Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Опыт проектирования жилых зданий на территориях с экстремальными условиями природного характера .
1.1. Классификация экстремальных условий природного характера 21
1.2. Отечественный опыт проектирования автономных энергоэффективных жилых зданий в экстремальных природных условиях 31
1.3. Зарубежный опыт проектирования автономных энергоэффективных жилых зданий в экстремальных условиях 41
Заключение к главе 1 49
Глава II. Определение типов автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях обитания.
2.1. Предпосылки и факторы, влияющие на формирование жилых зданий автономного типа в экстремальных природных условиях 50
2.2. Применение современных инженерных систем получения и использования энергии альтернативных источников 64
2.3. Типология жилых зданий по степени автономности и способу применения инженерного оборудования 93
Заключение к главе II 98
Глава III. Особенности формирования автономных жилых зданий с энергосберегающими характеристиками .
3.1. Особенности энергосберегающих объемно-пространственных решений автономных жилых зданий 98
3.2. Принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях 105
Заключение к главе III 120
Основные выводы и результаты диссертационного исследования 123
Список использованных источников 126
- Отечественный опыт проектирования автономных энергоэффективных жилых зданий в экстремальных природных условиях
- Предпосылки и факторы, влияющие на формирование жилых зданий автономного типа в экстремальных природных условиях
- Особенности энергосберегающих объемно-пространственных решений автономных жилых зданий
- Принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях
Введение к работе
Актуальность исследования. Существующие принципы формирования жилой застройки в экстремальных природных условиях и применяемые типы жилых зданий, не рационально использующих энергоресурсы, приводят к огромным экономическим затратам и проблемам экологии. Согласно указу «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» к 2020 году энергоемкость валового внутреннего продукта Российской Федерации по отношению к 2007 году должна снизиться не менее чем на 40 процентов за счет обеспечения рационального и экологически ответственного использования энергии и энергетических ресурсов. В этом случае государственный закон говорит о поддержке и стимулировании реализации проектов по использованию возобновляемых источников энергии и экологически чистых производственных технологий.
Основные понятия эффективного использования энергетических ресурсов сформулированы в статье федерального закона об энергосбережении: «возобновляемые источники энергии» - энергия солнца, ветра, тепла земли, естественного движения водных потоков, а также энергия существующих в природе градиентов температур; «альтернативные виды топлива» - виды топлива (сжатый и сжиженный газ, биогаз, генераторный газ, продукты переработки биомассы, водоугольное топливо и другие), использование которого сокращает или замещает потребление энергетических ресурсов более дорогих и дефицитных видов.
Объектом государственного регулирования в области энергосбережения являются отношения, возникающие в процессе деятельности, направленной на развитие добычи и производства альтернативных видов топлива, которые способны заменить энергетические ресурсы более дорогих и дефицитных видов. Также создание и использование энергоэффективных технологий, энергопотребляющего и диагностического оборудования, конструкционных и изоляционных материалов, приборов для учета расхода энергетических ресурсов, систем автоматизированного управления энергопотреблением.
Однако, несмотря на то, что Россия обладает значительными ресурсами ветровой, солнечной энергии и энергией биомассы, переход на возобновляемые
1 Указ Президента Российской Федерации №889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики» от 4 нюня 2008 г. / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: 128.html.
источники энергии в нашей стране пока осуществляется медленными темпами. По данным МЭА, выработка энергии в Российской Федерации из возобновляемых источников почти 20 раз меньше, чем, например, в Дании, в 5 раз меньше, чем в Германии, в 11 раз - Норвегии, в 10 раз - США. К 2030 году страны Евросоюза планируют заменить биотопливом 20-25% моторного топлива, Соединенные Штаты - порядка 37%.
В нашей стране 88% используемой энергии основано на не возобновляемых топливных ресурсах, что создает угрозу энергетической безопасности государства." В этой ситуации необходим переход на использование новых возобновляемых видов энергии, а также разработки, проектирования и освоения новых типов жилых зданий, потребляющих и перерабатывающих альтернативную энергию. Особенно актуально использование автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях Крайнего Севера и Дальнего Востока, так как эти территории являются наиболее неосвоенными и обладают необходимыми климатическими показателями для выработки альтернативной энергии солнца и ветра. Возобновляемая энергосистема автономных жилых зданий основана на принципах экологической безопасности, экономии природных ресурсов и использования специального технологического оборудования, обеспечивающего здание необходимым количеством энергии независимое от централизованных энергосетей. Новейшие технические разработки в области автономного энергообеспечения в комплексе с энергосберегающими объемно-пространственными решениями, позволяют уменьшать экономические затраты, повышая коэффициент энергоэффективности и комфорта проживания. Жилые здания автономного типа, организованные в поселки, или используемые в качестве индивидуальных жилых домов, применимы для временного и постоянного проживания строителей, экспедиторов, исследователей, в геологоразведке на удаленных территориях, для пострадавших в чрезвычайных ситуациях.
