Учет климатических условий при строительстве зданий повышенной этажности в г. Костанай

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГЛАВА I. АНАЛИЗ ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ ЗАСТРОЙКИ И ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НОВЫХ НАПРАВЛЕНИЙ В ТИПОЛОГИИ ЖИЛИЩА С УЧЕТОМ НАКОПЛЕННОГО ОПЫТА В ГОРОДЕ КОСТАНАЙ.

1.1 Характеристика существующего положения и перспективы жилищного строительства города Костанай

На формирование типологии массового индустриального жилища региона влияет множество факторов: материально-техническая база, социально-демографическая ситуация, особенности местного климата и многое другое. Анализ факторов проводился на примере городов Костанайской области (Костаная - 226 тысяч жителей, Рудного - 110, Лисаковска - 30) (данные на 2015г.). Костанайская область и г. Костанайвыбран по следующим причинам:

как имеющая наибольшую численность населения, 50% из которых проживает в городах;

как имеющая наибольшее число городов и поселков городского типа в Северном Казахстане;

городские населенные пункты представлены всеми имеющимися в регионе типами: исторический центр (Костанай); довоенный горнодобывающий центр (Джетыгара); горнодобывающие центры (Рудный, Аркалык); горнодобывающие центры (Лисаковск, Качары, Кушмурун); поселки городского типа и районные центры, имеющие перспективы роста с развитием пищевой и перерабатывающей промышленности сельского хозяйства (Боровское, Урицк, Ленинское, Камышинское и др.);

- как большая по занимаемой площади, имеющая наибольшую протяженность с севера на юг, то есть в области представлены все природно-климатические зоны Северного Казахстана (лесостепная, степная и зона сухих степей).

Материально-техническая база жилищного строительствапредставлена несколькими строительными гигантами, среди которых выделяются Лисаковский ДСК, Кустанайский КЖБИ, Рудненский КСБ и ряд кирпичных заводов. Материально-техническая база стройиндустрии области остро нуждается в реконструкции и расширении. В последние годы активно развивается частный сектор производства строительных материалов и конструкций, который выпускает в основном несложную в технологическом отношении продукцию. Это красный и силикатный кирпич, стеновые блоки (керамзитовые, шлаковые), фундаментные блоки, черепицу (безобжиговую) и др.

Городское индустриальное жилище представлено односекционными 9-этажными и многосекционными 5- и 9-этажными домами, которые включают крупнопанельные дома серий 1-464,121, 125, крупноблочные дома 479 серии и кирпичные серии 85 и 86. Наибольший процент составляют 5-этажные многосекционные дома. В Кустанае они составляют 58,7%, в Рудном - 53,3% и Лисаковске - 87,2% от общего числа всех типов домов. Степень износа индустриальных домов не превышает 30% (табл.1.1).

В Костанае рост городского населения в процентах 2013 года к 2000 году составил 136%.. И это при том, что Северный Казахстан по интенсивности миграционных процессов превосходит все остальные районы республики вместе взятые (58).

Наибольший объем жилищного строительства приходится на районы формирующихся территориально-производственных комплексов, таких как - Костанай-Лисаковский ТПК и Павлодар-Экибасгузский топливно-энергетический комплекс.

этажность застройка ветрозащитный планировка

Таблица 1.1 Распределение основных предполагаемых направлений строительства

Определяющее влияние в формировании типологических черт массового городского жилища в г. Костанай играют социально-демографические и природно-климатические факторы. Социально-демографические влияют на формирование номенклатуры типов жилых квартир и домов, и их количественные соотношения. Климатические же факторы шире влияют на формирование типологических черт присущих только региону Северного Казахстана.

Так влияют не только на внутреннюю архитектурно-планировочную организацию квартир их ориентацию, типоразмеры помещений, оборудование, размеры лоджий и балконов, оконных проемов, конструктивных элементов, но также на планировочную организацию околодомовых территорий, жилых групп с выходом на более крупные градостроительные структурные составляющие.

Наличие неблагоприятных климатических воздействий (повышенный ветровой режим, низкая влажность, выхолаживание зимой и перегрев летом, запыленность воздуха, снегонакопление внутри застройки) требует выработки архитектурных объемно-планировочных решений устраняющих или снижающих отрицательное воздействие этих факторов. По данным В.И.Смирнова (исследование проведено в градостроительных целях для г. Астаны) в 50% случаев отрицательного влияния природно-климатических факторов в Северном Казахстане может быть устранено архитектурно-планировочными средствами (39,88%). Это указывает на то, что архитектурно-планировочным средствам принадлежит ведущая роль в повышении комфортности жилой среды в регионе.

С целью определения путей дальнейшего совершенствования типологии жилища в местных условиях, проведены натурные обследования, анкетирование, пилотажный опрос жителей, проживающих в наиболее распространенных типовых домах городов Костаная. Результаты обследований показали, что многие серии эксплуатируемых индустриальных домов не по всем параметрам отвечают особенностям местных климатических условий. На это также обращают внимание ряд исследований архитекторов и климатологов, они отмечают, что местные климатические особенности Северного Казахстана должны найти отражение и в типологии жилищ. Так, А.А. Гейбович указывает: «Недоучет при типизации проектных решений сильных, имеющих постоянное направление зимних ветров в Костанае»и в ряде других мест приводит к резкому ухудшению микроклимата жилых помещений, температура в которых при их ориентации на наветренную сторону нередко снижается до 10-12°С.

На это указывают и натурные наблюдения - так, переохлаждение отмечается в домах серии 1-464,постройки начала 60-х годов. Особенно на первых и пятых этажах. Наличие входных тамбуров не всегда спасает от переохлаждения, во время сильных морозов отмечаются случаи замерзания и выхода из строя радиаторов центрального отопления на первых этажах подъездов. В домах г. Костанаязафиксировано два случая за зиму 1996-97 гг.. Это, в основном, объясняется низким качеством исполнения наружных дверей, отсутствием уплотнителей притворов, а также несовершенством конструкции тамбуров.В некоторых домах применяются оконные блоки без форточек, что в данных климатических условиях недопустимо, так как приводит к переохлаждению жилых помещений. Жители дома самостоятельно меняют конструкцию окон, устраивая форточки.

