Территория СССР простирается с севера на юг примерно на 4500 км, а с запада на восток — более чем на 9000 км. Этим, в основном, объясняется большое разнообразие климатических условий.
В Советском Союзе представлены четыре наиболее характерных типа климата: умеренный, субарктический, арктический, а на юге страны — субтропический.
Гигиенические требования к объемно-планировочному решению зданий и условия их эксплуатации в каждом климате различны. Такие различия могут быть конкретизированы по наиболее повторяющимся и длительным периодам теплового состояния внешней географической среды, влияющим на тепловые ощущения человека.
Степень влияния влажности на особенности теплового состояния внешней среды может быть установлена на основании общей оценки влажности климата в рассматриваемой местности или по карте влажностно-климатических характеристик районов строительства (стр. 000).
Сочетания рассматриваемого теплового состояния с ветрами определенной скорости, весьма важные, в частности, для характеристики территорий, прилегающих к морям и океанам, устанавливаются путем изучения повторяемости видов погоды с конкретной температурой и скоростью ветра. Из этих видов весьма важна погода с интенсивным переносом воздуха и содержащихся в нем взвешенных частиц (морозная с ветром, метелевая, штормовая, с пыльными и песчаными бурями).
Такая погода существенно влияет на рациональные приемы застройки, а также на типы зданий и ограждающих конструкций, ограничивая возможность применения инженерных решений, целесообразных в других условиях.
Внутренний объем проектируемых кварталов нуждается при заметной повторяемости таких погодных условий, в защитных мероприятиях (озеленение, снегозащита, контурные здания-барьеры и т.. п.), а здания — в повышенной герметизации ограждающих конструкций.
К погоде, сильно влияющей на архитектурно-строительные решения в южных районах, относится также жаркая штилевая, прямо противоположная погодным условиям с интенсивным переносом воздуха. При повторяемости жаркой штилевой погоды, целесообразно наибольшее раскрытие внутреннего объема проектируемых кварталов и зданий, в целях активизации аэрации и лучшего использования ветра при его возникновении.
После выделения подобных видов погоды, наиболее существенно влияющих на планировку, застройку, типы зданий и их герметизацию, классификация других видов погоды может быть построена на основе учета степени теплового воздействия на человека.
В любом климате основной характеристикой изменений или стабильности теплового состояния приземного слоя воздуха является повторяемость и продолжительность видов погоды наиболее распространенны по длительности и уровню температуры.
Установленные по соответствующим градациям температуры виды погоды определяют в значительной мере эксплуатационные требования к проектируемому зданию и являются показателями для выбора его типа, планировочного решения и особенностей ограждающих конструкций.
Для климатической типизации зданий характерными по особенностям воздействия на человека видами погоды можно считать требующую отопления помещений холодную (ниже +8°), прохладную (8—15°), теплую (16—28°) и жаркую (выше +28°).
В более неблагоприятных климатических условиях возникает необходимость дополнительного выделения очень холодной (например, ниже —12°) и очень жаркой (выше +32°) погоды.
Основное значение для полезной деятельности человека имеет характеристика погоды в дневное время суток; поэтому при рассмотрении имеющихся в справочных таблицах среднемесячных значений температуры уместно вводить поправки на повышение температуры днем.
Для летнего периода значения амплитуд увеличиваются до 5—6° в Европейской части СССР, до 6—8° в Средней Азии, а для Сибири равны 6—7°.
Если принять, что в течение суток температура наружного воздуха закономерно отклоняется от среднемесячных значений днем в большую сторону, а ночью — в меньшую (рис. II-1), характерные значения температуры для дневного периода могут быть получены как
Суммарная продолжительность холодной и очень холодной погоды в рассматриваемом климатическом пункте ориентировочно соответствует длительности отопительного периода года.
Верхний температурный предел прохладной погоды (15°) определяется обеспечением требуемого теплового уровня (18°) внутри жилого здания за счет внутренних выделений тепла, а верхний предел теплой погоды ( +28°) примерно соответствует границе теплового состояния внешней среды, при котором длительное обеспечение температурного комфорта для человека, находящегося в здании (с ограниченной тепловой инерцией и отсутствием охлаждающих устройств), становится уже затруднительным.
Продолжительность прохладной и теплой погоды может быть приближенно определена путем рассмотрения указанных в табл. 1 норм строительной климатологии среднемесячных значений температуры в заданном пункте и внесения поправок на ее повышение в дневное время суток.