Состояние вопроса. Исследование вопроса формирования автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях включает в себя комплекс проблем, состоящий из технологических, объемно-пространственных, архитектурно-планировочных, экологических и социальных аспектов. Технологии получения и преобразования энергии от альтернативных источников изучены и описаны в трудах: В. Микельсона, Б. Тарнижевского, Д.
" Макеева Л., Finam. га. Возобновляемые источники энергии: возможные альтернативы? 23.05.2007/Сценарии и прогнозы. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http:/V.
Стребкова, С. Воронина; базовыми трудами для изучения объемно-пространственных решений являются работы посвященные изучению мобильности, трансформации, модульности и формообразованию архитектурных объектов. Мобильная архитектура подробно рассмотрена и анализирована в исследовательских работах В. Колейчука, Н. Сапрыкиной, А. Гайдучени, В. Гребнева, А. Сикачева; трансформация в архитектуре представлена в работах А. Баталова, И. Лучкова; ресурсосбережению и энергосбережению посвящены работы С. Зоколея, Ф. Тромба, А. Акопджаняна, Б. Андерсона, О. Афанасьевой, С. Байера, Н. Саундерса, А. Сахарова, вопросы экологии в архитектуре изучены в трудах А. Тетиора, В. Владимирова, Е.Широкова, методы проектирования эволюционирующих архитектурных объектов с использованием параметрического моделирования рассмотрены в теоретических работах И. Добрицыной, М. Шубенкова.
Демографические, социальные и психологические особенности жизнедеятельности обитателя в жилище, а также факторы, влияющие на архитектурно-планировочные решения, рассмотрены в трудах О. Бессонова, К. Кияненко, В. Молчанова, В. Ружже, С. Садовского; психофизическим поведением и уровнем адаптации личности в природных экстремальных условиях занимались В. Бехтерев, А. Тойнби, П. Фоменко; проектированию жилых зданий в экстремальных условиях Крайнего Севера посвящены работы К. Карташовой, Н. Сапрыкиной, А. Сахарова, в районах Юга В. Молчанова, проектированию в сейсмически опасных районах А. Потапова, Ш. Бана.
Широко представлена отечественная и зарубежная практика проектирования автономных жилых зданий, использующих альтернативную энергию. Проекты домов с комплексным солнечно-ветровым энергообеспечением для условий севера и центральных районов России (МАРХИ), автономные поселки и мобильные жилые комплексы с гелио-ветроустановками из объемных элементов кристаллической формы (МАРХИ).
Современное проектирование в области энергоэффективных автономных жилых домов представлено в работах зарубежных авторов - итальянского архитектора Л. Доннера (проект «Солнечный дом»), американского архитектора В. Веттерлейна (проект «Рибут»), С. Спекта (проект «Нулевой дом»), японского архитектора Д. Нагасака (проект «РАСО»), М. Колера (проект «Иджибург Хаус»), К. Че (проект «Лайфпод»).
Помимо проектов индивидуальных домов, в европейской практике разработаны и реализованы проекты экологических поселений - экодеревня «Стенлезе Юг» на 750 домов в районе Копенгагена (Дания), комплекс жилых домов в Хокертоне (Великобритания), «солнечные посёлки» в Аахен-
Лауренсберге (Германия), район «Виикки» (Финляндия), посёлок в городе Амерсфурт (Нидерланды), район в городе Охусе (Дания), район в городе Тронхейм (Норвегия).
При всем многообразии научных и проектных работ малоизученным остается вопрос объемно-пространственных решений автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях с учетом использования инновационных достижений в области получения и переработки энергии возобновляемых источников.
Цель работы - разработать принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера, с учетом новейших достижений науки и техники в области получения энергии от альтернативных возобновляемых источников.
Задачи исследования: на основе анализа отечественного и зарубежного опыта определить предпосылки и особенности формирования автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях обитания.
-
Выявить факторы, влияющие на формирование автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера.
-
Определить оптимальные объемно-пространственные решения автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера, повышающие эффективность использования полученной альтернативной энергии.
-
Разработать принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера.
Объект исследования - жилые здания, способные существовать автономно (независимо от централизованных сетей) в экстремальных природных условиях и использующие возобновляемые источники энергии.
Предметом исследования являются энергосберегающие объемно-пространственные принципы и приемы формирования автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера, использующих возобновляемые источники энергии.
На защиту выносятся:
- принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных
природных условиях обитания.
- энергосберегающие объемно-пространственные приемы организации
автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера.
