Определение ветрового комфорта для жилой застройки на примере Новосибирска

УДК: 711.582+ 712.413

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕТРОВОГО КОМФОРТА ДЛЯ ЖИЛОЙ ЗАСТРОЙКИ

НА ПРИМЕРЕ НОВОСИБИРСКА

Еремеев Д.Г., ведущий архитектор, ТОО «Астанагражданпроект», Республика Казахстан

Туманик Г.Н., доктор архитектуры, профессор

Новосибирский государственный университет архитектуры, дизайна и искусств

Аннотация. В статье представлено исследование ветрового режима для сложившейся застройки жилого микрорайона Родники г. Новосибирска. Проблема благоустройства пешеходных пространств особенно актуальна для региона Западной Сибири. В условиях сурового климата и различной конфигурации застройки могут возникать неблагоприятные ветровые режимы, способствующие резкому снижению пешеходной активности горожан.

Для оценки ветрового режима апробирована методика нидерландского стандарта ^N8100. В расчетах использовалась компьютерная модель жилого района и программный комплекс для СFD-моделирования. На основе результатов распределения граничной скорости ветра и характеристик повторяемости ветрового режима построена схема классов ветрового комфорта. Таким образом, авторами выявлены места возникновения неблагоприятных ветровых условий для пешеходных пространств микрорайона, даны рекомендации по повышению класса ветрового комфорта, отмечена необходимость дальнейшего развития нормативной документации Российской Федерации, в области комфорта городской среды.

Ключевые слова: архитектурно-климатический анализ, комфорт пешеходных пространств, ветровой комфорт, моделирование ветровых воздействий.

Введение. В настоящее время все большее значение приобретают вопросы повышения уровня благоустройства городских пешеходных пространств. Эта тенденция подтверждается разработкой и проведением в жизнь федеральной программы России по комплексному благоустройству городской среды [5], одной из целей которой является рост пешеходных перемещений горожан, и соответственно пешеходных потоков, за счет повышения качества пешеходной инфраструктуры. Достижение этой цели позволит не только решить целый ряд проблем, таких как уменьшение транспортной нагрузки на улично-дорожную

сеть, улучшение экологического состояния территории, но и поднять социальный статус и коммерческий потенциал изменяемой территории. Для достижения поставленной цели необходимо учитывать максимально широкий спектр факторов, влияющих на интенсивность пешеходных потоков. К ним можно отнести функционально-планировочные, природно-климатические, инженерно-технические, социально-экономические и другие условия.

Для городов Западной Сибири с её резко-континентальным климатом климатические и микроклиматические условия приобретают особую важность при решении задач пространственной организации и благоустройства городской среды, в том числе жилой застройки, где человек проводит большую часть своей жизни. Климат Новосибирска, на примере которого рассматривается данная проблема, характеризуются продолжительными зимами и достаточно холодными переходными периодами между сезонами [6]. Такие суровые условия могут резко снижать интенсивность пешеходных потоков. Это связано в первую очередь с увеличением скорости ветра под влиянием особенностей ландшафта и пространственной организации городской застройки, следствием которого является снижение температуры ниже зоны комфортности для человека. Таким образом, определение ветровых потоков и их влияние на интенсивность движения пешеходов является актуальной градостроительной задачей при формировании жилой застройки и благоустройства пешеходных пространств.

Целью исследования является определение ветрового комфорта и мероприятий по его улучшению. Поставленная цель определила постановку и решение следующих задач:

- определить нормы ветрового климата для выбранной климатической зоны;

- построить компьютерную модель застройки, произвести расчёт вероятности превышения граничных значений скорости ветра;

- построить и проанализировать схему классов ветрового комфорта;

- рассмотреть варианты повышения ветрового комфорта.

Объектом анализа были выбраны пешеходные пространства жилого микрорайона Родники г. Новосибирска, а именно связывающая их пешеходная сеть. Предметом исследования является влияние застройки микрорайона на формирование ветрового климата. Далее определим методическую последовательность исследования для получения необходимого результата.

Определение нормативных параметров ветрового климата. В настоящий момент существует несколько стандартов, определяющих уровень ветрового комфорта. На территории Российской Федерации нормы ветрового комфорта приводятся в МДС 20-1.2006 [4] и МГСН 4.19-05 ]. Документами определены три уровня комфорта в зависимости от критической скорости и предельной продолжительности воздействия. Основным недостатком является то, что нормы разработаны как региональные нормативы для Москвы и Московской области.

В мировой практике наибольшее распространение получила методика, представленная в Нидерландском стандарте NEN 8100 [1] и практических указаниях по работе с ветровой статистикой NPR 6097 ]. Стандартом определены не только уровни комфорта в зависимости от вероятности превышения граничных значений скорости, но и дана оценка качества пешеходной деятельности.

