Дягилева Ю.В.

Восточно-Казахстанский государственный технический

университет им.Д.Серикбаева

 

Архитектурно-планировочное формирование энергоэффективных объектов

 

Каждой эпохе присущи свои уникальные черты, являющиеся предпосылками возникновения определенной инновации. На сегодняшний день архитектура пытается решить проблемы исходящие из контекста «духа времени»: кризис цивилизации, увеличение численности населения, сохранение мира, проблема человеческой телесности, экологический кризис, ресурсосбережение. Технический прогресс  вместе с социальной новацией становятся методом, с помощью которого решается большинство современных вопросов, происходит предвидение и предотвращение встающих проблем, а так же расширяются границы пространства жизни человека. Интеллектуальная ориентация  организует сумму знаний и умений и определяет связь архитек­туры с более широкими процессами, формирующи­ми искусственную среду.  Будущее архитектуры зависит от признания и усвоения достижений других дисциплин и профессий, учитывая гуманистические, эколо­гические, экономические и региональные аспекты.

Архитектура – развивающаяся система сооружений, формирующая предметно-пространственную среду жизнедеятельности общества, искусство создавать эти сооружения по законам красоты; это наука, украшенная плодами многих наук, которые выходят из производства всех прочих искусств; искусство проектирования и строительства сооружений, решающее знергоэффективные, эстетические и социальные задачи. Формирование окружения – особое искусство, которое призвано создавать среду обитания с учетом «человеческого фактора», представления и знания социальных общностей. Окружающее пространство как сложная дифференцированная система, различные компоненты которой находятся в динамическом равновесии.

Переход к использованию высоких технологий и соответствующей им техники, методов, приемов, режима работы, последовательности операций и процедур, оборудованием, материалами - является важнейшим звеном научно-технической революции и  решения проблемы на современном этапе.

Человечество стоит перед дилеммой: с одной стороны, без энергии нельзя обеспечить благополучия людей, а с другой - сохранение существующих темпов ее производства и потребления может привести к разрушению окружающей среды, серьезному ущербу здоровья человека.  Как показывает практика, строительство энергоэффективного объекта может увеличить сумму на строительство всего на 15–20%, эти затраты окупятся за первые 10 лет, а все последующие годы энергоэффективный объект будет не только экономичным, но и радовать комфортом. В чем заключаются принципы энергоэффективности, как можно реализовать их на практике? Понятие «энергоэффективность» значительно шире, чем просто экономия: к основным принципам энергоэффективного строительства относятся и использование, по возможности, экологичных материалов, и повышение комфортности проживающих в доме. Основной принцип создания энергоэффективного объекта – комплексный подход к решению задачи. Успешность реализации проекта в равной степени зависит как от проектирования, так и от строительства.

Перед всеми учеными мира стоит проблема нахождения и разработки новых альтернативных источников энергии, использующие энергию солнца, ветра, приливов и отливов, морских волн, внутреннее тепло планеты. Солнечная энергия может быть преобразована в теплоту или холод, движущую силу и электричество. Солнце обеспечивает нас в 10 000 раз большим количеством бесплатной энергии, чем фактически используется. Биоэнергия - использование биотоплива (этанол, биодизель, биогаз) обладают высокой теплотворной способностью, не требует больших изменений в существующей инфраструктуре, оборудовании, двигателях.

Геотермальная энергия - внутренняя энергия Земли. Как известно, температура недр повышается в среднем на 3-5° на каждые 100 м глубины, и пробивающиеся из глубины горячие источники по всему миру используются для выработки электроэнергии. Энергия ветра не только помогает решить многие проблемы энергоснабжения загородных и удаленных объектов, но и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций. Энергия волн, деформируя не сложные установки (резиновые трубки), генерирует внутри нее колебания, которые приводят в движение турбину, установленную на другом конце устройства. Наряду с локальными экологическими последствиями, сопровождающимися загрязнением воздуха и воды, эрозией почвы, существует опасность изменения мирового климата в результате действия парникового эффекта. Бионика - наука, пограничная между биологией и техникой, решающая инженерные задачи на основе моделирования структуры и жизнедеятельности организмов. В этом новаторство, оригинальность и потенциальная эффективность бионического метода.

