Строительная климатология

Справочное пособие к СНиП 23-01-99*

Москва

НИИ строительной физики РААСН

2006

Содержание

Справочное пособие по строительной климатологии служит руководством для проектирования планировки и застройки населенных мест. Оно используется при проектировании новых и реконструкции старых гражданских и производственных зданий и сооружений. Основные климатические данные приведены в СНиП 23-01-99* «Строительная климатология», издание 2003 г. В Пособие включены дополнительные сведения о климатических параметрах. В нем также содержится информация о параметрах наружного воздуха с учетом глобального изменения климата. Материалы, содержащиеся в пособии, изложены с позиции экономии энергии при строительстве и эксплуатации зданий.

Для проектных организаций, инженерно-технических работников строительных и научно-исследовательских организаций.

Введение

Климатология является наукой, которая занимается изучением нестационарных процессов и явлений, происходящих в атмосфере земной коры. В результате мы имеем дело с климатическими параметрами, изменяющимися в пространстве и во времени. К климатическим параметрам следует отнести температуру наружного воздуха, скорость его движения, давление, характеристики изменения водяного пара, количество осадков, солнечную радиацию и др. параметры. Климатология, как наука, необходима для решения целого ряда задач в различных отраслях народного хозяйства и, в частности, в строительстве.

Политика и экономика любого государства направлена на то, чтобы как можно меньше расходовать первичные невозобновляемые энергоресурсы (нефти, угля, газа и урана) при производстве товаров и услуг. В России строительная отрасль потребляет около 55-60 % всего добываемого топлива, идущего на внутренние нужды. В связи с этим она является ключевой отраслью и, следовательно, на первый план выходит строительная климатология, с которой начинается проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений.

Строительная климатология служит для удовлетворения всех требований, предъявляемых в области строительства в части обеспечения различными расчетными метеорологическими параметрами, климатическими характеристиками, специфическим климатическим зонированием, климатическими паспортами населенных пунктов. Она является основой для проектирования градостроительных комплексов и планировки жилых массивов, для обеспечения комфортных энергоэффективных зданий, потребляющих в процессе строительства и эксплуатации минимальное количество энергии.

Климатические параметры являются также исходными данными для разработки и производства новых строительных материалов, изделий и конструкций. Материалы Пособия можно использовать при теплотехнических и физических расчетах строительных конструкций гражданских и производственных зданий. С его помощью для любого климатического района строительства определяют требуемый уровень теплозащиты ограждающих конструкций, рассчитывают системы отопления и вентиляции,теплопоступления и теплопотери, инсоляцию и световой режим зданий и сооружений различного назначения, а также ведут прочностные расчеты как отдельных элементов, так и здания или сооружения в целом.

Научно-исследовательский институт строительной физики функционирует 50 лет, и в нем всегда была лаборатория «Строительной климатологии». Наибольший вклад в основание и развитие строительной климатологии внесли М.А. Золотарев, А.И. Круглова, Г.К. Климова и М.И. Краснов - сотрудники института строительной физики. При написании Пособия использован опыт и наработки многолетних исследований и нормативных документов, выполненных в лаборатории «Строительной климатологии», НИИСФ в содружестве с другими организациями.

Пособие предназначено для инженерно-технических и научных сотрудников, занимающихся вопросами проектирования и эксплуатации зданий и сооружений, а также оно может быть использовано студентами и преподавателями при изучении курса «Строительная физика».

Глава 1
Методика расчета климатических параметров

1.1. Область применения

Исходными данными для проектирования и строительства гражданских и производственных зданий и сооружений являются климатические характеристики района строительства. Вместе с параметрами внутреннего микроклимата помещений они определяют конструктивное и эстетическое решение объекта строительства.

Внешние воздействия на объект строительства характеризуются параметрами светового, теплового и воздушного климата. Основные исходные данные для строительства и эксплуатации сосредоточены в документе СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» издания 2003 г. [1]. Дополнительные сведения можно найти в [2-4] и в настоящем Пособии, которое содержит дополнения и вспомогательные материалы.

Климатические параметры для строительного проектирования применяются при разработке генеральных планов городов, поселков, сельских населенных пунктов, при проектировании гражданских и производственных зданий и в частности при проектировании систем отопления, вентиляции, кондиционирования, водо- и теплоснабжения, при разработке новых строительных материалов, изделий и конструкций.

