Климат, тепловой комфорт и проектирование зданий

 

климат, тепловой комфорт, проектирование зданий

Витрувий изложил рекомендации по поводу решения помещений для различного назначения. Подобные рекомендации содержались и в архитектурных книгах эпохи Возрождения. Большинство из этих правил было основано на большом опыте и в известной степени остаются справедливыми до сих пор.

Однако появилась новая наука — климатология. Древние греки полагали, что климат местности зависит от широты ее расположения. Астроном и географ Птоломей делил поверхность Земли на параллельные зоны в зависимости от их близости к экватору, и греческое слово «клима» первоначально означало склонение. Концепция Птоломея о климатических зонах предполагала неподвижную атмосферу. Александр Гумбольдт в 1817 г. рассматривал причины тропических штормов, учитывая влияние движения воздушных масс на климат, и ввел понятие изотермических линий для иллюстрации состояния погоды. Первые регулярно выполняемые карты погоды начали составляться в 30-х годах XIX в. с использованием данных, получаемых по почте. В конце 50-х годов Юрбен Ж. Ж. Леверье составил карты по данным, получаемым чаще, чем раз в день по электротелеграфу.

Климатологические данные весьма важны для расчета интенсивности отопления и охлаждения для систем кондиционирования воздуха, и с 70-х годов эта информация стала доступной для большинства крупнейших городов Европы и Америки. Эти данные, однако, зависят от конкретного места наблюдений. Микроклимат на вершине холма, в котловине, в тесно застроенном городском районе или на крыше здания может значительно различаться. Данных по микроклимату обычно нет, хотя часто можно получить их из общих климатических материалов путем исследования потока ветра на модели района в аэродинамической трубе.

Начало изучения влияния температуры воздуха внутри помещения на комфортное состояние человека восходит к XVIII в. В 1775 г. К. Благден выяснил, что человек может выдержать в помещении температуру 127° С по сухому термометру в течение 8 мин. Однако, согласно преобладающему почти до конца XIX в. мнению недомогание людей, находящихся в заполненных людьми помещениях, происходило в большей степени из-за выделяемых ими токсичных газов, чем от выделяемого тепла. А. Л. Лавуазье, который открыл состав атмосферы, полагал в конце XVIII в., что токсичным веществом была двуокись углерода — углекислый газ. Состав и количество веществ, выделяемых из легких и через кожу в минуту, подвергались изучению в течение XIX в.

В 1905 г. Дж. С. Холдейн установил, что температура, влажность и скорость движения воздуха являются основными критериями комфорта. В 1914 г. Леонард Хилл в конце концов опроверг антропотоксичную теорию, Он поместил группу студентов в небольшой комнате и фиксировал повышение температуры, влажности, содержания углекислого газа и изменение физического состояния людей. Включение вентилятора дало значительное облегчение. Контрольная группа студентов, которая дышала таким же воздухом, но находилась при нормальной температуре и влажности, не показала ухудшения состояния.

 Ранние исследования были направлены не на:определение критериев идеального комфорта, а на улучшение наиболее тяжелых условий, возникающих на заводах, в шахтах и на кораблях. Проблема, связанная с высокой температурой, особенно серьезно возникала в глубоких шахтах, котельных кораблей в тропиках. Так как Англия была еще ведущей индустриальной и морской державой с наиболее развитой горнодобывающей промышленностью, большинство ранних работ в этой области было выполнено британскими медиками, в частности Холдейном и Хиллом. Два комитета, основанные Министерством внутренних дел Англии по вопросу вентиляции на промышленных предприятиях и по вопросу влажности и вентиляции на хлопчатобумажных фабриках, сошлись на мнении, что главной проблемой является перегрев, возникающий из-за плохой вентиляции.

Влияние движения воздуха на комфортное состояние человека было отмечено Джоном Арбатнотом, другом Джонатана Свифта. В 1733 г. он опубликовал «Эссе по поводу воздействия воздуха на человеческое тело», в котором объяснял, что движение воздуха производит размывание слоя теплого влажного воздуха у поверхности тела. Д. Босвелл Рейд в 1844 г. утверждал, что одни показания термометра не могут быть достаточным показателем комфорта и что необходимо учитывать движение воздуха. Мы уже упоминали об опыте Хилла, проведенном в 1914 г. и показавшем, что вентилятор облегчает воздействие высокой температуры.

