Солнце в архитектуре, инсоляция. Геометрия солнечных лучей.

Солнце и архитектурная форма, её региональные особенности. Примеры.

Геометрия солнечных лучей как основа практических методов расчета инсоляции и проектирования застройки в архитектурных формах на разных широтах.

Гелиоархитектура как перспективное направление в зодчестве у нас и за рубежом.

Солнце – жизненно важный элемент среды, в которой живет, работает и отдыхает человек. Освещая территорию, фасады и интерьеры зданий, лучи солнца в значительной мере определяют качество окружающей среды, оказывают большое влияние на микроклимат, на освещение и гигиену помещений, на выразительность архитектурных композиций и форм.

Инсоляция– суммарное солнечное облучение поверхностей и пространств (прямая радиация) – важнейший фактор формирования климата.

Рассеянная солнечная радиация в биологическом аспекте играет не меньшую, если не большую роль, чем прямая солнечная радиация, так как только благодаря ей достигается освещение тех мест, куда непосредственно не поступают прямые солнечные лучи. Кроме того, в естественных условиях солнечная радиация никогда не бывает только прямой.

Одна из задач архитектуры в том, чтобы архитектурно-планировочными и строительными средствами в наибольшей степени использовать положительные функции солнца и устранить отрицательное воздействие на человека.

Для учета инсоляции при проектировании в последние годы в некоторых крупных проектных организациях стали применять методы расчета инсоляции застройки с помощью ЭВМ, однако при композиционных поисках для архитектора более удобны графические способы инсоляционного анализа застройки и видеомакетоскопия.

Продолжительность инсоляции в течение суток для каждой местности опре-

деляется временем видимого движения Солнца по небосводу (рис.ё 1).

Положение Солнца на небе и направление лучей солнца определяют координатами: высотой стояния солнца ho и азимутом Ао, которые зависят от географической широты местности, времени года и часа дня.

Рис.1 Траектория солнца в течение характерных дней года и способ определения положе- ния солнца а полдень дней лет- него и зимнего солнцестояния при заданной географической широте

Высота стояния солнца – это угол в вертикальной плоскости, образуемый лучом солнца и горизонтом. Азимут – угол в горизонтальной плоскости, образуемый горизонтальной проекцией солнечного луча и направлением меридиана.

Азимуты отсчитываются: 1) от южной части меридиана в двух направлениях от 0 до 180 градусов и обозначаются восточными (юго-восточными) и западными (юго-западными) соответственно положению Солнца в первой и во второй половине дня, западные азимуты считаются положительными, а восточные – отрицательными; 2) от северной части меридиана по часовой стрелке (на восток и далее) от 0 до 360 градусов (рис. 2).

Рис.2 Примеры определения азимутов.

1) Азимут А₁₁ равен: -100^о, или 100^о В, или 100^о СВ; азимут А₁₂ равен: +50^о, или 50^о З, или 50^о ЮЗ;

2) Азимут А₁₁ равен 80^о; азимут А₁₂ равен 220^о.

Чтобы представить себе видимое «движение» Солнца по небосводу и определить его координаты на определенной географичес-кой широте, следует обратиться к «солнечномустереону», как это сделал в свое время Витрувий (см. рис.3).

Рис. 3 Схема, объясняющая кажущееся движение солнца относительно точки земли, за которую выбрана Москва, лежащая на широте 55^о

Дни, характеризующие инсоляцию для различных периодов времени года, принимают: 22 июня и 22 декабря соответственно дни летнего и зимнего солнцестояния; 22 марта и 22сентября – дни весеннего и осеннего равноденствия.

Рис. 4 Траектория солнца в характерные дни:

Сл – летом; Сз – зимой;

Св-о – весной и осенью;

ЛГ – линия горизонта

Траектория Солнца в характерные для летнего солнцестояния, весенне-осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния для географической широты 40 градусов показаны на рис. 4. Склонение Солнца весной-осенью равно нулю и определяет высотусолнца hо в полдень. Летом и зимой склонение Солнца в полдень равно соответственно +23.5 и –23.5 градусов. В дни осеннего и весеннего равноденствия продолжительность инсоляции составляет 12 часов для любой географической широты.

При световых и тепловых расчетах весьма важно знать путь, проходимыйсолнечным лучом в атмосфере, окружающей Землю. Для этого вводится понятие «воздушная масса» М (рис 5), которую необходимо преодолеть лучу солнца. Значение М изменяются от 1 (солнце в зените) до26.96 (солнце вблизи горизонта).

Рис. 5 Схема к определению воздушной массы (М),

проходимой солнечным лучом при различной высоте солнца

Как видим, ранние утренние и поздние пологие лучи пересекают значительнобольший слой атмосферы, чем лучи из положения Солнца в зените, и их слабоеоздоровительное воздействие может не учитываться. В соответствии с нормами для районов южнее 60° с.ш. в инсоляционный расчет не принимаются первый и последний часы на восходе и закате Солнца, а для районов севернее 60° с.ш. – первые и последние1,5 часа.

