СТРОИТЕЛЬНАЯ КЛИМАТОЛОГИЯ

Справочное пособие к СНиП 23-01-99*

Справочное пособие по строительной климатологии служит руководством для проектирования планировки и застройки населенных мест. Оно используется при проектировании новых и реконструкции старых гражданских и производственных зданий и сооружений. Основные климатические данные приведены в СНиП 23-01-99 "Строительная климатология", издание 2003 г. В Пособие включены дополнительные сведения о климатических параметрах. В нем также содержится информация о параметрах наружного воздуха с учетом глобального изменения климата. Материалы, содержащиеся в пособии, изложены с позиции экономии энергии при строительстве и эксплуатации зданий.

Для проектных организаций, инженерно-технических работников строительных и научно-исследовательских организаций.

Введение

Климатология является наукой, которая занимается изучением нестационарных процессов и явлений, происходящих в атмосфере земной коры. В результате мы имеем дело с климатическими параметрами, изменяющимися в пространстве и во времени. К климатическим параметрам следует отнести температуру наружного воздуха, скорость его движения, давление, характеристики изменения водяного пара, количество осадков, солнечную радиацию и др. параметры. Климатология, как наука, необходима для решения целого ряда задач в различных отраслях народного хозяйства и, в частности, в строительстве.

Политика и экономика любого государства направлена на то, чтобы как можно меньше расходовать первичные невозобновляемые энергоресурсы (нефти, угля, газа и урана) при производстве товаров и услуг. В России строительная отрасль потребляет около 55-60% всего добываемого топлива, идущего на внутренние нужды. В связи с этим она является ключевой отраслью и, следовательно, на первый план выходит строительная климатология, с которой начинается проектирование, строительство и эксплуатация зданий и сооружений.

Строительная климатология служит для удовлетворения всех требований, предъявляемых в области строительства в части обеспечения различными расчетными метеорологическими параметрами, климатическими характеристиками, специфическим климатическим зонированием, климатическими паспортами населенных пунктов. Она является основой для проектирования градостроительных комплексов и планировки жилых массивов, для обеспечения комфортных энергоэффективных зданий, потребляющих в процессе строительства и эксплуатации минимальное количество энергии.

Климатические параметры являются также исходными данными для разработки и производства новых строительных материалов, изделий и конструкций. Материалы Пособия можно использовать при теплотехнических и физических расчетах строительных конструкций гражданских и производственных зданий. С его помощью для любого климатического района строительства определяют требуемый уровень теплозащиты ограждающих конструкций, рассчитывают системы отопления и вентиляции, теплопоступления и теплопотери, инсоляцию и световой режим зданий и сооружений различного назначения, а также ведут прочностные расчеты как отдельных элементов, так и здания или сооружения в целом.

Научно-исследовательский институт строительной физики функционирует 50 лет, и в нем всегда была лаборатория "Строительной климатологии". Наибольший вклад в основание и развитие строительной климатологии внесли М.А.Золотарев, А.И.Круглова, Г.К.Климова и М.И.Краснов - сотрудники института строительной физики. При написании Пособия использован опыт и наработки многолетних исследований и нормативных документов, выполненных в лаборатории "Строительной климатологии", НИИСФ в содружестве с другими организациями.

Пособие предназначено для инженерно-технических и научных сотрудников, занимающихся вопросами проектирования и эксплуатации зданий и сооружений, а также оно может быть использовано студентами и преподавателями при изучении курса "Строительная физика".

Глава 1

Методика расчета климатических параметров

1.1. Область применения

Исходными данными для проектирования и строительства гражданских и производственных зданий и сооружений являются климатические характеристики района строительства. Вместе с параметрами внутреннего микроклимата помещений они определяют конструктивное и эстетическое решение объекта строительства.

Внешние воздействия на объект строительства характеризуются параметрами светового, теплового и воздушного климата. Основные исходные данные для строительства и эксплуатации сосредоточены в документе СНиП 23-01-99* "Строительная климатология" издания 2003 г. [1]. Дополнительные сведения можно найти в [2-4] и в настоящем Пособии, которое содержит дополнения и вспомогательные материалы.

Климатические параметры для строительного проектирования применяются при разработке генеральных планов городов, поселков, сельских населенных пунктов, при проектировании гражданских и производственных зданий и в частности при проектировании систем отопления, вентиляции, кондиционирования, водо- и теплоснабжения, при разработке новых строительных материалов, изделий и конструкций.

