидуальным объемом воздуха за единицу времени относительно земной поверхности.

Для определения физиологической и биоклиматической комфортности архитектурной среды и определения ветровых нагрузок на здания также важно учитывать такие характеристики ветра, как его порывистость: скорость ветра в порывах и частоту их повторяемости.

Направление вектора скорости называется направлением ветра. За направление ветра принимается азимут точки, откуда дует ветер, отсчитываемой от точки севера через восток. Иными словами, если восточный экспресс или восточный фасад соответственно движется или ориентирован на восток, то восточный ветер, наоборот, дует с востока на запад.

Также для обозначения направления ветра указывают румб. В соответствии с ГОСТ «Климатология строительная» румб следует указывать по 16-румбовой системе, однако в большинстве климатических справочников, а также в СП «Строительная климатология» используется 8-румбовая система. Основными румбами являются: С (север), СВ (северо-восток), В (восток), ЮВ (юго-восток), Ю (юг), ЮЗ (юго-запад), 3 (запад), СЗ (северо-запад). В практических целях часто используют укрупненные понятия направления ветра — четверти. Например, если говорят, что в Москве зимой преобладают ветры юго-западной четверти, это значит, что сумма повторяемостей ветра ЮЗ и смежных с ним 3 и Ю румбов больше любой другой суммы повторяемостей румбов, образующих четверть круга.

Методы измерения. Измерение скорости ветра на метеостанциях производится за 10-минутный интервал непосредственно перед наступлением срока наблюдения. Также в период наблюдения определяются направление и максимальная скорость ветра. Между сроками наблюдений фиксируется только мгновенная максимальная скорость ветра. Точность измерения скорости ветра по приборам — 1 м/с, направление обычно измеряется с точностью до румба. Однако при расчетах средних скоростей ветра за какой-либо период (сутки, месяц, год) определение скорости в соответствии с ГОСТ «Климатология строительная» производится с точностью до 0,1 м/с.

Работа современных приборов для измерения характеристик ветра основана на применении вращающегося анемометра с автоматическим определением средней и максимальной скоростей ветра. Измерение направления ветра определяется по положению флюгарки, устанавливаемой в потоке под действием самого потока воздуха. Такой дистанционный прибор называется анеморумбоме-тром (рис. 1.39).

Анеморумбометр

Рис. 1.39. Анеморумбометр

Принцип действия анеморумбометра основан на преобразовании направления и скорости ветра в электрические величины. В комплект прибора входит датчик (/), измерительный пульт (2) и блок питания (3). Датчик состоит из обтекаемого корпуса, вращающегося вокруг вертикальной неподвижной стойки. В конце корпуса находится флюгарка (5), а в начале — четырехлопастной винт (4) с горизонтальной плоскостью вращения, которая с помощью флюгарки устанавливается перпендикулярно направлению потока. Внизу вертикальной стойки находятся ориентир для установки датчика относительно сторон света и штепсельный разъем для подключения соединительного кабеля.

Измерительный пульт — настольный прибор, на лицевой стороне которого размещены указатель мгновенной скорости (6), указатель средней скорости (7) и указатель направления ветра (8).

Измерения направления ветра производятся при нажатии кнопки (9) на 2 мин. «На глаз» определяют среднее положение стрелки за это время. Максимальную скорость ветра, зафиксированную прибором между сроками наблюдений, отсчитывают по шкале (6) указателя. Осредненную за 10-минутный интервал скорость ветра измеряют по шкале (7). Отсчеты скорости ветра производят с точностью до 1 м/с. Осреднение скорости ветра и регистрация максимальных значений осуществляются автоматически. Пределы измерения скорости ветра — от 1,5 до 60 м/с.

На отдельных метеостанциях для измерения скорости ветра допускается применять более простое устройство — флюгер Вильда, не требующий электропитания (рис. 1.40). Указателем направления ветра у флюгера служит двухлопастная флюгарка (/) с противовесом (2) и восемь штифтов (3), ввинченных в муфту (4), причем четыре штифта длинные и четыре короткие.

Флюгер Вильда

Рис. 1.40. Флюгер Вильда

Длинные штифты соответствуют направлению С, Ю, 3, В, короткие — СЗ, СВ, ЮЗ, ЮВ. Один штифт, обозначенный буквой С, должен быть направлен строго на север. Под действием ветра флюгарка вращается вокруг вертикальной оси. Направление ветра определяют по положению противовеса флюгарки относительно штифтов.

Указатель скорости ветра состоит из железной доски (5) размером 15 х 30 см, свободно качающейся над флюгаркой около горизонтальной оси (6), закрепленной на металлическом стержне (7), и восьми штифтов, ввинченных в дугу (8), которая также соединена с осью (6) металлическим стержнем (9). Для уравновешивания дуги на другом конце оси навинчен груз (10). Нумерация штифтов начинается с отвесного штифта, имеющего нулевой номер. Для удобства отсчета четные штифты делают длиннее нечетных. Различают флюгеры с легкой доской (200 г) и с тяжелой (800 г), их применение зависит от ветрового климата района.

Под воздействием ветра флюгарка устанавливается в его направлении, а доска — всегда перпендикулярно направлению ветра, отклоняясь на угол, который зависит от скорости ветра, и ставится рядом с соответствующим штифтом. С помощью флюгера с легкой доской можно измерять скорость ветра до 20 м/с, а с тяжелой — до 40 м/с.

По флюгеру определяется также характер ветра. Направление ветра считается постоянным, если на протяжении наблюдений противовес колеблется в пределах одного румба. В других случаях ветер считается переменным. Ветер называют ровным, если доска колеблется на протяжении 2 мин около одного штифта или между двумя соседними. Если амплитуда колебаний более двух штифтов, ветер характеризуется как порывистый.

