Смирнова Светлана Николаевна 04200961082 ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ 18. 00. 02 - Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной де ...

На правах рукописи

Смирнова Светлана Николаевна 04200961082 ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ 18. 00. 02 - Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата архитектуры TOMI Научный руководитель доктор архитектуры, профессор, А.А.Яковлев Нижний Новгород - 2009 СОДЕРЖАНИЕ Введение 4 Глава 1. Мировой опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.1. Зарубежный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.1.1. Учет климата и энергосбережения в традиционном мировом народном строительстве 1.1.2.Современный зарубежный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.2. Отечественный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.2.1. Энергосбережение в традиционных постройках народов России 1.2.2. Эволюция тенденций энергосбережения в отечественном городском массовом строительстве малой и средней этажности... 1.2.3. Современный отечественный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.3. Нормативная политика в области энергосбережения 1.4. Перспективы развития ЭЖЗ малой и средней этажности Выводы по главе 1 Глава 2. Теоретические основы архитектурного проектирования ЭЖЗ малой и средней этажности 2,1. Предпосылки и требования к формированию архитектуры ЭЖЗ малой и средней этажности 2.1.1. Предпосылки проектирования ЭЖЗ малой и средней этажности 2.1.2. Основные требования к формированию архитектуры ЭЖЗ малой и средней этажности 2.2. Принципы проектирования ЭЖЗ малой и средней этажности... 2.2.1. Градостроительные принципы 2.2.2. Архитектурно- планировочные принципы 2.2.3. Конструктивные принципы 2.2.4. Принципы использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии 2.3. Теоретические основы определения ЭЖЗ 2.3.1. Определение понятия «энергоэффективное здание» 2.3.2.Суть энергоэффективных зданий. Энергоэффективные здания в контексте архитектурно-строительной экологии 2.3.3. Теоретическая модель ЭЖЗ Выводы по главе 2 Глава 3. Методика формирования архитектурных решений ЭЖЗ малой и средней этажности 3.1. Методика проектирования ЭЖЗ 3.2. Критерии оценки проектных решений ЭЖЗ малой и средней этажности 3.3.Комплексная оценка природно-климатических факторов и оценка использования потенциала НВИЭ для строительства ЭЖЗ в климатических условиях Среднего Поволжья ( на примере г.Йошкар-Олы и Н.Новгорода) 3.4. Внедрение результатов исследования в архитектурно строительную практику Выводы по главе 3 Заключение Список использованной литературы Приложения ВВЕДЕНИЕ Промышленная революция XIX века, научно-техническая революция середины и потребительская революция конца прошлого столетия позволили людям, живущим в рамках европейской цивилизации, создать для себя довольно комфортные условия жизни. Следствием этого стали постоянный рост использования человечеством важнейших видов природных ресурсов, а нерациональная структура производства и потребления спровоцировала необратимые изменения экосистемы Земли. На первый план вышли проблемы тепло- и энергосбережения.

На фоне общей тенденции по снижению воздействия на природу сегодня в ряде стран Европы и Америки начал формироваться новый взгляд на конструктивные характеристики массового жилья, зданий промышленного и общественного назначения, поскольку коммунальное хозяйство является крупнейшим потребителем энергии (более 40 % потребления тепловой энергии и 20 % электричества) и загрязнителем атмосферы.

Из общего объема энергопотребления строительным комплексом России около 90 % расходуется на эксплуатацию зданий. Наибольшим энергопотреблением характеризуются жилые здания - 50-55%, несколько меньшим - 35-45% - промышленные здания, а на долю гражданских зданий приходится около 10%. В жилищном и гражданском строительстве резервы энергосбережения составляют примерно 10-15%.

В странах Европы, США, Канаде пройден длинный и успешный путь энергосбережения, в частности, в области строительства. Результаты, достигнутые на практике в повышении энергетической эффективности зданий, позволяют говорить о революционных изменениях в домостроении.

Выдающийся архитектор Норман Фостер (Sir Norman Foster) пишет:

«Архитекторы не могут решить все мировые экологические проблемы, но мы можем проектировать здания, требующие только часть потребляемой ныне энергии, кроме того, благодаря надлежащему градостроительному планированию мы можем влиять на транспортные потоки. Расположение и функциональное назначение сооружения, его конструктивная гибкость и технологический ресурс, ориентация, форма и конструкция, его системы обогрева и вентиляции, характеристики используемых при строительстве материалов - все эти параметры влияют на количество энергии, требующейся для возведения, эксплуатации и технического обслуживания здания, а также для транспорта, движущегося к нему и от него» [129].

Цель исследования состоит в научном обосновании принципов формирования архитектурных решений энергоэффективных жилых зданий малой и средней этажности и разработке методики архитектурного проектирования ЭЖЗ.

Основные задачи исследования:

- анализ развития проблемы энергоэффективности зданий;

- определение понятия энергоэффективного здания;

-изучение научных основ проектирования энергоэффективного здания;

-разработка научно-обоснованных принципов архитектурных решений энергоэффективных зданий, типологии ЭЖЗ малой и средней этажности и выявление методики последовательного архитектурного проектирования энергоэффективных жилых зданий;

-внедрение результатов исследования при проектировании с целью подтверждения эффективности установленных принципов архитектурных решений энергоэффективных жилых зданий малой и средней этажности.

Объект исследования - жилые здания малой и средней этажности с энергосберегающими архитектурными решениями.

Предмет исследования - закономерности формирования архитектурных решений энергоэффективных жилых зданий.

Теоретической базой исследования послужили труды:

-по исследованию учета влияния климата на проектирование зданий и застройки населенных мест: А.П. Михеева, A.M. Берегового, Л.Н.

Петряниной, Т.А. Маркуса, Э.Н. Морриса, B.C. Беляева, Л.П.Хохловой, Э.И.Реттера, Ф.Л.Серебровского, Н.В.Оболенского [7,8,9,42,51,56,71,83];

по изучению экологического аспекта формирования энергоэффективных зданий: А.Н.Тетиора, П.Н.Давиденко, З.К.Петровой, ИА.Огородникова, Е.И.Широкова, Н.А.Сапрыкиной [23, 57, 58,77-80, 103, 104, 105, 121];

- по рассмотрению объемно-планировочных приемов формообразования энергоэффективных жилых зданий: И.В.Черешнева, Ю.А.Табунщикова, С М.

ГликинаДО.Г. Граника, А.А.Магая, В.С.Беляева [8,20, 21,22, 93-102, 112-115];

- по изучению организации комфортного микроклимата в помещениях энергоэффективных зданий: Ю.А.Табунщикова, Н.В.Шилкина и М.М.Бродач [13,14,99-102];

- по анализу вопросов использования нетрадиционных источников энергии для инженерного обеспечения зданий: А.А.Саидова, Н.П.Селиванова, А.И.Мелуа, С.В.Зоколея, Л.П.Хохловой, А.Н.Тетиора, Н.А.Сапрыкиной [8,75,76,82,104,110];

- по исследованию нормативной политики в области обеспечения энергетической эффективности жилых зданий: Ю.А.Матросова, В.И.Ливчака, Г.Н.Нурмиева, В.Г.Плешивцева, М.М.Соловьева, Л.В.Хихлухи, Т.В.Цихана [10,38,39,43,55,66,92,108,109,111].

Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии изучалась в диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры О.К.Афанасьевой [4]. Принципы формирования архитектуры энергоэффективных высотных зданий рассматривались в диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры С.А.Молодкина [52].

Несмотря на многообразие работ, посвященных исследованию эффективного использования энергии при эксплуатации зданий, отсутствует определенная методика последовательного архитектурного проектирования энергоэффективного здания и четко выраженная терминология по данной тематике.

Границы исследования - градостроительные, объемно планировочные, композиционные аспекты архитектуры энергоэффективных жилых зданий малой и средней этажности в климатических условиях Среднего Поволжья.

Методика исследования предусматривает:

- изучение и обобщение зарубежного и отечественного опыта научных исследований, проектирования и строительства в области создания энергоэффективных жилых зданий;

- комплексный подход к исследованию формирования архитектуры ЭЖЗ малой и средней этажности;

- разработку принципов формирования архитектуры ЭЖЗ малой и средней этажности;

- объемно-пространственное моделирование на основе установленных требований и принципов формирования архитектуры ЭЖЗ с целью определения типологии и теоретической модели ЭЖЗ малой и средней этажности;

- экспериментальное проектирование на основе разработанных принципов.

Научная новизна заключается:

- в разработке принципов формирования архитектурных решений ЭЖЗ малой и средней этажности;

- в разработке типологии ЭЖЗ малой и средней этажности для климатических условий Среднего Поволжья;

- в разработке теоретической модели ЭЖЗ;

- в создании методики архитектурного проектирования ЭЖЗ малой и средней этажности с рассмотрением отдельных положений ее применительно к условиям Среднего Поволжья ( г.Йошкар-Ола и Нижний Новгород).

На защиту выносятся научно обоснованные принципы формирования архитектурных решений ЭЖЗ, типология ЭЖЗ малой и средней этажности и методика архитектурного проектирования ЭЖЗ.