Границы исследования. Рассматриваются жилые здания автономного типа спроектированные для экстремальных условиях природного характера, способные получать и преобразовывать энергию возобновляемых источников
(энергия солнца, энергия ветра, энергия биомассы). Исследование рассматривает в основном автономные дома малой этажности, в меньшей степени - многоэтажные. Научная новизна работы.
-
Выявлены и систематизированы объемно-пространственные решения автономного жилого здания в экстремальных условиях природного характера, направленные на эффективное использование энергии, полученной от альтернативных источников.
-
Предложены принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера.
Методика исследования основана на комплексном методе и включает:
Анализ литературных источников, интернет - ресурсов, нормативных документов, изучения современных научно-технических разработок в области получения и преобразования энергии возобновляемых источников, статистических и климатических данных для районов Крайнего Севера и Дальнего Востока России.
Анализ мирового опыта проектирования, строительства и эксплуатации автономных жилых зданий, использующих альтернативные источники энергии.
Графоаналитический метод систематизации материала и метод компьютерного моделирования.
Практическое значение работы заключается в возможности применения результатов исследования в отечественной практике проектирования автономных жилых зданий в экстремальных условиях природного характера, разработке индивидуальных домов и типологических серий автономных зданий, поселков автономного типа для людей пострадавших в чрезвычайных ситуациях, временного и постоянного проживания строителей на удаленных территориях, исследователей, геологов, сотрудников МЧС.
Апробация и внедрение результатов работы.
Основные результаты исследования были внедрены в следующих научных разработках:
-
Научный отчет по НИР № ГР 0120.0.502553 «Архитектура экстремальных условий как средство безопасности обитания» / НИИТИАГ РААСН; рук. Сапрыкина Н. А., исп. Погонин А. О. -М.: 2008.
-
Научный отчет по проекту РФФИ № 09-08-13706: «Разработка принципов формирования архитектурных объектов с альтернативным энергообеспечением», рук. Сапрыкина Н. А., исп. Погонин А. О. - М.: МАрхИ. - 2009.
-
Научный отчет по проекту РФФИ № 09-06-13536: «Архитектура автономных градостроительных комплексов», рук. Крашенинников А. В., исп. Погонин А. О.-М. :2010.
-
Научный отчет по гранту НИИТИАГ РААСН, тема НИР № 4.4.1: «Особенности формирования автономных жилых зданий с энергосберегающими характеристиками», рук. Погонин А. О. - М.: 2010.
Основные принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных условиях обитания получили апробацию в проектно-экспериментальных разработках:
1. «Трансформируемые модули для организации жилья в труднодоступных
районах с экстремальными условиями обитания» Материалы круглого стола
«Мобильная архитектура нового века»//Каталог участников выставки
«Мобильные здания-2007» 21-23 ноября 2007г.: Сибпринт, 2007, с. 47.
-
Международный конкурс «MOBILE MEDIA-CENTRIC HABITATION AND WORK UNIT/ARCTIC PERSPECTIVE INITIATIVE», 2009.
-
3-й Международный конкурс по Современной Архитектуре "THE SELF-SUFFICIENT CITY. Envisioning the habitat of the future: 3-rd Advanced Architecture Contest'VInstitute for Advanced Architecture of Catalonia - IaaC, 2009.
Объем и структура работы: диссертационное исследование представлено в двух томах: первый том включает текстовую часть (137 страниц), состоящую из введения, трех глав, заключения, библиографического списка (121 наименование) и приложений; второй том - иллюстративный.
Отечественный опыт проектирования автономных энергоэффективных жилых зданий в экстремальных природных условиях
В отечественном1 опыте проектирования жилых зданий в экстремальных природных условиях существует достаточно работ по отдельным видам экстремальных условий: Крайнему Северу (Г.А. Агранат, К. К. Карташова, В. К. Онуфриев, Б. М. Полуй, Т. В. Римская-Корсакова, Н. А. Сапрыкина, А. Н. Сахаров), южным областям (Р. Липмайстер, В. М. Молчанов, Б. М. Полуй), горным районам (Г. И. Лежава, Д. В. Марахобишвили), сейсмически опасным территориям (Ш. Бан, А. Зекиоглу, А. Д. Потапов). Широко представлена практика проектирования автономных жилых зданий, использующих альтернативную энергию, например проекты домов с комплексным солнечно-ветровым энергообеспечением для условий севера и центральных районов России (МАРХИ), автономные поселки и мобильные жилые комплексы с гелио-ветроустановками из объемных элементов кристаллической формы (МАРХИ). В проектируемых зданиях доминируют технологические средства для получения альтернативной энергии - ветроустановки и солнечные коллекторы, размещенные непосредственно на кровле зданий (рис. 5). В проекте сельского автономного жилого дома используется скатная кровля до уровня земли, для размещения на ней большего числа солнечных батарей, использующихся для отопления помещений. Ветроустановка, также расположенная на кровле здания, диктует своеобразный архитектурный облик фасада, подчеркивая инноващюнность объемно-пространственного решения. Однако, такое размещение ВЭУ является не правильным, так как при работе установка создает шум, мешающий жителям.
В проекте мобильного жилого комплекса с автономным энергообеспечением (МАРХИ) ветроустановка большей мощности также является доминантой архитектурного образа, обеспечивая энергией быстровозводимые модули, которые, в свою очередь, оборудованы съемными солнечными коллекторами с изменяемым углом наклона, за счет конструктивного решения несущего каркаса. В этих случаях автономное оборудование является пристраиваемым, не включаемым в конструкцию зданий (рис. 5)
Архитектура гелиоактивных зданий призвана отображать суть научно-технических идей с интерпретацией их через технические решения конструктивных элементов и целенаправленно разрабатываемые форму и ориентацию объекта. Специальные приемы архитектурного проектирования формы и ориентации таких зданий и дополнительные требования к ним, вытекающие из. свойств поля солнечной радиации, направлены на повышение их энергетической и экологической эффективности и экономичности. Регулирование с помощью таких приемов солнечных энергоресурсов зданий и фактический уровень их использования могут варьироваться в широких пределах как на стадии градостроительного и архитектурного проектирования, так и в процессе эксплуатации. Гелиотехнические требования к градостроительному проектированию энергоактивных зданий и адекватные им приемы сводятся к следующему:
- при выборе площадки и конкретной привязке к ней автономного гелиоэнергоактивного здания в структуре поселка, нужно принять такую удаленность последнего от других объектов, чтобы обеспечить незатеняемость всего здания или, по крайней мере, приемных элементов его гелиоустановки другими зданиями, инженерными сооружениями или окрестными рельефными образованьями круглогодично или в период работы гелиоустановки.
- автономное здание или сооружение может быть размещено независимо (автономно) или привязано к системе других зданий, в структуре автономного поселка, расположенных вместе с ним на открытой горизонтальной площадке, на солнечном склоне естественного или искусственного рельефного образования либо у его подножья. Кроме того, на склоне рельефного образования могут быть выполнены или размещены отражатели, усиливающие солнечную облученность энергоактивного здания. [29] В комплексных решениях возможно частичное или полное введение энергоактивного здания (сооружения) в солнечный склон рельефного образования. При размещении автономного здания (или поселка) в районах Крайнего Севера, рекомендуется ориентировать здание на солнечную сторону, для увеличения приема солнечной радиации.
- выбор конкретной схемы привязки здания зависит от необходимой степени энергозамещения, определяемой дефицитом энергии или экономическими обоснованиями. Одновременно должен быть решен вопрос о выборе типа гелиоустановки для проектируемого здания и необходимой площади коллектора. Для этого определяют солнечные энергоресурсы здания и отдельных его элементов (стен, покрытия) и устанавливают диапазон возможных изменений ресурсов. Затем, сопоставив ресурсы с потребностями и решив вопрос об энергетически целесообразной и приемлемой по всем другим параметрам (технологическим, эстетическим) форме здания, выбирают один из следующих вариантов компоновки и размещения энергоактивных элементов:
- здание с автономными или накладными (навесными) энергоактивными устройствами (обычное здание традиционных архитектурных решений, около которого или на котором размещены приемники энергии, а также системы ее преобразования, аккумулирования и использования);
- здание с энергоактивными конструкциями (в здании с традиционным объемно-планировочным решением часть ограждающих конструкций выполнена полифункциональной, т. е. совмещена с коллектором, аккумулятором солнечной энергии);
- энергоактивное здание с повышенной энергетической экономичностью (здание энергетически эффективной формы и ориентации, в котором использование солнечной энергии обязательно дополнено применением устройств и полифункциональных конструкций, снижающих его собственные энергозатраты).
Экодома серии Solar - индивидуальные жилые дома и туристические модули с солнечным отоплением и солнечным охлаждением, спроектированные в 2006-2010 г. во Владивостоке, на базе различных проектных мастерских города. Оптимальная территория для строительства полоса не севернее 50 град. с.ш. На территории России это регион с населением почти 20 млн. человек. Автономность домов от внешних источников теплоснабжения от 35 до 81% в зависимости от комплектации. Преимущество проектов в том, что уже на стадии архитектурного решения, без использования активных систем, доля солнечного отопления в теплоснабжении дома составляет от 35 до 57% в морозные погоды с ветром 10-15 м/с и морозом -15С.