Для расчета уровня теплозащиты (приведенного сопротивления теплопередаче) гражданских и производственных зданий применяются следующие климатические параметры:

- температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневкии и другие климатические параметры холодного периода года;

- при определении установочной мощности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо учитывать температуры наиболее холодных суток, пятидневок, месяца, удельную энтальпию, скорость и направление ветра и влажность воздуха, климатические параметры теплого периода года;

- при нахождении максимальных теплопотерь, теплопотерь за отопительный период и за срок службы здания используются абсолютно минимальные температуры, параметры продолжительности и средней температуры отопительного периода, температуры наиболее холодных суток, пятидневки, месяца;

- для расчета теплопоступлений используется суммарная солнечная (прямая и рассеянная) радиация, падающая на поверхность под любым углом относительно к горизонту, параметры различных температур теплого периода года;

- при проектировании генеральных планов городов, поселков, сельских населенных пунктов необходимо учитывать климатические периоды теплого и холодного периодов года (скорость и направление ветра);

- для определения долговечности применяют параметры перехода температуры воздуха через ноль градусов Цельсия, осадки, температуры воздуха теплого и холодного периода, в том числе продолжительность температуры воздуха различной градации.

С использованием климатических параметров рассчитываются теплоустойчивость и пароизоляция ограждающих конструкций, а также определяется воздухопроницаемость материалов и зданий.

Главными основополагающими нормативными документами, которые обслуживает строительная климатология, являются:

- СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [5];

- СНиП 41-01.2003  «Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха» [6];

- СНиП 2.07.01-89* «Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений» [7];

- СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» [8];

- СНиП 2.08.01-89* «Жилые дома» [9];

- СНиП 31-02-2001 «Дома жилые одноквартирные» [10];

- СНиП 2.09.04-87* Административные и бытовые здания [11];

- СНиП 2.10.03-83. Животноводческие, птицеводческие и звероводческие здания и помещения [12];

- СНиП 2-11.02-87. Холодильники [13];

- СНиП 31.05-2003. Общественные здания административного назначения [14];

- СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия [15];

- СНиП 31-03-2001. Производственные здания [16];

- СНиП 23.02-2003. Защита от шума [17].

1.2. Методы расчета климатических параметров

1.2.1. Получение, обработка и представление климатической информации

1. Климатическая информация, на основе которой разрабатываются расчетные климатические параметры для строительства, представлена различными количественными показателями и содержится в разных источниках. Первичной метеорологической информацией являются данные наблюдений на метеорологических станциях. Часть станций являются реперными (вековыми). Информация о показателях солнечной радиации, температуры и влажности воздуха и других фиксируется в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч по московскому времени (до 1966 г. наблюдения проводили в 1,7, 13, 19 ч по местному среднесолнечному времени). На отдельных метеостанциях самописцы отмечают ежечасные значения некоторых метеорологических элементов. Результаты наблюдений на метеорологических станциях сводят в таблицы специальной формы, которые являются опорными данными для разработки всей последующей климатической информации.

На основе данных этих таблиц за период наблюдений вычисляют средние суточные, месячные и годовые их значения, которые помещают в метеорологических ежемесячниках и ежегодниках, например, [18]. Данные опорных метеорологических таблиц, ежемесячников и ежегодников составляют первый уровень обработки. Эта информация является базовой для установления средних месячных значений многолетних величин метеорологических элементов за пятилетие (второй уровень обработки) и за весь период наблюдений (третий уровень обработки).

Четвертым уровнем обработки климатической информации является пространственное обобщение климатических данных в виде изолинейных карт, районирования территории, осреднения по территориально-экономическим районам. Для характеристики режима метеорологических элементов используются различные виды: климатических показателей - отдельные метеорологические элементы и комплексные показатели и др.

2. Показателями отдельных метеорологических элементов являются: повторяемость различных значений элемента; накопленная повторяемость (обеспеченность); средние значения, крайние (максимальные и минимальные); показатели изменчивости и др.

3. Повторяемость есть отношение числа случаев со значениями метеорологического элемента, входящими в данную градацию (интервал), к общему числу членов ряда (в долях единицы или процентах). Повторяемость, полученную на основании длинного ряда наблюдений, называют вероятностью. Накопленная повторяемость характеризует частоту появления значений метеорологического элемента, превышающих (или не превышающих) заранее заданное значение. Ее получают последовательным суммированием относительных или средних абсолютных частот соответствующих интервалов в ряду статистического распределения. Суммарную повторяемость, полученную на основании данного ряда наблюдений, называет интегральной вероятностью или обеспеченностью.

В интересах строительства и эксплуатации зданий рекомендуется использовать для расчета многолетние средние нормы по температуре воздуха однородного периода наблюдений, например, с 1936 г.

Во-первых, с этого года начались систематические четырехсрочные наблюдения (1, 7, 13, 19 ч); во-вторых, период наблюдений с 1936 по 2000 г. (65 лет) характеризуется сравнительно устойчивым климатом.

Расчет интегральной вероятности Р с использованием ранжированного климатического ряда, включающего полную совокупность наблюдений, производится по формуле:

P = m/n                                                                                                              (1.1)

В зависимости от общего числа членов ряда расчет Р производится по формулам:

Р = (m-0,3)/(n+0,4);                                                                                         

Р = (m-0,25)/(n+0,5);                                                                                       

Р = m/(n+1),                                                                                                      (1.2)

где m - порядковый номер членов климатического ряда; n - число членов ряда.

