ВВЕДЕНИЕ
Оптимизация естественной световой среды городской застройки является сейчас наиболее острой градостроительной, экономической и социально-правовой проблемой. С переходом землепользования и строительства на рыночную основу нормы инсоляции и естественного освещения помещений, жестко регламентирующие разрывы между зданиями и плотность застройки, стали главным фактором, сдерживающим стремления инвесторов, владельцев и арендаторов земельных участков к переуплотнению городской застройки с целью получения максимальной прибыли. Согласно официальному представлению Минздрава РФ [215], необходимость пересмотра норм возникла в связи с названной негативной коммерческой тенденцией, которая приводит к ущемлению прав граждан РФ на благоприятную среду жизнедеятельности. В связи с этим становится актуальной потребность в светотехнической паспортизации территорий, существующего и вновь возводимого жилья, определяющей его рыночную стоимость на основе достоверных методик оценки качества световой среды городской застройки.
Актуальность проблемы. Работа выполнялась по программе отраслевой научно-технической проблемы 0.55.16.061: "Усовершенствовать методы расчета инсоляции микрорайонов, жилых и общественных зданий в различных климатических условиях... ", по темам: " Корректировка градостроительных нормативов естественного освещения ВСН 2-85 в исторической застройке г. Москвы ", " Теория и методы расчета естественного светового поля в пространствах городской застройки и помещений ", " Совершенствование методов расчета и нормирования естественного освещения" и программе Правительства Москвы по разработке Московских городских строительных норм инсоляции и естественного освещения (постановление Правительства Москвы от 31.12.96 № 1036 "О снижении стоимости строительства объектов городского хозяйства" и распоряжение Мэра Москвы от 6.06.97 № 449-РМ "О разработке временных норм инсоляции и естественного и искусственного освещения в г. Москве").
6
Цель работы: разработка теории и математических методов моделирования и расчета естественного светового поля в атмосфере, пространствах застройки и помещений для проектного обоснования формы, взаиморасположения и плотности постановки зданий на городских территориях.
Объект исследования - городская застройка.
Предмет исследования - естественная световая среда.
Основные задачи исследования:
- разработка методологических основ формирования естественной световой среды городской застройки;
- построение, визуализация и исследование математической модели продолжительности инсоляции;
- разработка и визуализация универсальной спектрально- колориметрической модели безоблачной земной атмосферы как источника естественного облучения городской застройки и помещений;
-теоретическое моделирование и натурное исследование естественной облученности в пространствах городской застройки;
- построение и исследование математической модели прямой и отраженной составляющих светового поля в пространствах городской застройки как источника естественного освещения помещений облачным небом;
- построение и исследование математической модели прямой и отраженной составляющих естественной освещенности в помещениях;
- компьютерная визуализация светового поля в городской застройке как наглядное доказательство универсальности, безошибочности и точности расчетных моделей;
- сравнительный анализ разработанных и существующих расчетных моделей естественного освещения;
- выявление точных и приближенных инвариант светового поля и разработка на этой основе графоаналитического метода расчета отраженной составляющей естественного освещения в помещениях;
7
- разработка методики инженерного расчета световых полей для обоснования и экспертизы проектных решений городской застройки;
- разработка предложений по совершенствованию показателей расчета инсоляции и естественного освещения зданий и городских территорий как критериев проектного обоснования формы, взаиморасположения и плотности постановки зданий на городских территориях.
Метод исследования: теоретический метод численного моделирования и компьютерной визуализации исследуемых явлений на основе оптической теории светового поля.
Научная новизна. Впервые дано теоретическое обоснование методов расчета показателей инсоляции и естественного освещения на основе принципиально нового понимания структуры светового поля как аддитивной комбинации пространственных рассеянных, размытых и четких оптических изображений множества светящих объектов в рассматриваемой области пространства. Качественно адекватная явлению оптическая теория светового поля и его количественное интегрально-операторное представление позволили разработать достоверные методы расчета и компьютерной визуализации естественных световых полей в атмосфере, пространствах городской застройки и помещений.
Практическая ценность работы. Рекомендации по нормированию инсоляции и естественного освещения были реализованы в СанПиН обеспечения инсоляции жилых и общественных зданий и территорий жилой застройки № 2605-82 и затем в СНиП 2.07.01-89 "Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений", при корректировке ВСН 2-85, Московских городских строительных нормах МГСН 2.05-99 "Инсоляция и солнцезащита", МГСН 2.06-97 "Естественное и искусственное освещение", МГСН 2.06-99 "Естественное, искусственное и совмещенное освещение".