В тестовом режиме для Владивостока (43 град, с.ш.) в январе месяце, в шлакоблочном доме были получены следующие результаты по пассивному теплоснабжению: при морозе -15, -18 С за три дня наблюдений температура в помещении в 15 часов составляла +18С, к 7 часам утра +15С. Режим отопления - DIRECT GAIN, термальные массивы отсутствовали, стеклопакет обычный, площадь проема 1/5 от площади помещения, при ориентации 10 град, к ЮЗ.
К настоящему времени разработаны: Экодом SOLAR-5 каркасная версия (три варианта большей и меньшей жилой площади); Экодом SOLAR-5 версия из блоков; Экомодуль SOLAR-5M (два варианта - сезонный и круглогодичный); Экомодуль SOLAR-A (летний, с использованием принципов солнечного охлаждения); Экодом SOLAR-S (социальный тип солнечного дома, минимальной жилой площади 60.0 мг, фактически трехкомнатная квартира для загородного участка); Экодом SOLAR-8 и Экодом SOLAR-3/3M - комфортные коттеджи жилой площадью более 200 м".
Предпосылки и факторы, влияющие на формирование жилых зданий автономного типа в экстремальных природных условиях
Исторический опыт. Одним из первых прообразов современного автономного жилого дома можно считать юрту. Юрта является полностью энергоэффективным архитектурным объектом способным рационально использовать и сохранять полученную энергию биомассы. Служащая, главным образом для поддержания мобильного (кочевого) образа жизни и быстрого возведения, она появилась в XII—IX веках до нашей эры и распространилась у кочевников от Восточной Азии до Восточной Европы. Юрта является одним из первых примеров организации автономного дома. Для ее установки требуется один час и три человека. С точки зрения архитектурно-планировочного решения юрта имела строгие функциональные зоны: мужская, женская, и так называемая «культурная зона». Ее форма является идеальной для энергосберегающих качеств. Как правило, в центре юрты, для лучшей тяги огня и равномерного распределения тепла, располагался очаг.25
В случае сильного ветра внутри юрты укреплялись дополнительные шесты-подпорки, накидывалась веревочная петля на купол. В течение веков кочевнической жизни казахи выработали строгое и рациональное распределение весьма ограниченной площади своего жилища, на которой надо разместить все необходимое для домашнего обихода. В конце XIX — начале XX вв. огонь разводили прямо на земле или делали для него в земле небольшое углубление. Над костром устанавливали железный треножник для котла или «мосы» с крючком для подвешивания чайника. В настоящее время используют железные печи, изготовленные из стальных бочек.
Современные юрты представляют собой более удобную для жилья конструкцию. Например, в американских юртах компании Pacific Yurts из штата Орегон, материал стен — полиэфир, покрытый акрилом, а кровля из тяжелого винила с открывающимся пластиковым сводом, обеспечивающим циркуляцию воздуха. Главное отличие такой юрты от традиционной - наличие окон. [49]
Тйпи - традиционное переносное жилище кочевых индейцев Великих равнин и Центральной Америки с очагом, расположенным внутри (в центре).
Типи имеет форму слегка наклонённого конусообразного шалаша на каркасе из жердей, покрытых обработанными шкурами бизонов или оленей. Позднее, с появлением на континенте европейцев, иногда использовалась более лёгкая парусина. [28] На вершине находится дымовое отверстие, обычно прикрываемое двумя лопастями. В нижней части была дополнительная подкладка из шкур, предохраняющая тягу. Современное использование ограничивается в основном консервативно настроенными индейскими семействами, историческими реконструкторами и индеанистами. Традиционное жилище равнинного индейца, типи, олицетворяет собой таинственный круг жизни. Эта постройка защищала индейцев в ту пору, когда они перебрались на континент и расселялись по нему. 2б
Иглу - эскимосское жилище из льда и снега. Представляет собой куполообразную постройку диаметром 3-4 метра и высотой около 2 метров из уплотнённых ветром снежных или ледяных блоков. При глубоком снеге вход обычно устраивается в полу, к входу прорывается коридор. При неглубоком снеге вход устраивается в стене, к которой достраивается дополнительный коридор из снежных блоков. Важно, чтобы вход в иглу был ниже уровня пола — это обеспечивает отток из неё тяжёлого углекислого газа и приток взамен более лёгкого кислорода, а также не позволяет уходить более легкому теплому воздуху. Свет в иглу проникает прямо через снежные стены, хотя иногда устраиваются окна из тюленьих кишок или льда. Эскимосы могут строить целые поселки из хижин иглу, соединенных переходами.