4. Среднее арифметическое значение метеорологического элемента представляет собой сумму значений членов ряда, деленную на их общее число.

Как дополнение к среднему значению вычисляют медиану и моду.

Медиана - значение срединного числа в ряду значений простого ранжирования статистического ряда. Медиану рекомендуется определять при асимметричных распределениях и при неточных крайних значениях метеорологического элемента.

Мода - наиболее часто встречающееся в данном метеорологическом ряду значение. Моду рекомендуется определять для резко асимметричных распределений, когда среднее арифметическое не является типичным значением элемента.

Крайние значения характеризуют те пределы, в которых заключены значения метеорологического элемента, отмеченные на данной станции за определенный период времени. Различают абсолютный максимум или минимум, среднее из максимальных или минимальных значений метеорологического элемента, а также максимум и минимум заданной обеспеченности.

Так как значения, близкие к абсолютным максимумам и минимумам, наблюдаются редко, то для получения представления о более вероятных низких и высоких значениях определяют средние из экстремальных значений. Эти значения могут встречаться ежегодно. Средние максимумы и минимумы вычисляются как многолетние средние значения ежедневных, ежемесячных или ежегодных максимумов и минимумов.

Наружные климатические параметры воздуха

Выбор расчетных наружных климатических параметров осуществляется на вероятностной основе. Вероятность и количественные значения предлагаемых климатических изменений приводятся в сравнение с нормой, за которую принимаются многолетние средние и экстремальные характеристики климатических параметров за определенный период. Знак и величина отклонения от климатической нормы даются в градациях ниже нормы, около нормы (норма), выше нормы. Вероятностный анализ расчетных наружных климатических параметров позволяет оценить число раз превышения параметров климата над расчетными значениями, общую продолжительность превышения параметров и продолжительность наибольшего отклонения.

Вероятностные характеристики отражают основные закономерности поведения климатического параметра и позволяют с большей надежностью судить обо всех возможных отклонениях, выбранных на основе обеспеченности расчетных значений внутренних условий в помещениях.

Для нормируемых климатических параметров при появлении температуры воздуха наиболее холодных суток 4 раза в 50 лет обеспеченность составляет 0,92. Основными нормируемыми показателями температуры воздуха являются: средние месячные температуры воздуха и производные от нее температуры воздуха наиболее холодной пятидневки различной обеспеченности.

1.2.2. Средняя месячная температура воздуха

Средняя многолетняя температура в справочно-нормативных документах рассчитана за период наблюдений до 1980 г., т.е. порядка 40 лет. В общей климатологии этот период считается достаточным для достоверной оценки устойчивых особенностей теплового режима.

Однако установленный критерий является справедливым для оценки устойчивого климатического фона, когда не наблюдается природных аномалий, отмечаемых в последние два десятилетия (1980-2000 гг.), особенно 1991-2000 гг. Изменения климата диктуют необходимость оценки влияния этого явления на расчетные строительно-климатические параметры. С этой целью в дополнение к имеющемуся периоду наблюдений до 1980 г. для ряда городов, расположенных в различных климатических районах, рассмотрен период до 2000 г.

Выборка средней месячной температуры воздуха за 20 лет (1981-2000 гг.) была проведена из метеорологических ежемесячников. Уточненная среднемесячная температура рассчитана по следующей методике.

Многолетняя средняя величина климатического параметра X определяется из наблюдений в разные периоды времени. Полученные расчетные данные за разные периоды наблюдений х₁, х₂, х₃, ... х_n умножаются на число лет этих периодов р₁ р₂, р₃ ... р_n, и суммы произведений х_i.р_i. делятся на число лет в общем периоде наблюдений. Таким образом, получается среднее взвешенное арифметическое число климатического параметра х за период наблюдений р:

                                                                       (1.3)

Расчет производился по 10 метеостанциям из представительных городов в различных экономических районах РФ. Результаты исследований позволяют судить об изменении климата в рассматриваемых регионах (табл. 1).

Таблица 1.1. Расчет средневзвешенной месячной температуры воздуха

Нормируемые средняя температура и продолжительность отопительного периода рассчитываются по кривой годового хода температуры воздуха. Кривая строится по средним месячным температурам воздуха, имеющим обеспеченность, близкую к 0,5. С такой же обеспеченностью определяются нормируемые величины средней температуры и продолжительности отопительного периода.

1.2.3. Температуры наиболее холодной пятидневки различной обеспеченности

В основу расчета температуры воздуха наиболее холодной пятидневки положена методика СНиП 23-01-99* «Строительная климатология». Первичными метеорологическими данными для расчета температуры воздуха наиболее холодной пятидневки являются средние суточные значения температуры воздуха, выбираемые из метеорологических ежемесячников. Выборка данных и расчет производится по данным наблюдений за период в 30-50 лет. Выборка данных осуществляется из опорных метеорологических таблиц и метеорологических ежемесячников.

