Влияние даты расчета продолжительности инсоляции на параметры уплотненной застройки

Инсоляция – освещение объектов прямым солнечным светом. Инсоляция оказывает положительное биологическое воздействие на человека. В России при проектировании зданий расчет продолжительности инсоляции является обязательным. Расчет выполняется в соответствии с действующими нормами [1, 2], в которых задана дата расчета и другие параметры, которым должна соответствовать инсоляция.

До 2017 г. для центральной зоны России расчет выполнялся на 22 марта или 22 сентября – это дни равноденствия. В 2017 г. установлена новая дата расчета – 22 апреля или 22 августа. При новой дате возрастает высота солнца над горизонтом и продолжительность дневного времени суток, следовательно, возрастает и продолжительность инсоляции в нормативный день расчета. Это позволяет при уплотненной застройке [3, 4] увеличить допустимую высоту зданий и снизить допустимое расстояние между зданиями [5–8].

Изменение нормативной даты расчета имеет негативные социальные последствия [9]. Однако в нашей работе мы рассматриваем лишь геометрические аспекты проблемы, то есть в какой мере можно увеличить плотность застройки в связи с увеличением высоты солнца над горизонтом и увеличением продолжительности светового дня в апреле по сравнению с мартом.

Цель данной работы – исследовать влияние, вызванное изменением нормативной даты расчета продолжительности инсоляции, на допустимую высоту зданий и плотность застройки.

Алгоритм расчета инсоляции

Исследования выполнялись в пакете AutoCad [10] на основе САПР расчета инсоляции [11, 12] путем построения и исследования полей инсоляции [13] .

Для определения продолжительности инсоляции строим 3 D -модели зданий в произвольном масштабе (рис. 1, а ). Принимаем общепринятую модель движения солнца по небосводу [14]. Строим лучевой конус, вершину которого помещаем в расчетную точку окна – точку А. Это круговой конус, его ось i определяется значением угла ϕ , величина которого равна географической широте. Для Москвы и Челябинска ϕ = 55°. Угол δ определяется по формуле Купера [14, 15]:

5 = 23,45 - sin (2 n 22^=21 ),

365 '’ где δ – угол в градусах, data – номер календарного дня. Например, для 1 января data = 1; для 22 марта data = 81, δ = 0; для 22 апреля data = 112, δ = 11,93°. Для 22 марта лучевой конус вырожда-

Рис. 1. Алгоритм расчета продолжительности инсоляции: а – параметры лучевого конуса; б – сечения зданий конусом; в – измерение углов инсоляции

ется в плоскость γ. При δ < 0 (зимние месяцы) конус симметричен приведенному (см. рис. 1, а ) относительно плоскости γ. Здесь и далее стрелка N указывает направление на север.

Центр основания конуса, точку E , задаем так, чтобы он полностью пересекал модели зданий. Конус срезаем на уровне плоскости горизонта horizon ⊃ A , при этом определяются луч восхода AB и луч AC заката солнца.

Строим сечения зданий конусом и лучи из т. А, охватывающие эти сечения – лучи A-1 … A-5 (рис. 1, б , в ). Лучи проецируем на плоскость γ или ей параллельную и измеряем углы α, α ′ , α ′′ , определяющие продолжительность секторов инсоляции. Находим сумму углов инсоляции α _Σ . Значение α _Σ преобразуем в интервал времени insol по соотношению 15° = 1 час.

В соответствии с нормами [1, 2] из α Σ вычитаем углы ε = 15° на восходе и закате (в приведенном примере восход закрыт зданием, поэтому луч AB не учитываем). Если точка A находится на стене здания, то в этой точке создают 3 D -модель окна, балкона или лоджии. В упрощенных расчетах вместо этих моделей из α _Σ вычитают предварительно определенные углы η [1, 16] (рис. 1, в ). В нашей работе была принята модель с η = 8°.

Алгоритм, примененный в нашей работе, учитывает все требования норм расчета [1, 2, 16]. Уточним алгоритм определения прерывистой инсоляции, состоящей из нескольких секторов света:

• •    если продолжительность наибольшего сектора прерывистой инсоляции менее 1 часа, то инсоляцию в точке принимаем равной нулю (несмотря на то, что суммарная длительность секторов может быть значительной);

• •    если продолжительность одного из секторов больше двух часов, то инсоляцию в точке считаем непрерывной с длительностью, равной сумме длительностей секторов;

• •    если сектор света содержит разрывы длительностью до 10 минут, сектор считаем непрерывным. Его длительность определяем за вычетом указанных разрывов. Это условие, добавленное нами, позволяет исключить из расчета микроразрывы инсоляции.

