CC BY
9
НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 551.582:771.551.586:551.575.3 DOI: 10.22227/1997-0935.2023.1.24-35
Биоклиматическое районирование — предпосылка для архитектурно-строительного и градостроительного проектирования, планирование территорий
Адхам Иминжанович Гиясов
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУ МГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Выполнен анализ природно-климатических факторов на основе использования биоклиматических критериев оценки среды теплого периода в градостроительстве. В качестве примера рассматривалась территория республик Центральной Азии и юга Казахстана, которые расположены в южных широтах и ландшафтно-климатически характеризуются равниной и сложным горным рельефом, по климатическим и биоклиматическим условиям близким к экваториальным странам. Выбран метод оценки биоклиматических показателей, учитывающих реакции теплового состояния человека на окружающую среду, которые являются актуальными задачами архитектурно-строительного проектирования и планирования территорий южных стран с жарким климатом.
Материалы и методы. В основу исследования положена комплексная методология изучения, анализа и обобщения метеорологических факторов местных метеостанций, справочных данных ведущих научно-исследовательских институтов гидрометеорологии с последующей обработкой программным комплексом, позволяющая выявить специфические малые и большие по размеру микроклиматические и биоклиматические различия масштабных территорий су су и определяющая степень комфортности теплового состояния человека в биоклиматологии города.
(Ч ° Результаты. На основе учета реакции теплового состояния человека на окружающую среду сформулировано новое
- - направление исследования — биоклиматологическая оценка среды. Определены биоклиматические различия тер-
^ ф риторий, городов, фрагментов планировки застройки с целью биоклиматического зонирования и районирования. Со-
О з ставлены карты районирования, позволяющие осуществить биоклиматический прогноз территорий в архитектурно-
с ¡Л строительном и градостроительном проектировании.
2 Выводы. Сформулированные методологические основы биоклиматического районирования территории Централь-
® ® ной Азии и юга Казахстана с распределением классов биометеорологических показателей послужат предпосылкой
во ф для целенаправленного и рационального использования территории региона, позволят оценить ее рекреационные
Е возможности, планировать строительство жилых комплексов, общественных и промышленных зданий и сооружений
О -2 с максимальным комфортом и удобством при минимальных затратах. Представлена классификация биоклимата
I" ¡¡> по признаку тепловой характеристики климата и реакции терморегуляторной системы в летний перегревный пе-
риод, которая дает возможность охарактеризовать тепловое состояние человека на период наибольших тепловых и радиационных нагрузок.
(О о
<u <u
Ь о
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биоклимат, город, климат, микроклимат, застройка, здание, градостроительство, комфорт-§ -5 ность, теплоощущения, влагопотери
со > со
^ "о Благодарности. Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры
° го архитектурно-строительного проектирования и физики среды НИУ МГСУ «Функция, конструкция, среда в архитек-
™ § туре зданий» в аспекте «Тепловая безопасность в изменении климата» проблемы «Биосферная совместимость».
ю 1!
ся 2 ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Гиясов А.И. Биоклиматическое районирование — предпосылка для архитектурно-строитель-
£ ного и градостроительного проектирования, планирование территорий // Вестник МГСУ 2023. Т. 18. Вып. 1. С. 24-35.
° йО!: 10.22227/1997-0935.2023.1.24-35
6Ъ
ю о Автор, ответственный за переписку: Адхам Иминжанович Гиясов, GiyasovAI@gic.mgsu.ru, adham52@mail.ru.
£ « о Е
СП ^ т- ^
<л ю
5»
Bioclimatic zoning as a prerequisite for architectural and structural design, urban and area-wide planning
o ■■> Adham I. Giyazov
O Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU);
* ® Moscow, Russian Federation
s * _:_
X
с
ü to ABSTRACT
Ф Ш
IQ > Introduction. Factors of nature and climate were analyzed using bioclimatic criteria of environmental assessments made in
within the framework of urban planning during warm seasons. Territories of republics, located in Central Asia and southern
24 © А.И. Гиясов, 2023
Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)
Kazakhstan, were considered as southern specimen areas; they have both plain and complex mountainous terrains, and their climatic and bioclimatic conditions make them similar to equatorial countries. The author chose a method for assessing bioclimatic indices; they take into account the response of the thermal status of a person to the environment, which is a relevant task of architectural and structural design and area-wide planning in southern countries with hot climates. Materials and methods. This research project is based on a comprehensive methodology for studying, analyzing and summarizing meteorological factors, provided by local meteorological stations, and reference data from the leading research institutes of hydrometeorology. These data are further processed by the software package to identify specific small and large microclimatic and bioclimatic differences between large areas. The methodology also determines the degree of comfort of a thermal state of a person in urban bioclimatology.
Results. A new area of research was identified to study the response of the thermal state of a person to the environment: the bio-climatological assessment of environments. Bioclimatic zoning of republics in Central Asia and southern Kazakhstan was performed to classify the bioclimatic conditions in these environments according to their livability, taking into account values of meteorological indices during warm seasons. Bioclimatic differences between territories, cities, and excerpts from area development documents were identified for the purpose of bioclimatic zoning and division into districts. Maps of districts were designed to make bioclimatic forecasts of territories for the purpose of architectural and structural design, as well as urban planning.
Conclusions. The research is relevant for territories and cities with hot climates. Methodological fundamentals of bioclimatic zoning in Central Asia and southern Kazakhstan, coupled with classified bio-meteorological indices, will serve as a prerequisite for purposeful and rational use of territories in the region; they will allow evaluating its recreational potential and planning the construction of residential complexes, public and industrial buildings and structures that ensure maximum comfort and convenience at minimum costs. The classification of bioclimates is presented; it is based on thermal characteristics of climates as well as responses from the human thermoregulatory system during excessively hot summer periods. These responses are needed to characterize the thermal state of a person during periods of greatest heat stresses and radiation loads.