Продолжительность теплового воздействия инсоляции на помещения и территории определяется на день летнего солнцестояния – 22 июня, когда в каждой географической широте Солнце проходит наивысшую траекторию. В дни зимнего солнцестояния Солнце проходит наинизшую траекторию. Солнечные лучи косо пересекают большой слой атмосферы и полезное воздействие инсоляции значительно сокращается.

Для определения продолжительности суточной инсоляции и координат Солнца на различных широтах в требуемое время дня и период года нужны сложные астрономические расчеты. Для архитектурной практики разработаны так называемые солнечные карты, на которые нанесены кольцевые и радиальные координаты. Кольцевые координаты в виде концентрических окружностей, описанных из точки зенита – они служат для отсчета высоты стояния солнца ho. Радиальные координаты в виде систем дуг, радиально исходящих из точки зенита к горизонту – они отсчитывают азимуты солнца Ао. С помощью этих координат для различных географических широт на солнечные карты нанесены траектории движения Солнца (рис.6 а-в), ьразделенные начасы суток (графики Дунаева), позволяющие установить время инсоляции для характерных периодов года.

На рис. 6 приведены три солнечные карты для географических широт 40, 55 и 70 градусов, характеризующие южные районы нашей страны, среднюю полосу и крайниесеверные районы. Наивысший угол солнцестояния в северных районах около 40°, а в средней полосе – более 60° и в южных – свыше 80°. Соответственно увеличивается интенсивность инсоляции.

За Полярным кругом в течение зимних месяцев Солнце не поднимается над горизонтом и инсоляции нет. В средней полосе наиболее короткий период инсоляции 4-5 часов в декабре.

Самый длинный период инсоляции на севере ( «вечный день» ) – 16-13 часов в сутки в летний период. Однако интенсивность инсоляции здесь невелика, так как в летнее время траектория солнечных лучей в этих районах пологая. В средней полосе летом самая продолжительная инсоляция 12-14 часов, а в южных районах – 10-12 часов.

Приведенные данные о продолжительности инсоляции, полученные из солнечных карт, относятся к точке под открытым небосводом, ничем не заслоненной от Солнца, и являются теоретически максимально возможной инсоляциейдля данной местности (без учета затеняющих факторов). В действительности затеняющие факторы (застройка, выступающие элементы зданий) значительно сокращают теоретический суточный период инсоляции.

При проектировании микрорайонов и зданий в городах архитектору приходится решать следующие практические задачи для удовлетворения гигиенических требований по инсоляции застройки и помещений:

определять действительную продолжительность инсоляции территории застройки и помещений;

определять затенение помещений лоджиями, балконами, пилонами и другими выступающими деталями зданий;

строить зоны инсоляции и контуры теней для определения допустимых расстояний между зданиями и мест расположения в застройке спортивных площадок, цветников и т.д.

Решение этих задач удобно проводить с помощью инсоляционного планшетаДунаева , или инсоляционного графика (рис. 7).

Инсографик представляет собой горизонтальную проекцию наклонной плоскости сектора небосвода, на планшете состоит из двух систем линий:

часовых радиальных линий, представляющих горизонтальные проекции солнечноголуча, направленного к расчетной точке в различное время суток для определенного времени года;

горизонталей, показывающих их превышение над центральной (расчетной) точкой

инсографика( на графике представлена как высота противостоящих зданий).

При каждой радиальной линии на инсографике в кружках обозначены часы дняпо солнечному времени; под цифрами, обозначающими часы дня, приведены васотыстояния солнца над горизонтом в градусах.

Представленный инсографик составлен для местности, расположенной на широте 55гр.; он может применяться для чертежей в масштабе 1:1000 с учетом высоты зданий до 40м. Инсографик может применяться с достаточной для практики точность в пределах широт +2.5° ; например, инсографик для 55° с.ш. может применяться в пределах 52.5-57.5° с.ш.

Здесь необходимо вспомнить разницу между солнечным временем (астрономическим) и декретным на Земле, которая может достигать почти 1.5ч. При выборе ориентации зданий по сторонам горизонта архитектору надо уметь определять эту разницу в любом городе земного шара. Кроме того, существуют понятия поясного и сезонного времени, которые тоже надо учитывать( примеры определения будут рассмотрены в лабораторных работах)

Использование прямого солнечного света в новейшей архитектуре представлено в проектах зданий, где применяется новая технология освещенияинтерьеров с помощью гелиоосветительных установок.

Архитектурные формы в таких сооружениях, как фонари, световые шахты и воронки, светящиеся подвесные потолки и другие, не являются только лишь выразительными элементами формально задуманной композиции, а служат конкретным функциональным целям. Основная светотехническая задача в таких случаях – поиск наиболее рациональной оптической схемы концентрации естественного света, ввода его внутрь здания и распределения в помещении. Главной архитектурной задачей при этом является выбор выразительных и конструктивно оправданных форм здания и элементовосветительной установки, рациональное объемно-планировочное решение.

