3 аэрация жилой застройки аэрация организованный естественный воздухообмен

Аэрация жилой застройки происходит благодаря движению воздуха. Поэтому, прежде всего необходимо выявить причины возник­новения движения воздуха и классифицировать ветры в зависимости от причин, их порождающих.

Необходимо разобраться в самой сущности процесса аэрации жи­лой застройки и выявить характер движения воздушных потоков на территории жилой застройки.
3.1 Причины образования и классификация ветров
Ветер — перемещение воздуха, происходящее почти параллельно поверхности земли. Причиной возникновения ветра является неравно­мерное распределение атмосферного давления по земной поверхности вследствии неравномерного нагрева под­стилающей поверхности.

Передвижение воздушных масс происходит в направлении от вы­сокого давления к низкому. Чем больше разность давления, тем быст­рее движется воздух, тем сильнее ветер. Следует заметить, что сущест­вует и обратная связь: длительное движение воздуха, которое осуще­ствляет перенос какого-то количества воздуха из одних районов в дру­гие, оказывает влияние на разность атмосферных давлений в этих районах.

Казалось, движение воздуха должно было бы происходить по направ­лению барического градиента, т. е. величины падения давления на еди­ницу расстояния. Однако движение воздуха происходит не по направле­нию падения градиента, а составляет с ним некоторый угол. Это объяс­няется тем, что на массу движущегося воздуха действуют отклоняющая сила вращения Земли и сила трения.

Отклоняющая сила вращения Земли носит название силы Кориолиса. Под действием этой силы ветер отклоняется от градиента в север­ном полушарии вправо, а в южном влево.

В приземном слое благодаря шероховатости земной поверхности возникает сила трения. Сила трения возникает также между слоями воздуха, которые движутся с различной скоростью. В результате это­го по мере возрастания высоты угол отклонения увеличивается и уже на высоте 500 - 1000 м достигает максимального значения.

Под общей циркуляцией атмосферы понимают совокупность крупных планетарных воздушных течений.

Несмотря на то, что общая циркуляция атмосферы имеет сложный и постоянно изменяющийся характер, все же ее основные черты в об­щем сохраняются из года в год и определяют собой в значительной степени климат того или иного района.

Рассмотрим важнейшие составные части общей циркуляции ат­мосферы.

• 
  Полярные воздушные течения. На широтах выше 65° господствуют восточные воздушные течения. Скорость ветра достигает ураганной. Характерным является сочетание очень низких температур воздуха и очень больших скоростей ветра, большая повторяемость пасмурной по­годы и частое возникновение метелей.
  
• 
  Западные воздушные течения умеренных широт. В поясах, распо­ложенных между широтами 35 и 65° обоих полушарий, господствуют сильные западные воздушные течения – так называемый западно-вос­точный перенос умеренных широт. Причина этого переноса в том, что названный пояс умеренных широт расположен между областями повы­шенного давления в субтропическом поясе и областями пониженного давления высоких широт.
  

Образовавшийся циклон вместе с общим западным воздушным те­чением перемещается с запада на восток.

• 
  Пассаты. Из субтропических областей повышенного давления в сто­рону экватора движутся воздушные массы, имеющие в северном по­лушарии северо-восточное направление. Перемещения этих масс об­разуют пассаты – чрезвычайно устойчивое воздушное течение.
  
• 
  Муссоны. Вследствие значительных сезонных различий теплового баланса над континентами образуются собственные системы воздушных течений, которые меняют свое направление от сезона к сезону. Такие системы называются муссонами.
  

• 
  Локальные (местные) ветры. Неравномерный нагрев подстилаю­щей поверхности, возникающий из-за неоднородности радиационных характеристик различных участков земной поверхности, а также рель­еф местности могут явиться непосредственной причиной возникновения ветра в нижних слоях атмосферы. Такие ветры называются локальны­ми (местными).
  

а) локальные ветры, разыгрывающиеся над термически однородной подстилающей поверхно­стью, имеющей четко вы­раженный рельеф (горно-долинные ветры), пред­ставляют собой эффект силы тяжести (рис. 2);

б) локальные ветры, разыгрывающиеся над ровной термически неодно­родной поверхностью (бризы, городской ветер), представляют собой ре­зультат конвективного теплообмена атмосферы и подстилающей поверх­ности (рис. 3);

в) локальные ветры, разыгрывающиеся над термически неоднород­ной поверхностью холмистого рельефа, представляют собой общий слу­чай локальных ветров. Помимо названных выше локальных ветров к ним следует отнести бора и фён. Бора – местный сильный холодный ветер, зимой, где хребты рядом с теплым морем. Фён – сухой и теплый ветер с гор в долину.