Научные результаты использованы при подготовке "Пособия по расчетам инсоляции и проектированию солнцезащитных средств в жилых, общественных и промышленных зданиях на территории СССР" (НИИСФ), а так-
8 же вошли в учебники "Городская климатология" (М., Стройиздат, 1993 г.),
"Архитектурная физика" (М., Стройиздат, 1997 г.) и Справочную книгу по светотехнике (М., 2006г.), внедрены институтом развития города "Нижего-родгражданНИИпроект", ООО НПП "Архитектоника" и др. в проектную практику.
Разработан комплекс исследовательских и учебных программ, предназначенных для изучения и визуальной демонстрации закономерностей формирования и восприятия светоцветовых композиций, структуры световых полей и их инвариантов в пространствах застройки и помещений, а также методические указания по расчету естественного освещения оптическим методом.
На защиту выносится научная концепция формирования естественной световой среды городской застройки и разработанные на ее основе:
- теория и методы моделирования, расчета и визуализации естественного светового поля в атмосфере, пространствах застройки и помещений;
- инженерный расчет световых полей для обоснования и экспертизы проектных решений городской застройки;
- предложения по совершенствованию расчета показателей инсоляции и естественного освещения зданий и территорий как критериев проектного обоснования формы, взаиморасположения и плотности постановки зданий на городских территориях.
Достоверность сформулированных выводов и обоснованность рекомендаций обусловлены использованием современных методов компьютерного моделирования и визуализации исследуемых явлений на основе качественно адекватной явлению оптической теории светового поля, сходимостью расчетных данных с экспериментальными, хорошим согласованием с натурными измерениями и расчетами ведущих отечественных и зарубежных научных центров.
Апробация работы. Результаты теоретических исследований доложены и обсуждены на Международном светотехническом симпозиуме "Day-
9
light-90" (Москва, 1990 г.), Международных научно-технических конференциях "Архитектура и строительство", Международных форумах "Великие реки "(Н.Новгород, 2000-2005 гг.), 3-ей Международной научно-практической конференции "Развитие современных городов и реформа жилищно-коммунального хозяйства" (Москва, 2005г.), 4-ой Международной научно-практической конференции " Город и экологическая реконструкция жилищно-коммунального комплекса XXI века" (Москва, 2006 г.).
Публикации. Результаты диссертации изложены в 50 научных трудах (объемом 25,2 п. л.), из них 17 статей в центральной печати (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАКом - 11), в 9 материалах международных конференций, конгрессов, симпозиумов; СНиПе, СанПиНе, МГСН, ВСН, в Справочной книге по светотехнике и учебном пособии для ВУЗов "Городская климатология", вышедшем в Стройиздате.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, восьми глав, заключения, основных результатов и выводов, списка библиографических источников из 319 наименований, 6 приложений и содержит 245 страниц текста, 167 иллюстраций, 19 таблиц и 65 страниц приложений.
Диссертация выполнена на кафедре градостроительства Нижегородского государственного архитектурно - строительного университета.
10 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР И СОВРЕМЕННОЕ
СОСТОЯНИЕ МЕТОДОЛОГИИ РАСЧЕТА И НОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОЙ СРЕДЫ ГОРОДСКОЙ ЗАСТРОЙКИ
Солнечный свет является одним из важнейших физических факторов среды обитания человека. Световая среда опосредованно проявляется как "...комплекс световых реакций человека, возникающих при воздействии лучистой энергии солнца в оптическом его спектре, т. е. в диапазоне ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных излучений [84, стр. 7]". По данным социологических обследований свыше 90% опрошенных людей высказывают желание жить в солнечных квартирах. Проблема оптимизации естественного светового режима городской застройки привлекает внимание широкого круга ученых и проектировщиков. Исследования в различных аспектах этой проблемы ведут специалисты в области градостроительства, светотехники, метеорологии, гелиотехники и гигиены.
1.1. Расчет и нормирование инсоляции
Инсоляция является важным критерием оценки жилищ. Этот удобный термин используется в основном в градостроительстве, гигиене и строительной светотехнике, занимающихся изучением, нормированием и расчетом инсоляции.
Необходимость считаться с солнцем при постройке жилищ и планировке городов известна человечеству с древнейших времен. Однако определенное научное содержание вопросы учета солнечной радиации получили только в начале 19 в. с возникновением и развитием коммунальной гигиены. Требования по обеспечению инсоляции городской застройки впервые сформулировал в 1879 г. А. Фогт [312] на основе общежитейских представлений о благотворности прямых солнечных лучей. Ф. Ф. Эрисман [231] в 1887 г. предпринял попытку связать гигиенические требования по инсоляции с биологическим действием лучистой энергии. Открытый в 1887 г. Т. Блантом и
11
А. Даунсом [246] бактерицидный эффект естественного облучения и результаты дальнейших исследований [129, 136, 143, 224, 232]) дали возможность конкретизировать гигиенические представления о биологической ценности лучистой энергии Солнца. К 30-м гг. 20 в. уже были заложены основы современных гигиенических воззрений на многообразие воздействий инсоляции на организм человека.