Средние температуры воздуха наиболее холодных пятидневок определяются как средние температуры воздуха наиболее холодных пятидневок из 8 зим за 50-летний период.

Данные выстраиваются в хронологический ряд и ранжируются в порядке убывания метеорологической величины (по абсолютному значению) с присвоением ей порядкового номера. Значения температур округляются до 0,5 °С с присвоением среднего порядкового номера. Искомая величина любой степени обеспеченности данного параметра определяется суммированием повторяемости в убывающем порядке.

На этой основе строятся интегральные кривые распределения температуры воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки на сетчатке асимметричной частоты по оси ординат - логарифмическая шкала температуры воздуха, по оси абсцисс - двойная логарифмическая шкала обеспеченности. Кривые строятся до обеспеченности 0,2°С, с этих кривых снимается температура воздуха наиболее холодной пятидневки заданной обеспеченности.

Полученная спрямленная кривая распределения интегральной повторяемости температур воздуха может быть использована для определения температур воздуха различной обеспеченности. Значения температуры воздуха наиболее холодной пятидневки заданной обеспеченности определяются на данной интегральной кривой методом интерполяции.

Интегральные кривые распределения температуры воздуха наиболее холодной пятидневки для Москвы и Иркутска представлены на рис. 1.1, а для Нижнего Новгорода и Архангельска - на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Интегральные кривые распределения температуры воздуха наиболее холодной пятидневки
Период наблюдений для Иркутска: I - 1926-1990 гг., II - 1960-1990 гг.; период наблюдений для Москвы: I - 1925-1975 гг., II - 1950-2000 гг., III-1925-2000 гг.

Рис. 1.2. Интегральные кривые распределения температуры воздуха наиболее холодной пятидневки
I - период наблюдений 1926-1990 гг., II - период наблюдений 1960-1990 гг.

1.2.4. Продолжительность отопительного периода

По данным среднего значения температуры наружного воздуха по каждому пункту строятся графики годового хода температур.

В основу построения графиков положен метод гистограмм: средняя месячная температура воздуха изображается в виде прямоугольника, у которого основание равно числу дней месяца, а высота - средней температуре воздуха за данный месяц. Кривая годового хода проводится так, чтобы отрезок, который она отсекает с одного конца прямоугольника, был равен по площади отрезку, который она прибавляет к нему с другой стороны.

С этих графиков снимаются даты отопительного периода или перехода средней суточной температуры воздуха через линию значения температуры, равной 8 °С, и по разнице между этими датами определяется продолжительность периода в сутках. В течение отопительного периода средняя суточная температура воздуха устойчиво держится ниже задаваемого предела, т.е. 8 °С.

Температуру неполных месяцев холодного периода определяют по кривой годового хода средней температуры воздуха. На отрезках кривой от даты начала периода до конца месяца и от начала месяца до даты конца периода и вычисляют сумму температур воздуха за неполные месяцы отопительного периода.

Среднюю температуру воздуха неполного месяца определяют делением общей суммы температур воздуха данного периода на его продолжительность.

На рис. 1.3 представлен график расчета продолжительности и средней температуры воздуха отопительного периода г. Черусти. На графике показано начало отопительного периода 28 сентября и конец 23 апреля. Средняя температура неполного месяца в сентябре составила 7,8 °С, а в апреле - 5,2 °С.

Рис. 1.3. График расчета продолжительности и средней температуры воздуха отопительного периода для г. Черусти

1.2.5. Продолжительность зимнего периода

Расчет продолжительности зимнего периода отличается от методики расчета продолжительности отопительного периода тем, что с графиков снимаются даты зимнего периода или перехода средней суточной температуры воздуха через линию значения средней суточной температуры 0 °С и по разнице между этими датами определяются продолжительность периода в сутках. В течение зимнего периода средняя суточная температура воздуха устойчиво держится ниже задаваемого предела, т.е. 0 °С.

Относительную величину зимнего периода в году можно определить в процентном отношении (отношение количества суток зимнего периода к количеству суток в году).

1.2.6. Температурное зонирование (ТЗ) территории (на примере городов Московской области)

При проведении обработки информации по теме температурного зонирования использовались первичная метеорологическая информация за последние годы (1980-2004 гг.). Это связано с тем, что ранее к обработке были приняты данные Научно-прикладного справочника по климату СССР до 1980 г. Использование информации за последующие годы позволило уточнить расчетные климатические параметры.

В работе использовалась метеорологическая информация Московского центра по гидрометеорологии и наблюдению природной среды Государственного комитете по гидрометеорологии (данные Центральной высотной гидрометеорологической обсерватории г. Обнинск).

На основе этих данных были составлены таблицы со значениями средней месячной температуры воздуха за периоде 1980-2004 гг. по городам Московской области.

Эти данные также послужили основой для определения средней месячной температуры воздуха за все зимы данного периода, начиная с зимнего периода 1980-1981 и далее до 2003-2004 гг. Также определялись средние месячные температуры воздуха по каждому месяцу зимнего периода.