Продолжительность инсоляции insol сравнивается с допустимым значением insol* . При insol ≥ insol* инсоляция в расчетной точке считается допустимой. Для стен зданий при непрерывной инсоляции (единственный сектор света) insol* = 2 часа. Для прерывистой инсоляции insol* = 2,5 часа. Для детских площадок значения insol* составляют соответственно 2,5 и 3 часа . При insol < insol* инсоляция признается недопустимой .

Методика оценки влияния даты расчета на основе полей инсоляции

Поле инсоляции – это непрерывное множество значений инсоляции в точках, расположенных внутри контура стены или площадки. Поля строит автоматизированная система [5, 6, 11–13], которая проставляет цветные маркеры в узлах прямоугольной сетки, нанесенной на контур. Цвет маркеров определяется значением insol (рис. 2, а ). Зоны допустимой инсоляции имеют желтый или зеленый цвет. Недопустимая инсоляция выделена красным и синим цветом.

Количество узлов сетки задается в зависимости от требуемой точности расчета. Кроме требований точности продолжительность расчета поля зависит от сложности геометрии зданий, даты расчета и параметров компьютера.

Поля, приведенные ниже, построены на сетках с количеством узлов вдоль длинной стороны, равным 50…100. Продолжительность расчета каждого поля составляла 3–5 мин.

Поля инсоляции обладают высокой информативностью и наглядностью. Они дают интегральную оценку инсоляции как отдельных зданий, так и микрорайонов, позволяют выявить критичные зоны инсоляции, принять обоснованные решения по корректировке геометрии зданий в случае нарушения инсоляции.

В нашей работе на основе построения полей инсоляции предложена методика определения допустимого положения зданий. При сближении зданий или увеличении их высоты контролируем поля инсоляции на стенах. В качестве критерия предельно-допустимого положения зданий или высоты принято появление красной зоны (красной полоски) на нижних этажах.

Рис. 2. Влияние даты расчета на допустимое расстояние между зданиями del: а – цвет маркеров в зависимости от продолжительности инсоляции insol и режима; б – поля для 22 марта; в – поля для 22 апреля

В качестве дополнительной информации построены поля инсоляции вокруг зданий.

Расстояние между зданиями

Рассмотрим изменение полей инсоляции при сближении двух взаимно параллельных зданий, ориентированных вдоль меридиана. Размеры зданий примем одинаковыми: длина 120, ширина 15, высота 60.

Характерные зависимости приведены для полей, полученных расчетом на 22 марта (рис. 2, б ). При расстоянии del > 105 инсоляция всех стен и «земли» insol > 3 часов. Исключение составляют северные стены, в которых инсоляция отсутствует. При del = 100 возникает небольшая зона 2< insol <3 зеленого цвета. При дальнейшем сближении зданий, например, del = 90, эта зона возрастает. При del = 80 на внутренних стенах зданий возникает красная зона в виде тонкой полоски в нижней части стены. Это признак появления недопустимо низкой инсоляции insol < 2. При del = 60 красная зона на стене увеличивается. При del = 55 на стене появилась синяя зона как признак insol < 1 часа; на «земле» образовалась обширная красная зона. Предельно допустимое расстояние между зданиями, при котором на стенах зданий появляется красная зона, составило del = 80.

При расчете 22 апреля (рис. 2, в) картина полей инсоляции качественно повторяется. Однако допустимое расстояние между зданиями значительно уменьшается. Зеленая зона возникает при del = 80. При del = 60 эта зона охватывает большую часть дворового пространства. Критичная красная зона на стенах возникает при del = 55. Синяя зона на стенах образуется при del = 40. Следовательно, допустимое расстояние между зданиями снизилось с 80 до 55.

Приведенный пример является характерным и повторяющимся при других параметрах зданий. Следует вывод, что изменение расчетной даты с 22 марта на 22 апреля позволяет располагать здания на ≈ 30 % ближе.

Высота зданий

Для оценки влияния даты расчета на предельную высоту зданий принята та же модель из двух параллельно расположенных зданий одинаковой высоты h , ориентированных вдоль меридиана. Была проведена серия экспериментов при различных значениях del и h (рис. 3). Модели зданий сближали до появления красной полоски на стенах. Характерный пример приведен для del = 100. В марте допустимая высота составила h = 75, в апреле h = 105.

