Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Факторы, влияющие на формирование архитектурных решений биоклиматических жилых зданий 30
1.1 Ландшафтно-климатические факторы 30
1.2 Социальные факторы.. 49
1.3 Экологические факторы 50
1.4 Энергетические факторы 52
1.5 Градостроительные факторы 57
1.6 Экономические факторы 59
1.7 Основные выводы по первой главе 59
Глава 2. Анализ и обобщение отечественного и зарубежного опыта проектирования биоклиматических жилых зданий 62
2.1 Учет экологических требований в архитектурно-пространственной структуре 62
2.2 Учет градостроительных условий размещения биоклиматических жилых зданий 64
2.3 Особенности формирования архитектурно-планировочных решений биоклиматических жилых зданий 67
2.4 Влияние климата на архитектуру биоклиматических жилых зданий 80
2.5 Вопросы выбора строительных материалов 83
2.6 Роль озеленения в обеспечении комфортного микроклимата 85
2.7 Выводы по второй главе 89
Глава 3 Рекомендации и предложения по проектированию биоклиматических жилых зданий для городов России 91
3.1 Принципы формирования архитектурно-пространственной структуры биоклиматических жилых зданий для России 91
3.2 Характерные особенности формирования биосреды зданий в российских условиях 95
3.3 Проект Российского Биоклиматического Стандарта 97
3.4 Предложения по применению архитектурно-планировочных решений биоклиматических жилых зданий 105
3.5 Рекомендации по проектированию биоклиматических жилых зданий 105
3.6 Экономическая эффективность биоклиматических зданий 110
3.5 Выводы по третьей главе 112
Заключение 115
Список литературы 119
Иллюстрации 128
Приложениe №1 155
Приложение №2 172
- Ландшафтно-климатические факторы
- Учет градостроительных условий размещения биоклиматических жилых зданий
- Принципы формирования архитектурно-пространственной структуры биоклиматических жилых зданий для России
- Рекомендации по проектированию биоклиматических жилых зданий
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Работа посвящена задачам проектирования биоклиматических зданий, которые представляют разновидность экологических ("устойчивых") зданий.
Обостряющаяся экологическая ситуация, скорая исчерпаемость природных ресурсов, высокая стоимость традиционных источников энергии, побуждают застройщиков в развитых странах мира строить здания, относящиеся бережно к природным ресурсам и дружественные естественной природной среде. На основании данных об изменении запасов природных ресурсов и состоянии окружающей среды выявлено, что важнейшими факторами, влияющими на развитие современной архитектуры в рамках взаимодействия искусственной среды и природы, являются:
-
исчерпаемость запасов традиционных углеводородных энергоносителей, эмиссия парниковых газов и, как следствие, - необходимость поиска альтернативных источников энергии;
-
финансовый кризис и дороговизна энергоносителей, а также рост тарифов на них, побуждающие поиск экономичных решений для зданий;
-
экологическая ситуация в мегаполисах, угрожающая здоровью граждан, побуждает к воссозданию экосистемы городов;
-
сокращение зеленых насаждений, вытеснение их из города влечет за собой необходимость восполнения утраченных городом озелененных территорий.
Эти факторы определяют сегодня важнейшие направления развития современной архитектуры:
снижение потребления невозобновляемых источников энергии и переход на альтернативные источники, уменьшение нагрузки на экосистему;
применение экономичных объемно-пространственных, конструктивных, технических решений, призванных снизить эксплуатационные расходы;
- отказ от использования неэкологичных материалов в строительстве,
вторичное использование природных ресурсов;
- использование озелененных пространств в здании и внешнего озеленения
на фасадах, кровлях и прилегающей территории.
Уплотнение застройки, переход к строительству зданий повышенной этажности отрицательно влияет на экологическое состояние окружающей среды в городах. Сокращается количество парков и озеленения в городе, изменяется характер движения воздушных потоков в застройке, повышается температура воздуха в жаркий период, что в совокупности ухудшает микроклимат городской среды. На плохое качество воздуха жалуется 70% жителей верхних этажей, число заболеваний жителей также выше на 45%, чем на нижних этажах, уровень шума выше на 5-9 децибел, люди чаще испытывают психологический дискомфорт в отрыве от естественного природного ландшафта.1 Преодоление этой проблемы заключается во введении естественных природных элементов в здание, озелененных пространств, создании внутри здания максимально приближенной к естественной среды для жизнедеятельности человека.
Лапин Ю.Н. Автономные экологические дома». М.: Алгоритм. 2005. С. 21.
Биоклиматические здания представляют собой один из типов экологических зданий - это здания, комплексно обеспечивающие условия микроклимата, максимально приближенные к естественным, и экономящие энергию за счет архитектурных средств, наряду с конструктивными и инженерными средствами (включая использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
В понятие формирования здания вкладывается его функционально-пространственная организация, учет условий взаимодействия здания с окружающей средой и включение в его структуру озелененных пространств, участвующих в создании микроклимата.
Архитектурно-планировочная структура здания так учитывает климатические условия и так использует природные ресурсы и ВИЭ (солнце, ветер, растения, дождь), чтобы уменьшить негативное воздействие на окружающую среду и снизить расход энергии, получаемой от сжигания углеводородного топлива.