Эффект радиационного тепла в улучшении комфорта в холодное время был отмечен Томасом Тредголдом в 1824 г. В работе «Принципы отопления и вентиляции общественных зданий, жилых домов и т. д.» он указывал, что люди, обогреваемые радиационным теплом от открытого огня, могут чувствовать себя комфортно даже при сравнительно низких температурах.

Первые попытки установить точные критерии комфортных условий для человека основывались на измерениях физических величин. Приборы для измерения температуры и влажности использовались с XVI в. Еще Леонардо да Винчи описал в XV в. инструмент для измерения влажности, основанный на увеличении веса мотка шерсти при высокой влажности, так как шерсть обладает способностью абсорбировать водяные пары. Первые ртутные термометры со стеклянными трубками, по всей вероятности, были выполнены Габриелем Даниелем Фаренгейтом в 1714 г. Первый волосяной ареометр Горацио Бенедикта де Сауссире появился в 1783 г., а первый психрометр с сухим и влажным термометрами К. У. Бокманна — в 1802 г.

В процессе своих исследований в 1914 г. Хилл изобрел кататермометр для измерения действия движения воздуха на тело человека. Это был термометр с большим шариком, который нагревался немного выше 100° F, й наблюдалось время, требуемое для падения температуры от 100 до 95° F, что соответствовало примерно температуре, человеческого тела. Согласно наблюдениям Хилла, сухой пузырек кататермометра измеряет охлаждающее, действие атмосферы вследствие радиации и конвекции, а: влажный пузырек — из-за радиации, конвекции и испарения. Если температура воздуха известна, сухой кататермометр может дать скорость движения воздуха и до сих пор используется для этой цели.

В 1930 г. X. М. Верной изобрел шаровой термометр для измерения действия радиации. Он состоял из полой медной сферы, покрытой черной краской, с обычным термометром в центре. Если средняя температура радиации выше температуры воздуха, то температура, регистрируемая шаровым термометром, будет также выше, и наоборот. Если известна температура воздуха и скорость его движения, шаровой термометр определяет среднюю температуру радиации окружающей среды.

С тех пор было разработано множество приборов для установления критериев комфорта, но все они основаны на измерении температуры, влажности, движения воздуха и радиации. Первой попыткой подменить человека физическим прибором был эвпатоскоп, построенный А. Ф. Дафтоном в Британской станции исследований по строительству в 1932 г. для работ по определению комфортных условий для человека в прохладном климате. Он представляет собой цилиндр высотой 560 мм и диаметром 190 мм с электронагревом. Когда температура на термостате внутри цилиндра достигает 25,5 °С, нагревательный прибор выключается, а когда она падает ниже — включается. Прибор реагирует на действие температуры, движения воздуха и радиации, но не чувствителен к влажности. Температуру окружающей среды, которая требует потребления такого же количества энергии, Дафтон назвал «эквивалентной температурой». Это была температура с поправкой на действие радиации и движения воздуха, при которых человек в одежде, согласно Дафтону, должен чувствовать себя комфортабельно.

Хотя физические приборы дают объективные данные, трудно быть уверенным, что различные факторы, определяющие комфортные условия для человека, достаточно верны для использования в проектировании. Альтернативой этому может быть принятие субъективной реакции группы наблюдателей за основу определения шкалы «эффективной температуры». Такой способ был использован в Исследовательской лаборатории Американского общества инженеров по отоплению и вентиляции в Питтсбурге Ф. К. Хафтеном и К. П. Яглоу в основном для условий теплого климата. Эти исследования учитывали температуру, влажность и движение воздуха, но не радиацию. Участникам эксперимента задавались вопросы, при каких условиях температуры, влажности и движения воздуха возникало такое же ощущение тепла, как в процессе незначительной физической деятельности. «Эффективная температура» — это температура, когда в группе, находящейся под экспериментом, люди почувствуют тепло при полной насыщенности воздуха водяными парами и отсутствии движения воздуха. Шкала комфорта ASHRAE до 1969 г. была еще основана на концепции эффективной температуры.