J. ¿фшшшеские скорости еетра Ver (м/с) и предельная продолжительность Ttim (час/год) их появления

Урпн^нь кпм [|мтрпчо<ти Í II Ni

^Г, м/с б 12 20

Гь,, час/год 1000 ¡L0 5

В рамках данного исследования были выбраны критерии и методика, содержащиеся в нидерландском стандарте КБК 8100, так как они позволяют получить более полную картину влияния ветрового режима. В качестве метода расчета ветровых потоков был выбран CFD метод математического моделирования. Данный метод обладает рядом преимуществ по сравнению с физическим экспериментом в аэродинамической трубе. В их числе сокращение времени анализа, экономия средств, возможность получения более полной информации о распределении давлений по поверхности, вариативность форм проектируемых зданий для сравнительного анализа и оптимизации ветровых условий [8].

Таблица 2. К ршлррш* оценки ветрового комфорта по стандарту NEJV 8Í00

Р (Urp>5 м/сек) ч/год, % Класс качест пл Виды деятельности

Передвижение Прогулка Сиде11ие

<2,5 2,5-5 А В Благоприятный Благоприятный Благоприятным

Благоприятный Благоприятный Удовлетворите ный

5 - Ю С К л а го приятный Удов л етвдр ите ль ный Плохой

1U -2U D ЭДовлетворительи ый Плохой 1 Lioxoíi

>20 Е Плохой Плохой Плохой

РиС* 1. Фотофиксация микрорайона «Родники», 2012 г.

Расчет вероятности превышения граничных значений для скорости ветра. При оценке климата различают три уровня: макроклимат - общие климатические условия региона; локальный климат - климат в городе и районах, формируемый характером местности, ландшафтом и зданиями; микроклимат - погодные условия в конкретной атмосферной зоне, такой как улица, участок двора или парка.

В качестве объекта исследования была выбрана пешеходная сеть жилого микрорайона Родники в городе Новосибирске. Формирование резкоконтинентального климата региона обусловлено равнинным характером рельефа, что способствует проникновению как арктических воздушных масс с Северного Ледовитого океана, так и теплых южных масс с территорий Центральной Азии [7]. Локальный климат Новосибирска смягчен наличием лесных массивов, антропогенным фактором и характеризуется уже как континентальный [6].

Для исследуемой территории были определены значения повторяемости ветрового режима для 12 направлений. Была построена 3D-модель, включающая все стационарные здания и строения. Исключением стали уличные фонари и деревья, но их присутствие и влияние учтено при расчетах за счет изменения коэффициентов шероховатости поверхности земли. После назначения граничных условий для модели были проведены расчеты вероятности превышения граничной скорости ветра 5 м/с для всех 12 направлений.

Направление ветра в град, от севера 0й 30° 60° 50° 120° 150= 210° 240е 270° 300° 330°

часов в год 383 450 358 229 252 374 843 1232 998 637 331 274

% в год 6,0 7,0 6;2 3,6 3,9 5,8 13,2 19,2 15,6 10,0 5,2 4,3

Рис 2 визуализация расчетной ЗД модели

Схема классов качества ветрового комфорта. Полученные данные моделирования были использованы для построения схемы классов качества ветрового комфорта.

По результатам схемы можно сделать следующие выводы:

- наибольшее влияние на ветровой климат имеет юго-западное (210-240°) направление потоков ветра;

- низкие классы комфортности наблюдаются в основном в промежутках между жилыми зданиями;

- худший класс <^» имеют зоны, локализованные по периметру жилых групп.

Таким образом, пешеходная сеть, используемая для прогулок и отдыха, расположенная преимущественно внутри жилых групп, имеет достаточно высокие классы ветрового комфорта - «А» и «В». Низкие классы сосредоточены в основном в зонах, связанных прежде всего с суточным,

маятниковым передвижением пешеходов, и в меньшей степени - в зонах для прогулок.

Повышение уровня ветрового комфорта. Для повышения уровня ветрового комфорта в сложившейся жилой застройке необходимо реализовать ветрозащитные мероприятия. В первую очередь к ним относится высадка древесно-кустарниковых зеленых насаждений, снижающих скорость ветровых потоков, а также строительство искусственных ветрозащитных сооружений.

— — я»-т -Г-— я*— -«I- —-Г — —--ттг,гттт пкт — — — п — — тфгт — — — —- — гф

Условные обозначения:

Класс качества по нидерландскому стандарту МЕЫЗСОП

Рис. 3. Схема класса в ветрового комфорта

В зонах, расположенных по периметру жилых групп, необходимо разместить зеленые группы непродуваемой конструкции. Сосредоточить такие группы необходимо в промежутках между зданиями. Таким образом, воздушный поток будет обтекать группу только сверху, а боковому обтеканию воспрепятствуют сами здания. При этом скорость воздушных потоков на уровне пешеходов, как показывают исследования, начинает снижаться еще на подступах к зеленым насаждениям и при прохождении препятствий гасится до 50 %.Обязательным условием для зеленых групп непродуваемой конструкции

является использование растений различной высоты. Необходимо заполнение как минимум трех ярусов: нижнего - многолетними кустарниками и кустарничками, среднего - деревьями, высотой до 5-6 м; и для самого высокого яруса - мощными деревьями высотой до 12 м.

