CC BY
356
3/2011_МГСу ТНИК
АНАЛИЗ УКРАИНСКОГО СТАНДАРТА ПО РАСЧЁТУ
ИНСОЛЯЦИИ ДСТУ-Н Б В.2.2-27:2010
ANALYSIS OF UKRAINIAN STANDARD OF CALCULATING INSOLATION: ДСТУ-Н Б B.2.2-27:2010
O.B. Сергейчук O.V. Sergeychuk
Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Украина
Для расчета инсоляции обычно применяется метод инсоляционных линеек. Мы показываем, что в сложных ситуациях этот метод дает неудовлетворительные результаты. С 2011 года в Украине действует новый стандарт по расчёту инсоляции объектов гражданского назначения, который содержит более точные методы, использующие солнечные карты.
The method of insolation rulers is usually used for calculating insolation. In complex situations, this method gives poor results. Since 2011, Ukraine has a new standard for calculating insolation of civilian objects, which contains more accurate methods that use stereographic solar chart.
Постановка проблемы. С 1 января 2011 г. в Украине действует стандарт по расчету инсоляции объектов гражданского назначения [1]. В разработке этого стандарта приняли участие 27 специалиста из 10 организаций Украины, а также Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (ННГАСУ), среди которых 19 докторов и кандидатов технических, архитектурных, медицинских и биологических наук.
Необходимость разработки стандарта была обусловлена следующими факторами.
1. Наличием разных методов расчёта продолжительности инсоляции в проектной практике, которые нередко дают разные результаты.
2. Отсутствием законодательно закрепленных правил выбора расчетного метода в зависимости от сложности задачи.
3. Отсутствием метода, позволяющего определять возможную высоту и конфигурацию нового здания при условии сохранения инсоляционных норм в существующей застройке еще на стадии предпроектных работ.
4. Игнорированием проектантами вопроса оптимизации инсоляционного режима помещений не только с точки зрения выполнения санитарно-гигиенических инсоляционных требований, но и энергосбережения.
Сходные проблемы существуют в настоящее время и в России.
Анализ основных исследований. Расчет инсоляции помещений призван обеспечить попадание в объем помещений прямых солнечных лучей в соответствии с санитарными нормами [2-3]. Инсоляция может существенно повлиять как на санитарно-гигиенические показатели дома, так и на его энергоэффективность. Нормы по инсоля-
ции, которые действуют в настоящий момент как в Украине, так и в Росси, ориентируются на санитарно-гигиеническое значение инсоляции, которое обусловлено ультрафиолетовой частью спектра солнечного света (УФР). В солнечном спектре УФР не больше 4%. С другой стороны инфракрасная радиация (ИКР) составляет свыше 50% энергии спектра. ИКР может существенно повлиять на энергоэффективность здания, поскольку обеспечение поступления её в объем помещений зимой и блокировка избыточного поступления летом снижают нагрузки на системы отопления и кондиционирования дома.
Попытка нормирования методики расчета инсоляции была проведена в Московских строительных нормах [4], однако на сегодняшний момент эти нормы не действуют.
С точки зрения энергоэффективности именно проектированию светопрозрачных конструкций необходимо в настоящий момент уделять наибольшее внимание, поскольку они являются «дырами» в теплоизоляционной оболочке домов - их сопротивление теплопередаче больше чем в 5 раз меньше сопротивления непрозрачных конструкций [5,6].
Основная часть. Можно следующим образом сформулировать задачи проектирования светопрозрачных ограждений с точки зрения инсоляции:
1. В холодный период года - обеспечение максимальной длительности инсоляции.
2. В жаркий период года - минимизация длительности инсоляции, при обеспечении выполнения санитарных норм.
3. Проектирование солнцезащитных устройств (СЗУ), которые обеспечивают отсечение жарких солнечных лучей.