Очевидно, критерии комфорта в известной степени зависят от местных привычек. В условиях влажных тропиков люди обычно носят очень легкую одежду и акклиматизируются к теплой влажной погоде. Здесь предпочтительнее более высокая эффективная температура. Наблюдения над людьми, приехавшими из Азии и Европы в Сингапур, показали, что они предпочитают температуру 27 °С при относительной влажности 80% и скорости ветра 0,4 м/с, что соответствует эффективной температуре 25° С. По этой же причине предпочтительная температура внутри помещения зимой примерно на 5° С выше в США, чем в Англии, так как американцы в помещении обычно носят зимой более легкую одежду, чем англичане.

В конце 50-х годов ASHRAE решило пересмотреть шкалу эффективных температур. Работа была прервана в 1960 г. решением закрыть лаборатории ASHRAE в Кливленде. Они были, однако, возрождены в виде Института исследования окружающей среды в университете штата Канзас. Ряд работ был предпринят в порядке совместной программы университета и ASHRAE. Самая значительная работа была выполнена психологом Ф. X. Ролсом и инженером Р. К. Невинсом. Она проводилась с привлечением 1600 студентов колледжей. Результаты этой работы привели к пересмотру шкалы комфорта ASHRAE.

Датчанин Р. О. Фэнджер, работавший в университете штата Канзас в 1966—1967 гг., вывел из тестов Канзасского университета серию уравнений комфортных условий. Они включают теплозащитные свойства одежды и процент закрытой поверхности тела, обмен веществ и площадь поверхности тела человека, степень физической активности человека, скорость движения воздуха, температуру воздуха, среднюю температуру радиации и давление водяных паров в воздухе.

 Из этих данных Фэнджер cоставил с помощью ЭВМ 43 шкалы, в настоящее время известные как диаграммы комфорта Фэнджера, которые показывают комфортные условия в функции указанных критериев. Часть этих шкал приведена в очередном руководстве ASHRAE.

Концепция различия критериев теплового комфорта у людей различных рас не подтвердилась наблюдениями, проводившимися в США, Англии и в Сингапуре. Тем не менее, эта концепция имеет древнее происхождение и представляет исторический интерес.

Уже Витрувий предполагал различное восприятие климатических условий людьми разных рас. Расовые предрассудки были, по-видимому, широко распространены в период путешествий и открытий в XV и XVI вв. Завоеватели в различных частях Америки и на многочисленных тропических островах заставляли работать на плантациях коренных жителей, применяя силу, если это требовалось. Они ввозили в Америку негров в качестве рабов, вербовали индусов в Вест Индию, Мавританию и на о. Фиджи, а китайцев и японцев на Гавайи. Утверждение, согласно которому европейцы не могут работать физически в тропиках, в то время как цветные жители могут, было еще в силе в начале XX в., даже после того, как открытие лекарств от большинства тропических болезней уменьшило риск серьезных заболеваний.

Ф. С. Маркхэм утверждает в работе «Климат и энергия наций», что основной причиной развития наций в новой истории является их контроль над климатическими условиями. Он считал, что акклиматизация шла с постепенным понижением активности до уровня, соответствующего климатическим условиям. Цветные рабочие не лучше приспособлены для работы в условиях тропиков, чем белые рабочие. Эт положение было подтверждено результатами опыта жизни в тропической части Австралии, где политические мотивы с конца XIX в. препятствуют иммиграции цветных рабочих, и поэтому тяжелая работа на плантациях сахарного тростника полностью выполняется выходцами из Европы.

Отсюда следует, что возможности человека в тропиках могут быть значительно повышены улучшением микроклимата внутри помещений. Даже небольшие улучшения в условиях труда на открытом воздухе, обеспечении удобного ночного отдыха в помещениях, оборудованных кондиционированием воздуха, оказывают благоприятное воздействие на людей.