Практическое значение работы. Автором на основании исследования представлен обобщающий материал по ЭЖЗ малой и средней этажности, рассматривающий вопросы: обоснования закономерностей и принципов формирования архитектурных решений ЭЖЗ малой и средней этажности, создания методики проектирования ЭЖЗ. В работе выполнен анализ развития архитектуры ЭЖЗ;

определены основные пути экономии энергии и выявлены факторы, влияющие на формирование архитектуры ЭЖЗ. Итогом стала разработка типологии ЭЖЗ малой и средней этажности применительно к климатическим условиям Среднего Поволжья, имеющая целью практическое использование ее в рамках реального архитектурного проектирования ЭЖЗ малой и средней этажности. Реализация полученных по результатам исследования рекомендаций станет гарантом улучшения качества, экономичности и доступности жилья.

Внедрение результатов работы осуществлялось по нескольким основным направлениям:

-внедрение основных положений и методик в учебный процесс;

-проектирование и реализация решений по строительству ЭЖЗ малой и средней этажности.

Внедрение в учебный процесс осуществлялось по нескольким направлениям:

- разработка учебных программ;

-ведение практических занятий и консультирование курсового проектирования;

-в дипломное проектирование проработкой в дипломных проектах тематики ЭЖЗ.

Внедрение в проектно-строительную практику осуществлялось автором в проектных организациях: ООО «ПСК», ООО «Институт каркасных систем - г.Йошкар-Ола». Автором выполнено 7 проектов зданий, использующих принципы ЭЖЗ. Имеются акты внедрения по всем объектам.

Объем и структура работы. Диссертация представлена в двух томах.

Первый том (216 страниц машинописного текста) состоит из введения, трех глав с основными выводами, заключения, библиографического списка ( наименований) и приложений. Второй том иллюстрированный - графоаналитических таблиц, относящихся к тексту.

ГЛАВА 1. Мировой опыт проектирования и строительства энергоэффективных жилых зданий малой и средней этажности 1.1. Зарубежный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.1.1. Учет климата и энергосбережения в традиционном мировом народном строительстве Мировой многовековой народный опыт строительства жилых зданий базируется на максимальном учете всех параметров климата.

Массивные плоские крыши с высокой термической емкостью характерны для условий пустынного климата /рис. 1.1/. Легкие, компактные постройки кочевников собираются из шкур, тканей или войлока, что определяется видом домашнего скота, который в свою очередь зависит от типа произрастающей растительности, определяемой климатическими условиями данного региона/рис. 1.2/. Юрта легко собирается и разбирается, она удобно перевозится колесным транспортом и вьюком, непромокаема в ливневые дожди, сохраняет прохладу в знойные дни, надежно укрывает от пронзительных осенних ветров.

Одним из примеров замечательного единства между планировкой города, формой зданий и технологией строительства является архитектура Среднего Востока, а именно города Багдада, где здания, типичные для старых городских застроек, имеют внутренние дворы. Ширина улиц такова, что даже здесь, на 33° с. ш. при высоте солнца 80° в полдень в середине лета и 33° в середине зимы фасады мало подвергаются действию прямой солнечной радиации. Стены и крыша массивные (толщина стены 340—350 мм, крыши — 460 мм), что обеспечивает термическое запаздывание по времени, необходимое в климате с большими суточными колебаниями температуры /рис. 1.3/.

Традиционный малайский деревянный дом представляет собой жилище, отвечающее условиям жаркого и влажного климата. Легкость постройки и крыши приводит к незначительному накоплению тепла, да оно здесь и бесполезно, так как суточные колебания температуры настолько малы, что незначительное охлаждение днем можно получить лишь благодаря ночному охлаждению постройки так же, как и в рассмотренном выше случае жаркого и сухого климата. Стены затеняются достаточно широкими навесами крыши и посадками кокосовых пальм и других деревьев вокруг дома. Тень у дома создает прохладное пространство с более низкой температурой поверхности почвы, что способствует охлаждению нижней поверхности пола за счет излучения и охлаждения воздуха под домом /рис.1.4/[42].

Для климатологического анализа особый интерес представляет жилище эскимосов, построенное из самого простого и доступного в местных условиях строительного материала - снега и льда. Форма иглу идеальна для суровых условий, так как обеспечивает минимум поверхности на единицу объёма. С точки зрения аэродинамики она оказывает небольшое сопротивление ветру, а отсюда и меньшие потери тепла. Внутренние поверхности купола и пола, обычно покрываемые мехами и шкурами, увеличивали теплоизоляцию и обеспечивали относительно высокую температуру поверхности. Небольшие отверстия в середине купола, которые открывались в сторону, противоположную господствующему направлению ветра, обеспечивали ограниченную вентиляцию /рис. 1.5-1.6/ [42].

Температура внутренних помещений, обогреваемых (и освещаемых) несколькими масляными лампами и теплом, излучаемым людьми, на 26 °С выше температуры наружного воздуха на уровне пола постройки. Стены из сухого снега, имеющие толщину 500 мм, обеспечивают относительно хорошую теплоизоляцию. Точечный источник тепла (очаг) способен нагревать иглу равномерно. Под действием тепла этого источника и тепла, излучаемого обитателями иглу, внутренняя поверхность стен подтаивает и образуется корочка льда, которая уменьшает влияние пористой структуры снега и действует как отражающая поверхность. Когда температура наружного воздуха поднимается до -6°С, внутренние стенки начинают подтаивать. Постепенно повышаясь, температура достигает значения, превышающего точку замерзания, и зимнее жилище иглу разрушается. После этого эскимосы переходят на другое место, где они строят летнее жилище [51]:

В формировании иглу воплощены принципы выбора формы здания, использования «буферных зон».

Рассмотренные выше виды традиционных построек еще раз подтверждают уже устоявшееся мнение ученых о том, что солнечная радиация (прямая и рассеянная), влажность воздуха, ветер и температура являются основополагающими факторами климата. В современном проектировании зданий на стадии предпроектного анализа огромную значимость приобретает оценка всех факторов климата наряду с исследованием традиционного народного опыта строительства и модернизированном применении его !

положительных тенденций..

1.1.2.Современный зарубежный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности Практика разработки и строительства энергоэффективных, экологических домов в мире насчитывает уже не один десяток лет. К настоящему времени в западных странах пройден этап первоначальных поисковых разработок, экспериментального строительства и опытной эксплуатации энергоэффективных зданий, выкристаллизовались методики их проектирования. Решается вопрос о переходе к массовому строительству таких зданий в качестве стандартных. Для этого уже апробированы и запущены в производство необходимые материалы, компоненты инженерных систем жизнеобеспечения. Параллельно систематически ужесточаются нормативные требования к энергопотреблению вновь строящихся и реконструируемых зданий. Всячески стимулируется применение при строительстве и реконструкции зданий возобновляемых источников энергии и применение других мер повышения энергоэффективности зданий.

Проект первого энергоэффективного здания начал осуществляться в году в Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США) архитекторами Николасом Исааком (Nicholas Isaak) и Эндрю Исааком (Andrew С. Isaak) /рис.1.77.

Энергопотребление зданий, которое не было определяющим показателем в прошлом, стало доминирующим критерием качества проекта. Здание было запроектировано из расчета минимальных потерь энергии. Проектом предусмотрено обеспечить наименьший периметр наружных стен, увеличив их массивность, не устраивать оконных проемов на северном фасаде, утеплить кровлю, уменьшить на 60—70% потери тепла на вентиляцию за счет передачи тепловой энергии от потока вытяжного воздуха к приточному.

Для применения солнечной механической системы отопления в здании предусмотрены бетонные основания крыши, образующие каркас для солнечных коллекторов, а также вспомогательные помещения для установки теплообменников, резервуаров, циркуляционных насосов и другого оборудования.

Основным элементом активной, солнечной системы отопления является панель солнечных коллекторов площадью 427 м", помещенных на крыше в четыре ряда и ориентированных на юг. Положительной особенностью является то, что коллекторы снабжены механизмом, обеспечивающим изменение их наклона от 20 до 80° [95].

Пример дома в Принстоне (США, 1977г., 40°с.ш.) интересен с целью изучения строительства энергоэффективных домов в самом начале их развития - середина 70-х годов XX века. В данном объекте применен пассивный способ утилизации солнечной энергии — стена «Тромба».

Экономия энергии в таких условиях достигла 55%, что говорит о достаточно высокой доле теплообеспечения пассивной системы. Создатель проекта - Doug Kelbaugn /рис.1.8/ [134].

Планировочное решение дома в Санта-Фе (США, архитектор David Wright, 1978, 35,5°с.ш.) наиболее характерно для всей группы домов 70-х годов, использующих пассивное солнечное отопление. Четырехкомнатный "солнечный дом" в Санта-Фе представляет собой полуцилиндр /рис. 1.9 /.

По мнению John L. Gellot, цилиндрическая форма здания способствует обтеканию северных холодных ветров вокруг здания и уменьшению его теплопотерь. Весь южный фасад дома остеклен. Общая комната и зеленая комната—прихожая имеют высоту два этажа и непосредственно выходят к этому витражу. Две спальни на втором уровне связаны галереей, решенной открыто, в едином объеме с общей комнатой. Планировка дома обеспечивает свободный доступ конвективных токов воздуха, нагретых у витража, во все жилые помещения. Горизонтальный козырек защищает витраж от высоких летних лучей солнца. Для дополнительной защиты от солнца летом и предотвращения теплопотерь в зимние ночи устроены складные шторы [132].