Для оценки температурного режима каждого из городов Московской области по нормам зимнего удорожания были проведены расчеты по определению продолжительности зимнего периода, его начала и окончания. Это позволило провести дифференцирование городов применительно к температурным зонам.

Также были выполнены расчеты по определению продолжительности отопительного периода.

Глава 2
Расчетные параметры внутреннего и наружного воздуха

2.1. Параметры микроклимата в помещениях

При теплофизических расчетах здания параметры внутреннего и наружного климата тесно связаны между собой, например, разностью температур, давлений или скоростями между внутренним и наружным воздухом.

Микроклимат помещений зданий характеризуется состоянием внутренней среды помещения, которая должна удовлетворять физиологическим и психологическим потребностям человека и обеспечивать стандартные минимальные качества жизни. Жилище человека, в котором он проводит 70-80 % своей жизни, должно быть экологически чистым, защищать людей от вредных воздействий шума и химических веществ, возникающих в помещениях вследствие применения некачественных материалов.

Пребывание людей в помещении должно вызывать положительные эмоции, соответствовать его духовным, санитарно-гигиеническим регламентам и требованиям.

Жилище - среда обитания людей, среда жизнедеятельности человека - должно отвечать не только требованиям гигиены и культурного быта, но и способствовать восстановлению творческих сил и здоровья населения. Микроклимат помещений создается с помощью ограждающих конструкций зданий и систем обеспечения необходимого теплового, воздушного и светового режимов.

Наружные строительные конструкции должны:

- совместно с системами отопления и вентиляции обеспечивать в помещениях зданий требуемый тепловой и воздушный режим (комфорт);

- не допускать конденсации водяных паров на внутренних поверхностях или внутри конструкций;

- обеспечить в помещениях необходимый световой режим (комфорт);

- обеспечить оптимальную теплозащиту при эксплуатации здания и наименьшую энергоемкость при их создании;

- иметь высокую долговечность.

Исходными данными для теплофизического расчета здания являются климатические параметры наружного воздуха, которые изложены в СНиП «Строительная климатология» и в настоящем Пособии, а также требования, предъявляемые к микроклимату помещений. Эти требования изложены в различных нормативных документах.

В ГОСТ 30494-96 [19] установлены параметры микроклимата помещений жилых и общественных зданий. В нем дана классификация помещений общественных зданий, которые разбиты на 6 категорий.

Помещения 1 категории - помещения, в которых люди в положении лежа или сидя находятся в состоянии покоя и отдыха.

Помещения 2 категории - помещения, в которых люди заняты умственным трудом, учебой.

Помещения 3 категории - помещения с массовым пребыванием людей, в которых люди находятся в положении сидя в уличной одежде или стоя без уличной одежды.

Помещения 4 категории - помещения для занятий подвижными видами спорта.

Помещения 5 категории - помещения, в которых люди находятся в полураздетом виде (раздевалки, процедурные кабинеты, кабинеты врачей и т.п.).

Помещения 6 категории - помещения с временным пребыванием людей (вестибюли, гардеробные, коридоры, лестницы, санузлы, курительные, кладовые).

Сумма теплофизических факторов определяет тепловую, воздушную и световую обстановку в помещении.

Основными показателями теплового комфорта в помещении являются теплофизические параметры:

- температура воздуха;

- температуры ограждающих поверхностей;

- подвижность воздуха;

- относительная влажность воздуха.

Параметры воздушной среды внутреннего воздуха (температура, влажность, подвижность воздуха) имеют большое значение не только для жизнедеятельности людей, но и для долговечности зданий. Ошибки при проектировании наружных ограждающих конструкций могут привести к недопустимой подвижности воздуха, к снижению относительной влажности и температуры в помещении, отрицательной температуре на внутренней поверхности остекления, к выпадению инея и образованию наледей.

Расчетные параметры внутреннего воздуха устанавливаются для обслуживаемой зоны помещений или для рабочей зоны помещений. Обслуживаемая (рабочая) зона определяется в соответствии с указаниями санитарно-гигиенических норм, ГОСТ 30494-96 и СНиП по проектированию отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Обслуживаемой (рабочей) зоной в помещениях считается пространство в помещении, ограниченное горизонтальными плоскостями, параллельными полу на высоте 0,1 и 2,0 м и вертикальными плоскостями на расстоянии 0,5 м от внутренних поверхностей наружных и внутренних стен и окон. По ширине рабочая зона производственных зданий не нормируется.

На расход тепла при эксплуатации здания большое значение имеет правильный выбор требуемых параметров теплового режима помещений. ГОСТ 30494-96 для гражданских зданий устанавливает нормативные значения параметров теплового микроклимата (оптимальные, допустимые или их сочетание) в зависимости от назначения помещения и периода года, которые для жилых зданий приведены в табл. 2.1, для общественных зданий - в табл. 2.2. Нормативные значения расчетных температур, скорости относительной влажности производственных помещений приведены в табл. 2.3. Покажем, взяв в качестве примера жилые здания [6], какие расчетные параметры следует принимать из условия обеспечения экономии энергии при эксплуатации здания без нарушения норм [6-8].