Степень изученности проблемы.
Выбранное направление диссертационного исследования является малоизученным в российской архитектурной науке.
В России первые экспериментальные работы по проектированию зданий с экологической составляющей появились в 60-х годах XX века. Это серия проектов для условий Крайнего Севера (архитекторы: А.И. Шипков, Е.А. Шипкова, Я.К. Трушиньш). Проектирование в условиях экстремального климата рассмотрено в работах Г.В.Есаулова, А.Н.Сахарова, Н. В. Суханова. Изучению методов улучшения микроклимата в жилых зданиях архитектурными способами посвящены работы В.К. Лицкевича, Ю.Д. Губернского, В.В. Григорьева, А.А. Перекладова, Х.Н. Тунга, А.В. Рябова.
Вопросы эволюции биоклиматических малоэтажных жилых зданий в историко-архитектурном аспекте рассмотрены в работе П.В. Пипунырова.
Проблемами экологической архитектуры с 2010 года занимается Совет по экоустойчивой архитектуре Союза архитекторов России. Экологические аспекты проектирования в нашей стране начали интересовать застройщиков лишь в начале XXI века в связи с обострением экологической ситуации и с требованиями повышения энергоэффективности . Однако проектные организации и частные инвесторы фокусировали свое внимание на инженерной составляющей проекта, зачастую, обходя вниманием вопросы архитектурно-пространственной организации биоклиматических зданий. Инженерные аспекты, приемы формирования микроклимата в здании рассмотрел в своих работах Ю.А. Табунщиков (Интеллектуальные здания// АВОК. 2001. №3; Ю. А. Табунщиков, Н. В. Шилкин, М. М. Бродач, (Энергоэффективное высотное здание // Журнал АВОК. 2002. №3); Ю.А. Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин и др. (Энергоэффективные здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003).
Федеральный закон Российской Федерации «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (от 23 ноября 2009г.,№261-ФЗ).
Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». (Утв. От 27 декабря 2010 г. №2446-р).
Различные аспекты биоклиматического проектирования рассмотрены в работах Кена Янга «Bioclimatic Skyscrapers» (2002 г), «Designing with Nature», T.RHarnzah & Yeang: «Ecology of the sky» (2001 г.), «Eco Skyscrapers» (2003 г.). В этих работах он подробно описывает принципы проектирования биоклиматических зданий на примере собственных проектов. Р. Саксон в своей книге «Атриумные здания» (1987 г.) приводит примеры формирования озелененных атриумных пространств, начиная с оранжерей XIX века и заканчивая крупными гостиничными комплексами конца XX века. Джеймс Стил описывает основные этапы развития биоклиматической архитектуры в книге «Ecological Architecture» (2005 г.), где рассмотрены традиционные римский и японский дома, а также «дома прерий» Райта, зеленые крыши Ле Корбюзье, здания с зимними садами Нормана Фостера. Но до сих пор глубоко и всесторонне не исследованы вопросы комплексного влияния факторов на формирование архитектуры биоклиматических жилых зданий, не определены особенности формирования архитектурно-планировочной структуры таких зданий для условий России.
Цель исследования состоит в выявлении закономерностей и особенностей формирования архитектурно-планировочной структуры биоклиматических жилых зданий для климатических условий России.
Задачи исследования:
1) изучить исторические предпосылки для создания и развития
архитектурно-пространственной структуры биоклиматических жилых зданий;
-
выявить влияние комплекса факторов на формирование архитектурно-планировочных решений биоклиматических жилых зданий;
-
определить типологические особенности формирования архитектурно-пространственной структуры биоклиматических жилых зданий;
-
определить перспективы применения биоклиматических зданий для климатических условий России;
-
разработать типологические требования к проектированию биоклиматических зданий и систему их оценки по экологическим признакам (для использования при разработке Стандарта проектирования таких зданий);
-
разработать экспериментальные проекты биоклиматических жилых зданий разной этажности для различных климатических условий и эскизные архитектурно-планировочные решения таких зданий для их проектирования и строительства в городах России.
Объектом исследования является архитектура биоклиматических жилых зданий разной этажности и природные элементы, предназначенные для обеспечения жизнедеятельности человека в них.
Предметом исследования являются принципы формирования архитектурно-пространственной структуры биоклиматических жилых зданий и требования к их проектированию в крупных, больших, средних, малых городах и агломерациях для различных климатических условий.
Границы исследования.
Работа ограничена проблематикой формирования архитектурно-планировочной структуры биоклиматических жилых зданий для городского
строительства в условиях холодного, умеренного и жаркого климатических поясов России.
Методы исследования:
проведение натурных обследований объектов с фотофиксацией;
метод системного анализа для получения результатов исследований;
методы экспериментального моделирования и эскизного проектирования архитектурно-планировочных решений биоклиматических зданий для России.
Положения, выносимые на защиту:
-
совокупность факторов, влияющих на формирование биоклиматических жилых зданий;
-
закономерности и особенности формирования архитектурно-планировочных структур биоклиматических зданий в условиях умеренного холодного и жаркого климата;
-
рекомендации по проектированию биоклиматических зданий для климатических условий России.