Вместе с тем, как указывал Ф. Линке [280], а затем Н. Н. Калитин [99], В. Б. Вейнберг [45] и др., сложилась тенденция связывать биологические эффекты естественного облучения только с прямыми солнечными лучами. Это и определило в известной мере приоритетное развитие геометрических методов расчета и нормирования инсоляции.
Астрономические и геометрические основы пространственно-временного расчета инсоляции были заложены еще в Древнем Египте, Греции и Риме. Аналемма Витрувия [50] -1 в. до н. э. представляет собой его исчерпывающую геометрические основу. Формулы сферической тригонометрии, описывающие солнечные координаты, в их современном виде систематизированные Л. Эйлером в середине 18 в., составляют его аналитическую основу.
Обзор, критический анализ и систематизация методов пространственно-временного расчета инсоляции были выполнены Д. В. Бахаревым [10] в 1968 г. Все существующие методы учета экранирования при расчете инсоляции классифицированы по геометрическому признаку на метод центрального (X. А. Беккет [238], Б. А. Дунаев [86, 87], Г. Плейжел [295]), ортогонального (Б. А. Дунаев [86, 87], Г. Марти [282], Д. С. Масленников [137], Н. В. Оболенский [154], А. М. Рудницкий [178], М. Тваровский [212]) и косоугольного (Д. В. Бахарев [10], Г. Марти [282], В.Т. Шимко [225, 226]) проецирования. Доказано, что метод ортогонального проецирования является единственным рациональным методом, сводящим ручной расчет инсоляции к минимальному количеству операций. Этот метод был рекомендован в нашей стране и ряде других стран для практического использования [210].
12
Геометрические методы, с помощью которых решалась задача анализа хода затенения территории, относятся к методам косоугольного проецирования. Они основаны на построении конверта мгновенных теней, который представляет собой семейство косоугольных проекций экранирующего объекта на плоскость. Описание метода "конверта теней" содержится в работах В. Б. Вейнберга [45], Л. Л. Дашкевича [80], А. У. Зеленко [90], Л. Кюттнера [277], П. В. Миронова [148], А. Фогта [312], Е. Фриза [261]. С его помощью можно получить дискретную картину затенения и определять продолжительность инсоляции (ПИ) заданных точек на территории застройки. Существенным его недостатком является трудоемкость анализа в случае наложения теней от нескольких объектов.
Впервые способ преобразования конверта теней в изолинии поля ПИ предложил Г. Марти [282] в 1952 г., не раскрыв геометрической и физической сущности открытого явления. На этой основе исследовались закономерности формирования структуры суточного поля ПИ вокруг зданий различных геометрических параметров и ориентации. Им также впервые предпринята попытка графической интерпретации годового поля - построения изолиний годового поля ПИ территории вокруг отдельно стоящего здания путем непосредственного наложения 3-х суточных картин: на равноденствие, летнее и зимнее солнцестояние. Такая довольно грубая аппроксимация давала приблизительную картину годовой ПИ территории.
Геометрическую и физическую сущность рассматриваемого явления подробно исследовал Д. В. Бахарев [10]. Им выявлена тонкая структура изолиний, указано на свойство аддитивности полей и случаи его нарушения, а также предложен комбинированный способ построения изолиний полей экранирования, использованный в энергетическом методе построения картины эффективного и теплового облучения территории застройки.
Разработка методов решения задач пространственно-временного расчета инсоляции, не выходящих за рамки классических разделов математики и физики, в основном была завершена в 70-е гг. прошлого столетия. За исклю-
13
чением методов косоугольного и центрального проецирования все упоминаемые в [10, 111, 154, 159] ручные методы и приборы расчета инсоляции представляют сейчас лишь исторический интерес.
Энергетический метод расчета основывается на совместном рассмотрении энергетической и геометрической картин инсоляции. Развитие в 30 -50-е гг. 20 в. сети актинометрических наблюдений создало предпосылки для становления его энергетической составляющей. Значительный вклад в развитие расчетных методов актинометрии, послуживших основой для разработки первых теоретических моделей прямой радиации и излучающего небосвода, внесли М. С. Аверкиев, Т. Г. Берлянд [189], Б. М. Гальперин, Л. Г. Махоткин, С. И. Сивков, В. И. Украинцев [189], Г. Берлаге [244], Н. Н. Калитин [100-102], К. Я. Кондратьев [113-115], С. И. Савинов [183]; из зарубежных - Ф. Альбрехт [235] , А. Ангстрем [237], Д. Блэк [245], Г. Кимболл [271, 272], Г. Перль [294], Г. Плейжел [295].