В странах с жарким климатом, таких как южные штаты США и Северная Австралия, населенных людьми с высоким достатком, имеются все возможности применять кондиционирование воздуха, хотя возникает опасность теплового удара вследствие резкого контраста при переходе из условий кондиционированного помещения на открытый воздух. Эта опасность может быть ослаблена установлением более высокой температуры воздуха внутри помещения, чем идеальная температура для постоянного проживания. В развивающихся странах низкий средний уровень достатка и нехватка квалифицированной рабочей силы для производства оборудования делают недоступным широкое использование механических кондиционеров воздуха. Однако могут быть применены более дешевые способы улучшения микроклимата внутри помещения, такие, как увеличение тепловой инерции зданий и вентиляция.

Сейчас большое внимание уделяется народным способам защиты от неблагоприятного воздействия окружающей среды. Амос Рапопорт указывал, что хотя традиционные формы жилища явились реакцией скорее на социальные и культурные традиции народов, чем на климатические условия, многое в них хорошо приспособлено к свойствам окружающей среды, а некоторые типы народного жилища были более удобны для проживания, чем заменявшие их новые здания.

В жарких влажных тропиках для строительства многих зданий используется тростник, бамбук или деревянные планки, что обеспечивает свободный проток воздуха и дает требуемое снижение эффективной температуры. В Малайзии и Индонезии можно видеть дома с искривленной формой крыш, усиливающей движение воздуха.

В условиях сухого жаркого климата массивные стены, возведенные из камня грунтовых блоков или грунта, снижают пиковую температуру в полдень благодаря своей высокой теплоизоляции. Ночью в таких домах теплее, чем снаружи.

Эти типы домов не всегда строятся в соответствующих условиях,- Так, традиционные дома в жарком влажном климате района Кумаси в Гане построены из грунтовых блоков. Считается, что жители этих мест пришли в лесную часть страны, в XVI в. и, может быть, характер домов сформировался в других климатических условиях. Однако, было невозможно убедить эти» людей строить деревянные дома, более хорошо отвечающие климатическим условиям, несмотря на обилие дерева.

Многие архитекторы нового направления, особенно Корбюзье, обращались к народной архитектуре, ища в ней вдохновение, но их интерес простирался главным образом на визуальные и социальные аспекты, а отношение к окружающей среде в их проектах часто противоречило прочно- установившимся принципам. Хотя архитекторы, отличающиеся более традиционными взглядами, включая Фрэнка Ллойда Райта, добивались больших успехов на основе развития технологии, иногда они допускали ошибки в тепловом режиме некоторых зданий, не соответствовавших окружающим условиям. В 1933 г. Ле Корбюзье построил общежития для Армии спасения, названные «Сите де Рефьюж»: «Шестьсот бедных созданий, мужчин и женщин, живут здесь. Им обеспечены простор и незаменимая радость от массы света и солнца. Поверхность стен, имеющая остекление площадью более тысячи квадратных метров, дает освещение комнат от пола до потолка и от стены до стены».

Здание имело огромный успех до первого рождества, но в следующее жаркое лето пришлось снабдить южный фасад солнцезащитными устройствами, а часть герметично закрытого остекления заменить окнами, которые могли открываться.

Мис ван дер Роэ не признавал, что в доме, построенном им для доктора Элизабет Фарнсворс, что-либо было неверным. Однако заказчица после окончания строительства дома сочла его непригодным в качестве «жилища человека» и начала официалньый процесс против архитектора. Хотя Фарнсворс проиграла дело, она внесла в дом настолько большие изменения с целью улучшения его теплового режима, что это уничтожило тот визуальный шедевр, который создал Мис ван дер Роэ. Позже дом был разрушен из-за прокладки скоростной автострады.

Источник материала: grensi.com

Категория: Архитектура
 
Предыдущая статья
Борьба с огнем
  Следующая статья
Кондиционирование воздуха
 
Нравится  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Комментариев нет
 
 
Оставьте комментарий
Имя*:      
Ваш e-mail*:     (не отображается)
Адрес веб-сайта:      
 
 
Имя:  
Цитата:  
    Закрыть
 
 
 
 
* - обязательные поля
 
 
Сайт продается, присылайте
свои предложения на
cloudinfo@ya.ru