Научная новизна исследования:
-
определено интегрированное влияние основных факторов на формирование биоклиматических жилых зданий;
-
на основании исследования влияния основных факторов, разработаны классификационные модели биоклиматических жилых зданий;
-
определены принципы формирования и типологические требования к проектированию биоклиматических жилых зданий;
-
впервые предложены модели биоклиматических жилых зданий разной этажности и для различных климатических условий;
-
разработаны требования и система оценки биоклиматических зданий, включая определение параметров биосреды и коэффициента озеленения.
Теоретическая и практическая значимость результатов проведенных исследований:
Дано теоретическое обоснование принципов формирования биоклиматических зданий и их размещения в городской застройке:
- разработаны модели и эскизные проектные предложения биоклимати
ческих зданий для реализации в строительстве;
впервые разработаны требования к проектированию архитектурно-планировочной структуры биоклиматических зданий и система оценки их экологичности, которые использованы в разработанном автором проекте Стандарта проектирования биоклиматических зданий;
результаты данных исследований могут быть использованы в проектировании экологических зданий с учетом современных требований устойчивого развития и способствовать решению жилищной проблемы и реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» и основных задач, предусмотренных Федеральным законом от 24 июля 2008 №161-ФЗ «О содействии развитию жилищного строительства», Федеральной целевой программы (ФЦП) "Жилище", рассчитанной на 2011-2015 годы.
разработанные рекомендации и предложения смогут служить основанием
для создания жилища XXI века, основанного на учете экологических, социальных и экономических требований для различных климатических условий России.
Апробация и внедрение результатов исследования
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 14 публикациях, 3 из которых опубликованы в изданиях, входящих в перечень ВАК; представлены: фестивали «Зодчество» 2009, 2010, "Арх Москва 2010"; научная конференция «Архитектура и природа» 2010; Российско-британская научная конференция «Экологический урбанизм: устойчивый и энергоэффективный подход к городской архитектуре» (Москва, 2011); Международный симпозиум «Устойчивая архитектура: настоящее и будущее» (Москва, МАРХИ, 2011); выступление на совещании НАМИКС "Комплексное освоение территорий-приоритетное направление развития жилищного строительства России" (Московская область, 2013). Автором проведены мастер-классы по биоклиматической архитектуре (Москва, Ульяновск, Воронеж, Болонья).
Участие автора в проектных работах, реализующих некоторые положения диссертации:
-
Многофункциональный комплекс «Дом на воде». Московская область, Подушкинское ш.; 25. стадии Эскизный проект (2007 г.), Проект (2008г.) степень участия - соавтор проекта.
-
Индивидуальные загородный дом «Солнечный дом», Московская область, Эскизный проект (2007 г.) степень участия - автор проекта.
-
Многофункциональный комплекс «Термитник». Рио-де-Жанейро, стадия Эскизный проект (2009 г.); степень участия - автор проекта.
-
Проект реконструкции Нового Арбата в Москве; стадия Предпроектное предложение, (2009 г.) степень участия - автор проекта.
-
Проект реконструкции набережной в Майами; стадия Предпроектное предложение, (2010 г.) степень участия - автор проекта.
-
Жилой комплекс в Гурзуфе, стадия Эскизный проект 2010 г.; степень участия - автор проекта.
-
Индивидуальные загородный дом в пос. Алабушево, Московская область, стадии Эскизный проект, Проект (2010г.) степень участия - автор проекта.
-
Индивидуальные загородный дом в д. Ермолино. Московская область, стадии Эскизный проект, Проект (2011г.) степень участия - автор проекта.
-
Проект блокированных домов "экодеревня", г. Саратов, стадии Эскизный проект, Проект (2013 г.) степень участия - автор проекта.
-
Проект многоквартирного энергоэффективного дома, г. Саратов, стадии Эскизный проект, Проект (2013 г.) степень участия - автор проекта.
Экспериментальные проекты опубликованы в журналах Interior digest, 2005 №6, Технологии строительства, 2006. №3, ACD, 2008 №4., Дом&Интерьер, 2008 №2, «Архитектурный вестник», 2009. №4; в каталогах выставок «Арх Москва» 2007, «Зодчество» 2009, «Зеленый проект» 2010 г.; в газете СА 2012 г. и др.
Объем и структура диссертации
Ландшафтно-климатические факторы
Первый раздел посвящен анализу влияния ландшафтно-климатических факторов на климатизацию12 здания и формирование оптимального объемно-пространственного решения.
Влияние природных условий участка застройки на формирование архитектуры здания
На климатизацию и формирование объемно-пространственных решений зданий оказывают влияния следующие природные условия:
- характер рельефа местности и расположение здания;
- ориентация здания;
- характер покрытия вблизи здания;
- озелененные пространства вблизи здания.
