Учредитель журнала

Повышение эффективности использования солнечного света и тепла при проектировании зданий

УДК 620.91: 69

DOI 10.52815/0204-3653_2022_02186_55
EDN: LSOWWR

Епифанов Роман
магистрант НИУ МГСУ.
e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Шилова Любовь
доцент кафедры информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве НИУ МГСУ, к. т. н.
e-mail: ShilovaLA@mgsu.ru

Введение

На протяжении долгого времени важнейшая роль в процессе разработки архитектурного облика здания и подбора его расположения отводится вопросам инсоляции, поскольку солнечный свет оказывает значительное влияние на жизнедеятельность человека и среду его обитания. Научно доказано, что снижение этого показателя негативно влияет как на физическое, так и психическое состояние человека. В этой связи, как в России, так и за рубежом разработаны регламенты и нормативы к естественному освещению (инсоляции) зданий. Очевидно, что такие требования напрямую зависят от климатических условий, и в странах, где отмечаются высокие значения суммарной солнечной радиации (например, Бахрейн, Индия, Катар, ОАЭ и пр.) вопросы инсоляции стоят не так остро, как в странах, которые имеют города с ограниченным количеством дневных солнечных часов. Здесь речь идет о таких странах, как Великобритания, Дания, Норвегия, США, Канада, Россия и пр., где отдельные города носят название «сумрачные» из‑за небольшой продолжительности солнечных дней. В этой связи аспекты, связанные с солнечной активностью, принято регулировать с помощью правовых механизмов.
Примером может стать нормативное обеспечение стран Европы. Достаточно подробно вопрос регулирования норм инсоляции рассмотрен в [3]. Приведем некоторые из них ниже:
На территории всей Германии действуют обязательные инсоляционные нормы естественного освещения, к которым относятся стандарт DIN 5034 «Дневной свет в помещениях» и серия руководств VDI 6011 «Оптимизация использования дневного света и искусственное освещение».
В другой европейской стране – Эстонии – продолжительность инсоляции для жилых и офисных зданий и рекомендации по проектированию жилых и офисных зданий в части естественного дневного освещения представлены в стандарте EVS 894: 2008 / A1:2010 «Естественное освещение жилых и офисных помещений» [1].
В Польше показатели инсоляции содержат правила № 620 / 2002 Министерства инфраструктуры о технических требованиях. Нормативы инсоляции также установлены и в Италии: солнечный свет должен обеспечиваться не менее 2‑х часов в день в период с 19 февраля по 21 октября. В Швеции норма инсоляции составляет 5 часов. В Нидерландах – зимой 2 часа, летом – 3 часа.
В Словакии нормы, касающиеся естественного освещения, регулируются рядом документов: Постановлением Министерства здравоохранения Словацкой Республики № 259 / 2008; Постановлением Министерства охраны окружающей среды Словацкой Республики № 532 / 2002; стандартом STN 73 4301:2005 «Жилые здания» и др.
Согласно документам предполагается, что естественным освещением должны обеспечиваться все виды пространств с постоянной занятостью [3], при этом необходимо учитывать при расчетах и возможные пасмурные дни [4].
В США также есть нормы, защищающие право на свет. Например, в Сан-Франциско с 1984 года запрещено строительство зданий выше 12 метров.
В России при подготовке проектной документации необходимо было проводить расчет инсоляции, однако с выходом Постановления Правительства РФ № 87 от 16.02.2008 «О составе разделов проектной документации…» данный пункт стал не обязательным.
Вместе с тем, СанПиН 2.2.1 / 2.1.1.1076‑01 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий» устанавливает требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий и указывает, что расчет инсоляции является «обязательным разделом….» [5].
В этой связи становится очевидным, что определение продолжительности инсоляции жилых зданий является актуальным вопросом, на решение которого архитекторы тратят значительное время. Точность расчетов инсоляции особенно важна при наличии возможности выбора ориентации здания или при необходимости учета уже имеющихся на территории объектов, которые могут затенять проектируемое здание.
Таким образом, целью работы является разработка подхода для автоматизированного создания инсоляционного решения здания в пределах площади застройки по критерию продолжительности инсоляции для сокращения сроков проектирования новых зданий и сооружений.