То есть в этом и других подобных экспериментах допустимая высота зданий для 22 апреля возросла на ≈30 %.

Положение здания относительно параллели восток – запад

Продолжительность светового дня 22 марта составляет 12 часов. Для 22 апреля она составляет ≈ 14 часов 21 минуту, то есть возрастает на ≈ 2 часа 21 минуту. Оценим влияние увеличения продолжительности дня на допустимое положение зданий. Будем снижать значение угла λ (рис. 4, а ) между северо-восточной стеной и па-

• а)                                                  б)

Рис. 3. Влияние даты расчета на допустимую высоту зданий (пример при del = 100): а – 22 марта; б – 22 апреля

Рис. 4. Влияние даты расчета на величину угла между стеной здания и параллелью восток – запад: а – 22 марта, б – 22 апреля, в – сектор света для 22 марта, г – сектор света для 22 апреля

раллелью восток – запад и контролировать изменение инсоляции этой стены. Все точки контрольной стены имеют равную инсоляцию, поэтому критерий предельного положения – окрашивание всей стены в красный цвет.

• 22 марта (рис. 4, а ) при λ≥ 65° инсоляция всей стены превышает 3 часа (желтый цвет всей стены). При 64° ≥ λ ≥ 48° вся стена окрашена в зеленый цвет. При 48°> λ ≥ 45° стена окрашена в красный цвет, что указывает на предельное положение здания. При λ < 45° инсоляция стены менее 1 часа (синий цвет стены).

При расчете 22 апреля картина полей качественно прежняя. Однако окрашивание стены в зеленый цвет зоны происходит при λ = 40°. Красный цвет (рис. 4, б ) покрывает всю стену при 24° ≥λ≥ 18°. Синий цвет образуется при λ < 18°.

Влияние даты расчета на величину допустимого значения λ поясняется тем, что в марте начало сектора света совпадает с параллелью восток – запад (рис. 4, в ). В апреле (рис. 4, г ) сектор света начинается на ω = 17,6° раньше.

Следовательно, при дате расчета 22 апреля по сравнению с 22 марта угол между направлением северо-восточной стены и параллелью можно снизить с 48° до 24°, т. е. в два раза.

Пример расчета при уплотненной застройке

Рассмотрим влияние даты расчета в реальном проекте. Необходимо определить влияние нового здания 1 (г. Челябинск, ул. Каслинская, 97, заказчик ООО ПКБ «Профиль-Проект» [17]) на существующие здания 2, 3 (рис. 5, a ). Первоначально расчет выполняли на 22 марта. Определена инсоляция до возведения нового здания (рис. 5, б ) и после возведения здания (рис. 5, в ).

Было выявлено снижение области допустимой инсоляции зданий 2 и 3 . Примером являются контрольные точки A , B . Эти точки прежде находились в желтой и зеленой зонах полей инсоляции, то есть инсоляция в них была на допустимом уровне. После возведения здания 1 эти точки попали в красную и синюю зоны, то есть в них инсоляция становилась недопустимо низкой.

Рис. 5. Расчет инсоляции уплотненной застройки на 22 марта: а – модель застройки; б – до возведения нового здания (поз. 1); в – после возведения

Для выработки рекомендаций по сохранению допустимого уровня инсоляции в точках A, B автоматизированной системой [11, 12] были построены секторы света (рис. 6, а ). В точке А выявлена непрерывная инсоляция продолжительностью 1 ч 51 мин, что соответствует сектору света 27,7°. Этот сектор ограничен ребрами существующего здания 4 и нового здания 1 . В точке B инсоляция прерывистая, состоит из двух секторов света. Сектор 19,8° ограничен ребрами зданий 1 и 2 . Сектор 4,3° отсчитывается от восхода за вычетом 15° и ограничен ребром здания 2. Суммарная продолжительность инсоляции в точке B составила 1 ч 37 мин (24,1°).

По результатам расчета на 22 марта для восстановления инсоляции была предложена корректировка возводимого здания, позволяющая расширить секторы света (рис. 6, б ).

Переход на дату расчета 22 апреля позволил сохранить первоначальный проект возводимого здания. Инсоляция в контрольных точках стала допустимой. Точка A оказалась в зеленой зоне (рис. 7, а). Инсоляция в точке А составила 2 ч 49 мин или 40,8° (рис. 7, б). В точке B инсоляция возросла до 4 ч 7 мин (61,7°). Существенное воз- растание инсоляции в апреле объясняется тем, что часть границ секторов света оказались выше зданий, которые в марте закрывали эти секторы.