Известно, что локальные ветры проявляют себя тогда, когда отсут­ствует движение воздуха более крупных масштабов или скорость по­следнего не превышает 2-3 м/сек.

Из всех типов локальных ветров рассмотрим в качестве примера более подробно причины возникновения так называемых городских ветров. Иногда их называют также ветры полей.

Температура воздуха в черте города выше, чем за городом. Кир­пич, бетон, кровли зданий, асфальт и бетон проездов и тротуаров ак­кумулируют теплоту, т.к. нагреваются сильнее покрытой раститель­ностью почвы загородных территорий.

Теплый городской воздух поднимается. Его место замещают воз­душные массы, подтекающие со всех сторон. Направление возникающе­го при этом движения воздуха – от периферии к центру.

Скорость городского ветра до 2 м/сек.

Городской ветер появляется обычно утром, в то время, когда на­чинается нагревание городского воздуха, и удерживается до полудня – времени минимальной разности температур.

В качестве направления ветра указывается та точка горизонта (румб), от которого движется поток («откуда ветер дует»). Для его характеристики обычно пользуются 8 румбами с секторами шириной по 45° или 16 румбами с секторами шириной по 22,5°. Для сокращен­ной записи направления ветра используются начальные буквы четырех основных стран света.

Для промежуточных румбов применяют сочетания начальных букв. Например: северо-восток (СВ или NE), юг–юго-запад (ЮЮЗ или SSW).

Страна света	Буквы русского алфавита	Буквы латинского алфавита
Север (Nord, North)	C	N
Восток (Est, East)	В	E
Юг (Sud, South)	Ю	S
Запад (West, West)	З	W

Очень удобно выражать направление ветра с помощью 360-градус­ной шкалы, при этом за 0° принимается точка севера.

Для определения скорости ветра употребляются также приборы, носящие название анемометров. В тех случаях, когда нельзя провести наблюдения по приборам, производятся визуальные наблюдения над скоростью ветра, при этом пользуются шкалой, принятой Международ­ной метеорологической комиссией (табл.2).

В этой шкале объективные признаки для оценки скорости ветра сопоставлены со скоростями ветра, измеренными с помощью анемо­метра.

Для большей наглядности величины, характеризующие ветровой климат, принято изображать в виде специальных диаграмм, называе­мых «розами ветров». В зависимости от охватываемого периода разли­чают годовую, сезонную и месячную розы ветров.

Можно построить розу ветров по ско­ростям (рис. 2). Для этого значе­ния средних скоростей ветра за рас­сматриваемый период (год, сезон, ме­сяц) в произвольном масштабе откла­дывают на соответствующих лучах на­правлений ветра.

Скорость ветра на различной высоте неодинакова. Чем больше рас­стояние от земной поверхности, тем выше скорость ветра.

Однако эта закономерность проявляется по-разному в зависимости от состояния атмосферы.

Различают три состояния атмосферы: безразличное равновесие, неустойчивое и устойчивое.

Скорость U_z и отклонение направления ветра на уровне z от известного уровня z₁ определяется по формуле

где U₁– известная скорость ветра на уровне z₁;

β – искомый угол отклонения направления ветра на уровне z от заданного на уровне z₁;

δ_z и δ₁ – углы отклонения ветра.
Таблица 3 – Поправочные коэффициенты к скорости ветра и углы отклонения направления ветра (коэф-ты приводятся для высот от 1м до 3000м)

Высота, м	Неустойчивое состояние		Равновесное состояние		Устойчивое состояние
	f	δ	f	δ	f	δ
1	0.46	0	0.39	0	0.36	0
10	0,66	0	0,6	0	0,61	10
100	0,78	0	0,78	20	0,91	60
500	0,88	20	0,99	90	1	200

Пример: На высоте 10м скорость ветра 7м/с. Состояние атмосферы неустойчивое. Найти скорость и направление ветра на высоте 500м.

; β= 2-0= 2⁰
3.3 Влияние рельефа местности на скорость и направление ветра
Сведениями о ветровом климате того или иного населенного пункта мы располагаем по данным метеорологических станций. Данные о повторяемости и скоростях ветра по направлениям, а также др. сведения о ветровом климате населенных пунктов приведены в СНБ «Строительная климатология и геофизика».