Внутреннее помещение обычно застилается шкурами, иногда шкурами покрываются и стены. Для обогрева жилища и дополнительного его освещения используются плошки-жирники. В результате нагревания внутренние поверхности стен оплавляются, но стены не тают, так как снег легко выводит избыточное тепло наружу хижины. Поэтому в хижине может поддерживаться комфортная для жизни человека температура. Кроме того, снежная хижина впитывает изнутри излишнюю влагу, в результате чего в хижине достаточно сухо. Главное то, что снег - отличный теплоизолятор из-за высокого содержания воздуха (до 90%), заполняющего пространство между снежными кристаллами. Вследствие этого температура воздуха в снежных убежищах обычно на 15 - 20 выше наружной. А при кратковременном (3-4 часа) обогреве стеариновой свечой или таблетками сухого горючего температуру воздуха в снежной пещере удавалось поднять до 0, а в иглу до минус 3, в то время как термометр, висевший снаружи, показывал 18 - 27 мороза. Толщина снежного покрова в Арктике обычно невелика, всего 25 - 90 см. [91] Но снежные массы, перемещаясь под действием ветра, образуют валы-надувы, достигающие порой полутора-двухметровой высоты.
Нганасанский чум представляет собой два шеста, в вершине одного из которых есть несколько отверстий, куда вставлялась вершина второго шеста, что позволяет регулировать диаметр основания (до 9 м) и высоту чума. Чум покрывается шкурами оленей. Зимние покрышки двойные, летние - одинарные. В центре чума на металлическом листе располагался очаг-костер, над которым на специальном надочажном устройстве сходном с устройством ненецкого чума, подвешивали котлы и чайники. Один из основных шестов чума — симка, считался священным. Спальные места располагались справа и слева от очага. Это оленьи шкуры, которые помещались на циновках. [25] Чум перевозился на оленьих нартах. Историки жилища признают коническую форму чума первым опытом искусственно создаваемого жилья, к которому человек обратился от полых, дуплистых деревьев и пещер. Прообразом чума могли служить прислоненные наклонно к дереву ветви.29
Функциональное назначение. Автономные здания являются независимыми от централизованных сетей архитектурными объектами, и могут применяться для обеспечения жизнедеятельности в различных отраслях:
1) в добывающей промышленности - вахтовые поселки буровых и эксплуатационных бригад, поселки экспедиционного способа разработки месторождений, лесные базы бригад, глубинные поселки и др.;
2) в строительстве — линейных сооружений (трубопроводы, дороги и др.), удаленных промышленных объектов, на труднодоступных территориях;
3) в сельском хозяйстве — сезоннообитаемые жилища животноводов, рыболовецкие и охотничьи станы;
4) в науке — различных научно-исследовательских экспедициях, для освоения новых территорий; [73]
Особенности энергосберегающих объемно-пространственных решений автономных жилых зданий
При проектировании автономных жилых зданий следует учитывать следующие требования:
- Объёмно-планировочную структуру автономных энергосберегающих жилых зданий следует формировать с учётом природно-климатических и ландшафтных особенностей региона строительства. Ее следует предусматривать компактной, с наименьшей площадью наружных стен на единицу отапливаемого объёма. В этой связи для малоэтажных домов предпочтительны полусферическая форма с наклонной плоскостью сечения для расположения гелиоприёмников и форма, близкая к кубу, так же с наклонным сечением для расположения гелиоприёмников.
- Общая комната, как правило, должна ориентируется на гелиофасад; в двухярусных квартирах эта комната (зарубежными архитекторами) часто решается высотой в два уровня, что облегчает доставку тёплого воздуха от гелиофасада в комнаты северной ориентации и создаёт своеобразие архитектурного решения планировочного пространства квартиры. - Устройство воздуховодов под потолком для доставки тёплого воздуха от «стены Тромба» в комнаты северной ориентации даёт определённые преимущества при проектировании двухсторонних квартир, светопроёмы жилых комнат предпочтительно ориентировать на юг. Летнее помещение, выходящее на гелиофасад, следует решать вне светового фронта жилых комнат, развитым вглубь планировочной структуры, и с регулируемым остеклением светопроёма (с возможностью раскрытия или снятия в тёплое время года). Летнее помещение типа веранды без остекления рекомендуется устраивать при комнатах, ориентированных не на гелиофасад.
- Следует избегать затенения южного фасада здания. Предусматривать защиту дома от холодного ветра (буферными зонами). В ветреных районах максимально использовать мощность ветрогенераторов, рассчитывая оптимальное соотношение между объемом здания и наружной поверхностью здания (максимально возможный объем при наименьшей поверхности)
- Вертикальное, ориентированное к югу остекление особенно эффективно для сбора солнечного тепла зимой.
- Объемно-пространственное и архитектурно- планировочное решение должно следовать требованию учета полученной энергии и быть направлено на ее сохранение (значение R для ограждающих конструкций равно не менее 5) Необходимо также учитывать взаимосвязь эстетических и технических сторон при проектировании интегрированных систем (например, солнечных коллекторов и аккумуляторов прямого тепла).
Квадрат (или близкий к нему прямоугольник) в плане здания в отличие от прямоугольного здания, в котором роль главной играет его большая ось, в здании с планом квадратного вида главной осью служит его диагональ. И если последнюю направить с запада на восток, то можно достичь 2-х целей: 1) в 1,4 раза увеличить площадь проекции здания на вертикальную плоскость, проведенную через линию параллельную оси "запад - восток", по сравнению со случаем ориентации одной из сторон на юг, а это, в свою очередь, даст повышение в такой же мере суммарного потока солнечной энергии, падающего на здание;
2) преобладающую северо-западную циркуляцию воздуха дом будет воспринимать минимально возможной поверхностью (одной из стен), что выгодно с точки зрения теплопотерь вследствие уноса тепла с ветром.
По возможности, все внешние вертикальные ограждения, выходящие на юг, юго-запад и юго-восток должны быть либо стенами тромба, либо прозрачными покрытиями пространственных ловушек солнечной энергии. В первом случае (стены тромба) строительные массы, например, бетонных стен, с внешней стороны закрашиваются в темный цвет (не отражающий солнечное излучение, а поглощающий его), и отделяются прозрачным покрытием (остекляются); между стенами и стеклами для циркуляции нагреваемого воздуха предусматривается промежуток, а также делаются отверстия в стенах (в верхней и нижней частях) для обмена воздуха в здании. При этом материал стен аккумулирует тепло, полученное за счет инсоляции, передавая его внутрь здания с запаздыванием в зависимости от вида материала и толщины стен в несколько часов.
Во втором случае (пространственные ловушки солнечной энергии) наиболее предпочтительными являются оранжереи, или зимние сады, стены которых имеют темную окраску. Для получения горячей воды можно воспользоваться плоскими солнечными жидкостными коллекторами, устанавливаемыми внутри остекленных оранжерей. Это позволит эксплуатировать солнечные коллекторы при положительных температурах, исключая необходимость использования антифриза, как теплоносителя в первичном контуре, что имеет.место при наружной установке коллекторов.
Прозрачные покрытия пространственных солнечных ловушек в ночное время превращаются в каналы интенсивных теплопотерь. Поэтому разумно предусматривать теплоизолирующие клапаны (типа ставен). В дневное время на них целесообразно возложить функции отражателей, фокусирующих солнечную энергию на прозрачные покрытия и этим самым увеличивающих производительность солнечной энергетической системы домов.
При проектировании энергоэффективных автономных зданий необходимо учитывать:
экономию энергии всем зданием (в частности, за счет теплоизоляции);
расчет будущей экономии энергии, за счет которой должны окупиться затраты на оборудование системы (оценка экономичности);
экономичность системы, применяя проектные рещения с инновационными инженерными решениями, обеспечивающими по возможности эффективную работу систем, при их минимальной стоимости.
Активные автономные системы - представляют собой системы технологического оборудования, используемого для обеспечения автономного жилого здания альтернативной энергией. Использование солнечной радиации, в качестве основного источника альтернативной энергии, требует наличие скатной кровли, для установки солнечных батарей и коллекторов. Технологическое оборудование также могут крепиться на стены, если они направлены на южную сторону и находятся под наклоном.
Пассивные автономные системы — в качестве традиционных энергоэффективных типов домов обычно применяются: компактные жилые дома (для северных районов), жилые дома линейной и павильонной структуры (жаркий сухой климат), массивные жилые дома (районы сухого жаркого климата), заглубленные в грунт дома. Предложенная австралийским архитектором С. В. Зоколеем в 1988 г. пассивная система имела несколько вариантов архитектурных решений: система с прямым солнечным обогревом, системы с инсолируемым объемом, системы типа «массивная стена», «водозаполняемая стена», крыша с водяным аккумулятором, термосифонная система. Типологические исследования позволяют объединить все виды пассивного энергообеспечения в три основных группы:
- прямой обогрев помещений через различные типы остеклений южного фасада: витражи и окна, фонари верхнего света, вертикальные окна, расположенные в верхней части двусветного пространства и др.
- нагревание наружного термального массива (типа стены Тромба);
- нагревание изолированного объема, теплый воздух из которого затем распространяется по всему зданию;
- естественная вентиляция помещений
Принципы формирования автономных жилых зданий в экстремальных природных условиях
На формирование автономных жилых зданий оказывают влияние многие факторы, в том числе и способ применения автономных инженерных систем. К зданию крепятся солнечные коллекторы, солнечные батареи, размещается дополнительное технологическое оборудование, как снаружи, так и внутри здания (аккумуляторы, инверторы, преобразователи и т.д.). Все это отражает специфику архитектурного образа автономных жилых зданий и формирует его объемно-планировочное решение с учетом технологических габаритов и технических требований оборудования. При формировании автономных поселков с организованным получением и распределением возобновляемой энергии, автономная система является доминантой. Ветряные установки большой мощности, использующиеся для получения энергии, обычно располагаются на достаточном расстоянии, в виду специфики работы и высокого уровня шума, обеспечивая получение и распределение энергии к зданием автономного поселка.
С развитием технологий в области получения альтернативной энергии, становится возможным интегрировать оборудование в структуру самого жилого здания, тем самым повышая уровень энергообеспечения за счет технических возможностей и большей площади покрытия. Предлагаются новые, более эффективные с точки зрения энергосбережения фасадные системы, основанные на использовании фотогальвонического модуля.
Фасадная система имеет следующие особенности:
- Выработка энергии с помощью активного использования прямых и рассеянных солнечных лучей с помощью системы вентиляции и новых инновационных солнечных элементов;
- Управление дневным светом с помощью современных систем отклонения дневного света при одновременном активном затемнении внутренних помещений;
- Интерфейс для регулирования уровня света для оптимальной подсветки внутренних помещений;
- Децентрализованные вентиляционные приборы для поддержания приятного климата в помещениях круглый год.
- Интегрированные и самоохлаждающиеся фотогальванические/солнечные модули;
Децентрализованные, интегрированныев фасад/корпус здания вентиляционные установоки, с функцией подогрева/охлаждения и рекуперацией (тепла) (WRG);
- Сенсоры открывания в створке для автоматического отключения системы кондиционирования;
- Автоматическая система отклонения дневного света в верхнем свете;
- Световые сенсоры для внутреннего освещения с автоматическим выключением света.
В этом случае автономная система может являться ограждающими конструкциями здания, облицовочными элементами фасада, что позволяет проектировщикам находить еще более энергоэффективные объемно-планировочные решения автономных жилых зданий. В связи с этим, современные проектные решения уже редко используют в автономных зданиях мини ветряки на кровле и солнечные батареи, солнечные коллекторы крупных габаритов. [114]
Трехэтажный реализованный проект автономного жилого здания Ходзе, японской архитектурной компании «Архитектон», имеет в своем основании интегрированный фасадный экран, защищенный специальными металлическими трубками. Очень простой и убедительный подход к использованию энергии, который полностью интегирован в архитектурный дизайн. «Элегантность композиции, игра света, линий и объемов. Все это делает проект выдающимся», - говорит Кейт Р Уильяме (Keith R Williams). Проект японских архитекторов под получил премию WAN Awards (World Architecture News) в номинации «Лучший жилой дом»
В октябре 2009- года были подведены итоги международного архитектурного и инженерного конкурса «Солнечное десятиборье» (Solar Decathlon), проводимого Министерством энергетики США и Национальной лабораторией по возобновляемым источникам энергии. В конкурсе приняли участие 800 студентов из 20 колледжей и университетов, представляющих США, Канаду, Германию и Испанию. Главной задачей конкурса стало проектирование и постройка малоэтажного солнечного жилого дома с низким энергопотреблением. В итоге на национальной аллее в Вашингтоне появился целый поселок, состоящий из 20 домов, получающих и перерабатывающих солнечную энергию. В финале конкурса 15 членов жюри выбрали лучший проект, представляющий собой наиболее энергоэффективное решение, как с архитектурной, так и с инженерной точки зрения. Каждая команда оценивалась по 10 номинациям (отсюда и название «десятиборье») и набирала баллы в общий рейтинг проекта. Каждый проект проходил следующие оценочные этапы: архитектура, комфорт (интерьер), проектная документация, коммуникации (инженерное оборудование), климатический комфорт, бытовые приборы, горячая вода, освещение, общий баланс энергии, мобильность.
Победителем был признан «SurPLUShome» (рис.38), команды архитектурного университета г. Дармштадта, Германия. Здание в форме двухэтажного куба, поверхность фасада которого покрыта солнечными ячейками. Ячейки состоят из фотовольтной система (PV) мощностью 11.1 kW, сделанной из 40-ка кристаллических силиконовых панелей, установленных на крыше, и панелей CIGS (copper / медь, indium / индий, gallium / галий, diselenide / диселенид; пластины монокристаллического кремния на плате из фольгированного стеклотекстолита). Ожидается, что система будет производить 200% энергии, от потребностей здания. Панели CIGS немного менее эффективные, чем силиконовые, но работают и при пасмурной погоде. Фасад характеризуется высокими изоляционными характеристиками. Окна оборудованы автоматической системой жалюзи, чтобы защитить внутреннее помещение от нежелательного солнечного воздействия. [113]
