CC BY
161
УЕБТЫНС
мвви
БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.
ГЕОЭКОЛОГИЯ
УДК 620/91 + 711
О.О. Егорычев, И.В. Дуничкин
ФГБОУВПО «МГСУ»
ВОПРОСЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ МИКРОКЛИМАТА ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ЗАСТРОЙКИ1
Освещены вопросы прогнозирования микроклимата города на примере г Москва. Рассмотрена климатическая структура такого города как Москва. Указана взаимосвязь ветрового режима с климатическими и градостроительными факторами. Представлены возможные подходы к оценке ветроэнергетического потенциала застройки. Проанализирован зарубежный опыт и классификация факторов, влияющих на размещение ветроэнергетических установок. Приведены различные примеры размещения малых ветроэнергетических установок мощностью 1 кВт и подходы к проектированию модифицированных проектных решений застройки. Указана возможность детализации данных микроклимата о ветровом режиме для размещения ветроэнергетических установок с учетом городского благоустройства и озеленения. Рассмотрен вопрос первичной привязки ветроэнергетических установок в застройке на основе ветроэнергетического потенциала зданий и территории.
Ключевые слова: микроклимат, ветровой режим, ветроэнергетический потенциал, малые ветроэнергетические установки.
Прогноз микроклимата в городской застройке необходим не только для регулирования температурно-влажностного режима, загазованности и запыленности воздуха, обоснования плотности жилого фонда, повышения эффективности использования территории города и др., а также для многофакторной оценки ветроэнергетического потенциала городской застройки и территории [1]. В коллективных работах О.И. Поддаевой и других авторов указывается один из основных критериев оценки ветроэнергетического потенциала: «информация о среднегодовых скоростях ветра по территории позволяет сориентироваться на перспективную выработку электроэнергии...» [2] и вероятные реальные условия, в которых методики оценки микроклимата применимы для принятия решения об эффективности работы ветроэнергетических установок: «застойные зоны воздуха свидетельствуют о неэффективности размещения ветроэнергетических установок, в первую очередь горизонтально-осевого типа» [3, с. 225]. Поэтому для принятия решения по объектам на локальном уровне необходимо среднегодовые скорости ветра анализировать совместно с другими факторами микроклимата. В связи с этим требуется определять взаимосвязь ветрового режима с объектами городской среды, физико-техническими
1 В рамках ГК 16.552.11.7064 от 13.07.2012 г
факторами, формирующими климат на всех уровнях. Это влечет, в свою очередь, необходимость представления схемы их взаимодействия как основы для оценки ветроэнергетического потенциала. В качестве модели воздушного пространства поселений использована разработка в виде двухъярусной структуры на основе трудов Ф.Л. Серебровского (рис. 1) [4, с. 34].
В [5, с. 120] П.П. Коваленко дополнил эту схему трехступенчатой градацией шероховатости подстилающей поверхности (макро-, мезо-, микро-), которым в нижнем приземном ярусе воздушных масс соответствуют основные уровни аэрационного режима как слагающие микроклимата, являющиеся исходными данными для оценки ветроэнергетического потенциала. Скорость и направление движения воздушных масс формируется под влиянием факторов географической среды только выше границы нижнего (приземного) яруса.
Свободная атмосфера > 1000...1500 м
Верхний ярус воздушных масс > 50...200 м; < 1000... 1500 м
Нижний (приземный) ярус воздушных масс < 50...200 м МАКРОУРОВЕНЬ > 25 м; < 50...200 м ¡rh i—i
Рис. 1. Схема воздушных пространств поселений (по Ф.Л. Серебровскому)
Анализ воздушного пространства над городом показывает, что его можно представить как различные слои — верхние (до 1000 м) и нижние (до 200 м). Зона открытого движения воздуха представлена верхними слоями. Зона движения воздуха с препятствиями представлена нижними слоями. Они делятся на макроуровень, мезоуровень и микроуровень:
до 200 м над поверхностью земли оказывает влияние в основном высокоэтажная застройка (например, башенного типа) — это макроуровень;
до 25 м над поверхностью земли оказывает влияние вся застройка (высокоэтажная, среднеэтажная, частично малоэтажная) — это мезоуровень;
до 3 м над поверхностью земли оказывают влияние высокоэтажная, сред-неэтажная и малоэтажная застройки, а также элементы благоустройства и озеленение — это микроуровень.
Здесь можно сделать вывод о том что, каждый городской объект влияет на ветровой режим на соответствующем уровне, испытывая при этом на себе воздействие от этих уровней в зависимости от градостроительной организации пространства.
В [6] дана обобщенная оценка ветрового климата г. Москвы: «.... поле скорости над городом почти всегда имеет сложную структуру. Даже в том случае, когда погодная ситуация максимально проста (например, безоблачное небо и слабый ветер в центре обширной зоны высокого давления), небольшие локальные различия в свойствах подстилающей поверхности, к которым относятся формы рельефа, параметры застройки, вызывают неупорядоченные воздуш-
ные течения. Поэтому широкие обобщения о влиянии городов на ветровой режим, встречающиеся в литературе, могут быть, в лучшем случае, отправными точками для понимания механизмов этого влияния» [6, с. 80]. Эта оценка еще раз подтверждает необходимость структурировать ветроэнергетический потенциал в соответствии с системой уровней городского климата. Таким образом, систематизация элементов воздушной среды позволяет в дальнейшем выполнять уровенную оценку ветроэнергетического потенциала.
Для решения вопроса прогнозирования микроклимата необходимо отметить, что Москва является городом «двух сезонов», поэтому при архитектурно-климатическом анализе обычно решается одновременно 2 задачи: защита от ветра и холодового стресса в зимнее время и обеспечение аэрации и комфортных микроклиматических условий летом. Хотя, анализируя современную проектную практику, следует отметить, что она не соответствует в полной мере классическим рекомендациям ЦНИИП градостроительства и зарубежных ученых [7—9]. Возникает вопрос о поиске инструмента учета в практике проектирования результатов прогнозирования микроклимата для оценки ветроэнергетического потенциала, а в связи с этим — еще одна задача, относящаяся ко всем сезонам года, — определение оптимальных мест для расположения малых ветроэнергетических установок.
Этапами учета природно-климатических условий при планировке новой и реконструкции существующей застройки являются:
выявление комплекса природно-климатических и градостроительных факторов и установление их взаимосвязи применительно к конкретной стадии строительного проектирования и градостроительной ситуации;
проведение оценки по комплексу выявленных природных факторов; разработка системы требований по защите городской среды от неблагоприятного воздействия природных условий;
разработка предложений по рациональному использованию природных ресурсов, а именно энергии ветра и солнца;
разработка градостроительных и архитектурно-строительных решений, обеспечивающих практическую реализацию выявленных требований.
Градостроительное освоение территории вызывает целый ряд последствий в мезо- и микроклиматической обстановке местности. Их причиной является изменение условий мезо- и микромасштабной циркуляции атмосферного воздуха в результате появления новых строительных объемов, изменение теплового баланса за счет эмиссии техногенного тепла и изменения альбедо (отражательной способности) подстилающей поверхности, повышается коэффициент поверхностного стока с застраиваемой территории и т.д. В результате исследований учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций ФГБОУ ВПО «МГСУ» были выявлены в более мелком масштабе наиболее значимые микроклиматические процессы, которые состоят:
в изменении условий инсоляции территории, учитываемых при расположении фотоэлектрических панелей в застройке;
образовании зон устойчивого снижения скорости ветра, с загрязненным воздухом;
ВЕСТНИК
МГСУ-
6/2013
формировании зон теплового дискомфорта — перегрева летом и переохлаждения зимой;
образовании зон усиления скорости ветра при определенных его направлениях на границе застройки, оптимальных для расположения малых ветроэнергетических установок.