Несмотря на то, что атмосфера является турбулентной средой, подверженной к тому же воздействию многочисленных внешних факторов, влияние рельефа, т.е. препятствия, постоянно действующего на поток, считается одинаковым.

Известны четыре типа возмущений воздушного потока над пре­пятствием (рис. 3).

а) Ламинарное течение наблюдается обычно при очень слабых вет­рах. Линии тока над возвышенностью повторяют ее форму, причем амплитуда возмущений с высотой быстро затухает. Вниз по течению от препятствия никаких возмущений не наблюдается. Линия тока – это огибающая векторов скорости в разных точках потока, взятых в один и тот же момент времени

б) Течение стоячего вихря возникает при умеренных ветрах. На подветренной стороне препятствия образуется вихрь с приблизительно горизонтальной осью. Этот вихрь не ме­няет своего месторасположения.

П

ных ветрах, когда стационар­ный вихрь на подветренной стороне как бы распадается на систему вихрей.

В результате конвективных процессов в атмосфере возникает обмен между толщами воздуха, рас­положенными на различных высотах от поверхности земли, т.е. происхо­дит проникновение масс воздуха из нижерасположенных слоев в верх­ние слои, и наоборот. Вместе с этими массами перемещается теплота, во­дяной пар и различные примеси, в том числе и вредные для здоровья людей (газ, пыль и пр.).

Конвекция в атмосфере может возникнуть и в результате перемеще­ния масс воздуха, т.е. ветра. Такая конвекция носит название турбу­лентной.

Гравитационная конвекция возникает в атмосфере в результате на­гревания и увлажнения масс воздуха, т.е. в результате взаимодействия атмосферы с поверхностью земли.

Согласно теории ярусной конвекции конвективные движения происходят внутри некоторых воздуш­ных слоев (ярусов), мощность которых увеличивается с высотой. На­копление теплоты в каждом нижележащем слое приводит к разрыву это­го слоя и образованию восходящих и нисходящих потоков, образующих новый слой. В новом слое процесс аналогичен описанному. Таким об­разом, процесс конвекции осуществляется путем периодического разру­шения и восстановления ярусов.

А. А. Скворцов проделал значительное количество экспериментов по изучению нижнего приземного яруса (порядка до 2 м) и частично верхнего приземного яруса (порядка до 100 м).

Застройка воздействует на воздушный поток, деформирует его на­правление и изменяет скорость. В некоторых случаях застройка сама является причиной возникновения воздушных потоков.

Ветер оказывает определенное воздействие на зда­ния, формируя микроклимат застроенной территории, в значительной мере определяя среду жизнедеятельности человека.

Воздействие ветра на жилище и, наоборот, влияние жилой застрой­ки на ветровой режим – это взаимно связанный процесс. Рассмотрим последовательно ту и другую стороны этого процесса.

а) воздействие ветра на формирование микроклимата пространства между зданиями;

б) воздействие ветра на формирование микроклимата внутри жилых зданий.

Говоря о формировании микроклимата пространства между зда­ниями, следует иметь в виду важность этого вопроса при размещении детских площадок, площадок для отдыха взрослых, размещении про­ездов и тротуаров, стоянок автомобильного транспорта, загрязняюще­го атмосферу вредными выбросами, и пр.

На тепловое самочувствие человека, находящегося вне зданий, дви­жение воздуха (ветер) влияет в зависимости от сочетания основных ми­кроклиматических факторов: температуры воздуха, температуры излу­чающих поверхностей, влажности воздуха и скорости его движения.

Значения температуры воздуха, его влажности и температуры излучающих поверхностей являются известными и на территории города эти значения отличаются от данных метеорологических станций, тепловое самочувствие человека, находящегося, положим, на пло­щадке отдыха во дворе жилого дома, будет в значительной мере зави­сеть от скорости движения воздуха, т. е. от ветра. Поэтому необходимо знать скорости и направления движения ветра в про­странстве между и над проектируемыми зданиями.

Сильный ветер оказывает и механическое раздражение, поэтому важно знать, в каких местах застроенной территории следует ожидать повышенных скоростей ветра (сквозняков). В зимний период года ве­тер может способствовать или препятствовать образованию снеговых заносов. Поэтому нужно знать места пониженных скоростей ветра.