Широкое распространение получило самостоятельное остекление лоджий 80-90%. Причем на фасаде одного дома можно встретить различные конструкции и конфигурации этих остеклений, нарушающих восприятие объема, ухудшающих эстетические качества строений. Кроме того, часть этих конструкций не отвечает условиям повышенного ветрового режима, сильного напора воздушного потока до 20-80 м/сек и представляет опасность для людей в случае их разрушения. Запрещение остекления лоджий на практике не действует, и, по-видимому, не желательно, так как данные опроса показывают на то, что желающие остеклить лоджии составляют порядка 90-98% от общего числа проживающих. Мотивируется это защитой от ветра, без которой невозможно создать условия для отдыха, озеленения и сушки белья. Данные последних исследований теплотехнического режима остекленных лоджий показывает, что расходы на их остекление окупается за 7-10 лет эксплуатации.

Низкое качество столярных и пластиковых изделий (оконных рам, балконных и наружных дверей), герметизация стыков оконных блоков, их низкое сопротивление воздухопроницаемости составляет львиную долюэксплуатационных потерь тепла панельных домов (до 70%) в условиях повышенного ветрового режима г. Костанай. В зависимости от ориентации здания относительно господствующего направления ветра эти потери могут возрастать.

В связи с этим в последнее время усилилась критическая оценка теплотехнических качеств жилых зданий. Одним из путей направленных на повышение тепловой эффективности жилых зданий, видится в разработке конкретных архитектурно-планировочных приемов, учитывающих аэродинамические процессы взаимодействия воздушного потока и жилого здания.

Существенное снижение тепло потерь обеспечит совершенствование конструкций оконных проемов, обоснованное уменьшение их площади. Исследования, проведенные ЦНИИЭП жилища отмечают: "В районах с суровым климатом и значительными скоростями ветра тепло потери через окна и расход тепла на нагрев инфильтрирующегося воздуха достигает 70 и более процентов общих тепло потерь зданием. При этом теплозащитные свойства стен обесцениваются, а условия теплового режима диктуются размером световых проемов. При низких наружных температурах и больших скоростях ветра, температура на остекленных поверхностях становится отрицательной, что приводит к образованию наледи на окнах и резкому ухудшению теплового и светового режима, гак как существенно возрастает "отрицательная радиация" на холодную поверхность окна, а освещенность помещения снижается". Опросы показали периодическое присутствие наледи каждую зиму на оконных стеклах во всех действующих типовых домах. Наледь, как правило, устанавливается при температуре -20°С. В особо морозные годы, которые отмечаются в Костанае раз в каждые 2-3 зимы, наледь образуется не только на внешних стеклах двойного остекления, но и на внутренней стороне стекол обращенных в жилые помещения. Натурные обследования жилых помещений квартир выходящих на наветренную сторону показывают, что жители вынуждены проводить расстановку мебели в соответствии с учетом сквозняков и холода поступающего от окон.

Спальные и рабочие места относят в глубину комнаты, подальше от оконных проемов, тем самым не используется благоприятное в отношении естественной освещенности зоны комнат. Нарушаются приемлемые функционально-планировочные принципы зонирования квартир.

Данные исследований ЦНИИЭП жилища по снижению площади оконных проемов действующих типовых проектов (в соответствии с требованиями СНиП РКП-А.8-72 "Естественное освещение") показывает, что применение таких окон может дать уменьшение расхода тепла в жилых зданиях на 13-18%. Реализация в строительстве окон уменьшенного размера в регионе Северного Казахстана даст значительный экономический эффект и существенно повысит тепловой комфорт жилых зданий.

Повышение теплового комфорта жилища приведет не только к снижению затрат на отопление, но снизит и общие эксплуатационные затраты по другим пунктам,Так как архитектурно-планировочные и конструктивные недостатки, приводящие к переохлаждению помещений, компенсируются жителями использованием электрообогревательных приборов, иногда кустарного производства. Примерно 80% жителей прибегают к использованию электрообогревательные приборы хотя бы раз за зиму. 30-40% пользуются ими постоянно и 50% пользовались периодически. По данным НИИ энергетики, в республике наблюдается неуклонный рост городского коммунально-бытового энергопотребления, который объясняется не только естественным ростом насыщенности квартир электробытовыми приборами.

Типологические особенности, отражающие специфику местного климата должны найти отражение и на планировке крупных жилых образований: жилых групп, микрорайонов и т.д. И это в первую очередь касается аэрационного режима. В.К. Лицкевич отмечает: "В сложных физико-географических условиях (активная пыле-ветровая деятельность, снегозаносы, сильноеветроохлаждение и т.д.) неблагоприятными направлениями считать такие, со стороны которых дует ветер с повторяемостью более 10% (от годового хода).

В Костанае показатели повторяемости ветра по юго-западному направлению почти повсеместно составляют 20% и более от годового хода, а в холодный период (за январь) в Петропавловске - 44%, Костанае - 28%, Джетыгаре - 34%, Тургае - 32%, Кокчетаве - 40%, Астане - 30%, Павлодаре 26%, а с учетом соседствующих румбов 50% и более. И при этом в существующей практике строительства и типологии жилища этот фактор должным образом не учитывается. Свободный принцип планировки жилых образований, используемый в южной части страны, широко применяется и в Костанае. Натурные обследования показывают, что принцип свободной планировки совершенно не отвечает местным условиям. В такой застройке в местных условиях складывается неблагоприятный аэрационный режим. На некоторых участках застройки скорость ветра в 2-3 раза превышает скорость ветра на свободном от застройки пространстве. Такая застройка представляет из себя территорию с участками, на одних снегоотложения высотой 1-2 метра, на других снег не удерживается из-за мощного воздушного потока. Попытки регулирования аэрационно-ветрового режима застройки с помощью архитектурно-планировочных приемов носят эпизодический характер.