Методы расчета продолжительности инсоляции

Расчет инсоляции можно провести по ГОСТ Р 57795‑2017 «Здания и сооружения. Методы расчета продолжительности инсоляции». Расчет инсоляции необходим для решения практических задач, связанных с инсоляционными режимами помещений и территорий, предусмотренными СП 42.13330, СП 54.13330, СП 160.1325800, и направлены на выполнение гигиенических требований СанПиН 2.2.1 / 2.1.1.1076, СанПиН 2.1.2.2645, СанПиН 2.4.1.3049, СанПиН 2.4.2.2821 по продолжительности инсоляции помещений в проектируемых, строящихся и существующих зданиях, а также на территориях детских и спортивных площадок, принадлежащих этим зданиям.
Расчет продолжительности инсоляции помещений жилых, общественных зданий и территорий осуществляется с помощью инсоляционных графиков и солнечных карт.

Метод расчета продолжительности инсоляции с помощью инсоляционных графиков

Пример инсоляционного графика представлен на рис. 1. Как видно из рисунка, график представляет собой сочетание часовых радиальных линий и линий хода тени в день начала (конца) периода инсоляции. Часовые линии нанесены на график с интервалом через 30’. На линиях, соответствующих целым часам, в кружках обозначены время (над чертой) и высота стояния солнца над горизонтом в градусах (под чертой).
В центре, на пересечении полуденной часовой линии и линии с нулевой высотой, обозначен полюс графика – точка, которая при расчете продолжительности инсоляции совмещается с расчетной точкой помещения.

Рис. 1. Пример инсоляционного графика, разработанного применительно
к дням весеннего (осеннего) равноденствия по ГОСТ Р 57795‑2017
«Здания и сооружения. Методы расчета продолжительности инсоляции»

Расчет продолжительности инсоляции с использованием инсоляционных графиков включает в себя несколько этапов, представленных на рис. 2.

Рис. 2. Метод расчета продолжительности инсоляции с помощью инсоляционных графиков

Метод расчета продолжительности инсоляции с помощью солнечных карт

Солнечные карты представляют собой горизонтальную плоскость в виде круга с нанесением на нем траектории движения солнца от восхода до заката в определенный момент времени в зависимости от азимута и высоты стояния солнца, согласно рис. 3, а.
Прямые, расходящиеся от центра, являются азимутальными линиями. Концентрические окружности, подобные линиям широт на глобусе, являются альмукантаратами (параллельные горизонтальные круги небесной сферы, все точки которых имеют одинаковое зенитное расстояние).
Солнечные карты выполнены с равнопромежуточной проекцией альмукантаратов, т. е. радиус круга, представляющий весь небесный свод, делится на равные части. Для расчета продолжительности инсоляции помещений кроме солнечных карт необходимо иметь теневой угломер [контурная сетка, приведенная на рис. 3, б].

Рис.3. Солнечная карта, разработанная применительно ко всем месяцам года,
и теневой угломер по ГОСТ Р 57795‑2017 «Здания и сооружения.
Методы расчета продолжительности инсоляции»

Теневой угломер вычерчивается в той же проекции и масштабе, что и солнечная карта, и представляет собой горизонтальную проекцию половины небосвода, на которую спроецирована координатная сетка, состоящая из системы кривых и системы радиальных линий, как показано на рис. 3, б. Система кривых линий представляет собой равные вертикальные теневые углы, а система радиальных линий – равные горизонтальные теневые углы. С другой стороны, кривую равных вертикальных теневых углов можно трактовать как перспективу зданий неограниченной длины, расположенных на равных угловых расстояниях. Каждая линия из системы радиальных линий в этом случае будет изображать ограничение длины здания в угловом измерении.
Расчет продолжительности инсоляции на основе солнечных карт выполняют в последовательности, представленной на рис. 4.

Рис. 4. Метод расчета продолжительности инсоляции с помощью солнечных карт

Таким образом, стандартные методы расчета, приведенные в ГОСТ Р 57795‑2017 «Здания и сооружения. Методы расчета продолжительности инсоляции», основываются на использовании инсоляционных графиков или солнечных карт. Данные методы достаточно удобны, но не наглядны и трудно применимы для крупных объектов или комплексов. Кроме того, описанные выше методы весьма трудозатратны. Вместе с тем в настоящее время существует большое количество программных продуктов, реализующих подход информационного моделирования, позволяющий сократить сроки работы проектировщиков при расчете продолжительности инсоляции.
Для создания инсоляционного решения здания в пределах площади застройки и достижения поставленной в работе цели, принято решение разрабатывать скрипт в Grasshopper.