Так, например, для Ташкента среднемесячная температура июля равна 26,9°, а амплитуда колебаний температуры будет составлять около 8,5°.
Прибавляя в соответствии с формулой (II-1) 0,7-8,5° к среднемесячной температуре июня (24,7°), июля (26,9°) и августа (4,9°), убеждаемся, что эти месяцы характеризуются жаркой погодой, тогда как в мае (среднемесячная температура 20,0°) и сентябре (19,4°) преобладает уже теплая погода.
Состав и продолжительность погоды того или другого вида, характеризующие тепловое состояние атмосферы в рассматриваемом пункте, могут служить основой для целесообразных мероприятий при проектировании.
В умеренном и неотличающемся сильными ветрами климате повторяемость и длительность холодной и прохладной погоды позволяет установить целесообразные объемно-планировочные характеристики проектируемого здания.
Можно считать, что при продолжительности отопительного периода года (холодной и очень холодной погоды) более 9 месяцев, уместно увеличение ширины жилых и гражданских многоэтажных зданий против общепринятой в умеренном климате. Имеется в виду необходимость сокращения теплопотерь и ненужность сквозного проветривания, а также целесообразность увеличения площади вспомогательных и назначенных для зимнего пребывания помещений (гардеробов, кладовых, холлов, рекреаций и т. д.).
Кроме того, при указанной длительности отопительного периода, в ряде северных (и; особенно, в заполярных) районах уменьшается целесообразность использования дневного света для лестничных клеток, санитарных узлов, служебных помещений. Поэтому разумно располагать их в глубине зданий, без непосредственного естественного освещения.
Увеличенная ширина застройки в рассматриваемых климатических условиях представляет экономические и эксплуатационные преимущества также и для многоэтажных промышленных зданий.
В одноэтажном промышленном строительстве для заполярных районов становятся экономически целесообразными и оправданными бесфонарные промышленные здания.
При наличии длительной очень холодной погоды и сильных зимних ветров возникает необходимость улучшения аэродинамических характеристик проектируемых зданий.
В гражданских и жилых зданиях становится недопустимым проектирование лоджий, а иногда даже балконов и эркеров; в промышленных зданиях следует избегать перепадов высот между отдельными пролетами и всемерно ограничивать применение фонарей верхнего света.
В холодных районах, в условиях многолетнемерзлых грунтов, помимо увеличения ширины зданий, становится необходимым устройство проветриваемого холодного подполья или даже цокольного технического этажа, препятствующего потерям тепла из отапливаемых помещений в грунт и обеспечивающего уменьшение вероятности неравномерных осадок и деформаций здания в результате самопроизвольного оттаивания и незакономерного уплотнения основания.
Обычно сочетание большой продолжительности (например, более 3-х месяцев) очень холодной, погоды с значительной средней скоростью зимних ветров (например, выше 6—7 м/сек) свидетельствует о том, что при проектировании зданий целесообразно стремиться к их достаточно приемлемой в смысле обтекания ветром геометрической форме, учитывая вероятность возникновения снежных заносов у зданий (а для одноэтажных и на их кровле) и особенно в аэродинамически неблагоприятных зонах, какими могут являться перепады высот, лоджии, фонари верхнего света и другие элементы зданий, трудно обтекаемые снеговетровым потоком.
В южных и юго-восточных районах СССР с большой продолжительностью жаркой погоды (например, более 2—3 месяцев) целесообразны типы зданий, отличающиеся наибольшей эффективностью в смысле естественного проветривания и защиты от перегрева помещений. Многоэтажные здания нуждаются в таких условиях не только в применении солнцезащитных устройств для светопроемов, но и в экранировании наружных стен, особенно обращенных на юг и запад, а также в активном вентилировании совмещенных покрытий и чердачных пространств.
Значительная разность ночных и дневных температур способствует повышенному охлаждающему эффекту ночного проветривания помещений и экранированных ограждений, что отмечается опытом эксплуатации зданий в Таджикской и Узбекской ССР. Натурные исследования и теоретический анализ условий лучистого и конвективного теплообмена в жилых и других помещениях помогли установить, что в южных районах нецелесообразно снижать высоту этих помещений до минимума. В низких помещениях с высотой менее 3 м активизируется перегрев человека лучистым теплом и затрудняется организация конвективных токов воздуха, способствующих ограничению такого перегрева (см. статью).