В архитектурной типологии массового жилища городов Северного Казахстана также не отражено широко распространенное явление снегопереноса. Согласно СНиП РКснегоперенос в объемах 200-600 м3/п. м. должен учитываться в архитектурно-планировочных решениях застройки (92). Известно, что при заносах, превышающих значения 150-200 м3/п.м. невозможно нормальное функционирование города и его составляющих элементов без организации систематической уборки снега. Например, в Восточной Сибири на снегоуборку при снегопереносе 100 м3/п.м. расходы составляют 90000-125000 рублей с I га улиц (62) (данные на 2013 г.). Приведенная в работе В.М.Михеля и А.В.Рудневой карта объемов переносимого снега за зиму при метелях относит территорию г. Костанай к максимальным У1-УП районам снегопереноса в стране 600-1500 м3/п.м., чему способствует ветровой режим, характер подстилающей поверхности, рельеф и растительность (52). Учитывая, что Северный Казахстан относится к максимальным по проявлению районам метелевой деятельности и снегопереносу, требуется особо отметить влияние этих факторов на состояние жилой среды городов региона. В настоящей же практике отсутствуют рекомендации по учету снегоотложений даже для простейших наиболее применяемых планировочных решений жилой застройки. Отсюда, наибольшее распространение получили планировочные решения жилой застройки, в которых возникают постоянные снегозаносы в зонах транспортных и пешеходных коммуникаций около жилых домов, для поддержания которых в рабочем состоянии используется дорогостоящая техника и ручной труд.

Вторым, по экстремальности климатических проявлений, периодом в Северном Казахстане является лето. Учету подлежат различные климатические факторы, воздействие которых должно быть отражено в типологии жилища. К ним относятся: перегрев, избыточная солнечнаярадиация повышенный ветровой режим при низкой влажности в дневные часы, запыленность воздуха.

По данным опросов около 40% квартиросъемщиков показали, что испытывают неудобства от избытка прямого солнечного облучения (перегрев, выцветание обоев, мебели, линолеума и др.) и высказывались за необходимостьприменения солнцезащитных устройств. Это подтверждается исследованиями на макетах, которые показали, что необходимость в солнцезащитных устройствах возникает в комнатах ориентированных на запад, юго-запад и юго-восток, так как в эти часы солнце имеет относительно небольшую высоту над горизонтом - 30° и менее, практически все помещение указанной ориентации подвергается прямой солнечной радиации на полную глубину. В настоящей практике часто нарушается принцип ориентации домов имеющих I и 2-комнатные квартиры односторонней ориентации. Так, в крупноблочном доме серии 439, в однокомнатной квартире ориентированной на запад летом создаются напряженные условия от перегрева со второй половины дня температура поднимается до 32-38°С. В другом районе (КБЖИ г.Костаная) застройки конца 60-х годов, такие нарушения в ориентации отмечены в 20% от общего числа одно- и двухкомнатных квартир односторонней ориентации (рис.1.3). Для создания нормального температурного режима в комнатах таких квартир необходимо оборудовать их солнцезащитными устройствами (сектор 200-280°) и исключить возможность расположения таких квартир с ориентацией на запад и юго-запад. Солнцезащитные устройства являются наиболее эффективным средством борьбы с перегревом возникающим от избытка прямой солнечной радиации, при минимальных затратах оно способствует снижению температуры днем на 3-4°С (24,46,55).

В данном случае возникает возможность использования архитектурно-планировочных способов (функциональное зонирование квартир) для понижения влияния перегрева на человека, то есть найти правильные соотношения ориентации комнат дневного и ночного пребывания. Те комнаты, которые подвержены перегреву от избытка прямой солнечной радиации в дневные часы, отводить под спальни. Общие комнаты и кухню ориентировать на противоположную сторону, так как основная нагрузка по их использованию приходится на дневные часы. Предусмотреть планировочную связь спален с внешней средой в ночные часы, так как они являются наиболее комфортными с точки зрения температурного и ветрового режима (ночные скорости ветра летом в 2 и более раза ниже дневных). Таким образом, для обеспечения наиболее комфортного состояния микроклимата квартир, необходимо обеспечить следующие режимы их эксплуатации: у инсолируемых стен (западной, юго-западной и южной ориентации) днем - изолированный, ночью - открытый; у неинсолируемых стен - открытый. Так как в летний период в Костанае возможны резкие изменения погодных условий (пыльные бури, вспышки атмосферной засухи, суховеи и пр.), городское жилище должно быть обеспечено возможностью быстрого перехода от открытого режима эксплуатации к закрытому, позволяющей гибко реагировать на состояние внешней среды. Все типы городского индустриального жилища должны обеспечивать сквозное или угловое горизонтальное проветривание.

Следующим, подлежащим учету климатическим фактором летнего периода, является повышенная запыленность воздуха, опасность возникновения пыльных бурь, низкая влажность воздуха. Все эти явления взаимосвязаны, так пыльные бури, поземки и суховеи, как правило, возникают и наиболее активно проявляются в засушливые годы, А отдельные исследователи прослеживают их прямую зависимость с проявлениями атмосферных засух.

Основным источником повышенного содержания пыли в воздухе является сельскохозяйственная деятельность. Этому способствует как ряд климатических факторов, так и большая распаханность почв с легким механическим составом, которые подвержены дефляции при незначительных скоростях ветра. В среднем многолетним за май, июнь и сентябрь по районам Костаная суммарно отмечается 21-36 дней с ветроэрозийной погодой для почв с легким составом.