Основным инструментом расчета продолжительности инсоляции как при проектировании зданий, так и при проведении санитарно-гигиенической экспертизы проектов в настоящее время являются инсоляционные линейки. В соответствии с [2-3] для расчета инсоляции достаточно использовать инсоляционные графики для дня начала/конца нормативного периода инсоляции (для Украины - это 22 марта и 22 сентября), хотя инсоляция нормируется для всей летней половины года. Наличие над окнами балконной плиты или плиты лоджии часто приводит к фактическому нарушению норм инсоляции летом, хотя расчеты дают удовлетворительный результат. Что бы избежать нарушений в Украине поступили «мудро» - в государственных строительных нормах ДБН 2.2-15-2005 «Жилые дома. Основные положения» [7] ввели пункт 3.3, который категорически запрещал проектирование летних помещений перед окнами комнат, являющимися расчетными с точки зрения инсоляции!
Однако известен другой метод расчета на основе солнечных карт, который позволяет определять продолжительность инсоляции проектируемого дома в любой день года. Это дает возможность не только выполнять санитарно-гигиенические требования к инсоляции помещений, но и оптимизировать их инсоляционный режим с точки зрения энергосбережения.
Чем же отличаются эти методы расчета?
Инсоляционная линейка (рис. 1) - это проекция солнечной плоскости в дни равноденствия. Если солнечная плоскость пересекает противоположный дом, то это указывает, что этот дом затеняет расчётную точку (РТ). С помощью инсоляционной линейки очень просто определить время затенения [8].
Солнечная карта (рис. 2) - это проекция всего небосклона с нанесенными на него траекториями Солнца для каждого месяца и часовыми линиями. Если на такой карте
3/2011
ВЕСТНИК
_МГСУ
построить часть небосклона, наблюдаемую из РТ, то по такой теневой маске можно определить продолжительность инсоляции в любой день года [9].
Рис. 1. Схема, поясняющая метод расчета продолжительности инсоляции при помощи инсоляционной линейки
а - геометрический аппарат построения теневой маски противоположного здания: б - определение времени инсоляции
Рис. 2. Схема, поясняющая метод расчета продолжительности инсоляции при помощи солнечной карты
а - геометрический аппарат построения теневой маски светопроема; б - определение времени инсоляции
Расчет по солнечной карте более сложный, чем по инсоляционной линейке, однако он имеет на порядок большую информативность - здесь добавлено еще одно измерение - дни года.
На рис. 3 на солнечной карте для 50° с.ш. проанализирован инсоляционный режим комнаты без летнего помещения, с лоджией и с балконом. Во всех трех случаях продолжительность инсоляции в дни равноденствия значительная и удовлетворяет нормам. То есть, если делать расчёт по инсоляционной линейке, то нормы инсоляции выполняются. Однако при наличии летних помещений инсоляция в другие месяцы нормативного периода инсоляция полностью отсутствует. Это видно на солнечных картах. То есть фактически инсоляционный режим неудовлетворительный.
Другой случай - расчетная точка находится между двух высоких домов (рис. 4).
По инсоляционной линейке длительность инсоляции 2,5 часа, что удовлетворяет нормам, однако солнечная карта показывает, что нормы выполняются лишь в дни равноденствия.
Кстати, ловкое использование инсоляционной линейки для обоснования градостроительной возможности возведения новой застройки может привести к вопиющим ухудшениям условий жизни в существующих домах. На рис. 5 показан пример такой ситуации.
Рис. 3. Анализ инфляционного режима комнаты, ориентированной на юг при разных
видах летних помещении
а - без летнего помещения; б - при наличии лоджии; в - при наличии балкона над окном
Месяц Характеристики расчетной инсоляции Гигиенический норматив инсоляции
начало конец продолжительность
Ш;1Х 10— 13Ш 2— 2—
IV; VIII 10~ 12- 200 230
V; VII 1050 1240 150 230
VI 1035 1255 2— 230
Рис. 4. Расчет инсоляции точки, находящейся между двумя высокими зданиями а - по
методу инсоляционной линейки; б - по методу солнечной карты
3/2011
ВЕСТНИК
_МГСУ
СжирпКУ»бсмжа.