Для расчета уровня теплозащиты (приведенного сопротивления теплопередаче) гражданских и производственных зданий применяются следующие климатические параметры:

- температура воздуха наиболее холодных суток и наиболее холодной пятидневки и другие климатические параметры холодного периода года;

- при определении установочной мощности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха необходимо учитывать температуры наиболее холодных суток, пятидневок, месяца, удельную энтальпию, скорость и направление ветра и влажность воздуха, климатические параметры теплого периода года;

- при нахождении максимальных теплопотерь, теплопотерь за отопительный период и за срок службы здания используются абсолютно минимальные температуры, параметры продолжительности и средней температуры отопительного периода, температуры наиболее холодных суток, пятидневки, месяца;

- для расчета теплопоступлений используется суммарная солнечная (прямая и рассеянная) радиация, падающая на поверхность под любым углом относительно к горизонту, параметры различных температур теплого периода года;

- при проектировании генеральных планов городов, поселков, сельских населенных пунктов необходимо учитывать климатические периоды теплого и холодного периодов года (скорость и направление ветра);

- для определения долговечности применяют параметры перехода температуры воздуха через ноль градусов Цельсия, осадки, температуры воздуха теплого и холодного периода, в том числе продолжительность температуры воздуха различной градации.

С использованием климатических параметров рассчитываются теплоустойчивость и пароизоляция ограждающих конструкций, а также определяется воздухопроницаемость материалов и зданий.

Главными основополагающими нормативными документами, которые обслуживает строительная климатология, являются:

- СНиП 23-02-2003 "Тепловая защита зданий" [5];

- СНиП 41-01-2003 "Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха" [6];

- СНиП 2.07.01-89* "Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений" [7];

- СНиП 23-05-95* "Естественное и искусственное освещение" [8];

- СНиП 2.08.01-89* "Жилые дома" [9];

- СНиП 31-02-2001 "Дома жилые одноквартирные" [10];

- СНиП 2.09.04-87* Административные и бытовые здания [11];

- СНиП 2.10.03-84. Животноводческие, птицеводческие и звероводческие здания и помещения [12];

- СНиП 2.11.02-87. Холодильники [13];

- СНиП 31-05-2003. Общественные здания административного назначения [14];

- СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия [15];

- СНиП 31-03-2001. Производственные здания [16];

- СНиП 23-03-2003. Защита от шума [17].

1.2. Методы расчета климатических параметров

1.2.1. Получение, обработка и представление климатической информации

1. Климатическая информация, на основе которой разрабатываются расчетные климатические параметры для строительства, представлена различными количественными показателями и содержится в разных источниках. Первичной метеорологической информацией являются данные наблюдений на метеорологических станциях. Часть станций являются реперными (вековыми). Информация о показателях солнечной радиации, температуры и влажности воздуха и других фиксируется в 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18 и 21 ч по московскому времени (до 1966 г. наблюдения проводили в 1, 7, 13, 19 ч по местному среднесолнечному времени). На отдельных метеостанциях самописцы отмечают ежечасные значения некоторых метеорологических элементов. Результаты наблюдений на метеорологических станциях сводят в таблицы специальной формы, которые являются опорными данными для разработки всей последующей климатической информации.

На основе данных этих таблиц за период наблюдений вычисляют средние суточные, месячные и годовые их значения, которые помещают в метеорологических ежемесячниках и ежегодниках, например, [18]. Данные опорных метеорологических таблиц, ежемесячников и ежегодников составляют первый уровень обработки. Эта информация является базовой для установления средних месячных значений многолетних величин метеорологических элементов за пятилетие (второй уровень обработки) и за весь период наблюдений (третий уровень обработки).

Четвертым уровнем обработки климатической информации является пространственное обобщение климатических данных в виде изолинейных карт, районирования территории, осреднения по территориально-экономическим районам. Для характеристики режима метеорологических элементов используются различные виды климатических показателей - отдельные метеорологические элементы и комплексные показатели и др.

2. Показателями отдельных метеорологических элементов являются: повторяемость различных значений элемента; накопленная повторяемость (обеспеченность); средние значения, крайние (максимальные и минимальные); показатели изменчивости и др.

3. Повторяемость есть отношение числа случаев со значениями метеорологического элемента, входящими в данную градацию (интервал), к общему числу членов ряда (в долях единицы или процентах). Повторяемость, полученную на основании длинного ряда наблюдений, называют вероятностью. Накопленная повторяемость характеризует частоту появления значений метеорологического элемента, превышающих (или не превышающих) заранее заданное значение. Ее получают последовательным суммированием относительных или средних абсолютных частот соответствующих интервалов в ряду статистического распределения. Суммарную повторяемость, полученную на основании данного ряда наблюдений, называют интегральной вероятностью или обеспеченностью.