Практически все разрабатываемые до 60-х г.г. 20 в. энергетические методы расчета инсоляции в градостроительстве и светотехнике являлись, по существу, методами учета экранирования. Для этого на основе известных геометрических методов соответствующим образом, в виде номограмм, приспосабливались данные натурных измерений или расчетов метеорологов. С их помощью решались задачи по расчету интегральной по спектру тепловой радиации, причем количество тепла определялось численным интегрированием потоков.
Первые попытки учета рассеянной радиации при оценке радиационного режима помещений и территорий, базировавшиеся на эмпирических данных о ее приходе на горизонтальную поверхность и предположении об изотропном распределении яркости небосвода, были предприняты Г. Плейже-лом в 1950-1954 гг. [295]. Разработанный им комплексный градостроительный метод расчета прямой и рассеянной радиации для различных спектральных областей впервые основывался на векторном представлении ко-
14
личества облучения и учете экранирования с помощью экран-фигур застройки, что послужило толчком для развития энергетического метода.
Задача расчета потоков солнечной радиации в условиях городской застройки ставилась метеорологами и светотехниками. Среди прикладных работ можно отметить исследования Б. А. Айзенштата [2] и А. В. Ершова [89], в которых предлагались аналитические методы расчета рассеянной и отраженной тепловой радиации, основанные на упрощенных посылках. Р. Л. Каган и Л. П. Клягина [98], предприняли попытку рассчитать на ЭВМ потоки суммарной радиации на стены зданий в бесконечной уличной среде постоянной ширины с учетом отраженной составляющей при изотропном распределении рассеянной радиации по небосводу. Недостатком методики являлась ее значительная сложность и громоздкость.
Гораздо менее разработанными оказались вопросы создания теоретической анизотропной модели суммарного излучения Солнца и неба, пригодной для использования в прикладных градостроительных исследованиях.
Становление современных методов расчета прямой радиации в коротковолновом диапазоне спектра относится к 60-70 гг. 20 в. Фундаментальные теоретические работы, а также накопленный в актинометрии, фотометрии, астрофизике, геофизике и атмосферной оптике обширный экспериментальный материал послужили для них надежной основой. К тому же с появлением ЭВМ открылись большие возможности для совершенствования расчетных методов на основе исследования спектральных и интегральных характеристик атмосферы с помощью многопараметрических моделей.
В 60-70-е гг. измерениями и расчетами солнечной радиации, в том числе и прямой, стали заниматься сотрудники метеорологической обсерватории МГУ под руководством профессора В. А. Белинского [32, 33, 55, 56, 57, 214]. В основу расчета монохроматических потоков прямой солнечной радиации в радиационной модели МГУ [32] положена формула Бугера [189] . Расчеты выполнялись на ЭВМ и показали вполне удовлетворительное согласование с натурными измерениями.
15 Также в 60-е гг. А. Авасте, X. Молдау и К. С. Шифриным [1, 228]
была создана спектральная модель прямой солнечной радиации в коротковолновом диапазоне (290 < Я < 5000 нм) для стандартной атмосферы. Расчеты монохроматических потоков проводились по известной формуле Бугера. Различие с моделью МГУ заключалось лишь в выборе величины волновой экспоненты при расчете аэрозольной экстинкции. Наиболее значительным достижением авторов [1, 228] явилось создание методики расчета для инфракрасной (ИК) области с учетом поглощения радиации НгО и СОг. Как отмечал С. И. Сивков [189], предложенная методика расчета функций поглощения является наиболее надежной и точной. К такому же выводу пришел В. Е. Зуев [93] на основе анализа и систематизации результатов экспериментальных и теоретических работ отечественных и зарубежных ученых в этой области. Еще одним подтверждением служит последующее международное признание данных методик [166].
Таким образом, следует признать методы расчета прямой радиации в коротковолновом диапазоне спектра достаточно изученными и вполне надежными, что позволяет использовать их в прикладных исследованиях.
