Оптимизация объемно-планировочных и конструктивных решений общественных зданий по критериям комфортности внутренней микроклиматической среды для условий Центральной Азии: на примере Афганистана

Улучшение условий труда за счет создания комфортной внутренней микроклиматической среды в рабочих помещениях общественных зданий является важным резервом для увеличения производительности труда. Улучшения микроклиматических параметров внутренней среды в рабочих помещениях общественных зданий является важной проблемой современной архитектуры и должна рассматриваться как с научной, так и с практической точек зрения [12,14,15,16,20,27].

Понятие комфортности внутренней микроклиматической среды складывается из нескольких составляющих, важнейшим из которых является: температурно-влажностный режим, световой режим, шумовой режим, а также циркуляция воздуха и воздухообмен.

Эти факторы, формирующие внутреннюю микроклиматическую среду, должны рассматриваться в комплексе. Наиболее важны световой и температурно-влажностный режимы: параметры светового режима являются определяющими для большинства функциональных процессов, протекающих в общественных зданиях. Параметры температурно-влажностного режима являются определяющими для зданий, располагающимися в районах с неблагоприятными климатическими условиями. Интегральная оценка комфортности внутренней среды, возможна лишь на основе комплексного подхода. Комплексный подход в организации комфортной микроклиматической среды для помещений общественных зданий в районах с жарким климатом в первую очередь помогает увязать параметры температурно-влажностного и светового режима.

Комфортность внутренней микроклиматической среды в рабочих помещениях общественных зданий в условиях жаркого и сухого климата, который характерен для региона Центральной Азии, может быть достигнута на основе комплексного подхода, [8,11,12,14,15,16,27,31,34,45,48] с использованием научных исследований, которые должны иметь выход на новые объемно-планировочные и конструктивные решения.

Комплексный подход к рассмотрению этой проблемы весьма сложен, т.к. условия обеспечения комфортной световой среды и условия обеспечения комфортного температурно-влажностного режима зачастую входят в противоречие друг с другом. Поэтому данная работа, не претендуя на универсальность, делает лишь определенные шаги в направлении решения этой проблемы. 8,12,27,35,36].

Для условий климата Афганистана характерна не только жара и сухость в течении большей части года, но также и довольно прохладные зимние периоды [19,24,27,34]. Здания следует не только защищать от перегрева летом, но также защищать от переохлаждения зимой. Значительные теплопоступления в здания в жаркий период объясняются также и высоким уровнем солнечной активности, что приводит к их дополнительному перегреву помещений через окна за счет инсоляции. Наличие светопроемов, однако, жизненно важно для нормального естественного освещения и естественной вентиляции [8,12,14,15,16].

Афганистан в последние десятилетия не имел достаточных возможностей для развития энергозатратных методов улучшения внутреннего микроклимата в зданиях (кондиционирование воздуха, отопление и т. д.). В основном эти задачи решались традиционными объемно-планировочными и конструктивными мерами с использованием традиционных строительных материалов и технологий.

Целый ряд научных исследований, посвященный созданию комфортной микроклиматической среды в помещениях зданий в условиях жаркого и сухого климата, в основном концентрируется на отдельных аспектах проблемы (инсоляционный режим, световой режим, температурно-влажностный режим, аэрация и т. д.), которые рассматриваются вне глубокой связи друг с другом [28,29,30"42,45].

Отдельные научные работы, сделанные в последние годы применяют комплексный подход к оценке параметров внутренней микроклиматической среды, но их результаты недостаточно универсальны и требуют дальнейшего уточнения и расширения [35,36,42,51].

Актуальность научных исследований посвященных проблемам создания архитектурно-планировочными и конструктивными методами комфортную температурно-влажностную и световую среду в современных общественных зданиях в условиях сухого и жаркого климата Афганистана является очевидной. Несомненно, что эти исследования будут способствовать решению как архитектурно-строительных, так и экономических и социальных задач.

Зная современные проблемы Афганистана, важно уже сейчас решать перспективные задачи будущего создания условий для начала мирной жизни в стране.

Это во многом имеет отношение к строительству как к основному фактору, определяющему восстановление и дальнейшее развитие промышленного, сельскохозяйственного и общегражданского комплекса.

Современное строительство должно базироваться на современной научно-проектной базе, что требует новых подходов и их развитию с максимальным учетом местных условий и экономических аспектов.

Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованных предложений по созданию комфортных микроклиматических условий внутренней среды для рабочих помещений общественных зданий в условиях климата Афганистана.

Задачами исследования являются: определение параметров комфортной микроклиматической среды в рабочих помещениях общественных зданий в условиях климата Афганистана по светотехническим и температурно-влажностным критериям, с разработкой научных основ по формированию соответствующих объемно-планировочных и конструктивных решений рассматриваемых зданий.

Предметом исследований является внутренняя микроклиматическая среда, ее светотехнические и температурно-влажностные параметры, в рабочих помещениях общественных зданий в условиях жаркого и сухого климата Афганистана.

Объектом исследований были выбраны рабочие помещения общественных зданий с высокими разрядами зрительной работы, что соответствует условиям работы в зданиях управления, конторских и проектных организаций, научно-исследовательских учреждений, а также в школах, средних и высших учебных заведениях и т. д.

Методом исследования является комплексная оценка микроклиматической среды в рабочих помещениях общественных зданий в условиях климата Центральной Азии по субъективным и объективным критериям, т. е. по субъективным оценкам комфортности и самочувствия людей и по объективным оценкам, полученным в результате теоретических и натурных исследований.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— комфортность микроклиматической среды в помещении оценивается как субъективно, по мнениям групп работающих, так и объективно, на основе расчетов и измерений;

— микроклиматическая среда в рабочих помещениях общественных зданий рассматривалась комплексно, по светотехническим и температурно-влажностным критериям;

— обобщены разнообразные данные о климатических характеристиках рассматриваемого региона и на основе аналогового метода проведено климатическое и светоклиматическое районирование;

— сделаны выводы о степени зависимости параметров комфортной микроклиматической среды от объемно планировочных и конструктивных решений рассматриваемых типов зданий для климатических условий, рассматриваемого региона;

— подтверждено предположение о том, что комфортный микроклимат внутренней среды в рабочих помещениях общественных зданий для климатических условий рассматриваемого региона может быть достигнут исключительно за счет объемно-планировочных и конструктивных решений без использования энергоемких систем кондиционирования воздуха и с минимальным использованием системы дополнительного искусственного освещения.

Практическая ценность проведенных исследований состоит в том, что:

— полученные результаты дают возможность разработать методику определения параметров комфортной внутренней среды в рабочих помещениях рассматриваемых общественных зданий;

— определены оптимальные объемно-планировочные решения и параметры рассматриваемых общественных зданий и их рабочих помещений для условий сухого и жаркого климата Афганистана;

— даны рекомендации по применению рациональных солнцезащитных устройств, оптимальных размеров светопроемов и их размещения, предпочтительных типов наружных ограждающих конструкций и т. д.;

— разработаны предложения по наиболее эффективному использованию традиционных решений Центрально-азиатской архитектуры в современном проектировании и строительстве в городах рассматриваемого региона.

На защиту выносятся:

— результаты теоретических и экспериментальных исследований по формированию комфортной микроклиматической среды по светотехническим и температурно-влажностным критериям в рассматриваемых общественных зданиях в условиях сухого и жаркого климата Афганистана;

— методика оптимизации объемно-планировочных и конструктивных решений и параметров рабочих помещений общественных зданий для рассматриваемых климатических условий;

— рекомендации по выбору конструктивных решений, солнцезащитных устройств и заполнений оконных проемов в рабочих помещениях рассматриваемых зданий для достижения комфортных светотехнических условий;

— аналоговый метод климатического и светоклиматического районирования территории Афганистана;

— рекомендации по выбору конструктивных решений стеновых ограждений, обеспечивающих комфортный температурно-влажностный режим в рабочих помещениях рассматриваемых зданий.

Основные выводы и предложения по диссертации.

1. Анализ имеющихся данных по климату ряда государств Центральной Азии, а также разрозненных данных по климату Афганистана, позволил, на основе принципа аналогии, провести климатическое и светоклиматическое районирование территории Афганистана. Полученные данные по климатическим параметрам необходимы для теплотехнических и светотехнических расчетов в общественных зданиях, а также положены в основу соответствующих новых нормативных документов для местных условий. Климатические районы Афганистана определены как Ш-Б и IV-A, а пояс светового климата — как V-Б.