Можно выделить следующие принципы построения архитектурных форм: функциональный, экологический, технологический, эстетический. Необходимо особо выделить принцип трансформации – принцип будущего: трансформация формы, функциональная трансформация, трансформация цвета, экологическая трансформация; синергетические системы. Архитектурная бионика должна занимать­ся изучением организации пространства живой природы — биосферы как целостной системы, включающей в себя флору, фауну, земную по­верхность, водное пространство и космос. Путь к пониманию целостного пространства природы лежит через исследование его отдель­ных элементов и элементарных связей, как самостоятель­ные системы (конструктивная, экологическая, цветовая).

На основе средств архитектурно-строительной бионики  (В.Г.Темнов)  могут осуществляться по следу­ющим направлениям:

- архитектурная бионика - как ресурсосберега­ющая технология моделирования и конструирова­ния зданий и сооружений;

- бионические информационные технологии как ресурсосберегающие технологии интеллектуаль­ного проектирования объектов строительства;

- бионический синтез конструктивных систем как ресурсосберегающая технология концептуально­го проектирования;

- синтез архитектурных форм, несущих и ограж­дающих конструкций энергосберегающих объектов строительства;

- синтез конструктивных систем с регулирова­нием   параметров   напряженно-деформированного состояния;

- выявление и изучение бионических принци­пов и закономерностей создания эффективных ар­хитектурно-конструктивных систем объектов стро­ительства;

- теоретические и экспериментальные исследо­вания поведения современных бионических конст­рукций при различных воздействиях окружающей среды;

 - разработка новых типов конструктивных си­стем на основе выявленных бионических принципов: разработка интеллектуальных систем автома­тизированного сквозного проектирования оптималь­ных конструкций с использованием бионических методов оценки эффективных решений;

- создание   быстровозводимых   конструкций бионического типа, позволяющих легко трансфор­мировать всю конструкцию из транспортного состо­яния в - рабочее и наоборот.

Архитектору стоит грамотно ориентировать объект по сторонам света, использовать особенности ландшафта, уделить внимание учету энергии и остановить свой выбор на низкотемпературных системах отопления. Согласно современным нормативам все здания можно разделить на пять классов энергоэффективности: A, B, C, D, E – подобно тому, как разделяются по этому критерию бытовые приборы, техника и оборудование. При этом для новых и реконструируемых зданий установлено три класса энергоэффективности: здания очень высокой (А), высокой (В) и нормальной (С) энергоэффективности, а для эксплуатируемых зданий – два класса: здания низкой (D) и очень низкой (Е) энергоэффективности. Показатель энергоэффективности зданий класса «А» более чем в два раза превышает нормативное значение. Энергоэффективные - расходуют не более 70% энергии по сравнению с обычными, построенным с соблюдением всех современных норм. Здание с экономным потреблением требует не более 45% энергии.

К чему надо стремиться, и в чём значение подобных технических и строительных разработок? Во-первых, привязка к местности и грамотная ориентация по сторонам света. Все углубления, наклоны почвы, растущие на территории деревья можно и нужно использовать для экономии электроэнергии. Деревья или холм, расположенные с северной стороны, защитят здание от холодного ветра. Роль такой буферной зоны могут выполнять хозпостройки, пристроенные с северной стороны. Важно знать и господствующее направление ветра в конкретной местности – если вход в здание будет располагаться с подветренной стороны, это снизит теплопотери здания. Хорошо, если большая часть окон смотрит на юг. Через них в зимний период будет проходить достаточно света, а солнечная энергия, проникающая в помещение, будет поглощаться всеми поверхностями, которые находятся внутри. Стены, пол, мебель, потолки будут запасать избыточную теплоту и излучать ее в пространство ночью. При такой ориентации здание не будет перегреваться в жаркие дни, если предусмотреть карнизные свесы от лучей «высокого» летнего солнца. С северной стороны размещать небольшие окна. «Северные» помещения - преимущественно нежилые, которые являются буфером между комнатами и северной стеной. Для этой цели в северной зоне располагаются ванные комнаты, санузел, кухя, так называемое «тепловое ядро». На комфортный микроклимат этих помещений такое решение повлияет незначительно.

Во-вторых, объемно-планировачное решение здания. Огромная часть теплопотерь здания происходит через ограждающие конструкции. Здания, имеющие общую площадь пола, но разной конфигурации могут отличаться по этому параметру очень значительно. Здания с разнообразными эркерами, башенками, выступами, ризалитами всегда теряют больше тепла по сравнению со зданиями той же площади, но более простой, приближенной к кубу формы. С точки зрения энергоэффективности лучше, когда буфером, например, служит чердачное пространство, которое защищает здание от охлаждения зимой и не дает ему перегреваться летом. Интересным решением является и устройство так называемых аккумулирующих стен из массивных материалов (бетона, кирпича и пр.), которые способны запасать накопленное за день тепло, чтобы потом отдавать его внутренним помещениям. Выбирая оптимальное решение проекта, наиболее отвечающий принципам энергоэффективности, необходимо учесть то, на сколько людей будет рассчитано здание. Существенную часть энергетического баланса составляет тепло, создаваемое людьми, то тепло, которое выделяет тело человека, и то, которое получается, когда человек готовит пищу, пользуется компьютером и другими приборами. Пребывать в здании с низкой эксплуатацией невыгодно.

 В-третьих, ограждающие конструкции. Теплопотери через наружные стены и крыши составляют более чем 70% от общих теплопотерь здания. Поэтому одним из самых важных мероприятий по энергосбережению является улучшение теплоизоляции. Технологии, которые используются при возведении ограждающих конструкций, несущественно отличаются от тех, которые применяются в современном малоэтажном строительстве. К наиболее эффективным решениям относятся многослойные и каркасные конструкции стен. В качестве утеплителя используются все традиционные материалы: минераловатные, стекловолоконные и целлюлозные утеплители (эковата) и другие. Они относятся к категории эффективной теплоизоляции, но в конструкциях энергосберегающих домов их толщина может быть увеличена с 15 до 30 см и более. Но даже небольшое увеличение толщины по сравнению с нормативом скажется на улучшении теплоизоляционных показателей. Внимание следует уделить утеплению перекрытий кровли, так как по законам физики тепло поднимается вверх, при недостаточной теплоизоляции сверху оно очень быстро покинет помещение. Однако не менее важным, чем наращивание толщины утеплителя, является обеспечение герметичности конструкции и отсутствие «мостиков холода». К проектированию и выполнению герметичной оболочки необходим индивидуальный подход. Типичные места утечек – соединения и стыки конструкционных элементов, места прохождения кабелей и труб сквозь воздухоизолирующую оболочку здания, стыки больших окон и дверей с полом, соединения различных строительных материалов, швы примыканий пристроек и эркеров, мансардные и слуховые окна, а также чердачные люки. При строительстве домов из древесины особое внимание уделяется качеству межвенцового утепления. Наиболее эффективным решением являются межвенцовые ленточные утеплители термоджут и термолен. Суть заключается в следующем: под воздействием высокой температуры волокна скрепляются, образуя пышную упругую массу, которая исключает продувание.

В-четвертых, окна и двери. При большом остеклении потери тепла обязательно увеличатся. С точки зрения освещенности и количества теплопотерь наиболее оптимальным считается соотношение площади пола жилых помещений к площади окон от 8:1 до 5:1. Площадь его остекления может достигать 40%, тем не менее, он относится к самому высокому классу энергетической эффективности. Строительство энергоэффективных жилых зданий с большим остеклением демонстрируют компании ROCKWOOL, VELUX. Что касается дверей, то сегодня производители предлагают огромное количество «теплых» решений, но, как и в случае с окнами, важна их грамотная установка. Делу сохранения тепла поможет и обустройство тамбура. Буфером для холода может служить и не отапливаемая веранда или зимний сад, если вход в здание сделан через них.

Наконец, пятое - инженерные решения. Одним из принципов строительства энергоэффективного здания является герметичность конструкции. В этом случае встает вопрос о качественной вентиляции. Эффективнее всего использовать рекуперативные установки, которые позволяют не только обогащать дом свежим воздухом, но и подогревают входящий воздух теплом исходящего. Таким образом, реализуется еще один из принципов энергоэффективности, который заключается в том, что максимальное количество тепла в доме должно по возможности перерабатываться и утилизироваться самым рациональным способом. Этот же принцип поддерживают и установки, использующие для нужд отопления или горячего водоснабжения тепло исходящих стоков, имеющий высокий КПД (геотермальные насосы, солнечные коллекторы, ветрогенераторы и солнечные фотокаталитические батареи). Экономия тепловой и электрической энергии здания обеспечивается за счет использования автоматизированной системы управления всеми техническими устройствами.

 Тема энергосбережения очень актуальна и, в практическом применении, приемы энергосбережения эффективны в отдаленных районах (например, на загородных базах отдыха, в детских лагерях и др.), так как существует проблема прокладки инженерных коммуникаций, использования новых энерготехнологий, мероприятий, направленных на эконо­мию топливно-энергетических ресурсов и сооружения сложной энергообеспечивающей инфраструктуры поселений.