Однако до 80-х гг. 20 в. оставалась нерешенной задача создания теоретической анизотропной модели излучающего небосвода по всему оптическому спектру Солнца. В ее основе лежит яркость излучения, расчет которой является одним из частных вопросов проблемы рассеяния света в мутных оптических средах. Разработке этой сложнейшей проблемы применительно к потребностям конкретных наук посвящены исследования специалистов в области геофизики, астрофизики, метеорологии, атмосферной оптики. Исследованиями по проблеме переноса излучения в атмосферах планет занимались астрофизики, в частности, В. А. Амбарцумян, В. В. Соболев [202] , Е. С. Кузнецов [124], Е. В. Пясковская-Фесенкова [173], Ш. Чандрасекхар [220]. Большое теоретическое значение имели работы в области атмосферной оптики Е. М. Фейгельсон [216].
16
Применяемые в астрофизике точные решения уравнения переноса излучения в атмосфере Земли, выполненные в ИФА АН СССР [174,175], сложны для использования в прикладных исследованиях, однако дают надежную основу для сравнения расчетов по приближенным методам. Поэтому специалисты различных отраслей знаний пытались разработать приближенные, но достаточно точные методы для расчета яркости применительно к решаемым задачам. Так, был предложен ряд формул (Н. Г. Болдырев [36], В. Г. Кастров [103, 104] , Р. Киттлер [273], Г. И. Покровский [167]), в основе которых лежит однократное рассеяние, эмпирические или теоретические индикатрисы рассеяния. Это привело к созданию стандартных моделей распределения относительной яркости небосвода: равнояркого неба (по А. М. Данилюку [76]), облачного неба (по П. Муну и Д. Спенсер [283]), принятой МКО; ясного неба (по Р. Киттлеру [273]), среднего неба (по И. Вегне-РУ [315]). Все они с приемлемой для практических задач точностью описывали относительное распределение яркости в видимой области, но не позволяли рассчитывать дозы облучения.
О распределении яркости в УФ и некоторых эффективных системах измерения (эритемной и бактерицидной) и ИК областях спектра в литературе содержались только фрагментарные данные, представлявшие собой результаты отдельных измерений или расчетов, иллюстрирующих тот или иной метод расчета яркости [21,109,149,166,167].
Большое значение имели фундаментальные исследования К. С. Шифрина по проблеме рассеяния света в мутных средах. Создание К. С. Шифри-ным и И. Н. Мининым [227] теории негоризонтальной видимости позволило рассчитывать потоки рассеянного излучения на различных уровнях в атмосфере и привело к появлению первых спектральных моделей излучающего небосвода. Радиационная модель А. Авасте, X. Молдау и К. С. Шифрина для стандартной атмосферы в УФ и видимой областях спектра [1, 228] выполнена с помощью изотропного метода В. В. Соболева [202]. Ценные методологические идеи заложены в расчетах для ИК области. На основе доста-
17
точно корректных построений авторами создана модель однократного рассеяния для стандартной атмосферы, позволяющая вычислять потоки ИК излучения на различных уровнях с учетом поглощения НгО и СОг- Важность первого моделирования рассеянного ИК излучения подтверждалась недостаточным числом измерений в этой области, что связано со значительными трудностями в измерении спектральных потоков малой величины.
Расчеты в области 290 - 700 нм выполнены Р. В. Болотниковым и М. Г. Гелъбергом [37] для подстилающих поверхностей, имеющих различные спектральные альбедо, на основе двухпараметрической модели К. С. Шиф-рина и И. Н. Минина. Как отмечается в [37], данная схема имеет тот же порядок погрешности (10-15%), что и метод В. В. Соболева [202] по сравнению с методом последовательных приближений [174,175].
Радиационная модель атмосферы (УРМА) [32] создана в 60-е гг. в МГУ. Она основана на изотропном двухпотоковом приближении и использовании при расчетах рассеянной радиации в нижнюю полусферу теоретической индикатрисы Юнге, которая имеет более вытянутую форму, чем аэрозольная, наблюдаемая в реальной атмосфере. Изотропная модель МГУ явилась, по существу, первой моделью в УФ области, позволяющей с удовлетворительной точностью рассчитать потоки как рассеянной, так и сум-арной радиации, и имеющей надежную экспериментальную основу. Предложения по практической реализации УРМА в застройке разрабатывались И. В. Маргиани [135] и Б. М. Давидсоном [74].
В дальнейшем Д. В. Бахаревым [10] рассчитывалась яркость УФ излучения с учетом однократного рассеяния и эмпирической индикатрисы В. А. Крата, не освобожденной от влияния многократного рассеяния. Полученные в этой работе анизотропные распределения яркости качественно верно отражали ее зависимость от длины волны и спектральной чувствительности приемников лучистой энергии, однако количественно расходились с данными измерений и расчетов МГУ. Относительная индикатриса не компенсировала существенный вклад многократного рассеяния в абсолютные значе-
|