Ветер, встречая на своем пути преграды в виде зданий, оказывает на них давление. Это давление тем больше, чем выше скорость ветра. Если здание расположено на территории, свободной от застройки, то на одной стороне здания возникает повышенное давление –ветровой подпор, а с противоположной стороны здания – пониженное давление – отсос.

Если же здание находится в системе застройки, то картина значи­тельно усложняется, и без специального исследования невозможно за­ранее сказать, при каком направлении ветра те или иные стены здания будут испытывать ветровой подпор или отсос и какие по величине бу­дут эти воздействия.

Известно, что ветровое давление прямо пропорционально безразмер­ной величине, называемой аэродинамическим коэффициентом, который показывает, какая доля скоростного напора переходит в давление

Аэродинамические коэффициенты зависят от формы зданий, их гео­метрических параметров, степени защищенности и расположения зда­ний относительно направления ветра.

За счет разности давлений происходит инфильтрация и эксфильтрация воздуха через ограждающие конструкции зданий, а также осу­ществляется проветривание квартир. Инфильтрация – естественное поступление наружного воздуха в помещение через неплотности ограждений; эксфильтрация – процесс, когда внутренний воздух удаляется из помещений за пределы здания через неплотности наружных ограждений. Эти процессы происходят за счет разности температуры и плотности воздуха внутри и снаружи здания.

Если в процессе проектирования, знать, ка­кие давления будут испытывать ограждающие конструкции жилых зданий при том или ином варианте композиционного решения застрой­ки, то можно пределить, в каком случае будут большие теплопотери, какое решение обеспечит лучшую аэрацию квартир.

Поэтому необходимо знать давление ветра на огра­ждение проектируемых жилых домов, находящихся в тех или иных условиях застройки.

Воздействие жилой застройки на ветер. Очень редко встречаются отдельно стоящие (вне городской застройки) здания, поэтому важно знать, какое воздействие оказывает за­стройка на ветер.

Здания изменяют направление движения ветра, изменяют его ско­рость. На здания, на застройку оказывает воздействие собственно из­мененный поток. Поэтому важно знать, какие изменения претерпе­вает ветер в условиях застройки.

Для познания сущности процесса аэрации жилой застройки, следовательно, для овладения возможностью управлять этим про­цессом необходимо научиться определять в процессе проектирования скорости и направления движения ветра в пространстве между и над проектируемой застройкой и определять ожидаемые давления ветра на ограждающие конструкции зданий, находящихся в конкретных градо­строительных ситуациях.

Рассмотрим в качестве примеров картины обтекания прямоуголь­ного профиля жилого здания и обтекание профиля группы зданий, по­ставленных параллельными рядами, т. е. обтекание профиля строчной застройки (рис 4,5).

ки (план)

Позади здания образуется область, которую называют областью ветровой тени. Это область возникновения и интен­сивного движения вихрей. Кроме того, вихревая зона образуется не только позади преграды, но и перед ней.

Иначе происходит процесс обтекания потоком воздуха профиля группы зданий, находящихся друг от друга на расстоянии, равном при­мерно двум высотам.

Поток проносится в основном над верхними гранями моделей зданий, лишь небольшая часть его попадает в пространство между моделями, образуя в нем эллиптические вихри. Исключение со­ставляет зона, которая находится позади и над моделью здания, стоя­щего первым в ряду застройки. Здесь картина обтекания несколько напоминает обтекание отдельно стоящего здания.

Так же как и в первом случае, поток воздуха, встречая прегра­ду на своем пути, поднимается вверх, описывая плавную траекторию. Высота подъема основного потока частиц в этой зоне первичного воз­мущения составляет примерно две высоты здания. Затем на расстоянии двух с половиной — трех высот здания от передней грани первой мо­дели поток выравнивается и течет параллельно земле и верхним гра­ням моделей, т. е. параллельно крышам зданий. Позади последней в ряду модели здания образуется небольшая вихревая зона, протяженность которой вдоль направления движения потока не превышает двух высот здания.

Как видим, городская застройка вносит существенные изменения в ветровой режим. Отсюда следует, что аэрация является процессом управляемым. Задача заключается, следовательно, в углубленном изу­чении зависимости скорости и направления движения воздушных по­токов на территории проектируемой застройки от взаиморасположения здании и их размещения по отношению к ветрам, определяющим кли­мат данной местности.