Визуальный редактор программирования Grasshopper: примеры использования

Grasshopper появился в 2007 году и изначально был задуман для того, чтобы уменьшить количество рутинной работы в Rhino. Он фиксировал последовательность действий во время моделирования и позволял возвращаться к любому шагу, чтобы изменить его в случае необходимости. Возможности Grasshopper на примере реализации международных проектов рассмотрены в работе [6].
В случае, когда Grasshopper используется для автоматизации рутинных процессов, речь, как правило, идёт о процессе создания цифровой модели.
Еще один сценарий использования Grasshopper – создание параметрической модели, то есть гибкой цифровой модели, которая изменяется при изменении исходных параметров.
На рис. 5 и 6 показаны примеры объектов, визуальные модели которых разрабатывались с использованием редактора программирования Grasshopper.

Рис. 5. Serpentine Pavilion, 2016
Источник: https://divisare.com / projects / 
319559‑big-iwan-baan-luc-boegly-sergio-grazia-laurian-ghinitoiu-serpentine-pavilion-2016
Рис. 6. Инсталляция Floe, Roland Snooks и Philip Samartzis [6]
Источник: https://www.wallpaper.com / art / floe-roland-snooks-ngv-triennial

Результаты создания алгоритма в платформе визуального программирования Grasshopper
Рассмотрим процесс создания алгоритма в платформе визуального программирования Grasshopper с возможностью выгрузки результатов в программный комплекс для автоматизированного проектирования ArchiCAD.
На первом этапе необходимо создать контур основного здания, точку, относительно которой будет поворачиваться здание, а также параметры для сдвига и поворота застройки (рис. 7, а). Далее необходимо задать параметры здания: высоту этажей и их количество (рис. 7, б).

а) создание контура и базовой точки основного зданияа) создание контура и базовой точки основного здания
б) создание этажей и стен основного здания
Рис. 7. Создание параметров для перемещения и поворота основного здания в пределах площади застройки

На следующем этапе необходимо разделить единую модель на отдельные этажи и для каждого этажа создать параметр для поворота. На рис. 8 представлен процесс формирования параметрической модели основного здания.

Рис. 8. Создание параметров для поворота каждого этажа. Формирование параметрической модели основного здания

Аналогичным образом создается параметрическая модель окружающей застройки (рис. 9).

Рис. 9. Создание параметрической модели окружающей застройки

Далее создается параметрическая модель окон. Задаются параметры: высота, ширина, количество секторов на окне, высота относительно этажа (рис. 10).

Рис. 10. Создание параметрической модели окон

Затем для работы скрипта используются инструменты Ladybug, которые необходимы для получения данных о местоположении строительного объекта, построения траектории движения солнца и анализа продолжительности инсоляции.
На основе данных о местоположении и заданных временных данных (дня и месяца) строится траектория движения солнца (рис. 11).

Рис. 11. Построение траектории движения солнца

На основе полученной траектории солнца, заданной геометрии основного здания и затеняющей застройки рассчитывается продолжительность инсоляции для каждого окна: создается вертикальная линейка, которая соотносит продолжительность инсоляции с соответствующим цветом (рис. 12).

Рис. 12. Анализ продолжительности инсоляции для каждого окна

Для анализа полученных результатов проведем сравнение суммарного количества солнце-часов, формы и расположения здания до и после максимизации с использованием инструмента Galapagos. Суммарное количество солнце-часов, форма и расположение главного здания до проведения максимизации представлено на рис. 13.

Рис. 13. Суммарное количество солнце-часов, форма и расположение главного здания до проведения максимизации

Процесс эволюции представлен на рис. 14. В окне редактора справа внизу представлены значения суммарного количества солнце-часов, как только они перестают значительно отличаться друг от друга, можно остановить работу инструмента Galapagos.

Рис. 14. Процесс эволюции

Суммарное количество солнце-часов, форма и расположение здания после проведения максимизации представлено на рис. 15.

Рис. 15. Суммарное количество солнце-часов, форма и расположение здания после проведения максимизации

Выводы

Полученная по итогам работы система позволит архитектору найти оптимальное положение и форму нового здания с минимальными потерями инсоляции для других зданий. Получив оптимальную форму и расположение здания, можно повысить эффективность использования солнечного света и тепла, что является одним из принципов проектирования зданий с высоким показателем энергоэффективности.
При условии проведения дополнительных расчетов, в состав которых входят уже произведенные расчеты инсоляции и анализ солнечной активности, у архитектора появляется возможность создания проекта пассивного дома.