Суровые условия зимнего периода — специфика нашей страны [1, 2]. Наблюдения за климатом в течение продолжительного времени позволяют более адекватно оценивать климатические условия местности [3]. Главным назначением зданий является защита человека от негативного влияния внешней среды: низкой температуры, ветровых и вредных фоновых воздействий воздуха, а также прочих «подарков» урбанизации. Аэродинамика территории и климат играют определяющую роль в выборе площадки для строительства. По качественному составу атмосферного воздуха можно оценивать экологическую ситуацию в месте застройки. В крупнейших городах России и их окрестностях сосредоточены промышленные предприятия, объекты коммунального хозяйства, выбросы от которых, а также автотранспорта — основная причина загрязнения воздушного бассейна. В 34-х из них с населением более 500 тыс. человек проживает свыше 30 % городского населения [4].

Научные разработки XXI века характеризуются новым отношением к окружающей среде, сохранению и сбережению энергии в зданиях нового поколения. Это могут быть высотные здания, дома малого объема и др. повышенной комфортности, соответствующие гигиеническим нормативам. В энергоэффективных зданиях будущего основным критерием является экология жилища, как сложная динамичная техногенная система взаимодействия человека с внутренней средой помещения, обеспечивающая его безопасность и комфортность жизнедеятельности. Обеспечение требуемого микроклимата зданий осуществляется с применением генераторов, работающих не только на традиционном топливе, но и с применением солнечной и других возобновляемых источников энергии. Соблюдение экологических принципов в архитектуре и строительстве создает новый архитектурный стиль, основанный на сочетании высоких технологий и новых материалов с проверенным веками опытом традиционного строительства. Основными характерными чертами этого стиля являются: автономность, энергосбережение, безопасность и комфортность среды обитания, использование информационных технологий и экологически чистых материалов. Здания нового поколения ориентированы на ресурсосбережение и интерактивное информационное обеспечение, позволяющее эффективно управлять зданием. Энергетическая система дома нового поколения может представлять собой автономный источник энергии, состоящий из гелио и ветроустановки, следящий за движением Солнца и учитывающий ветровое воздействие. Н.А. Сапрыкина (МАрхИ) разработала автономные мобильные комплексы, имеющие законченную функциональную и технологическую схему с автономной энергетической подсистемой [5]. Для обеспечения долговечности и энергетической эффективности теплогенерирующих устройств, находящихся снаружи оболочки здания и обладающих меньшей конструктивной прочностью, необходим более точный учет климатических воздействий.
Современные тенденции в строительстве, климате и экологии. 1/2012. Фото 1

При возведении зданий нового поколения необходимы экологически чистые материалы и фрагменты ограждающих конструкций из керамики, разрабатываемые в НИИ строительной физики РААСН (НИИСФ РААСН) А.И. Ананьевым [6], а конструкционные и облицовочные материалы на основе гипсовых вяжущих И.В. Бессоновым (НИИСФ РААСН), О.В. Ялуниной (ОАО «Гипсополимер», Пермь) [7]. Прогрессивные экологически чистые строительные материалы создаются также на кафедре строительных материалов МГСУ и других предприятиях. Одним из современных инновационных проектов для использования в светопрозрачных ограждающих конструкциях является солнцезащитное полимерное стекло — пассивный кондиционер конструкции С.А. Сидорцева [8] (НИИСФ РААСН). Изобретение предназначено для использования в конструкциях окон, рафштор (внешних ставнях жалюзи), в широкоформатном фасадном остеклении светопроемов различных зданий и сооружений с местным регулированием теплового режима, в солнцезащитных системах, в т.ч. с автоматическим управлением. Экономия энергии реализуется посредством систем, учитывающих тепловой баланс дома, что, в свою очередь, позволяет обеспечить наилучшие условия эксплуатации зданий.

В данной работе рассмотрены экологические и климатические характеристики холодного периода территории Южного федерального округа (ЮФО). Плотность населения ЮФО составляет 33,8 человек на квадратный километр. Климатическая информация подготовлена по данным устойчивого климатического периода за 70–80 лет [9]. Холодный период года принимался с ноября по март, т.к. в ноябре устанавливается климатический режим, характерный для зимних месяцев. Климатические особенности территории ЮФО представлены на примере ее крупнейших городов. Температура воздуха холодного периода года городов приведена в табл. 1. К рассмотрению были приняты характеристики отдельных элементов климата: солнечного сияния, температуры воздуха, ветра, атмосферных осадков, промерзания почвы и др. Многолетние средние нормы по температуре воздуха приняты для однородного периода наблюдений. Крайние величины характеризуют те пределы, в которые заключены значения метеорологического элемента, отмеченные на данной станции за определенный период времени.

Абсолютные максимумы и минимумы редки, поэтому для получения представления о более вероятных низких и высоких значениях определяют средние из экстремальных величин, которые могут встречаться ежегодно. Средние максимумы и минимумы вычисляются как многолетние средние значения ежедневных, ежемесячных или ежегодных максимумов и минимумов.

При расчете солнечной радиации необходимо знать продолжительность солнечного сияния при безоблачном небе от восхода до захода солнца и открытости горизонта, что дает представление о сравнительной ясности неба в дневные часы. С увеличением облачности продолжительность сияния сокращается. Ее величина определяется как отношение к возможному сиянию в данной местности в процентах, т.е. фактически наблюдавшейся продолжительности сияния к теоретически вычисленной для данного пункта. Графики продолжительности солнечного сияния показаны на рис. 1.

Состав воздуха в городах зависит от сложного взаимодействия природных и антропогенных факторов, параметров климата и топографии местности. Высокое качество внутренней среды помещения невозможно обеспечить без учета экологической обстановки места застройки. Причины и особенности загрязнения воздуха напрямую связаны с климатическими условиями, определяющими перенос и рассеивание примесей в атмосфере, а также количество выбросов вредных веществ промышленными источниками и автотранспортом [10]. Качество воздуха в городах в течение десятилетий наблюдает Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова с помощью государственной сети мониторинга загрязнения атмосферы по предельно допустимым концентрациям более чем для 160 веществ.
Современные тенденции в строительстве, климате и экологии. 1/2012. Фото 2

Насыщенный взвешенными частицами воздух снижает солнечную радиацию: видимую ее составляющую до 50 %, прямую радиацию до 15 %, ультрафиолетовую радиацию, обладающую бактерицидными свойствами, на 30 % (зимой). Загрязнение слоя атмосферы влияет также на микроклиматические изменения: уменьшается ее прозрачность (видимость), повышается температура воздуха в больших городах, в среднем на 2–9 °C, увеличивается облачность и количество осадков, изменяется аэродинамический режим. В табл. 2 приведены данные по загрязнению воздуха городов ЮФО. Преобладающее направление ветра для городов ЮФО: южное и юго-восточное (54 % в Махачкале, 35 % в Ростове-на-Дону), западное и восточное (38 % в Астрахани и 34 % в Волгограде) [11].Основным фактором, способствующим рассеиванию примесей, является стратификация атмосферы, в то время как инверсия, т.е. повышение температуры воздуха с высотой оказывает негативное влияние на накопление вредностей в приземном слое. Принято различать два вида инверсии — приземную, возникающую непосредственно около земли, и приподнятую, формирующуюся на некоторой высоте над ее поверхностью. Приподнятая инверсия над источниками выбросов (автотранспорта и промышленных зданий), ограничивает подъем вредностей и способствует их накоплению в приземном слое. Инверсия, образующаяся ниже уровня выбросов, препятствует переносу их к земной поверхности и повышает концентрацию выбросов на 10–60 %.

Атмосфера в городах в большей степени зависит от приземных инверсий, которые в сочетании со слабыми ветрами (0–1 м/с) приводят к застою воздуха, а, следовательно, к опасному уровню концентраций примесей в атмосфере. Повторяемость годовых приподнятых инверсий с нижней границей в слое 0,01–0,25 км составляет для Астрахани — 12 %,а для Махачкалы — 5 %. В табл. 3 приведены данные по повторяемости приземных инверсий Ринв и застоя воздуха Рз в городах ЮФО по результатам исследований ГГО.

Разнообразие природно-климатических и технико-экономических условий обусловливает различный технологический уровень производства строительных работ. В зимний период возникает необходимость в пересмотре расценок на ведение строительно-монтажных и строительно-ремонтных работ в связи с их проведением в более суровых климатических условиях [12]. В нормативных документах [13, 14] дополнительные трудозатраты при производстве строительно-монтажных и ремонтно-строительных работ в зимнее время определяются посредством учета температурных отличий местности. В большей степени климатические различия регионов наблюдаются в холодный период года. Территория России подразделяется на температурные зоны с указанием продолжительности зимних периодов. При делении на зоны используются температурные показатели устойчивого климатического периода.

Результаты исследований ряда городов Московской области (МО) с учетом климатических изменений 1980–2004 гг., показали, что при оценке трудозатрат в зимнее время, целесообразно ориентирование на устойчивый климатический период. В дополнение к традиционному делению территории России по температурным зонам с указанием зимних периодов в НИИСФ РААСН был разработан расширенный комплекс климатических параметров. При расчетах использовали данные опорных таблиц из метеорологических ежемесячников и ежегодников, составивших первый уровень обработки.
Современные тенденции в строительстве, климате и экологии. 1/2012. Фото 3

Нельзя обойти вниманием экстремальные погодные периоды, к ним относятся ветряные, а также с осадками. В такие дни прекращается монтаж и наступает затишье. Однако, именно в это время происходит максимальное очищение атмосферы и улучшение экологической обстановки в городе. Число ветреных дней со скоростью ветра более 15 м/с представлено на рис. 2. Количество атмосферных осадков в мм показано на рис. 3.

На производительности труда и качестве строительно-монтажных и строительно-ремонтных работ в зимний период года в значительной степени сказывается сочетание нескольких метеорологических параметров, например: температуры воздуха со скоростью ветра или относительной влажностью. Пособие по строительной климатологии содержит банк данных комплексных климатических параметров в виде сочетаний температуры наружного воздуха, его относительной влажности и скорости ветра с указанием повторяемости их возможного одновременного воздействия на объект. Комплексные климатические параметры включают в себя температуры наружного воздуха с градацией значений через 2 °C и скорости ветра через 2 м/с, а также относительную влажность воздуха через 5 % [2].

Одной из важнейших климатических величин является глубина промерзания грунтов, она необходима при прокладке инженерных коммуникаций, проведении строительных работ, технологических процессов, связанных с нулевым циклом. Глубина и характер промерзания почвы, как и глубина проникновения температуры 0 °C в почву, зависит от многих причин: от степени увлажненности ее, высоты снежного покрова, типа и почвы и ее состава, рельефа местности, от температуры поверхности и глубоких слоев почвы. Диапазон глубины промерзания грунтов и ее средних значений для ЮФО составляет от 2 до 108 см, причем наибольшие ее значения наблюдаются в Волгоградской области [15].

На участках с выпуклой формой рельефа глубина промерзания почвы больше, чем на участках с вогнутой поверхностью. Это объясняется тем, что с высоких мест снег сдувается в более защищенные низкие места, где высота снежного покрова больше. Влагосодержание в вогнутых формах рельефа также больше. В табл. 4 приведены наибольшая и наименьшая глубина промерзания за зиму, но, вследствие короткости рядов наблюдений, они являются приближенными и получены по данным ближайших метеорологических постов.

Выводы
В работе рассмотрены некоторые особенности обеспечения энергетической эффективности зданий нового поколения с применением экологически чистых строительных материалов для ограждающих конструкций. Проведен анализ климатических и экологических особенностей территории ЮФО РФ, результаты которого представлены в табличной и графической форме.

Впервые для оценки трудозатрат при производстве строительно-монтажных и строительно-ремонтных работ в зимнее время в дополнение к традиционному делению территории России по температурным зонам с указанием зимних периодов предложены дополнительные характеристики климата.
Современные тенденции в строительстве, климате и экологии. 1/2012. Фото 4

1. СНиП 2301–99*. Строительная климатология. — М.: ГУП ЦПП, 2004.
2. Строительная климатология. Справ. пособ. к СНиП. — М., 2006.
3. Волкова Н.Г. О связи строительства с изменением климата // Проблемы управления качеством городской среды. VII-я Межд. науч.практ. конф. — М.: Издво «ПримаПресс», 2003.
4. Качество воздуха в крупных городах России за 10 лет. — СПб.: ГГО им. А.И. Воейкова, 1999.
5. Сапрыкина Н.А. Инновационные энерготехнологии в архитектуре. — М.: РААСР «Academia», №1/2006.
6. Ананьев А.И. Долговечность наружных стен современных многоэтажных зданий. — М.: Жилищное строительство, №8/2008. 7. Ялунина О.В., Бессонов И.В. Регуляция микроклимата помещений материалами на основе гипса. — Сб. докладов Межд. практ. конф. «Гипс, его исследование и применение». Красково, 2005.
8. Способы и устройство солнцезащитного ограждения из полимерного материала. PU 3206397 С1.
9. Конюхова Л.Г., Орлова В.В., Швер Ц.А. Климатические характеристики СССР по месяцам. Под ред. Н.В. Смирновой. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971.
10. Попова Ю.К. Состояние атмосферного воздуха и экология жилища в промышленном городе // Управление качеством городской среды. Vя Межд. науч.практ. конф. — М.: Издво «ПримаПресс», 2001.
11. Климатические характеристики условий распространения примесей в атмосфере. Справ. пособ. — Л.: Гидрометеоиздат, 1983.
12. Волкова Н.Г. Температурное зонирование территории России по зимним условиям. — М.: НИИСФ РААСН, 2006.
13. ГСН810502–2001. Сб. сметных норм дополнительных затрат при производстве строительномонтажных работ в зимнее время.
14. ГСНр810502–2001. Сб. сметных норм дополнительных затрат при производстве ремонтностроительных работ в зимнее время.
15. Справочник по климату СССР. Температура воздуха и почвы. Ч. II, Вып. 13. — Л.: Гидрометеорологическое издво, 1965.		 Современные тенденции в строительстве, климате и экологии. 1/2012. Фото 5