2. Исторический анализ развития Центрально-Азиатской архитектуры в целом и архитектуры Афганистана в частности позволяет сделать вывод о том, что, несмотря на активное влияние западной архитектуры, традиционные архитектурные решения и приемы строительства являются в настоящее время в государствах рассматриваемого региона определяющими.

3. Для климатических условий Афганистана целесообразно рекомендовать административные здания средней этажности (3−4 этажа) с коридорной или коридорно-галерейной планировкой, вытянутой формы с широтной ориентацией продольной оси. Оптимальным следует считать направление этой оси совпадающей с «гелиометрической» осью, азимут направления которой для географических широт Афганистана составляет от 70 до 80 градусов.

4. Было определено, что субъективные оценки внутренней физической среды в рассматриваемых зданиях играют значительно более весомую роль, чем просто вспомогательную, как предполагалось до начала серии экспериментальных наблюдений по методике «экспертных оценок». При изменении формы и размеров окон в обследуемых помещениях субъективная оценка освещенности, яркостей и контрастов и психологической связи с окружающей средой улучшалась в среднем со значения «удовлетворительно» до значений «хорошо», что говорило как о правильности направлений исследований, так и о правильности предлагаемых рекомендаций.

5. Наиболее целесообразным для климатических и светотехнических условий Афганистана являются узкие вертикальные окна с площадью при двойном остеклении около 20% площади пола, что обеспечивает необходимую естественную освещенность в рабочих помещениях рассматриваемых общественных зданий. Предложена новая форма боковых светопроемов в виде «обратного тавра», которая, кроме светотехнических требований к освещенности, удовлетворяет также требованиям психологической связи работающих с окружающей средой и в определенной степени требованиям солнцезащиты.

6. Анализ различных вариантов заполнения светопроемов по оптимизации их светотехнических и теплотехнических критериев (выраженных коэффициентами светопропускания т0 и теплопередачи ко) показал, что в целом наилучшим вариантом является тройное остекление. Однако, при современных экономических условиях в Афганистане наиболее приемлемыми следует считать двойное остекления, а также заполнение окон стеклоблоками или стеклопрофилитом.

7. Расчет некоторых вариантов стеновых конструкций не теплоустойчивость показал, что наилучшим вариантом по времени задержки амплитуды температурных колебаний на внутренней поверхности стены является вариант с использованием традиционных строительных материаловпемзобетонных мелких стеновых блоков с плотностью 800 кг/м. Для стен административных зданий в условиях Афганистана оптимальным следует считать время такой задержки равное 13−14 часам, что обеспечивает завершение полного цикла прогрева наружных стен около 5 часов утра, т. е. во время наибольшего понижения температуры наружного воздуха. При этом, для обеспечения требуемого времени задержки температурных колебаний общая массивность конструкции стены «D» должна быть не менее 5,0.

8. Кроме значения времени запаздывания температурных колебаний «е» при выборе стеновых ограждающих конструкций необходимо использовать технико-экономические показатели оценивающие конструкции как по их стоимости, так и по трудоемкости возведения.

9. Показано, что для светопроемов юго-восточной и юго-западной ориентации следует использовать комбинированные стационарные солнцезащитные устройства асимметричной формы — с горизонтальным козырьком и одним вертикальным экраном. Для светопроемов южной ориентации следует принимать горизонтальные солнцезащитные устройства стационарного типа.

Ю.Сравнение нескольких типов геометрических форм горизонтальных солнцезащитных устройств показало, что наиболее эффективным с функциональной и экономической точек зрения являются козырьки свободной геометрической формы, особенно при их использовании в составе комбинированных СЗУ в сочетании с короткими асимметричными вертикальными экранами. Рекомендуемые СЗУ свободной геометрической формы также в значительной степени отвечают основным концепциям формообразования, принятым в традиционной архитектуре рассматриваемого региона.

11. Предложен график для определения величин относительного выноса солнцезащитных козырьков в зависимости от географической широты местности, который охватывает регион от 30 до 42° северной широты, т. е. территорию Афганистана и ряда Центрально-азиатских государств в составе СНГ.

12. Для рассмотренных вариантов стеновых конструкций предложен график зависимости сметной стоимости конструкций «кт» от значения их тепловой инерции «D». Это дает возможность на практике инженерными методами определить ориентировочное значение запаздывания наружных температурных колебаний «е» в выбранной конструкции стены при минимизации затрат на ее возведение.