А.Т. ДВОРЕЦКИЙ, доктор техн. наук, Крымский федеральный университет им. В.А. Вернадского, А.В. СПИРИДОНОВ, канд. техн. наук, И.Л. ШУБИН, Научно-исследовательский институт строительной физики (НИИСФ РААСН), г. Москва
В статье рассмотрены основные принципы проектирования солнцезащитных устройств. Авторы отмечают, что в качестве солнцезащиты, с учетом климатических условий, следует рассматривать такие мероприятия, как рациональная ориентация фасадов по сторонам горизонта, рациональная планировка помещений зданий (устройство лоджий, козырьков на фасадах, ориентированных по солнечным румбам горизонта и пр.), посадка зеленых насаждений у фасадов зданий, оборудование светопрозрачных конструкций солнцезащитными устройствами.
В 2016 году по заданию Федерального автономного учреждения «Федеральный центр формирования, стандартизации и технической оценки соответствия в строительстве» НИИСФ РААСН совместно с Крымским федеральным университетом им. В.А. Вернадского был разработан проект СП «Устройства солнцезащитные зданий. Правила проектирования» [1].
Эффективность применения солнцезащитных устройств в зданиях различного назначения многократно доказана отечественными и зарубежными исследованиями [2-6]. Очевидно также, что экономичность их использования зависит во многом от климатических условий места строительства.
В отличие от большинства европейских стран, где климатические условия достаточно однородные, в таких государствах, как Россия, США, Китай, Украина, они отличаются кардинально в различных регионах. Так, например, в нормативных документах Украины [7] территория страны поделена на 5 основных зон архитектурно-строительного районирования.
До разработки вышеуказанного проекта Свода правил [1] в Российской Федерации не существовало документов, которые регламентировали бы применение различных современных солнцезащитных устройств в зависимости от места строительства зданий и их назначения, а также реальных климатических условий.
Проектирование солнцезащитных устройств необходимо проводить с учетом климатических условий региона строительства в соответствии с СП 131.13330.2012 [8].
В соответствии с СП 50.13330 [9] в районах со среднемесячной температурой июля 21°С и выше для окон зданий жилых, больничных учреждений (больниц, клиник, стационаров и госпиталей), диспансеров, амбулаторно-поликлинических учреждений, родильных домов, домов ребенка, домов-интернатов для престарелых и инвалидов, детских садов, яслей, яслей-садов (комбинатов) и детских домов, а также производственных зданий, в которых должны соблюдаться оптимальные нормы температуры и относительной влажности воздуха в рабочей зоне или по условиям технологии должны поддерживаться постоянными температура или температура и относительная влажность воздуха, следует предусматривать солнцезащитные устройства.
Солнцезащитные устройства необходимо применять в помещениях общественных и производственных зданий, где в соответствии с СП 52.13330 [10] предполагается выполнение зрительных работ высокой, очень высокой и наивысшей точности.
В соответствии с СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01 [11] при устройстве окон западной и юго-западной ориентации в строящихся и реконструируемых зданиях, в жилых помещениях квартир, общежитий, основных функциональных помещениях детских и общеобразовательных организаций, имеющих интернаты, других средних специальных учебных заведений, лечебно-профилактических, санаторно-оздоровительных учреждений, учреждений социального обеспечения должны быть предусмотрены средства солнцезащиты.
При проектировании солнцезащитных устройств для учета как пассивного охлаждения в теплый период года, так и пассивного отопления в холодный период года, необходимо принимать во внимание суммарную солнечную радиацию при действительной облачности в месте строительства и ориентацию фасадов здания.
Отличия в положениях солнца для различных ориентаций и времени года определяются по суточному конусу солнечных лучей (СКСЛ) (рис. 1).
Горизонтальная плоскость П (рис. 1) рассекает полы конуса по двум образующим, которые на горизонтальной проекции указывают направления на восход (А°восх.) и заход (А°зах.) солнца.
В основе всех способов формообразования рациональных солнцезащитных устройств лежит геометрия видимого движения солнца по небосводу, а именно – геометрическая модель процесса инсоляции точки на поверхности Земли в течение суток. Эта модель представляет собой однопараметрическое множество солнечных лучей, приходящих в одну точку на земной поверхности в течение суток, и является суточным конусом солнечных лучей. Использование суточного конуса солнечных лучей – основа всех способов формообразования солнцезащитных устройств, а также большинства способов определения продолжительности инсоляции. Методика проектирования СЗУ с использованием суточного конуса солнечных лучей изложена в [5].
Используя СКСЛ, можно определять следующие параметры:
• угловую высоту солнца в полдень H°12 для выбранного дня года – используется в расчетах параметров положения солнечных коллекторов и фотоэлектрических панелей;
• азимуты восхода А0восх. и захода А0зах. солнца для выбранной даты – используются при определении продолжительности инсоляции;
• время восхода τвосх. и захода τзах. солнца.
А – инсолируемая точка; Ф – суточный конус солнечных лучей (Ф1 – летняя пола, Ф2 – зимняя пола); α – угол между образующей СКСЛ и его осью; Π – горизонтальная плоскость (поверхность Земли в инсолируемой точке); δ – широта местности и угол наклона оси конуса к плоскости горизонта; i – ось СКСЛ параллельна оси вращения Земли; Sвосх. – направление на восход Солнца; Sзах. – направление на заход Солнца; азимут восхода (А°восх) Солнца;
H°6 – угловая высота Солнца 22.06 в 12 часов
Значения азимутов восхода и захода солнца для г. Краснодара показаны на рис. 2.
а – угловые высоты солнца; б – азимуты восхода и захода солнца
При проектировании СЗУ необходимо учитывать различия в количестве солнечной радиации на фасадах зданий различной ориентации в зимний и летний периоды года (рис. 3).
На рис. 4 приведена карта зонирования территории РФ по суммарной солнечной радиации на горизонтальной поверхности при действительных условиях облачности, построенная в соответствии с методикой [12] и данными [13].
Были определены 5 основных зон по условиям суммарной годовой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при действительных условиях облачности:
— первая зона – 900 кВт ч/м2 и менее;
— вторая зона – свыше 900 до 1000 кВт ч/м2;
— третья зона – свыше 1000 до 1100 кВт ч/м2;
— четвертая зона – свыше 1100 до 1200 кВт ч/м2;
— пятая зона – свыше 1200 кВт ч/м2.
Следует предусматривать экранирование светопрозрачных конструкций в период перегрева (период охлаждения зданий) в зависимости от суммарного количества солнечной радиации:
— в первой зоне – не регламентируется;
— во второй зоне – с 22 мая по 22 июля;
— в третьей и четвертой зонах – с 22 апреля по 22 августа;
— в пятой зоне – с 22 марта по 22 сентября.
Для обеспечения зрительного комфорта в помещениях и приватности в ночное время солнцезащитные (затеняющие) устройства следует предусматривать при всех ориентациях фасадов зданий, включая северные, в климатических районах, где в летнее время наблюдается полярный день.
В климатических районах с преобладанием солнечной погоды в холодный период года необходимо учитывать возможность обеспечения пассивного солнечного отопления помещений для снижения энергетических затрат на работу систем отопления зданий.
На рис. 5 приведено районирование территории РФ по среднемесячной температуре июля, которую следует использовать для определения местоположения СЗУ относительно светопрозрачной конструкции.
В Крымском федеральном университете им. В.И. Вернадского были разработаны помесячные карты изолиний солнечной радиации на горизонтальную поверхность в условиях действительной облачности. Для примера в настоящей статье приведена карта изолиний солнечной радиации Северо-Кавказского и Южного Федеральных округов (рис. 6).
Для уменьшения воздействия вредных факторов прямой солнечной радиации на микроклимат помещений, в том числе перегрева, в период охлаждения зданий необходимо использовать мероприятия по солнцезащите. Это – рациональная ориентация фасадов по сторонам горизонта, рациональная планировка помещений зданий (устройство лоджий, козырьков на фасадах, ориентированных по солнечным румбам горизонта и пр.), посадка зеленых насаждений у фасадов зданий, оборудование светопрозрачных конструкций солнцезащитными устройствами.
Библиографический список
1. Проект Свода правил «Устройства солнцезащитные зданий. Правила проектирования», НИИСФ РААСН, 2016, – 77 с.
2. Beck W., Dolmans D., Dutoo G., Hall A., Seppanen O. Solar Shading. How to integrate solar shading in sustainable buildings. REHVA and ES-SO Guidebook, 2010, – 78 p.
3. Hutchins M. High performance dynamic shading solutions for energy efficiency and comfort in buildings. Sonnergy Limited, Sonnergy report 15/498, May 2015, – 147 p.
4. Штейнберг А.Я. Солнцезащита зданий / А.Я. Штейнберг; под ред. Л. Подгорного. – К. : Будівельник, 1986, – 104 с.
5. Дворецкий А.Т., Моргунова М.А., Сергейчук О.В., Спиридонов А.В. Методы проектирования стационарных солнцезащитных устройств // Светотехника, №6, 2016, с. 43-47.
6. Дворецкий А.Т., Спиридонов А.В., Моргунова М.А. Влияние особенностей климата Российской Федерации и ориентации здания на выбор типа стационарного солнцезащитного устройства // Биосферная совместимость. Человек, регион, технологии, №4 (16), 2016, с. 50-57.
7. ДСТУ Н Б В.1.1 – 27:2011 Будiвельна климатологiя.
8. СП 131.13330.2012 Строительная климатология.
9. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.
10. СП 52.13330.2011 Естественное и искусственное освещение.
11. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076-01 Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий.
12. СП 23-101-2004 Проектирование тепловой защиты зданий. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные. Части 1-6, вып. 1-34, Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1989-1998.
