Главной целью при строительстве жилого дома является создание сооружения, в котором человек найдет здоровую, комфортабельную и приятную среду обитания и которое будет способно служить укрытием в непогоду. Важнейшей частью этой среды обитания является воздух, который не должен содержать загрязняющие вещества, а его температура и относительная влажность должны удовлетворять жителей этого дома.
Для достижения и эффективного поддержания оптимальных условий необходимо знать особенности климата в данном регионе. Такие факторы, как, например, изменения наблюдаемой высоты солнца, окажут влияние на решения относительно типа и количества изоляционного материала, угла наклона крыши, необходимости и размеров оборудования для кондиционирования воздуха, а также возможности применения систем отопления, работающих на солнечной энергии. К наиболее важным элементам климата, которые следует учитывать архитектору, относятся солнечный свет, солнечная радиация, температура, ветер, дождь и снег.
Температура
Когда температура постоянно высокая, как в тропиках, или низкая, как в полярных районах, необходимы соответствующей мощности источники энергии для охлаждения или нагревания воздуха, чтобы его температура не выходила за пределы так называемой зоны комфорта. В пустынях, особенно в низких широтах, суточный ход температуры, т. е. разность между ее максимальными и минимальными значениями в течение суток, довольно велик. Так, например, в г. Тусоне, шт. Аризона, в июне средняя максимальная суточная температура равна 37,3°С, а минимальная -17,8°С. Разность составляет, таким образом, 19,5°С. Ночью уходящая радиация вызывает быстрое охлаждение, а приходящая солнечная радиация при безоблачном небе — быстрое нагревание. Толстые стены домов имеют большую тепловую инерцию и могут, таким образом, сгладить перепады температур. Первые поселенцы, пришедшие в пустыни юго-запада Соединенных Штатов, добивались этого, возводя глинобитные хижины с очень толстыми стенами. Проникновение в помещение прохладного воздуха ночью может понизить температуру внутри до комфортного уровня. В жаркие же дневные часы поступление воздуха вовнутрь и выход его из здания следует, очевидно, свести к минимуму.
Регистрация суточной температуры в г. Денвере, шт. Колорадо, в апреле 1981 г. На графике также обозначены месячные максимум, минимум и среднемесячные величины
Ветер может или обострить, или смягчить влияние температуры. Например, в зимний день в Чикаго ветер, выдувая тепло из здания или из любого другого тела, усиливает действие низкой температуры. В таблице показано влияние ветра на величину эффективной (кажущейся) температуры. Чем сильнее ветер в холодный день, тем более сильный нагрев требуется для поддержания комфортных температур внутри помещения. В жаркие дни ветер увеличивает требования к охлаждению помещения. В ветреных местах особенно необходимо тщательно теплоизолировать здания, чтобы свести к минимуму поток тепла через стены и крышу.
С другой стороны, при умеренной температуре наружного воздуха легкий ветерок может оказаться полезным и использоваться для вентиляции помещения. Воздух при вентиляции здания унесет с собой запахи и дым, будет способствовать испарению, окажет воздействие на температуру во всем здании. Этот факт следует учитывать при проектировании жилых домов, учреждений и заводов.
Особое значение при проектировке зданий имеют среднесуточные и среднемесячные температуры, осредненные за сутки и за месяц максимальные и минимальные температуры, экстремальные значения температуры за сутки и за месяц. Эти цифры дают хорошее представление о том, какие типы условий скорее всего встретятся в будущем.
В климатических архивах имеется большое количество температурных данных и сводок, включая статистические сводки по градусо-дням нагревания, которые могут быть использованы для расчета месячных или сезонных потребностей в отоплении. Число градусо-дней нагревания в любой день есть количество градусов, на которое среднесуточная температура опустилась ниже некоторой определенной температуры, которая в Соединенных Штатах принята равной 18°С. Например, если средняя температура в данный день составляет 5°С, то этот день дает 13 градусо-дней нагревания.
Число градусо-дней нагревания в неделю, месяц и год рассчитывается путем сложения суточных значений за требуемый период.
Количество энергии, необходимой для охлаждения здания, можно рассчитать, исходя из известного числа градусо-дней охлаждения, суммы разностей между 18°С и среднесуточной температурой за те дни, когда она поднималась выше 18°С. Климатические данные по США показывают, что в Майами за год накапливается в среднем 4000 градусо-дней охлаждения — примерно в четыре раза больше, чем в Нью-Йорке.