Температуру внутреннего воздуха t_в в обслуживаемой зоне следует принимать как минимально допустимую для всех помещений жилых зданий на период стояния самых низких температур наружного воздуха. Для Москвы, например, средняя расчетная температура наиболее холодной пятидневки составляет -28 °С, а минимально допустимая t_в = 18 °С. Определив мощность нагревательных приборов по разности температур (t_в - t_н) = (18 + 28) = 46 °С, мы экономим энергию при создании нагревательного прибора. Поддерживая t_в = 18 °С при температурах наружного воздуха t_н = -15 °С и ниже в течение наибольшего периода времени (для Москвы это время составит 8-12 % от отопительного периода), получим при эксплуатации здания экономию тепловой энергии 8-10 %. При этом следует иметь в виду, что, согласно [6], допустимые параметры микроклимата у 80 % людей «не вызывают повреждений или ухудшения состояния здоровья». Дети и люди пожилого возраста в дневное время могут испытывать локальное ощущение дискомфорта и понижение работоспособности.

Из табл. 2.4 видно, что в ночное время в спальнях рекомендуется держать температуру t_в ниже на 4-5 °С расчетной, так как сон в условиях даже небольшого перегрева протекает беспокойно, в то время как при t_в = 14-17 °С сон становится глубоким.

Работоспособность и здоровье человека зависят не только от теплового режима жилища, но и от состояния воздушной среды в нем. Воздушный комфорт в помещениях создается ограждающими конструкциями и системами вентиляции здания. Воздухообмен в помещении происходит или только под действием гравитационных сил (естественная вентиляция), или под действием гравитационных сил и работы искусственных побудителей движения воздуха (механическая вентиляция).

Особую роль на жизнедеятельность человека оказывает солнечная энергия, проникающая в помещение через окна и фонари. Лучистая энергия солнца представляет собой электромагнитные волны, оптическая часть которых находится в диапазоне от 0,1 до 1000 мкм. Световое поле (видимое излучение) - это часть электромагнитного поля в диапазоне от 0,38 до 0,78 мкм. Ультрафиолетовое излучение солнца находится в диапазоне 0,01 до 0,38 мкм, а инфракрасное - 0,78 до 1000 мкм. Под световой средой помещения подразумевается комплекс положительных или отрицательных реакций человека при его взаимодействии с электромагнитными лучами солнца. Свет нужен людям не только для видения окружающих предметов, от светоосвещенности зависит психоэмоциональное состояние человека. Приемник света - наш глаз хорошо приспособлен к условиям солнечного освещения. Прямые солнечные лучи и рассеянный свет несут в помещение ультрафиолетовое и инфракрасное излучение. Ультрафиолетовое излучение оказывает на человека многообразное биологическое действие, без него невозможно нормальное функционирование организма человека.

Таблица 2.1. Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне помещений жилых зданий

*НН - не нормируется.

Таблица 2.2. Оптимальные и допустимые нормы температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха в обслуживаемой зоне общественных зданий

* НН - не нормируется.

Примечание. Для детских дошкольных учреждений, расположенных в районах с температурой наиболее холодной пятидневки (обеспеченностью 0,92) -31 °С и ниже, допустимую расчетную температуру воздуха в помещении следует принимать на 1 °С выше указанной в таблице.

Таблица 2.3. Расчетные температуры, скорость и относительная влажность воздуха на постоянных и непостоянных рабочих местах производственных помещений

Примечание.1. В таблице допустимые нормы внутреннего воздуха приведены в виде дроби, в числителе для районов с расчетной температурой наружного воздуха (параметры А) ниже 25 °С, в знаменателе - выше 25 °С.

2. Для районов с температурой наружного воздуха 25 °С и выше соответственно для категорий работ легкой, средней тяжести и тяжелой температуру на рабочих местах следует принимать на 4 °С выше температуры наружного воздуха, но не выше указанной в знаменателе гр. 7 и 8.

3. В населенных пунктах с расчетной температурой наружного воздуха 18 °С и ниже вместо 4 °С, указанных в графе 6, допускается принимать 6 °С. В строительных нормах общей и коммунальной гигиены обоснованы требования к тепловому режиму жилища в зависимости от возрастной группы [8].

Таблица 2.4. Гигиенические требования к тепловому режиму жилища в зависимости от возрастной группы (по рекомендациям Киевского НИИ общей и коммунальной гигиены)

Санитарные нормы и правила, касающиеся жилых и общественных зданий, требуют обеспечить непрерывное прямое солнечное облучение помещений не менее 2,5 ч (в одной жилой комнате - в одно-, двух- и трехкомнатных квартирах и двух комнат в четырехкомнатных квартирах) [7].