Это составляет 23-40% от общей продолжительности данных месяцев. Ясно, что при такой продолжительности ветроэрозийных типов погод необходимо применять защитные меры, которые включают: обработку полей по почвоохранным технологиям, формирование лесополос, обводнение и озеленение территорий, рекультивацию. Исходя из того, что главным источником запыленности воздуха являются сельскохозяйственные угодья, то наибольший эффект в борьбе с эрозией почв и снижению запыленности среды можно достичь в непосредственных очагах ее возникновения. Здесь интересен опыт других стран, находящихся в сходных климатических условиях. Так, в равнинной части Канады, как правило, обработка почвы ведется перпендикулярно господствующим ветрам. Во многих случаях это направление не совпадает с длинными сторонами полей, а идет поперек или по диагонали участка, что заметно снижает выработку при обработке. Однако, канадцы сознательно идут на это (108) хотя вопросы применения почвоохранных технологий в сельском хозяйстве находятся вдалеке от задач архитектурной типологии жилища, но в прямую связаны с состоянием микроклимата жилой среды, уровнем запыленности воздуха в городах региона.

Экологические вопросы становятся все более актуальными и от их решения в большой степени зависит благоприятная санитарно-гигиеническая ситуация в городах. В силу природно-климатических особенностей Северного Казахстана источники промышленного загрязнения воздуха оказывают влияние на большие расстояния. Из космоса наблюдают инверсии от промышленных объектов протяженностью в сотни километров (Вермаковская ГРЭС, Рудненский ССГОК). Напряженная экологическая ситуация складывается в районах интенсивной добычи полезных ископаемых, ведущихся преимущественно открытым способом. К ним в первую очередь относятся Павлодар-Экибастузкий топливно-энергетический комплекс, Костанай-Лисаковский железорудный бассейн. Так как в этих районах ведется значительная часть жилищного строительства, необходимо строго подходить к выбору и размещению новых селитебных территорий и в первую очередь с позиции экологической безопасности.

Следующим существенным источником вызывающим запыленность воздуха как показали обследования являются пустующие неблагоустроенные территории в самих городах и наличие дорог с грунтовым покрытием в городской черте или непосредственной близости до 5 км. Устранение этих источников пыльных инверсий в прямую связана с благоустройством города, озеленением и обводнением территорий. Значение озеленения для климатических условий Костаная трудно переоценить, именно в озелененных благоустроенных районах города состояние микроклимата жилой среды в летнее время близко к комфортному и не в такой степени зависит от изменения погодных условий (суховеев, атмосферных засух, залыленности). В районах новостроек изменение погодных условий моментально отражается на состоянии микроклимата жилища.

Для улучшения микроклимата квартиры и околодомовых территорий необходимо проводить мероприятия по озеленению. Озеленение у инсолируемых фасадов жилых домов позволит значительно понизить влияние прямой и отраженной солнечном радиации до 50% на первом этаже и до 10-15% на пятом. У защищенных зеленью стен складывается благоприятный микроклимат, температура воздуха здесь в среднем ниже на 4-5С°, чем у незащищенных стен. Повышается также и влажность воздуха. Максимальная из температур, полученных в ходе натурных обследований стен юго-западной и западной ориентации отмечалась в июле в 17 часов и равнялась 52-58°С. Следует отметить, что условия произрастания зелени (деревьев и кустарников) у инсолируемых фасадов наиболее затруднены и могут производиться только при организации систематического полива. У северных фасадов условия произрастания несколько лучше, но и здесь необходим полив. В условиях города Костаная указанные мероприятия позволяют в достаточной степени защититься от влияния запыленности и низкой влажности воздуха не прибегая к дорогостоящим мероприятиям связанным с изменениями отдельных конструктивных элементов зданий, применением технических средств (кондиционеров). Так, отрицательное влияние атмосферных засух и суховеев сводится на нет в благоустроенных и озелененных кварталах городов.

1.2 Учет национальных и бытовых особенностей при строительстве

Опрос жителей указал еще на некоторые функциональные недостатки, которые должны быть учтены при разработке рекомендаций по совершенствованию типологии городского индустриального жилища.

В связи с большой продолжительностью холодного периода (до 6 месяцев). У всех членов семьи имеется большое количество предметов зимней верхней одежды (шубы, сапоги, валенки, унты и многое другое). Поэтому в анкетах высказывается требованиепо устройству отдельных шкафов для хранения и сушки одежды (что не предусматривает СНиП для IB климатического подрайона). Исходя из того, что площадь прихожих должна обеспечивать возможность одевать верхнюю зимнюю одежду одновременно двум взрослым и ребенку. Указанное число (2 + 1) является одним из наиболее часто встречающимся вариантом для всех типов семей в процентном отношении.

Обзор существующего положения в области жилищного строительства был бы неполным, если не остановиться на новых тенденциях в индивидуальном городском строительстве. В последнее время этот сектор переживает бурное развитие. Например, в г.Костанае за последние 5 лет освоено около150 га территорий под индивидуальную застройку. К сожалению, качество этой застройки оставляет желать лучшего, как в градостроительном плане, так и на функционально-планировочном уровне самого дома. Коротко остановимся на основных недостатках. Строительство ведется, как правило, по типовым проектам совершенно не адаптированным к местным условиям. Характерные недостатки - сложный, изрезанный план, отсутствие компактности, малая ширина корпуса, большая площадь поверхности наружных стен, неправильное расположение сооружений на участках, полное отсутствие учета основных климатических факторов при функционально-планировочной организации внутреннего пространства сооружения и многое другое.

В процессе анализа анкетного опроса жителей определились и другие проблемы, которые также необходимо учитывать при определении типологических черт городского жилища региона, К ним относится национально-бытовой уклад жизни традиционной казахской семьи, их социально-демографическая структура. Основной особенностью является наличие больших и сложных по составу семей. Так, в целом по Казахстану семьи 5-7 человек составляют 32,4% от общего числа (1,101). Данные опроса показали, среди городского населения Северного Казахстана процент больших семей ниже и составляет 15-18%. Существующая номенклатура по типам квартир обеспечена только 4-, 5-комнатными квартирами. Отсюда множество случаев объединения квартир различной комнатности в пользовании одной семьи. Данные социально-демографического анализа очередников показывают на острую нехватку многокомнагных квартир. Наличие и распространенность сложных семей казахов (3 и даже 4 поколения) объясняется устойчивыми национально-бытовыми связями внутри семей, нежеланием стариков жить отдельно от детей, где они традиционно пользуются уважением и авторитетом.