Статистические данные о вероятном еженедельном числе градусо-дней нагревания и охлаждения и диапазонах возможных отклонений этих значений для основных городов Соединенных Штатов подготавливаются и рассылаются Информационной службой по проблемам окружающей среды, которая является отделением Национального управления по исследованию океанов и атмосферы. Такие данные являются надежными показателями относительной стоимости поддержания комфортного состояния среды внутри помещений. Например, для обогрева здания в Чикаго потребуется в четыре с лишним раза больше тепловой энергии, чем для поддержания такой же температуры в здании в Новом Орлеане.
Сильные ветры
Как правило, ветры бывают слабыми и лишь слегка влияют на воздействие температуры и влажности. Но иногда ветры могут быть неприятными и опасными; в некоторых же случаях ветры бывают настолько сильными, что наносят серьезный ущерб имуществу и вызывают гибель людей.
При проектировании здания — будь то жилой дом, школа, атомная электростанция или учреждение — очень важно принять во внимание статистические данные о повторяемости ветров различной силы и направления в том месте, где будет расположено это здание, чтобы принять правильное решение относительно его конструкции. Эти данные помогут правильно ориентировать здание применительно к рельефу окружающей местности. Если известно преобладающее направление сильных ветров, то там можно посадить деревья или кустарники, которые уменьшают скорость ветра.
Зачастую топография или ориентация улиц в большом городе с высокими зданиями образует как бы ветровые туннели. В Бостоне известно много случаев, когда здания страдали от этого эффекта. «Зеленый дом» Массачусетского технологического института, г. Кембридж, расположен таким образом, что подходы к нему многие работники института считают аэродинамической трубой. Положение облегчилось после сооружения большой металлической скульптуры, которая действует как ветролом.
Каждую зиму на восточные склоны Скалистых гор неоднократно обрушиваются опасные нисходящие шквалы ветра, бушующие в течение одного-двух дней. Они возникают в результате быстрого продвижения вниз потока воздуха на подветренной стороне горных хребтов. Сильные порывистые ветры приносят бедствия и разрушения жителям таких городов шт. Колорадо, как Боулдер и Колорадо-Спрингс, где их скорость может достигать 25 м/с, а в исключительных случаях — в порывах до 45 м/с.
Такие ветры могут нанести ущерб зданиям всех видов и затруднить вход в них. В период сильных ветров затруднен и довольно неприятен доступ даже к таким мощным сооружениям, как те, в которых размещаются Академия военно-воздушных сил около Колорадо-Спрингс и Национальный центр атмосферных исследований около Боулдера. Ветер толкает и увлекает за собой людей, приближающихся к привлекательно оформленным входам этих зданий, а вращающиеся двери становятся просто опасными.
С некоторыми ветрами связаны также психологические проблемы. Когда сильные ветры дуют в течение долгого времени, многие люди становятся угнетенными, раздражительными и даже пугливыми. Шумы, вызываемые сильным ветром, скрип крыш и стен, хлопанье распахиваемых окон, стук мелких камешков и обломанных веток о крыши и стены зданий — все это усиливает у людей чувство беспокойства, выводит их из себя.
Изучение разрозненных климатических данных недостаточно для выявления краткосрочных аномалий в скорости ветра, особенно в горных районах, где они зачастую возникают даже в ясную погоду. Усредненные климатические данные не дают четкого представления о коротких единичных порывах очень сильных ветров. Необходимо тщательно исследовать записи по каждому конкретному району, чтобы обнаружить эти редкие, но такие важные случаи возникновения очень сильных ветров.
В гористой местности скорости ветра могут значительно меняться на очень небольших расстояниях. Например, в некоторых случаях в г. Боулдере, шт. Колорадо, ветер дует со скоростью около 30 м/с, а в г. Денвере, отстоящем от Боулдера на расстоянии всего около 50 км, его скорость может не превышать 9 м/с.
Очень высоких скоростей достигает ветер в торнадо и ураганах. Скорость ветра в торнадо может превышать 90 м/с, что достаточно для разрушения передвижных домиков на колесах и небольших домов. Такой ветер может нанести значительный ущерб даже самым прочным зданиям. В тех районах, где торнадо случаются довольно часто, все сооружения должны быть спроектированы таким образом, чтобы противостоять разрушительному натиску самых сильных ветров. Помимо этого, в таких районах следует предусмотреть оборудование прочных подвалов или общественных укрытий, которые смогли бы противостоять самым сильным штормам и где жители смогли бы найти безопасное убежище при приближении торнадо.