Особенности инсоляциизданий угловой формы

В предыдущих экспериментах подтверждено ожидаемое увеличение инсоляции в апреле по сравнению с мартом. Однако для зданий угловой формы было установлено, что на внутренних стенах продолжительность инсоляции в апреле по сравнению с мартом снижается. Для выявления причин этого неожиданного эффекта была исследована модель, приведенная на рис. 8, а . В точках 0–20, соответствующих окнам нижнего этажа, определяли зависимость продолжительности инсоляции insol и сектора света α от даты измерения.

Показано (рис. 8, б ), что для точек окна 0–11 с переходом от декабря к июню, в том числе от марта к апрелю, инсоляция снижается. Например, в точке 2 (см. рис. 8, б , кривые 4 и 5) при расчете 22 марта продолжительность составила 5 ч 6 мин или 76,5°. При расчете 22 апреля продолжительность снизилась до 4 ч 34 мин (68,5°), то есть на 32 мин.

Рис. 6. Корректировка модели возводимого здания по результатам расчета инсоляции на 22 марта: а – секторы света в контрольных точках; б – варианты корректировки

Луч восхода

6ХТ

Рис. 7. Расчет инсоляции уплотненной застройки на 22 апреля: а – поля инсоляции; б – секторы света

Эффект снижения инсоляции проявляется от точки 0 до точки P (см. рис. 8, б ). В точке P , начиная с февраля по октябрь, инсоляция не зависит от даты расчета. После точки P восстанавливается обычный эффект возрастания инсоляции по мере приближения к 22 июня.

Особенность кривых 1, 2 (см. рис. 8, б ) объясняется тем, что в декабре и январе конус света для точек 1–20 не пересекает высотное здание.

Для точек, удаленных от угла здания в большей мере, чем точка P, по мере удаления инсоляция асимптотически приближается к инсоляции, определенной при отсутствии высотной части (рис. 8, в ).

Приведена модель (рис. 8, г), поясняющая выявленный эффект. Показано изменение угла сектора света, расположенного между стенами углового здания. В модели углам ϕ и δ приданы значения, повышающие наглядность модели. Видно, что угол α*, измеряемый по лучевому конусу, всегда меньше, чем угол α, измеряемый в марте по плоскости равноденствия γ.

Рассмотрим примеры проявления эффекта снижения инсоляции для зданий угловой формы. Построим модели двух зданий (рис. 9, а ). Их контуры в плане определены для 22 марта как варианты предельно-допустимой уплотненной застройки. Каждое из зданий в отдельности, будучи возведенным в заданном месте, обладает максимальновозможной площадью контура застройки, при которой на окружающих зданиях не происходит снижения инсоляции ниже нормы [13,18,19].

Расчет на 22 марта подтвердил (рис. 9, б ), что на стенах окружающих зданий нет красных зон. Однако расчет на 22 апреля при тех же зданиях выявил появление красных зон, то есть инсоляция в отдельных участках стен углового здания стала ниже нормы.

Рис. 8. Особенность инсоляции стен углового здания:

а – модель здания; б – инсоляция в точках для различного месяца года (дата 22); в – инсоляция в зависимости от месяца (дата 22); г – модель инсоляции

Рис. 9. Инсоляция при уплотненной застройке углового здания: а – модели двух зданий; б – инсоляция 22 марта; в – 22 апреля

Выводы

Предложена методика оценки геометрической формы и взаимного положения зданий на основе построения полей инсоляции. Допустимые размеры и положение зданий определяются по появлению сигнальных областей (красного цвета), соответствующих уровню низкой инсоляции.

Предложенная методика реализуется программой, написанной на языке AutoLisp [20]. Эффективность методики возрастает с уплотнением застройки и увеличением сложности геометрической формы зданий.

В большинстве случаев уплотненной застройки изменение даты расчета с 22 марта на 22 апреля позволяет увеличить высоту зданий и уменьшить расстояние между зданиями на 30 %, а также уменьшить предельный угол между северной стеной зданий и параллелью с 48° до 24°.

Установлено, что для зданий угловой формы изменение даты расчета с 22 марта на 22 апреля вызывает снижение инсоляции на внутренних стенах. Это может привести к недостоверности результатов, основанных на расчетах для 22 марта, при переходе на дату расчета 22 апреля.