С постройкой одноквартирного жилого дома Темророк в г. Лимхамне (Швеция, конец 70-х г.г., 56° с.ш.) /рис. 1.10/было связано проведение экспериментов не только по солнечному отоплению, но и по максимально возможной экономии энергии: регенерация тепла из сточных вод и вытяжного воздуха, биологическое разложение отходов, устройство тщательных теплоизоляции окон и т.д.

Шестикомнатный жилой гелиодом Терморок решен с гелиоприемниками (50 м) на южном скате кровли. Плоскость гелиоприемников наклонена под углом 70° к горизонту. Перед гелиоприемниками над гостиной, и столовой устроена плоская кровля, на которой расположены отражатели солнечных лучей на солнечный коллектор /рис. 1.10/.

На фасаде на первый план выступает горизонтальный козырек светлого тона в контрасте с темной поверхностью вертикального остекления.

Поверхность гелиоприемников отодвинута на второй план, чем достигнуто многоплановое, интересное решение фасада гелиодома.

Вся поверхность фасада жилых помещений, ориентированных на юг, остеклена. В результате в отоплении этих помещений существенную роль играет непосредственный обогрев солнечными лучами.

Большая плоскость остекления южного фасада обеспечивает хороший обзор и зрительное единство внутреннего пространства с придомовым участком. Планировочная структура данного жилья не позволяет обеспечить простейшим видом солнечного отоплений все жилые помещения. Спальни, ориентированные на север и на запад, расположены на полэтажа выше, чем группа помещение ориентированных на юг, и не имеют между собой непосредственной связи.

Отопление помещений происходит путем циркуляции теплой воды в трубах, размещенных в конструкции пола. Площадь отопления - 150 м 2.

Применение пассивного солнечного отопления позволило сократить площадь гелиоприемника активной системы, а коэффициент гелиообеспечения этой системы равен всего лишь 0,3 [26].

Огромный интерес представляет изучение жилого здания Cliff House (1983г., 43°с.ш.) ввиду его 100%-ного солнечного отопления. Cliff House расположен на южном склоне скального уступа 12-метровой высоты в Вестоне (шт. Массачусетс). Плоская лужайка простирается на 12 м с южной стороны дома, а за ней — крутой откос. Это — ветреное место;

к западу или югу от дома нет никаких высоких деревьев. Cliff House — двухэтажный каркасный дом: с 3 спальнями, 2 ванными комнатами, большой теплицей с южной стороны и гаражом на 2 автомобиля, пристроенным с востока. В основу проекта дома положен проект архитектора Эдварда Ф. Шабо /рис. 1.11-1.17/.

Общая форма дома, ориентация, точное положение и особенности солнечного отопления были определены Н. Б. Саундерсом [138].

Главные конструктивные узлы системы солнечного отопления:

-чрезвычайно большое остекление южной стены 2-светной теплицы, которая выполняет функции солнечного коллектора, а также служит удобным салоном;

-верхняя система аккумулирования тепла (на чердаке);

-нижняя система аккумулирования тепла (подо всей жилой зоной);

-единая система воздухораспределения;

-внутренняя система солнечного горячего водоснабжения.

Два этажа жилого пространства, находятся между верхней и нижней системами аккумулирования тепла, каждая из которых разработана для выполнения своих функций. Комбинация имеет мгновенную двустороннюю способность: верхняя система всегда готова к немедленной поставке теплоты, а нижняя система готова к тому, чтобы противодействовать перегреву.

Наиболее важным и наиболее интересным компонентом системы солнечного отопления Cliff House является большая встроенная теплица (sunspace), которая выполняет функцию солнечного коллектора.

Теплица разработана для выполнения двух, казалось бы, несовместимых целей:

-периодически получая значительное количество солнечной радиации, она должна поглотить значительную ее часть и передать в виде теплоты воздуху. Затем этот нагретый воздух, поднимаясь вверх, проходит через щель в потолке теплицы и попадает на чердак, где течет сквозь верхнюю систему аккумулирования теплоты, расположенную в южной части чердака;

-северная часть теплицы должна всегда оставаться прохладной, чтобы людям там было бы достаточно комфортно.

Северная стена теплицы включает в себя массивный блок системы отопления и вентиляции и 6 больших остекленных проемов, через которые в комнаты южной ориентации верхнего и нижнего этажей проникает дневной свет, небольшое количество прямой солнечной радиации и открывается обзор.

Система улавливания солнечной энергии может состоять, главным образом, из системы 400 тонких элементов вертикальных жалюзи. Краситель «Зеленый хром» использован потому, что обладает особым свойством поглощать почти всю инфракрасную область солнечного спектра и, в то же время, отражать видимую часть излучения. Система жалюзи расположена достаточно далеко от окон южного фасада теплицы (на расстоянии 0,3...0, м) и поэтому движущийся вверх поток горячего воздуха (гравитационно конвективный) не препятствует обратному стеканию с чердака потока прохладного воздуха, который движется вблизи (5 см) окон южного фасада.

Оксфордский солнечный дом (1995г., 52°с.ш.), автором которого является Сьюзен Клэйр Роаф, доктор Оксфордского Университета, - первое в Великобритании здание с низким энергопотреблением, где фотоэлектрические модули интегрированы в конструкцию крыши /рис. 1.18/.

Данный объект разрабатывался первоначально как обычный семейный дом с минимумом затрат энергии на отопление, охлаждение и освещение. Целью строительства дома явилась оценка потенциала фотопреобразователей энергии в жилом и промышленном энергоснабжении и демонстрация потенцила солнечной энергии в замещении максимально, насколько возможно, экологически разрушительного электричества и газовых поставок в жилом доме, которые в конечном итоге вызывают значительные выбросы диоксида углерода. Дом ориентируется строго широтно, главный фасад обращен на юг, что обеспечивает хороший солнечный доступ. Комнаты расположении вокруг центрального узла, включающее блок обслуживания, лестницу и прихожую. Вход осуществляется с севера и защищен верандой, застекленная двухэтажная оранжерея с юга. Дом имеет положительный энергетический баланс [74].

Пространство индивидуальных блок-квартир шестиквартирного блокированного дома Skriverhusene (Дания) построено по принципу теплового зонирования. В северной двухэтажной отапливаемой части здания располагаются основные жилые помещения: гостиная, спальни, кухня столовая. Помещения этой зоны имеют высокую степень изоляции ограждающих конструкций и минимальную площадь оконных проемов. В средней части здания находится общая комната, имеющая двухсветное пространство, отапливаемое посредством солнечного излучения. Температура воздуха в этом пространстве поддерживается в пределах 10-15°С на протяжении всего года. Южная часть предназначена для формирования пассивной энергосистемы /рис. 1.19-1.20/ [115].

Характерным примером использования активных солнечных энергосистем является поселок Tubberupvange в пригороде Копенгагена (Дания). До декабря основные потребности в отоплении (60%) покрываются за счет тепла сезонного хранилища (высокотемпературные солнечные коллекторы). Когда температура в хранилище снижается до 50°С, дополнительное тепло начинает подаваться от небольшой газопаровой генераторной системы, которая работает до конца отопительного сезона /рис.1.21-1.22/[115].

Энергоэкономичные и энергоэффективные дома и соответственно жилые образования в последнее десятилетие широко строятся в экономически развитых странах Западной Европы таких, как Швеция, Дания, Германия, Норвегия, Финляндия, Франция, Нидерланды и других, а также в США и Канаде. В Германии проводились многочисленные конкурсы на разработку энергоэффективных проектов жилых домов и жилых образований. При этом наиболее широко применяются дома и застройка с использованием солнечной энергии, так называемые "солнечные дома", "солнечные комплексы", "солнечные деревни", "солнечная архитектура" или "гелиоархитектура". В таких домах солнечная энергия, в основном, используется для отопления и горячего водоснабжения, а в ряде случаев и полностью восполняет энергетические потребности проживающих. Особенно широкое применение солнечная архитектура получила в Германии, что обусловлено отсутствием в стране нефти и газа. Кроме того, энергетический кризис 70-х гг. стимулировал развитие архитектуры с использованием возобновляемых источников энергии.

В основу проекта жилого комплекса "Солнечный сад" (1996г.) во Фрайбурге- Мунцингене (архитектор Рольф Диш, г. Фрайбург, Германия, 48°с.ш.) положен опыт эксплуатации экспериментальных энергосберегающих сооружений, использующих различные виды гелиоаккумуляции /рис. 1.23/.

Трехэтажные блокированные жилые дома разработаны в соответствии с принципами гелиоархитектуры: жилые основные помещения с.большими оконными проемами обращены на юг, кухни, прихожие и частично жилые помещения, т.е. небольшие "площади охлаждения" с уменьшенными оконными проемами — на север. Все дома имеют ориентацию "север-юг", объемы зданий веерообразно расширяются на солнечной стороне, где под стеклянным навесом устроены террасы и балконы. Здесь же встроены солнечные коллекторы для нагрева воды. На северной стороне дома расположена входная зона, включающая крытую площадку для велосипедов, детских колясок и т.д. Предусмотрен отдельный вход в кладовую, размещенную в подвале [23].

