Нормирование и расчет инсоляции являются сейчас, пожалуй, наиболее острой светотехнической, экономической и социально-правовой проблемой. С переходом землепользования и строительства на рыночную основу нормы инсоляции жилищ стали главным фактором, сдерживающим стремления инвесторов, владельцев и арендаторов земельных участков к переуплотнению городской застройки с целью получения максимальной прибыли. Однако официальная методика нормирования и расчета инсоляции не может эффективно выполнять эту роль. До настоящего времени она остается самым отсталым, обособленным от науки разделом светотехники. Цель статьи - устранить эту обособленность путем изложения проблемы в общепринятых научных терминах и решения ее задач на базе современных компьютерных технологий.

Напомним некоторые необходимые для этого сведения об инсоляции.

Инсоляцией (от латинского in solo – выставляю на солнце) называют облучение поверхности, пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент времени центр солнечного диска. Этот удобный термин используется в основном в гигиене, архитектуре и строительной светотехнике. Различают астрономическую, вероятную и фактическую инсоляцию.

Рис.1. Горизонтальная равнопромежуточная проекция небосвода с положениями колеблющейся солнечной параллели, зафиксированными через 30-градусные (месячные) фазовые промежутки. Небесный экватор выделен красным цветом. Альмукантаратная зона ниже расчетной высоты Солнца светло-коричневая. Часовые круги, сходящиеся в северном полюсе мира Р, проведены с градацией в 1 ч. Построение выполнено программой LARA_01 для г. Нижнего Новгорода ( = 56,4°).

, (1)

где = 23,45° - амплитуда, - циклическая частота и - начальная фаза колебания. Поскольку наклон небесного экватора к горизонту возрастает от 0° на полюсе до 90° на земном экваторе, то продолжительность астрономической инсоляции (рис.2)

(2)

колеблется соответственно (1) с амплитудой , возрастающей от 0 на экваторе (географическая широта = 0°) до 12 ч на полярном круге ( = 66,55°).

Рис.2. Колебания астрономической (а) и расчетной ПИ (б) земной поверхности на широтах северного полушария Земли (а) при расчетной высоте Солнца 5-20° (фазовые промежутки колебательных импульсов на 60° с. ш. приведены для 2-часового нормативного минимума ПИ помещений).

В земной атмосфере при высоте Солнца менее 8° солнечные лучи не содержат биологически активного излучения. Поэтому в практике гигиенического нормирования инсоляции пользуются расчетно-астрономической продолжительностью инсоляции (ПИ), не учитывающей первые после восхода и последние перед заходом Солнца 1-1,5 ч, примерно соответствующие времени его подъема на указанную высоту на разных широтах. При точном угловом ограничении расчетного зенитного расстояния Солнца колебания расчетно-астрономической ПИ приобретают более сложный характер:

(3)

Как видно на рис.2,б, узлы колебаний расчетной ПИ в дни равноденствия исчезают, "расчетно-полярные ночи" опускаются ниже полярного круга, фазовые промежутки импульсов сокращаются с увеличением расчетной высоты Солнца и нормируемого минимума ПИ.

Вероятная инсоляция зависит от состояния атмосферы и облачного покрова. Продолжительность вероятной инсоляции () на территории РФ составляет около 50% и при прочих равных условиях определяется, в основном, высотою стояния Солнца (). Поэтому сезонное уменьшение в зимнюю половину года примерно соответствует суточному снижению в утренние и вечерние часы летом. Метеорологическая служба РФ в настоящее время располагает надежными данными о и переход от к не представляет принципиальных затруднений. Фактическая инсоляция всегда отличается от вероятной и может быть определена лишь натурными наблюдениями.

В затеняемых пространствах городской застройки и помещений сохраняются только период и симметрия колебания относительно солнцестояний. Амплитуда и фазовый процесс колебания в каждой конкретной экранирующей ситуации приобретают индивидуальный импульсный характер.

Рис.3. Расчетные схемы и телесные углы ограничения инсоляции помещений в равнопромежуточной проекции небосвода. Участок ab конической поверхности угла ограничения прямоугольного балкона образован перпендикулярным к плоскости окна ребром AB балконной плиты, плоский участок bc - параллельным ребром BC.

Рис.4. Пример формирования годового режима ПИ помещений разной ориентации с не затеняемым проемом (а) и проемами под балконом (б) и в лоджии (в) на средних широтах РФ (Нижний Новгород, 56,4° с. ш.).

