ВЛИЯНИЕ ТЕПЛО-ВЕТРОВОГО РЕЖИМА ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ НА ЭКОЛОГИЮ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

О

i-^

X

X с

X X

CD

CD

УДК 504.054 DOI: 10.24412/1816-1863-2023-4-80-85

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛО-ВЕТРОВОГО РЕЖИМА ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ НА ЭКОЛОГИЮ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

§ Б. И. Гиясов, канд. техн. наук, доцент, Национальный исследовательский Московский

и о

х

X giyasovruslan111@mail.ru, г. Москва, Россия и

государственный строительный университет, dandyr@mail.ru, г. Москва, Россия, Р. Б. Гиясов, инженер-проектировщик, «ООО Олимпроект-Гео»,

Рост экономики ведущих стран м ира приводит к активному развитию мегаполисов и изменению

О городских территорий. В последнее время все больше возводится современных гражданских зда-

О ний высокой этажности, увеличивается плотность городских территорий и активность транспор-

ю тной инфраструктуры. В результате этого меняется структура городской застройки, что приводит О

х ведение современных гражданских зданий, рост количества транспорта приводит к активному

к изменению аэрации и ухудшению экологии. Совершенствование городских территорий, воз-

потреблению энергоресурсов. Энергопотребление городскими объектами и транспортом увеличивает содержание токсичных веществ в городской среде. В связи с этим усугубляется экологи-^ ческая обстановка как отдельных городских территорий, так и всего города. Кроме того, строи-О тельство новых кварталов с высотной архитектурой и плотной застройкой нарушают сложив-¡^ шийся аэрационный режим местности. В результате нарушения условий аэрации в городских ¡£ и м еждомовых пространствах формируются зоны с большой концентрацией загрязняющих ве-Ф ществ. В статье проведен анализ источников загрязнения окружающей среды и обозначены ис-х точники, характерные для крупнейших городов. Представлены результаты натурных наблю-^ дений и исследований междомового пространства, на основе которых выявлена роль конвек-£ тивных потоков термического происхождения в воздухообмене городского пространства. При О отсутствии аэрации городских пространств, конвективные потоки, возникающие за счет разно-q сти температур поверхностей застройки, возникающие от нагрева их солнечной радиацией, могут сыграть важную роль в улучшении экологии окружающей среды.

The economic growth of the leading countries of the world leads to the active development of megacities and changes in urban areas. Recently, more and more modern high-rise civil buildings have been erected, the density of urban areas and the activity of transport infrastructure are increasing. As a result of this, the structure of urban development changes, which leads to changes in aeration and environmental deterioration. The improvement of urban areas, the construction of modern civil buildings, and the increase in the number of transport lead to active consumption of energy resources. Energy consumption by urban facilities and transport increases the content of toxic substances in the urban environment. In this regard, the environmental situation of both individual urban areas and the entire city is worsening. In addition, the construction of new neighborhoods with high-rise architecture and dense buildings violates the existing aeration regimes of the area. As a result of violation of aeration conditions, zones with a high concentration of pollutants are formed in urban and inter-house spaces. The article analyzes the sources of environmental pollution and identifies the sources characteristic of the largest cities. The results of field observations and studies of the interhouse space are presented, on the basis of which the role of convective flows of thermal origin in the air exchange of urban space is revealed. In the absence of aeration of urban spaces, convective flows arising from the difference in temperature of building surfaces resulting from their heating by solar radiation can play an important role in improving the ecology of the environment.

Ключевые слова: экология, городская среда, аэрация, энергопотребление, штилевые условия, городской транспорт, конвективные потоки, плотная застройка.

Keywords: ecology, urban environment, aeration, energy consumption, calm conditions, urban transport, convective currents, dense buildings.

80

Введение

Экологическая ситуация современных городов, являясь одной из наиболее значимых явлений современности, изменяется в связи с активным ростом городских зданий и численности населения. Городская экология формируется вследствие взаимодействия городской среды с живы-

ми организмами и городским населением. Растущее желание людей проживать в современных городах вызывает потребность в благоустроенных жилых зданиях. Темпы роста городского населения почти в два раза превышает рост численности населения мира. Технический прогресс, характерный крупнейшим городам, определенным образом влияет на экологию

окружающей среды. Концентрация населения, гражданских и промышленных зданий, активность транспорта на сравнительно небольших территориях негативно сказывается на экологии воздушного бассейна современных городов. К тому же увеличение плотности населения способствует росту современных зданий и развитию транспортной и инженерной инфраструктур, что меняет сложившиеся микроклиматические, экологические условия, а также тепло-ветровой режим городских территорий. Это происходит в связи с интенсивной хозяйственной деятельностью и активностью населения городов и транспортных сетей [1—3].