Примером организации атриумного буферного пространства может служить жилой комплекс малоэтажного высокоплотного жилища Джистрап Самилл, построенный в Дании /рис. 1.24/. Идея проекта заключалась в объединении частных и общественных пространств для формирования компактного энергоэкономичного жилого поселения. Комплекс включает одиосемейные жилища, объединенные остекленным атриумом с общественными пространствами — кухней, столовой, гостиной, музыкальной комнатой, библиотекой, предназначенными для развития соседских контактов между жильцами. Композиция комплекса имеет Г образную конфигурацию и представляет собой два жилых блока одно двухуровневых квартир, вытянувшихся с севера на юг и с запада на восток в сторону повышения рельефа. На пересечении этих блоков, на самой высокой топографической отметке размещается общественное пространство. Г образные блок-квартиры с приквартирными палисадниками создают благоприятные условия для инсоляции и аэрации жилых помещений Жилые комнаты — гостиные, спальни — имеют естественное освещение и обращены на палисадники, а помещения хозяйственной зоны — кухни, прихожие, санузлы, освещенные вторым светом, ориентированы на атриум.

Остекленное пространство атриума не отапливается на протяжении всего года, однако температура внутреннего воздуха зимой не опускается ниже +5°С. Основное тепло атриумное пространство получает за счет утилизации солнечной энергии и теплопоступлений от кухни и ванных комнат. Таким образом, этот климатический буфер создает благоприятные условия для общения взрослых и игр детей в зимнее время года [114].

Экспериментальный жилой район VTIKKI (Хельсинки, Финляндия) вызывает усиленный интерес с нашей стороны, поскольку представляет собой явление довольно молодое, информация о котором появилась только в 2002 году, являет себя именно как жилое образование средней этажности, что особенно важно в нашем исследовании, и, кроме того, климатические условия Финляндии очень схожи с российскими. Целью строительства демонстрационного жилого района VIIKKI являлось выявление эффективности энергосберегающих технологий в реальных условиях во взаимосвязи с экологическими и социальными аспектами.

Городская структура VIIICKI имеет однородную, компактную организацию. Район имеет небольшие здания с 1-3 уровнями. Такая низкая однородная структура в совокупности с множеством ограждений от ветра позволяет создать в районе приятный микроклимат /рис. 1.29/.

Застекленные лоджии обеспечивают предварительный подогрев приточного воздуха в холодный период. Планом предусматривалась установка двухэтажных квартир друг на друге, со входами с первого этажа и с галереей для прохода. Галерея для прохода, соединяющаяся с лестничным пролетом, ведет к дому с квартирами меньшего размера, которые также содержат общие сауны и технические помещения. Меньшие квартиры также размещаются друг на друге в конце двухэтажного, снабженного террасой дома.

При проектировании района учитывались местные климатические особенности, способствующие повышению комфортности в застройке и снижению энергетической нагрузки на тепло- и энергоснабжение зданий.

Ориентация здания выбиралась так, чтобы максимально использовать тепло и свет солнечной радиации, т. е. ориентация фасадов и большой площади остекления на юг. Размещение галерей для прохода на южной стороне здания улучшало защиту от ветра /рис. 1.25/. Изучалось влияние формы и расположения зданий на ветровые потоки /рис. 1.26/. Энергоснабжение района обеспечивается комбинацией районного тепло-, электроснабжения Хельсинки и солнечного теплоснабжения. На балконах некоторых многоэтажных домов планируется установка фотоэлектрических панелей.

В соответствии с повышенными требованиями к теплозащите ограждающие конструкции были выполнены из энергосберегающих материалов с эффективной теплоизоляцией: наружные стены - из изготовленных в заводских условиях деревянных элементов, слоистая фасадная облицовка выполнена с использованием бумаги, изготовленной из бумажных отходов. Конструкция пола представляет собой комбинацию системы напольного отопления с сохраняющим тепло бетонным основанием.

Система тепло- и энергоснабжения жилого района VIIKKI помимо подключения к городским сетям централизованного тепло- и электроснабжения включает в себя крупнейшую в Финляндии установку по использованию солнечной энергии. Система солнечного теплоснабжения состоит из восьми установленных на зданиях солнечных коллекторов общей площадью 1248 м. В жилом районе VIIKKI демонстрируются новые солнечные комбинированные системы, интеграция коллектора с крышей, системы пассивного использования солнечной радиации, параллельное использование систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, в солнечных коллекторах используются модули большой площади (с размером блока коллектора 10 м ) /рис. 1.28/.

Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома.

Эти коллекторы установлены под углом 47-60° /рис. 1.27/. Такие углы оптимальны, т. к. они соответствуют наклону солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии.

Жилища оборудованы устройствами экономии воды и раздельными счетчиками расхода воды. Дождевая вода с крыш фильтруется и направляется в резервуары для полива. Между домами прокладывается сеть биологических каналов, включающая фильтрационные пруды для сточных вод и резервуары для полива.

В экологической жилой зоне отходы рассматриваются как вид ресурса, поэтому удаление отходов там заменено на технологию повторного их использования. Повторное использование биологических отходов производится в самой жилой зоне благодаря наличию больших участков, предназначенных для применения компостного гумуса.

Таким образом, энергосберегающие принципы, использованные при проектировании экспериментального жилого района VIIKI:

- учет рельефа местности;

- учет местных климатических особенностей;

- энергосберегающие энергоснабжение, системы вентиляции и отопления жилых домов;

- теплозащита ограждающих конструкций;

- использование тепла солнечной радиации для теплоснабжения жилых домов;

- экологичные водопровод и канализация;

- удаление и повторное использование отходов.

В основе концепции проектирования современных зданий лежит идея того, что качество окружающей нас среды оказывает непосредственное влияние на качество нашей жизни дома, на рабочем месте или в местах общего пользования, составляющих основу наших городов. Такое выделение социальных аспектов является признанием того, что архитектура и строительство развиваются на основе потребностей людей - как духовных, гак и материальных. Эта концепция ярко выражена в проекте жилого района VIIKKI (Хельсинки. Финляндия) [13, 102].

Энергоэкономичные и энергоэффективные дома и соответственно жилые образования в последнее десятилетие широко строятся в экономически развитых северных странах Западной Европы таких, как Швеция, Дания, Германия, Норвегия, Финляндия, Франция, Нидерланды и других, а также в США и Канаде.

С 2002 г. целью строительства энергоэффективных зданий становится выявление эффективности энергосберегающих технологий в реальных условиях во взаимосвязи с экологическими и социальными аспектами. Из энергосберегающих решений находят место такие как, учет рельефа местности и местных климатических особенностей (солнечной радиации и ветра), выбор формы, ориентации зданий, а также применение новейших технологий в разработке объемно- планировочных решений зданий (например, двойной фасад здания). В функционировании энергоснабжения, системы вентиляции и отопления жилых домов немаловажную роль начинают играть фотоэлектрические панели. Для теплоснабжения жилых домов чаще всего используется тепло солнечной радиации, тепло земли.

Стоит также отметить, что жилища оборудованы устройствами экономии воды и раздельными счетчиками расхода воды. Особое внимание уделяется удалению и повторному использованию отходов.

1.2. Отечественный опыт.проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности 1.2.1. Энергосбережение в традиционных постройках народов России Народное зодчество в процессе своего развития отбирало всё самое лучшее, наиболее жизнеспособное. Именно здесь следует искать закономерности формообразования и мудрую подсказку безымянных зодчих прошлого современному поколению архитекторов и строителей.

Потенциал народного опыта. по учёту сурового климата заложен и в архитектуре традиционных сибирских и северных изб. С древних времен деревянный дом состоял из трех частей: избы, клети, сеней. Изба предназначалась для зимнего жилья, в клети хранили вещи, жили летом, через сени попадали во все части: на крыльцо, чердак, в кладовые, пристроенный крытый двор. Каждая часть предназначалась для нескольких целей. Сени - тепловой тамбур, "узел связи" - строили просторными. В сенях летом жили или превращали их в летнюю галерею /рис.1.30-1.31/.

К достоинствам трехчастного дома относятся: компактность объема, тщательная защита тепловой части и самого входа в "тепло". Холодные хозяйственные помещения для этой цели пристраивали к избе со стороны преобладающих ветров или располагали в пространстве подклети первого этажа, создавая этим буферную зону - прослойку, утепляющую и защищающую здание. Тепловым буфером служило и пространство кровли.

Русская массивная печь располагалась в центральной части жилья или рядом с входом, как дополнительный тепловой заслон. Место для сна находилось в теплой части избы или на печи /рис. 1.32/.

В условиях низких температур своеобразно решалась вентиляция помещений. Из оконных переплётов бьши исключены форточки, так как при низком размещении окна они не обеспечивали проветривание всего помещения, к тому же форточки способствовали подаче холодного воздуха в места непосредственного пребывания людей. Из-за образований наледи при открывании форточек затрудняется их плотное прикрытие и т.д. Все эти недостатки устранялись устройством специального вентиляционного отверстия в верхней части наружной стены.