При проектировании светового микроклимата помещений следует руководствоваться следующими строительными нормами и правилами: 1) СНиП 23-05-95* «Естественное и искусственное освещение» [8]; 2) СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий» [5]; 3) СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» [1]; 4) СНиП 2.07.01-89* «Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений» [7].

2.2. Комплексные климатические параметры наружного воздуха

Для строительного проектирования, строительства и эксплуатации зданий и сооружений существенное значение имеют сочетания нескольких метеорологических параметров. Пособие содержит банк данных комплексных климатических параметров в виде сочетаний значений температуры наружного воздуха, его относительной влажности и скорости ветра с указанием повторяемости их возможного одновременного воздействия на здание.

Комплексные параметры могут быть рекомендованы для использования при определении уровня теплозащиты ограждающих конструкций, проектировании инженерных систем обеспечения (ИСО) микроклимата и определении энергозатрат на эксплуатацию зданий и сооружений.

В данном пособии приведены комплексные характеристики климата на основе методики, разработанной в НИИСФ, которая позволяет определять значения элементов комплекса с заданной вероятностью, а также величины их отклонения от нормируемого уровня. Расчеты комплексных характеристик климата выполнены для периода с 1966 по 1980 гг.

Сочетание статистического распределения двумерного комплекса описано в табличной форме. Каждая клетка содержит число или долю случаев соответствующей градации. Значения частоты метеопараметров даны в процентах. В таблицах указаны непрерывная продолжительность, частота и отклонения выбросов параметров за определенные уровни значений.

Комплексные климатические параметры учитывают интегральные повторяемости их элементов. Для обработки двух метеорологических параметров как двумерных случайных величин использован аппарат математической статистики. В каждой клетке этих таблиц содержится относительное число случаев, когда температура воздуха не ниже, а скорость ветра и относительная влажность воздуха не больше крайних значений, определяющих эту клетку. Другими словами, таблицы описывают обеспеченность комплекса для различных сочетаний значений его элементов.

Сочетания градаций значений метеорологических элементов представлены для 15 городов, расположенных в различных климатических зонах РФ. Повторяемость сочетаний комплексных параметров представляет число случаев соотношения температуры и скорости ветра за расчетный период наблюдений для холодного и теплого периодов, т.е. для трех зимних и трех летних месяцев.

Обеспеченность интервалов температуры определяется из ранжированного ряда градаций температуры и повторяемости сочетаний интервалов температуры воздуха и скорости ветра, а также температуры и относительной влажности воздуха за расчетный период наблюдений для холодного и теплого периодов года.

Комплексные климатические параметры включают в себя следующие метеорологические элементы:

1 - температура наружного воздуха декабря, января и февраля с градацией значений через 2 °С;

2 - температура наружного воздуха июня, июля и августа с градацией значений через 2 °С;

3 - относительная влажность наружного воздуха с градациями значений через 5 %;

4 - скорость ветра с градациями значений через 2 м/с. Повторяемость и обеспеченность сочетаний температуры и скорости ветра для трех холодных месяцев приведены в табл. 2.5.

Повторяемость и обеспеченность сочетаний температуры и относительной влажности воздуха для трех холодных месяцев даны в табл. 2.6.

Повторяемость и обеспеченность сочетаний температуры и скорости ветра для трех летних месяцев даны в табл. 2.7.

Повторяемость и обеспеченность сочетаний температуры и относительной влажности воздуха для трех летних месяцев даны в табл. 2.8.

Таблица 2.5. Повторяемость и обеспеченность (в %) сочетаний интервалов температуры воздуха и скорости ветра за три зимних месяца

Таблица 2.6. Повторяемость (в %) сочетаний интервалов температуры (t) и относительной влажности воздуха (j) за три зимних месяца

Таблица 2.7. Повторяемость (в %) сочетаний интервалов температуры воздуха (t) и скорости ветра (v) трех летних месяцев

Таблица 2.8. Повторяемость, %, сочетаний интервалов температуры (t) и относительной влажности (j) воздуха за три летних месяца

2.3. Расчетные параметры воздуха наиболее холодной пятидневки с различной обеспеченностью

В строительной практике используются климатические параметры с различной степенью обеспеченности [4, 5, 7, 9-11]. В настоящее время применяются характеристики климата, данные в федеральных и региональных нормах [3, 9, 12]. Так, для зимних условий нормируется наружная температура при разных уровнях обеспеченности. Уровни требований к обеспеченности расчетных условий в зданиях зависят от назначения помещения, требований к санитарно-гигиеническим или технологическим условиям, продолжительности пребывания людей в помещениях с различными эксплуатационными режимами. При определении расчетных температур для проектирования отопления в расчет принимается теплоемкость здания, а также возможность кратковременного небольшого понижения температуры внутреннего воздуха в периоды резких климатических похолоданий. Энергозатраты на эксплуатацию зданий зависят от обеспеченности требуемого микроклимата помещений

При выборе коэффициента обеспеченности наружных климатических условий следует учитывать проектируемую длительность эксплуатации объекта. Действительно, р = 0,98 соответствует вероятность превышения климатического параметра один раз в 50 лет. Поэтому при выборе коэффициента обеспеченности наружных климатических условий необходимо учитывать как возможность обеспечения комфортных условий в помещении, так и длительность эксплуатации объекта [4-6, 9-12].