Исходя из накопленного опыта, заметим, что для дворовой части пешеходной сети наиболее эффективны ажурные зеленые конструкции. По своему составу они менее плотные, поэтому происходит разделение воздушных потоков. Часть потока проникает внутрь группы и теряет значительный запас энергии за счет трения о стволы и ветви, а другая часть обтекает сверху и с боков. Пройдя препятствие, скорость ветрового потока снижается в меньшей степени, чем при непродуваемом типе конструкций, но эффект распространяется на большую территорию.

Использование зеленых конструкций позволяет решить не только задачи по ветрозащите, но также благотворно влияет на микроклимат пешеходных пространств в целом. Для зон, где высадка зеленых насаждений невозможна по тем или иным причинам, необходимо применение искусственных ветрозащитных сооружений. К таковым можно отнести ветрозащитные полосы, выполненные из материалов с требуемой проницаемостью для воздушных потоков. В городской среде такие сооружения должны отвечать не только техническим параметрам по ветрозащите, но и обладать эстетическими свойствами [9]. Примером реализации такого подхода служит постоянная инсталляция в городе Мальмё (рис. 4). Проект, разработанный группой шведских дизайнеров, способствует как созданию оптимального ветрового климата на площади города, так и является арт-объектом для притяжения внимания горожан и туристов [10].

Заключение. Необходимость глубокого исследования влияния природных факторов на пешеходные пространства продиктована суровостью климата Западной Сибири. Новый качественный уровень исследований возможен благодаря большому объему накопленных статистических данных о климате с применением компьютерного моделирования. Компьютерное CFD-моделирование аэродинамических условий позволяет спрогнозировать возникновение неблагоприятного ветрового режима и предложить меры по его устранению или по снижению вредного воздействия как на путях массового движения пешеходов в пределах кварталов и микрорайонов, так и в пределах внутридворовых территорий. Полученные в результате исследования данные по классам комфортности ветрового режима для жилого микрорайона в Новосибирске могут быть использованы в региональной программе по благоустройству территории. По результатам работы стоит отметить необходимость доработки региональных норм проектирования МДС 20-1.2006 и МГСН 4.19-05 до федерального уровня.

Библиографический список

1. NEN 8100:2006 «Wind comfort and wind danger in the build environment». -2006.

2. NPR 6097:2006 «Application of the statistics of the mean wind speed for the Netherlands». - 2006.

3. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий комплексов в городе Москве. - М., 2005.

4. МДС 20-1.2006. Временные рекомендации по назначению нагрузок и воздействий, действующих на многофункциональные высотные здания и комплексы в Москве. - М.: ФГУП НИЦ «Строительство», 2006.

5. Приоритетный проект «Формирование комфортной городской среды». -Российская Федерация, 2016.

6. Березина Е.А. Жилой двор в Сибирском городе: история, традиции, перспективы. - Новосибирск: Олден, 2008. - 200 с.

7. Гарелова Т.А. Природа Новосибирской области: учеб. пособие. -Новосибирск: НГПУ, 2011. - 160 с.

8. Janssen W.D. Pedestrian wind comfort around buildings: Comparison of wind comfort criteria based on whole-flow field data for a complex case study. / W.D. Janssen, B. Blocken, T. van Hooff // Building and Environment. - 2013. - Vol. 59. - P. 547-562.

9. Трубицына Н.А. Ветровая защита и биоклиматический комфорт в ландшафтной архитектуре // Вестник МГСУ. - 2017. - Т. 12. - Вып. 6 (105). - С. 619-630.

10.Fundament [Электронный ресурс]. - URL: http://www.fundamentdesign.com/windwall/.

11.Meteoblue [Электронный ресурс]. - URL: https://www.meteoЫue.com/m/поroда/прогноз/modeldimate/Новосибирск_ Россия 1496747.

DETERMINATION OF WIND COMFORT FOR RESIDENTIAL BUILDINGS,

ON THE EXAMPLE OF NOVOSIBIRSK

Yeremeyev D.G., Leading Architect, Astanagrazhdanproekt LLP, Republic of Kazakhstan

Tymanik G.N., Doctor of Architecture, Professor Novosibirsk State University of Architecture, Design and Arts

Abstract. The article presents a research of the wind conditions for the existing residential microdistrict «Rodniki» in Novosibirsk.The problem of comfort improvements for pedestrian spaces is particularly relevant for the region of Western Siberia. Harsh climate and various configurations of the buildings may create unfavorable windconditions thatdecrease pedestrian activity.

For the research, authors made a computer model of the residential area and used software complex for CFD modeling. To ratewind conditions they used methodology of the Netherlands standard NEN8100. The final scheme of wind comfort classes was based on the results of the calculation aboundary wind velocitydistribution and the characteristics of the windrepeatability conditions.

In conclusion, authors identified the locations with uncomfortable wind conditions for the pedestrian spaces of the microdistrict, gave recommendations for improving wind comfort class, notedthe need for further development of the regulatory documentation of the Russian Federation, in the area of comfortable urban environment.

Keywords: architectural and climate analysis, comfort of pedestrian spaces, wind comfort, modeling of wind impact.