Климат северных территорий определял соотношения площади светопроёмов и площади пола. Так, в сибирской избе XIX века это соотношение было равно 1:8. Для обеспечения равномерного освещения использовали угловое расположение окон, при котором нет глухих теней и тёмных простенков между окнами.

В северном зодчестве чётко прослеживается связь архитектуры с природным окружением. Большое внимание уделялось оптимальной ориентации застройки, защите от ветров и снега, удобству сообщений с положительными и отрицательными свойствами окружающего ландшафта.

На основании тщательного изучения рельефа местности, направления господствующих ветров, характера снежных заносов, температурного режима самого ландшафта народные мастера создавали жилищную среду, защищающую человека от отрицательных воздействий внешней среды. В народном строительстве были отработаны предельные расстояния между домами, как правило, в пределах полутора-трёх высот зданий. Плотное размещение жилых домов создавало взаимную защиту от ветров. В селениях, открытых ветрам, создавались защищенные, замкнутые пространства.

Одной из особенностей северного жилища до сих пор является компактность объёмно-планировочного решения, что позволяет снизить теплопотери за счёт уменьшения площади охлаждаемых поверхностей.

Примером из прошлого этому может служить формирование безымянными зодчими целостного компактного жилища из модульных планировочных элементов - клети, стены, связи, прируба и т.д /рис. 1.33/.

Особенно явно в народной архитектуре северных зон прослеживается зависимость характера геометрической формы объёма от природно климатической ситуации. В результате появлялись здания аэродинамической, направленной формы, компактные замкнутые структуры /рис. 1.34/.

Основные элементы архитектурно-художественного решения жилого дома строились на сочетании функциональной целесообразности, технического совершенства и художественной выразительности. Так, высокое крыльцо северорусского дома предохраняло вход от неблагоприятных воздействий природной среды (снег, дождь, ветер и т.д.).

Потребность жителей Севера в повышенной надежности жилища, его способности защищать человека от непогоды нашла отражение в создании своеобразного облика северного жилого дома с простым, но выразительным решением фасадов. Небольшое количество архитектурных деталей, которые обычно являлись художественно отработанными конструктивными элементами, придавали облику дома строгую монументальность [51].

Архитектурно-композиционные особенности деревянного зодчества марийского народа формировались во взаимосвязи с окружающим природным ландшафтом. Поселения марийцев возникали стихийно, но рациональный смысл и интуитивное чувство соразмерности помогали органично включать постройки в природный ландшафт и существующую застройку. В единстве пространственной и композиционной организации построек также вырабатывались и проявлялись присущие этносу характерные черты архитектурных форм, строительных конструкций и сооружений. Расселению марийцев характерен приречно-овражный тип.

Исследователи Т.А. Крюкова и Г.А. Сепеев отмечают, что для народов, проживающих в лесной полосе, речной или приречный тип заселения является одним из древних, естественных и характерных/рис. 1.3 5/ [35].

В целом марийские поселения конца XVIII - начала XIX веков представляли собой беспорядочно расположенные группы усадеб с кучевой или гнездовой планировкой. Кучевая планировка являлась одной из древних и традиционных форм поселения народов Среднего Поволжья. Особенностью марийских деревень было свободное и просторное расположение дворов, строения находились на большом расстоянии. Такое преимущество было аргументированным в противопожарном отношении, способствовало впоследствии расширению усадьбы в связи с увеличением численности семьи. С точки зрения энергосбережения, картинное живописное расположение элементов застройки, соответствующее особенностям окружающего ландшафта, было вызвано учетом рельефа местности, господствующего направления ветров, характера снежных заносов и т.д. стремлением человека нейтрализовать отрицательное воздействие климата.

Усадьба марийцев состояла из двух частей: первая - двор с соответствующими строениями, вторая - задворная часть гуменная ограда или гумно-огород. Архитектурный облик марийской усадьбы определяли разные по своему назначению жилые, хозяйственные объекты и угодья. Двор занимал почти половину всей ее территории, количество построек было различным. Усадьба в плане чаще всего имела форму прямоугольника, в передней ее части находились жилые постройки, амбар и ворота, а с боковых сторон - хозяйственные постройки /рис. 1.36/ [35].

Республика Марий Эл располагается на широте 56°-57°2СГ с.ш. в климатическом подрайоне ПВ со среднемесячными температурами в январе от -4 до -14 и средней скоростью ветра за три зимних месяца более 5м/с. Эти природные условия наряду с просторным расположением застройки определили компактность объемно- планировочных решений самой усадьбы, замкнутость и защищенность, что позволяет снизить теплопотери за счет уменьшения площади наружных ограждений.

Собственно жилой дом планируется в передней части двора, чаще всего с клетью-амбаром и другими хозяйственными постройками. В основном двухраздельный («изба+сени») и трехраздельный типы планировки жилища («изба+сени+изба» и «изба+сени+клеть») были характерны на территории Марийского края. Использованием своеобразных модульных ячеек - клети, стены, связи, навесы - марийскими зодчими создавалась архитектурная целостность жилища.

Дом марийской усадьбы во многом схож с русской избой /рис. 1.37/. К достоинствам его относятся: компактность объема, тщательная защита тепловой части и самого входа в «тепло». В этом прослеживается принцип теплового зонирования, согласно которому помещения, в которых возможны низкие температуры, окружают постройки, где требуется наличие более высоких температур, а источники тепла и теплые помещения располагаются во внутренней части дома. Так, для избы характерно центральное расположение «теплового ядра» - печи. Пространство подклети и кровли служит буферной зоной- прослойкой, утепляющей и защищающей здание.

Марийское народное жилище включало и некоторые трансформирующиеся элементы: крыльца, клети, оконные ставни, сменные застекленные рамы, которые играли немаловажную роль в формировании гибкости внутренней жилой среды.

Характерной особенностью расположения домов в северных и восточных районах республики является то, что они возводятся на высоком подклете. Такой способ в целом присущ жилым постройкам всех народов лесной зоны Европейской России. Рациональный смысл подобных конструкций домов заключается в том, что более высокий дом меньше заносит сугробами снега;

во-вторых, пол его приподнимается над промерзшей землей и отделяется от нее воздушной прослойкой, что не позволяет охлаждаться;

в-третьих, подпольное помещение используется для хранения продуктов и овощей в зимний период;

в полу устраивается люк в качестве доступа в подполье или дверца в боковой стене дома неподалеку от крыльца;

с целью проветривания подполья в нижних венцах стены прорубаются небольшие отверстия.

Использование местных материалов является характерной чертой народного зодчества, так как они определяли в результате тектонику и художественный образ построек, архитектуру, органично связанную с окружающим ландшафтом.

Традиции народного деревянного зодчества марийцев необходимо сохранять и в современной культуре, так как они имеют большую практическую ценность.

Огромный интерес представляет архитектура южных районов России, напрамер, казачьего курня /рис. 1.38/. Этот тип жилых построек появился на Дону во второй половине XVII столетия, когда жизнь казаков приобрела более оседлый характер. Площадь, которую занимал двор казака, была очень мала. Дома были расположены очень компактно, расстояние между соседними домами, особенно в центре станицы - несколько метров, что вызывало пожарную опасность целых сел.

Разным районам Дона присущи свои типы домов. На Нижнем Дону, к примеру, курень строился на высоком фундаменте- подклете, поскольку во время разливов первый этаж заливало, а второй этаж, жилой, оставался сухим. Дом был опоясан балкончиком, который у казаков называется балясником - просторный балкон с галдареей. Она служила также причалом для лодок в период разливов рек, для сна или отдыха, конечно же, в теплое время года, а также для прохода «к наружным оконным ставням. Окна были украшены резными наличниками. Неподражаемость куреней - и в форме крыши. Если в центре России крыша избы, как правило, двухскатная и на чердаке нередко устраивалась светелка, то соломенная, камышовая или реже деревянная кровля куреней - четырехскатная (с уклоном около 30°), издали воспринимаемая как круглая. Отсюда и распространенное на Дону название "круглый дом". К тому же все комнаты куреня имели между собой двери, т.е.

можно было пройти "по кругу". Галдарея и балясник чаще всего имели крышу, общую с домом. Достигалось это без особого труда, так как они имели небольшую ширину - от 70 до 200 см. Свисание кровли над балясником ниже домового карниза позволяло защищать курень в летнюю жару от перегрева, зимой и весной - от ветров и увеличивало защищенность обмазанных или побеленных желтой глиной стен от сырости и дождей. Во всем мы видим мудрость строителей, накопленную веками /рис. 1.39 /.

Дом возводили из деревянных пластин (еловых или сосновых). Делали курени и набивными из глины, смешанной с соломой, реже - из камня.

Стены домов окрашивались в яркие цвета: синий, голубой, красный.

Современный курень - двухэтажный, "полукаменный", то есть первый этаж - кирпичный (прежде - саманный, из кирпича-сырца), второй деревянный. Чем дальше на север, тем первый этаж ниже. А на Северском Донце он уже больше похож на подвал, хотя характерные черты казачьей постройки видны и здесь. Первый этаж, как правило, не жилой, а хозяйственный. Считалось, что "жить нужно в дереве, а припасы хранить в камне"/рис.1.38 /.