Целесообразное озеленение прилегающей территории, а также защита вертикальных ограждений здания вьющейся зеленью способствует, кроме того, и повышению эффективности мероприятий, предохраняющих от перегрева.
Высокая влажность южного климата далеко не всегда влияет на появление существенных отличий в планировке и типе зданий; однако в большинстве случаев интенсивные увлажняющие воздействия, зависящие от климатических условий, приходится учитывать при проектировании ограждающих конструкций и выборе материалов для них.
Для влажного южного климата обычно характерно меньшее понижение температуры в ночное время; увеличение эффективности естественного проветривания достигается в этих условиях благоприятной ориентацией здания относительно преобладающих ночных ветров.
При грунте, сильно увлажняемом большим количеством атмосферных осадков, может возникнуть необходимость в наличии под зданием хорошо проветриваемого подполья; лишь в низких заболоченных местах сильно увлажняемых территорий целесообразно превращение такого подполья в специальный цокольный этаж или даже решение здания с отсутствием первого этажа.
Гораздо чаще для любого приемлемого типа зданий в районах с регулярно повторяющимися дождями, сопровождаемыми достаточно сильным ветром (прибрежные территории и вообще районы, находящиеся в зоне интенсивных океанических влияний), приходится проектировать ограждающие конструкции с достаточной защитой от увлажнения или даже от возможности сквозного промокания. В зависимости от количества осадков, выпадающих в жидкой фазе, и скорости ветров, сопровождающих их выпадение, степень защиты может изменяться. Минимальная защита обеспечивается утолщением и повышением непроницаемости защитнофактурного слоя, а при необходимости более эффективной защиты эта мера сочетается с применением ограждений, имеющих вентилируемые воздушные прослойки в наружной части или непосредственно под защитнофактурным слоем.
Повышение непроницаемости защитнофактурного слоя может достигаться путем использования плотной, малопроницаемой отделки (например, керамической, из листового алюминия и т. д.) или путем придания наружной части конструкции водоотталкивающих (гидрофобных) свойств при ее производстве в заводских условиях (обработка кремнийорганическими соединениями, специальными эмульсиями и т. д.).
При ограниченной интенсивности увлажнения вертикальных поверхностей жилых зданий оказывается достаточным утолщение защитнофактурного слоя до 3—4 см и выполнение его из плотного вибрированного мелкозернистого бетона или строительного раствора.
В приморских местностях Англии широко применяют конструкции кирпичных стен с воздушной вентилируемой прослойкой в их наружной части.
Районирование территории СССР по длительности и повторяемости характерных видов погоды, влияющих на тепловое состояние человека, пребывающего в здании, представляет весьма трудоемкую задачу.
Первым целесообразным приближением к решению этой задачи является деление территории СССР на климатические районы и подрайоны, принятое в нормах проектирования жилых зданий (СНиПП-Л.1—71) и проведенное по многолетним климатическим данным для января и июля в рассматриваемых географических пунктах.
Осредненные температурные параметры этих месяцев близки (для большинства пунктов) к длительным экстремальным тепловым состояниям наружного воздуха в течение зимнего и летнего периодов, а потому могут (в первом приближении) использоваться для оценки температурных границ всего комплекса характерных типов погоды в течение года.
В основу районирования принято давно существовавшее, но явно недостаточное деление территории СССР на четыре района: I — с очень холодной, длительной и суровой зимой и коротким прохладным или теплым летом (преимущественно крайние северные и северо-восточные районы СССР); II — с холодной зимней погодой, но теплым или умеренно жарким летом (центральные и северо-западные районы европейской части СССР, а также прибрежные дальневосточные); III — с отрицательной (иногда низкой) зимней температурой, но обычно жарким летом (преимущественно районы с континентальным климатом в средней полосе и отчасти на юге и юго-востоке); IV — с короткой и неустойчивой зимой, но длительным жарким летом (крайние южные и юго-восточные районы).
Каждый из этих четырех районов подразделен на 3—5 подрайонов обозначенных на карте первыми заглавными буквами русского алфавита.
Дальнейшее уточнение рассматриваемого климатического районирования наиболее возможно на основе изучения повторяемости и длительности характерных видов погоды в течение года и должно привести к удовлетворительному решению поставленной задачи.