Таким образом, получение информации о расположении в пространстве сезонных зон усиления ветра позволяет переходить к оценке ветроэнергетического потенциала для размещения малых ветроэнергетических установок.
Характерные примеры расположения ветроэнергетических установок в пространстве городской застройки можно рассмотреть в работе М. Дж. Даффи (рис. 2—5) [10].
Рис. 2. Визуализация малых ветроэнергетических установок CATIA V5 на углу знания («Figure 8-1: CATIA V5 render of building corner mounted small wind turbines») [10, pp.
31—33, 78]
Рис. 3. Визуализация малой ветроэнергетической установки CATIA V5 на стене знания («Figure 8-2: CATIA V5 render of building wall mounted small wind turbines») [10, pp. 31—33, 78]
Рис. 4. Визуализация малой ветроэнергетической установки CATIA V5 на мачте городского освещения («Figure 8-5: CATIA V5 render of street light pole mounted small wind turbines») [10, pp. 31—33, 78]
Рис. 5. Визуализация малой ветроэнергетической установки CATIA V5 на крыше здания («Figure 11-6: A CATIA V5 render of various mounting configurations for a small wind turbine on a building, including mounting to the walls and corners») [10, pp. 31—33, 78]
Приведенные выше рисунки демонстрируют возможность метрического расположения ветроэнергетических установок, что позволяет при прогнозе микроклимата оценивать ветроэнергетический потенциал с учетом рядно-метрического размещения оборудования. Однако в российских условиях ряд факторов также будет влиять на размещение оборудования, а значит на точность оценки ветроэнергетического потенциала. Согласно Т.В. Прохоровой «основ-
ными факторами влияющими на размещение ветроэнергетической установки на зданиях вляются следующие:
климатический фактор (скорость ветра в нижнем ярусе воздушных масс, использование карт ветровой обстановки);
ветровой режим (скорость ветра на мезоуровне городской среды, данные метеостанций);
планировочная ситуация застройки (скорость ветра на локальном уровне городской среды, данные численного моделирования и физические эксперименты);
экологические ограничения (взаимовлияние ветроэнергетической установки аэрационного режима и распределения загрязненных масс воздуха, шумовое загрязнение);
архитектурно-конструктивные ограничения (конструктивная схема и несущая способность конструкций);
архитектурно-эстетические ограничения (целостность композиции здания и ветроэнергетической установки);
подобное комплексное ориентирование позволяет вести дальнейшую разработку типологии по энергетической автономности» [11, с. 125].
Таким образом, складывается типологическая взаимосвязь между факторами микроклимата, комплексно взаимодействующими с ветроэнергетическим потенциалом застройки и территории города, в которую необходимо добавлять конструктивные условия самой застройки и конструктивные ограничения малых ветроэнергетических установок, а также требования безопасности [12]. Подводя итог, следует отметить, что по обобщенной оценке на основании прогноза микроклимата, например г. Москвы, первоочередные объекты исследования — это башенная и разноэтажная застройка, в которой наблюдается повышение ветроэнергетического потенциала. Наиболее часто это встречается при расстановке зданий, в которой низкое здание, встречающее поток воздуха, расположено перед следующим за ним высоким, так как это связано с увеличением турбулентности воздушного потока [13]. Корректировка методов оценки ветроэнергетического потенциала согласно проанализированным материалам позволит не только оценить потенциал застройки и территории, но и детализировать эти данные для благоустройства и озеленения. Это даст возможность рассмотреть целесообразность размещения ветроэнергетических установок. Так может выполняться первичная привязка ветроэнергетических установок в застройке.
Библиографический список
1. Climate booklet for urban development: references for zoning and Planning. Baden-Wurttemberg Innen Ministerium, Stuttgart, 2004.
2. Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Кочанов О.А. Основные подходы к исследованию возобновляемых источников энергии как энергетического потенциала территорий и застройки // Вестник МГСУ 2012. № 10. С. 221—228.
3. Поддаева О.И., Дуничкин И.В., Прохорова Т.В. Влияние пространственной организации реконструируемой жилой застройки на ветроэнергетический потенциал среды // Вестник МГСУ 2013. № 2. С. 221—228.
4. Серебровский Ф.Л. Аэрация населенных мест. М. : Стройиздат, 1985. 170 с.
5. Коваленко П.П., Орлова Л.Н. Городская климатология. М. : Стройиздат, 1993. 144 с.
6. Город, архитектура, человек и климат / М.С. Мягков, Ю.Д. Губернский, Л.И. Конова, В.К. Лицкевич ; под ред. М.С. Мягкова. М. : Архитектура-С, 2006. 320 с.
7. Руководство по оценке и регулированию ветрового режима жилой застройки. М. : ЦНИИП градостроительства, 1986.
8. Lawson T.V. The Wind Content of the Built Environment // Journal of Industrial Aerodynamics, 3. 1978. Pp. 93—105.
9. Oke T.R. Street Design and Urban Canopy Layer Climate // Energy and Buildings, Vol. 11. 1988. Pp. 103—113.
10. Duffy M.J. Small wind turbines mounted to existing structures. Thesis for the Degree of Master of Science in Aerospace Engineering. Georgia Institute of Technology. Atlanta. USA. 2010. P. 105.
11. Прохорова Т.В. Особенности и перспективы развития ветроэнергетики в урбанизированной среде // Вестник Поволжья. 2013. № 2. С. 121—128.
12. Лазарева И.В. Urbi et orbi. Пятое измерение города // Тр. РААСН. Сер. Теоретические основы градостроительства. М. : ЛЕНАНД, 2006. 80 с.
13. Ghiaus С., Allard F., Santamouris M., Georgakis C., Nicol F. Urban environment influence on natural ventilation potential //Building and Environment, Volume 41, Issue 4. 2006. рp. 395—406.
Поступила в редакцию в мае 2013 г.
Об авторах: Егорычев Олег Олегович — доктор технических наук, научный консультант учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ol3ol@narod.ru;
Дуничкин Илья Владимирович — кандидат технических наук, заместитель руководителя учебно-научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций, доцент кафедры проектирования зданий и градостроительства, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ecse@bk.ru.
Для цитирования: Егорычев О.О., Дуничкин И.В. Вопросы прогнозирования микроклимата городской среды для оценки ветроэнергетического потенциала застройки // Вестник МГСУ 2013. № 6. С. 123—131.
O.O. Egorychev, I.V. Dunichkin
CLIMATE PROJECTIONS FOR THE URBAN ENVIRONMENT IN THE ASSESSMENT OF THE WIND ENERGY POTENTIAL OF BUILDINGS
Moscow climate is applied by the authors to study particular issues of climate projections. As part of the research, the authors developed the climatic structure of Moscow. The authors identified the interrelation between climatic and urban planning factors, on the one hand, and wind conditions, on the other hand. The urban climate is essential from the viewpoint of temperature, humidity, gas concentration, and air pollution. Any research into the urban climate includes the study of the residential housing density, efficient use of urban facilities, as well as the multi-component assessment of the wind energy potential.
Any climate projections are based on the fact that Moscow is a city of the "two seasons"; therefore, any architectural and climatic analysis is employed to resolve two problems at the same time: one problem consists in the protection from wind and cold stress in winter, and the other one consists in the aeration and development of comfortable conditions in summer. The analysis of contemporary design solutions has proven that contemporary urban designers do not follow all scientific recommendations. The objective of the research is to develop the instrument that will make it possible to take account of climate projections in the assessment of the wind power potential. The practical objective is the identification of optimal locations of small wind turbines.
The relationship between the wind pattern and urban planning factors is analyzed in the article. The authors provide approaches to the assessment of the wind energy potential of cities on the basis of the analysis of the international experience and classification of factors influencing the positioning of wind turbines. They also demonstrate various examples of arrangement of small wind turbines with a capacity of 1 kW. Moreover, the authors provide advanced design solutions for wind turbines. This publication is made within the framework of State Contracts 16.552.11.7064, 13.07.2012.
Key words: microclimate, wind pattern, wind energy potential, small wind turbines.
References
1. Climate Booklet for Urban Development: References for Zoning and Planning. Baden-Wurttemberg Innen Ministerium, Stuttgart, 2004.
2. Poddaeva O.I., Dunichkin I.V., Kochanov O.A. Osnovnye podkhody k issledovaniyu vozobnovlyaemykh istochnikov energii kak energeticheskogo potentsiala territoriy i zastroyki [Basic Approaches to Research into Renewable Sources of Energy as the Energy Potential of Territories and Built-up Areas]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 221—228.
3. Poddaeva O.I., Dunichkin I.V., Prokhorova T.V. Vliyanie prostranstvennoy organi-zatsii rekonstruiruemoy zhiloy zastroyki na vetroenergeticheskiy potentsial sredy [Effect of Spatial Organization Patterns of Restructured Residential Housing Areas on the Wind Energy Potential of the Environment]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 2, pp. 221—228.
4. Serebrovskiy F.L. Aeratsiya naselennykh mest [Aeration of Populated Areas]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1985, 170 p.
5. Kovalenko P.P., Orlova L.N. Gorodskaya klimatologiya [Urban Climatology]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1993, 144 p.
6. Myagkov M.S., Gubernskiy Yu.D., Konova L.I., Litskevich V.K.; Myagkov M.S., editor. Gorod, arkhitektura, chelovek i klimat [City, Architecture, Man, and Climate]. Moscow, Arkhitektura-S Publ., 2006, 320 p.
7. Rukovodstvo po otsenke i regulirovaniyu vetrovogo rezhima zhiloy zastroyki [Guidebook for Assessment and Regulation of the Wind Regime of Residential Areas]. Moscow, TsNIIP gradostroitel'stva publ., 1986.
8. Lawson T.V. The Wind Content of the Built Environment. Journal of Industrial Aerodynamics. 1978, no. 3, pp. 93—105.
9. Oke T.R. Street Design and Urban Canopy Layer Climate. Energy and Buildings. 1988, vol. 11, pp. 103—113.
10. Duffy M.J. Small Wind Turbines Mounted to Existing Structures. Georgia Institute of Technology. USA, Atlanta, 2010, 105 p.
11. Prokhorova T.V. Osobennosti i perspektivy razvitiya vetroenergetiki v urbanizirovan-noy srede [Features and Prospects for Development of Wind Energy Generation in Urbanized Areas]. Vestnik Povolzh'ya [Proceedings of the Volga Regions]. 2013, no. 2, pp. 121—128.
12. Lazareva I.V. Urbi et orbi. Pyatoe izmerenie goroda [Urbi et orbi. Fifth Urban Dimension]. Tr. RAASN. Ser. Teoreticheskie osnovy gradostroitel'stva. [Works of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences. Theoretical Fundamentals of Urban Planning]. Moscow, LENAND Publ., 2006, 80 p.
13. Ghiaus S., Allard F., Santamouris M., Georgakis C., Nicol F. Urban Environment Influence on Natural Ventilation Potential. Building and Environment. 2006, vol. 41, no. 4, pp. 395—406.
About the authors: Egorychev Oleg Olegovich — Doctor of Technical Sciences, Research Advisor, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ol3ol@narod.ru;
Dunichkin Il'ya Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Deputy Director, Training, Research and Production Laboratory of Wind-tunnel and Aeroacoustic Testing of Civil Engineering Structures, Associate Professor, Department of Design of Buildings and Urban Development, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; ecse@bk.ru.
For citation: Egorychev O.O., Dunichkin I.V. Voprosy prognozirovaniya mikroklimata gorodskoy sredy dlya otsenki vetroenergeticheskogo potentsiala zastroyki [Climate Projections for the Urban Environment in the Assessment of the Wind Energy Potential of Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 6, pp. 123—131.