В интересах строительства и эксплуатации зданий рекомендуется использовать для расчета многолетние средние нормы по температуре воздуха однородного периода наблюдений, например, с 1936 г.

Во-первых, с этого года начались систематические четырехсрочные наблюдения (1, 7, 13, 19 ч): во-вторых, период наблюдений с 1936 по 2000 г. (65 лет) характеризуется сравнительно устойчивым климатом.

Расчет интегральной вероятности с использованием ранжированного климатического ряда, включающего полную совокупность наблюдений, производится по формуле:

.                                               (1.1)

В зависимости от общего числа членов ряда расчет производится по формулам:

;

;

     
,                                                  (1.2)

где - порядковый номер членов климатического ряда; - число членов ряда.

4. Среднее арифметическое значение метеорологического элемента представляет собой сумму значений членов ряда, деленную на их общее число.

Как дополнение к среднему значению вычисляют медиану и моду.

Медиана - значение срединного числа в ряду значений простого ранжирования статистического ряда. Медиану рекомендуется определять при асимметричных распределениях и при неточных крайних значениях метеорологического элемента.

Мода - наиболее часто встречающееся в данном метеорологическом ряду значение. Моду рекомендуется определять для резко асимметричных распределений, когда среднее арифметическое не является типичным значением элемента.

Крайние значения характеризуют те пределы, в которых заключены значения метеорологического элемента, отмеченные на данной станции за определенный период времени. Различают абсолютный максимум или минимум, среднее из максимальных или минимальных значений метеорологического элемента, а также максимум и минимум заданной обеспеченности.

Так как значения, близкие к абсолютным максимумам и минимумам, наблюдаются редко, то для получения представления о более вероятных низких и высоких значениях определяют средние из экстремальных значений. Эти значения могут встречаться ежегодно. Средние максимумы и минимумы вычисляются как многолетние средние значения ежедневных, ежемесячных или ежегодных максимумов и минимумов.

Наружные климатические параметры воздуха

Выбор расчетных наружных климатических параметров осуществляется на вероятностной основе. Вероятность и количественные значения предлагаемых климатических изменений приводятся в сравнение с нормой, за которую принимаются многолетние средние и экстремальные характеристики климатических параметров за определенный период. Знак и величина отклонения от климатической нормы даются в градациях ниже нормы, около нормы (норма), выше нормы. Вероятностный анализ расчетных наружных климатических параметров позволяет оценить число раз превышения параметров климата над расчетными значениями, общую продолжительность превышения параметров и продолжительность наибольшего отклонения.

Вероятностные характеристики отражают основные закономерности поведения климатического параметра и позволяют с большей надежностью судить обо всех возможных отклонениях, выбранных на основе обеспеченности расчетных значений внутренних условий в помещениях.

Для нормируемых климатических параметров при появлении температуры воздуха наиболее холодных суток 4 раза в 50 лет обеспеченность составляет 0,92. Основными нормируемыми показателями температуры воздуха являются: средние месячные температуры воздуха и производные от нее температуры воздуха наиболее холодной пятидневки различной обеспеченности.

1.2.2. Средняя месячная температура воздуха

Средняя многолетняя температура в справочно-нормативных документах рассчитана за период наблюдений до 1980 г., т.е. порядка 40 лет. В общей климатологии этот период считается достаточным для достоверной оценки устойчивых особенностей теплового режима.

Однако установленный критерий является справедливым для оценки устойчивого климатического фона, когда не наблюдается природных аномалий, отмечаемых в последние два десятилетия (1980-2000 гг.), особенно 1991-2000 гг. Изменения климата диктуют необходимость оценки влияния этого явления на расчетные строительно-климатические параметры. С этой целью в дополнение к имеющемуся периоду наблюдений до 1980 г. для ряда городов, расположенных в различных климатических районах, рассмотрен период до 2000 г.

Выборка средней месячной температуры воздуха за 20 лет (1981-2000 гг.) была проведена из метеорологических ежемесячников. Уточненная среднемесячная температура рассчитана по следующей методике.

Многолетняя средняя величина климатического параметра определяется из наблюдений в разные периоды времени. Полученные расчетные данные за разные периоды наблюдений , , , …  умножаются на число лет этих периодов , , , …, и суммы произведений , делятся на число лет в общем периоде наблюдений. Таким образом, получается среднее взвешенное арифметическое число климатического параметра за период наблюдений :