"I
Рис. 5. Пример значительного ухудшения санитарно-гигиенических условий квартир в существующем доме, при возведении новостройки, который стал возможен при использовании инсоляционной линейки для градостроительного обоснования
а - градостроительная ситуация; б - теневая маска комнаты в доме № 61а
В пятиэтажном здании № 61а по ул. Большой Китаевской в г. Киеве ряд квартир имеют одностороннюю ориентацию. Азимут окон А = 25°. Нововозведенный жилой квартал состоит из 16-25 этажных зданий № 8, 10, 12, 14а по ул. Саперно-Слободской и № 12, 14 по переулку Феодосиевскому. Эти здания находятся с северной стороны относительно здания № 61а. Горизонтальный угол затенения ними существующего здания составляет 277^120°.
Проект нового жилого квартала прошел все согласования (в том числе и санитарно-гигиеническую экспертизу) на основании того, что расчет инсоляции по инсоляционной линейке показал, что нормы инсоляции в квартирах существующего дома не выполняются даже при отсутствии новых зданий.
Но по солнечной карте видно, что до возведения новых домов квартиры инсоли-ровались с 6 марта по 7 октября. При этом с 25 марта по 19 сентября инсоляция после восхода Солнца составляла больше 1 часа, ас 17 мая по 27 июля квартиры имели нормативную продолжительность инсоляции. После возведения новых домов квартиры круглогодично совсем не инсолируются.
Еще одна проблема нормативной методики расчета. Продолжительность инсоляции помещения отождествляется с длительностью инсоляции РТ. Однако легко представить ситуацию, когда РТ не инсолируется, а солнечные лучи попадают в помещение, пересекая некоторую светопрозрачную граничную поверхность (ГП), которая ограничивает внутренний объем помещения. Поэтому невыполнение нормативных требований по методу РТ не всегда означает неудовлетворительный инсоляционный режим помещения. В этом случае окончательный ответ может быть получен путем определения времени инсоляции самой ГП, что бывает особенно важно при незначительном невыполнении нормативных требований при расчёте по методу РТ (рис. 6). В связи с этим в [1] разработана и приводится методика расчета инсоляции помещений по методу ГП.
Рис. 6. Сравнение результатов расчета продолжительности инсоляции помещения по разным методам
а - по методу расчетной точки; б - по методу граничной поверхности
Каждый метод имеет свои границы применения.
Метод инсоляционной линейки, как наиболее простой, в условиях Украины может быть применен для расчета продолжительности инсоляции комнат с прямоугольными окнами без затеняющих козырьков при высоте окна больше толщины стены. Для этих исходных условий положительный результат свидетельствует о выполнении в помещении санитарных норм по инсоляции, и расчет более сложными методами не обязателен. Он также может применяться как приближенный метод при предварительной оценке градостроительных возможностей площадки застройки - если по этому методу продолжительность инсоляции расчетных точек значительно (более чем на 1 час) меньше нормативной, то расчеты более сложными методами только подтвердят отрицательный результат.
Метод солнечной карты, как более универсальный, может быть применен для любых инсоляционных расчетов, а для помещений с непрямоугольными окнами и окнами с затеняющими козырьками, этот метод является обязательным. Его необходимо применять также при всех расчетах, связанных с энергоэффективностью. При этом расчет с использованием РТ оценивает достаточные условия инсоляции, а с использованием ГП - необходимые. Метод с использованием ГП, как наиболее сложный, целесообразно использовать в качестве проверочного метода лишь в тех случаях, когда расчет инсоляции с использованием РТ показал, что расчетная продолжительность инсоляции помещения незначительно (менее чем на 1 час) меньше нормативной.
Солнечные карты дают возможность не только анализировать инсоляционный режим помещений, но и определять максимально возможные геометрические размеры
3/2011
ВЕСТНИК МГСУ
новой застройки еще на стадии предпроектных разработок. Это показано на рис. 7. Сущность метода заключается в построении на солнечной карте для критических помещений теневой маски существующей застройки (показано более темной заливкой), а затем построении на этой же карте максимально возможной теневой маски проектного пространства (показано более светлой заливкой) и, наконец, построению по ней самого проектного пространства. Сложность задачи заключается в наличии очень большого количества ее решений. Но лучше это сделать еще до рабочих чертежей, чем потом переделывать их или иметь проблемы с санитарно-гигиенической экспертизой.
Рис. 7. Определение максимально возможных геометрических размеров новой застройки
а - построение максимально возможной теневой маски проектного пространства для текущей РТ; б - построение конической поверхности, ограничивающей максимальную высоту новой застройки для текущей РТ
На солнечной карте можно отобразить зоны перегрева и желаемого пассивного отопления помещений, превратив ее в комплексную солнечную карту, которая дает возможность анализировать энергоэффективность инсоляции (рис. 8).
Метод солнечных карт используется в большинстве стран мира как основной метод расчета продолжительности инсоляции, о чем свидетельствуют многочисленные публикации [10-17]. Сейчас не существует единых европейских норм по расчету инсо-ляционного режима помещений, однако немецкие и английские нормы рекомендуют применение солнечных карт [18,19]. Использование в проектных организациях и контролирующих органах Украины для анализа инсоляционного режима помещений лишь инсоляционной линейки является анахронизмом. Тем более это негативно проявляется в условиях ориентации экономики на максимальное энергосбережение и использование альтернативных источников энергии, объявленной в стране официальной политике интеграции в европейское сообщество. Все это потребовало разработать новый стандарт по расчету инсоляции объектов гражданского назначения.
■н-,чи шлмг.плн^ыпх
J m»HiTf fHlliift 'II iil iT.IHIfc
— l|>ld PF "il ■■ L'-.'J Kl II jl.l...... MllHltfl-H-11 II i10P (1Л|--1Т^1 ЩКДО^РМ^
Рис. 8. Комплексная солнечная карта для г. Киев
ДСТУ состоит из 11 разделов, и 5 приложений. Содержание разделов отражает основные вопросы, рассмотренные в настоящей статье. В качестве компьютерного метода расчёта продолжительности инсоляции стандарт рекомендует использовать программу "Lara", разработанную в ННГАСУ под руководством проф. Бахарева Д.В.
Выводы и перспективы дальнейших исследований. Новый украинский стандарт по расчету инсоляции усовершенствует методы расчета продолжительности инсоляции. Следующим этапом будет разработка стандарта по проектированию и расчету солнцезащитных устройств.
Однако расчет лишь продолжительности инсоляции не соответствует современным возможностям учета воздействие солнечной радиации на микроклимат помещений. Необходимо переходить на нормирование количественных показателей инсоляции как с точки зрения санирующего действия, так и с точки зрения оптимизации теплового воздействия солнечной радиации и естественного освещения помещений.
Литература
1. Будинки i споруди. Настанова з розрахунку шсоляци об'ектав цившьного призначення [Текст]: ДСТУ Н Б В.2.2-27:2010. [Дата введения 2011-01-01] / Минрегюнбуд Укршни. — К. : Укрархбудшформ, 2010. — 81 с. — (Государственный стандарт Украины).
2. Санитарные нормы и правила обеспечения инсоляцией жилых и общественных зданий и территорий жилой застройки [Текст] : СН 2605-82. [Введены в действие со 2 июля 1982 г.] — М. : Минздрав СССР, 1982. — 3 с. — (Государственные санитарные нормы Украины).
3/2011_МГСу ТНИК
3. Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий[Текст]: СанПиН 2.2.1/2.1.1.1076. [Введены в действие с 1.02.2002 г.] / Минздрав России. — М. : 2001. — 5 с. — (Государственные санитарные нормы России).
4. Инсоляция и солнцезащита [Текст] : МГСН 2.05-99. М.: ГУП «НИАЦ». — 1999. — 14 с.
5. Теплова 1золящя буд1вель [Текст]: ДБН В.2.6-31:2006. — [Дата введения 2007-04-01] / Мшбуд Украши — К. : Укрархбудшформ, 2006. — 65 с. — (Государственные строительные нормы Украины).
6. Тепловая защита зданий [Текст] : СНиП 23-02-2003. [Дата введения 2003-10-01] / Госстрой России. — М.: ФГУП ЦПП, 2004. — 45 с. — (Строительные нормы и правила России).