Характер рельефа местности и расположение здания
Окружающий здание ландшафт оказывает значительное влияние на формирование микроклимата внутри и вокруг здания (Рисунок 1.1). Здание, расположенное на возвышенности, лучше проветривается, но подвержено более сильным ветрам, большему охлаждению. В случае, если участок земли ровный, расположение здания диктуется лишь климатическими особенностями района и ориентацией по сторонам света. Однако изменения рельефа ведут к изменению направления воздушного потока. В низинах собирается более холодный воздух. Так же с увеличением высоты 31 увеличивается скорость воздушного потока (максимальная на вершине и минимальна на подветренной стороне [13, 54]. Максимальное давление воздуха наблюдается с подветренной стороны здания.
В жарком климате здание должно быть максимально защищено от перегрева. Предпочтительно располагать здания в низине, где воздух прохладнее. Здание должно быть защищено рельефом от горячих потоков воздуха и прямых солнечных лучей [61, 69, 78]. Если здание находится на склоне - подветренная сторона предпочтительнее. На западном и восточном склонах деревья или иные природные неровности создают длинные тени, защищающие здание от солнца. Структура здания может быть встроена в рельеф или частично находится под ним - в этом случае грунт выполняет роль теплоизоляции.
В холодном климате здание, расположенное на южном склоне, лучше прогревается солнечными лучами. Рельеф местности защищает от холодных ветров и снеговых заносов. Здание, заглубленное в грунт, имеет меньший коэффициент теплопотерь [25, 123]. Следует избегать оврагов и северных склонов, так как в этих местах возможна нехватка солнечных лучей.
Во влажном климате необходимо максимальное проветривание. Самое благоприятное место - на возвышенности, которая хорошо проветривается. Не рекомендуется располагать здания в низине, где скапливается влажный воздух. В умеренном климате предпочтительно ориентировать здание на южную сторону и располагать на возвышенности или ровном участке местности.
Ориентация здания
Ориентация здания определяет количество солнечной радиации, которую оно получает (Рисунок 1.2). Ориентация, относительно воздушных потоков, затрагивает возможность осуществления естественной вентиляции и охлаждение здания. Отношение ширины улицы к высоте здания определяет его затененность другими зданиями, расположенными вдоль улицы. В жарком климате, когда необходимо свести к минимуму воздействие солнца, здания располагают максимально близко друг к другу, улицы минимальны по ширине [103]. Это обеспечивает необходимую тень и прохладу внутри кварталов. Улицы, ориентированные на С-Ю должны быть узкими — это обеспечит защиту от утреннего и вечернего солнца. Ширина улиц также зависит от их категории. В холодном климате широкие улицы, ориентированные на В-3, позволяют инсолировать здание южным солнцем. В тепло-влажном климате здания необходимо располагать так, чтобы обеспечить достаточное проветривание. Общепринято, что в северном полушарии северный фасад получает минимум солнечного света, а южный фасад получает максимум. Это, однако - не полностью истинно. Например, на 28 градусах северной широты в день летнего солнцестояния 21-ого июня Солнце находится, главным образом, в северном полушарии. Экспертиза солнечных диаграмм показала, что северная ориентация получает небольшую радиацию летом только для широт, которые достаточно удалены от экватора, фактически к северу от 32 градусов северной широты. В то время как южный фасад получает большее количество радиации зимой на широтах южнее 32 градусов [4, 13].
Характер покрытия вблизи здания
Материал, цвет, структура покрытия пространства вокруг здания оказывают влияние на характер микроклимата вблизи здания (Рисунок 1.3). Два природных фактора Земля и Солнце совместно влияют на здание. В зависимости от поставленной задачи подбирается материал с необходимым коэффициентом плотности и теплопроводности. Приток тепла к поверхности почвы зависит от интенсивности излучения солнечных лучей, высоты солнца над уровнем горизонта и продолжительности светового дня. Количество тепловой энергии, получаемой от внутренних слоев земли и протекающих в почве биологических и химических процессов, настолько незначительно, что не оказывает влияния на температуру почвы. Температура почвы определяется соотношением между притоком тепла от солнца и излучением его почвой в атмосферу [13, 56]. В верхних слоях атмосферы количество солнечного тепла, составляет около 2 калорий, эта величина не постоянна и может колебаться в зависимости от конкретных условий. Количество тепла, получаемое поверхностью земли, определяется углом падения солнечных лучей и плотностью атмосферы. На экваторе солнечные лучи падают под прямым углом, что обусловливает их наибольшую плотность, а следовательно, наибольшее прогревание поверхности земли. По направлению к полюсам возрастает угол наклона солнечных лучей и плотность их уменьшается. Падающие под прямым углом солнечные лучи, проходят меньший слой атмосферы, чем падающие под косым углом и, следовательно, теряют меньше своей энергии. Солнечные лучи, при прохождении через атмосферу, частично поглощаются и рассеиваются. Это происходит в прямой зависимости от длины пути прохождения через атмосферу. Большую часть тепловой энергии, получаемого от солнца, земля отдает обратно в атмосферу. Способность почвы поглощать солнечную энергию зависит от цвета почвы, который в свою очередь зависит от ее химического состава. Насыщенные перегноем темные почвы поглощают больше солнечной энергии, чем почвы светлых тонов, менее насыщенные перегноем или содержащие светлый перегной. Почвенный слой с легким механическим составом, при том же содержании перегноя, имеют более темную окраску и поглощают больше солнечной энергии, чем почвы с тяжелым механическим составом. Теплоемкость почвы существенно зависит от параметров влажности почвы, так как теплоемкость воды значительно выше теплоемкости других веществ, из которых состоит почвенный покров [139]. Теплоемкость почв составляет 0,217-0,248 калорий13. На нагрев влажной почвы затрачивается больше тепла, чем на нагрев сухой, соответственно влажная почва лучше поглощает солнечную энергию и способна дольше сохранять прохладу.
Для жаркого климата необходимо максимальное охлаждение здания. Газонная трава, рыхлая земля и светлый песок хорошо абсорбируют солнечные лучи и препятствуют перегреву пространства вблизи здания. Для покрытия дорожек применяют светлое гладкое покрытие из керамики или камня, с максимальным коэффициентом отражения солнечных лучей. Технология укладки мощения позволяет создавать покрытия — «термосы» - в дневное время тепловая энергия накапливается в подложке и в ночное время выходит на улицу, нагревая прохладный воздух вокруг здания, препятствуя переохлаждению конструкций.
В холодном климате, напротив, необходимо создать вокруг здания «тепловую завесу» для защиты от холодных ветров. Покрытие из пористого материала темных оттенков абсорбирует тепло и отдает его в атмосферу, нагревая пространство перед зданием. Также немаловажным является характер рельефа, наличие перепадов уровней рельефа перед зданием. Для жаркого климата предпочтителен сложный рельеф с перепадами высот и различной освещенностью участка для неравномерного прогревания солнцем. Для северного климата предпочтительна гладкая поверхность участка без затененных областей, которые плохо инсолируются, и где будут скапливаться снег и осадки [63, 89].
Независимо от климатических условий рационально запасаться излишками энергии и использовать их для поддержания микроклимата в здании. Для этого применяют аккумуляторы под зданием, куда закачиваются излишки энергии и используются по мере необходимости в системе отопления здания. В качестве теплоносителя в таких системах применяется вода.
Учет градостроительных условий размещения биоклиматических жилых зданий
На основании изучения построенных биоклиматических зданий определена возможность их размещения в структуре города (Рисунок 2.1):
- в исторической застройке центра города в зоне регулирования этажности- это может быть ориентировочно до 10% зданий. При этом такие здания должны иметь компактную форму. Характерно создание открытого пространства перед зданием, которое должно быть адаптировано к существующей исторической городской среде. Такое здание дополнит утраченное зеленое пространство;
- в срединной застройке - примерно до 40% таких зданий. Размещение таких зданий возможно за счет сноса морально и физически устаревших зданий. Названные градостроительные условия наиболее привлекательны для строительства биоклиматических зданий, призванных улучшить экологическое состояние городской среды.
- в периферийных районах предполагается применение в строительстве примерно около 40-50% биоклиматических зданий с учетом малоэтажного строительства. Это могут быть отдельно стоящие здания, которые не имеют ограничений по площади. Для этих районов характерно расположение преимущественное малоэтажные и средней этажности здания. Здания располагаются на больших участках по сравнению с участками срединной зоны. Здесь ниже стоимость земли, и поэтому они менее привлекательны для инвесторов. Такие районы в меньшей степени страдают от нехватки озеленения, так как эти районы представляют субурбанизированную зону, где в первую очередь должны строиться малоэтажные биоклиматические дома.
- здания-сателлиты — это футуристические проекты, в которых такие здания могут располагаться вне городской структуры, вдали от населенных пунктов. Такие здания сами являются самодостаточными, то есть их характеризует масштаб и внутренняя организация, рассчитанная на автономное существование. Они включают элементы городской среды.
Размещение биоклиматического здания в сложившейся городской среде призвано сделать окружающую территорию более комфортной. Оно может содержать в своей структуре озелененные площади, суммарно превышающие участок застройки, парковки для жителей дома и учреждения социального обслуживания. Это, в первую очередь, относится к домам, расположенным в срединной и центральной застройке.
По этажности биоклиматические здания разделяются на: 1) малоэтажные - здания до 3-х этажей. Наиболее распространены одно -2 (3) этажные коттеджные и блокированные (таунхаусы), площадью до 700 м.кв.
Большое развитие получили малоэтажные дома в США, Канаде и станах Европы. В таких домах активно применяются альтернативные источники энергии, используются солнечные батареи, ветряные генераторы, тепловые насосы, и другие экологические технологии. [83, 93].
Для таких домов характерно строительство как из местных природных материалов преимущественно с применением индустриальных изделий, так и из новых материалов и технологий (Рисунок 2.2).
Заглубленные - здания, вписанные в рельеф местности. В малоэтажных зданиях озеленение присутствует в виде двора-колодца и зимних садов. Архитектура здания вписывается в крутой склон или насыпь (холм) ("землянки" архитектора Малколма Велса) [76].
Здание проектируется с элементами природы следующим образом:
- посредством устройства внутренних озелененных дворов (характерно для южных районов);
- путем размещения здания в «зеленой» среде, в соответствии с природными условиями участка;
- за счет устройства открытых летних помещений (лоджий, балконов, галерей);
- посредством минимизации границ между природой и внутренним пространством за счет сплошного остекления;
- методом озеленения крыш, фасадов и балконов.
2) средней этажности — здания 4- 5 (б)24 этажей.
Первый этаж связан с окружающим ландшафтом. Введение природных элементов осуществляется за счет озелененных атриумных пространств, лоджий - зимних садов и вертикального озеленения фасада. В таких зданиях рационально располагать атриум, как центральный элемент климатизации здания.
За счет умеренной высоты здания и отсутствия сильных ветров на верхних этажах, озеленение на балконах и лоджиях получило наиболее широкое распространение. Ярким примером озеленения фасада может служить Международный культурно-информационный центр в городе Фукуока (Япония). Здание имеет ступенчатую структуру фасада, которая полностью покрыта растениями, образуя подобие «зеленой горы». За счет умеренной этажности здание получает наиболее эффективное освещение верхним светом атриумного пространства, комфортный микроклимат естественными средствами;
3) многоэтажные - здания от 6 этажей и выше, в том числе, повышенной этажности или 1-я группа - до 9(10) этажей; многоэтажные - от 10(11) до 16 (17) этажей; 3-я группа - от 17(18) до 25 этажей; высотные - выше 25 этажей.
В этих зданиях биосреда присутствует в виде системы озелененных общественных пространств, внутренних дворов, озелененных балконов и зимних садов. Озелененные пространства на разных этажах здания обеспечивают необходимые элементы природы и улучшают микроклимат в здании.
Это наиболее эффективный тип здания для применения биоклиматических технологий. Чем выше здание, тем более эффективно работают биоклиматические принципы, тем больше экономии при эксплуатации таких зданий по сравнению с традиционными.
Биоклиматические многофункциональные дома и города-башни - высотная структура зданий-сооружений, которые могут сочетать в себе все социальные и жизнеобеспечивающие функции вплоть до города, необходимые для жизни и работы людей внутри них. Это направление можно назвать экотехноурбанизмом, когда успехи в строительстве экологических зданий и объектов инфраструктуры порождают в конечном итоге, проекты строительства новых городов. Однако это течение сосредотачивается на технологиях и недостаточно для гармонизации города и взаимодействия с природной средой.
Принципы формирования архитектурно-пространственной структуры биоклиматических жилых зданий для России
На основании результатов исследования, полученных в предыдущих двух главах, выявлены принципы формирования, характерные особенности и требования к проектированию биоклиматических зданий. Одним из принципов формирования таких зданий является принцип адаптации (Рисунок 3.1). Он предполагает проектирование архитектурно-пространственной структуры биоклиматического здания в зависимости от природных и градостроительных условий участка местности. Адаптируемость биоклиматических зданий к окружающим условиям среды - это их отличительная черта, которая позволяет создавать гибкие архитектурно-пространственные системы. Каждый элемент в здании должен иметь строгое обоснование. Для проектирования таких зданий необходимо учитывать следующие требования: выбор этажности, определение конструктивных и инженерных решений, в том числе оптимальных природных источников энергии, формы плана и пластики фасада здания. Эти архитектурно-пространственные, конструктивные и технические решения позволяют создать биоклиматические здания, которые максимально сохраняют окружающую природную среду. Дружественные этой среде и наиболее полно учитывающие естественный ландшафт и климат. Все это должно создавать условия наиболее благоприятного эстетического и эмоционального восприятия людьми.
Принцип сохранения и восполнения Строительство биоклиматического здания предполагает необходимость сохранения существующих зеленых насаждений и плодородного слоя почвы на участке строительства. Восполнение утраченной участком зеленой экосистемы происходит за счет зеленых пространств как в самом здании, так и снаружи. Эти пространства размещаются в озелененных атриумах, зимних садах, на балконах и лоджиях, эксплуатируемых крышах и на прилегающей территории. При этом площадь озелененных пространств в здании должна быть больше утраченной площади озеленения при строительстве. Таким образом, строительство биоклиматических зданий нанесет меньший ущерб окружающей среде, чем строительство традиционных зданий. Находясь в плотной городской среде, биоклиматическое здание с большими площадями озеленения вносит вклад в оздоровление среды, так как несет в себе функцию очищения воздуха и благоприятного эмоционального восприятия. Данные функции особенно важны для улучшения самочувствия и здоровья людей (Рисунок 3.2).
Принцип взаимосвязей обуславливает связь здания с городской средой. Строительство здания определяется градостроительными условиями. В результате могут изменяться направления воздушных потоков, затеняться другие зданий и участки, увеличиваться нагрузка на транспорт, сферу обслуживания и инженерные системы. Входная группа и уровень первого этажа также должны быть тесно связаны с городом, плавно перенося улицу или двор в здание. Здание должно быть органичной частью городской среды, в которой оно находится. Если здание забирает у города территорию, то оно должно компенсировать это строительством подземных паркингов и гаражей, размещением необходимых предприятий и учреждений обслуживающих население квартала, микрорайона, района и города [18, 41, 100] (Рисунок 3.3).
Процесс строительства здания и эксплуатации не должен наносить вред окружающей среде, для этого нужно учитывать принцип экологичности. Следует избегать выбросов СОг, использование невозобновляемых источников энергии, обеспечивать утилизацию отходов без загрязнения среды. При строительстве здания должны применяться перерабатываемые и вторично используемые материалы. При выборе материала следует отдавать предпочтения местным материалам. Конструктивные узлы здания должны предусматривать легкую утилизацию и сортировку отработанных материалов в конце срока службы здания, чтобы можно было повторно их использовать.
Предпочтительны индустриальные методы строительства. Биоклиматическое здание - это забота об окружающей среде и людях. Проживая в таком доме, люди невольно становятся соучастниками экологического движения, потому что смогут понять изнутри эти процессы. Уровень жизни в таких домах будет выше, чем в традиционных энерго- и ресурснозатратных, т.е. антиэкологичных типовых зданий индустриальной эпохи. Социальная экологическая составляющая биоклиматических жилых домов сформирует здоровый социум, будет способствовать увеличению продолжительности жизни и рождаемости.
Характерной особенностью биоклиматических зданий является принцип энергонезависимости. Принцип включает в себя сведение к минимуму использования существующих внешних централизованных энергосистем, где энергоносителем является невозобновляемое углеводородное топливо; предлагается максимально использовать альтернативные источники энергии и технические устройства для выработки тепловой и электрической энергии в самом здании или группе зданий. Выбор энергосистемы здания должен зависеть от местных природных и градостроительных условий.
Суровые условия климата России вынуждают создавать биоклиматические здания учитывающие принцип автономности. В них предусмотрена возможность независимости от внешних сетей электро - и теплоснабжения, и, в ряде случаев, водопровода и очистных сооружений. Принцип «термоса» наиболее жизнеспособен в условиях низких температур зимой Крайнего Севера. В этих условиях большое внимание уделяется защите от теплопотерь. Для этого проектируют здания с широким корпусом, сохраняющим тепло и применяют теплоизоляционные материалы и специальное тройное сверхтеплоизоляционное остекление и герметизацию стыков. Атриум и озелененные пространства в здании позволяют увеличить ширину корпуса и обеспечить освещенность помещений, удаленных от фасада здания. Тем самым, увеличить общую площадь и показатель компактности всего здания. Биосреда здания закрытого типа, т.е. количество внешних озелененных пространств сводится к минимуму, а роль внутренних увеличивается.
Принцип органичности структуры биоклиматических зданий заключается в подобии дома живому организму, то есть он функционирует по тем же ритмам и законам, что и окружающая природа. Это является иллюстрацией его биоподобия- использованию замкнутых природных циклов. Дом накапливает энергию в теплый период года и использует ее зимой. Подобно животному, которое зимует за счет летних запасов. Солнечные энергетические установки, как и вечнозеленые деревья, питаются солнечной энергией и преобразуют ее. Биоочистные сооружения и биотуалеты реализуют природный процесс переработки отходов, в результате которого восстанавливается замкнутый цикл: полученная серая вода идет для технических нужд и полива, а гумус используется как удобрение. Микроклимат предполагает естественный процесс дыхания, когда воздух поступает в здание и выходит отработанный в результате проветривания. При этом теплообменники отбирают до 80-90% тепла у отработанного воздуха и отдают его вновь поступающему свежему воздуху. Качество воздуха улучшают растения в результате фотосинтеза (Рисунок 3.4).
Принцип модульности состоит в функциональном разделении здания на несколько модулей: сервисная группа, общественные пространства, вертикальные коммуникации с лестнично-лифтовым узлом, служебные помещения, жилые, подсобные помещения, технические помещения, гараж-стоянка, озелененные открытые (летние) и закрытые пространства. Комбинация из этих элементов помогает изменять степень влияния природных факторов на здание. Подбор тех или иных помещений необходимо осуществлять в зависимости от функционального назначения, этажности, и в единстве с общей архитектурно-планировочной структурой здания (Рисунок 3.5).
Рекомендации по проектированию биоклиматических жилых зданий
Для условий Севера России рекомендуется проектировать биоклиматические здания с учетом определенных требований.
Создание микроклиматических условий путем:
- использования внутренних озелененных атриумных пространств для создания оптимального микроклимата преимущественно естественными средствами;
- создания зимних садов в квартирах для улучшения психологического и физического здоровья жителей;
- размещения зданий на высоком цоколе или приподнятие над уровнем земли в связи с таянием вечной мерзлоты;
Применение строительных материалов для данных условий:
- использование низкоимиссионного трехслойного остекления для снижения теплопотерь со специальным сверхтеплоизоляционным напылением;
- применение эффективных теплоизолирующих материалов, использование теплопоглощающих материалов для аккумуляции тепла;
- сбор избыточной тепловой энергии летом и сохранение ее в теплоносителях для использования при отоплении зимой;
Для обеспечения энергоэффективности зданий рекомендуется:
- использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ) - ветровой и геотермальной энергии, биотоплива (пеллеты);
- использование альтернативных источников энергии: рекуперация тепла в системе вентиляции и горячего водоснабжения; а также энергии от сжигания отходов и других.
Для средней полосы России предлагается проектировать биоклиматические здания с учетом следующих требований:
- достижение энергоэффективности за счет использование ВИЭ - солнечных батарей с фотоэлементами и коллекторов, использование пассивной солнечной энергии для подогрева воздуха в помещениях (в холодный период), ветроустановок, теплового насоса, биотоплива (пеллет и др.);
- использование возобновляемых источников энергии, рекуперации тепла в системе вентиляции и горячего водоснабжения, энергии от сжигания ТБО и других отходов;
- создание микроклиматических условий методом использования изменяющихся фасадных систем в зависимости от времени года для защиты от перегрева и переохлаждения. Данное решение позволяет регулировать интенсивность внешних воздействий на внутренние пространства;
- использования растений в здании с опадающей листвой для естественного контроля затенения ими помещений в разные периоды года;
- использования озеленения крыш для снижения нагрева конструкций и помещений. Кроме того, увеличенный изоляционный слой кровли предотвратит излишние теплопотери зимой и нагрев верхних этажей летом;
- устройства зимних садов и озеленения на застекленных балконах для рассеивания солнечных лучей летом и аккумуляции тепла в холодный период. Зимний сад выполняет роль буферной зоны между внешним и внутренним пространством как зимой, так и летом. Зимой он препятствует теплопотерям, а летом обеспечивает необходимое затенение;
- применения естественной вентиляции вместо механической;
- использования атриумных пространств для проветривания и освещения внутренних помещений здания и аккумуляции солнечной энергии в холодный период;
- устройства дворов раскрытых в южную, восточную и западную стороны, жилая застройка должна иметь хорошее проветривание;
Рекомендуется применение следующих строительных материалов для данных условий:
- энергоэффективного остекления для защиты от переохлаждения;
- эффективных теплоизоляционных материалов для обеспечения оптимального микроклимата в здании.
Для южной полосы России следует проектировать биоклиматические здания с учетом установленных требований. Обеспечение энергоэффективности путем:
- использования солнечных батарей с фотоэлементами и тепловых коллекторов, ветроустановок и теплового насоса для выработки тепловой и электрической энергии, отопления в холодный период, подогрева хозяйственной воды и охлаждения от перегрева в жаркий период;
- получения энергии от сжигания отходов;
- использования артезианской воды для охлаждения.
Создание микроклиматических условий за счет:
- использования озеленения крыш и фасадов для снижения нагрева конструкций и помещений;
- посадки газона и деревьев вблизи здания для поглощения солнечной радиации;
- применения фасадных систем, солнцезащитных жалюзи, штор, солнцерезов, козырьков, выносов крыши;
- использования озелененных дворов, атриумных пространств для проветривания и охлаждения здания;
- размещения озеленения на балконах, зимних садах для рассеивания солнечных лучей и увлажнения воздуха.
Предлагается применение следующих строительных материалов:
- энергоэффективного остекления для защиты от перегрева;
- природных материалов с высоким сопротивлением теплопередаче;
- светлой окраски конструкций (Рисунок 3.7).
Предложение по резервированию и использованию дождевой и талой воды Здание должно быть оборудовано устройством для сбора дождевой и талой воды, системой хранения такой воды и системой очистки и переработки сточных вод. Данные системы позволят существенно сократить потребление из городских источников и нагрузку на городскую канализационную систему. Собранная вода может служить теплоносителем для системы тепловых насосов и участвовать в процессе климатизации здания. Резервуары для хранения воды целесообразно размещать непосредственно под зданием или в отдельно расположенных подземных емкостях.
Предложения по обеспечению вентиляции и увлажнения Для обеспечения воздушно-теплового комфорта необходимо сочетать архитектурно-пространственные и конструктивные решения с инженерно-технологическими.
Применение растений в системе увлажнения пространства внутри здания позволяет естественным путем обеспечить оптимальный уровень влажности.
Если один квадратный метр газона испаряет 0,2 л воды в час, то это равнозначно бытовому увлажнителю на комнату - 25 кв. м.31
Воздухозабор для системы вентиляции здания следует размещать с подветренной затененной стороны. Размещение воздухозабора в окружении массива зеленых насаждений, полнотой 0,8-1 обеспечивает снижение температуры воздуха до 5,5 градусов Цельсия и увеличения влажности на 10-20 %32, что обеспечивает соответствующую экономию на кондиционировании и вентиляции.
Применение воды в системе увлажнения воздушной среды здания
Для использования водных пространств (каналы, пруды, ручьи) на участке, бассейнов и фонтанов как части системы климатизации, их следует размещать на путях прохождения воздушных потоков. Фонтаны увеличивают влажность на 6-12% и снижают температуру воздуха на 3-5 градусов Цельсия. Сплошные водные завесы снижают температуру на 8 градусов Цельсия и повышают относительную влажность до 40%33. Комбинация из водоемов и водных пространств, расположенных в здании, согласно инженерным расчетам, способно существенно влиять на внутренний микроклимат, замещая собой активные системы кондиционирования воздуха.