Повышение надежности эксплуатации зданий и сооружений связано с удорожанием строительства. Следовательно, при выборе обеспеченности нормируемого климатического параметра необходимо учитывать технико-экономические характеристики проектируемого объекта. Требования к тепловому режиму помещений учитываются при выполнении теплотехнических расчетов ограждающих конструкций.

Значения температур наиболее холодных пятидневок относятся к параметрам, характеризующим климат местности, и находят широкое применение при планировке зданий различного назначения, при выборе марок стали, арматуры, бетона, алюминия и других строительных материалов, а также при проектировании фундаментов, мостов, труб и т.п.

При выборе какой-либо ограждающей конструкции за расчетную температуру принимается средняя величина наиболее холодного промежутка времени, в течение которого завершается процесс охлаждения этой конструкции, что выражается в предельном понижении температуры на поверхности ограждения, обращенной в помещение. Значение температуры наружного воздуха для расчета теплозащитных свойств ограждающих конструкций, работающих в стационарном режиме, принимается с учетом времени, необходимого для предельно допустимого охлаждения рассматриваемых конструкций, возможного при крайних и наиболее длительных понижениях температуры в данном географическом пункте.

Вероятностные характеристики позволяют с большей надежностью судить о всевозможных отклонениях климатических параметров, выбранных на основе расчетных значений. В СНиП 23-01-99* «Строительная климатология» расчетные наружные условия представлены в нормируемых значениях климатических параметров в основном многолетними средними значениями с обеспеченностью примерно 50 %, с вероятностной оценкой приведены температуры наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки с обеспеченностью 0,92 и 0,98 для холодного периода. Значения этих величин не могут в полной мере удовлетворить требованиям строительного проектирования в условиях изменяющегося климата, а также при расчете и проектировании уникальных зданий и сооружений, когда требуется детальный учет местных климатических условий.

Температура воздуха заданной обеспеченности рассчитывается на основе статистической обработки ежедневных значений температуры воздуха за все сроки наблюдений. При проведении исследований проанализированы значения температур наиболее холодных пятидневок за 30-50 лет. Такой период является достаточным для получения устойчивой величины этой температуры. Выборка данных осуществляется из опорных метеорологических таблиц и метеорологических ежемесячников.

Расчеты наиболее холодной пятидневки с различной обеспеченностью были выполнены для уточненных нормативных показателей температуры воздуха для городов представителей, находящихся в разных климатических и экономических районах РФ с учетом данных наблюдений последних десятилетий до 2000 г.

Расчетные нормируемые значение температуры воздуха наиболее холодной пятидневки до 2000 г. для Москвы (ТСХА - обсерватория Тимирязевской сельскохозяйственной академии), Санкт-Петербурга, Находки Приморского края приведены в табл. 2.9-2.11.

Таблица 2.9. Расчет температуры воздуха наиболее холодной пятидневки, г. Москва

Таблица 2.10. Расчет температуры воздуха наиболее холодной пятидневки, Санкт-Петербург

Таблица 2.11. Расчет температуры воздуха наиболее холодной пятидневки, Находка, Приморский край

Результаты расчета температуры воздуха наиболее холодной пятидневки различной обеспеченности для Архангельска, Иркутска и Нижнего Новгорода по периодам наблюдений с 1926-1990 гг. и 1960-1990 гг. приведены в табл. 2.12-2.17 и могут быть использованы при технико-экономических обоснованиях проектируемых объектов.

Таблица 2.12. Расчет обеспеченности температуры наружного воздуха самой холодной пятидневки, Архангельск. Период наблюдений 1926-1990 гг.

Таблица 2.13. Расчет обеспеченности температуры наружного воздуха самой холодной пятидневки, Архангельск. Период наблюдений 1960-1990 гг.

Таблица 2.14. Расчет обеспеченности температуры наружного воздуха самой холодной пятидневки, Иркутск. Период наблюдений 1926-1990 гг.

Таблица 2.15. Расчет обеспеченности температуры наружного воздуха самой холодной пятидневки, Иркутск. Период наблюдений 1960-1990 гг.

Таблица 2.16. Расчет обеспеченности температуры наружного воздуха самой холодной пятидневки, Нижний Новгород. Период наблюдений 1926-1990 гг.

Таблица 2.17. Расчет обеспеченности температуры наружного воздуха самой холодной пятидневки. Нижний Новгород. Период наблюдений 1960-1990 гг.