Следующим характерным аспектом, требующим учета на планировочном уровне организации жилой ячейки являются постоянные традиционные связи среди родственников. То есть в семье часто постоянно проживают родственники, не состоящие в прямом родстве, к которым определение как гостей тоже не подходит. Ими, как правило, являются люди из числа родственников проживающих в сельской местности (около 70% городских семей имеют подобные тесные связи с родственниками из села). Таким образом, средняя городская семья казахов имеет в своем составе три поколения прямых родственников плюс родственники из села. Эти особенности также должны в перспективе учитываться на типологическом уровне, то есть квартира представляемая для семьи со сложным составом численностью 7 и более человек (средняя модель - муж, жена, трое детей, родители жены или мужа) должна иметь в своем составе кроме установленных норм небольшую комнату (спальню) для гостевых целей.

Таким образом, обобщая перечисленное выше нужно отметить, что современное массовое городское жилище используемое в строительстве городов региона не учитывает некоторые функциональные особенности быта казахской семьи и в первую очередь семей сложных по составу (до 18% от общего числа). К этим требованиям можно отнести:

увеличение площади общей комнаты, не менее 25 кв. м;

обеспечение функциональной связи общей комнаты с кухней;

включение в состав квартиры гостевой комнаты, в квартирах для проживания семей со сложным составом.

1.3 Учет ветровых нагрузок при строительстве и защита зданий от ветра

Территория СНГ имеет множество регионов где годовые, сезонные и среднемесячные показатели скорости ветра превышают оптимальные показатели. Такие регионы расположены во всех климатических районах от юга до Крайнего Севера, В стране накоплен определенный опыт в организаций ветрозащиты с помощью архитектурных и других средств. Как показывают исследования роль архитектурно-планировочных и градостроительных средств является наиболее весомой, а зачастую единственно возможной в организации ветрозащиты жилой среды.

Большой вклад в разработку этой проблемы внесли институты ЦНИИЭП жилища, ЦНИИП градостроительства, НИИСФ и др. Так, ЦНИИП градостроительства разработал руководство по регулированию ветрового режима жилой застройки, вкоторой рассматриваются варианты группировки жилых зданий различной конфигурации с целью ветрозащиты.

Для оценки эффективности ветрозащиты территорий использовался график А.В. Яковлева (113). Показателем суровости биотермических условий является отношение гигиенически допустимых условий к холодным в процентах. Критерием суровости служит ее 20%-ная вероятность. При анализе ветрового режима Северного Казахстана использовалась карта-схема распределения скоростей ветра на высотах 100 и 200 м М.В. Завариной.

Интересен опыт зарубежных авторов рассматривавших вопросы аэродинамики жилой застройки Х.Эванса и В.Шарана, Х.Эванс исследовал образование заветренных областей зданий при различных направлениях ветра.

Хороший эффект с точки зрения ветрозащиты достигается при применении смешанной разноэтажной и среднеэтажной высокоплотной застройки. Примеры такой застройки рассмотрены в работах С.Д.Дарбиняна, В.А.Карамышева, А.Сабитова, В.И.Смирнова.

В архитектурно-строительной практике имеются интересные реализованные проекты ветрозащитной застройки жилых районов. К последним наиболее удачным можно отнести общественно-жилой комплекс в г.Мурманске. Здесь использовалась замкнутая сотовая система застройки. Эксперименты авторов по продувке макета застройки в аэродинамической трубе показали снижение скорости ветра на внутри дворовых территориях в 2-3 раза по сравнению со свободными от застройки территориями. Детские учреждения удачно расположены на защищенных от ветра участках (рис.1.6). Данная застройка близка к сотовой системе застройки, которая почти исключает аэрацию застройки со всех направлений. Это неприемлемо для региона Северного Казахстана, где необходима защита только со стороны ярко выраженных господствующих направлений ветра и необходимо проветривание застройки, особенно в летнее время.

Следующий из рассматриваемых примеров организации ветрозащитной застройки микрорайон Северный - 5 в г. Новосибирске. Здесь применена полузамкнутая система застройки с использованием поворотных блок-секций (угол 135°).Данная система дает высокие результаты по защите от господствующих здесь ветров и в тоже время не закрыта полностью для проветривания, исключает образование застойных зон и связанную с ней загазованность жилых территорий. Нужно отметить удачное расположение детских и школьных учреждений как по пешеходной доступности населению микрорайона, так и по ветрозащите их территорий. Указанное планировочное решение позволило полностью исключить образование зон с повышенными скоростями ветра на территории микрорайона.

1.4 Опыт строительства зданий повышенной этажности в странах СНГ и за рубежом с учетом резко континентального климата

Интересен опыт организации жилой застройки в условиях Центрального Казахстана, где климатические характеристики в летнее время сходны по ряду факторов с территорией Северного Казахстана. Различие заключается в степени воздействия, направлении и сезонности господствующих ветров. Архитектурно-планировочные предложения для данной зоны, разработанные В.Н.Карамышевым сводятся к тому, что в условиях полупустыни и жесткого пыле -ветрового режима требуется защита придомовых я внутри дворовых пространств. Состояние микроклимата этих пространств напрямую отражается на состоянии микроклимата жилища. Им предложена новая планировочная организация жилой группы жилой двор типа "дом-блок" Где небольшой двор имеет замкнутую или полузамкнутую планировочную структуру, защищен от прямого воздействия господствующих ветров и предельно насыщен элементами благоустройства (озеленение, мощение тротуаров и проездов, малые архитектурные формы, теневые навесы, фонтаны, плескательные бассейны и др.). Все это значительно повышает гигиенические характеристики микроклимата придомовых территорий и сглаживает влияние отрицательных воздействий местного климата (суховеев, запыленности, пониженной влажности). В работе также предлагаются примеры застройки жилых кварталов и различные схемы их планировочной организации (сотовые, блочные, ленточные).

Учету влияния природно-климатических факторов Центрального Казахстана на состояние жилой среды посвящена работа С.Д. Дарбиняна, где обосновывается ввод в застройку ветрозащитного, протяженного, галерейного жилого дома. В работе также проведен анализ причин запыленности воздуха селитебных территорий городов региона.

Предлагается гигиеническая характеристика квартир по уровню запыленности.

Большое внимание организации ветрозащиты в летнее время уделено в работе 3.А.Вавиловой, где также предложены различные планировочные варианты в условиях повышенного пыле-ветрового режима Средней Азии. Особенностью этой работы, можно отметить подробнейшее изучение климатических факторов для последующего решения архитектурно-типологических задач.

Можно отметить также работы зарубежных архитекторов,жилой комплекс Кунгсмаркен в г.Карлсруна (Швеция), Здесь используется криволинейная застройка образующая территорию, защищенную от господствующих ветров.

Выводы по главе I

В результате анализа демографических прогнозов статистических данных последних лет установлено, что регион города Костанай характеризуется стабильным ростом городского населения, превышающим средние республиканские показатели. Установлено, что основная доля роста городского населения приходится на областные и горнодобывающие центры, на основе которых создаются предпосылки формирования будущих агломерационных систем. Прежде всего это Костанай-Лисаковский железорудный бассейн (г.Костанай, Рудный, Лисаковск, Джетыгара, Качар, Куш-мурун).

Данными натурных обследований и анкетного опроса жителей установлено, что индустриальное городское жилище на существующем уровне не соответствует местным условиям по ряду факторов:

на организационно-планировочном уровне жилой ячейки, квартиры;

на уровне планировочной организации жилых групп;

не соответствует по ряду показателей социально-демографической ситуации в регионе;

не отражает специфики национально-бытового уклада жизни традиционной казахской семье.

Предпосылками формирования архитектурно-типологических черт массового жилища в рассматриваемых условиях являются:

учет разнообразных природно-климатических факторов, оказывающих отрицательное и положительное влияние на состояние жилой среды;

учет местных социально-демографических и национально-бытовых условии, оказывающих влияние на архитектурно-планировочную организацию жилой среды;

наличие прогрессивных проектных решений в организации жилой среды в сходных условиях, на основе отечественного и зарубежного опыта,

4. Анализ существующего состояния жилой среды приведенный в гл.1 показывает, что недоучет природно-климатических факторов является основной причиной несоответствия индустриального массового жилища местным условиям. Установлено, что повышенный ветровой режим и его сочетания с другими факторами является решающим агрессивным фактором, снижающим санитарно-гигиенические качества жилой среды в целом. Отсутствие в научной литературе исследований климата столь обширного региона, проведенного в архитектурных целях, указывает на необходимость проведения подробного анализа комплекса природно-климатических факторов, влияющих на состояние жилой среды.

ГЛАВА 2. Анализ природно-климатических условий города костаная, оказывающих воздействие строительство зданий повышенной этажности

2.1 Физико-географическое положение

Казахстан расположен почти в центре Евроазиатского континента на значительном удалении от мировых океанов. Это обуславливает преимущественно резко континентальный характер его климата. Северный Казахстан, соответственно своему названию расположен на севере республики и занимает 1/5 часть ее территории. Протяженность Северного Казахстана с севера на юг порядка 750 км и с запада на восток 1250 км. Широтные координаты крайних населенных пунктов составляет: Петропавловска Ш 54°50', Тургая Ш 49°38' и координаты долготы - Джетыгара Д 61°14', Щербакты Д 71°20'. Географические координаты города Костаная: широта 53°10', долгота 63°35'. По площади Северный Казахстан приблизительно равен Украине.

Характер рельефа Северного Казахстана - равнинный. Крайнюю северную часть его занимает юг Западно-Сибирской низменности, которая полосой примерно в 200 км протянулась от Южного Урала до Алтая, а юг занимает северная пониженно равнинная часть Казахского мелкосопочника. Кое-где встречаются сильно разрушенные, выветренные останцевые горы (Кокчетавские и на юго-востоке Барнаульские), которые занимают малую, незначительную территорию региона. По большей же территории Северного Казахстана простираются равнинные степи - Тургайской столовой страны, Тоболо-Ишимской и Иртышской озерно-аллювиальной равнины. Рельеф имеет слегка наклонное повышение от севера к югу и к юго-востоку. Центральный Казахский мелкосопочник пересекая Казахстан с запада на восток является водоразделом между бассейном Северного Ледовитого океана и внутренним бассейном и, в некоторой степени, климаторазделом между севером и югом республики.

В книге А. С. Угешева "Климат Казахстана" (36) описаны три природно-климатические зоны Северного Казахстана - лесостепная, степная или зона умеренно-влажных степей и полупустынная или зона сухих степей. Лесостепная климатическая зона занимает сравнительно небольшую территорию Северного Казахстана в виде отдельных районов, особенностью которых является наличие небольших березово-осиновых рощ. Эта климатическая зона наиболее обеспечена влагой, но и здесь испаряемость превышает атмосферные осадки в 2-3 раза. Степная климатическая зона отличается еще большей испаряемостью в летний период, которая превышает осадки в 3-7 раза. Южная граница степной зоны близка к годовой изолинии продолжительности солнечного сияния 2500 часов. Поверхность лесостепной и степной природно-климатических зон покрыта степным разнотравием: ковыль, типчак, житняк сибирский, тырса, полынь и др. Полупустынная природно-климатическая зона (зона сухих степей) занимает юг Кустанайской области и юго-восток Павлодарской области. Рельеф равнинный с пологими сопками, солончаково-луговыми комплексами по озерным котлованам.

Таким образом, обобщая физико-географические характеристики города Кустаная, нужно отметить следующие:

- рельеф преимущественно равнинный, степной;

- растительность - степноеразнотравие: полынь, ковыль, типчак, житняк сибирский, тырса и др., слабая лесопокрытосгь, усложненные условия для искусственного озеленения;

- почвы - среднегумусные черноземы, на юге региона темно-каштановые, большинство почв по механическому составу относится к эрозийно опасным, преобладают просадочные грунты.