Модели и методы

На экологию городской среды влияют источники загрязнения, которые подразделяются на естественные и искусственные (рис. 1) [4]. Естественные источники загрязнения возникают вследствие естественных природных явлений.

Искусственные (антропогенные) источники загрязнения формируются в результате активной деятельности человека. Формирование антропогенных источников загрязнения больше наблюдаются в крупнейших городах и мегаполисах. Так как антропогенные источники загрязнения являются результатом хозяйственной

Рис. 1. Источники загрязнения окружающей среды

деятельности человека, их активность и отрицательное влияние на среду обитания человека можно регулировать.

Программа реновации, которая активно реализуется в городе Москве, требует особого внимания с точки зрения экологии. Снос малоэтажного ветхого жилого фонда и строительство новых многоэтажных зданий приводит к увеличению плотности застройки и населения. Вследствие этого появляется необходимость развития транспортной и инженерной инфраструктур, что увеличивает антропогенную нагрузку на городские территории. При этом новые жилые здания, в которых предусмотрены паркинги для личного автотранспорта жильцов, способствуют активному использованию личного транспорта горожанами. Вследствие этого на территориях, где реализуется программа реновации, увеличивается плотность застройки и концентрация населения. Кроме того, появляются высотные здания и увеличивается активность транспортного движения. Это приводит к тому, что меняются сложившиеся на этих территориях экологические и аэродинамические условия [5, 6].

Таким образом, современная городская застройка представляет собой плотно застроенные территории с многоэтажными зданиями с развитой транспортной инфраструктурой и большой концентрацией горожан. На таких территориях экологический баланс теряет равновесие в связи с активным использованием энергоресурсов автомобилями и плотно застроенными гражданскими зданиями, а также увеличением выработки бытовых отходов.

Загрязнение городской среды, по данным Международного энергетического агентства, больше всего происходит в результате использования топливно-энергетических ресурсов различными отраслями экономики (рис. 2).

Городской транспорт является основным потребителем топливно-энергетических ресурсов, ежедневное использование которого увеличивает количество выбросов вредных веществ в воздушную среду. Следовательно, современная городская застройка с развитой транспортной инфраструктурой является одной из причин нестабильной экологии, и городской транспорт следует рассматривать как один из основных источников загрязнения. Кроме того, современная плотная городская за-

тз а ш

о г>

-I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

о

п

а л

X

ТЗ

О

03 ^

а

с

а>

О-

Г> ^

X н

а

г> а>

а> т т

у

-I

о

03

81

О

IX

X с

X

X

ф

^

ф

и о

X

X ^

и

ф

и

о ^

т

О

СР

X

X

о

о

т

I-

и

Ф

IX

о

СР

I-

и о а о

Промышленность 8,5 %

Рис. 2. Потребление нефтепродуктов по отраслям

стройка, изменяя воздухообмен территорий, способствует концентрации вредных выбросов. Очевидно, что при таких условиях тепло-ветровой режим, который формируется в городских территориях, может играть важную роль в экологии окружающей среды. Выбор оптимальных планировочных решений городского пространства может улучшить тепло-ветровой режим территорий и снизить негативное влияние источников загрязнения.

Известно, что продуктами выбросов, загрязняющими атмосферу при сжигании топливно-энергетических ресурсов, явля-

ются такие вещества, как диоксид углерода, диоксид серы и диоксид азота. На рисунке 3 [7] представлена диаграмма, отражающая долю стран в загрязнении атмосферы этими веществами. Из рисунка видно, что Россия занимает второе место по выбросам этих элементов. В воздушном пространстве городских территорий наблюдаются значительное их содержание. Они оказывают отрицательное воздействие на здоровье человека и могут вызвать отравление, нарушая окислительные процессы в организме, а при больших дозах содержания их в крови могут вызвать потерю сознания и смерть.

