автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование нормирования и расчета инсоляции жилых помещений путем учета интенсивности и дозы ультрафиолетовой радиации

"05057723

На правах рукописи

ХАЛИКОВ А ФАРИДА РАФАЭЛЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ИНСОЛЯЦИИ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ ПУТЕМ УЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ И ДОЗЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ РАДИАЦИИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань-2013

005057723

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Куприянов Валерий Николаевич

Официальные оппоненты:

Соловьев Алексей Кириллович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет», заведующий кафедрой «Архитектура гражданских и промышленных зданий»

Копсова Татьяна Петровна,

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Архитектура»

Ведущая организация:

Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук, г. Москва

Защита состоится «20» мая 2013 г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Учёного совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан « 15 » апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г

Абдрахманова Л. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Инсоляция или облучение прямым солнечным светом жилых помещений обладает положительным психофизиологическим воздействием на человека и обеспечивает необходимые санитарно-гигиенические условия, поскольку ультрафиолетовая (УФ) радиация солнца вызывает гибель болезнетворных бактерий и вредных микроорганизмов.

В соответствии с действующими нормами эффективность инсоляции определяется на определенные календарные даты в зависимости от широты местности (22.02; 22.03 или 22.04). При этом предполагается, что если в эти дни нормативная продолжительность инсоляции обеспечена, то в помещении круглый год обеспечено санитарно-гигиеническре благополучие.

Количественная мера инсоляции - продолжительность облучения прямым солнечным светом за последние десятилетия неуклонно снижалась. Если в первых отечественных нормах 1963 года она составляла 3 часа в день непрерывного облучения, то в нормах 2010 года она составляет 2, а в некоторых случаях 1,5 часа в день и допускается прерывистое облучение.

Побудителем такого снижения продолжительности инсоляции оказалось давление рыночной экономики, направленное на повышение плотности застройки, особенно в центральных районах крупных городов.

Противостояние между снижением продолжительности облучения за счет увеличения плотности застройки и сохранением продолжительности облучения для обеспечения необходимых санитарно-гигиенических условий в помещениях жилых зданий выливается в многочисленные дискуссии и выступления специалистов в научных изданиях и средствах массовой информации. Каждая сторона выдвигает свои аргументы, не принимая аргументы противоположной стороны.

По нашему мнению, истоки дискуссии заключаются в том, что количественная мера инсоляции - продолжительность облучения прямым солнечным светом, не является однозначной количественной мерой. Облучение помещений солнечным светом, равной продолжительности в утренние, околополуденные или вечерние часы суток принесет в эти помещения различную по величине солнечную энергию, что приведет к различному уровню санитарно-гигиенического воздействия на микрофлору жилых помещений.

Истинно количественной мерой инсоляции жилых помещений должна стать доза солнечного облучения, которая представляет собой произведение интенсивности радиации на продолжительность ее воздействия, а необходимый уровень стерилизации помещений различного назначения должен обеспечиваться обоснованной величиной дозы солнечной радиации.

Наряду с этим в последние годы появляются новые типы оконных конструкций, стекол с различными напылениями и стеклопакетов с заполнениями различными газами, призванные решать задачи энергосбережения. Однако пропускание УФ части солнечного спектра производителями этих стекол не рассматривается, хотя известно, что УФ

область солнечного спектра оказывает наибольшее воздействие на микроорганизмы в силу более высокой энергии УФ лучей. Обоснованно встает вопрос о необходимости Исследования прозрачности современных типов оконных конструкций в УФ части солнечного спектра

Таким образом, исследование закономерностей распределения интенсивности УФ радиации солнечного спектра по рабочим зонам жилых помещений и определение доз УФ облучения при различной продолжительности инсоляции являются весьма актуальной проблемой.

Цель работы - разработка рекомендаций по совершенствованию нормирования и расчета инсоляции жилых помещений путем исследования закономерностей прихода интенсивности и дозы УФ радиации к рабочим зонам помещений.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать прозрачность современных стекол и свегопрозрачных конструкций при разных углах падения луча на плоскость стекла и установить зависимость степени прозрачности стекол к УФ радиации от угла падения луча.

2. Исследовать прозрачность современных стекол в характерных длинах волн УФ спектра, то есть таких длин волн, энергия которых наиболее эффективна для уничтожения тех или иных микроорганизмов.

3. Разработать методику расчета относительной бактерицидной эффективности УФ радиации диапазона (В+С).

4. Установить необходимый уровень стерилизации жилых помещений и дозы УФ радиации, которые обеспечивают этот уровень, как в воздухе помещений, так и на его поверхностях.

5. Провести натурные исследования по приходу УФ радиации к фасадам зданий различных ориентации и установить:

5.1. Степень поглощения УФ радиации свегопрозрачными конструкциями в эксплуатируемых жилых зданиях.

5.2. Распределение интенсивности УФ радиации и дозы УФ облучения в воздухе жилых помещений и на его поверхностях при нормативной продолжительности облучения.

6. Разработать рекомендации по совершенствованию нормирования и расчета инсоляции жилых помещений, в основе которых использовать закономерности прихода УФ радиации к свегопрозрачным конструкциям и рабочим зонам помещений, а также с учетом объемно-планировочных и конструктивных решений жилых помещений.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что нормативная продолжительность инсоляции помещений не является количественной мерой обеспечения санитарно-гигиенического благополучия жилых помещений, поскольку помещения разных ориентации при одинаковой продолжительности облучения получают разное количество солнечной энергии.

2. Установлен диапазон длин волн солнечного спектра, энергия лучей которых вызывает гибель микроорганизмов и обеспечивает санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений. Это диапазоны В и С УФ

радиации (220-320 нм). Энергия остального диапазона длин волн солнечного спектра обеспечивает общестимулирующее, эмоциональное и психофизиологическое воздействие.

3. Разработана методика расчета интенсивности и относительной бактерицидной эффективности солнечной радиации, проникающей в помещение в эффективном диапазоне длин волн солнечного спектра (220-320 нм). Основу методики составляют математическая модель солнечного спектра и массив экспериментальных данных по прозрачности современных стекол и свегопрозрачных конструкций в этом диапазоне по каждой длине волны.

4. Установлены дозы УФ облучения, которые обеспечивают, предложенный в работе, 70 %-ный уровень бактерицидной эффективности. Это 39 Дж/м3 для воздуха помещений и 15 Дж/м2 - для поверхностей помещений, причем санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений достигается при одновременном соответствии доз УФ радиации для воздуха помещений и его поверхностей.

5. Разработана методика расчета доз УФ облучения в диапазоне (В+С) в воздухе помещений и на его поверхностях в зависимости от общей энергии УФ радиации, приходящей в помещение, объемно-планировочных параметров помещения и конструкций светопроемов.

Практическая значимость работы:

1. Получены данные о прозрачности современных типов стекол в УФ диапазоне солнечного спектра двух крупных производителей стекла: ЗАО «АвтоСтройСтекло» и компания А<ЗС, в том числе при различных углах падения луча на стекло, что позволяет обоснованно использовать стекла компании А(ЗС для помещений, где требование инсоляции является обязательным, а стекла ЗАО «АвтоСтройСтекло» - для помещений, где требование инсоляции не является обязательным.

2. Метод расчета доз УФ облучения и бактерицидной эффективности помещений внедрен в курсовое проектирование на специальности 270114 «Проектирование зданий».

3. Разработаны Рекомендации по совершенствованию и расчету инсоляции жилых помещений, позволяющие оценить дозы УФ облучения в воздухе и на поверхностях помещений в зависимости от параметров жилых помещений (размеров и расположения светопроемов, объемно-планировочных решений жилых помещений, глубины помещений), а также от ориентации светопроемов и времени суток.

Достоверность результатов, научных выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечиваются большим массивом экспериментальных данных, выполненных на сертифицированном оборудовании. Общее количество измерений интенсивности превышает 45 тысяч.

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались на Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань, КГАСУ, 2010, 2011, 2012); П, Ш, IV Академических чтениях РААСН - научных конференциях «Актуальные вопросы строительной физики» (Москва, НИИСФ РААСН, МГСУ, 2010,2011,2012).

Работа отмечена Дипломом стипендиата Мэра г. Казани (2011), Дипломом республиканского конкурса научных работ студентов и аспирантов им. Н.И. Лобачевского (2012), Дипломом Ш степени Республиканского молодежного Форума (2012).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 5 научных статей (в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 научные статьи).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы. Текст изложен на 145 страницах, содержит 63 рисунка, 25 таблиц. Список литературы -131 наименование.

Личный вклад автора. Автором самостоятельно поставлены задачи исследования, выбраны объекты и методы исследования, разработана программа экспериментов и лично выполнены все эксперименты и расчеты.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы.

В первой главе выполнен обзор и анализ научных работ и нормативных документов по определению и расчету продолжительности инсоляции помещений. Исследованиями инсоляции занимались такие ведущие научно-исследовательские, проектные институты России и стран ближнего зарубежья, как Институт общей и коммунальной гигиены им. А. Н. Сысина, МГУ им.М. В. Ломоносова, ГИСИ им.В. П. Чкалова, ВЦНИИОТ, ЦНИИЭП жилища, НИИПИ генплана г. Москвы, ЦНИИИП градостроительства, ЦНИИпромзданий, ТашЗ-НИИЭП, ТбилЗНИИЭП, КиевЗНИИЭП, ИГТиП.

Весомый вклад в исследование инсоляции сделан Беликовой В. К., Оболенским Н. В., Бахаревым Д. В., Галаниным Н. Ф., Данцигом. Н. М., Эрисманом Ф. Ф., Тваровским М., Белинским В. А., Штейнбергом А. Я., Гусевым Н. М., Ветошкиным С. И., Дунаевым Б. А.,. Дашкевичем Л. Л, Зеленко А. У., Ершовым А. В., Масленниковым Д. С., за рубежом - Лекишем, Гопкинсоном, Нииманом, Ронге. Геометрические методы расчета инсоляции описаны Дунаевым Б.А., Оболенским Н.В., Зеленко А.У., Масленниковым В.А., Рудницким А., Тваровским М., Ершовым A.B., Сухановым И.С., Дунаевым Б.А., Плейжелом Г.

В 50-60-ых годах XX века проводятся первые исследования по воздействию солнечной радиации на белый стафилококк и кишечную палочку, как два наиболее распространенных микроорганизма в жилых помещениях. По результатам исследований в 1963 году были разработаны первые отечественные нормы по инсоляции помещений СН 427-63, в которых утверждена эпидемиологически безопасная непрерывная

продолжительность инсоляции помещений, равная 3 часам.

Известно, что наибольшую энергию в солнечном спектре несет УФ радиация, подразделяющаяся на диапазоны А, В и С, бактерицидный эффект которых различен, так: УФ-С (200-280 нм) - обладает максимальным бактерицидным воздействием, УФ-В (280-320 нм) - меньшим бактерицидным и частично эритемным воздействием, УФ-А (320-420 нм) - только эритемным,

загарным и общестимулирующим воздействием. Причем, выделяются характерные длины волн, энергия которых имеет избирательное воздействие на микрофлору помещений. В связи с этим, санитарно-гигиеническое воздействие УФ радиации солнца на микрофлору определяется диапазонами С и В, то есть длинами волн 200-320 нм.

В подавляющем большинстве работ по исследованию солнечного спектра отмечается, что УФ радиация солнца короче 300 нм не доходит до поверхности земли из-за поглощения ее кислородом и озоном в верхних слоях атмосферы. Из этого следует, что бактерии и микроорганизмы не должны гибнуть при облучении солнцем. Однако, в работах Эрисмана Ф.Ф, Галанина Н.Ф., Данцига Н.М., Беликовой В.К. и других приводятся результаты исследований о гибели тест-микроорганизмов при облучении их солнечной радиацией. Изучение этого несоответствия позволило установить, что в крупных городах загрязнение атмосферы промышленными выбросами, особенно фреоном, приводит к разрушению и утоньшению озонового слоя атмосферы, из-за которых к поверхности земли проникают более короткие длины волн. В подтверждение этому приводим спектр УФ радиации солнца, полученный сотрудниками Научно-технического предприятия «ТКА», производящего спектрорадиометры, рис. 1.

Из рисунка видно, что в спектре УФ радиации солнца присутствуют волны длиной 220240 нм. Таким образом, следует считать обоснованным использование диапазонов С и В УФ радиации для целей совершенствования инсоляции помещений.

Бахаревым Д.В., Белинским В.А., Лазаревым Д.Н., Гараджем М.П., Шелейховским Г.В., Дашкевичем Л.Л., Галаниным Н.Ф., Зайцевой А.Д. высказано предположение о том, что не только прямое УФ облучение оказывает санирующее действие на микроорганизмы, но действенной оказывается рассеянная и отраженная УФ радиация. В существующих исследованиях не обнаружено связи между интенсивностью облучения, продолжительностью облучения и дозой, которую получают облучаемые тестовые микроорганизмы.

Анализ современных типов стекол и светопрозрачных конструкций различных производителей показал, что информация о прозрачности стекол к УФ радиации весьма ограничена или отсутствует вовсе.

Обзор и анализ литературы показал, что для помещений жилых зданий отсутствуют нормы по уровню бактерицидной эффективности и доз облучения, которые обеспечивают этот уровень. Для помещений лечебно-профилактических учреждений данные уровни определены методическими и руководящими документами, которые были приняты в настоящей работе за

г во • ----- - ------

г / 50 | 1\

| /

г / 1

У

220 < 0 260 280 Ю 320 * С 360 31 <0 400

Длина волны, им

Рис. 1. Спектр УФ радиации солнца в Санкт-Петербурге, полученный на спектро-радиометре НТП «ТКА» 17.12.12 в 1400.

основу при определении санитарно-гигиенического благополучие жилых помещений. В этих документах обоснованы различия между санацией воздуха в объеме помещения и на его поверхностях.

По результатам изучения состояния вопроса сформулирована цель и задачи исследований.

Во второй главе представлены результаты эксперимента по исследованию прозрачности современных стекол в УФ участке спектра, в зависимости от угла падения луча на плоскость стекла. Необходимость постановки данных экспериментов обосновывается тем, что в зависимости от времени суток, времени года и ориентации светопрозрачной конструкции солнечный луч будет падать на плоскость стекла под разными углами. Следовательно, интенсивность солнечного потока, прошедшая через стекло под разными углами, также будет меняться.

Была сконструирована установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 2. В качестве источника УФ облучения была выбрана ксеноновая лампа с водяным охлаждением ДКСТВ - 6000, со спектром близким к солнечному. Измерения прозрачности стекол проводились УФ-Радиометром «ТКА-ПКМ» (12) (№ 24248-09 в Госреестре средств измерений). Прибор позволяет фиксировать интенсивность УФ радиации (мВт/м2) в трех диапазонах: (200-280) нм - УФ-С; (280-320) нм - УФ-В и (320-420) нм - УФ-А.

Рис.2. Схема установки по измерению УФ радиации, прошедшей через стекла: 1-камера-источник УФ излучения; 2-камера-пркемник УФ излучения; 3-экран, ограничивающий пучок излучения; 4-ксеноновая лампа; 5-отверстие в экране; 6-бтверстие в камере-приемнике; 7-образец стекла; 8,9-измерители интенсивности УФ радиации; 10-фиксаторы образца стекла под разными углами; II-фильтр-стекло 10мм; 12-держатель для фильтра.

В эксперименте фиксировался поток УФ радиации, входящий в камеру-приемник (2) и поток, прошедший через стекло, зафиксированный измерителем (8). По разности интенсивностей измеренных потоков УФ радиации определялась прозрачность стекла в процентах (%) или долях единицы.

Прозрачность стекол определялась как к суммарному потоку УФ радиации, так и в отдельных диапазонах УФ-А (320-420 нм); УФ-В (280-320 нм); УФ-С (200-280 нм).

В работе испытаны 28 стекол, производимых компанией А(5С, 5 типов стекол производителя ЗАО «АвтоСтройСтекло» и Саратовское силикатное стекло. Характеристика испытанных образцов стекол приведена в табл. 1.

Таблица 1

Характеристика испытанных образцов стекол

Тип стекла Маркировка покрытия Толщ., мм Обозначение

Солнцезащитное форБо!) Classic 4,8 Солнцезащитное стекло с повышенной зеркальностью. У покрытия Classic более темный и янтарный оттенок, чем у Supersilver и Phoenix (цвет от прозрачного до темно-серого)

Supersilver 4,6,8

Phoenix 4,6,8

Многофункциональное (Бипегзу) - 4,6,8 Многофункциональное стекло (энергосбережение+солнцезащита) пониженная зеркальность (цвет от прозрачного до темно-серого)

Базовое флоат-стекло (Р1ашЬе1) - 4,8 Базовое флоат-стекло (цвет от прозрачного до темно-серого)

Матовое (Ма1е1их, ЕсоМаН) - 4,6 Матированное стекло (цвет от прозрачного до темно-серого)

*Примечание: Пример маркировки стекла в эксперименте: Stopsol Classic Green 4 (Солнцезащитное стекло зеленого цвета толщиной 4 мм)

В таблице 2 представлена прозрачность некоторых типов испытанных стекол при нормальном падении луча на стекло (угол между лучом и нормалью к поверхности стекла равен нулю). Из табл. 2 видно, что прозрачность отличается как для различных типов стекол, так и в различных диапазонах длин волн. Наибольшую прозрачность испытанные образцы стекол имеют в диапазоне УФ-А УФ радиации, она изменяется от 12-86 %. Наименьшая прозрачность стекол зафиксирована в УФ-В.

С увеличением толщины стекла изменяется прозрачность к УФ радиации стекол. Так в образце Stopsol Supersilver Clear с увеличением толщи стекла от 4 до 8 мм уменьшается его прозрачность на 10 % как в отдельных диапазонах, так и при суммарном потоке УФ радиации. Разные типы стекол по-разному пропускают УФ радиацию, солнцезащитное стекло Stopsol Phoenix Clear 4 пропускает на 20-25 % больше УФ радиации, чем энергосберегающее стекло Sunergy Clear 4 во всех спектральных диапазонах, включая суммарную радиацию. Введение цвета в образец сокращает прозрачность стекла вдвое. Так солнцезащитное стекло Stopsol Phoenix Clear 4 имеет суммарную прозрачность 82 %, тогда как прозрачность окрашенного Stopsol Phoenix Green 4 сократилась до 38 %. Матовые стекла имеют наименьшую прозрачность в испытанной линейке стекол, она составила 11-26 %.

Таблица 2

Прозрачность испытанных стекол при нормальном падении луча на стекло

Прозрачность, %

Маркировка стекла УФА УФ-В УФ-С Суммарный поток

УФ радиации

Один тип. разной толщины:

Stopsol Supersilver Clear 4 46 20 46 46

(33) (61)

Stopsol Supersilver Clear 6 42 19 44 46

- (32) (70)

Stopsol Supersilver Clear 8 42 18 43 42

- (29) (68)

Одной толщины, разных типов:

Sunergy Clear 4 64 19 51 62

- (40) (62)

Stopsol Phoenix Clear 4 86 22 58 82

Stopsol Phoenix Green 4 39 23 32 38

*Примечание: в знаменателе указаны значения прозрачности, полученные на

спектрометре StellaNet

На рис. 3-6 представлены зави испытанных стекол при увеличении направленим луча.

о ? ю I? :о Л5 ¿5 45 Угол меаду лучом п нормалью к поверхности, гряд.

Рис.3. Зависимость прозрачности стекол Stopsol Supersilver Clear в УФ (В+С) диапазоне от величины угла падения луча: 1-толщиной 4 мм; 2-толщиной 6 мм; 3-толщиной 8 мм

:имости прозрачности некоторых типов угла между нормалью к поверхности и

О 5 10 15 20 Л? 45

Угол меаду лучом и нормалью к поверхности, град.

Рис.4. Зависимость прозрачности стекол одинаковой толщины в УФ (В+С) диапазоне от величины угла падения луча: 1 Stopsol Phoenix Clear 4; 2-Stopsol Supersilver Clear 4; 3-Stopsol Classic Clear 4

S Г I е-

4? .

40 35

30 , , ,

- ...........-

15 ^ ~

0

60

5 <» -

с J 40

п А 30

S

Д ii

Ч S 20

3"

10

J. 0

о 5 io 15 :o 35 45

Угол мккцт лл чим ii нормалью к" поверхности, град.

Рис.5. Зависимость прозрачности стекол в УФ (В+С) диапазоне от величины угла падения луча:l-Stopsol Phoenix Clear 4; 2-Stopsol Phoenix Green 4; 3-Matelux Clear 4; 4-Matelux Blue 4

Рис. 6.

0 5 10 15 20 :5 35 45 Угол меаду лучом ii нормалью к поверхности, град.

Зависимость прозрачности стеклопакета и стекол его составляющих в УФ (В+С) от величины угла падения луча: ¡-Саратовское силикатное стекло 4; 2-Stopsol Supersilver Clear 4; 3-стеклопакет (Саратовское силикат-

ное стеюю+Stopsol Supersilver Clear 4)

Эксперимент позволил определить коэффициенты, которые необходимо учитывать при расчете интенсивности УФ (В+С), прошедшей через различные типы стекол, в зависимости от угла падения луча на плоскость стекла. Для некоторых типов стекол эти коэффициенты представлены в табл. 3.

Таблица 3

Коэффициенты прозрачности некоторых типов стекол при различных углах падения

луча на стекло

Обозначение типа стекла Угол между лучом и нормалью к поверхности

0° 15° 30° 45° 60° 75°

Stopsol Phoenix Clear 4 0,45 0,45 0,45 0,45 0,36 0,31

Sunergy Clear 4 0,4 0,4 0,4 0,4 0,32 0,28

Planibel Grey 4 0,37 0,37 0,37 0,37 0,3 0,26

Matelux Clear 4 од 0,18 0,16 0,14 0,1 0,08

Саратовское силикатное стекло 0,52 0,52 0,52 0,52 0,4 0,36

Исследование прозрачности стеклопакетов показало, что их прозрачность в УФ участке спектра составляет 30-60 % от прозрачности отдельных стекол, рис. 6. Прозрачность стеклопакетов с достаточной точностью описывается формулой:

ken kcl ' kc2 *... ' ken

где: ken - коэффициент прозрачности стеклопакета; kci-...kcn -коэффициенты прозрачности отдельных стекол (от 1 до п).

Известно, что в суммарном потоке УФ радиации наибольшую разрушающую энергию на микрофлору оказывают характерные длины волн. Так энергия длины волны 254 нм обладает максимальным бактерицидным действием на большинство микроорганизмов, 280 нм - на кишечную палочку, 297 нм — наибольший эритемный и антирахитный эффект, 320 нм -

наибольший эффект при загаре (покраснение кожи). Поэтому, в третьей главе исследована прозрачность современных стекол в диапазоне длин волн 179-1120 нм с шагом 1 нм.

Исследования проведены на волоконно-оптическом спектрометре StellaNet Inc. EPP 2000 с дейтериевой и галогеновыми лампами. Всего исследовано 26 стекол, различающихся типом, покрытием, толщиной, цветом. Анализ полученного массива экспериментальных данных позволил установить закономерности и фактические данные о пропускании УФ радиации современными стеклами.

Так, определена прозрачность испытанных стекол как к суммарному потоку УФ радиации, так и прозрачность в диапазонах УФ-А, УФ-В, УФ-С. Для некоторых типов стекол эта информация представлена в табл. 2 (в знаменателе, в скобках). Из табл. 2 видно, что прозрачность стекол, определенная на спектрометре StellaNet оказалась выше за счет того, что прибор фокусировал на измерителе УФ радиации весь поток за счет использования линзы.

Измерение прозрачности на спектрометре StellaNet позволило получить прозрачность стекол по каждой длине волны УФ спектра и выделить прозрачность в характерных длинах волн.

В связи с избирательностью воздействия энергии различных длин волн на те или иные микроорганизмы закономерно встает вопрос об учете не столько интенсивности суммарного потока УФ радиации и прозрачности стекол к суммарному потоку УФ радиации, сколько об учете прозрачности стекол в характерных длинах волн и близлежащих диапазонах.

То есть, бактерицидное и эритемное воздействие УФ радиации связано с диапазонами УФ-С (200-280 нм) и УФ-В (280-320 нм). Диапазон УФ-А (320-420 нм) имеет общестимулирующее действие, а совместно с видимым светом (420780 нм) - эмоциональное и психофизиологическое.

Оценка прозрачности стекол в диапазонах В и С (200-320 нм) имеет практическое значение для обеспечения санирующего воздействия УФ радиации в жилых помещениях. На рис. 7 приведены данные о прозрачности некоторых испытанных типов стекол в характерных длинах волн.

Из данных рис. 7 видна определенная закономерность уровня прозрачности испытанных стекол от длины волны, прозрачность возрастает как в сторону уменьшения длины волны, так и в сторону ее увеличения от диапазона 254-297 нм.

Анализ практики санации лечебно-профилактических учреждений при воздействии УФ облучения позволил выявить принципы учета энергетических воздействий при облучении микроорганизмов различными длинами волн. Эти принципы использованы для оценки санации жилых помещений.

В методику расчета энергетического воздействия принят факт максимального бактерицидного воздействия на микроорганизмы длины волны 254 нм. Это воздействие принято за единицу. Чем дальше отстоит длина волны от 254 нм в ту или другую сторону, тем меньше энергетическое воздействие. То есть вводится коэффициент относительной бактерицидной эффективности (ОБактЭ). Например, при длине волны 220 нм - 0,84; 254 нм - 1,0; 280 нм -

0,45; 297 нм - 0,26; 320 нм - 0,02 и т.д. (в медицинской практике введена энергетическая единица бактерицидной эффективности (Бакт), 1Бакт= 1Вт). а) б) в)

i 4

10

Р S

J

200 220 254 2S0 29" 315 320 Длина волны, нм

20 254 2S0 29" 315 Д.шн:1 волны, mi

200 220 254 2S0 29" 315 320 Длин:) волны, №1

Рис. 7. Прозрачность стекол в характерных длинах волн: а) один тип стекла, разная толщина; б) одна толщина, разный тип стекла; в) разные типы стекол; 1— Stopsol Classic Clear 4; 2-Stopsol Classic Clear 8; 3-Sunergy Clear 4; 4~Саратовское силикатное стекло 4; 5-Matelux ExtraClear 4; б-Stopsol Supersilver Clear 4; 7— EcoMatt Color Arctic Blue 4

Численные значения коэффициента ОБактЭ показывают, что энергия длин волн больше 320 нм практически не оказывает бактерицидного воздействия на микрофлору, что подтверждает выбранный диапазон УФ радиации (220-320 нм) для дальнейших исследований.

Данные по прозрачности испытанных стекол по каждой длине волны в диапазоне 220-320 нм позволили разработать методику определения интенсивности относительного бактерицидного воздействия на микрофлору помещений. Для реализации методики требуется спектр УФ радиации солнца в диапазоне 220-320 нм в конкретном географическом пункте. На основе этого графика с использованием компьютерных программ Grafula и Origin Pro составляется математическая модель солнечного спектра:

Л*)=у0+

xe?q| -2х 1

»1 J

\ I*/

xexf -.

2">

4

W5XJl

cexj

xex[ -.

~*°2 и>2

4

-7= xext

HfJ

x~xci «3

4,

>4,

xexj -2:

x-xc^ w6

(1)

где

m

- интенсивность солнечной радиации (Вт/м2) при длине волны равной х (нм).

1 П^88Вт/м2

Х=67Вт/м2

Т=0,825Вт/м2

0,000

о II N й « о О I

N N ГЛ /Л V 1/1 * NN NN М NN (

05 * О 13 N СО ' Л N Й Ю ^ I N МММ NN '

Графически эта модель для Санкт-Петербурга, рассчитанная по рис. 1, представлена на рис. 8 (кривая 1). Далее на основании коэффициентов ОБактЭ определена интенсивность бактерицидного облучения солнечной радиации (кривая 2, рис. 8), а с учетом прозрачности стекла по каждой длине волны -бактерицидная эффективность облучения, прошедшая через стекло в помещение (кривая 3, рис. 8). На рис. 8 показаны, также, значения интенсивности всего диапазона 220-320 нм: 88 Вт/м2 - солнечный спектр, 67 Вт/м2 - бактерицидная эффективность солнечного спектра, 0,825 Вт/м2 - то же, прошедшее через стекло.

Таким образом, разработана методика, позволяющая оценить бактерицидную эффективность солнечного облучения в помещении по графику солнечного спектра в диапазоне 220-320 нм в конкретном географическом пункте и прозрачности оконных конструкций.

В связи с отсутствием графиков солнечного спектра в диапазоне 220-320 нм по многим населенным пунктам, воспользоваться методикой не

представляется возможным. Поэтому в дальнейших исследованиях использованы собственные измерения интенсивности УФ радиации, а в Рекомендациях - справочные данные по интенсивности УФ облучения диапазона <315 нм, приведенные в табл. 7, пособия по проектированию «Руководство по строительной климатологии».

Четвертая глава посвящена установлению необходимого уровня бактерицидной эффективности жилых помещений и доз УФ облучения, обеспечивающих Этот уровень.

Нормативные документы по инсоляции жилых помещений и научные работы архитектурно-строительной направленности не содержат информации не по уровню санации жилых помещений, не по дозам облучения, обеспечивающих этот уровень.

В настоящей работе в основу указанного нормирования положены Методы и Рекомендации, используемые для обеспечения бактерицидной эффективности помещений лечебно-профилактических учреждений при воздействии УФ облучения. Уровень бактерицидной эффективности измеряется, в %, который показывает процент гибели микроорганизмов в результате воздействия УФ облучения. Для помещений различного назначения лечебно-профилактических учреждений этот уровень находится в диапазоне 85-99,9 % и указывается нижняя граница уровня бактерицидной эффективности для патогенной микрофлоры 70 %. Этот уровень и предлагается принять для жилых помещений. (Для сравнения, уровень бактерицидной эффективности для

Длнна ВО.1 !1Ь!.НМ

Рис.8. Интенсивности части солнечного спектра (1), относительной бактерицидной эффективности солнечного спектра (2) и бактерицидная эффективность облучения, прошедшая через стекло (3).

площадок лестничных клеток и курительных комнат лечебно-профилактических учреждений - 85 %).

На рис. 9 представлены зависимости дозы УФ облучения для воздуха помещений в Дж/м3 и его поверхностей в Дж/м2, которые необходимо обеспечить для поддержания определенного уровня бактерицидной эффективности.

На этом рисунке сплошные линии построены по нормативным данным для лечебно-профилактических учреждений, а штриховые линии получены методом экстраполяции по эмпирическим расчетным формулам. Таким образом, в дальнейших исследованиях приняты значения 39 Дж/м3 и 15 Дж/м2 в качестве расчетных величин доз УФ облучения для воздуха помещений и его поверхностей соответственно, при которых обеспечивается 70%-ный уровень бактерицидной эффективности.

В пятой главе представлены результаты натурных исследований инсоляции жилых зданий. Целью исследований было подтверждение обеспечения (или необеспечения) необходимого санитарного благополучия жилых помещений в эксплуатируемых зданиях при нормативной продолжительности инсоляции - 2 часа. Было исследовано 26 жилых помещений, ориентированных по 8 основным румбам. Измерения проводились УФ-Радиометром «ТКА-ПКМ» в диапазонах А, В, С УФ радиации. В процессе эксперимента определялась интенсивность УФ радиации, прошедшей через светопрозрачную конструкцию в помещение.

Эксперимент показал, что вопреки сложившемуся мнению, диапазон бактерицидной радиации УФ (В+С) (220-320 нм) присутствует в суммарном потоке УФ радиации солнца и даже проходит через светопрозрачную конструкцию (табл. 4).

Таблица 4

Приход УФ радиации в диапазонах А, В, С к фасадам зданий и ее поглощение свегопрозрачными конструкциями

№ пом. УФ радиация, приходящая к плоскости стекла, мВт/м2 УФ радиация, прошедшая через стекло, мВт/м2

УФА УФ-В УФ-С УФА УФ-В УФ-С

1 2390 74 450 578 5 82

9 2789 82 574 1299 10 184

16 5428 99 1866 303 3 21

Рис. 9. Поверхностные (1), Дж/м2 и объемные (2), Дж/м3 дозы облучения для различных уровней бактерицидной эффективности (%) для золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) и кишечной палочки (Escherichia Coli).

Результаты измерений интенсивности УФ радиации по некоторым помещениям представлены в табл. 5 и на рис. 10.

Таблица 5

Приход эффективной УФ радиации к фасадам зданий и ее поглощение свегопрозрачными конструкциями

г' о с Светопрозр. конструкция Условия эксперимента Угол в", град Интенсивность УФ (В+С) радиации, мВт/м2 Поглощ. светопр. констр., %

н £Т) окно балкон дата время в ч "8 перед светопр. констр. после светопр. констр.

север

1 5 2х-к/стекл. - 22.06 12.20 8 - 524 87 83

2 3 2х-к/стекл. - 12.05 17.10 5 - 278 104 62

3 6 2х-к/стекл. 1 -к/стекл. 11.05 18.20 0 - 157 20 87

восток

9 9 2х-к/стекл. - 21.05 12.45 0 - 656 194 70

10 5 1 -к/стекл. 1 -к/стекл. 21.05 13.30 0 - 266 49 81

И 9 2х-к/стекл. 1 -к/стекл. 04.06 13.50 10 - 38 7 81

юг

15 6 1-к/стекл. 1 -к/стекл. 05.06 12.30 10 56 352 41 88

16 3 1-к/стекл., внеш. стекло энергосб 1 -к/стекл. обыч. закал, стекло 13.05 13.45 0 60 1965 24 99

17 1 2х-к'стекл. - 04.06 14.00 10 64 251 111 56

18 3 2х-к'стекл. незастекл. 13.05 14.30 0 65 277 87 69

"Угол в - угол между направлением солнечного луча и нормалью к поверхности светопрозрачной конструкции

Йз данных, приведенных в табл. 5 видно, что наибольшее поглощение УФ радиации отмечается у свегопрозрачных конструкций с энергосберегающими и закалёнными стеклами (помещение 16).

Данные табл. 5 показывают также, что степень поглощения УФ радиации свегопрозрачной конструкцией зависит не только от прозрачности стекла, но также от этажности, времени суток, ориентации светопроема и угла падения солнечного луча на поверхность остекления. Наличие застекленного балкона резко снижает интенсивность облучения в помещении.

Интенсивность УФ радиации в расчетных точках на полу помещений (рис. 10) распределена в соответствии с «солнечными зайчиками» от световых проемов.

Пом. 12, ЮВ

Пом. 18, Ю

Пом. 21,103

./V

г- Г" * о* * :"7

1* V л ;

2* 5* 10

О

Рис. 10. Интенсивность облучения в расчетных точках пола (мВт/м2) в диапазоне УФ (В+С) и перемещение «солнечных зайчиков» от окон за два часа облучения

Если значения интенсивности в расчетных точках на полу помещения усреднить, то можно получить распределение дозы облучения по глубине помещения. На рис. 11 представлены эти данные для некоторых помещений при нормативной продолжительности облучения - 2 часа Можно видеть, что 70 % - ные уровни бактерицидной эффективности (15 Дж/м2) достигается по всей глубине помещения.

Пом. 12, ЮВ Пом. 18, Ю

Аг, Дж/м"

, 1 50ДЖ/М-"

/ \

/....... \т """ "" 43Дж/м' ^9Дж,'ы

... _______ .............................1

1

| и{КЬм

Пом. 21, ЮЗ

|.10(ЮУМ|, ^_40(К>чп1_^

Рис. 11. Зависимость изменения двухчасовой дозы облучения по глубине помещений

4-

В наших натурных исследованиях «солнечные зайчики» от световых проемов фиксировались не только на полу, но также и на стенах помещений, что определяется ориентацией светового проема и высотой стояния солнца.

В связи с этим, а также в соответствии с принципами санации помещений медицинских учреждений (см. главу 4) разработана методика расчета дозы УФ облучения (диапазона В+С) в воздухе помещений и на его поверхностях.

Исходными данными для расчета дозы облучения служат: интенсивность

УФ радиации после прохождения через светопрозрачную конструкцию («1пом, мВт/м2), параметры помещения (глубина Ь, ширина В и высота Н, в м) и параметры («в свету») светового проема (ширина Ь и высота И, в м). Полное количество энергии, прошедшее через площадь окна (О, мВт) определится произведением часовой интенсивности (1Пом, мВт/м2) на площадь светопрозрачной части проема (Б = Ь ■ Ь, м2):

О = 1»„м • Б, мВт (2)

Энергетическая доза в воздухе помещения (Д,) определится как произведение 0 на продолжительность облучения (т, часы), отнесенное к объему помещения (V = Ь • В • Н, м3):

Дв = 3,6<} -т/У,Дж/м3 (3)

Энергетическая доза на поверхностях помещения (Дп) определится как произведение О на продолжительность облучения (т, часы), отнесенное к площади всех поверхностей помещения за вычетом площади окна Б = (2ЬВ + 2ЬН + 2ВН) - Б, Дж/м3:

Дп = 3,6 • т / Р, Дж/м2 (4)

где: 3,6 - коэффициент перевода размерности мВт-час в размерность Дж Результаты расчета доз УФ облучения по некоторым помещениям представлены в табл. 6 при нормируемой продолжительности инсоляции для Казани - 2 часа.

Таблица 6

Дозы ультрафиолетового облучения и их бактерицидная эффективность в некоторых

исследованных помещениях

Характеристика помещений Интенсивность облучения Дозы облучения Бактерицидная эффект-ть, %

№ ориент. балкон и м V, м3 м2 Б, м2 Jmм, мВт/м2 мВт Лв, Дж/м3 Дп, Дж/м2 в воздухе на поверх.

2 С - 3,4 37 64,2 2,8 100 280 54 31 75 80

9 В 2,8 20,8 44,2 1,8 186 335 116 54 87 93

10 В да 5,6 50,3 83 3,0 46 138 20 12 <70 <70

12 ЮВ - 3,4 38 65,3 3,3 342 1129 214 124 97 >70

17 Ю - 4,6 43 71,6 3,4 110 374 63 38 77 84

18 Ю да 4,0 33,6 62 1,65 81 134 29 16 <70 70

21 ЮЗ - 4,5 38 66 2,7 118 319 60 35 76 82

Анализ табл. 6 показывает, что в летний период уровень бактерицидной эффективности, при двухчасовом облучении большинства помещений, превышает необходимые 70 % даже для помещений, ориентированных на север. Помещения с застекленными балконами или лоджиями не имеют необходимого уровня бактерицидной эффективности либо по воздуху и поверхностям помещения одновременно, либо по одному из параметров (пом. 10 и 18), несмотря на то, что измерения проводились при безоблачном небе.

Из этого следует важный вывод о том, что санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений будет обеспечено только в том случае, когда бактерицидная эффективность в воздухе помещений и на его поверхностях

одновременно будет соответствовать установленной норме.

В главе 6 представлены Рекомендации по совершенствованию нормирования, регулирования и расчета инсоляции жилых помещений. В первой части Рекомендаций обоснован переход от продолжительности инсоляции в часах к дозе УФ облучения в диапазоне (В+С), которая обеспечит заданный уровень бактерицидной эффективности в жилых помещениях. Во второй части приведена «Методика расчета дозы УФ облучения диапазона (В+С) в воздухе помещений и на его поверхностях».

В методику заложены следующие исходные данные:

1. Градостроительные параметры застройки с ориентацией светопроемов и противостоящими зданиями;

2. Объемно-планировочные и конструктивные решения помещений;

3. Конструкция свегопрозрачной части окон и типы стекол;

4. База данных об интенсивности прямой и рассеянной УФ радиации диапазона (В+С) <315 нм, приходящей к фасадам зданий; для географических широт от 35° до 75° с.ш. с шагом 5°.

5. База данных о коэффициентах прозрачности современных стекол и свегопрозрачных конструкций в диапазоне (В+С) УФ радиации, в том числе при разных углах падения солнечного луча.

Расчетная методика представлена в виде разработанной компьютерной программы, которая позволяет по заложенным исходным данным в автоматическом режиме получить величину дозы УФ облучения в воздухе помещения и на его поверхностях и вывод о соответствии (или несоответствии) этой дозы необходимой бактерицидной эффективности.

В качестве примера в табл. 7 приведены результаты расчета бактерицидной эффективности облучения типового жилого помещения в условиях Казани с ориентацией светопроема по 8 основным румбам.

Таблица 7

Сравнительная оценка двух методов расчета инсоляции по обеспечению санитарно-гигиенического благополучия помещений при нормированной продолжительности облучения - 2 часа (на день весенне-осеннего равноденствия)

Ориснт. светопроема Продол, инсоляции, ч Санитарно-гнгненическое воздействие инсоляции

по методике СанПиН 2.1.2.2645-10 по разработанной методике

Доза в воздухе пом. Доза на поверх, пом. Бакт. эффек-ть облучения

С - не норм нет нет нет

св,сз - не норм нет нет нет

в 2 (7-9час) да нет нет нет

юв 2 (8-10час) Да нет нет нет

2 (10-12час) да да да да

ю 2 (10-12час) Да да да да

юз 2 (14-16час) да нет нет нет

2 (12-14 час) да Да да да

3 2 (15-17час) да нет нет нет

Результаты расчетов представлены в сравнении с оценкой инсоляции по действующим нормативным документам. Из табл. 7 видно, что нормативный метод определения инсоляции при 2- часовой продолжительности для всех ориентации дает положительный результат. Разработанная методика по определению доз УФ облучения дает положительный результат для юго-восточной, южной и юго-западной ориентаций светопроема. При этом, дозы УФ облучения будут различны для разных периодов облучения (ЮВ, ЮЗ). При других ориентаций светопроема (В, 3) помещения не получают энергию, необходимую для обеззараживания помещений.

В третьей части Рекомендаций сформулированы предложения по регулированию интенсивности и дозы УФ облучения изменением объемно-планировочных и конструктивных решений жилых помещений:

1. Изменением продолжительности инсоляции для получения заданной

дозы УФ облучения;

2. Подбором типа стекол с большей величиной их прозрачности в диапазоне (В+С) УФ спектра;

3. Увеличением размеров светового проема, что увеличивает количество УФ энергии, поступающей в помещение;

4. Изменением размеров помещений, что изменяет объем помещения (V) и площадь его поверхностей (Р);

5. Ориентацией светопроемов по румбам, что:

а) обеспечит облучение помещений в различные часы суток, следовательно, привнесет в них различную величину солнечной энергии;

б) обеспечит более высокий коэффициент прозрачности стекол, за счет изменения угла падения солнечного луча на стекло.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проектирование инсоляции (по действующим нормативным документам) путем обеспечения нормируемой продолжительности облучения прямым солнечным светом не характеризует санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений, потому что одинаковая продолжительность инсоляции в утренние, околополуденные и вечерние часы приносит в помещение различную по величине солнечную энергию.

2. Показано, что единственной количественной мерой инсоляции является доза УФ облучения, которая определяется произведением интенсивности радиации на продолжительность облучения.

3. Определен диапазон длин волн УФ радиации солнца, энергия которого вызывает гибель микроорганизмов. Это диапазон В и С УФ радиации (220-320 нм) и экспериментально показано, что вопреки общепринятому мнению УФ радиация солнца этого диапазона не только приходит к фасадам зданий, но и проникает в помещение через свегопрозрачные конструкции.

4. Разработан метод расчета интенсивности солнечной радиации диапазона (В+С) и относительной бактерицидной эффективности этого диапазона, прошедшей через стекло. Метод основан на математической модели солнечного

спектра, которая получена на основе оцифрованного графика солнечного спектра в программе Grafula и компьютерной программы Origin Pro и характеристик прозрачности стекол по каждой длине волны в этом диапазоне.

5. Разработана методика расчета доз УФ облучения в воздухе помещений и на его поверхностях в зависимости от общей энергии УФ радиации диапазона (В+С), приходящей в помещение, объемно-планировочных параметров помещения и конструкций светопроемов. Методика представлена также в виде расчетного программного комплекса «РаиН 2013», позволяющего получать результат в автоматическом режиме.

6. Экспериментально показано, что в жилых помещениях величина рассеянной УФ радиации может составлять от 50 до 100 % от прямой УФ радиации.

7. Показано, что санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений достигается 70 % - ным уровнем бактерицидной эффективности, который обеспечивается одновременно получаемой дозой УФ облучения воздуха помещений (39 Дж/м3) и поверхностями помещений (15 Дж/м2).

8. Разработаны Рекомендации по совершенствованию нормирования, регулирования и расчета инсоляции жилых помещений.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Куприянов, В.Н. К исследованию инсоляции жилых помещений / В.Н. Куприянов, Ф.Р. Халикова // ACADEMIA архитектура и строительство. -2010. - № 3. - С. 477-482;

2. Халикова, Ф.Р. Экспериментальные исследования проникновения УФ радиации через оконные стекла / Ф.Р. Халикова, В.Н. Куприянов // Научно-технический журнал. Вестник МГСУ. - 2011. - № 3. - Т. 2, - С. 3035;

3. Куприянов, В.Н. Современные проблемы инсоляции жилых помещений / В.Н. Куприянов, Ф.Р. Халикова // Светопрозрачные конструкции. - 2010. - № 4 (72). -С. 24-28;

4. Куприянов, В.Н. Пропускание ультрафиолетовой радиации оконными стеклами при различных углах падения луча / В.Н. Куприянов, Ф.Р. Халикова // Жилищное строительство. - 2012. - №. 7. - С. 64-65;

5. Куприянов, КН. Натурные исследования энергетических параметров инсоляции жилых помещений / В.Н. Куприянов, Ф.Р. Халикова // Известия КазГАСУ. - 2012. - № 4 (22). - С. 139-147.

Подписано к печати «11» апреля 2013 г. Формат 60x84/16 Печать RISO

Объем 1 п.л. Заказ №__Тираж 100 экз.

Отпечатано в полиграфическом секторе Издательства КГ АСУ 420043, Казань, ул. Зеленая, д. 1

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

На правах рукописи

ХАЛИКОВА ФАРИДА РАФАЭЛЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ НОРМИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ИНСОЛЯЦИИ ЖИЛЫХ ПОМЕЩЕНИЙ ПУТЕМ УЧЕТА ИНТЕНСИВНОСТИ И ДОЗЫ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ РАДИАЦИИ

05.23.01 - Строительные конструкция, здания и сооружения

О ДИССЕРТАЦИЯ

ю

<0 со

Ю на соискание ученой степени

од кандидата технических наук

со °

CD О

СМ $2

Научный руководитель: В.Н. Куприянов д.т.н., проф., член-корр. РААСН

Казань-2013

Оглавление

Введение. Обоснование актуальности темы............................................................5

Глава I. Обзор и анализ литературы по нормированию и расчету инсоляции жилых помещений................................................................................................9

1.1.Исторический аспект учета инсоляции при проектировании жилых зданий..............................................................................................................................................9

1.2.Солнечная радиация и ее параметры.................................. 14

1.2.1. Геометрические параметры солнечной радиации........... 16

1.2.2. Энергетические параметры солнечной радиации........... 23

1.3.Анализ нормативной литературы по инсоляции жилых помещений........................................................................... 30

1 АПсихофизиологические и гигиенические основы инсоляции..... 38

1.4.1. Психофизиологические основы инсоляции................... 38

1.4.2. Гигиенические основы инсоляции......................................................40

1.5. Энергетические нормативы санации помещений.................. 46

1.6. Обобщение существующих исследований. Формулирование цели и задач работы.......................................................... 50

Глава II. Исследование прозрачности современных стекол в ультрафиолетовом диапазоне при различных углах падения луча на плоскость стекла.............................................................. 54

2.1. Выбор экспериментальных образцов..............................................................54

2.2. Методика исследования прозрачности при различных углах падения луча....................................................................... 55

2.3. Результаты исследования и анализ прозрачности современных стекол в ультрафиолетовом диапазоне при различных углах падения луча.................................................................................. 59

Выводы по главе 2........................................................ 65

ГЛАВА Ш. Исследование прозрачности современных стекол в ультрафиолетовом диапазоне солнечного спектра на спектрометре

StellaNet Inc. EPP 2000..............................................................................67

3.1. Выбор экспериментальных образцов..............................................................67

3.2. Методика исследования прозрачности на спектрометре StellaNet

Inc. EPP 2000........................................................................................................................67

3.3. Результаты исследования и анализ прозрачности современных стекол в ультрафиолетовом диапазоне....................................... 69

Выводы по главе 3..............................................................................................................76

Глава IV. Установление необходимого уровня бактерицидной эффективности жилых помещений и доз ультрафиолетового

облучения, обеспечивающих этот уровень............................................................78

Глава V. Натурные исследования энергетических параметров инсоляции жилых зданий..........................................................................................................81

5.1. Объекты и методы исследований (приборы, параметры помещений, их ориентация, расположение в застройке и т.п.)..............81

5.2. Результаты исследований интенсивности УФ облучения (на фасадах зданий и ее распределение по глубине помещений)..................85

5.3. Определение доз ультрафиолетового облучения в объеме помещения и по площади рабочих поверхностей исследованных помещений.............................................................................. 89

Выводы по главе 5......................................................... 104

Глава VI. Разработка рекомендаций по совершенствованию нормирования и расчета инсоляции жилых помещений................. 105

6.1. Основные принципы совершенствования нормирования и расчета инсоляции................................................................... 105

6.2. Методика расчета дозы УФ облучения диапазона (В+С) в воздухе помещений и на его поверхностях...................................... 106

6.3. Предложения по регулированшо интенсивности и дозы УФ облучения................................................................................ 116

Выводы по главе 6....................................................... 120

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ............................................................... 121

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................... 123

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................... 134

Приложение 1. Пример использования Рекомендаций при определении интенсивности и дозы УФ облучения жилых

помещений......................................................................... 135

Приложение 2. Справка о внедрении результатов диссертационной работы в учебный процесс путем разработки Методических указаний для выполнения самостоятельной работы студентов в курсовом

проектировании................................................................... 143

Приложение 3. Выборка из табл. 7 Руководства по строительной климатологии (Пособие по проектированию) данных по интенсивности прямой и рассеянной УФ радиации области <315 нм 144

Введение

Обоснование актуальности темы. Инсоляция или облучение прямым солнечным светом жилых помещений обладает положительным психофизиологическим воздействием на человека и обеспечивает необходимые санитарно-гигиенические условия, поскольку ультрафиолетовая (далее УФ) радиация солнца вызывает гибель болезнетворных бактерий и вредных микроорганизмов.

Количественная мера инсоляции - продолжительность облучения прямым солнечным светом за последние десятилетия неуклонно снижалась. Если в первых отечественных нормах 1963 года она составляла 3 часа в день непрерывного облучения, то в нормах 2010 года она составляет 2, а в некоторых случаях 1,5 часа в день и допускается прерывистое облучение.

Побудителем такого снижения продолжительности инсоляции оказалось давление рыночной экономики, направленное на повышение плотности застройки, особенно в центральных районах крупных городов.

Противостояние между снижением продолжительности облучения за счет увеличения плотности застройки и сохранением продолжительности облучения для обеспечения необходимых санитарно-гигиенических условий в помещениях жилых зданий выливается в многочисленные дискуссии и выступления специалистов в научных изданиях и средствах массовой информации. Каждая сторона выдвигает свои аргументы, не принимая аргументы противоположной стороны.

По нашему мнению, истоки дискуссии заключаются в том, что количественная мера инсоляции - продолжительность облучения прямым солнечным светом, не является однозначной количественной мерой. Облучение помещений солнечным светом, равной продолжительности в утренние, околополуденные или вечерние часы суток принесет в эти помещения различную по величине солнечную энергию, что приведет к различному уровню санитарно-гигиенического воздействия на микрофлору жилых помещений.

Истинно количественной мерой инсоляции жилых помещений должна стать доза солнечного облучения, которая представляет собой произведение интенсивности радиации на продолжительность ее воздействия, а необходимый уровень стерилизации помещений различного назначения должен обеспечиваться обоснованной величиной дозы солнечной радиации.

Наряду с этим в последние годы появляются новые типы оконных конструкций, стекол с различными напылениями и стеклопакетов с заполнениями различными газами, призванные решать задачи энергосбережения. Однако пропускание УФ части солнечного спектра производителями этих стекол не рассматривается, хотя известно, что УФ область солнечного спектра оказывает наибольшее воздействие на микроорганизмы в силу более высокой энергии УФ лучей. Обоснованно встает вопрос о необходимости исследования прозрачности современных типов оконных конструкций в УФ части солнечного спектра.

Таким образом, исследование закономерностей прихода УФ радиации к поверхности свегопрозрачных конструкций, а также ее распределение по рабочей зоне жилых помещений является весьма актуальной проблемой.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что нормативная продолжительность инсоляции помещений не является количественной мерой обеспечения санитарно-гигиенического благополучия жилых помещений, поскольку помещения разных ориентаций при одинаковой продолжительности облучения получают разное количество солнечной энергии.

2. Установлен диапазон длин волн солнечного спектра, энергия лучей которых вызывает гибель микроорганизмов и обеспечивает санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений. Это диапазоны В и С УФ радиации (220-320 нм). Энергия остального диапазона длин волн солнечного спектра обеспечивает общестимулирующее, эмоциональное и психофизиологическое воздействие.

3. Разработана методика расчета интенсивности и относительной бактерицидной эффективности солнечной радиации, проникающей в помещение в эффективном диапазоне длин волн солнечного спектра (220-320 нм). Основу методики составляют математическая модель солнечного спектра и массив экспериментальных данных по прозрачности современных стекол и светопрозрачных конструкций в этом диапазоне по каждой длине волны.

4. Установлены дозы УФ облучения, которые обеспечивают, предложенный в работе, 70 %-ный уровень бактерицидной эффективности. Это 39 Дж/м3 для воздуха помещений и 15 Дж/м2 - для поверхностей помещений, причем санитарно-гигиеническое благополучие жилых помещений достигается при одновременном соответствии доз УФ радиации для воздуха помещений и его поверхностей.

5. Разработана методика расчета доз УФ облучения в диапазоне (В+С) в воздухе помещений и на его поверхностях в зависимости от общей энергии УФ радиации, приходящей в помещение, объемно-планировочных параметров помещения и конструкций светопроемов.

Практическая значимость работы: . 1. Получены данные о прозрачности современных типов стекол в УФ диапазоне солнечного спектра двух крупных производителей стекла: ЗАО «АвтоСтройСтекло» и компания AGC, в том числе при различных углах падения луча на стекло, что позволяет обоснованно использовать стекла компании AGC для помещений, где требование инсоляции является обязательным, а стекла ЗАО «АвтоСтройСтекло» - для помещений, где требование инсоляции не является обязательным.

2. Метод расчета доз УФ облучения и бактерицидной эффективности помещений внедрен в курсовое проектирование на специальности 270114 «Проектирование зданий».

3. Разработаны Рекомендации по совершенствованию и расчету инсоляции жилых помещений, позволяющие оценить дозы УФ облучения в воздухе и на поверхностях помещений в зависимости от параметров жилых помещений (размеров и расположения светопроемов, объемно-планировочных решений жилых помещений, глубины помещений), а также от ориентации светопроемов и времени суток.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и списка литературы. Текст изложен на 145 страницах, содержит 63 рисунка, 25 таблиц. Список литературы включает 131 наименование.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 научных статей (в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 научные статьи).

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались на Республиканских научных конференциях по проблемам архитектуры и строительства (Казань, КГАСУ, 2010, 2011, 2012); II, III, IV Академических чтениях РААСН - научных конференциях «Актуальные вопросы строительной физики» (Москва, НИИСФ РААСН, МГСУ, 2010, 2011, 2012).

Работа отмечена Дипломом стипендиата Мэра г. Казани (2011), Дипломом республиканского конкурса научных работ студентов и аспирантов им. Н.И. Лобачевского (2012), Дипломом III степени республиканского молодежного форума (2012).

Глава I. Обзор и анализ литературы по нормированию и расчету инсоляции жилых помещений

1.1. Исторический аспект учета инсоляции при проектировании жилых зданий

Стремление использовать солнечную энергию в архитектуре была известна еще в древности. С незапамятных времен люди поклонялись солнцу. Животворящее божество Ра древних египтян, древнегреческий бог солнца - Гелиос, веселый и жизнерадостный бог Ярило у древних славян -все это воплощения одного и того же животворящего Солнца в сознании наших далеких предков. Прошло много веков, прежде чем люди от обожествления солнца перешли к его изучению. Применение солнцелечения в медицине уходит вглубь веков и гелиотерапия немногим моложе самой медицины. Известно, что египтяне лечили болезни солнечным светом. Гиппократ применял для лечения больных не только лекарства, но и солнце. Римляне строили солярии, а Геродот считал, что солнечный свет хорош для людей, нуждающихся в восстановлении и росте мускулатуры. Многие другие народы применяли лечение солнцем.

Гиппократ, указывая на важность солнечного света для здоровья человека, писал, что в городах с восточным расположением, вода чиста, вкусна, так как восходящее солнце предохраняет воду от порчи, а люди выглядят здоровыми, имеют приятный цвет кожи.

Признание важности солнечного света нашло научное подтверждение в работе Даунса и Бланта, которые установили в 1877 г. бактерицидное действие солнечного света и связали этот эффект с самоочищением рек и озер, облучаемых солнцем. Более поздние исследователи установили, что этот эффект в значительной мере производит ультрафиолет, содержащийся в солнечном свете.

Знаменитый датский ученый, лауреат Нобелевской премии, М.Финзен подчеркивал: «Ничто не замещает солнечного света». Он будет всегда единственным, необходимым и неподражаемым источником для живой клетки» [92, 93].

В Древнем Египте, Греции и Риме были заложены астрономические и геометрические основы пространственно-временного расчета инсоляции.

Наибольшего величия в мышлении в области солнечного света в архитектуре достиг Витрувий. Ни один климатический фактор, ни одно явление природы не оказывает такого всеобъемлющего влияния на все основные категории качества архитектуры, как солнечная радиация. Понимая это, Витрувий глубоко изучил солнечную стереометрию и разработал свою знаменитую «анналему солнца», которую ныне можно считать основой всех методических разработок по расчетам инсоляции [33].

Огромная роль солнца в архитектуре подчеркивали вслед за Витрувием все его знаменитые последователи от Альберти и Палладио до Корбюзье и братьев Весниных.

Пользуясь современной терминологией, можно сказать, что качество современной архитектуры определяют комфортность, долговечность, выразительность и экономичность. Не случайна последовательность перечисления этих факторов, как не случайна она в крылатой фразе Ле Корбюзье, который говорил, что материалами для архитектора являются: солнце, пространство, растительность, сталь и бетон, отмечая при этом, что их значение точно соответствует порядку перечисления [67].

Воздействие инсоляции на человека и среду помещения имеет огромное значение: оно благоприятно и экономически выгодно, поэтому необходимо обеспечить доступ солнечного света в городские пространства и интерьеры зданий в любых географических районах.

Кроме того, инсоляция и естественное освещение выводят эстетическое восприятий зданий и интерьеров на качественно новый уровень, что

демонстрируют работы всемирно признанных архитекторов — Нормана Фостера, Доминика Перро, Захи Хадид.

Определенное научное содержание вопросы учета солнечной радиации получили только в начале 19 в. с возникновением и развитием коммунальной гигиены. Требования по обеспечению инсоляции городской застройки впервые сформулировал в 1879 г. А.Фогт [112] на основе общежитейских представлений о благотворности прямых солнечных лучей. Ф.Ф.Эрисман [95] в 1887 г. предпринял попытку связать гигиенические требования по инсоляции с биологическим действием лучистой энергии. Открытый в 1887 г. бактерицидный эффект естественного облучения и результаты дальнейших исследований дали возможность конкретизировать гигиенические представления о биологической ценности лучистой энергии Солнца.

Вместе с тем, как указывал Ф.Линке [109], а затем Н.Н.Калитин [61, 64] и В.Б.Вейнберг [30] сложилась тенденция связывать биологические эффекты естественного облучения только с прямыми солнечными лучами. Это и определило в известной мере приоритетное развитие геометрических методов расчета и нормирования инсоляции.

Обзор, критический анализ и систематизация методов пространственно-временного расчета инсоляции были выполнены Д. В. Бахаревым в 1968 г. [113].

Геометрические методы, с помощью которых решалась задача анализа хода затенения территории, относятся к методам косоугольного проецирования. Они основаны на построении конверта мгновенных теней, который представляет собой семейство косоугольных проекций экранирующего объекта на плоскость. Описание метода "конверта теней" содержится в работах В.Б. Вейнберга [30], JI.JL Дашкевича [56], А.У. Зеленко [60], Л. Кюттнера [103], П.В. Миронова [76], А. Фогта [112], Е. Фриза [101]. С е