KEYWORDS: bioclimate, city, climate, microclimate, development, building, urban planning, comfort, warmth, moisture loss
Acknowledgments. The research was conduction in compliance with the plan of research undertakings at Department of Architectural and Structural Design and Environmental Physics of the Moscow State University of Civil Engineering "Function, design, environment in the architecture of buildings" in terms of "Thermal safety amid climate change" of the "Biosphere compatibility" problem. ^ ^
S ф
FOR CITATION: Giyazov A.I. Bioclimatic zoning as a prerequisite for architectural and structural design, urban and area- ¡J T wide planning. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2023; 18(1):24-35. DOI: 10.22227/1997- 2. и 0935.2023.1.24-35 (rus.). * K
Corresponding author: Adham I. Giyazov, GiyasovAI@gic.mgsu.ru, adham52@mail.ru. О Г
W л
CO CO
ВВЕДЕНИЕ производная от нее, структура селитебных районов
„и городов, расположенных даже в крайне противо-Улучшение природной среды, в которой реали-
_ положных климатических условиях, весьма одно- 1 §
зуется жизнедеятельность человека и общества, — Т1 _ § 9
_ типна. Иногда наблюдаются неожиданные метамор- и 9
одна из основных проблем градостроительства. , _ ° 7
фозы: вместо того, чтобы город защитил человека г 0
Перспектива развития освоения территории а 9
^ ^ № ^ от неблагоприятного климата, его микро- и биокли- £ 3
возведением городов, населенных мест, зданий и со- л о §
^ ' ' матические условия усугубляются по сравнению § рр
оружений во многом зависит от местных климати- , Г1 ,п о 5
^ с общим климатическим фоном местности [1-4]. ° §
ческих и биоклиматических условий местности. в решении градостроительных задач по вы-
Специфика местного климата должна отра- явлению особенностей природной среды, анализе | $
зиться на индивидуальном архитектурном облике ее пригодности для освоения в градостроитель- § 2
жилых образований и городов в целом, это прояв- ных целях недостаточно учитываются требования, § о
ляется в последние годы в конструктивных идеях обеспечивающие качественную оценку теплового § 66
и архитектуре зданий. Очевидно, что жизнь г°р°да состояния человека, данные о климате местности о §
на севере и ^ в песчаных пустынях и оазисах и микроклимате городов. При этом необходимы С о
имеет свою специфику. Так если в одних условиях, критерии, отражающие физиологическую реакцию 5 §
характеризующихся суровостью погоды, человека организма человека на тепловое состояние окру- ф •
необходимо максимально защитить от неблагопри- жающей среды, оцениваемой качественной мерой £ '
ятного воздействия внешней среды, то в других и легко поддаваемой учету и регулированию. с |
с продолжительным комфортным периодом чело- Это обстоятельство можно объяснить тем, что | 8
век стремится как можно больше времени прово- на сегодняшний день отсутствуют научные рекомен-
дить на открытом воздухе, что должно быть приня- дации и соответствующие нормативные документы
то во внимание при формировании планировочной по рассматриваемой проблеме. В свете решения $ У
структуры селитебной и промышленных зон, опре- этих задач очевидной является необходимость раз- § §
делении характера функционально-бытового обслу- работки теоретических основ комплексной науки ф ф
живания, решении проблемы отдыха и пешеходных «градостроительной биоклиматологии» — научной 0 0
связей. Анализ практики планировки и застройки дисциплины, исследующей влияние естественных 3 3
городов показывает, что система застройки и, как и искусственных климатических факторов, сфор-
ю п ■ т
(О (О
N N
О О
N N
К ш
U 3 > (Л
С И 2
U 00
. г
« (U
ÎJ ф ф
О ig
о о
ig<
о со
™ о
о
го
о
Е о
CL ° ^ с
ю о
S ц
о Е с5 °
СП ^ т- ^
<л ю
S2 =3 Г
О tn
мированных образованием городов, на функциональные и жизненные процессы людей.
Биоклимат города со своими параметрами отличается от метеорологических характеристик местности и оценивается по степени влияния на биосферу, обуславливающей физиологическую реакцию человека, проживающего на территории:
• качественными и количественными показателями, такими как продолжительность теплого дискомфортного и комфортного периода, активность солнечной радиации и температура воздуха, низкая влажность, скорость ветра, давление и другими факторами климата, влияющими на человека;
• комплексными характеристиками биоклиматических параметров, такими как эффективная температура (ЭТ), эквивалентно-эффективная температура (ЭЭТ) и теплоощущение человека при радиационной эквивалентно-эффективной температуре (РЭЭТ), определяющиеся оценкой совместного влияния солнечной радиации, температуры и влажности воздуха, скорости ветра и других метеорологических факторов.
В оценке биоклиматических параметров городов выявляются степени комфортности условий окружающей среды путем анализа физиологического состояния человека.
Под градостроительной биоклиматологией следует понимать совокупность наук, изучающих взаимосвязь между природно-климатическими условиями, человеком и городской средой, т.е. прямые
и обратные связи в системе «Климат - город - человек» (рис.).
Очевидно, что, изучая взаимосвязь между природно-климатическими условиями, человеком и городской средой, градостроительная биоклиматология должна базироваться на методе климатического анализа.
Несмотря на актуальность проблемы теплового режима человека в условиях климата южных районов СНГ и в мировой практике, на сегодняшний день широкий круг заинтересованных исследовательских организаций, в том числе и проектные институты, не располагают подробными данными, характеризующими распределение биоклиматических показателей по территории. Все это послужило поводом для разработки методологических основ биоклиматического районирования на основе систематизации метеорологических материалов, натурных исследований и обработки комплекса информации для научного анализа; создания карт-схем биоклиматического и климатического районирования.
Нормативные и справочные материалы, составленные в настоящие время для оценки климатических характеристик района строительства, наиболее отвечают запросам градостроительного и строительного проектирования [5-7]. Однако следует отметить, что форма их представления для решения градостроительных задач во вновь проектируемых современных городах со сложной морфозастройкой значительно усложняется. Существенным недостат-
Среда 1 Environment 1
Естественный
климат Natural climate
Система 1 (защитная) System 1 (protective)
Город / Town
Здание Building
Ограждающие конструкции Enclosing structures
Подстилающая поверхность Underlying surface
Малые архитектурные формы Small-scale architectural structures
Улицы Streets
Водоемы, мелиорация Water bodies, amelioration
Растительно сть Vegetation
Измененный (искусственный) климат Changed (artificial) climate
Среда 2 Environment 2
Человек Human
Система 2 (человек) System 2 (human)
Модель «Климат - город - человек» The climate - city - people model
ком служит отсутствие унификации климатических параметров для целей градостроительства. В результате, как показывает анализ проектной документации, климатические характеристики по ряду городов включают разные показатели, используются различные климатические классификации. Все это затрудняет сравнительную оценку климата городов, расположенных в различных ландшафтно-климати-ческих условиях, и выявление взаимосвязи, формируемой на территории биометеосреды с человеком.
Отсутствие требований к проектированию зданий и систем застройки по принципу природно-климатической типизации и связанных с ней методов оценки типологического решения по биоклиматическим качествам лишает возможности закладывать в проект оптимальные приемы планировки и объемно-планировочные решения зданий в зависимости от специфики окружающей природной среды. В свете решения указанных задач необходимо разработать теоретические основы по комплексной градостроительной биоклиматологии.
С целью решения градостроительных проблем, прежде всего, требуется выполнить биоклиматическое районирование, основанное на данных изучения разномасштабных факторов климата и законов климатообразования. Критерием для территориального деления должен служить характер взаимосвязи человека с окружающей его природной средой, установленный с помощью биоклиматической оценки и теплофизического формообразования зданий, городских построек и территорий.
Современный город со своей сложной морфологической застройкой составляет многокомпонентную среду, определяющую жизнедеятельность человека. Биоклиматическая оценка среды городов представляет собой климатические условия с учетом экологической составляющей, обуславливаемой условиями деятельности населения.
Биоклиматические ресурсы являются структурным элементом климатической составляющей территории городов, в частности рекреационных зон, которые составляют около 40-70 % от общей урбанизированной территории.
В северных урбанизированных территориях большинство людей, в связи с продолжительным холодным сезоном года, преимущественно пребывают в помещениях, т.е. в искусственной среде (до 70-90 %), что приводит к ослаблению иммунитета человека, снижает способность нормально восстанавливать свои силы и активность в трудовой деятельности.
В то же время в городах южных широт с максимальной вероятностью годовой продолжительности солнечного сияния 300 дней и более большая часть населения (60-80 %) находится в естественной среде, занимаясь каким-либо родом деятельности, отдыхом и бытом. Важно отметить, что при длительном нахождении человека в естественных
природных условиях за счет рационального использования продолжительных биоклиматических процедур значительно повышается устойчивость организма к негативным воздействиям окружающей среды и повышается активность к умственному и физическому труду [8-10]. Следует учитывать экстремальные дискомфортные факторы климата, особенно присущие современной городской среде южных широт: перегрев за счет солнечного излучения, избыток УФ и дискомфорт от него, духота, гигротермический дискомфорт, штилевые, ветровые условия.
Климат, являясь одной из основных географических характеристик любой местности, представляет собой наиболее примечательную сторону природы центральноазиатских, азиатских, арабских, африканских, южноамериканских стран южных широт, которые отличаются особым обилием солнечного света и тепла, продолжительность летнего периода составляет 8 и более месяцев с высокой температурой воздуха +40 °С, и аридным климатом влажностью около 25 %, что квалифицируется как экстремальные условия климата. Например, на африканском материке (Каир, Хартум, Триполи, Алжир, Джуба, Рабат и др.) на 30° северной и южной широты в безоблачные летние дни суточные величины суммарной солнечной радиации составляют 3300 МДж/см2, а в зимние дни — 2000 МДж/см2. Количество суммарной солнечной радиации в среднем — 6400 МДж/м2год. Продолжительность солнечного сияния составляет от 10 ч зимой до 14 ч летом. В подобных экстремальных жарких условиях погоды вопрос оценки и регулирования биоклиматического режима — приоритетный.
Для моделирования природно-климатических факторов в градостроительстве на базе использования биоклиматических критериев оценки среды теплого периода в качестве примера рассматривалась территория республик Центральной Азии и юга Казахстана, которые расположены в пределах 35-44° северной широты и ландшафтно-климатиче-ски характеризуются равниной и сложным горным рельефом, по климатическим и биоклиматическим условиям близким к экваториальным странам. Климатические условия территории отличаются длительным жарким летним и коротким мягким зимним периодом.
Цель исследования — объективная оценка и установление биоклиматических различий в зависимости от особенностей климата того или иного географического района с выделением зон и районов, позволяющие специалисту охарактеризовать тепловые нагрузки на организм, дифференцировать отдельные районы и города по условиям теплового режима человека и искать пути ослабления теплового дискомфорта среды.
Общие рекомендации и методические основы, сформулированные в данной статье по биоклимати-
< п
I*
На
о Г и 3
о
З СО
1 § У 1
о СО
и--
^ I
9 °
§ 3 о
§
со со
§
§ 66
> 66 З §
ф ) <в 8
ю п ■ £
(Л п (Я У
с о Ф Ж
10 10 о о 10 10 ы ы
(О (О
N N
О О
N N
¡г ш
U 3 > (Л С И 2
U оо
. г
« (U jj
ф ф
о ё
о
о g<
о со
™ о
о
го
о
Е о
CL ° ^ с
ю о
S ц
о Е
СП ^ т- ^
<л ю
«г?
■8 Г
О tn №
ческому районированию, могут быть распространены для больших территорий республик Закавказья и зарубежных азиатских, африканских, европейских стран с климатической характеристикой, аналогичной зонам и городам республик Центральной Азии и Казахстана.
В связи с поставленной целью были изучены климатические условия различных районов Центральной Азии и южной территории Казахстана со сложной орографической ситуацией, а также микроклиматические особенности территории городов, произведен поиск наиболее приемлемого метода оценки биоклиматических показателей и составлен алгоритм для биоклиматического районирования в макро-, мезо- и микромасштабе с определением зон комфорта и дискомфорта.
В многочисленных исследованиях теплового состояния людей отечественными и зарубежными авторами установлено резкое нарушение терморегуляции организма человека в условиях жаркой и теплой погоды [11-16]. Как указывается в ряде работ [8, 17-21], высокие тепловые нагрузки отрицательно влияют на умственную и физическую работоспособность. Критические тепловые нагрузки вызывают тепловое истощение, а в ряде случаев приводят к летальному исходу (до 30 % повышается смертность детей и людей преклонного возраста).
Современный город обладает своими специфическими микро- и биоклиматическими условиями, и при городском планировании обязательно надо принимать во внимание ключевые метеорологические факторы. Он характеризуется сложной трехмерной ячеистой структурой морфозастройки, среди которой создается множество малых и больших по размеру микро- и биоклиматических различий.
Важное условие ближайшего будущего для проектирования жилья, являющегося структурным элементом города, — выработка типологических требований, рассчитанных на регулирование летнего теплового режима естественными средствами, привязанными к конкретным условиям района. Именно в этом случае необходимо выявлять соотношение функций контакта человека с внешней средой и защиты его от нее. Факторами, ограничивающими контакт помещений с внешней средой в летний период, продолжительность которого в странах южных экваториальных широт составляет 8 и более месяцев, служат активность солнечной радиации (до 1000 Вт/м2), высокая температура воздуха (45-50 °С) и термический нагрев подстилающей поверхности (до 70 °С), низкая влажность воздуха и скорость ветра (до 3 м/с). Изменение этих метеорологических параметров связано с ландшафтными и биоклиматическими признаками территорий.
В последние годы для оценки степени благоприятного воздействия факторов биоклимата на ор-
ганизм человека применялся метод, разработанный в Центре медицинской реабилитации и физиотерапии И.Ф. Бутьевой [22].
Для биоклиматической оценки теплоощуще-ния человека в летний период наиболее широкое распространение нашла шкала ЭТ, включающая температуру и влажность воздуха. Для характеристики теплоощущения человека, находящегося на затененном участке, применяются значения шкалы ЭЭТ, в которых учитываются все три компонента теплоощущения человека: температура и влажность воздуха, скорость ветра.
С целью анализа совместного влияния температуры воздуха, тепловой радиации, движения воздуха и ряда других параметров помещения пользуются американским стандартом ANSI/ASHRAE 55-20041.
Влияние солнечной радиации было учтено путем расчета шкалы РЭЭТ в виде зачерненного шарового термометра [1, 23].
Указанные выше методы оценки имеют специфику и ограничения в оценке теплового состояния человека для условий теплого климата районов и территорий.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для выявления биоклиматических различий территорий с теплым климатом использовался наиболее простой и практичный метод определения степени комфортности теплового состояния человека в биоклиматологии города, разработанный в Среднеазиатском региональном научно-исследовательском гидрометеорологическом институте им. В.А. Бугаева (САРНИГМИ, ныне — НИГМИ). Данный метод исследования основан на физическом моделировании человека в виде цилиндрического термометра телесного цвета, что практично для оценки биоклимата открытых пространств масштабных территорий.
Для региона Центральной Азии и юга Казахстана наиболее практичным и доступным способом анализа теплового состояния человека с установлением уровня комфортности среды служит метод оценки тепловой нагрузки на организм человека по признаку теплопотерь и влагопотерь испарением пота FE, г/ч, представленный по оценочной шкале погодных условий, состоящих из шести градаций тепловой нагрузки.
С целью биоклиматического районирования макромасштабных территорий Центральной Азии и юга Казахстана использовался программный комплекс на платформе Earth Engine, позволяющий обработать массив метеорологических данных местных метеостанций, данные САРНИГМИ им. В.А. Бугаева и Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова (ГГО), также обобщены сведения метеорологических ежемесячников и справочников
1 ASHRAE. Thermal Comfort Tool. ASHRAE, Atlanta, GA, 2000. Р. 224.
по климату. Для биоклиматического районирования на уровнях мезо- и микромасштаба территорий градостроительных комплексов и структур застроек изучаемых городов Ташкента, Душанбе, Бука, Бишкека были обработаны и обобщены климатические сведения метеостанций, метеопунктов, функционирующих на территориях городов, и микроклиматические и биоклиматические данные, полученные на основе масштабных синхронных измерений при помощи портативных измерительных аппаратур, произведенных в характерных пунктах согласно методике, изложенной в «Методических указаниях по производству микроклиматических обследований в период изысканий». Микро- и биоклиматические наблюдения проводились преимущественно в летние месяцы при ясной погоде отдельными дневными сериями синхронно в характерных точках города с 8 до 20 ч при помощи метеорологических и актинометрических приборов на высоте 1,5 м от земли. Одновременно производились измерения с применением биоклиматических стоек, оснащенных шаровыми термометрами диаметром 15 см черного цвета, цилиндрическими термометрами диаметром 8 см, высотой 12 см с альбедо, равной 0,3, установленных на уровнях 50 и 150 см, позволяющие произвести оценку теплового состояния физическим моделированием человека.
В период исследования выполнялись следующие инструментальные измерения повторяемости комплекса метеорологических факторов: интенсивность солнечной радиации, температура и влажность воздуха, скорость, повторяемость и направления ветра, температура шарового и цилиндрического термометра, температура подстилающих поверхностей и деятельной поверхности застройки, альбедо территории изучаемого города.
Методика постановки микро- и биоклиматических комплексных натурных исследований разработана автором, производство работ осуществлялось группой студентов, магистров и аспирантов под руководством и непосредственном участии автора.
Для современного крупного ландшафта города характерна выраженная неоднородность, сочетания разновысотности морфозастройки, зоны застройки с открытой и озелененной, обводненной территорией, различной по масштабам, сочетаниям и взаиморасположению. В этой связи при натурных измерениях факторов биоклимата на уровне микромасштаба были выделены участки городской территории с характерными и достаточно однородными типами деятельных поверхностей территории и построек.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Летний, весенний и ранний осенний периоды в Центральной Азии и на юге Казахстана отличаются высокой лучистой солнечной энергией, безоблачной продолжительной жаркой погодой, низкой
влажностью воздуха и скоростью ветра, что в совокупности повышает количественную характеристику тепловой нагрузки на организм человека.
Деление территориального региона Центральной Азии и юга Казахстана по изотермам июля позволило дать им характеристику на период наибольших тепловых и радиационных нагрузок. В классификации биоклимата принята качественная характеристика именно теплого сезона. Изучаемый регион по признаку тепловой характеристики климата и реакции терморегуляторной системы разделен на шесть биоклиматических районов. Шкала те-плорадиационных нагрузок представлена в табл. 1. Величина тепловой нагрузки FLE, приведенная в табл. 1, определяется на основе теплового баланса человека. Зная величину FLE, кал/ч, можно определить величину влагопотери при испарении пота FE, г/ч, разделив ее на величину скрытой теплоты преобразования, равную 0,58 ккал/ч при температуре кожи человека 33 °С.
Параметром теплового состояния человека является также другой показатель М, определяемый отношением фактической величины испарения пота FE к максимально возможной FE при равных ме-
max А А
теорологических условиях.
При значениях М 50-60 % и более наблюдается выраженная реакция терморегуляторных механизмов. При увеличении значения М до 100 % создается угроза теплового или солнечного удара.
Биоклиматические районы I, II и III представляют собой территории преимущественно равнинные с жарким аридным климатом, теплорадиационная нагрузка в летний период варьируется от большой до чрезмерно жаркой с высоким напряжением терморегуляционного аппарата человека. В районах IV, V и VI преобладают равнинные оазисы, предгорья, горные долины, территории хорошо обводнены и озеленены. Летний термический радиационный режим можно охарактеризовать как средний и тяжелый.
На основе изучения факторов климата, микроклимата и биоклимата от микромасштабного городского ландшафта (улиц, площадей, жилых кварталов, районов) до мезо- и макромасштабно-го географического ландшафта территорий Центральной Азии и юга Казахстана составлены карты районирования со средним значением дневной биоклиматической характеристики на 13 ч июля месяца с потерей влаги путем испарения пота FE, г/ч (табл. 2). Данные карты являются унифицированными картами биоклиматического районирования и предназначены для архитекторов-проектировщиков и строителей и должны учитываться при решении градостроительных задач, оптимизации структур комплексов застройки, элементов благоустройства города, строительстве зданий и сооружений с прогнозированием их влияния на тепловое состояние человека.
< п
is
G Г
S 2
0 w t со
1 ф
У 1
J to
u-
^ I
n °
ф 3
0 CJl
01 о n
co co
n
Ф 6 > §6
ф )
ii
® 8
Ю DO
■ T
s У с о <D X
10 10 о о 10 10 u w
Табл. 1. Градация теплорадиационных нагрузок на организм человека (FE и FLE) и напряженности терморегуляторной системы M
Table 1. Gradation of heat and radiation loads on the human body (FE and FLE) and intensity of the thermoregulatory systemM
Биоклиматические показатели Bioclimatic indices Биоклиматические районы Bioclimatic regions Показатели теплового состояния Thermal state indices
Влагопотери испарением пота FE, г/ч Moisture loss due to sweat evaporation FE, g/h Тепловая нагрузка FLE, кал/ч Thermal load FLE, cal/h Теплоощущение M, % Warmth M, %
Чрезмерный (чрезвычайно жарко) Excessive (extremely hot) I > 900 > 522 > 85
Очень большой (очень жарко) Very big (very hot) II 701-900 407-522 65-85
Большой (жарко) Big (hot) III 501-700 291-406 46-64
Умеренный (очень тепло) Moderate (very warm) IV 301-500 175-290 26-45
Слабый (тепло) Weak (warm) V 151-300 88-174 13-25
Минимальный (тепловой комфорт) Minimum (thermal comfort) VI 50-150 29-87 5-12
W (0
N N
О О
N N
К ш U 3
> (Л
с и
m оо
. г
« (U jj
ф ф
О ig
о
о g<
о со
™ о
о
го
о
Е о
CL ° ^ с
ю о
S «
о Е
СП ^ т- ^
<л ю
Г
О (О
Биоклиматическое районирование территории методами биоклиматической оценки территорий разнопланового масштаба дает проектировщику большие возможности при решении многих задач в градостроительстве и в выявлении типологических особенностей жилища каждого из выделенных районов. При этом общий характер теплового состояния среды конкретного населенного пункта определяется путем составления биоклимаграмм, на которых указываются периоды с различными тепловыми условиями и их продолжительность, исходя из чего выявляются градостроительные требования, необходимые для регулирования микробио-климата в данном населенном пункте.
Большое разнообразие природно-климатических условий территории предопределило важность учета природного окружения при формировании оптимальных микроклиматических, биоклиматических и санитарно-гигиенических условий городской среды.
Биоклиматическая оценка природно-климатической ситуации показала, что на территории республик Кыргызстана и Таджикистана, в которых около 93 % территории занимают горы, летом отмечается уровень биоклиматического показателя от умеренного до большого. На равнине Казахстана, Узбекистана и Туркменистана около 60-70 % времени в году приходится на диском-
фортные биоклиматические условия, когда человек испытывает чрезмерный перегрев среды, обуславливающий наибольшее терморегуляторное напряжение. Подобная повторяемость определяет тепловое состояние человека, которое должно являться определяющим фактором при объемно-пространственной и архитектурно-планировочной организации городской территории и структурных элементов зданий.
Установлено, что вследствие большой широтной протяженности жаркая перегревная погода находится в диапазоне от четырех месяцев на севере Центрально-Азиатского региона до восьми и более на юге. В южных пустынях наблюдается круглосуточный перегрев как на открытых городских территориях ^Е 800-900 г/ч), так и в закрытых пространствах помещений зданий ^Е 400-500 г/ч). Наиболее высокие тепловые нагрузки среды, раздражающие организм человека, чаще всего отмечаются в теплый период в мае-августе, а менее раздражающие климатические условия наблюдаются во второй половине марта, апреля, сентябре, октябре. Оптимальные тепловые нагрузки среды наблюдаются в теплый период марта и октября. Наиболее благоприятными месяцами для разных видов деятельности в регионе и в городах являются апрель и сентябрь, а наименее благоприятными и дискомфортными — июнь и июль.