Общий объем выбросов на территории РФ составляет 35 млн т в год. Из них на автомобильный транспорт приходится 60 %. На различные производственные предприятия, ТЭЦ, отопительные котельные приходится 40 % выбросов [8, 9].

Таким образом, задача снижения экологической нагрузки на городскую среду может быть решена поиском путей уменьшения потребления энергоресурсов. Для этого необходимо активно внедрять технологии использования альтернативной энергетики. В связи с активным развитием городского строительства, инженерной и транспортной инфраструктуры полная замена углеводородного топлива возобновляемой энергией представляется невозможной. При этом необходимо отметить, что ухудшение экологической ситуации в городских пространствах происхо-

а)

Jl /и1 /и

и™*

Рис. 4. Аэрационная модель: а — в озелененной городской территории; б — на территории городского пространства с плотной застройкой; в — в разных фрагментах городской застройки

дит из-за высокой концентрации вредных веществ. В пространствах крупнейших городов концентрация этих веществ превышают пределы допустимого. Так как эти вещества в 1,5—2 раза тяжелее воздуха, их концентрация наблюдается на деятельной поверхности городских территорий. Кроме того, в дворовых пространствах современных городов в связи с плотной застройкой нарушена аэрация территорий и формируются устойчивые зоны с застоя-

ми воздуха. Особенно явно это наблюдается в летний период в городах с жаркими климатическими условиями. Все эти факторы значительно ухудшают экологию дворовых пространств и усиливают влияние загрязняющих веществ на окружающую среду и человека [10].

Результаты и обсуждение

Обеспечение необходимого воздухообмена в замкнутых дворовых пространствах является одним из путей улучшения качества воздушной среды. Для решения этой задачи необходимы анализ и исследование процессов формирования конвективных воздушных потоков термического происхождения в дворовом пространстве при штилевых условиях. Для изучения этих процессов были проведены натурные наблюдения дворовых пространств с типовой застройкой плотно застроенных территорий города Махачкала и выявлены характерные зоны движения воздушных масс в прилегающей к зданию территории. На основе натурных наблюдений и анализа были построены аэрационная модель городского пространства (рис. 4) и схема развития воздушных потоков в м еж-домовом пространстве в зависимости от условий инсоляции (рис. 5).

Вследствие сложных теплообменных процессов, которые формируются в дворовом пространстве, возникают неупорядоченные конвективные потоки вблизи горизонтальных поверхностей. Однако у

тз а ш

о г>

-I

тз

о

-I

а>

О-

Г> -I 03

о

п

а л

X

ТЗ

О

03 ^

а

с

а>

О-

Г> ^

X н

а

г> а>

а> т т

у

-I

о

03

Рис. 5. Схема формирования воздушных потоков термического происхождения

в неозелененном дворе

83

О

i-^

X

X с

X X

CD С CD U D X

X ^

и

CD U

D ^

m

О

CP

S

X

D

О m i-

U

CD iX О CP

I-

u о a D

150

100

pq

50

0

1-1-1-1-1-Г

01 23456789 10 Максимальная скорость восходящих воздушных потоков, м/с

Рис. 6. Формирование восходящих воздушных потоков термического происхождения

вертикальных инсолируемых и затененных поверхностей зданий формируются ярко выраженные восходящие и нисходящие конвективные потоки [11—14].

Количественная оценка пристенного конвективного потока была проведена с помощью полуэмперической формулы Щепелева И. А. (1) [15]. Максимальная скорость движения конвективного потока определяется по формуле:

Vz = kljgqz/cppxTx, m/s

(1)

где — коэффициент, равный по Щепе-леву И. А. 2,32, по результатам наших исследований 2.6; g — ускорение свободного падения, м/с3; q — поток конвективного тепла, направленный от греющей стены, Вт/м2; ^ — высота, м; ер — теплоемкость воздуха, кДж/кг- К; — объемная масса ограждающего воздуха, кг/м2; Тх — температура воздуха окружающей среды вне зоны конвективного потока, °С.

В городском пространстве разность температур облучаемых солнечными лучами и затененных поверхностей улиц и дворов формируют местную циркуляцию воздуха. Над поверхностью освещенных

стен возникают восходящие д вижения воздушных потоков, над затененными стенами — нисходящие. Городские водоемы способствуют развитию дневной местной циркуляции от водоема к городским участкам, а ночью — наоборот. В зависимости от высоты здания наблюдается увеличение скорости восходящих конвективных у наружных поверхностей стен до 10 м/с, что играет важную роль в воздухообмене придомового пространства (рис. 6).

Таким образом, в дворовых пространствах с типовой застройкой инсолируе-мые поверхности стен и прилегающей территории формируют воздушные потоки термического происхождения. Циркуляция нисходящих и восходящих конвективных потоков способны обеспечить необходимую аэрацию замкнутых дворовых пространств при недостаточном воздухообмене.

Выводы

Современным мегаполисам характерны многоэтажные современные кварталы с высотной архитектурой, которая нарушает сложившуюся аэрацию, что приводит к ухудшению экологической ситуации. Для обеспечения необходимого воздухообмена можно использовать конвективные потоки, возникающие в результате разности температур деятельной поверхности территорий. Под воздействием инсоляции поверхностей застройки в дворовых пространствах формируются воздушные потоки термического происхождения. Регулирование и правильный учет конвективных потоков при планировании городских территорий, благоустройстве и озеленении может способствовать формированию естественной аэрации и улучшить экологию территорий современных городов.

Библиографический список

84

1. Скрипченкова С. Ю. Воздействие ветровых нагрузок на высотные здания // Астраханский вестник экологического образования. — 2017. — № 2 (40). — С. 103—108.

2. Колубков А. Н. Высотные жилые комплексы // АВОК. — 2005. — № 4. — C. 12—21.

3. Магай А. А., Дубынин Н. В. Современное стекло светопрозрачных фасадов многофункциональных высотных зданий // Вестник МГСУ. — 2010. — № 3. — С. 36—42.

4. Степанова Н. В., Шлычков А. П. Влияние комплекса метеорологических условий на загрязнение атмосферного воздуха города // Казанский медицинский журнал. — 2004. — Т. 4. — Вып. 5. — С. 380.

5. Кочуров Б. И., Ивашкина И. В. Экологические критерии и показатели территориального планирования города // Проблемы региональной экологии. — 2010. — № 4. — С. 26—29.

6. Hachem-Vermette C. Multistory building envelope: Creative design and enhanced performance // Solar Energy. — 2018. — № 159. — P. 710—721.

7. Shtripling L. O., Bazhenov V. V. Emission Process System Organisation of Pollutants into the Atmosphere for Refinery Enterprises // Procedia Engineering. — 2015. — V. 113. — P. 349—356.

8. Пряхин В. Н., Большеротов А. Л., Рязанова Н. Е., Экологические проблемы плотно застроенных урбанизированных территорий // Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности. — 2009. — № 3. — С. 72—76.

9. Jintao Fu, Eric Detsi. Recent advances in nanoporous materials for renewable energy resources conversion into fuels // Surface and Coatings Technology. — 2018. — V. 347. — P. 320—336.

10. Гиясов А., Баротов Ю. Г. Роль зеленых насаждений в оздоровлении микроклимата городской застройки южных районов // Экология урбанизированных территорий. — 2018. — № 3. — C. 90—97.

11. Jingjing An, Da Yan. An improved method for direct incident solar radiation calculation from hourly solar insolation data in building energy simulation // Energy and Buildings. — 2020. — V. 227. — P. 110425.

12. Tovarovic J. C., Ivanovic-Sekularac J., Sekularac N. Renovation of existing glass facade in order to implement energy efficiency and media façade // Energy and Buildings. — 2017. — V. 152. — P. 653—666.

13. Малявина Е. Г. Расчет воздушного режима многоэтажных зданий с различной температурой воздуха в помещениях // АВОК. — 2008. — № 2. — C. 27—35.

14. Ghabra N., Rodrigues L., Oldfield P. The impact of the building envelope on the energy efficiency of residential tall buildings in Saudi Arabia // International Journal of Low-Carbon Technologies. — 2017. — V. 12. — P. 411—419.

15. Щепелев И. А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. — М.: Стройиздат, 1978. — 145 с.

INFLUENCE OF HEAT-WIND REGIME IN URBAN TERRITORIES ON THE ENVIRONMENTAL ECOLOGY

B. I. Giyasov, Ph. D. (Technical sciences), associate professor, National research Moscow state university of civil engineering, dandyr@mail.ru, Moscow, Russia,

R. B. Giyasov, design engineer, LLC "Olimproekt-Geo", giyasovruslan111@mail.ru, Moscow, Russia

References

1. Skripchenkova S. Yu. Vozdejstvie vetrovyx nagruzok na vy'sotnye zdaniya [Impact of wind loads on high-rise buildings]. Astraxanskij vestnike'kologicheskogo obrazovaniya. 2017. № 2 (40). P. 103—108 [in Russian].

2. Kolubkov A. N. Vy'sotny'e zhilye kompleksy' [High-rise residential complexes]. AVOK. 2005. № 4. P. 12—21 [in Russian].

3. Magaj A. A., DubyJnin N. V. Sovremennoe steklo svetoprozrachnyx fasadov mnogofunkcionalnyx vy'sotnyx zdanij [Modern glass translucent facades of multifunctional high-rise buildings]. Vestnik MGSU. 2010. № 3. P. 36—42 [in Russian].

4. Stepanova N. V., Shly*chkov A. P. Vliyanie kompleksa meteorologicheskix uslovij na zagryaznenie atmos-fernogo vozduxa goroda [The influence of a complex of meteorological conditions on air pollution in the city]. Kazanskij medicinskij zhurnal. 2004. № 5. P. 368—380 [in Russian].

5. Kochurov B. I., Ivashkina. I. V. E'kologicheskie kriterii i pokazateli territorialnogo planirovaniya goroda [Environmental criteria and indicators for city territorial planning.]. Zhurnal Problemy' regionalnoj ekologii. 2010. № 4. P. 26—29 [in Russian].

6. Hachem-Vermette C. Multistory building envelope: Creative design and enhanced performance. Solar Energy. 2018. № 159. P. 710—721.

7. Shtripling L. O., Bazhenov V. V., Emission Process System Organisation of Pollutants into the Atmosphere for Refinery Enterprises. Procedia Engineering. 2015. № 113. P. 349—356.

8. Pryaxin V. N., BoFsherotov A. L., Ryazanova N. E., E'kologicheskie problemy'plotno zastroennyx urban-izirovannyx territorij [Environmental problems of densely built-up urban areas.]. Zhurnal Vestnik RUDN, seriya E'kologiya i bezopasnost'zhiznedeyatelnosti. 2009. № 3. P. 72—76 [in Russian].

9. Jintao Fu, Eric Detsi. Recent advances in nanoporous materials for renewable energy resources conversion into fuels. Surface and Coatings Technology. 2018. № 347. P. 320—336.

10. Giyasov A., Barotov Yu. G. Rol' zelenyx nasazhdenij v ozdorovlenii mikroklimata gorodskoj zastrojki yuzh-nyx rajonov [The role of green spaces in improving the microclimate of urban development in the southern regions]. Zhurnal. E'kologiya urbanizirovannyx territorij. 2018. № 3. P. 90—97 [in Russian].

11. Jingjing An, Da Yan. An improved method for direct incident solar radiation calculation from hourly solar insolation data in building energy simulation. Energy and Buildings. 2020. № 227. P. 110425.

12. Tovarovic, J. C., Ivanovic-Sekularac, J., Sekularac, N. Renovation of existing glass facade in order to implement energy efficiency and media façade. Energy and Buildings. 2017. № 152. P. 653—666.

13. Malyavina E. G. Raschet vozdushnogo rezhima mnogoe'tazhnyx zdanij s razlichnoj temperaturoj vozduxa v pomeshheniyax [Calculation of the air regime of multi-story buildings with different indoor air temperatures]. AVOK. 2008. № 2. P. 27—35 [in Russian].

14. Ghabra, N., Rodrigues, L., Oldfield, P. The impact of the building envelope on the energy efficiency of residential tall buildings in Saudi Arabia. International Journal of Low-Carbon Technologies. 2017. № 12. P. 411—419.

15. Shhepelev I. A., Aerodinamika vozdushnyx potokov v pomeshhenii [Aerodynamics of indoor air flows]. Moskva. Strojizdat, 1978. 145 p. [in Russian].

T3 Q m

О n

-I

тз о s

-I

CD

O-

Г) -I 03

о

п

Q X

s

ТЗ

О

03

Q

П CD

O-

Г) S

X н

Q

Г) CD

CD X X

У

X -I

О

03

85