7. Житлов1 будинки. Основт положения [Текст] : ДБН В.2.2.-15-2005. [Дата введения 2006-01-01] / Держбуд Украши. — К. : Укрархбудшформ, 2005. — 50 с. — (Государственные строительные нормы Украины).
8. Бохонюк А. И. Инсоляция жилища. Пособие по проектированию [Текст] / А. И. Бохо-нюк. — К. : КиевЗНИИЭП, 2004. — 120 с.
9. Свилопрозор1 огородження будинюв : навч. погабник для студ вищ. навч. закл. [Текст] / О. Л. Шдгорний, I. М. Щепетова, О. В. Сергейчук, та iH. ; пщ ред. О. Л. Шдгорного — К. : До-машевська О. А., 2005. — 282 с.
10. Marsh A. The applicatio of shading masks in building simulation //IBSA NEWS. - 2006. -Vol.16, # 1.- 27 - 41 pp./ Haghparast F. , Marsh A. The application of computer-optimised solutions to tichtly defined design problems [Електронний ресурс] — Режим доступа : www. naturalfrequen-cy.com /documents72005_IBPSA_1.pdf.
11. Marsh A. The applicatio of shading masks in building simulation //IBSA NEWS. - 2006. -Vol.16, # 1. - 27 - 41 pp. Haghparast F. , Marsh A. The application of computer-optimised solutions to tightly defined design problems [Електронний ресурс] — Режим доступа : www.naturalfrequency.com/ documents /2005_IBPSA_1.pdf.
12. Харкнесс E., Мехта M. Регулирование солнечной радиации в зданиях. [Текст] — М. : Стройиздат, 1984. — 176 с.
13. Rosenlund H. Climatic Design of Duikdings using Passive Techniques [Текст] // Building Issues. - 2000. - Vol. 10. - No 1. - pp. 3-26.
14. Campos R.F. Analise da influencua da orientaifao da testada dos lotes na ocupai;ao do setor estrutural de curitiba : disserta9ao. [Текст] - Curtiba, 2005. - 202 p.
15. Capeluto I. G. Yezioro A., Bleiberg T., Shaviv E. From Computer Models to Simple Design Tools: Solar Rights in the Design of Urban Streets [Текст] // Proc. of the 9th International IBPSA Conf., August 15-18, 2005. — Montreal, Canada. — pp. 131—138.
16. Андерсон Б. Солечная энергия (основы строительного проектирования) [Текст] - М.: Стройиздат, 1982. - 375 с.
17. Ratti C., Morello E. Sunscapes: 'solar envelopes' and the analysis of urban DEMs [Текст] // Senseable city lab.- Milano, 2008. -29 p.
18. DIN 5034-1:2005-02-16. Daylight in interiors — Part 1: General requirements [Текст].
19. BS 8206-2:2008. Lighting for buildings. Code of practice for daylighting [Текст].
Literatura
1. Budinky i sporudy. Nastanova z rozrahunku insolyatsii ob"ektiv tsyvil'nogo pryznachennya [Text]: DSTU N B V.2.2-27:2010. [Data vvedeniya 2011-01-01] / Minregionbud Ukrainy. - K. : Ukrarhbudinform, 2010. - 81 s. - (Gosudarstvennyj standart Ukrainy).
2. Sanitarnyye normy i pravila obespecheniya insolyatsiyej zhilyh i obshchestvennyh zdanij i territory zhiloj zastrojki [Text] : SN 2605-82. [Vvedeny v dejstviye so 2 iyulya 1982 g.] - M. : Minzdrav SSSR, 1982. - 3 s. - (Gosudarstvennyye sanitarnyye normy Ukrainy).
3. Gigiyenicheskiye trebovaniya k insolyatsii i solntsezashchite pomeshchenij zhilyh i obshchestvennyh zdanij i territorij[Text]: SanPiN 2.2.1/2.1.1.1076. [Vvedeny v dejstviye s 1.02.2002 g.] / Minzdrav Rossii. - M. : 2001. - 5 s. - (Gosudarstvennyye sanitarnyye normy Rossii).
4. Insolyatsiya i solntsezashchita [Text] : MGSN 2.05-99. M.: GUP "NIATS". - 1999. - 14 s.
5. Teplova izolyatsiya budivel' [Text]: DBN V.2.6-31:2006. - [Data vvedeniya 2007-04-01] / Minbud Ukrainy - K. : Ukrarhbudinform, 2006. - 65 s. - (Gosudarstvennyye stroitel'nyye normy Ukrainy).
6. Teplovaya zashchita zdanij [Text] : SNiP 23-02-2003. [Data vvedeniya 2003-10-01] / Gosstroj Rossii. - M. : FGUP TSPP, 2004. - 45 s. - (Stroitel'nyye normy i pravila Rossii).
7. Zhytlovi budynky. Osnovni polozhennya [Text] : DBN V.2.2.-15-2005. [Data vvedeniya 200601-01] / Derzhbud Ukrainy. - K. : Ukrarhbudinform, 2005. - 50 s. - (Gosudarstvennyye stroitel'nyye normy Ukrainy).
8. Bohonyuk A. I. Insolyatsiya zhilishcha. Posobiye po proyektirovaniyu [Text] / A. I. Bohonyuk. - K. : KiyevZNIIEP, 2004. - 120 s.
9. Svitloprozori ogorodzhennya budynkiv : navch. posibnyk dlya stud vyshch. navch. zakl. [Text] / O. L. Pidgornyj, I. M. Shchepetova, O. V. Sergejchuk, ta in. ; pid red. O. L. Pidgornogo - K. : Doma-shevs'ka O. A., 2005. - 282 s.
10. Marsh A. The applicatio of shading masks in building simulation //IBSA NEWS. - 2006. -Vol.16, # 1.- 27 - 41 pp./ Haghparast F. , Marsh A. The application of computer-optimised solutions to tichtly defined design problems [Electronic resource] - Access mode : www.naturalfrequency.com /documents/2005_IBPSA_1.pdf.
11. Marsh A. The applicatio of shading masks in building simulation //IBSA NEWS. - 2006. -Vol.16, # 1. - 27 - 41 pp. Haghparast F. , Marsh A. The application of computer-optimised solutions to tightly defined design problems [Electronic resource] - Access mode : www. naturalfrequency.com/ documents /2005_IBPSA_1.pdf.
12. Harkness Ye., Mehta M. Regulirovaniye solnechnoj radiatsii v zdaniyah. [Text] - M. : Stro-jizdat, 1984. - 176 s.
13. Rosenlund H. Climatic Design of Duikdings using Passive Techniques [Text] // Building Issues. - 2000. - Vol. 10. - No 1. - pp. 3-26.
14. Campos R.F. Anälise da influencua da orienta9äo da testada dos lotes na ocupa9äo do setor estrutural de curitiba : disserta9äo. [Текст] - Curtiba, 2005. - 202 p.
15. Capeluto I. G. Yezioro A., Bleiberg T., Shaviv E. From Computer Models to Simple Design Tools: Solar Rights in the Design of Urban Streets [Текст] // Proc. of the 9th International IBPSA Conf., August 15-18, 2005. — Montreal, Canada. — pp. 131—138.
16. Андерсон Б. Солечная энергия (основы строительного проектирования) [Text] - М.: Строй-издат, 1982. - 375 с.
17. Ratti C., Morello E. Sunscapes: 'solar envelopes' and the analysis of urban DEMs [Text] // Senseable city lab.- Milano, 2008. -29 p.
18. DIN 5034-1:2005-02-16. Daylight in interiors — Part 1: General requirements [Text].
19. BS 8206-2:2008. Lighting for buildings. Code of practice for daylighting [Text].
Ключевые слова: инсоляция, солнечная карта, инсоляционная линейка, энергосбережение, расчётная точка, граничная поверхность.
Keywords: Insolation; Stereographic solar chart; Insolation ruler; Energy conservation; Computed point; Boundary surface.
Тел. (+380 67) 9850291, e-mail: ovsergeich@mail.ru
Рецензент: Академик РААСН, д.т.н., профессор В.И. Колчунов