Во дворе стояли летняя печь, летняя кухня, баз и баня. Летом строго запрещалось топить печь в доме. В целях противопожарной безопасности все готовили только во дворе. В летнице с весны до глубокой осени готовилась еда, и здесь же семья часто и кушала, что освобождало дом от кухонной толчеи и утвари. Но строительство летницы обеспечивало не только удобство в приготовлении пищи, но и уберегало курень от пожара. Традиции строить кухню на Дону сохранились и по сей день. Только сейчас их все чаще называют почему-то флигелем.

Запрещалось между домами держать скирды, однако, несмотря на это, из-за неосторожного обращения с огнем станицы полыхали, и не раз.

Казаки возводили не длинные прямоугольные дома, а почти квадратные в плане, называя их "круглыми". Планировка их была крестовой: все пространство дома делилось поперечными перегородками на четыре комнаты, а композиционным центром служила отапливавшая их печь /рис. 1.40/.

Окна делились на две равные части: верхнюю - неподвижную и нижнюю - подвижную, которая по пазам поднималась вверх и закреплялась в нужном положении палочкой. Если посмотреть на казачий курень, то можно увидеть очень много окон, которые придают отличие казачьему куреню от великорусских и малорусских жилищ. Общее количество окон в курене может достигать от 10 до 20. Снаружи окна закрывались одностворчатыми навесными ставнями, для которых так же характерны тонкие декорированные композиции [62, 36, 25].

Северные традиции в архитектуре и строительстве складывались веками.

Яранга — переносное сферическое жилище из жердей и оленьих шкур с конической крышей у некоторых народов северо-восточной Сибири, занимающихся оленеводством (в основном у чукчей) /рис. 1.41 /. Остов яранги делают из жердей и покрывают его оленьими или моржовыми шкурами. Внутри яранги устраивают отдельную спальню - как ящик на боку, который закрывается шкурами мехом наружу и внутрь. Пространство за пологом отапливается жировыми лампами. В этом заключается следование концепции «двойной оболочки». Двойная оболочка наружных конструкций позволяет нагретому воздуху циркулировать по воздушным прослойкам, расположенным в ограждающих конструкциях. Тем самым нагретый воздух охватывает все здание и хорошо его изолирует /рис. 1.42 / [3].

Исторически накопленный архитектурный опыт строительства, как правило, подкреплялся в процессе формирования лишь интуитивными знаниями законов природы. По мере перехода к современному строительству с новыми материалами, новыми типами зданий традиционный опыт требовал пересмотра и использования научных достижений.

Анализ традиционного народного жилища позволяет констатировать, что в целом, оно в своей максимальной приближенности жителей к природной среде, климатической целесообразности зданий, использованием местных природных материалов несет экологическое образование и воспитание жителей.

Однако актуальность климатической целесообразности зданий и сооружений осталась, так как нельзя заимствовать принципы прошлого формообразования зданий без учёта условий, их породивших, и условий, в которых они будут существовать.

В современном проектировании зданий на стадии предпроектного анализа огромную значимость приобретает оценка всех факторов климата наряду с исследованием традиционного народного опыта строительства и модернизированном применении его положительных тенденций.

1.2.1. Эволюция тенденций энергосбережения в отечественном городском массовом строительстве малой и средней этажности В целях изучения эволюции тенденций энергосбережения в массовой жилой застройке целесообразно рассмотреть массовую архитектуру со 2 п.

XIX в. по настоящее время, поскольку именно на рубеже XIX- XX в.в.

начинается урбанизация большинства развитых стран, коренным образом изменившая размеры, силуэт и состав городской застройки.

В течение столетий одноквартирные 1-2 этажные дома с земельными участками составляли основную ткань застройки городов России. В каждом городе закреплялся свой более или менее определенный тип объемно планировочной структуры жилища, безусловно связанный с региональными (сельскими) традициями, хотя по сравнению с деревенским городской дом имеет уменьшенную хозяйственную зону. Российские города были по преимуществу деревянными. Объяснялось это не только дешевизной леса, но и убеждением, что деревянное жилище «здоровее» каменного. Стилевая окраска городской застройки естественно вытекала из особенностей объемно- планировочного построения жилых домов. В провинции очень долго удерживается позднеклассицистическая традиция — в силу ее простоты и рациональности, но в последней четверти XIX века в российских городах расцветает «многостилье». Дома, как правило, компактны, фасады строго симметричны, что подчас недостаточно удачно согласуется с планировкой.

Постепенно в обиходе появляются такие столичные новинки, как эркер, терраса, веранда, но они, как правило, не входят в теплый объем дома.

Линейные размеры жилого дома: 8x8 м, 8x12 м, 12x12 м, 12x15 м, 15x20 м.

Традиционные планировки (пятистенки, шестистенки, «крестовики»), выделение парадной зоны («зал»), сочетание зимнего теплого и летнего холодного жилища - все это в каждом городе (или регионе) приобретало свои неповторимые, специфические черты /рис. 1.43-. 1.45/.

Урбанизация, рост стоимости земли, стоимости строительства городских дорог и инженерных коммуникаций потребовали резкого повышения плотности и, соответственно, этажности застройки во второй половине XIX века. Индивидуальный 1-2-этажный жилой дом был активно вытеснен многоэтажным (4-6 этажным) многоквартирным доходным домом. В России преобладающим типом стал многосекционный доходный дом, при этом преимущественно с двухквартирными секциями. Коридорная планировка использовалась в домах, которые в современной терминологии называют домами гостиничного типа, а при создании называли «меблированными комнатами» или «номерами». Галерейная структура нашла применение в южных городах (Одессе, Тифлисе). Архитектурные решения доходного дома в России, способствующие энергосбережению: периметральная застройка с максимальным использованием участка, компактная замкнутая структура, широкий корпус (15-20 м), отсутствие изрезанности фасадов, рациональная компактная планировка, квартиры с полным инженерным оборудованием.

Недостатки: отсутствие проветривания, резкое уплотнение застройки участка (до 70 %), пренебрежение факторами инсоляции квартир /рис. 1.46-1.48/ [29, 41,28,64,48].

Объем строительства индивидуальных домов резко сокращается. В то же время их объемно- планировочная структура, особенно с 1890-х годов, резко меняется. Идеи функционального рационализма подчиняют себе объемно- планировочное и архитектурно- композиционное решения здания, которые развиваются по принципу «изнутри- наружу». В связи с чем возникают некомпактные формы плана, вызывающие избыточные теплопотери. Независимо от места строительства и крупности объекта (дворец или особняк) их планировочная схема и фасадные композиции свободны от гнета симметрии и классических форм. Постройкам этого периода присущи динамизм, пластичность, напряженность Урис. 1.49-1.50/.

В период между двумя мировыми войнами массовое жилище остается по преимуществу секционным, но становится под влиянием нарастающей миграции в города лиц с низкими доходами более экономичным. На объемно- планировочных решениях многоквартирных домов это сказывается уменьшением числа комнат в квартирах, частичной заменой двухквартирных секций четырехквартирными, отказе от второй лестницы в секции, частичным снижением высоты массовой застройки до 2-4 этажей. В то же время уровень инженерного оборудования квартир повышается и улучшаются условия инсоляции квартир благодаря внедрению (наряду с традиционной квартальной) новых приемов жилой застройки - свободной или строчной, складывающихся под влиянием включенных в нормы проектирования требований продолжительной инсоляции квартир. На облик жилой застройки влияла смена архитектурных школ и стилей конца XIX середины XX веков (модерн, конструктивизм, «сталинский ампир») /рис.1.51-1.54/.

Развитие архитектуры села в послереволюционный период проходит наряду с начатой В.И.Лениным политикой создания колхозов и государственных хозяйств (1918-1922г.г). Позже страна развивалась по НЭПу. До 1927г. на основе новой аграрной политики сельское хозяйство крепло, в деревнях появились «середняки». Села стали возрождаться и застраиваться добротными домами и хозяйственными постройками.

Трагедией для сельского хозяйства стала объявленная И.В.Сталиным в 1929г.

сплошная коллективизация с ее административно-командной системой управления и войной против кулаков и середняков. Этот процесс сопровождался лишением и бедствиями крестьян на всех просторах СССР [54].

В годы восстановительного строительства (1945-1953г.г) широкое распространение получают 2-3 этажные дома. В этой связи архитектура данного периода представляет особый интерес /рис. 1.55-1.60/.

На магистралях и в центральных кварталах крупных городов преимущество остается за многоэтажной (4-5-6) застройкой, что связано с ее большей компактностью и концентрированностью, позволяющими с меньшими затратами осуществлять более развитое внешнее благоустройство и инженерное оборудование квартала.