Датчик анеморумбометра или флюгер устанавливают на мачте высотой 10—12 м от поверхности земли. В отдельных случаях, когда ветровой поток на метеоплощадке сильно искажен окружающими препятствиями, например зданиями и сооружениями, зелеными насаждениями, высоту установки увеличивают до 20 м или выносят установку за пределы метеоплощадки.

Характерные значения. Средние скорости ветра у земной поверхности близки к 5—10 м/с и редко превышают 12—15 м/с. В сильных атмосферных вихрях умеренных широт скорости ветра могут превышать 30 м/с (10 м/с = 36 км/ч), а в отдельных порывах достигать 60 м/с (более 200 км/ч).

Ветер, как любой другой метеоэлемент, имеет суточный и сезонный ход и, соответственно, суточную и сезонную амплитуду. У земной поверхности над сушей максимум скорости ветра наблюдается около 14 ч, минимум — ночью или утром. Начиная с высоты примерно 500 м суточный ход обратный: с максимумом ночью и минимумом днем. Амплитуда суточного хода скорости ветра над сушей — около половины среднего суточного значения скорости. Особенно велика она летом в ясную погоду. Порывистость ветра возрастает с увеличением его средней скорости. По данным наблюдений на метеостанциях Москвы, при средней скорости ветра 5—10 м/с порывы составляют ±3 м/с, а при скорости 11 — 15 м/с — ±5—7 м/с.

Из сказанного следует, что, например, при средней суточной скорости ветра 4 м/с, которая считается приемлемой и относительно комфортной, если ветер дует с постоянной скоростью, в суточном ходе следует ожидать дневную скорость ветра 6 м/с и более летом, а при такой скорости будут наблюдаться отдельные порывы со скоростью 9 м/с. Таким образом, даже при приемлемой среднесуточной скорости ветра днем, особенно летом, на открытых пространствах застройки или вблизи наветренных углов зданий будет ощущаться значительный ветровой дискомфорт, и от архитектора-проектировщика потребуется в проекте предусмотреть ветрозащитные мероприятия.

По наблюдениям метеорологической обсерватории МГУ ежемесячно порывы достигают 10 м/с и более, откуда следует, что решение вопроса защиты от высоких скоростей ветра в умеренных широтах актуально для всех сезонов года.

Годовой ход скорости ветра имеет индивидуальные особенности в различных климатических поясах и подрайонах и зависит от многих факторов, в первую очередь — от типа атмосферной циркуляции и сезонного характера ее изменчивости. В умеренном континентальном климате (по данным наблюдений метеообсерватории МГУ) наибольшая максимальная скорость ветра наблюдается в холодное полугодие (январь — 16 м/с), а наиболее сильные порывы наблюдаются летом (июнь — 28 м/с) и осенью (октябрь и ноябрь — 25 и 23 м/с соответственно).

Влияние рельефа и застройки на ветровой режим. Из всех метеорологических элементов ветер подвержен наиболее сильному воздействию со стороны рельефа и различного рода препятствий — зданий, сооружений, элементов озеленения. Воздушный поток пересеченной местности испытывает аэродинамическое и термодинамическое воздействие подстилающей поверхности. Первое выражается в изменении скоростей и направлений ветра на различных формах рельефа и вблизи других препятствий в силу их механического влияния, называемого динамической конвекцией; второе — в возникновении местных циркуляционных механизмов: бризов, горно-долинной циркуляции и т.д.

Усиление ветра наблюдается на вершинах холмов, на наветренных склонах, иногда на склонах, параллельных ветру. Ослабление скоростей ветра происходит позади препятствий, на подветренных склонах и на отрицательных (вогнутых) формах рельефа.

Изменение направления ветра вследствие отклонения воздушного потока от основного течения определяется особенностями распределения препятствий на пути следования воздушного потока. В верхних частях подветренных склонов и карнизов наветренных фасадов зданий в результате срыва струй при переваливании потока возникает вихревая зона, направление ветра неустойчиво и возможны направления, противоположные основному потоку.

Указанная закономерность имеет идеализированный характер, поскольку в реальных условиях рельеф представляет собой не отдельный холм на плоской поверхности, а совокупность элементов различной формы и размера, которые изменяют структуру воздушного потока еще до его подхода к рассматриваемому элементу рельефа. То же самое относится к воздействию отдельных зданий и застройки.

Чтобы «избавиться» от эффекта воздействия окружающего рельефа или застройки, изучая какой-либо холм, впадину или отдельное здание, в первом приближении можно рассматривать их как отдельные элементы, учитывая при этом, что скорость ветра в районе их расположения будет несколько ниже, чем при размещении этого элемента на открытом пространстве, а интенсивность вертикального и горизонтального перемешивания, наоборот, выше.

Термодинамическое воздействие холмистого рельефа на ветер в ночное время проявляется в виде нисходящих течений, которые часто прослеживаются при антипиклональной погоде с небольшими скоростями градиентного ветра. Наличие таких ветров на холмистом рельефе приводит к образованию зон застоя в понижениях и к большему различию температур воздуха между повышенными и пониженными участками. Днем, вследствие интенсивного турбулентного обмена, сглаживающего микроклиматические различия, и при сравнительно больших скоростях ветра в основном потоке термодинамические восходящие течения вверх по склону обычно малозаметны. То же самое относится к микроциркуляци-онным механизмам, возникающим вокруг отдельных зданий.

Изменения скорости ветра приводят к изменению температуры и влажности воздуха. Растения на склонах находятся в худших, чем на равнинах, условиях увлажнения. Поэтому ослабление ветра, уменьшающее испарение, является положительным фактором, а усиление — отрицательным. При микроклиматической оценке территории с точки зрения развития систем озеленения необходимо учитывать зависимость преобладающего направления ветра от местных орографических препятствий. Это воздействие также следует учитывать при размещении зданий на активном рельефе. В районах с высокими скоростями ветра для ветрозащиты зданий рекомендуется использовать нижние части подветренных склонов, в районах со слабыми фоновыми ветрами здания лучше располагать в верхней части наветренных склонов.

В качестве показателя изменения скорости воздушного потока на различных участках рельефа используется коэффициент К, который представляет собой отношение скорости ветра в какой-либо конкретной точке рельефа к его скорости на открытом ровном месте (табл. 1.15). Приведенные в табл. 1.15 значения применяются к склонам крутизной до 10° и относятся к двум градациям скоростей ветра на открытом ровном месте — 3—5 и 6—10 м/с. Основные закономерности сохраняются и при более сильных ветрах.

Коэффициенты изменения скорости ветра в различных условиях рельефа относительно ровной поверхности

Таблица 1.15

Форма рельефа

Скорость ветра на ровном месте на высоте 2 м

3—5 м/с

6—10 м/с

Открытое ровное место

1,0

1,0

1. Открытые возвышения (холмы)

Вершины высотой, м:

более 50

1,4-1,5

1,2-1,3

менее 50

1,3-1,4

1,1-1,2

Наветренные склоны крутизной 3—10°:

верхняя часть

1,1-1,3

1,1-1,2

средняя часть

1,0-1,1

1,0-1,1

нижняя часть

1,0

0,9-1,0

Параллельные ветру склоны крутизной 3—10°:

верхняя часть

1,1-1,2

1,0-1,1

средняя часть

0,9-1,0

0,8-0,9

нижняя часть

0,8-0,9

0,7-0,8

Подветренные склоны крутизной 3—10°:

верхняя часть

0,8-0,9

0,7-0,8

средняя часть

0,8-0,9

0,8-0,9

нижняя часть

0,7-0,8

0,7-0,8

Окончание тобл. 1.15

Форма рельефа

Скорость ветра на ровном месте на высоте 2 м

3-5 м/с

6-10 м/с

2. Возвышения с плоскими вершинами и пологими склонами

Вершины, верхняя часть наветренных и подветренных склонов крутизной 1—3°

1,2-1,4

0,8-0,9

Средняя и нижняя часть наветренных и параллельных ветру склонов крутизной

4-10°

1,1-1,2

1,1-1,3

Средняя и нижняя часть подветренных склонов крутизной 4—10°

0,7-0,9

1,1-1,2

3. Долины, лощины, овраги

Дно и нижняя часть склонов, долин, лощин, оврагов:

продуваемых ветром

не продуваемых ветром

замкнутых

  • 1,1-1,2
  • 0,7-0,8
  • 0,6 и менее
  • 1,2-1,3
  • 0,7-0,8
  • 0,6 и менее

Средняя и верхняя часть склонов, долин, лощин, оврагов:

продуваемых ветром

не продуваемых ветром

замкнутых

  • 1,2-1,3
  • 0,8-0,9
  • 0,6 и менее
  • 1,1-1,2
  • 0,8-0,9
  • 0,6 и менее

Для районов с умеренными скоростями ветра, к которым относится большая часть активно застраиваемой территории России, можно определить степень благоприятности различных форм рельефа (табл. 1.16), исходя из общих закономерностей распределения ветрового потока в условиях пересеченного рельефа. Таким образом, можно заранее оценить ветровые условия на территории застройки и выбрать при ее уплотнении наиболее эффективные архитектурно-планировочные решения для создания благоприятной среды обитания.

Оценка благоприятности рельефа по ветровому режиму

Общая оценка

Степень благоприятности форм рельефа

Вершины и возвышения

с плоскими

вершинами

и пологими

склонами

Склоны

Долины, лощины, овраги

наветренные

параллельные

ветру

подветренные

проду-

ваемые

непродуваемые

і

2

3

і

2

3

1

2

3

Районы с умеренными скоростями ветра (повторяемость ветра 3-5 м/с свыше 50%, более 5 м/с — менее 20%)

Неблагоприятные

Умеренно

благоприятные

Благоприятные

Умеренно

благоприятные

Примечание: цифрами 1, 2, 3 обозначены соответственно верхняя, средняя и нижняя части склонов.

При оценке скорости ветра в той или иной форме рельефа необходимо учитывать шероховатость поверхности земли. Скорость ветра в приземном слое существенно снижается, если местность покрыта растительностью. Чем выше и гуще зеленые насаждения, тем больше тормозится воздушный поток под их пологом и с подветренной стороны. В табл. 1.17 приведены коэффициенты К' снижения скорости ветра в приземном слое на высоте 2 м по отношению к скорости ветра на высоте 10 м под влиянием растительного покрова. Данные этой таблицы следует учитывать при разработке проектов озеленения жилой территории, создавая, соответственно, ветрозащитные или ветропроницаемые посадки.

Таблица 1.17

Коэффициенты изменения скорости ветра растительностью

Вид поверхности

К!

Густой лес

0,0

Густой кустарник высотой 3 м

0,2

Редколесье и листопадный лес зимой

0,4

Разреженный кустарник высотой 2 м

0,5

Луг

О

чэ

ОО

О

ч*

чо

Пашня, газон

0,9

Каменистая поверхность (глыбы, галька)

0,4-0,8

Асфальтовая поверхность

0,95

Застройка, так же как и рельеф, оказывает на ветер динамическое и термодинамическое воздействие, о чем говорилось выше. В реальных городских условиях вертикальный профиль ветра отличается от распределения скоростей ветра над ровной территорией. Эти различия не одинаковы на разных участках и зависят от плотности застройки, ее высотности, контрастности и других морфометрических показателей, характера благоустройства (рис. 1.41).

В большинстве случаев воздействие городской застройки на скорость ветра выражается в увеличении числа безветренных и маловетреных (< 2 м/с) дней в городе и снижении максимальной скорости ветра в среднем на 10—30% по сравнению с незастроенной пригородной территорией. На территориях с застройкой повышенной плотности и внутри групп зданий, образующих замкнутые и полузамкнутые внутридворовые пространства, скорость ветра снижается на 70% и более.

Скорость ветра, м/с

Рис. 1.41. Схема вертикального профиля скорости ветра над городом

В то же время за счет образования на территории города острова тепла город формирует свою мезомасштабную атмосферную циркуляцию по циклоническому типу. За счет этого на фоне размытого барического поля над территорией Москвы, например, летом образуется барическая депрессия, в которой скорость ветра может быть выше на 1—3 м/с, чем на окружающих город территориях. На окраинах города также может наблюдаться мезомасштабная циркуляция «бризового» типа: днем и вечером ветер дует из пригородов к центру города за счет возникающей над городом термической конвекции. В связи с этим на территории города, особенно его окраинах, также может наблюдаться усиление скорости ветра по сравнению с ближними пригородами. Это явление имеет положительный эффект с точки зрения экологии атмосферы города, так как стимулирует воздухообмен территории застройки с пригородами. Для улучшения условий поступления более чистого пригородного воздуха на территорию города при его планировке рекомендуется оставлять незастроенные озелененные пространства, служащие каналами для продвижения воздуха к центру («зеленые лучи»).

Биоклиматическое значение скорости ветра. Отдельные факторы внешней среды оказывают неблагоприятное воздействие на организм человека независимо от значений других микроклиматических параметров. К таким факторам относится механическое воздействие ветра.

Ветер со скоростью более 4 м/с раздражает, при 5 м/с и отрицательных температурах вызывает резкое усиление охлаждения

зданий (на 10—15%) и человека. При скорости 6 м/с начинается перенос снега и песка, что требует защиты жилых территорий городов, при 12 м/с и более возникают механические повреждения элементов зданий, которые могут угрожать здоровью людей, находящихся как в самих зданиях, так и в непосредственной близости от них. Таким образом, ветровое воздействие может быть как просто негативным — раздражающим, мешающим выполнять какие-либо действия, так и опасным для здоровья.

По механическому воздействию, не связанному с тепловыми ощущениями, ветер вызывает ряд физиологических ощущений у человека, находящегося в состоянии покоя (табл. 1.18).

Таблица 1.18

Ощущения человека в зависимости от скорости ветра

Скорость ветра, м/с

Ощущение легко одетого человека

< 0,25

Практически не ощущается

0,25-0,5

Приятное

0,5-1,0

В общем приятное, но заставляющее помнить о движении воздуха

1,0-1,5

От «слегка пронизывающего» до «неприятно пронизывающего»

1,5-6,0

Дискомфортное, с желательным использованием защитных мер

6,0-10,0

Весьма дискомфортное, требующее защитных мер, угрожающее здоровью

> 10,0

Исключительно дискомфортное, соответствует опасным явлениям, требующее усиленных мер защиты, угрожающее здоровью и жизни

Примечание: характеристика воздействия приведена для потока воздуха с постоянной скоростью.

Для оценки ветрового воздействия на человека, находящегося на суше, в том числе на территории городской застройки, и занимающегося какой-либо деятельностью, может использоваться широко известная шкала Бофорта, построенная по признакам воздействия на людей (табл. 1.19).

Шкала Бофорта по воздействию ветра на человека

Баллы

Характеристика

ветра

Скорость ветра (м/с) на высоте 1,75 м

Воздействие

на человека

0

Безветренно

0,0-0,1

Не ощущается

1

Неуловимые движения воздуха

0,2-1,0

Ветер практически не ощущается

2

Слабый ветер

1,1-2,3

Ветер чувствуется кожей лица

3

Легкий ветер

2,4-3,8

Треплет волосы, поднимает полы

одежды, трудно читать

газету

4

Умеренный

ветер

3,9-5,5

Поднимает с земли пыль и бумажки, сильно треплет волосы

5

Свежий ветер

5,6-7,5

Сила ветра ощущается телом, опасность

потерять равновесие

6

Сильный ветер

7,6-9,7

Невозможно удержать зонт, ветер сильно треплет волосы, затруднено

пешеходное движение, неприятный шум ветра в ушах

7

Почти буря

9,8-12,0

Практически невозможно передвигаться

пешком

8

Буря

12,1-14,5

Невозможно двигаться вперед, трудно удержать

равновесие стоя

9

Сильная буря

14,6-17,1

Ветер валит с ног

Как видно из этой таблицы, оптимальные скорости ветра на участках жилой территории, связанных с длительным пребыванием населения в состоянии малой или слабой активности (площадки отдыха, детские площадки), в умеренном и жарком климате должны

составлять 1,0—2,3 м/с, в холодном климате — 0,5—1,0 м/с. Ощущение ветрового воздействия в жаркую погоду при скорости более 2,4 м/с может создавать психологический и физиологический дискомфорт (треплет волосы, мешает читать, поднимает пыль с неза-дернованных участков почвы и поверхности искусственных покрытий). Для участков территории жилой застройки, предназначенных для кратковременного пребывания населения (пешеходные зоны, остановки общественного транспорта) либо связанных с высокой физической активностью (спортивные площадки, беговые дорожки), допустимая скорость ветра может быть выше, но не более 5 м/с.

Архитектурно-строительное значение ветра. Учет ветрового воздействия на здания и прилегающую к ним территорию, которая также находится «в зоне ответственности» архитектора-проекти-ровщика, особенно важен в условиях городской среды, где поле ветра имеет сложную структуру и непрерывно меняющуюся динамику. Циркуляционные механизмы, возникающие при обтекании воздушным потоком препятствий, называются динамической, или вынужденной, конвекцией. Вокруг зданий, особенно имеющих большие габариты, формируется ветровой режим, отличный от ветрового режима окружающей территории и характеризующийся повышенными скоростями ветра и образованием зон турбулентности. Даже при невысоких скоростях фонового ветра его усиление в приземном слое за счет динамической конвекции бывает настолько сильным, что вызывает неблагоприятные и опасные последствия для населения, находящегося на прилегающей к зданию территории, а в отдельных случаях — и для самих зданий и зеленых насаждений.

Фоновые характеристики ветрового климата учитываются при выборе места строительства новых поселений или отдельных зданий и сооружений в относительно открытой местности. В уже сложившейся застройке распределение скорости и направления ветра имеет сложный характер в связи с многократной деформацией воздушного потока зданиями и сооружениями.

Приближаясь к препятствию (зданию), воздушный поток замедляется, создавая положительное давление воздуха (зона подпора воздуха) с наветренной стороны и отрицательное давление (ветровую тень) — с подветренной стороны. При этом воздушный поток, обтекающий здание сверху и с боков, ускоряется, компенсируя вызванное наличием здания уменьшение площади своего сечения. Разделение потока по вертикали происходит примерно на уровне 2/3 высоты здания (рис. 1.42).

А, м 180 140 100 60 20

Структура вихрей при обтекании потоком воздуха зданий различной конфигурации

Рис. 1.42. Структура вихрей при обтекании потоком воздуха зданий различной конфигурации

Вследствие инерции отклонившийся от своей изначальной траектории воздушный поток, обогнув здание, стремится сохранить более или менее прямолинейную траекторию. Поэтому в пределах некоторого пространства с подветренной стороны здания образуется зона отрицательного давления, имеющая приблизительно треугольную форму. В этой зоне формируются мелкие воздушные вихри, движение воздуха носит турбулентный характер. Наибольшее усиление ветра происходит в приземном слое, особенно если здание расположено на открытом пространстве или окружено малоэтажной застройкой. Максимальные порывы ветра возникают вокруг углов наветренного фасада.

Такая структура вихрей возникает при обтекании любого препятствия, но чем оно выше, тем большие объемы воздуха вынуждены его обтекать и, следовательно, тем выше скорость огибающего здание потока. При обтекании воздушным потоком группы зданий процесс носит более сложный характер, однако основные закономерности при этом сохраняются. В результате вокруг зданий, особенно высотных, формируется ветровой режим с повышенными скоростями ветра и образованием зон турбулентности и застоя.

С точки зрения воздействия ветра на здания, сооружения и людей ветер имеет три основные характеристики: направление, среднюю скорость и порывистость. Порывистость — скачкообразные усиления и ослабления скорости — является одной из важнейших характеристик ветрового потока как с архитектурно-строительной, так и с биоклиматической точек зрения. Порывистость ветра возрастает с увеличением его средней скорости. Опасность порывистости ветра состоит в том, что если к ветру, дующему с постоянной, пусть даже высокой скоростью, можно адаптироваться, то порыв всегда содержит элемент неожиданности. Пешеход при порывах ветра может потерять устойчивость, вынужден хвататься за головной убор, придерживать полы длинной одежды, «бороться» с зонтом, с сумкой, с детской коляской и не заметить из-за этого неожиданные препятствия на своем пути. Для пешеходов ветровой дискомфорт возникает, когда воздействие ветра становится таким сильным, что у людей возникает раздражение, и они предпринимают действия для того, чтобы его избежать.

Критерии ветрового комфорта содержат два показателя: порог скорости ветра и допустимую частоту повторяемости (вероятность) его превышения. Порог скорости ветра, в свою очередь, включает в себя два показателя — максимальную допустимую скорость ветра и его порывистость. Пороговое значение скорости ветра выражается в виде

ив = и + к(5и > и„, (1.8)

где (/„ — так называемая эквивалентная скорость ветра; и — средняя скорость ветра; к пиковый фактор; и среднеквадратическое отклонение скорости ветра (интенсивность турбулентности); 11ппороговое значение скорости в приземном слое.

В итоге обобщения различных методов оценки ветрового воздействия на людей разработан универсальный критерий ветровой комфортности для пешеходов 11е. Согласно этому критерию условия для ходьбы считаются дискомфортными, если ие = и + <5и< 6 м/с при Р = 15% и более. Опасными для ходьбы считаются условия, если и + 3(5и > 15 м/с или и + 3ои > 20 м/с. Первое значение относится к пожилым людям и инвалидам, второе — к взрослому, физически здоровому населению.

В условиях городской застройки практически невозможно добиться постоянного соблюдения условий ветровой комфортности. Поэтому в качестве дополнительного условия комфортности приходится вводить показатель допустимой вероятности превышения порогового значения скорости. Допустимую вероятность дискомфортных и опасных условий выражают в процентах от времени использования территории или количестве часов за год, в течение которых допустимо превышение соответствующих пороговых значений скорости. Максимальное значение допустимой вероятности или количества часов на какой-либо территории города зависит от того, каким образом она используется или будет использована, т.е. ее функционального назначения. Например, для тротуаров на при-магистральных территориях пороговые значения и допустимая частота их превышения намного выше, чем на площадках отдыха внутри групп жилых домов или на детских площадках.

В России критерии ветрового комфорта для пешеходных зон, прилегающих к высотным зданиям, были введены после начала массового высотного строительства в Москве (табл. 1.20). Кроме того, в МГСН 1.04—2005 «Временные нормы и правила проектирования планировки и застройки участков территории высотных зданий-комплексов, высотных градостроительных комплексов в городе Москве» содержатся следующие требования к проектным решениям:

  • • при выборе объемно-планировочных решений высотной застройки и проектировании комплексного благоустройства их участков необходимо осуществлять оценку микроклиматических показателей состояния воздушного бассейна. Следует обеспечить снижение ветровых потоков, возникающих у первых этажей не только самого высотного здания, но и прилегающей застройки, а также создать рациональные условия аэрации здания;
  • • проектные решения по размещению высотных зданий, формирующих линию застройки вдоль автомагистралей, должны обеспечивать наилучшие условия рассеивания загрязняющих веществ, выбрасываемых движущимися транспортными потоками;
  • • при проектировании высотной застройки, размещаемой по линии застройки вдоль автомагистралей, недопустимо формирование улиц «каньонного типа»: расстояние между высотными зданиями вдоль линии застройки должно превышать их длину более чем в 10 раз; отношение высоты здания к расстоянию, представленному суммой ширины проезжей части и тротуаров, должно составлять менее 1,5;
  • • при точечном размещении высотных зданий в районах сложившейся застройки не допускать увеличения значения по повторяемости концентраций загрязняющих веществ, превышающих установленные нормативы на качество воздуха.

Таблица 1.20

Критерии ветровой комфортности для участков размещения высотных зданий в г. Москве

Уровень комфортности

I

II

III

Критическая скорость, м/с

6

12

20

Предельная продолжительноеть проявления

1000

50

5

На федеральном уровне в России необходимость соблюдения ветровой комфортности определяется «Техническим регламентом о безопасности зданий и сооружений» (Федеральный закон РФ от 02.07.2013 № 384-ФЗ). Согласно п. 6 ст. 30 («Требования безопасности для пользователей зданиями и сооружениями») этого документа, в пешеходных зонах зданий и сооружений высотой более 40 м должны быть предусмотрены защитные приспособления для обеспечения безопасности пребывания людей в этих зонах при действии ветра.

Ветровые нагрузки на здания. Оценка воздействия ветра на различные части сооружений, а также при различном их расположении по отношению друг к другу — задача весьма сложная. Учитывая зависимость ветровой нагрузки от ряда факторов (высоты и формы здания, ориентации, местоположения, определяющего защищенность, и т.д.) и то, что некоторые из этих факторов (например, защищенность) могут изменяться со временем, невозможно в нормативных документах по строительству дать исчерпывающие рекомендации по учету ветровых нагрузок. В них выделяются лишь наиболее типичные случаи — по распределению скорости ветра с высотой, по защищенности, по типам зданий и т.д.

Для высотных сооружений ветровая нагрузка является более важной расчетной величиной, чем гравитационная нагрузка. По ней производятся расчеты на прочность и деформативность высоких сооружений. В этих расчетах, так же как при расчете проводов линий электропередачи, учитывается не только воздействие ветра на объект, но и его реакция. Она различна в зависимости от размеров и формы сооружения. Жесткие конструкции воспринимают ветровую нагрузку как статическую. Реакция гибких сооружений зависит от частоты их собственных свободных колебаний. Для таких конструкций особенно большое значение приобретает динамическая часть ветровой нагрузки, определяемая порывистостью ветра.

Эксперименты и натурные наблюдения показывают, что на отдельных участках стен высоких зданий ветровые нагрузки принимают отрицательное значение и что они наиболее велики вблизи углов высоких зданий. При сильном порывистом ветре стеновые панели и рамы редко вдавливаются внутрь, значительно чаще они выпадают наружу, т.е. «высасываются» ветром, особенно в угловых помещениях зданий. Иногда выдуваются ветром покрытия, навесы и другие элементы и конструкции.

Хотя ветровые нагрузки, методы их определения и меры по защите от них относятся не к архитектурной области, а к области строительной климатологии, архитектор-проектировщик, правильно учитывая ветровой климат, за счет принятия рационального объемно-планировочного и пластического решения может существенно облегчить задачу инженеров-конструкторов по защите здания от ветровых нагрузок и существенно снизить стоимость строительства.

Ветроохлаждение зданий. Ветроохлаждение (Я) при различных скоростях ветра (у, м/с) и температуре воздуха (г1, °С) можно подсчитать в условных единицах по формуле

Я = (0,13 + 0,47^)(36,5-Г). (1.9)

Формула (1.9) справедлива для значений V от 1 до 17 м/с и /, равной или менее 36,6°С. На рис. 1.43 приводится график, построенный на основе формулы (1.9), с помощью которого, зная скорость и температуру, можно определить интенсивность ветроохла-ждения в холодный период года.

При значении Я более 55 ед. ветроохлаждение зданий считается высоким, и их теплопотери могут превышать расчетные нормативные значения. В этом случае наветренные фасады зданий требуют дополнительного утепления: усиленной теплоизоляции ограждающих конструкций, уплотнения стыков панелей и оконных блоков, применения тройного остекления и т.д. Оптимально размещение зданий глухими торцами к направлению ветра, вызывающему высокую интенсивность ветроохлаждения.

Регулирование ветрового режима в застройке. Архитектурно-планировочными приемами решают два класса задач по регулированию ветрового режима в застройке. В градостроительном плане это обеспечение необходимой скорости движения воздуха и регулирование аэрации застройки в зависимости от направления ветра. В архитектурно-строительном плане это обеспечение естественной вентиляции зданий за счет сквозного (углового) проветривания в теплом и жарком климате и уменьшение теплопотерь здания зимой в умеренном и холодном климатах.

Коэффициент

ветроохлаждения

Н, уел. ед. ,

/ /

/ /

80/

/ /

/ / /

/ 7(У

7 ~Т~

/ /

уг у

55'

/ / .

чл

_

/ У

? >

40^

  • 9
  • 7
  • 5

З

  • 1
  • -40 -ЗО -20 -10 ±0

Температура воздуха і, °С

гч

СЗ

о«

н

н

о

о

О-

о

ьс

о

Рис. 1.43. График определения ветроохлаждения

в условных единицах

Часто оказывается, что одни эти решения для различных задач и сезонов носят прямо противоположный характер. Например, ветрозащитная ориентация здания для зимних условий может быть неблагоприятной с точки зрения обеспечения аэрации застройки и естественной вентиляции зданий в условиях жаркой летней погоды. В таком случае часть климатозащитных мероприятий переносится на градостроительный планировочный уровень, а другая часть — на архитектурно-строительный уровень. Например, условия аэрации территории застройки решаются за счет планировки городской территории, а защита от зимнего ветрового переохлаждения решается на стадии архитектурного проектирования отдельных зданий за счет их планировки и усиления теплозащитных свойств наружных ограждающих конструкций.

Способ решения задачи регулирования скорости ветра на территории застройки зависит от фонового ветрового климата и характера застройки, ее плотности, высоты, контрастности. В отдельных случаях скорость должна либо снижаться, либо сохраняться, в других случаях — увеличиваться.

В районах со слабо выраженными ветрами планировка и застройка территорий должна производиться с учетом направления преобладающих ветров и благоприятных румбов. Критерием оптимальности является такое планировочное решение, при котором коэффициент изменения скорости ветра составляет не менее 0,5—1,0. В этих условиях следует избегать замкнутых приемов застройки, а площадь внутридворовых пространств принимать не менее 1,8 га при пятиэтажной застройке. При этом необходимо максимально использовать все механизмы мезо- и микромасштабной циркуляции воздуха, возникающие между городом и пригородом, а также вокруг отдельных зданий и элементов рельефа.

При использовании наветренных и возвышенных территорий города застройку рекомендуется формировать из легко обтекаемых зданий башенного типа, линейных короткокорпусных зданий или зданий большой протяженности и повышенной этажности, обращенных торцами в сторону благоприятного ветра.

Стимулирование аэрации городской застройки может выполняться за счет использования механизмов термической и динамической конвекции. При отсутствии горизонтального градиента давления атмосферного воздуха в идеальном случае над однородной по своим теплофизическим свойствам поверхностью скорость ветра равна нулю. В реальных условиях штилевые условия нарушаются мезо- и микромасштабными процессами термической конвекции. В летнее время термическая конвекция возникает в результате неравномерного нагрева различных по своим свойствам участков рельефа, фасадов и кровель зданий.

В общем виде механизм термической конвекции вокруг зданий выглядит следующим образом. Фасады юго-западной четверти в солнечную погоду нагреваются больше, чем фасады других ориентаций и рельеф (затененная, озелененная или покрытая снегом территория). Нагревающийся от южных фасадов воздух поднимается вверх, замещаясь менее теплым воздухом, приходящим с прилегающей территории или опускающимся по более холодным не-инсолируемым фасадам к рельефу. Вертикальный размер создаваемых таким образом циркуляционных ячеек зависит от контраста температур, размеров зданий и характера благоустройства прилегающей территории. В умеренных широтах летом размеры циркуляционных ячеек, индуцированных термической конвекцией, составляют около четырех высот самих зданий, а максимальная скорость ветра наблюдается непосредственно над кровлей здания. Вблизи высотных зданий вертикальная скорость движения воздуха может достигать 3—4 м/с у верхней части фасадов; в приземном слое скорость движения воздуха вблизи отдельных зданий может составлять 1,0—1,5 м/с, что в ряде случаев является достаточным для смягчения ощущения перегрева и рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы. Таким образом, само здание по отношению к окружающей застройке работает как вытяжной вентиляционный канал «на самотяге», обеспечивая вертикальное и горизонтальное перемешивание воздуха и улучшая показатели биоклиматической комфортности территории.

Отдельно стоящие высотные здания в плотной, более низкой застройке за счет динамической конвекции могут играть положительную роль для усиления эффекта вертикального перемешивания приземного слоя атмосферы (рис. 1.44). Этот эффект наблюдается даже при малых скоростях ветра. Однако следует учитывать, что размещение такого здания может нарушать сложившийся архитектурно-градостроительный ландшафт. Поэтому применение этого способа стимулирования аэрации городской застройки имеет ряд ограничений, связанных с охраной объектов историко-культурного наследия городской среды.

Нисходящие вихри с наветренной стороны

Восходящие вихри с подветренной стороны

Рис. 1.44. Влияние высотного здания на ветровой режим прилегающей территории

В условиях комфортного ветрового режима для сохранения скорости ветра рекомендуется применять свободные и строчные приемы застройки. Свободный тип застройки характеризуется упорядоченным или неупорядоченным размещением зданий по территории, значительными разрывами между зданиями, поворотами зданий в плане под разными углами. Здания в большинстве случаев имеют простую форму в плане — прямоугольную; часть зданий — башенного или точечного типа; поворотные (угловые) секции обычно не применяются. Этажность зданий чаще всего различная.

Строчная застройка характеризуется многократным повторением зданий, повернутых под одним углом в плане, нередко расположенных друг за другом, параллельными рядами — «строчкой». Для этого типа застройки нехарактерны разная этажность и применение угловых и поворотных секций.

Жилые здания при благоприятном ветровом климате следует располагать длинной осью по направлению господствующих в течение года ветров с разрывами не менее 3И (И — высота зданий). Возможна постановка линейных зданий под углом 30—45° к направлению ветра. С наветренной стороны рекомендуется располагать здания меньшей этажности. При расположении линейных зданий фасадами к направлению ветра разрывы между ними следует предусматривать не менее 4—5к.

Свободная и строчная застройки дают снижение скорости ветра в среднем около 20%.

Критерием оптимальности ветрового режима в условиях комфортного ветрового режима является такое планировочное решение, при котором коэффициент снижения скорости ветра на большей части территории составляет 0,5—0,8.

В районах с повышенными скоростями ветра, особенно на окраинных территориях городов, следует проектировать полузамкнутые и замкнутые группы домов. Полузамкнутая застройка характеризуется сочетанием замкнутой части, застроенной по периметру, и открытой во внешнюю среду частью, т.е. большим разрывом в одном направлении (в другом возможны небольшие разрывы). Типичны угловые и поворотные секции. Такая форма застройки называется ориентированной застройкой.

Критерием оптимальности архитектурно-планировочной композиции застройки в условиях повышенных скоростей ветра является значение коэффициента скорости снижения ветра в пределах 0,1-0,5.

В районах с сильными ветрами следует применять ветрозащитные приемы застройки — полузамкнутую, замкнутую или периметральную. Для нее характерны одинаковая этажность и угловые (поворотные) секции, здания размещаются по периметру участка, с относительно небольшими разрывами между ними; форма жилых групп или кварталов чаще всего прямоугольная.

Периметральная ветрозащитная застройка может носить и не замкнутый, а более свободный характер, если сильные ветры имеют какое-то определенное характерное направление. В этих условиях наиболее оптимальными следует считать П-, Г-, Т- и и-образные группировки зданий, обращенные сблокированным углом к наветренной стороне горизонта. В пространстве между ветрозащитными комплексами целесообразно применять свободную постановку линейных и точечных зданий.

В современной климатологии ветер требует особого учета при проектировании высотных зданий. Дело не только в необходимости обеспечения устойчивости зданий под воздействием ветровых нагрузок, возрастающих с высотой. Чем выше здание, тем сильнее ветровые завихрения у стен. Мощные потоки обтекают объем, часть из них опускается вниз и обрушивается на пешеходов, находящихся у здания. Возникает новая архитектурная задача поисков формы здания (очевидное формообразующее действие климата), способствующей защите от пристенных вихрей. Одним из решений является постановка вертикальных объемов на широкие подиумы, сильно выступающие за пределы этих объемов и имеющие по высоте 2—4 этажа.

Из знания основных закономерностей обтекания ветром зданий и сооружений можно сделать очевидные выводы, которые целесообразно учитывать в архитектуре зданий. В табл. 1.21 приведены частные примеры учета ветрового режима в локальном масштабе.

Влияние ветрового режима на естественную вентиляцию. Еще одним важным аспектом ветрового воздействия, требующим учета при архитектурном проектировании, является его воздействие на условия естественной вентиляции внутренней среды зданий. Очевидно, что необходимым условием для этого является наличие раскрывающихся светопроемов на смежных и противоположных фасадах, обеспечивающих сквозные каналы прохождения воздуха через внутренний объем зданий. Однако нужно учитывать еще и соотношение размеров этих светопроемов, поскольку за счет этого фактора можно регулировать объем проходящего воздуха. При одной и той же их суммарной площади можно стимулировать или подавлять процесс естественной вентиляции. С наветренной стороны здания в целях стимулирования естественной вентиляции следует размещать проем меньшей площади, и наоборот. В этом приеме можно сочетать потребность снижения/увеличения кратности воздухообмена в помещении с целями солнцезащиты или увеличения естественной освещенности, которые также зависят от ориентации и размеров светопроемов.

Примеры учета ветрового воздействия при проектировании зданий

Пример ошибки учета ветра

Правильный вариант

Примечание

Защита от ветра придомовой территории и входной группы в здание за счет ветрозащитного козырька — схемы на разрезе застройки

Защита от ветра придомовой территории за счет стилобата, однако кровля стилобата находится в зоне сильного ветрового дискомфорта

Усиление ветра в арочном проеме и способ защиты входной группы с наветренной стороны за счет размещения его в углублении фасада

Сложнее решается вопрос с естественной вентиляцией, если здание ориентировано своей осью параллельно направлению ветра или под небольшим углом к нему. Однако и тут архитектор за счет членения плана на выступающие секции может добиться существенного улучшения естественной вентиляции. На рис. 1.45 приведены простейшие архитектурные приемы для решения этой задачи.

Проветривание

Примеры архитектурно-планировочных решений

Рис. 1.45. Примеры архитектурно-планировочных решений

для естественной вентиляции

(справа вверху от каждого рисунка указаны направления ветра, при которых данный вариант работает наилучшим образом)

Для обеспечения условий перетекания воздуха внутрь здания снаружи или наружу изнутри необходимо создание участков с положительным и отрицательным давлением воздуха на фасадах здания. Это достигается устройством на фасадах вертикальных ребер, лопаток, эркеров и других выступающих в плане элементов. Перед этими элементами по ходу воздушного потока создается зона повышенного давления (напора), а за ними — пониженного (разряжения). За счет этой разницы давлений и возникает переток воздуха внутрь и наружу помещения.

Кроме светопроемов в традиционной архитектуре стран, расположенных в континентальном тропическом и субтропическом жарко-сухом климате, для улавливания потоков воздуха и естественной вентиляции внутренней среды используются специальные ветровые башни — малкафы, бадгиры и т.д. Принцип их действия тот же — использование перепада давления с наветренной и подветренной стороны здания или самой башни.

Розы ветров. Для графического представления ветрового режима используются векторные диаграммы — розы ветров, на которых отображается повторяемость ветра по направлениям (в процентах), скорость ветра (в м/с) (рис. 1.46). Розы ветров могут строиться для любых временных интервалов — среднегодовые, средние за теплый или холодный сезон, средние за месяц, декаду, сутки и т.д. В отечественной практике обычно используются розы ветров по восьми румбам.

По каждому из румбов могут откладываться не только значения повторяемости или скорости ветра, но и средняя для этого направления скорость его порывов и другие климатические характеристики — средняя температура воздуха, частота повторяемости осадков, наблюдающиеся при ветрах этого направления, и т.д. Например, средняя температура воздуха при различных направлениях ветра зимой (так называемая «температура ветра») учитывается при выборе объемно-планировочных решений и пластической разработки наветренных фасадов с целью уменьшения их теплопотерь или при планировке городской территории для уменьшения ее ветрового дискомфорта и снегозаносимости в зимнее время.

а)

б)

Рис. 1.46. Примеры «розы ветров»:

а — 8-румбовая роза повторяемости направлений и скоростей ветра в июле, г. Ярославль; б — 16-румбовая роза среднегодовой повторяемости направлений

ветра (%), г. Юджин (шт. Орегон, США)

  • [1] Столица Российской Федерации • Столицы государств Балтии и СНГ • Центры субъектов РФ
  • [2] Столица Российской Федерации • Столицы государств Балтии и СНГ • Центры субъектов РФ
  • [3] Столица Российской Федерации • Столицы государств Балтии и СНГ • Центры субъектов РФ
 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы