Новые предложения по нормированию и расчету инсоляции жилых помещений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

УДК 721.012.22

В.Н. КУПРИЯНОВ, д-р техн. наук, член-кор. РААСН, Ф.Р. ХАЛИКОВА, инженер-архитектор ([email protected] ), Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Новые предложения по нормированию и расчету инсоляции жилых помещений

Показано, что действующие методы по нормированию и расчету инсоляции не обеспечивают санитарно-гигиенического благополучия облучаемых помещений. Предложена новая методика нормирования и расчета инсоляции, основанная на учете параметров помещений, конструкций светопроемов, а также доз УФ облучения, которые обеспечивают требуемую бактерицидную эффективность облучаемых помещений.

Ключевые слова: интенсивность, доза, УФ облучение, бактерицидная эффективность облучения, конструкции окон, параметры помещений, типы стекол.

В соответствии с СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» инсоляция помещений определяется продолжительностью облучения прямым солнечным светом так называемой рабочей точки (РТ), которая определяется построением вертикальных и горизонтальных углов затенения светового проема. В зависимости от параметров и конструкции светового проема, наличия балконов или лоджий рабочая точка располагается в плоскости остекления или даже снаружи здания (рис. 1).

Предполагается, что если рабочая точка освещается солнечными лучами в течение нормативной продолжительности в часах, то в помещении происходит обеззараживание микрофлоры и достигается его санитарно-гигиеническое благополучие.

Эта методология имеет ряд неопределенностей.

Во-первых, в разные часы суток солнечная энергия имеет различную интенсивность, следовательно, при равной

продолжительности облучения количество энергии, поступающее в помещение в утренние, околополуденные или вечерние часы, будет различным и соответственно различным будет уровень санации помещения.

Во-вторых, действующие нормы не учитывают параметры помещения: известно, что с увеличением глубины помещения санирующая роль солнечной радиации снижается.

В-третьих, действующие нормы не учитывают, что санирующее действие солнечной радиации определяется не всем спектром солнечного облучения, а его ультрафиолетовой частью, причем таким диапазоном длин волн УФ радиации, энергия которого вызывает гибель болезнетворных бактерий и микроорганизмов.

В-четвертых, действующие нормы не учитывают типы оконных стекол и их проницаемость в эффективном диапазоне УФ спектра. Эта неопределенность усиливается использованием новых типов окон и стекол с различными энергосберегающими покрытиями.

Вышеизложенные неопределенности действующих норм исключаются в предлагаемом подходе к нормированию и расчету инсоляции жилых помещений.

Проведенные исследования позволили установить, что максимальное бактерицидное действие УФ радиации связано с длиной волны 254 нм. Эффективность бактерицидного воздействия снижается при уменьшении или увеличении длины волны от 254 нм в соответствии с табл. 1. В оответ-ствии с этим микробиологическими исследованиями введено понятие относительной бактерицидной эффективности облучения.

Из табл. 1 следует, что бактерицидная эффективность УФ радиации связана с диапазоном длин волн 220-320 нм, потому что энергия длин волн больше 320 нм становится ничтожно малой, а волны короче 220 нм не доходят до поверхности земли.

Таблица 1

Рис. 1. Схема определения расчетной точки для: а — окна; б — окна с лоджией

Длина волны, нм 320 300 280 254 220 180 100

Относительная бактериальная эффективность облучения 0,02 0,08 0,45 1 0,84 0,76 0,74

ЖИЛИЩНОЕ

Научно-технический и производственный журнал

Л

Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

60

50

40

30

¡5 20

10

220

270

320

Длина волны,нм

370

400

Рис. 2. Спектр УФ радиации солнца в Санкт-Петербурге, полученный на спектрорадиометре НТП«ТКА» 17.12.12 в 140

ООЗСООЭС^ЮСОт-^-Г^ООЗСОСЛС^ЮСОт-^-Г^ООЗСОСЛС^ЮСОт-^-Г^ООЗ

С^С^С^С^ОЗОЗОЗ^-^-^-ЮЮЮЮСОСОСОГ^Г^Г^СОСОСОСОСЛСЛСЛООО!-!-

Длина волны, нм

Рис. 3. Интенсивность солнечного спектра в диапазоне220—320нм (1), относительной бактерицидной эффективности солнечного спектра (2) и относительной бактерицидной эффективности облучения, прошедшего через стекло (3)

Существует общепринятое мнение, что длины волн УФ радиации короче 300 нм не доходят до поверхности земли. Однако в «Методах определения интенсивности и профилактической дозы ультрафиолетовой радиации» (EcoloLife.ru: экологический портал. 2010. URL: http://www.ecololife.ru/ study-3-2.html, дата обращения: 09.04.2012) показано, что в крупных городах за счет промышленных выбросов в атмосферу истончается озоновый слой и до земли доходят длины волн до 220 нм (рис. 2).

По данным рис. 2 рассчитана интенсивность УФ радиации солнечного спектра (рис. 3) в диапазоне 220-320 нм (кривая 1, 88 Вт/м2), относительная бактерицидная эффективность солнечного спектра (кривая 2, 67 Вт/м2) и бактерицидная эффективность облучения, прошедшая через стекло (кривая 3, 0,825 Вт/м2).

Подобные графики солнечного спектра отсутствуют по большинству городов, поэтому в дальнейших расчетах инсоляции предлагается использовать данные по приходу УФ радиации диапазона <315 нм, приведенные в Руководстве по строительной климатологии (Пособие по проектированию. М.: Стройиздат, 1977. 327 с.).

В настоящей работе предлагается перейти от расчета инсоляции по продолжительности облучения в часах к расчету энергетической дозы УФ облучения в диапазоне длин волн 220-320 нм в джоулях. В качестве аналога такого перехода использована методология обеспечения бактерицидной эффективности облучения в лечебно-профилактических учреждениях (Руководство Р 3.5.1904-04. Использование ультрафиолетового бактерицидного излучения для обеззараживания воздуха в помещениях лечебно-профилактических учреждений: утв. Главным государственным санитарным врачом РФ Г.Г. Онищенко от 04.04.2004. Дата введения 04.04.2004). В этих учреждениях уровень бактерицидной эффективности измеряется процентом гибели микроорганизмов при УФ облучении. В связи с тем, что бактерии и микроорганизмы могут содержаться в воздухе помещения и на его поверхностях, нормирование бактерицидной эффективности производится как для воздуха помещения, так и для его поверхностей. Для помещений различного назначения лечебно-профилактических учреждений этот уровень находится в диапазоне 85-99,9% и указывается нижняя граница уровня бактерицидной эффективности для патогенной микрофлоры - 70%. Уровень 70% предлагается принять для жилых помещений. (Для сравнения: уровень

бактерицидной эффективности для площадок лестничных клеток и курительных комнат лечебно-профилактических учреждений равен 85%).

На рис. 4 представлены зависимости дозы УФ облучения для воздуха помещения в Дж/м3 и его поверхностей в Дж/м2, которые необходимо обеспечить для определенного уровня бактерицидной эффективности. Сплошные линии построены по нормативным данным для лечебно-профилактических учреждений, а штриховые линии получены методом экстраполяции по эмпирическим расчетным формулам. Таким образом, 70%-й уровень бактерицидной эффективности для жилых помещений будет обеспечен дозой 39 Дж/м3 для воздуха помещения и 15 Дж/м2 для его поверхностей. Бактерицидная эффективность облучения будет обеспечена при одновременном достижении необходимой дозы, как в воздухе помещения, так и на его поверхностях.

Вышеизложенное позволило усовершенствовать методику расчета инсоляции жилых помещений путем учета интенсивности и дозы УФ радиации диапазона 220-320 нм, а также учета объемно-планировочных параметров помещений, конструкции светопроема и типов стекол.

Суммарная интенсивность УФ радиации, приходящая к поверхности остекления ^пов), определится как среднее значение из интенсивностей за каждый час облучения и представляет собой сумму прямой Уп) и рассеянной ^р) радиации:

J = J+ 0,5 J= ^ . +0,5 J, (1)

пов п р р

где ^ - интенсивность прямой радиации на нормальную к лучам поверхность; Jр - интенсивность рассеянной радиации на горизонтальную поверхность.

При прохождении через светопрозрачную конструкцию интенсивность УФ радиации уменьшается в соответствии с коэффициентами проницаемости стекла кс или стеклопаке-та к в диапазоне 220-320 нм.

J = J . k

(2)

Коэффициент проницаемости стеклопакетов с достаточной точностью определяется произведением коэффициентов проницаемости отдельных стекол, входящих в стеклопакет.

Исходными данными для предлагаемой методики расчета дозы УФ облучения в воздухе помещения и на его поверхностях являются:

- градостроительные параметры застройки с ориентацией светопроемов и противостоящими зданиями;

0

Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

- объемно-планировочное решение помещения;

- конструктивные решения светопроема, наличие балкона или лоджии, толщина наружной стены;

- типы стекол, используемых в стеклопакетах, и типы сте-клопакетов;

- база данных об интенсивности прямой и рассеянной УФ радиации с длиной волны < 315 нм, приходящей к фасадам зданий для географических широт 35о - 75о с. ш. по Руководству по строительной климатологии (Пособие по проектированию. М.: Стройиздат, 1977. 327 с.);

- база данных о коэффициентах проницаемости современных стекол в диапазоне 220-320 нм, в том числе при разных углах падения солнечного луча на стекло. Расчет начинается традиционным способом, то есть

определяется ориентация светопроема, продолжительность солнечного облучения в часах и время суток, в которое это облучение происходит.

По времени суток определяется интенсивность прямой Уп) и рассеянной ^р) радиации для заданной широты местности с использованием базы данных Руководства по строительной климатологии (Пособие по проектированию. М.: Стройиздат, 1977. 327 с.). Для традиционных ориента-ций (В, ЮВ/ЮЗ, Ю, З) база данных содержит конкретные значения для Jп по часам суток.

Для произвольных ориентаций светопроема необходимо определить углы между направлением солнечного луча и нормалью к плоскости стекла (0) в те часы суток, в которые происходит облучение помещений.

Величина интенсивности УФ радиации, прошедшей через светопрозрачную конструкцию в помещение Jпом, представляет собой количество энергии, проходящее через 1 м2 площади светового проема за 1 час. Для определения общей энергии, приходящей в помещение через всю светопрозрачную площадь окна (окон), необходимо умножить Jпом (мВт . ч / м2) на площадь светопроема ^ = Ь . 1 м2):

400

Q = J . S = J

b . h, мВт . ч.

(3)

Это количество энергии производит санирующее действие как в объеме помещения (V, м3), так и на его поверхностях м2).

Объем помещения V, м3, определится как произведение ширины (В), глубины и высоты (Н) помещения:

V = B . L . H, м3.

(4)

: 300

N

200

о 100 et

105 ------

40

73 32

54 23

_L

_L

39 15

100 95 90 85 80 75

Бактерицидная эффективность, %

70

Рис. 4. Поверхностные (1), Дж/м2 и объемные (2), Дж/м3 дозы облучения для различных уровней бактерицидной эффективности (%) для золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и кишечной палочки (Escherichia Coli)

ния за вычетом площади окна ^ = Ь . 1, м2), поскольку площадь окна является не облучаемой площадью, а площадью, через которую поступает УФ радиация:

F = 2 (L . B)+2(L . H)+2(B . H) - b . h, м2

(5)

Доза УФ облучения в воздухе помещения определится как произведение Q (мВтч) на продолжительность облучения т (ч), отнесенное к объему помещения V (м3):

Дв = 3,6 Q . т / V, Дж/м3,

(6)

где т - продолжительность облучения (инсоляции) в часах, определенная одним из общепринятых методов; Q - общая энергия УФ радиации, пришедшая в помещение в те часы суток, в которое происходило облучение; 3,6 - переводной коэффициент мВт в Вт (1000) и 1 час в секунды (3600), то есть 3600/1000 = 3,6, для получения размерности дозы в Дж.

Доза УФ облучения на поверхностях помещения:

Дп = 3,6 Q . т / F, Дж/м2,

(7)

Площадь внутренних облучаемых поверхностей F, м2 определится площадью внутренних шести граней помеще-

Таблица 2

Ориентация светопроема Продолжительность инсоляции, ч Санитарно-гигиеническое воздействие инсоляции

по методике СанПиН 2.1.2.2645-10 по разработанной методике

Доза в воздухе помещения, Дж/м3 Доза на поверхности помещения, Дж/м2 Бактериальная эффективность облучения

В 2 (7-9 ч) да 6,6 нет 3,8 нет нет

3 (7-10 ч) да 13,6 нет 8 нет нет

ЮВ 2 (9-11 ч) да 27 нет 15,6 да нет

3 (9-12 ч) да 41,5 да 24 да да

Ю 2 (11-13 ч) да 41,8 да 24,1 да да

где F - площадь внутренних облучаемых поверхностей помещения за вычетом площади окна, м2; 3,6; Q и т - то же, что и в формуле (6).

Полученные в расчете дозы УФ облучения для воздуха помещений (Дв) и его поверхностей (Дп) сопоставляются по рис. 4 с дозами, которые обеспечивают требуемый 70%-й уровень бактерицидной эффективности.

Если требуемый уровень бактерицидной эффективности не достигнут при нормативной продолжительности инсоляции, то в предлагаемой методике сформулированы предложения по регулированию дозы УФ облучения, которые включают в себя:

- увеличение продолжительности инсоляции до получения заданной дозы УФ облучения;

- подбор типа стекол с большей величиной их проницаемости в диапазоне (220-320 нм) УФ спектра;

- увеличение размеров светового проема, что увеличивает общее количество УФ энергии, поступающей в помещение;

Научно-технический и производственный журнал

Доклады V Академических чтений «Актуальные вопросы строительной физики»

- изменение размеров помещений, что изменяет его объем (V) и площадь поверхностей

- изменение ориентации светопроемов по румбам, что изменит время суток при облучении, а следовательно, интенсивность и дозу УФ радиации, а также проницаемость стекол при изменении угла 0.

Описанная методика представлена также в виде разработанной компьютерной программы РаиН 2013, которая позволяет по введенным исходным данным получить величину дозы УФ облучения в воздухе помещений и на его поверхностях в автоматическом режиме.

В табл. 2 приведено сравнение результатов расчета инсоляции по разработанной методике и методике СанПиН 2.1.2.2645-10 при нормированной методике облучения. В качестве объекта для сравнения методик взято типовое жилое помещение в условиях Казани.

Из таблицы следует, что существующая методика СанПиН при всех ориентациях и при облучении в любое время суток дает положительный результат. Предлагаемая методика расчета через определение доз УФ облучения не во всех случаях дает положительный результат. Помещения восточной и юго-восточной ориентаций за 2 ч инсоляции не получают ту дозу УФ радиации, которая обеспечивает 70%-й уровень бактерицидной эффективности. Увеличение продолжительности инсоляции до 3 ч облучения помещения юго-восточной ориентации способствует получению необходимой дозы УФ радиации. И только помещение южной ориентации получает требуемую дозу УФ облучения за нормируемые 2 ч инсоляции. Таким образом, использование для расчетов инсоляции действующих нормативных документов не обеспечивает необходимого санитарно-гигиенического благополучия жилых помещений.

В издательстве «Стройматериалы» Вы можете приобрести специальную литературу

Отечественный опыт возведения зданий с наружными

Книга «Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК)»

Авторы - д-р техн. наук С.Б. Турковский, канд. техн. наук А.А. Погорельцев, канд. техн. наук И.П. Преображенская

Книга содержит примеры из опыта применения различных типов конструкций в современном строительстве. Особенность применяемой системы состоит в использовании нового вида соединений в узловых сопряжениях и стыках конструкций, открывающего новые возможности клееной древесины. Система позволяет получить большепролетные сборные конструкции повышенной надежности, в том числе уникальные. Кроме того, теперь имеется возможность на основе серийно изготавливаемых унифицированных элементов создавать самые различные конструктивные системы - как по форме, так и по размерам. Система создана на основании длительных исследований (с 1974 г.), проводимых сотрудниками лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, а также опыта проектирования, изготовления и применения клееных деревянных конструкций за последние 15-20 лет. Книга содержит материалы, рекомендуемые работникам проектных организаций, студентам, аспирантам, инженерамстроителям и др.

Альбом «Малоэтажные дома. Примеры проектных решений»

Авторы - академик РААСН Л.В. Хихлуха, канд. архитектуры Н.М. Согомонян, архитекторы Ю.В. Лопаткин, И.Л. Хихлуха

Альбом включает разделы: «Односемейные жилые дома», «Многосемейные жилые дома», «Эстетические качества жилища», «Градостроительные группы». Предназначен для архитекторов, специалистов, занятых вопросами жилищного строительства, для органов исполнительной власти в области архитектуры и строительства, а также для частных застройщиков; может быть использован как методическое пособие для студентов вузов.

Книга «Отечественный опыт возведения зданий с наружными стенами из облегченной кладки»

Автор - канд. техн. наук М.К. Ищук

На конкретных примерах зданий, возведенных в конце 1990-х гг. рассмотрены различные дефекты наружных стен с лицевым слоем из кирпичной кладки. Приведены результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований наружных облегченных стен, инженерные методы расчета различных воздействий на наружные многослойные стены с учетом поэтапности и длительности возведения, включая температурно-влажностные, а также конструктивные требования по назначению расстояния между горизонтальными и вертикальными швами, к конструкциям гибких связей и армированию кладки. Книга предназначена для работников проектных и контролирующих качество строительства организаций.

Книга «Керамика вокруг нас»

Авторы - канд. техн. наук А.М. Салахов, Р.А. Салахова

Керамика представлена как искусство и как продукт тонкой технологии. Показано, что свойства керамических изделий определяются химическим, минералогическим и гранулометрическим составом исходных компонентов, а также технологическими параметрами их переработки. Подробно рассмотрены глинистые минералы как основа керамического сырья. Проведено сравнение микроструктуры и минералогического состава различных видов обожженных керамических изделий, изготовленных как несколько веков назад, так и в наши дни.

Книга предназначена специалистам предприятий, производящих керамические материалы, ученым-материаловедам, преподавателям, аспирантам и студентам вузов технологических и архитектурно-строительных специальностей. Будет полезна архитекторам и проектировщикам, работающим в области жилищного и гражданского строительства.

Для приобретения специальной литературы обращайтесь в издательство «Стройматериалы» Тел./факс: (499) 976-22-08, 976-20-36 E-mail: [email protected] www.rifsm.ru

t щ ■ 1

«а „оХ

шг/ г*