Ветры в урагане достигают наибольшей силы в открытых просторах океана, однако сохраняют достаточно высокие скорости и по мере приближения шторма к побережью. Поэтому здания, расположенные вдоль берегов Мексиканского залива и Атлантического океана и подверженные периодическому воздействию ураганов, должны быть способны выдерживать ветры, скорость которых значительно превышает 50 м/с. Ураганный ветер сопровождается обычно сильными ливнями и разрушительной силы океанскими волнами. Сооружение, воздвигнутое на берегу, будет испытывать натиск воды, размывающей его фундамент, и ветров, которые обрушиваются на него со всех сторон. Летящие обломки также представляют собой серьезную опасность и могут нанести значительный ущерб.
К тому же ураганы иногда порождают торнадо. Внутри тропического урагана, проносящегося над Флоридой или Миссисипи, могут существовать несколько торнадо. Сильный циклонический шторм, обрушившийся на побережье, может принести такие же разрушения, как и ураган.
В тех местах, где не проводится постоянное измерение скорости ветра, архитектор или любой другой человек, который хочет построить или купить дом в незнакомой ему местности, должен опросить местных старожилов, которые должны помнить необычные погодные явления. В удаленной местности, возможно, придется организовать метеостанцию и в течение нескольких лет проводить наблюдения, прежде чем начать там массовое строительство.
Дождь и снег
Проливной дождь и сильный снегопад могут представлять собой серьезную опасность, которую следует учитывать при проектировании или покупке дома. Крыши должны быть спроектированы и возведены таким образом, чтобы выдержать ожидаемые нагрузки. Особенные неприятности может доставить снег. Даже капитальные постройки могут не выдержать, если вес накопившегося снега превысит прочность сооружения. Так, 18 января 1978 г. крыша здания «Сивик сентр колизеум» в г. Хартфорде, шт. Коннектикут, обрушилась под тяжестью снега толщиной около 30 см. Тот же буран обрушил столько снега на Лонг-Айленд, что рухнул купол лекционного здания местного университета.
Климатические данные в сочетании со знанием метеорологических процессов дают возможность оценить вероятное максимальное количество выпадающего снега. В районах с сильными снегопадами такую информацию следует учитывать при проектировании сооружений.
Казалось бы, довольно легко спроектировать эффективную систему стока дождевой воды с крыши, но бывали случаи, когда количество воды превышало пропускную способность стока. При таких обстоятельствах крыша может обрушиться под тяжестью воды, как это случилось с ареной «Кемпер» в г. Канзас-Сити, шт. Миссури, 4 июня 1979 г.
Чаще всего дождь представляет собой угрозу в связи с возможным наводнением. Поскольку стоимость земли возросла, строительство все чаще производится на заливных землях; здания сооружаются на таких участках, где вероятность крупного наводнения довольно велика. Иногда это делается по невежеству, но иногда это рассчитанный риск строителей, которые действуют по принципу «пусть покупатель будет осмотрителен».
Федеральные и местные правительственные агентства публикуют информацию о вероятности разлива рек и водотоков в Соединенных Штатах. Разум подсказывает, что или же не следует вести строительство на участках, риск затопления которых велик, или же здания должны быть спроектированы так, чтобы выстоять при неизбежных наводнениях.
Опасность наводнений часто выражается через вероятность наводнений конкретной силы. Например, Геологическая служба и Военно-инженерная служба США публикуют карты и отчеты, в которых отмечаются участки вдоль русел водотоков и рек, находящиеся под угрозой так называемых столетних наводнений. Это значит, что на обозначенном участке наводнение указанной силы может случиться в среднем раз в сто лет. Это не значит, что, если наводнение было в прошлом году, то следующего не будет еще в течение века. Термин столетнее наводнение означает, что за 1000 лет может произойти примерно 10 наводнений; нет никаких указаний на то, что они будут происходить через равные промежутки времени. В принципе вслед за сильными наводнениями, случившимися два года подряд, могут последовать несколько сотен лет без наводнений. Информацию об опасности наводнений можно получить в центрах по изучению водных ресурсов, которые есть при всех университетах, имеющих земельные участки для сельскохозяйственных исследований, или у официальных представителей штата по водным ресурсам.
Вероятностью возникновения очень сильных паводков часто пренебрегают, особенно в засушливых районах. Зачастую имеющиеся климатические данные не приносят большой пользы из-за небольшого количества метеостанций в малонаселенных местностях со сложным рельефом. Если в данном районе случаются грозы пусть даже изредка, следует избегать постройки здания на дне каньонов и на низменных участках. Пренебречь этим советом — значит навлечь на себя беду. 31 июля 1976 г. грозы в районе водосбора Каньона Большого Томпсона, шт. Колорадо, вызвали обширный паводок, разрушавший дома и дороги, уносивший автомобили. В результате половодья погибло по крайней мере 139 человек и был нанесен ущерб на сумму 36 млн. долл.