Рис. 8 Схема системы пассивной солнечной оптики

1 – первичный (внешний) двух- фацетный конденсатор (гелиостат) из отражающих линзовых элементов;

2 – внутренний линзовый отражатель;

3 – прозрачное защитное стекло

Гелиоосветительные установки можно условно разделить на два типа – одноступенчатой и двухступенчатой трансформации солнечного света внутри здания. Оба типа имеют приемно-концентрирующее устройство, состоящее из: 1) гелиостата (неподвижного в системах пассивной солнечной оптики и подвижного - в активной оптике) и 2) зеркального отражателя, который в установках первого типа направляет прямой солнечный свет непосредственно в архитектурное пространство интерьера (см. рис. 8), а в установках второго типа эта трансляция света осуществляется в 3) световыхшахтах, у которых выходное отверстие, как правило, снабжено 4) устройством вторичной

Рис. 9 Схемы гелиоосветительных установок со световодами (разрезы зданий)

а) – установка оконного и шедового типов; б) - установки шахтного типа (одно- и двухплечевые) в многоэтажных зданиях; 1 – фацетный гелиостат с автоматической системой слежения за солнцем; 2 - прозрачное стекло в окне или фонаре; 3 - плоский клиновидный световод; 4 - источники искусственного света; 5 - зеркальная поверхность; 6 - светопропускающая и диффузно рассеивающая поверхность – световой потолок; 7 – световая шахта; 8 - зеркальные отсекатели света

трансформации солнечного света (см. рис. 9). В частности, это может быть плоский клиновидный световод в виде светового потока с зеркальной отражающей (невидимой в интерьере) и светорассеивающей (светящей) поверхностью (см. рис. 9.а).

В конструкции этого световода система прямого солнечного освещения совмещена с установкой искусственного освещения с автоматическим регулированием, которая из-за непостоянства солнечного освещения является основной, а естественное освещение рассматривается как дополнительное. Проведенные в Москве (ВНИСИ) исследования эффективности таких систем показали, что использование солнечного света позволяет сэкономить 40-70% электроэнергии, затрачиваемой на освещение.

Оптические установки являются постиндустриальной технологией. С их помощью не только прямой солнечный свет, но и диффузный свет от наиболее яркой зенитной части неба может концентрироваться, расширятся, преломляться, трансформироваться и делиться до бесконечности, направляться в заданное место, обеспечивая при этом более интенсивное естественное освещение локализованного объекта, чем бы оно создавалось прямым светом неба.

В оптических установках может использоваться и электрическое освещение, получаемое с помощью фотоэлектрических батарей, заряжаемых солнечной энергией. Если управляемое фотоэлектрическое освещение объединить с оптически управляемым естественным освещением, то в результате получится полностью децентрализованнаяэлектрическая система. Остается только одно важное ограничение, связанное с необходимостью накопление электроэнергии. Оно может быть устранено, например, использованием ветровых двигателей при отсутствии солнца. Комбинации фото- и ветроэлектрического и оптического естественного освещения является предопределением надежной системы энергонезависимого освещения, не требующей централизованной сети питания и не причиняющей вреда окружающей среде.

Новая энергосберегающая технология естественного освещения может составить реальную альтернативу привычному электрическому освещению. Она основана не на потреблении невозобновляемых природных ресурсов и связанном с ним экологическом загрязнении среды обитания, а использует естественные возможности. По зарубежным данным, значительно более экономично передавать дневной свет во внутренние (в том числе подземные) помещения, чем создавать для них электрическое освещение.

Л – 1 с. 118 – 121, 205 – 215; Л – 3 сю 187 – 189; Л – 7 с. 97 – 106

Рис. 6 Солнечные карты (графики Дунаева)

а) – для 55^о с.ш.; б) – для 40^о с.ш.; в) – для 60^о с.ш.

Рис. 7 Инсоляционный график для расчета

продолжительности инсоляции построения теней

тестовые задания:

76. Инсоляция это

а) суммарное солнечное облучение

б) световая обработка помещений

77. Видимое движение солнца по небу определяется

а) временем суток

б) высотой стояния солнца

в) азимутом

г) географической широты местности

78. Азимут отсчитывается

а) от южной части меридиана в двух направлениях до 180 градусов (через восток отрицательны)

б) от северной части меридиана по часовой стрелке до 360 градусов

79. Определите азимут А12

а) +50о, или 50о З, или 50о ЮЗ

б) -50о, или 50о В, или 50о ЮВ

в) 50о ЮЗ

80. В какие периоды года склонение (угол высоты над горизонтом) солнца в принято за ноль относительно других

а) лето

б) лето и зима

в) осень

г) осень и весна

81. Для определения суточной инсоляции в различных широтах применяются

а) солнечные карты

б) карты инсоляции

82. Инсоляционный график (см. ниже) нужен для

а) расчета продолжительности инсоляции и построения теней

б) определения затененности и построения зоны инсоляции

81. Радиальная линия в 14 градусов на инсоляционном графике показывает

а) высоту солнца над горизонтом в М 1:1000

б) длину тени от центра графика до пересечения с линией этажности

82. Гелиосветительные установки в зданиях призваны

а) аккумулировать солнечную энергию

б) собирать и перераспределять солнечный свет внутри здания