152. Вітроефективність міст. Частина 2
Матеріал
Урок №152. Вітроефективність міст. Частина 2
Мета уроку:
- ознайомити учнів з властивостями матеріалів та як вони впливають на нагрівання поверхонь, способами зменшення перегріву міських територій;
- поясни, які чинники спричиняють підвищення температури в містах і як можна зменшити цей ефект.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 11. Сталий розвиток міст і громад
- 10. Скорочення нерівності
- 7. Доступна та чиста енергія.
- 8. Гідна праця та економічне зростання
Ключові слова: конвекція, густина, циркуляція, природна вентиляція, застій повітря, CFD-моделювання, вітрові коридори, вітроефективність, вітрозбірник, роза вітрів, вітрозахисні технології.
План уроку:
- Мотивація
- Теоретична частина
- Практична частина
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для вчителя:
Очікувані результати для учнівства:
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
З якою метою висаджують лісосмуги на полях?
Дружня порада вчителю
Тривалість до 5 хв.
1. Запитайте: “Чому дим із труби піднімається вгору?” або
“Чому біля стелі тепліше, ніж біля підлоги?”
Ці життєві приклади створять основу для розуміння конвекції.
2. Використовуйте просту демонстрацію.
Проведіть дослід із димом свічки або теплою пофарбованою водою у прозорій склянці
3. Пов’яжіть із реальними ситуаціями. Приклади:
- рух повітря біля моря (морський бриз).
- опалення приміщень радіатором,
- вентиляція в будівлі,
Конвекція — це процес передачі тепла в газах (або рідинах), за якого нагріті частини газу піднімаються вгору, а холодніші — опускаються вниз.
Внаслідок цього виникає циркуляція газу.
Чому виникає конвекція?
- Конвекція в газах виникає через зміну густини повітря при нагріванні:
- Коли газ нагрівається, його частинки починають рухатися швидше.
- Це призводить до зменшення густини — газ стає легшим і підіймається вгору.
- Холодне, густіше повітря опускається вниз.
- Так утворюються замкнені потоки повітря, які передають тепло — це і є конвекційні потоки.
Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім.
У такому разі вдаються до їхнього штучного перемішування — примусової конвекції.
Дружня порада вчителю
Тривалість до 20 хв.
Корисна інформація https://www.mdpi.com/2073-4433/15/3/257?utm_source
Завдання 1.
Центральна частина китайського міста Чжумадян стикалася з серйозною проблемою — майже повна відсутність вітру на вулицях. Вузькі вулички, щільна стара забудова та замкнуті двори утворювали так звані застійні зони, де повітря практично не рухалося. Особливо гостро це відчувалося влітку: спека буквально “зависала” між будівлями, створюючи некомфортні та навіть небезпечні умови для мешканців. Інженери провели моделювання потоків вітру (CFD) і побачили, що на рівні пішоходів повітря або рухалося дуже повільно, або взагалі застоювалося в тіньових кишенях між будинками. Усе це свідчило про погану природну вентиляцію.
Щоб змінити ситуацію, місто Чжумадянь вирішило діяти рішуче — провести масштабну реконструкцію центральної частини. Однією з головних цілей стало створення вітрових коридорів — відкритих напрямних просторів між будівлями, які дозволяють повітрю вільно циркулювати в міському середовищі. Саме це стало ключовим засобом у боротьбі із застійними зонами та надмірним перегрівом міста влітку.
За допомогою CFD-моделювання було підтверджено: швидкість вітру на рівні пішоходів зросла більш ніж у 2 рази, а застійні зони практично зникли.
- Чому застій повітря в центрі міста є проблемою для мешканців?
Можлива відповідь: Через перегрів, погану якість повітря та дискомфорт для людей. - Які негативні наслідки може мати відсутність природної вентиляції у густозабудованому районі?
Можлива відповідь: Перегрів, застій забруднень, утруднене дихання, підвищення вологості. - Чому саме влітку проблема застійних зон стає особливо критичною?
Можлива відповідь: Влітку більше сонячного випромінювання, повітря сильніше нагрівається і застоюється. - Де концентрувалися застійні зони до реконструкції?
Можлива відповідь: У вузьких проходах, тіньових ділянках між будинками, замкнутих подвір’ях. - Чи могли застійні зони у Чжумадяні посилювати ефект міського острова тепла?
Можлива відповідь: Так, тому що затримували тепло й погіршували мікроклімат. - Які елементи міського середовища були змінені під час реконструкції?
Можлива відповідь: Створили вітрові коридори — відкриті напрямні простори між будівлями. - Які зміни в русі повітря показують CFD-моделі після реконструкції?
Можлива відповідь: Показали зростання швидкості вітру на рівні пішоходів у 2 рази. - Що сталося із “застійними зонами” після появи вітрових коридорів?
Можлива відповідь: Вони зникли або значно зменшилися. - Які переваги має створення вітрових коридорів порівняно з установкою механічних систем вентиляції?
Можлива відповідь: Не потребують електроенергії, працюють постійно. - Уяви, що місто не мало б змоги провести масштабну реконструкцію. Які три бюджетні альтернативи ти б запропонував?
Можлива відповідь: Висадка дерев, видалення зайвих бар’єрів, використання відкритих проходів або перфорованих конструкцій. - Чи могли дерева чи озеленення частково замінити або доповнити функцію вітрових коридорів?
Можлива відповідь: Так, вони можуть послабити нагрів і сприяти природній циркуляції повітря. - Чи можна було б адаптувати наявні будівлі, не руйнуючи їх, щоб досягти подібного ефекту?
Можлива відповідь: Так, можна. Наприклад, зробити наскрізні проходи в перших поверхах, використовувати арки, зменшити щільність парканів або додати перфоровані/прозорі елементи у внутрішніх двориках для поліпшення повітрообміну.
Завдання 2.
Архітектурні рішення, засновані на вітроефективності, існували ще тисячі років тому — прикладом є вітрозбірник (спеціальна башня), що забезпечував природну вентиляцію й охолодження без жодних енергозатрат. Вітрозбірники традиційно використовуються в регіонах із жарким кліматом, зокрема в Ірані, Єгипті, Індії та країнах Північної Африки.
Рис. 3 Особняк Аґазаде в Абаркуху , Іран , має вишукану 18-метрову вітрову вежу з двома рівнями отворів, а також кілька менших вітрових веж.
Сьогодні вітрозбірники активно застосовуються в сучасній архітектурі — як у громадських будівлях, так і в приватних оселях. Їх інтегрують у дизайн дахів або атріумів для природної вентиляції, а іноді поєднують із сонячними панелями чи датчиками для підвищення ефективності. Такі рішення допомагають зменшити енергоспоживання та покращують комфорт без кондиціонерів.
- Чому повітря, що заходить через вітрозбірник, може сприяти охолодженню приміщення?
Можлива відповідь: Повітря, що заходить через отвір, зазвичай прохолодніше за повітря в приміщенні, особливо в тіні; воно витісняє нагріте повітря і сприяє вентиляції. - Які фізичні явища лежать в основі роботи вітрозбірника?
Можлива відповідь: Конвекція, різниця тиску та температури, рух повітряних мас, а також ефект “тяги”, що створюється висотою башти. - У яких кліматичних умовах ефективність вітрозбірника буде найвищою? А де вона буде низькою?
Можлива відповідь: Найвища ефективність — у сухому, жаркому кліматі з постійними вітрами (наприклад, Іран, Північна Африка). Низька ефективність — у холодному або вологому кліматі з нестабільними потоками повітря. - З якими сучасними системами енергоефективності можна поєднати вітрозбірник? Як це покращить ефект?
Можлива відповідь: З сонячними панелями, системами “розумного дому”, вентиляторами на даху, датчиками температури — це дозволяє регулювати потоки автоматично, оптимізуючи витрати енергії. - Чи можна автоматизувати роботу вітрозбірника за допомогою сучасних технологій?
Можлива відповідь: Так, можна: за допомогою електронних датчиків температури та вологості, керованих заслінок, автоматичних систем керування повітряними потоками. - Чи можуть подібні конструкції бути ефективними у великих офісних будівлях? Чому так або ні?
Можлива відповідь: Так, можуть, якщо будівля має внутрішні атріуми або вертикальні елементи Рис, що дозволяють забезпечити вільний рух повітря. Це зменшує потребу в кондиціонуванні. - Чому, на вашу думку, технологія вітрозбірників забулася на деякий час і лише зараз знову повертається?
Можлива відповідь: Через домінування електричних систем вентиляції та кондиціонування, які здавались ефективнішими. Але сьогодні повернення викликане прагненням до енергоефективності, екологічності й автономії. - Які труднощі можуть виникнути при впровадженні вітрозбірників у сучасних європейських чи українських містах?
Можлива відповідь: Можливі труднощі:- щільна забудова без місця для високих конструкцій;
- відсутність постійного напрямку вітру;
- сучасні архітектурні стандарти або нормативи;
- візуальна несумісність з існуючим міським ландшафтом.
Дружня порада вчителю
Тривалість до 15 хв.
1. Поясніть мету завдання:
Розкажіть учням, що вони вчитимуться визначати вітрозахисні рішення та аналізувати їхню ефективність у реальному міському середовищі.2. Короткий вступ:
Нагадайте про основні типи вітрозахисту:
- архітектурні (фасадні відступи, арки, подіуми);
- ландшафтні (дерева, кущі, живі огорожі);
- технологічні (екрани, вітрові коридори).
Робота може бути як груповою так і індивідуальною.
Корисна інформація:
На фотографіях зображено різні архітектурні, ландшафтні або технологічні рішення, що допомагають зменшити вплив вітру в міському середовищі. Ваше завдання — уважно роздивитися кожне зображення, визначити тип використаного вітрозахисту та пояснити, як він працює.
Завдання:
- Визначення типу вітрозахисту
- Проаналізуйте фотографію.
- Опишіть, який спосіб захисту від вітру використано.
- Аналіз ефективності
- Поясніть, чому саме ця стратегія працює.
- Для цього зверніть увагу на:
- як елемент змінює напрям або силу повітряного потоку;
- що саме він захищає — фасад, прохід, відпочинкову зону тощо.
Рівень А: 3 малюнків за вибором
Рівень В: 6 малюнків за вибором
Рівень С: 9 малюнків за вибором
Дружня порада вчителю
Тривалість до 3 хв.
Уяви, що ти — архітектор майбутнього.
Продовжи речення: “Щоб зробити місто комфортнішим для людей і вітру, я б…”
Прочитай інформацію та дай відповіді на питання.
У різних галузях — від метеорології до будівництва — важливо знати, звідки найчастіше дме вітер. Для цього використовують спеціальну схему — розу вітрів. Роза вітрів — це кругова діаграма, яка показує, з яких напрямків і як часто дме вітер у певному місці за певний період часу. Вона має вигляд кола з променями, кожен з яких відповідає певному напрямку (наприклад, північ, південь, схід, захід). Довжина променя показує частоту або тривалість вітру з цього напрямку. На рисунку представлена векторна діаграма рози вітрів для Києва.
- Який напрямок вітру є домінуючим (переважаючим) у Києві згідно з діаграмою?
- Які три напрямки характеризуються найменшою інтенсивністю вітру у Києві за даними діаграми?
- Чому важливо знати напрямки та частоту вітру під час планування будівництва будинків, вулиць, аеропортів?
- У яких ще галузях (крім будівництва) використовують інформацію про розу вітрів?
- Чи змінилася б картина вітрів у місті, якби на його околицях з’явилися великі ліси або багатоповерхові забудови?
- Чому інформація про розу вітрів є важливою навіть для сільського господарства, а не лише для міст?
Урок №152. Вітроефективність міст. Частина 2
Мета уроку:
- ознайомити учнів з властивостями матеріалів та як вони впливають на нагрівання поверхонь, способами зменшення перегріву міських територій;
- поясни, які чинники спричиняють підвищення температури в містах і як можна зменшити цей ефект.
Цілі сталого розвитку:
Які цілі сталого розвитку (в порядку пріоритетності) опрацьовуємо на уроці:
- 11. Сталий розвиток міст і громад
- 10. Скорочення нерівності
- 7. Доступна та чиста енергія.
- 8. Гідна праця та економічне зростання
Ключові слова: конвекція, густина, циркуляція, природна вентиляція, застій повітря, CFD-моделювання, вітрові коридори, вітроефективність, вітрозбірник, роза вітрів, вітрозахисні технології.
План уроку:
- Мотивація
- Теоретична частина
- Практична частина
- Попрактикуй самостійно
- Рефлексія
Очікувані результати для учнівства:
З якою метою висаджують лісосмуги на полях?
Конвекція — це процес передачі тепла в газах (або рідинах), за якого нагріті частини газу піднімаються вгору, а холодніші — опускаються вниз.
Внаслідок цього виникає циркуляція газу.
Чому виникає конвекція?
- Конвекція в газах виникає через зміну густини повітря при нагріванні:
- Коли газ нагрівається, його частинки починають рухатися швидше.
- Це призводить до зменшення густини — газ стає легшим і підіймається вгору.
- Холодне, густіше повітря опускається вниз.
- Так утворюються замкнені потоки повітря, які передають тепло — це і є конвекційні потоки.
Часто природне перемішування шарів рідини або газу є неможливим або недостатнім.
У такому разі вдаються до їхнього штучного перемішування — примусової конвекції.
Завдання 1.
Центральна частина китайського міста Чжумадян стикалася з серйозною проблемою — майже повна відсутність вітру на вулицях. Вузькі вулички, щільна стара забудова та замкнуті двори утворювали так звані застійні зони, де повітря практично не рухалося. Особливо гостро це відчувалося влітку: спека буквально “зависала” між будівлями, створюючи некомфортні та навіть небезпечні умови для мешканців. Інженери провели моделювання потоків вітру (CFD) і побачили, що на рівні пішоходів повітря або рухалося дуже повільно, або взагалі застоювалося в тіньових кишенях між будинками. Усе це свідчило про погану природну вентиляцію.
Щоб змінити ситуацію, місто Чжумадянь вирішило діяти рішуче — провести масштабну реконструкцію центральної частини. Однією з головних цілей стало створення вітрових коридорів — відкритих напрямних просторів між будівлями, які дозволяють повітрю вільно циркулювати в міському середовищі. Саме це стало ключовим засобом у боротьбі із застійними зонами та надмірним перегрівом міста влітку.
За допомогою CFD-моделювання було підтверджено: швидкість вітру на рівні пішоходів зросла більш ніж у 2 рази, а застійні зони практично зникли.
- Чому застій повітря в центрі міста є проблемою для мешканців?
- Які негативні наслідки може мати відсутність природної вентиляції у густозабудованому районі?
- Чому саме влітку проблема застійних зон стає особливо критичною?
- Де концентрувалися застійні зони до реконструкції?
- Чи могли застійні зони у Чжумадяні посилювати ефект міського острова тепла?
- Які елементи міського середовища були змінені під час реконструкції?
- Які зміни в русі повітря показують CFD-моделі після реконструкції?
- Що сталося із “застійними зонами” після появи вітрових коридорів?
- Які переваги має створення вітрових коридорів порівняно з установкою механічних систем вентиляції?
- Уяви, що місто не мало б змоги провести масштабну реконструкцію.
Які три бюджетні альтернативи ти б запропонував? - Чи могли дерева чи озеленення частково замінити або доповнити функцію вітрових коридорів?
- Чи можна було б адаптувати наявні будівлі, не руйнуючи їх, щоб досягти подібного ефекту?
Завдання 2.
Архітектурні рішення, засновані на вітроефективності, існували ще тисячі років тому — прикладом є вітрозбірник (спеціальна башня), що забезпечував природну вентиляцію й охолодження без жодних енергозатрат. Вітрозбірники традиційно використовуються в регіонах із жарким кліматом, зокрема в Ірані, Єгипті, Індії та країнах Північної Африки.
Рис. 3 Особняк Аґазаде в Абаркуху , Іран , має вишукану 18-метрову вітрову вежу з двома рівнями отворів, а також кілька менших вітрових веж.
Сьогодні вітрозбірники активно застосовуються в сучасній архітектурі — як у громадських будівлях, так і в приватних оселях. Їх інтегрують у дизайн дахів або атріумів для природної вентиляції, а іноді поєднують із сонячними панелями чи датчиками для підвищення ефективності. Такі рішення допомагають зменшити енергоспоживання та покращують комфорт без кондиціонерів.
- Чому повітря, що заходить через вітрозбірник, може сприяти охолодженню приміщення?
- Які фізичні явища лежать в основі роботи вітрозбірника?
- У яких кліматичних умовах ефективність вітрозбірника буде найвищою? А де вона буде низькою?
- З якими сучасними системами енергоефективності можна поєднати вітрозбірник? Як це покращить ефект?
- Чи можна автоматизувати роботу вітрозбірника за допомогою сучасних технологій?
- Чи можуть подібні конструкції бути ефективними у великих офісних будівлях? Чому так або ні?
- Чому, на вашу думку, технологія вітрозбірників забулася на деякий час і лише зараз знову повертається?
- Які труднощі можуть виникнути при впровадженні вітрозбірників у сучасних європейських чи українських містах?
На фотографіях зображено різні архітектурні, ландшафтні або технологічні рішення, що допомагають зменшити вплив вітру в міському середовищі. Ваше завдання — уважно роздивитися кожне зображення, визначити тип використаного вітрозахисту та пояснити, як він працює.
Завдання:
- Визначення типу вітрозахисту
- Проаналізуйте фотографію.
- Опишіть, який спосіб захисту від вітру використано.
- Аналіз ефективності
- Поясніть, чому саме ця стратегія працює.
- Для цього зверніть увагу на:
- як елемент змінює напрям або силу повітряного потоку;
- що саме він захищає — фасад, прохід, відпочинкову зону тощо.
Рівень А: 3 малюнків за вибором
Рівень В: 6 малюнків за вибором
Рівень С: 9 малюнків за вибором
Уяви, що ти — архітектор майбутнього.
Продовжи речення: “Щоб зробити місто комфортнішим для людей і вітру, я б…”
Прочитай інформацію та дай відповіді на питання.
У різних галузях — від метеорології до будівництва — важливо знати, звідки найчастіше дме вітер. Для цього використовують спеціальну схему — розу вітрів. Роза вітрів — це кругова діаграма, яка показує, з яких напрямків і як часто дме вітер у певному місці за певний період часу. Вона має вигляд кола з променями, кожен з яких відповідає певному напрямку (наприклад, північ, південь, схід, захід). Довжина променя показує частоту або тривалість вітру з цього напрямку. На рисунку представлена векторна діаграма рози вітрів для Києва.
- Який напрямок вітру є домінуючим (переважаючим) у Києві згідно з діаграмою?
- Які три напрямки характеризуються найменшою інтенсивністю вітру у Києві за даними діаграми?
- Чому важливо знати напрямки та частоту вітру під час планування будівництва будинків, вулиць, аеропортів?
- У яких ще галузях (крім будівництва) використовують інформацію про розу вітрів?
- Чи змінилася б картина вітрів у місті, якби на його околицях з’явилися великі ліси або багатоповерхові забудови?
- Чому інформація про розу вітрів є важливою навіть для сільського господарства, а не лише для міст?
Ділись та обговорюй важливе