Таких бедствий можно избежать. Специалисты Национальной службы погоды могут оценивать вероятность паводков и давать советы организациям и людям, планирующим землепользование и занимающимся эксплуатацией земли, покупателям домов и путешественникам.
Молния и град
По определению, гроза — это буря с громом и молнией. Следовательно, чем чаще случаются грозы, тем больше вероятность удара молнии.
При продвижении переднего конца канала молнии к земле он как бы «ищет» для удара высокую точку. Наиболее удобными мишенями являются высокие деревья, башни, трубы и высокие здания, особенно если они стоят отдельно. Защитить такие сооружения можно с помощью хорошо продуманных систем громоотводов.
Град не может нанести никакого ущерба большинству зданий, если только градины не особенно велики; градины же величиной с грецкий орех могут очень сильно повредить крыши и окна. В тех районах, где часто бывает град, не следует делать крыши из хрупких материалов. Застекленные крыши и большие окна позволяют любоваться великолепием природы, но если они не защищены от града, они не будут долговечными. Грозы, приносящие сильный град, могут также принести и сильный дождь. Если стеклянная крыша разбита, ущерб от воды может быть еще более значительным, чем от града.
Солнечная энергия и конструкция зданий
По мере роста цен на ископаемое топливо будут изучаться и использоваться другие источники энергии. Один из них — солнечная энергия — имеется в достаточном количестве, и к тому же это «чистый» вид энергии. Ежегодное поступление солнечной радиации на территорию Соединенных Штатов колеблется от 120 Вт на квадратный метр до 275 Вт на квадратный метр. Следовательно, в любом сооружении, нуждающемся в больших затратах энергии, следует использовать поверхности достаточно большой площади для сбора солнечной энергии. Летом в засушливых районах инсоляция довольно велика; в местах с большой облачностью и в высоких широтах интенсивность солнечной радиации значительно ниже. В климатических отчетах имеется информация о количестве часов солнечного света и ожидаемой плотности энергии для каждого месяца.
В настоящее время технология использования солнечной энергии, в особенности в применении к отдельным сооружениям, привлекает огромное внимание. Солнце все шире используется как источник тепла. Хорошо продуманный проект здания дает возможность лучам солнца нести тепло непосредственно в жилое или рабочее помещение. Такая технология использования солнечной энергии называется пассивной в отличие от активной технологии, когда солнечная энергия улавливается, хранится и перераспределяется с помощью системы циркуляции теплого воздуха или воды.
Ориентация здания и использование стекла и навесов должны проектироваться с учетом положения солнца в различное время года. Зимой солнце находится низко над горизонтом, и его радиация может обеспечить тепло и свет только в том случае, если имеется достаточная площадь окон и на пути лучей мало препятствий. Деревья или кусты, расположенные с южной стороны здания, должны быть лиственными и не настолько густыми, чтобы не пропускать лучи зимнего солнца.
Летом, особенно в теплых районах и в южных широтах, открытые участки стен на западной стороне должны быть непрозрачными, чтобы не пропускать лучи заходящего солнца. В самую жаркую часть дня солнце будет стоять высоко в небе. Окна должны быть затенены навесами. Растительность можно использовать для перехвата солнечной радиации и украшения местности.
Во многих странах, в особенности в Израиле и Италии, уже давно используются водонагреватели, работающие на солнечной энергии. В последние годы они начали завоевывать популярность и в Соединенных Штатах. Крупные коллекторы солнечной энергии могут почти полностью обеспечивать теплом большое количество зданий или снабжать электроэнергией насосы. Для отопительных целей тепло необходимо хранить в больших резервуарах с водой, в толще горных пород или в других веществах и в случае необходимости эффективно перераспределять.
Хотя себестоимость солнечной энергии все еще выше себестоимости энергии, получаемой при сжигании ископаемого топлива, системы для отопления отдельных зданий или небольших их групп, использующие энергию Солнца, будут становиться все более экономичными по мере роста цен на другие виды топлива. Энергия, получаемая с помощью солнечных батарей, преобразующих солнечную радиацию непосредственно в электричество, все еще слишком дорога и используется поэтому только в особых случаях: при обеспечении энергией космических кораблей и в некоторых изолированных районах, удаленных от обычных источников электричества. Одной из основных задач исследований в области использования солнечной энергии является создание недорогих солнечных батарей, которые можно было бы производить в больших количествах. Как только это будет сделано, использование солнечной энергии в самых разнообразных целях должно резко возрасти.