Рис.5. Азимутальные зависимости годового режима ПИ помещений, среднегодовой ПИ и фазовых промежутков колебательных импульсов на характерных широтах РФ.

Различают геометрические (пространственно-временные) и энергетические методы расчета инсоляции. Геометрические методы отвечают на вопросы: куда, с какого направления и какой площади сечения, в какое время дня и года и на протяжении какого времени поступает (или не поступает) поток солнечных лучей. Энергетические методы определяют плотность потока, создаваемую им облученность и экспозицию в лучистых или эффективных (световых, эритемных, бактерицидных и др.) единицах измерения.

Разработка методов решения этих задач, не выходящих за рамки классических разделов математики и физики, в основном была завершена в 70 гг. прошлого столетия. В настоящее время созданы алгоритмы и компьютерные программы, позволяющие рассчитывать любые характеристики инсоляции и вызываемых ею фотохимических и биологических эффектов [2 - 4]. Однако все эти современные технические средства остаются невостребованными гигиеной и практикой строительства. Официальное нормирование инсоляции застыло на показателе астрономической продолжительности инсоляции, предложенном гигиенистами в середине XIX века.

Литературный обзор развития методологии расчета инсоляции от Витрувия (1 в. н.э.) до конца прошлого столетия дан в [3-5]. За исключением методов косоугольного [3,4] и центрального проецирования все упоминаемые в нем ручные методы и приборы расчета инсоляции представляют сейчас лишь исторический интерес. Жесткая конкуренция на рынке проектных услуг заставила проектировщиков в кратчайшие сроки освоить компьютерные методы архитектурно-строительного проектирования. Однако представленные в Интернет отечественная компьютерная программа расчета инсоляции СОЛЯРИС и японская программа MicroShadow for ArchiCAD, реализующая ручной метод ортогонального проецирования, не позволяют компактно и наглядно характеризовать колебательные импульсы инсоляции. Поэтому ниже все оценки состояния методологии расчета и нормировании ПИ обосновываются и иллюстрируются нашей программой LARA_02 "Программа расчета инсоляции и естественного освещения", в которой использован довольно трудоемкий для ручных расчетов, но единственно целесообразный для компьютерной реализации метод центрального проецирования [6].

Первая DOS-версия программы LARA была разработана в 1997 г. В 2001 г. она была переработана для MS Windows 95 и далее непрерывно совершенствуется. Программа мгновенно рассчитывает годовой режим инсоляции помещений и территорий и выдает на плавающую панель таблицу результатов расчета, иллюстрированную на солнечной карте небосвода контуром затеняющих расчетную точку объектов, а на генплане - веерами их визирования из расчетной точки помещений. Таблица, карта и расчетная схема проемов могут быть сохранены для последующего размещения на генплане (см. рис. 8 - 11) или в иных документах. Быстрота подготовки исходных данных и самих расчетов, качество и наглядная информативность расчетной документации несопоставимы с ручной методикой. Разнообразные возможности программы, не имеющей мировых аналогов, требуют специального изложения.

Рис.6. Преобразование дискретной картины затенения в изолинии поля ПИ территории, выявляющее структуру полей экспозиции. Продолжение плоскостей вертикальных граней здания-параллелепипеда образует элементы рисунка теневого изображения фасадов. Перпендикулярные меридиану лучи A, B, C,…, F являются следами наклонных плоскостей рисунка горизонтальной грани. Контуры теней в моменты расчетного восхода и захода Солнца разграничивают области ломаных и криволинейных участков изолиний.

Рис.7. Фазовые и среднегодовая картины годового колебания поля ПИ на участке застройки квартала по ул. Белинского в Нижнем Новгороде.

Рис.8. Годовой режим инсоляции однокомнатных квартир в жилом доме №3 по ул. Ижорской до и после возведения 8-этажного дома. Красной рамкой выделены квартиры, владельцы которых получили денежную компенсацию за нарушение норм инсоляции.