Табл. 2. Этапы биоклиматического районирования Table 2. Stages of bioclimatic zoning
Районирование территории Zoning of the territory По показателям Based on indices Характеристика Characteristic
1. Биоклиматическое районирование территории Це макромасшт 1. Bioclimatic zoning of the territory of Central Asia an нтральной Азии и юге аба d southern Kazakhstan а Казахстана на уровне at the macroscale level
■ Около 50 °C / About 50 °C ц 45-50° ¡Зп 45-50° в 35-40°
I I Менее 35 °C / Less than 35 °C
Районирование по температуре воздуха, °С Zoning by air temperature, °С
Карта-схема распределения
высоких температур по территории с выделением областей с абсолютным максимумом температур Map of high temperatures featuring areas with maximum temperatures
Среднее годовое
число дней с температурой воздуха > 40 °C Average annual number of days with air temperature > 40 °C
Карта-схема распределения среднегодового числа дней с высокой температурой Map of the average annual number of days with high temperatures
I— < 550
< 700
< 750
< 800 ~ < 850
< 900
< 950
Потери влаги путем испарения пота FE, г/ч Moisture loss due to sweat evaporation FE, g/h
Карта-схема распределения основного показателя тепловой нагрузки Map of the main thermal load index
< П
8 8 iH
G) M С
0 сл
t СО
1 » y 1
J CD
^ I
n °
» 3
о »
oî
о n
2. Биоклиматическое районирование территории Таджикистана на уровне макромасштаба
2. Bioclimatic zoning of the territory of Tajikistan at the macroscale level
Эффективная температура , . '-. Effective temperature
40 34 27 21 15
• Душанбе / Dushanbe-
_jMi ' ! >
\
4>
Эффективная температура, °С
Effective temperature, °C
Карта-схема распределения с выделением максимальной эффективной температуры Map highlighting the maximum effective temperature
со со
i\j
CO
о
r §6
о о
0)
о
c n
» )
ii
® 8
. DO
■ T
s □
s У с о <D *
10 10 о о 10 10 U W
Эффективная температура Effective temperature
Эквивалентно-эффективная температура, °С Equivalent effective temperature, °C
Карта-схема распределения с выделением максимальной эквивалентно-эффективной
температуры Map highlighting maximum equivalent effective temperature
Продолжение табл. 2 / Continuation of the Table 2
Районирование территории Zoning of the territory
По показателям Based on indices
Характеристика Characteristic
FE, г/ч FE, g/h
Потери влаги путем испарения пота FE, г/ч Moisture loss due to sweat evaporation FE, g/h
Карта распределения основного показателя тепловой нагрузки Map of the main thermal load index
1 IIV A ■ IV Г
Строительно-климатическое районирование территории Construction-focused climatic zoning of the territory
Карта-схема строительно-климатического районирования Map of construction-focused climatic zoning
W (0
N N
О О
N N
К ш U 3
> (Л
с и
m оо
. г
« (U jj
ф ф
О ig
I зона низкогорья — территория активных перегревных условий
I lowland zone — area of active overheating conditions
II зона среднегорья — территории благоприятных кл иматических условий
II middle altitude zone — area of good climatic conditions
III зона высокогорья — территории экстремальных условий III highland zone — area extreme conditions
Ландшафтно-климатическое районирование территории Landscape-focused climatic zoning of the territory
Карта-схема ландшафтно-климатического районирования
Map of landscape-focused climatic zoning
3. Биоклиматическое районирование территории Душанбе на уровне мезомасштаба
3. Bioclimatic zoning of the territory of Dushanbe at the mesoscale level
о
о g<
о
CO
™ О
о
го
о
Е о
CL ° ^ с
ю о
S «
о Е
СП ^ т- ^
<л ю
Г
О (О №
Потери влаги путем испарения
пота FE, г/ч Moisture loss by sweat evaporation FE, g/h
Карта распределения основного показателя тепловой нагрузки:
I — слабо умеренное
воздействие FE = 400-450 г/ч, II — умеренное воздействие FE = 500-550 г/ч, III — большая тепловая нагрузка FE = 650-700 г/ч, IV — очень большая нагрузка FE = 750-850 г/ч Distribution map of the main
indicator of heat load: I — mild-moderate impact FE = 400-450 g/h,
II — moderate impact FE = 500-550 g/h,
III — large thermal load
FE = 650-700 g/h, IV — very heavy load FE = 750-850 g/h
Окончание табл. 2 / End of the Table 2
Районирование территории По показателям Характеристика
Zoning of the territory Based on indices Gharacteristic
4. Биоклиматические различия территории городской постройки на уровне микромасштаба 4. Bioclimatic differences in the territory of urban development at the microscale level
Потери влаги путем испарения пота FE, г/ч Moisture loss due to sweat evaporation FE, g/h
Карта распределения тепловой нагрузки междомовой территории со зданиями широтной и меридиональной
ориентации Thermal load map of the territory between buildings of latitudinal and meridional orientation
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ
На основе изучения климатических условий различных территорий и городов Центральной Азии и юга Казахстана выбран наиболее приемлемый для них практический метод оценки биоклиматических показателей, который позволил выявить биоклиматические различия региона, территорий, городов, фрагментов застройки и произвести биоклиматическое районирование путем определения зон комфорта и дискомфорта по значениям биоклиматических показателей.
С помощью пофакторно-интегрального анализа биоклиматических условий территории Центральной Азии и юга Казахстана сформулированы методологические подходы биоклиматического районирования, являющиеся предпосылкой для планирования городов с выделением видов рекреационных зон и архитектурно-строительных построек, в основе которых лежит предварительное прогнозирование и оценка теплового состояния человека в продолжительный летний перегревный период.
Составлена классификация шести биоклиматических районов, определяющих перспективы архитектурно-строительной, градостроительной и других видов деятельности на территории в соответствии с биоклиматическими особенностями.
Определено, что градостроительная оценка биоклимата городов должна сопровождаться анализом комплекса климатических факторов, таких как: режим солнечной радиации в палящий солнечный период; температурный, ветровой и влажностные режимы воздуха в годовом, месячном и дневном циклах с учетом физиологического прогнозирования теплового состояния человека.
Выявлена роль биоклиматического и климатического районирования территории Центральной Азии и юга Казахстана в распределении классов биометеорологических показателей для целенаправленного и рационального использования территории региона, оценки ее рекреационных возможностей, планирования строительства жилых комплексов, типов общественных и промышленных зданий и сооружений с максимальным комфортом и удобством при минимальных затратах.
Предлагаемые методологические основы биоклиматического районирования, сформулированные в результате обобщения исследований реакции человека от теплового напряжения на территории Центральной Азии и юга Казахстана, могут послужить предпосылкой для биоклиматической оценки факторов окружающей человека среды в градостроительных образованиях также и для экваториальных стран с жарким климатом и выявления аналогов городов по природно-биоклиматическим признакам.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
< п
8 8 iiï
G Г
M 2
0 сл nt
1 С
y 1
J со
oI
n
С S О
n
1. Гиясов А., Гиясов Б.И., Баротов Ю.Г. Биоклиматическая оценка территории городов аридной зоны
и его влияние на состояние человека // Наука и инновация. 2017. № 1. С. 223-230.
со со
n a g
с 66
r 66 t °
1°
С )
íi
m
. DO
■ Т
s S
s у с о (D *
10 10 о о 10 10 U W
(О (О
N N
О О
N N
¡É Ш U 3 > (Л С И 2
U оо
. г
« (U jj
ф ф
O í¿
о
о g<
о со
™ О
о
го
о
Е о
CL ° ^ с
ю о
S ц
о Е
СП ^ т- ^
<л ю
2 3 г
О (0 №
2. МягковМ.С. Микроклимат и биоклиматическая комфортность традиционной арабской застройки // Архитектура и современные информационные технологии. 2019. № 4 (49). С. 235-261. DOI: 10.24411/ 1998-4839-2019-00017
3. Olgyay V. Design with Climate: Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism — New and Expanded Edition. New Jersey, USA : Prienston University Press, 2015. 224 p.
4. Болдуин Р., Милбенк Н.О., Роу Г.Д. Здоровье, строительство и климат // Климат и здоровье человека : тр. Междунар. симпозиума ВМО/ВОЗ/ЮНЕП. Т. 1. Л. : Гидрометеоиздат, 1988. С. 160-165.
5. RU 2020621470. Научно-прикладной справочник «Климат России» / Разуваев В.Н., Булыги-на О.Н., Коршунова Н.Н., Клещенко Л.К., Кузнецова В.Н., Трофименко Л.Т. и др.; заявл. № 2020620899 от 09.06.2020, опубл. 18.08.2020. Бюл. № 8.
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Вып. 31. Таджикская ССР; Вып. 19. Узбекская ССР; Вып. 18. Казахская ССР; Вып. 30. Туркменская ССР; Вып. 32. Киргизская ССР; Вып. 14. Л. : Гидрометеоиздат, 1988-1989.
7. Романова Е.Н., Гобарова Е.О., Жильцова Е.Л. Методы использования систематизированной климатической и микроклиматической информации при развитии и совершенствовании градостроительных концепций. СПб. : Гидрометеоиздат, 2000. 160 с.
8. Мурад Д. Биоклиматическая архитектура: обзор опыта создания внешнего комфорта городской среды в условиях сухого и жаркого климата // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 3 (33). С. 13-23.
9. Taylor K.E., Stouffer R.J., Meehl G.A. An overview of CMIP5 and the experiment design // Bulletin of the American Meteorological Society. 2012. Vol. 93. Issue 4. Pp. 485-498. DOI: 10.1175/bams-d-11-00094.1
10. Foruzanmehr A. Thermal comfort in hot dry climates. Traditional dwellings in Iran. Routledge, 2019. 210 p.
11. Айзенштат Б.А., Лукина Л.П. Биоклимат и микроклимат Ташкента. Л. : Гидрометеоиздат, 1982. 128 с.
12. Oke T.R. Boundary layer climates. London : Routledge, 1999. 435 p.
13. Алин А.С., Пашкловская А.А. Характеристика биоклимата города Краснодара // Региональные
Поступила в редакцию 18 октября 2022 г. Принята в доработанном виде 21 ноября 2022 г. Одобрена для публикации 21 декабря 2022 г.
Об авторе: Адхам Иминжанович Гиясов — доктор технических наук, профессор кафедры проектирования зданий и сооружений; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ID: 979847, Scopus: 57202817395, ResearcherID: T-8804-2018, ORCID: 0000-0002-2471-5065; adham52@mail.ru.
географические исследования : сб. науч. тр. 2020. С. 121-125.
14. ИсаеваА.Г. Экологическая климатология. М. : Научный мир, 2001. 456 с.
15. Basic J. Regionalization and Evaluation of Seasonal Human Bioclimate of Semnan Province // Journal of Basic and Applied Scientific Research. 2012. Vol. 2. Issue 5. Pp. 4740-4750.
16. Nguyen Khanh Van. Bioclimatology study in modern geography // Ukrainian Geographical Journal. 2012. Issue 3. Pp. 35-39.
17. Pineda-Martínez L.F., Carbajal N., Medina Roldán E. Regionalization and classification of bioclimatic zones in the central-northeastern region of México using principal component analysis (PCA). Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., San Luis Potosí, SLP, 78216, México, 2006.
18. Eludoyin O.M., Adelekan I.O., Webster R., Elu-doyin A.O. Air temperature, relative humidity, climate regionalization and thermal comfort of Nigeria // International Journal of Climatology. 2014. DOI: 10.1002/ joc.3817
19. Демина Д.М., Кандрор И.С., Ратнер Е.М. Тепловое состояние человека как основа для физиологической характеристики климата местности и сани-тарно-климатического районирования // Вопросы географии. 1972. № 89. С. 51-54.
20. Багиров Б.Г. Вопросы рациональной организации труда, отдыха и питьевого режима при работах, ведущихся в пустыне // Адаптация человека и животных к условиям пустыни. Ашхабад : Ылым, 1971. С. 52-58.
21. Гиясов А.И., Баротов Ю.Г. Тепловое состояние человека в застройке городов с жарким условием климата // Политехнический Вестник. Серия: Инженерные исследования. 2018. № 4 (44). С. 151-157.
22. Бутьева И.В., Швейнова Т.Г. Методические вопросы интегрального анализа медико-климатических условий // Комплексные биоклиматические исследования. 1988. С. 97-108.
23. Айзенштат Б.А. Метод оценки теплового состояния человека с помощью физического тела в форме вертикального цилиндра // Труды САРНИГМИ им. В.А. Бугаева. Вопросы прикладной климатологии и биометеорологии. М. : Гидрометеоиздат, 1978. № 57 (138). С. 38-43.
REFERENCES
1. Giyasov A., Giyasov B.I., Barotov Yu.G. Bio-climatic assessment of the territory of cities in the arid zone and its impact on the human condition. Science and Innovation. 2017; 1:223-230. (rus.).
2. Myagkov M. Microclimate and bioclimatic comfort of traditional arab urban structure. Architecture and Modern Information Technologies. 2019; 4(49):235-261. DOI: 10.24411/1998-4839-2019-00017 (rus.).
3. Olgyay V. Design with Climate: Bioclimatic Approach to Architectural Regionalism — New and Expanded Edition. New Jersey, USA, Prienston University Press, 2015; 224.
4. Baldwin R., Milbank N.O., Roe G.D. Health, construction and climate. Climate and human health. Proceedings of the WMO/WHO/UNEP International Symposium. Volume 1. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1988; 160-165. (rus.).
5. RU 2020621470. Scientific and applied reference book "Climate of Russia" / Razuvaev V.N., Bulygi-na O.N., Korshunova N.N., Kleschenko L.K., Kuznetso-va V.N., Trofimenko L.T. and etc.; dec. No. 2020620899 of 06/09/2020, publ. 08/18/2020. Bull. No. 8. (rus.).
6. Scientific and applied reference book on the climate of the USSR. Issue 31. Tajik SSR; Issue 19. Uzbek SSR; Issue 18. Kazakh SSR; Issue 30. Turkmen SSR; Issue 32. Kirghiz SSR; Issue 14. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1988-1989. (rus.).
7. Romanova E.N., Gobarova E.O., Zhiltsova E.L. Methods of using systematized climatic and microcli-matic information in the development and improvement of urban planning concepts. St. Petersburg, Gidrometeoizdat Publ., 2000; 160. (rus.).
8. Mourad D. Bioclimatic architecture: an overview of experience of creating external comfort of the urban environment in a dry and hot climate. Proceedings of the Kazan State University of Architecture and Civil Engineering. 2015; 3(33):13-23. (rus.).
9. Taylor K.E., Stouffer R.J., Meehl G.A. An Overview of CMIP5 and the Experiment Design. Bulletin of the American Meteorological Society. 2012; 93(4):485-498. DOI: 10.1175/bams-d-11-00094.1
10. Foruzanmehr A. Thermal Comfort in Hot Dry Climates. Traditional Dwellings in Iran. Routledge, 2019; 210.
11. Aizenshtat B.A., Lukina L.P. Bioclimate and microclimate of Tashkent. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1982; 128. (rus.).
12. Oke T.R. Boundary layer climates. London, Routledge, 1999; 435.
13. Alin A.S., Pashklovskaya A.A. Characteristics of the bioclimate of the city of Krasnodar. Regional Geographical Research : collection of scientific papers. 2020; 121-125. (rus.).
14. Isaeva A.G. Ecological climatology. Moscow, Scientific world, 2001; 456. (rus.).
15. Basic J. Regionalization and Evaluation of Seasonal Human Bioclimate of Semnan Province. Journal of Basic and Applied Scientific Research. 2012; 2(5):4740-4750.
16. Nguyen Khanh Van. Bioclimatology study in modern geography. Ukrainian Geographical Journal. 2012; 3:35-39.
17. Pineda-Martínez L.F., Carbajal N., Medina Roldán E. Regionalization and classification of bioclimatic zones in the central-northeastern region of México using principal component analysis (PCA). Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, A.C., San Luis Potosí, SLP, 78216, México, 2006.
18. Eludoyin O.M., Adelekan I.O., Webster R., Eludoyin A.O. Air temperature, relative humidity, climate regionalization and thermal comfort of Nigeria. International Journal of Climatology. 2014. DOI: 10.1002/joc.3817
19. Demina D.M., Kandror I.S., Ratner E.M. The thermal state of a person as a basis for the physiological characteristics of the local climate and sanitary-climatic zoning. Questions of Geography. 1972; 89:51-54. (rus.).
20. Bagirov B.G. Issues of rational organization of labor, rest and drinking regime during work in the desert. Adaptation of man and animals to the conditions of the desert. Ashkhabad, Ylym, 1971; 52-58. (rus.).
21. Giyasov A.I., Barotov Yu.G. The thermal state of a person in the development of cities with a hot climate condition. Polytechnic Bulletin. Series: Engineering Research. 2018; 4(44):151-157. (rus.).
22. Buteva I.V., Shveinova T.G. Methodological issues of the integral analysis of medical and climatic conditions. Complex Bioclimatic Research. 1988; 97-108. (rus.).
23. Aizenshtat B.A. A method for assessing the thermal state of a person using a physical body in the form of a vertical cylinder. Proceedings of SARNIGMI named after V.A. Bugaev. Questions of applied climatology and biometeorology. Moscow, Gidrometeoizdat Publ., 1978; 57(138):38-43. (rus.).
< П
is
G Г
S 2
O w t со
y 1
J to
u-
^ I
n °
С 3
о СЛ
О? о n
Received October 18, 2022.
Adopted in revised form on November 21, 2022.
Approved for publication on December 21, 2022.
Bionotes: Adham I. Giyazov — Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Design of Buildings and Structures; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU);
26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 979847, Scopus: 57202817395, Research-erID: T-8804-2018, ORCID: 0000-0002-2471-5065; adham52@mail.ru.
со со
n
с
r §6
СС )
ü
® 8
. DO
■ T
s У с о <D X
10 10 о о 10 10 u w