2.2 Анализ и определение региональной специфики местного климата

В связи с тем, что климат города Костаная отличается континентальностью, он значительно отличен от климата других районов страны, расположенных на тех же широтах. Его отличает более суровая продолжительная зима (почти шесть месяцев), короткое жаркое лето с преобладанием ясных дней, большая сухость, изменчивость температуры воздуха и повышенный ветровой режим, что безусловно влияет на условия строительства.

Радиационный режим. Расположение города Костаная в умеренных широтах (Ш 49-55°) в центре материка, характер циркуляционных процессов, особенности подстилающей поверхности, обусловливают незначительную облачность в течение года, определяют высокие значения притока солнечной радиации на его территорию. В Кустанае солнечное сияние на 300-400 часов продолжительней, чем в Москве. Средняя дневная продолжительность сияния для Кустаная - 5,5 часов, Павлодара - 6,5. Это говорит о больших возможностях гелио-архитектуры в этом регионе (36).

Для оценки радиационного режима использованы принятые единицы измерения Q - суммарной, S - прямой и D - рассеяной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность. Следует отметить, что суммарные значения прямой солнечной радиации в Костанае довольно значительны (табл. 2.1).

Таблица 2.1 Число часов солнечного сияния

Годовой приход прямой солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе для Северного Казахстана составляет 110-115 ккал/см2, рассеяной 26-32 ккал/см2.

При реальных условиях облачности годовой приход суммарной солнечной радиации колеблется в пределах 105-125 ккал/см2. Доля прямой радиации в суммарной достаточно велика: в теплое полугодие она составляет 55-70; холодное 20-55%. В годовом ходе максимум месячных сумм суммарной и прямой радиации приходится на июль (16-21 ккал/см2 - суммарная, 10-16 ккал/см2 - прямая).

Избыточные поступления тепла, вызывающие перегрев бетона строящегося жилья в летние месяцы, отмечаются по юго-западному и западному румбам и приходятся на 15-17 часов от прямой солнечной радиации. Для учета прихода количества тепла поступающего от солнечной радиации в архитектуре жилища, необходимо представлять распределение его поступлений на горизонтальную, так и на вертикальные поверхности различной ориентации.

Таблица 2.2 Амплитуда между абсолютными минимумами и максимумами температур воздуха для Астаны

Температурный режим территорий города Костаная находится в сложных условиях циркуляции атмосферы. Воздушные массы проникают на его территорию с Атлантического океана, Арктики, Сибири, Ирана и южных областей Средней Азии, Влажный морской воздух Атлантики приносит осадки и вместе с ним повышение температуры зимой и понижение летом. Из Арктики поступает менее влажный и холодный воздух. Зимой он приносит жестокие морозы, весной арктические массы вызывают снегопады и поздние заморозки, чреватые гибелью цветущих растений даже в начале июня. Влияние континентальных воздушных масс Сибири чаще ощущается с декабря по февраль и сопровождается суровым похолоданием.

Из Ирана и Средней Азии поступают воздушные массы, отличающиеся сухостью и высокой температурой.

Сочетание этих факторов приводит к разнообразию температурных условий, которые характеризуются большой контрастностью и резкостью сезонных месячных и межгодовых колебаний, значительной суточной и годовой амплитудой (табл.2.2).

Зима в Костанае снежная, продолжительная и холодная, в отдельные годы суровая, с морозами доходящими до -45 -50°С. Средняя температура января от -17 до -19 °С. Среднее число дней за год с температурой ниже -25°С составляет от 37 до 60 дней. В отдельные наиболее холодные годы отмечены периоды в 7-16 дней со среднесуточными температурами воздуха от -25°С до -41°С. В такие периоды отмечается выхолаживание помещений жилых и общественных зданий, массовый выход из строя отопительных систем (табл.2.3).

Таблица 2.3 Число дней с минимальными температурами воздуха для города Костаная

В зимние месяцы в Костанае возможны оттепели почти в половине зим. Они, в основном, связаны с выносом теплых воздушных масс из Средней Азии, когда температура поднимается до 0°С и даже +5°С. Континентальность подчеркивается значительными амплитудами между средними значениями температуры воздуха в январе и июле. Они составляют в Кустанае 38,2°С. Абсолютная амплитуда в Костанае достигает 85-91°С, значительных величин достигает и амплитуда между месячными максимумами и минимумами температур воздуха.

Одной из особенностей термического режима Северного Казахстана является быстротечность весны, изотерма 15° продвигается с севера на юг республики за 40 дней. Спад температуры воздуха осенью идет несколько медленнее.

Лето Костанае умеренно жаркое, короткое. Средняя температура июля колеблется от 18 до 21,1°С, возможны повышения температуры в отдельные дни до 35-40°С. Вероятность дней с температурой воздуха 40°С и более в невелика и равна 10-15%, то есть 1-2 раза за 10 лет, число дней с температурой выше 35°С - 1- 4 дня, а в отдельные годы 10-15 дней за лето. На территории Костаная, относящегося к IB и ША строительно-климатическим подрайонам, имеет место термический перегрев жилой среды (особенно в помещениях юго-западной и западной ориентации), что необходимо учитывать при проектировании и строительстве жилища в этом регионе.

Характерными также являются различия в суточном ходе температур воздуха, которые наиболее значительны в летний период. В июне-июле суточная амплитуда (данные на 01 и 13 часов) составляет 13-15°С, зимние значительно меньше 8,5-10°С. Летом ночные часы являются наиболее комфортными в отношении температурного режима.

Влажность воздуха. Костанай характеризуется большим разнообразием умеренно-засушливых и засушливо-суховейных типов погод. В таких условиях важно определение режима и суточного хода относительной влажности. Засушливые годы имеют высокую повторяемость (через 2-3 года) и характерны для всего Казахстана. Соответственно, засушливая погода, низкая относительная влажность отрицательно влияет на состояние и уровень комфортности жилой среды.

Среднегодовая относительная влажность воздуха на 13 часов для Костаная составляет 50-66%, в летние месяцы снижается до 55-60%.

Таблица 2.4 Годовая и среднемесячная относительная влажность воздуха, в 13 часов

Эпизодическая аномальная засушливость с резко выраженным дефицитом влаги может быть в атмосфере и на почве. Поэтому выделяют три вида засух - атмосферную, почвенную и при одновременном сочетаний под общим названием "засуха". Атмосферная засуха наиболее распространенная из видов засух и представляет собой по определению А.С. Утешева(36)"режим устойчивой ангициклональной погоды с высокими температурами". Атмосферная засуха достигает наибольшего гигротермического напряжения в дневные часы, а в отдельные дни достигает суховейного эффекта, когда дневные температуры превышают 30°С, а относительная влажность снижается до 10-15%. Среднее число дней с атмосферной засухой в теплый период доходит до 25% (табл.2.5). Ветровой режим в период засухи играет важное значение, преобладают засухи при юго-западных ветрах.

Таблица 2.5 Среднее число дней с атмосферной засухой

В дни с атмосферной засухой происходит снижение функциональных возможностей человека, снижается работоспособность, как на открытом воздухе, так и в помещениях. Частая повторяемость и большая продолжительность атмосферных засух требует учета ее влияния на микроклимат жилой среды, применения архитектурно-планировочных и технических средств защиты и повышения влажности, уходом за бетоном.

Ветровой режим. Для территории Костаная характерен повышенный ветровой режим.

Он во многом определяет дискомфортность местного климата, влияет на состояние микроклимата жилища и околодомовых территорий. В. И. Смирнов определяет, что на территории Северного Казахстана в 40% дней в году ощущается психофизический дискомфорт по условиям ветрового режима.

Поэтому в этом разделе подробно выделяется характер ветрового режима Костаная, его основные характеристики: скорость (м/сек), повторяемость по направлениям (%), а также явления связанные с ветровой деятельностью: пыльные бури, ветро-эрозийные процессы, метели, снегоперенос и др.

Ветровой режим в Костанае носит преимущественно материковый характер. Определяется он местными барико-циркуляционными условиями. В холодное время года складывается в основном под влиянием сибирского антициклона и, в частности, его западного отрога. Под его влиянием зимой в равнинной части преобладают юго-западные ветры. Они являются господствующими по отношению к другим направлениям и составляют 30-40% и более от общего числа случаев в зимнее время. Большие градиенты атмосферного давления обусловливают значительные скорости ветра. Наибольшие из среднемесячных скоростей, также отмечаются в зимние месяцы, особенно во второй половине зимы (феврале и марте). Так, в Костанае средняя скорость ветра по юго-западному направлению в январе составляет 9,5 м/сек.

Режим ветра в летний период резко отличен от зимнего. Среднемесячные скорости, в основном не превышают или равны 5 м/сек. Преобладают северо-западные, западные и северо-восточные ветры 20-25%. На территории Костаная, в условиях резкоконтинентального климата, хорошо выражен суточный ход скоростей ветра. Максимальные скорости наблюдаются в дневные часы в течение всего года (6-8 м/сек). Особенно отчетливо суточный ход прослеживается в летние месяцы, дневные скорости в это время в два раза больше ночных (табл.2.6).

Это временное улучшение комфортности погоды необходимо использовать при строительстве зданий повышенной этажности путем организации архитектурно-планировочной связи квартир с внешней средой в ночные часы.

Таблица 2.6

Средняя скорость ветра по срокам наблюдений в 01 и 13 часов

Годовая повторяемость ветров со скоростью 2-5 м/сек составляет 40-50%. Наибольшая вероятность слабых и умеренных скоростей ветра до 5 м/сек приходится на летние месяцы, а скорости 6-10 м/сек на холодное время года. Число дней с сильными ветрами более 15 м/сек довольно значительно и составляет от 30 до 66 дней. Вспышки сильных ветров со скоростью 40-42 м/сек, преимущественно отмечались в конце зимы или зимой, в остальные сезоны максимальные скорости ветра не превышали 35 м/сек(табл.2.7). Особенно сильно влияние ветров на открытой местности в 2-3 раза больше, чем в черте городов.

Сильные ветры наиболее вероятны при часто повторяющихся направлениях, слабые ветры характерны для румбов малой повторяемости.

Таблица 2.7 Максимальные скорости ветра по данным срочных наблюдений

М.Х. Байдал в исследованиях многолетнего хода вероятности ветра более 15 м/сек отмечает значительные колебания их вероятности. Если в третьей декаде января в Костанае вероятность возникновения сильного ветра равна 10-38%, то в пятидневке с 9-13 марта она возрастает до 52%. Эти данные получены по многолетним наблюдениям за период с 1916 по 1965 гг.

На общем температурном фоне зимы повышенные скорости ветра увеличивают суровость местного климата, способствуют выхолаживанию жилищ, снегопереносу,метелевым процессам. Если принять во внимание, что согласно исследованиям гигиенистов Института общей и коммунальной гигиены им. А.Н.Сысина, неблагоприятными являются следующие сочетания температуры воздуха и скорости ветра: -30°С и 1,5 м/сек, -25°С и 2,0 м/сек, -15°С и 3,5 м/сек, то можно отметить следующие: суровость климата Костаная в зимнее время в основном обусловлена напряженным ветровым режимом.

Продолжительная снежная и суровая зима в сочетании со значительными скоростями ветра способствует развитию метелевой деятельности. Частота и интенсивность метелей степень их продолжительности и суровость максимальны именно в Костанае. Метели вызывают перенос снега, способствуют образованию заносов. Аккумуляция снега внутри застройки создает дополнительные проблемы их функционированию - нарушает пешеходные связи, затрудняет подъезд специализированного транспорта, повышает затраты на уборку территорий.