Выше отмечены только основные климатические характеристики, влияющие на выбор типа здания или его основных ограждающих конструкций. Климатические же параметры, используемые в качестве расчетных величин, характеризующих наиболее неблагоприятные внешние воздействия при теплофизических расчетах проектируемых конструкций, необходимы во всех случаях проектирования.
Большинство неблагоприятных внешних воздействий и влияний микроклимата, воспринимаемых ограждающими конструкциями, являются комплексными, т. е. вызванными совместным действием нескольких физических факторов, например, низкой температуры и ветра, совместным эффектом высокой температуры и солнечной радиации. Такое совместное действие может привести к недопустимому охлаждению или прогреву конструкции. Однако при определении необходимых физических свойств конструкции, например, ее сопротивления теплопередаче или свойства ограничивать прогрев, приходится учитывать расчетные величины отдельных наиболее важных физико-климатических факторов из числа входящих в комплекс воздействий, поскольку закономерности их влияния на ограждающие конструкции могут быть существенно различными по своему физическому действию.
В зимний период конструкции с относительно проницаемой наружной частью и недостаточно герметизированными стыками будут наиболее охлаждаться при сильном ветре, сопровождающемся во многих районах относительно умеренной температурой; наоборот, для конструкций с непроницаемым наружным слоем (например, из листового алюминия) и плотными сопряжениями отдельных элементов расчетное состояние охлаждения наступит при предельно низкой температуре наружного воздуха, что для многих местностей совпадает со штилевым состоянием атмосферы.
В общем случае необходим расчет конструкции по двум состояниям климатических воздействий, а именно: по наиболее неблагоприятным условиям воздухопроницания (при сильном ветре и сопровождающей его относительно умеренной температуре) и по наибольшему возможному охлаждению при низкой расчетной температуре, но сравнительном безветрии.
При этом расчетная скорость ветра и расчетная температура при его отсутствии должны назначаться таким образом, чтобы вероятность их повторений (обеспеченность) в рассматриваемой местности была одинаковой.
В отдельных климатических районах отмечаются совпадения во времени большой скорости ветра и предельно-низкой температуры наружного воздуха. Это происходит по той причине, что именно ветер определенного направления сопровождается понижением температуры. Такие климатические условия характерны, например, для многих прибрежных районов Дальнего Востока, полуострова Мангышлак, Новороссийска и других местностей.
В этих случаях два расчетных состояния климатических воздействий совмещаются, и расчет производится при большой скорости ветра и низкой расчетной температуре, что конечно представляет наибольшую опасность для чрезмерного переохлаждения конструкции.
Аналогичная необходимость расчета по двум состояниям внешних воздействий возникает при проектировании ограждающих конструкций в относительно южных районах.
Здесь необходим расчет распределения температур внутри конструкции при установившейся предельно низкой температуре наружного воздуха в холодный период года (с целью установить необходимое сопротивление конструкции теплопередаче) и расчет периодического прогрева ограждения в летних условиях, выражающийся в определении допустимых колебаний температуры на поверхности, обращенной в помещение (т. е. расчет затухания колебаний температуры внутри конструкции).
Воздействия внешнего климата и микроклимата помещений влияют на периодические увлажнения и естественную сушку ограждающих конструкций; в связи с этим равновесное влажностное состояние материалов и их теплопроводность зависят от климата; допустимая величина влажности материалов в ограждающих конструкциях иногда может быть обеспечена только при применении целесообразного конструктивного решения.
Перечисленными воздействиями климата далеко не исчерпывается его значение при конструировании ограждений и их теплофизическом расчете. Важное значение имеет, например, возможность образования наледей на карнизах, инея и гололеда на поверхности наружных стен, что вызывает увлажнение конструкций и последующее разрушение их поверхностных и отделочных слоев.
Объем учебного пособия не позволяет рассмотреть многие климатические воздействия, учет которых был бы полезен при проектировании. Ниже конкретизированы только некоторые из них, наиболее важные для наружных ограждающих конструкций.
Примечания
1. Здесь под амплитудой понимается отклонение экстремальных (в течение осредненных за соответствующий месяц суток) значений температуры от ее среднемесячных значений. В метеорологических таблицах обычно указывается двойная амплитуда, представляющая разность между максимальными и минимальными значениями температуры.