Табл. 1.1. Сравнение показателей общестроительной стоимости 1 м жилой площади для различных типов зданий, решенных в однотипных капитальных конструкциях 5-эт 4-эт 3-эт дом 2-эт дом Тип здания 1-эт дом с дом с доме С над­ С С над­ надворным С под- под- вор­ под- и сараями под- вор­ вало вало ными вало вало ными м м сараям м м сараям и и 97 100 103 101 ПО Общестроительн ая стоимость (%) Табл. 1.2. Сравнение показателей расхода топлива на 1 м 2 жилой площади для различных типов зданий, решенных в однотипных капитальных конструкциях 4-эт дом 3-эт дом 5-эт дом 2-эт дом Тип здания 1-эт дом 100 95 Расход топлива(%) На основе приведенных выше данных (табл. 1.1, 1.2) можно сделать вывод, что двухэтажные жилые дома, решенные в однотипных 4-5 этажным зданиям капитальных конструкциях, дороже последних на 10-13% в единовременных затратах и на 25-30% в расходе топлива. Несмотря на это, ученые того времени видели преимущество двухэтажных жилых домов в связи с:

-большой экономией в расходе дефицитных материалов- цемента и металла;

-большой простотой производства работ и вследствие этого меньшей потребностью в квалифицированной рабочей силе;

-более быстрыми сроками строительства и ввода здания в эксплуатацию;

-лучшей организацией внутриквартального обслуживания, требующимися меньшими затратами сил живущих на подъем по лестницам и т.п. [18] Способы повышения рентабельности малоэтажной застройки, рекомендуемые к.т.н. Л.А. Гельбергом (1948г.):

1) замена массивных кирпичных стен капитальными, но более эффективными стеновыми конструкциями, как, например, стенами из шлакобетонных пустотелых камней типа «Крестьянин», кирпично блочными и кирпично- засыпными стенами, что может снизить стоимость вертикальных несущих конструкций здания на 20-30% и, соответственно, стоимость всего здания на 5-6%;

2) замена железобетонных лестниц деревянными, применение деревянных прогонов;

3) использование известковых растворов, вполне обеспечивающих необходимую прочность небольшого здания;

4) возможность печного отопления [18], [12], [45].

Учитывая перечисленные преимущества и способы повышения рентабельности двухэтажного строительства, практически влияющие на стоимость здания, можно константировать, что капитальный тип двухэтажного дома по своим экономическим показателям может быть значительно приближен к четырехэтажной жилой застройке (взятой в обычных широко распространенных конструкциях послевоенного восстановительного периода), уступая ей лишь.незначительно по своим эксплуатационным расходам.

Большинство эффективных капитальных конструкций, рекомендуемых для двухэтажного строительства, могут быть оправданы и в трехэтажных домах.

Одноэтажный дом с приусадебным участком становится рентабельным только в случаях возможного применения заводского конвейерного производства.

Длина здания определяется в зависимости от коэффициента насыщения здания наружными стенами, строительной стоимости, эксплуатационных расходов, расходов топлива. Наиболее рентабельным типом здания является многосекционный дом, причем увеличение секций сверх четырех дает уже мало заметный экономический эффект.

Для одноэтажных жилых домов в зависимости от размеров усадебного участка принимается целесообразным использование блочных типов домов (наилучший вариант - четырехквартирный с двухсторонней блокировкой).

Для жилых зданий восстановительного периода установлена предельная величина ширины корпуса - 14 м. К.т.н. Л.А.Гельберг утверждает, что уширение зданий сверх 14м, в особенности для односекционных домов, дает малоощутимый экономический эффект [18,19]. Исследования Академии Архитектуры послевоенного восстановительного периода определяют ширину корпуса для различных типов квартир:

- малометражные квартиры без ванн - 10,5-13 м;

- малометражные квартиры, оборудованные ваннами - 12-14 м;

- 3-4-х комнатные квартиры с жилыми площадями свыше 40 м 2 с темными ванными и непроходными комнатами - 13,5-14,5 м;

- то же, со светлыми ванными или с проходными комнатами - 11м;

- 1-2-х комнатные малометражные квартиры при коридорной системе — 14 м и более.

Гигиенические требования двухсторонней ориентации квартир также обусловливает применение более узких корпусов, несмотря на то, что они оказываются менее экономичными и в строительстве, и в эксплуатации.

Радикальные преобразования в городском жилищном строительстве наступили в Европе лишь во 2 п. ХХв. Они были стимулированы продолжающейся урбанизацией в условиях резкого обострения жилищной нужды из-за колоссальных утрат квартирного фонда во время II мировой войны. Справиться с жилищной нуждой оказалось возможным лишь благодаря массовой индустриализации строительства, типизации и массовому внедрению экономичных планировочных решений квартир, типизации сборных конструкций. К 1960 г. СССР вышел на первое место в мире по количеству новых квартир на 1000 жителей (12,1).

В период с 1960 по 1990г. в СССР была реализована концепция индустриального домостроения. Послевоенное восстановление народного хозяйства всей страны было направлено в конце 50-х годов на развитие и строительство индустриальными методами жилых домов с минимальными затратами и минимизированными типами квартир. Главный принцип — каждой семье отдельную квартиру получил реальное воплощение. С годами варьируется лишь этажность домов (сказывается развитие производственной базы), но тип и габариты квартир остаются неизменными /рис. 1.61-1.63/. До 80-х годов преобладают жилые дома высотой в 5 этажей. Здания 7-8 этажные причисляют к не массовому типу застройки - нужны высокопрочные строительные материалы, лифты и оборудование мусоропроводами. Применение двухэтажной застройки определяется следующими условиями:

-гидрогеологические (сейсмические районы, горные выработки, слабые грунты);

-градостроительные (повышение этажности из-за небольших размеров городской застройки нецелесообразно);

-состояние производственной базы строительства.

При выборе объемно-планировочного решения (с точки зрения сбережения расхода топлива для отопления) жилые дома высотой в 2-3 этажа экономичны при их длине в 3-4 секции, а 4-5 этажные - в 4 секции и более.

Ширина корпуса по-прежнему ограничивается 14 метрами [19].

В 80-х годах 5-этажные дома составляют 10%, 9-этажные- 70%, 12-16 этажные- 20% [40].

На протяжении почти двух столетий основными средствами обеспечения энергосбережения в жилых зданиях оставались ширина и длина корпуса, этажность, конфигурация здания. Качество внутренней планировки определялось лишь соображениями инсоляции и экономии средств при возведении. Общее объемно-планировочное решение мотивировалось извлечением максимальной прибыли (доходный дом), типизацией, унификацией, стандартизацией (советский период), но никак не требованиями энергосбережения.

После энергетического кризиса 70-х годов многое меняется в домостроении за рубежом. В России качественные изменения происходят с 90-х годов, когда индустриальное домостроение в новых социальных условиях практически прекращает свое существование. На его место приходит технология монолитного и каркасного домостроения, составляющие основную долю жилищного строительства. В конце 90-х годов начинается строительство жилых домов по новым нормативам энергосбережения. Начало этому послужила разработка в 1992-1994 г.г.

энергетического принципа нормирования тепловой защиты зданий. В 2003г.

вводится в действие новый СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».

Предпринимаются действия России в области совместных разработок аспектов энергосбережения в строительстве с другими странами. В 1985 году Госстрой РСФСР с российской стороны и проектно-строительная корпорация Arkins Consultants с финской стороны работали над совместной программой «Концепция жилища холодного климата», в рамках которой финскими и российскими архитекторами-исследователями был разработан проект и осуществлено строительство экспериментального жилого дома в коммунальной общине Палтамо (Контиомяки), названного Калевальским домом. В Финляндии проект дома был одобрен Министерством окружающей среды. В разработке архитектурного проекта принимали участие специалисты Карелгражданпроекта и СибЗНИИЭПсельстроя /рис. 1.64/.

Технический проект был разработан проектно-строительной корпорацией Arkins Consultants на основе общепринятых норм и правил.

Исследовательская работа, связанная со строительством экспериментального дома, была возложена на строительную лабораторию Государственного технического научно-строительного института Финляндии. В основе проекта, предназначенного для строительства как в Финляндии, так и в России, лежит древняя карельская строительная традиция, главный принцип которой — максимальное сохранение тепла в жилище. В народной карельской архитектуре сформировался так называемый «дом-комплекс, в котором под единой крышей организованы и жилые избы, и хозяйственные помещения со скотным двором, и чистый двор. По этой же причине народный карельский дом имел мощную подклеть, имевшую порой высоту полного этажа и выполнявшую роль теплового буфера.

По этим же принципам был разработан и данный проект. Но кроме этого было очень важно создать легко возводимый в арктических условиях жилой дом без применения тяжелого оборудования и большого количества рабочей силы.

Особое внимание было уделено созданию удобства и комфорта для работающих в тяжелых природных условиях жильцов дома, а также соответствию внешнего вида здания окружающему ландшафту. В целом тектоника дома спроектирована таким образом, что она обеспечивает высокую конструктивную и теплоизолирующую надежность от зимних ветров и суровых морозов /рис. 1.64/ [84].

1.2.2. Современный отечественный опыт проектирования и строительства ЭЖЗ малой и средней этажности До 90-годов XX века ввиду дешевизны энергии, реализация концепций экологичного жилья заканчивалась отдельными разработками в области гелиоархитектуры для южных районов СССР (с 70-х годов XX века) /рис. 1.65-1.71/ и, как уже было выше рассмотрено, совершенствованием решений, касающихся длины, ширины и этажности здания. Вопросам формообразования энергоэффективных зданий, отвечающих совокупности требований экологичности, экономичности и комфортности, внимание не уделялось.