в северной зоне (севернее 58° с.ш.) - не менее 2,5 часов в день на календарный период с 22 апреля по 22 августа; в центральной зоне (с 58° с.ш. по 48° с.ш.) - не менее 2 часов в день на период с 22 марта по 22 сентября; в южной зоне (южнее 48° с.ш.) - не менее 1,5 часа в день на период с 22 февраля по 22 октября. Севернее 48° с.ш. в 2-х и 3-комнатных квартирах, где инсолируется не менее двух комнат, и в многокомнатных квартирах, где инсолируется не менее трех комнат, п.3.4 допускает снижение ПИ на 0,5 часа. Аналогичное снижение ПИ допускается также при реконструкции жилой застройки в центральной исторической зоне городов. Пунктом 3.3 допускается прерывность инсоляции, если один из ее промежутков составляет не менее 1,0 часа. При этом в каждой зоне суммарное значение нормативной ПИ следует увеличить на 0,5 часа.

Согласно п.7.3 СанПиН "расчет ПИ помещений на весь период, установленный в п. 3.1, проводится на день начала периода (или день его окончания): … ". Покажем на характерных примерах, что этот пункт фактически отменяет нормативные требования, установленные в пп.2.4 и 2.5 (в приведенной цитате ссылка на п.3.1 является, видимо, опечаткой). На рис.6 приведены результаты расчета инсоляции в жилом доме №3 по ул. Ижорской г. Нижнего Новгорода, выполненные нашей программой LARA_01. Судебный конфликт жителей этого кооперативного дома, возникший в результате строительства на противоположной стороне улицы элитного 8-этажного жилого дома, получил широкую огласку в местной и центральной [8-10] прессе.

Как видно на рис.8, в однокомнатной квартире №2 на 1 этаже торцевой и в квартирах №№17-26 на 1-4 этажах рядовой секций дома №3 в дни начала/конца календарного периода инсоляция в результате строительства элитного дома не изменилась. В этих квартирах Солнце 22 марта/сентября восходит из-за парапета существующего дома №24 по ул. Провиантской и заходит за южный откос окна. Части элитного дома, расположенные севернее и ниже точек появления Солнца, не влияют на уже ранее ограниченную домом №24 инсоляцию квартир. Через несколько дней после равноденствия солнечная параллель поднимется над домом №24 и затенять квартиры в нормативный период будет 8-этажная часть элитного дома. Установить этот факт расчетом ПИ в день начала/конца календарного периода инсоляции, т.е. по одному сопряженному фазовому значению колебательного импульса, невозможно. Поэтому компенсацию за нарушение норм инсоляции получили только владельцы четырех квартир (№№5-14) на 2-5 этажах торцевой секции. В остальных 6 квартирах факт нарушения норм не был признан на основании п.7.3 появившегося в Интернет, но еще не введенного в действие СанПиН. Аргументация отказа признать справедливыми приведенные на рис.8 и 9 результаты нашей независимой экспертизы не имеет научного характера. Ее обсуждение относится к морально-правовой сфере публицистики [8-10].

Рис.9. Графики импульсов инсоляции жилых комнат 1- 5 этажей в торцевой (слева) и рядовой секциях дома №3 до и после возведения 8-этажного дома.

Нарушение преемственности исследований и отход от разработанных ранее принципов нормирования и расчета инсоляции начался с появления в 1997-99 гг. "Московских городских строительных норм. Инсоляция и солнцезащита" (МГСН 2.05-97 и 2.05-99). Из этих документов исчез нормативный период, в котором требовалось ежедневно обеспечивать нормируемый минимум ПИ помещений. Согласно п.4.8 МГСН 2.05-99 требования к инсоляции помещений следовало принимать "для центральной части и исторических зон города на 22 апреля (22 августа), а для остальной части города на 22 марта (22 сентября)". В явном виде МГСН сокращали нормируемый минимум ПИ в эти два сопряженных дня года с 2-2,5 ч до 1,5-2 ч, т.е. на 0,5 часа. Неявно, путем замены на рис.1 п.5.7 МГСН нормируемого показателя ПИ помещения показателем ПИ подоконника, в кирпичных зданиях с толщиной стен в 64-77 см он был уменьшен еще на 0,5 ч. Фактически МГСН гарантировал москвичам расчетом всего 1-1,5 ч инсоляции в два сопряженных дня года. В остальные дни их жилища стало возможным полностью лишать солнца.

В пунктах 2.4 и 2.5 СанПиН "календарные нормативные периоды" инсоляции были восстановлены, но предписание п.5.5 МГСН рассчитывать ПИ только в два дня года сохранилось в п.7.3 федеральных норм. Возврат к требованию обеспечивать инсоляцию в 123 дня в северной, 183 дня в центральной и 243 дня в южной зонах РФ оказался фиктивным. Продемонстрируем последствия этой фикции на примере застройки микрорайона VIII "Верхние Печеры" в Нижнем Новгороде.

Рис.10. Годовой режим инсоляции 3-комнатной квартиры на 2 этаже дома №7/2 по ул. Верхне-Печерской. Цветом выделены другая 3-х и 1-комнатные квартиры секции, имеющие аналогичный режим инсоляции.

Вместе с тем, на рисунке видно, что комнаты с лоджиями глубоко инсолируются почти 4 месяца, примыкающие к равноденствиям, но выходящие за пределы "календарного нормативного периода". Ограничивать возможность инсоляции помещений каким-либо "нормативным периодом" нецелесообразно. В естественном годовом периоде колебания инсоляции фазовые промежутки, в которые возможно получать оптимальные значения ПИ, в каждой конкретной экранирующей ситуации следует определять расчетным путем. Для этого достаточно регламентировать в зависимости от широты местности среднегодовое значение установленного оптимума.

Следует также заметить, что понятия нормативного минимума или оптимума ПИ весьма условны. Этот показатель характеризует только возможность визуального обнаружения факта инсоляции помещения или, по СанПиН, оконного переплета. Фотобиологические эффекты инсоляции определяются дозами (экспозицией), а не продолжительностью облучения. В 1963 г. нормами было установлено, что эффективное бактерицидное действие достигается при ПИ помещения не менее 3 ч в день. В 2002 г. оказалось, что для этого достаточно 1,5 ч ПИ подоконника. Корреляция ПИ с дозами, вносимыми в помещения нестационарным по сечению и спектральной плотности потоком инсоляции, отсутствует. Для разрешения старого [11] противоречия между физическими и гигиеническими представлениями о возможности оценки бактерицидной роли естественного облучения помещений показателем ПИ целесообразно привлечь специалистов НИИ дезинфектологии Минздрава РФ.

Таким образом, приходится констатировать, что в настоящее время убедительные научные данные, дающее основание нормировать минимум или оптимум ПИ помещений или подоконника отсутствуют. Снижение нормативного показателя ПИ жилищ на основании Федерального закона "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" №52-ФЗ, явно не повышающее этого благополучия, свидетельствует о волевом, административном установлении норм инсоляции.

Не гарантируя благополучия населения, СанПиН наносят значительный технико-экономический ущерб в строительстве. На рис.11 показана реальная ситуация в центре Нижнего Новгорода. Согласно п.7.3 3-комнатная квартира №15 на 3 этаже дома №4 по ул. Варварской, где ни в одной жилой комнате ПИ подоконника 22 марта/сентября не достигает 1,5-часового минимума, не соответствует нормам. Для их выполнения требуется понизить этажность реконструируемой застройки или превратить квартиру в нежилое помещение и предоставить ее владельцу полноценное жилье. В действительности же только в одной ее угловой комнате с 1 апреля по 10 сентября подоконники инсолируются 5-9 ч в день. На рисунке видно, что квартира имеет хорошую инсоляцию всех комнат. Среднегодовое значение ПИ в 1,5-2,5 раза превышает в них аналогичное значение 1,5-часового прямоугольного нормативного импульса.

Рис.11. Годовой режим инсоляции 3-комнатной квартиры №15 на 3 этаже дома №4 по ул. Варварской.

Госстрою и Минздраву РФ целесообразно финансировать доработку научной версии программы LARA до коммерческого уровня и приобрести ее в государственную собственность для последующего бесплатного применения в вузовской подготовке санврачей и архитекторов, в проектировании, экспертизе, согласовании и утверждении проектной документации. Компьютерные программы, гарантирующие благополучие населения, технико-экономическую эффективность проектов и повышение качества и производительности труда проектировщиков и служащих контролирующих органов, не должны быть предметом коммерции.

Переход на компьютерные расчеты потребует времени. Поэтому поясним кратко сущность ручного расчета инсоляции методом ортогонального проецирования в общепринятых научно-технических терминах. В учебниках начертательной геометрии [12] он называется методом проекций с числовыми отметками и применяется для изображения рельефа геодезических поверхностей, вертикальной планировки, посадки зданий на рельефе местности и проектировании земляных сооружений. Метод хорошо известен проектировщикам, что значительно облегчает его изложение и освоение для расчета инсоляции.

Для расчета инсоляции коническая поверхность, образованная видимым суточным вращением солнечного луча, падающего в расчетную точку , изображается горизонталями своего рельефа (рис.12). Отметки горизонталей отсчитываются в миллиметрах от вершины солнечного конуса . Метрические горизонтали, как и обычная измерительная линейка, пригодны для работы с чертежами любого масштаба. Например, в масштабе 1:500 горизонталь с отметкой 1 см соответствует натурному превышению в 5 м, в масштабе 1:1000 - 10 м и т.д. Сходящиеся в точке азимутальные линии являются горизонтальными проекциями солнечного луча, построенными через равные промежутки времени. График копируется на прозрачную основу, накладывается на план участка и ориентируется по меридиану. Вершина конуса совмещается с расчетной точкой на плане.

Визуально отыскивается или интерполируется горизонталь конуса, отметка которой соответствует предварительно вычисленному превышению рассматриваемого объекта над расчетной точкой (на рис.12 = 32,5 м). Очевидно, что план объекта или его часть, расположенная между найденной горизонталью и вершиной конуса, будет проекцией сечения объекта конической поверхностью. Заключающий ее азимутальный угол однозначно соответствует продолжительности затенения расчетной точки рассматриваемым объектом . Если план объекта располагается за найденной горизонталью, то объект не пересекается конической поверхностью и, следовательно, не затеняет расчетную точку. Заметим, что сказанное справедливо только для тел с вертикальной боковой поверхностью и горизонтальными основаниями. Определение пересечений тел иной формы требуют дополнительных построений.

Рис.12. Расчет инсоляции помещения с лоджией в день летнего солнцестояния методом ортогонального проецирования.

В краткой журнальной статье невозможно затронуть все аспекты наболевшей проблемы нормирования и расчета инсоляции. Основной причиной отчуждения этого раздела светотехники от науки является отсутствие естественной ответственности проектировщиков, разработчиков и утверждающих нормы должностных лиц за свои действия и рекомендации. В отличие от прочности зданий ошибки в нормировании и расчете инсоляции и освещения не приводят к немедленным катастрофическим последствиям. Ущерб от них носит неявный и отдаленный характер. В данном случае безошибочности и обоснованности норм может способствовать их обязательное предварительное публичное обсуждение в "Светотехнике", единственном в стране научно-техническом журнале, выполняющем функции трибуны для обсуждения и выработки основополагающих принципов, методов и норм светотехнического проектирования.

Список литературы.

1. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Курс общей астрономии. М.: Наука. 1976. 536 с.
2. Орлова Л.Н. Радиационная модель безоблачной атмосферы в оптическом диапазоне спектра. Светотехника. 1993. №2. С.1-4.
3. Бахарев Д.В. Методы расчета и нормирования солнечной радиации в градостроительстве. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М. НИИСФ. 1968. 218 с.
4. Орлова Л.Н. Метод энергетической оценки и регулирования инсоляции на жилых территориях. Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. М., МИСИ. 1985. 188 с.
5. Оболенский Н.В. Архитектура и Солнце. М.: Стройиздат. 1988. 208 с.
6. Дунаев Б.А. Инсоляция жилища. М.: Стройиздат. 1979. 104 с.
7. Бахарев Д.В. Использование ЭВМ при разработке энергетических методов расчета инсоляции в градостроительстве. В помощь проектировщику-градостроителю. Киев: Будивельник. 1969. Вып.2. С. 49 - 54.
8. Гордеева Н.И. Соблюдать нормы инсоляции! Открытое письмо Главгоссанврачу РФ г-ну Онищенко председателя ЖСК-1 Нижнего Новгорода. Строительная газета, 2002, №22. С.1, 4.
9. Минздрав РФ об инсоляции. Строительная газета. 2002. №49. С.11.
10. Бахарев Д.В. Сражение за место под Солнцем. Строительная газета. 2003. №2. С.7 (заглавие и два первых абзаца рукописи изменены редакцией газеты без уведомления и согласия автора).
11. Бахарев Д.В. О некоторых недостатках СН 427-63 и современных требованиях к гигиеническому нормированию естественного облучения. Светотехника. 1974. № 7. С. 17 - 19.
12. Короев Ю.И. Начертательная геометрия. М.: Ладья. 2002. 422 с.

Обсудить новость в форуме. (9 сообщений)