В современной отечественной практике строительства имеются отдельные примеры зданий, воплотившихся в реальные постройки, которые чаще всего имеют какой-либо характерный признак, способствующий экономии энергии. Как правило, это чаще всего энергоэффективные и энергосберегающие технологии в системе теплоснабжения. Рассмотрим подобные примеры.

Экспериментальный жилой.район Куркино расположен на Северо западе Москвы и уже признан уникальным строительным и управленческим экспериментом. Район состоит из 18-ти микрорайонов разноэтажной застройки по индивидуальным проектам, в которых проживают 35-40 тыс.

человек. Комплексное строительство и освоение территории осуществляется с 2000г. Одной из приоритетных задач комплексного строительства Куркино явилось решение вопросов энергоэффективности как составляющей части экологически достаточного строительства, а также разработка и внедрение инновационных энергосберегающих технологий. В Куркино действуют локальных котельных, 16 крышных котельных и 1 каталитическая котельная.

Новой разработкой являются экологически чистые каталитические теплогенераторы (КТГ), разработанные на основе использования процессов каталитического окисления газообразного топлива для производства горячей воды. Еще одной экспериментальной разработкой является энергоэкономичный («теплый») дом с улучшенными теплотехническими характеристиками наружных ограждений и с коэффициентом теплового сопротивления около 6 квт/час на кв.м (в обычных жилых домах он составляет 2,5 квт/час на кв.м). Каждая квартира в таком доме снабжена вентилятором с теплообменником (рекуператором), что позволяет утилизировать тепло вентилируемого воздуха, достичь европейских норм по воздухообмену (в обычном строительстве этот параметр не контролируется).

Район Куркино реализован как инвестиционный проект, с учетом основных принципов экореконструкции. Одной из основных целей строительства Куркино являлось создание экологически комфортной и благоустроенной городской среды/рис. 1.72/ [116].

В последние годы наблюдается тенденция спроектировать экодом автономный экологический жилой дом усадебного типа, для которого характерно использование НВИЭ, применение экологичных материалов, автономность систем теплоснабжения, утилизация отходов, с обязательным земледелием на приусадебном участке. Экологичный дом - широкое направление экологичной архитектуры, частным решением которого является энергоэффективный дом.

Разработана перспективная модель малоэтажного жилого энергоэффективного экодома с пассивным и активным солнечным отоплением для условий умеренно- холодной климатической зоны юга Дальнего Востока «Экодом Solar-5», три варианта жилой площадью 78,0;

93,7;

109 м. Отличительной чертой архитектуры здания является подчинение его формы годовому движению солнца и сезонной смене ветров. Вклад пассивной солнечной системы отопления -58%(верхний порог), активной системы (коллекторы) нижний порог -23% за зимний отопительный период.

Положительным моментом в разработке проекта является его серийность, но неизбежна необходимость будущей корректировки в зависимости от места расположения, и здесь кроется большой риск потери энергоэффективности проекта в целом /рис. 1.73/ [123].

В пос.Черноморский Краснодарского края построен экспериментальный жилой дом, в концепции которого воплощены многие признаки энергоэффективности (авторы- научный коллектив КубГТУ). Здание запроектировано с учетом максимального использования солнечной энергии для энергосберегающей эксплуатации в отопительный период /рис. 1.74-1.76/.

На юго-западной ориентации двускатной крыши здания установлены фотоэлектрические солнечные модули серии БС ЖЦПИ 564186.010, разработанные отечественным предприятием ОАО «Сатурн» (Краснодар) в соответствии с ГОСТ 51597-2000 «Нетрадиционная энергетика. Модули солнечные фотоэлектрические. Типы и основные параметры». При проектировании здания учитывали отрицательные ветровые характеристики преобладающих северо-восточных и северо-западных ветров зимнего периода. Была спроектирована дополнительная защита от теплопотерь стен и дверей дома, ориентированных на наветренные стороны в виде застекленной веранды, являющейся важным элементом теплового зонирования. В такой буферной зоне функцию теплоизолятора выполняет воздух, уменьшающий разность температуры наружной и внутренней среды. При расчете теплового баланса помещения учитывали эффективные конструктивные решения перекрытия над техническим подвалом, чердачного покрытия и стенового ограждения, позволяющие значительно уменьшить теплопотери здания в отопительный период. Отапливаемая площадь - 87 м. Система энергоснабжения позволяет обеспечить устойчивое обеспечение электроэнергией экспериментального жилого дома с использованием фотоэлектрических солнечных модулей современного промышленного изготовления и резервного бензогенератора [59, 60].

Под руководством директора ЗАО "Экодом", кандидата физических наук

Игоря Александровича Огородникова, построены экодома в Новосибирске. В 1989 году творческая группа ученых, архитекторов и инженеров Новосибирского научного центра объединилась для разработки и строительства экологического жилья. В 1990 году эта группа учредила фирму «Экодом». Ее деятельность составляют проектные и конструкторские работы по созданию автономного энергоэффективного жилья и сопутствующие действия, необходимые для формирования устойчивых экопоселений.

«Экодом» сотрудничает со многими организациями и координирует их работу по экологическому домостроению. С 1993 года «Экодом» является коллективным членом Международного Социально-экологического Союза (МСоЭС). В 1997 году предложенная им программа "Экопоселения XXI" века на 6-ой конференции МСоЭС была утверждена как программа этой организации.

Главное достоинство экодомов заключается в значительном уменьшении теплопотерь по сравнению с проектами, разработанными согласно новым требованиям СНиП 11-3-79* "Строительная теплотехника".

Энергозатраты снижаются за счет правильной ориентации экодома по отношению к господствующему направлению ветра, продуманных объемно планировочных решений, создания буферных зон, а также благодаря пассивному и активному использованию солнечной энергии и аккумуляторов тепла. С южной стороны дома располагаются теплица, солнечные коллекторы, солнечные батареи фотоэлектрической установки, нагревательные элементы солнечного водонагревателя. Дом имеет разумные размеры и является компактным (форма приближается к кубу).

Эффективным приемом экономии энергии являются неотапливаемые буферные зоны вокруг жилой части дома. Приемы солнечной архитектуры, солнечный обогрев могут дать экономический эффект только при 5-6 кратном увеличении теплозащиты ограждающих конструкций по сранению с теплозащитой существующих домов. Существует множество естественных утеплителей. К наболее приемлемым относятся солома, отходы льна, камыш (традиционный для Сибири материал). Они имеют высокую эффективность и существенно более низкую стоимость. При этом устойчивы к поражению вредителями. При наличии такой проблемы утеплители обрабатываются естественными средствами для борьбы с вредителями (например, порошок из кедровой хвои). Кроме того, предусматривается полная переработка органических отходов в компост до существующих санитарных норм и их утилизация на приусадебном участке.

В названных домах для отопления и горячего водоснабжения применяются автономные системы с использованием солнечной энергии в течение 9-10 мес, а в холодный период года дополнительно подключаются системы теплоснабжения, работающие на газе или твердом топливе. Под домом в подвале размещены тепловые аккумуляторы, запасающие энергию на зимние месяцы. Автономной является система канализации.

Централизованными остаются электросети и водопровод. Система вентиляции позволяет максимально целесообразно распределить тепло по всему объему дома. Предусмотрена утилизация тепла, выделяемого бытовыми приборами, освещением и самими жильцами. В целом экономический эффект получен благодаря сокращению расходов на эксплуатацию экодома по сравнению с традиционными зданиями в 1,5-3 раза /рис.1.77-1.78/[57].

С учетом требований экономичности, биопозитивности, безотходности функционирования кандидатом архитектуры И.В.Черешневым (Волгоградский ГАСУ) был разработан экспериментальный проект экодома для природных условий г. Волгограда/рис.1.79-1.81/. Резко континентальный степной климат данного региона, который отличается жарким засушливым летом с обилием солнечных дней (2240 ч/г) и холодной зимой с продолжительными сильными ветрами, определил основную концепцию проектного решения. Накопление энергии в объеме жилого дома осуществляется при формировании в планировочной структуре системы утилизации солнечной энергии (зимний сад, остекленный атриум);

системы аккумулирования отработанного вторичного тепла, поступающего от кухни и ванной;

системы аккумулирования тепла от переработки органических отходов. Важным условием обеспечения высокой энергоэкономичности жилища является эффективная система распределения энергии в пространственной структуре жилого дома. Для этого обеспечивается естественная циркуляция теплого воздуха, а также использование механических устройств. Архитектурная форма и планировочная структура жилого дома разрабатывались по аналогии с формой речной раковины. В проекте предлагается использовать широтную ориентацию архитектурной формы дома, которая определяет строгую направленность планировочной структуры жилища и предполагает размещение жилых помещений и систем солнечной утилизации энергии на южном фасаде здания. Северному фасаду, наиболее подверженному воздействию холодных ветров в зимний период года, предлагается придать аэродинамическую форму. Криволинейные округлые очертания кровли позволяют снизить охлаждающее давление ветра и значительно уменьшить инфильтрационные теплопотери, кроме того предлагается изолировать и герметизировать большую часть северного фасада путем обсыпки и заглубления его стен в южный склон. Наиболее простым способом регулирования теплообмена является применение с наружной стороны остекления жестких и трансформируемых устройств: