CC BY
43
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2021, №1, Том 13 / 2021, No 1, Vol 13 https://esi.today/issue-1-2021.html URL статьи: https://esj.today/PDF/02SAVN121.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Михеев Г.В., Капогузова Е.Я., Юрий А.В., Халиуллин Т.Д., Халили Ф. Инженерные и архитектурные технологии проектирования зданий с учетом климатических особенностей территории // Вестник Евразийской науки, 2021 №1, https://esj.today/PDF/02SAVN121.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
For citation:
Mikheev G.V., Kapoguzova E.Ya., Yury A.V., Khaliullin T.D., Khalili F. (2021). Engineering and architectural technologies for designing buildings in various climatic features of the territory. The Eurasian Scientific Journal, [online] 1(13). Available at: https://esj.today/PDF/02SAVN121.pdf (in Russian)
УДК 721
ГРНТИ 67.29.29+67.21.25
Михеев Георгий Владиславович
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Краснодар, Россия
Институт строительства и транспортной инфраструктуры Доцент кафедры «Технологии, организации, экономики строительства и управления недвижимостью»
Кандидат экономических наук E-mail: mgstyle77@yandex.ru
РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=797984
Капогузова Екатерина Ярославовна
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Краснодар, Россия Магистрант кафедры «Технологии, организации, экономики строительства и управления недвижимостью»
E-mail: ekaterinamdl@mail.ru
Юрий Андрей Вадимович
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Краснодар, Россия Магистрант кафедры «Технологии, организации, экономики строительства и управления недвижимостью»
E-mail: Andry_yuriy@mail.ru
Халиуллин Тимур Дамирович
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Краснодар, Россия Магистрант кафедры «Технологии, организации, экономики строительства и управления недвижимостью»
E-mail: ezomepro@gmail.com
Халили Файсал
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Краснодар, Россия Магистрант кафедры «Технологии, организации, экономики строительства и управления недвижимостью»
E-mail: mgstyle77@yandex.ru
Инженерные и архитектурные технологии проектирования зданий с учетом климатических
территории
Аннотация. В современном строительстве недостаточно внимания уделяется климатическим условиям окружающей среды. Часто используется типовое жилье, которое применяется во всех регионах. Основная причина - это отсутствие нормативных документов для каждого региона, который имеет свои климатические особенности. Данная проблема диктует необходимость структурирования основных архитектурных стратегий, которые
особенностей
влияют на микроклимат в здании. На основе этого авторами представлены эффективные решения, которые смогут сбалансировать неблагоприятное воздействие природно-климатических условий и помочь в достижении теплового комфорта.
В статье для оценки климатических характеристик использовались веб-приложение PD: Psychometric Chart и база данных Energy Plus, в которой содержится необходимая информация о многолетних изменениях климата, которые после исследования были внесены в общую базу. Описан метод и критерии поиска релевантной мировой литературы в международных реферативных базах.
Авторами описывается способ использования психометрической диаграммы Гивони в зависимости от температурных и влажностных условий. Предлагается применение стратегий биоклиматической архитектуры в различных климатических регионах. Объектами обзора являются биоклиматические стратегии, а результатом является описание достижения теплового комфорта в здании. Данные биоклиматические стратегии позволят сократить потребление энергии при эксплуатации зданий и уменьшить экологический след.
Биоклиматическая архитектура является самостоятельным архитектурным направлением, позволяющим повысить комфорт человека и обеспечить его рациональное сосуществование с окружающей средой. Подробное изучение этого направления поможет понять преимущества данных стратегий, а также возможность более широкого их применения в современных условиях. В статье рассматривается биоклиматическая архитектура, которая учитывает характеристики климата и в последствии способствует созданию здорового микроклимата и комфортных архитектурных пространств, в целях обеспечения благоприятных условий жизнедеятельности людей.
Ключевые слова: биоклиматическая архитектура; энергосбережение; энергоэффективные здания; тепловой комфорт; устойчивая архитектура; микроклимат; благоприятные условия жизнедеятельности
Здоровье и комфорт человека считаются наиболее важными параметрами при оценке внутренней среды помещений жилых зданий. Развивающиеся страны ограничены экстремальными экологическими условиями, устаревшими методами строительства и ограниченными финансовыми ресурсами, поэтому им сложно внедрить дорогостоящие технологии, направленные на улучшение внутренней среды помещений.
Интенсивное строительство зданий, необходимость экономии энергии и разработка политики защиты окружающей среды - все указывает на необходимость более разумной практики проектирования зданий. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (ОВиК) помещения для поддержания теплового комфорта - энергоемкий процесс, который составляет до 60-70 % от общего потребления энергии в жилых зданиях. Концепция энергоэффективности относится к количеству энергии, необходимому для достижения желаемых климатических условий внутри здания при минимальном потреблении энергии. Для совершенствования механизмов взаимодействия жилого здания с его природным окружением могут использоваться биоклиматические принципы проектирования.
Биоклиматическая архитектура представляет собой комплекс решений, который способствуют обогреву или охлаждению помещения с использованием естественных экологически-чистых источников энергии (солнце, вода ветер, почва). Несмотря на долгую историю существования биоклиматической архитектуры с учетом внедрения самых продвинутых технологий на ее современном этапе развития, основной ее задачей остается
Введение
строительство зданий с учетом влияния природно-климатических факторов. В биоклиматическом проектировании используются технологии и принципы проектирования, основанные на рефлексивном внимании к климату и окружающей среде. Применение биоклиматических принципов является решающим фактором в сокращении потребления энергии и уменьшении атмосферных загрязнений, в том числе выбросов СО2, которые являются одной из причин глобального потепления.
Во времена экологического кризиса и ускоренного развития городов архитекторам представляется логичным практиковать устойчивое экологическое проектирование. Архитектор, который решает задачи адаптации здания к климату, должен обладать знаниями по многим дисциплинам: климатология, география, экология, охрана окружающей среды. В целом необходимо иметь представление о климатических условиях, их особенностях. Это позволит определить микроклиматические условия для зданий в процессе проектирования (инсоляция, затенение, вентиляция, ветрозащита), а также предложить архитектурные формы, плотность застройки, расположение и ориентацию здания.
Важным аспектом при биоклиматическом проектировании зданий является обеспечение теплового комфорта в помещении. Тепловой комфорт человека можно определить, как состояние сознания, выражающее удовлетворенность тепловой средой таким образом, что человек не предпочитает ни более теплую, ни более прохладную среду. Комфорт также можно определить, как оптимальное тепловое состояние для поддержания теплового баланса человеческого тела.
Существенный вклад в развитие биоклиматической архитектуры внесли работы малазийского архитектора К. Янга. Его многочисленные научные труды стали фундаментом для последующих исследований в этой области, а здания, возведенные им, стали доказательством положительного влияния биоклиматической архитектуры на психологическое и физическое состояние человека. В Европе значительный вклад в изучение этого вопроса внес архитектор Н. Фостер, который осуществил на практике оптимизацию научно-практических разработок К. Янга для Европейского климата. Помимо упомянутых выше архитекторов вопросами биоклиматической архитектуры за рубежом занимаются архитекторы группы «^ОМ», В. Каллебо, С. Калатавра, У. Макдоно, архитектурное бюро «Ц^^ю» и др. В России вклад в области биоклиматического проектирования внесли М.С. Мягков, Ю.Д. Губернский, В.К. Лицкевич и Я.Ю. Усов.
В качестве инструментов используются различные биоклиматические диаграммы. наиболее широко используемым относятся диаграмма, разработанная Б. Гивони, для определения внутреннего комфорта, включая тепловой комфорт, который можно рассчитать с использованием значения относительной влажности воздуха и внутренней температуры.
Для оценки климатических характеристик использовалось веб-приложение PD: Psychometric Chart и база данных Energy Plus, из которой мы получаем информацию о многолетних изменениях климата, которые были исследованы и внесены в общую базу, а также набор графиков климатических изменений. Это веб-приложение отображает психометрическую диаграмму, на которую накладывается ряд показателей комфорта и психометрических технологических линий, так же можно загрузить и просмотреть погодные данные от Energy Plus. Отображаемые данные позволили выявить возможные пассивные и активные биоклиматические стратегии проектирования, определить характеристики теплового комфорта и энергоэффективности на данной территории. Также для выявления климатических изменений используется психометрическая диаграмма Гивони, представляющая обобщенную
Методы
Вестник Евразийской науки 2021, №1, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 1, Vol 13 https://esj.today
информацию о климате и биоклиматических стратегиях, которые должны быть реализованы для обеспечения комфорта в течении всего года.
Подбор необходимых биоклиматических стратегий проектирования в архитектурной литературе осуществлялся с помощью следующего подхода. Был составлен список ключевых слов по предметной области, по которым производился поиск. Кроме того, выполнялся поиск по авторам и датам выпуска научных работ в соответствии с возможностями поисковых систем. Для подбора необходимой литературы использовались реферативные наукометрические базы данных Web of Science, Scopus, РИНЦ, доступные в сети Интернет и на базе университета. Оценка качества публикаций выполнялась на основе следующих критериев:
• стиль изложения материалов статьи авторами и качество аннотации;
• наличие и количество разобранных биоклиматические стратегий;
• примеры биоклиматических стратегий в архитектуре;
• корректность ссылок на источники, объем ссылочной литературы.
В данном исследовании нами рассмотрены научные работы по решению проблемы применения инженерных технологий проектирования зданий с учетом климатических особенностей территории [1-22], в результате было отобрано 22 источника, на основе которых были сформированы результаты исследования.
Результаты
Диаграмма Гивони, представленная на рис. 1, представляет собой психрометрическую диаграмму, разделённую на 14 зон, для которых необходимо использовать различные стратегии для достижения комфортных условий внутри здания для человека. По оси абсцисс отложена температура по сухому термометру, а по оси ординат указана относительная влажность воздуха (психрометрические кривые на графике представляют относительную влажность). Чтобы изучить возможные биоклиматические архитектурные стратегии, мы сначала должны оценить условия окружающей среды, в которой будет располагаться здание. Исходя из этих условий, мы сможем определить зону на диаграмме Гивони.
1. Зона комфорта, обозначенная как зона 1, демонстрирует идеальные условия для человеческого организма, комфортные для 70 % населения. Эта зона ограничена значениями температуры от 21 °С до 26 °С и значения относительной влажности от 20 % до 70 %. В этой зоне нет необходимости реализовывать какие-либо стратегии. Адаптация человеческого организма к любому фактору связана с затратой энергии. В зоне комфорта адаптивные механизмы не нужны, и энергия расходуется только на фундаментальные жизненные процессы. В это время организм находится в равновесии со средой.
2. Допустимая зона комфорта больше зоны комфорта. В ней у человека включаются адаптивные механизмы, требующие минимально приемлемого уровня энергозатрат. Эта зона удобна для 80 % населения. На диаграмме эта область обозначена на диаграмме как зона 2 и ограничена значениями температуры от 20 до 27 °С, значениями относительной влажности от 20 % до 80 %, а также линией между точкой пересечения температуры 24 °С и относительной влажности 80 % и точки пересечения температуры 27 °С и относительной влажности 50 %.
3. Внутренний прирост тепла, обозначенный как зона 3, определяется значениями температуры от 13,5 до 20 °С. В этой зоне важны внутренние источники тепла, чтобы изменить температуру и приблизить ее к зоне комфорта. К внутренним источникам тепла относится тепло от людей (около 60-100 Вт на человека), и отработанное тепло от приборов,
используемых в здании, искусственное освещение, и любой процесс, который также может выделять тепло.
4. Пассивное солнечное отопление, соответствует зоне 4 и определяется температурами от 7 до 13,5 °С. Пассивное солнечное отопление - это комплекс мероприятий по использованию тепловой энергии прямой солнечной радиации для отопления зданий без применения дополнительных инженерных систем в холодный период года. Для перехода в зону комфорта, необходимо решение, позволяющее накапливать солнечную энергию внутри помещения. Цель состоит в том, чтобы повысить температуру с 7 °С до 13,5 °С и выше. Конструкция здания должна способствовать накоплению солнечной энергии, распределению этой энергии к другим конструкциям и в последствии обеспечению повышения температуры в здании. Распределение энергии может осуществляться за счет конвекции (температурные градиенты), излучения (нагревание воздуха, соприкасающегося с излучающей поверхностью) или теплопередачи (передача тепла от одного элемента здания к другому). В этой зоне предусмотрены различные решения, поскольку энергия может улавливаться любой частью ограждающей конструкции.
Температура сухого термометра (°С)
1 - зона комфорта; 2 - допустимая зона комфорта; 3 - внутренний прирост тепла; 4 - пассивное солнечное отопление; 5 - активное солнечное отопление; 6 - увлажнение; 7 - конвекторное отопление; 8 - солнцезащита; 9 - охлаждение за счет высокой тепловой массы; 10 - охлаждение за счет испарения; 11 - охлаждение высокой тепловой массой с ночным обновлением; 12 - охлаждение за счет естественной и механической вентиляции; 13 - кондиционирование; 14 - осушение воздуха
Рисунок 1. Психрометрическая диаграмма Гивони (разработано авторами по данным Психрометрической диаграммы Гивони)
Оконные проемы могут обеспечить проникновение солнечного тепла, когда это необходимо и предотвратить выход тепла из здания, используя, например, соответствующее остекление Большие окна на южном фасаде пассивного дома способствуют прямому солнечному обогреву жилых помещений. Для защиты помещений от чрезмерного воздействия прямой солнечной радиации используются солнцезащитные устройства (СЗУ). На рис. 2a показан пример СЗУ в теплых регионах - навес, который позволяет улавливать солнечную
радиацию в зимний сезон и ограничивать этот процесс летом. Накопление энергии в стенах, потолках и полах здания может быть улучшено за счет размещения в ограждающих конструкциях материалов с изменяющимся фазовым состоянием (МИФС), для увеличения их тепловой инерции. Эти материалы поглощают избыток тепловой энергии при плавлении и восполняют ее дефицит в течение процесса кристаллизации, что приводит к задержке прохождения теплового потока сквозь конструкцию, к сглаживанию температуры воздуха в помещениях в течение дня и к понижению спроса на электроэнергию, потребляемую для отопления и кондиционирования воздуха. На настоящий момент производится большое количество материалов с изменяющимся фазовым состоянием (МИФС).
Рисунок 2. Методы пассивного солнечного отопления: а - солнцезащитное устройство зданий (навес); Ь - изображение применения материалов с изменяющимся фазовым состоянием (МИФС). Часы показывают возможную разность фаз до 11 ч. для передачи тепла; с - крыша-ванна (разработано авторами)
Многие из них подходят по температуре фазового перехода для размещения в ограждающих конструкциях зданий. Некоторые МИФС демонстрируют разность фаз, превышающую 11 ч., что означает, что тепловая энергия, захваченная в течение дня, возвращается в течение ночи (рис. 2Ь). Для крыш наиболее частым случаем является крыша-ванна (рис. 2с), которая модулирует внутреннюю температуру. Такие крыши заряжаются тепловой энергией от солнечного излучения, а затем излучают эту энергию в свои связанные пространства. Это решение обычно применяется в отелях в теплых регионах, где бассейны размещаются на крышах, чтобы помочь с климатизацией верхнего этажа здания,
Страница 6 из 20
a b
c
02SAVN121
среди прочих причин. Зеленые крыши в меньшей степени также помогают снизить потребление энергии.
Застекленные галереи (рис. 3a) представляют собой архитектурные элементы, которые улавливают солнечную энергию в холодное время года и поддерживают энергию с помощью ограждений, полов и, как правило, материалов с изменяющимся фазовым состоянием, которые позже возвращают энергию с разностью фаз. Примыкающая к зданию теплица (рис. 3Ь) представляет собой очень похожую биоклиматическую стратегию, которая улавливает еще больше солнечной энергии благодаря своей прозрачной верхней поверхности. В значительно более холодных регионах тепличная стратегия более уместна, чем предыдущая. Еще одна очень похожая стратегия - стена Тромба (рис. 3с). Классическая стена Тромба устанавливается на южной стороне здания - это массивная стена (бетонная, кирпичная или каменная) с вентиляционными отверстиями как снизу, так и сверху и стеклянная перегородка, устанавливаемая на расстоянии 75...100 мм от стены с внешней стороны. Наружная поверхность массивной стены окрашивается в темный цвет.
a
\ \
Теплый воздух
Холодный воздух
d
\
Рисунок 3. Методы пассивного солнечного отопления: а - застекленная галерея; Ь - примыкающая теплица; с - стена Тромба; d - зенитный фонарь (разработано авторами)
Эта стена поглощает и накапливает солнечную энергию через остекление. Нагретый воздух в пространстве между стеной и остеклением, поднимаясь вверх, перемещается через отверстие в верхней части стены в верхнюю часть комнаты, в то время как холодный воздух из нижней части комнаты втягивается в пространство между стеной и остеклением через нижнее отверстие для формирования конвективной отопительной петли. Это особенно эффективно в домах, где тепло требуется немедленно. Световые проемы в крыше - это элементы, которые позволяют проникать солнечному излучению для облегчения накопления тепловой энергии в ограждающих конструкциях. На рис. 3d показан пример зенитного фонаря, который способствует проникновению солнечной энергии во внутреннее пространство здания. В теплое время года световые проемы необходимо закрывать, чтобы избежать чрезмерного излучения. Эта стратегия очень распространена на юге России.
b
c
5. Активное солнечное отопление. Климатические условия зоны 5 и соответствуют значениям температуры от 1 до 7 °С. При данных климатических условиях пассивные системы сами по себе не могут обеспечить комфортные условия в помещении, но могут помочь снизить потребление энергии. В таких случаях используют системы активного солнечного отопления.
У активного солнечного отопления более сложная технология, позволяющая создавать больше тепла в сравнении с пассивным отоплением. Такое солнечное отопление, как правило, включает в себя три составляющие: солнечный коллектор для поглощения солнечных излучений, система накопления полученной энергии и система теплообмена для обеспечения теплом жилых помещений.
Активные систем отопления можно разделить на две категории: жидкие системы и воздушные системы. Солнечная энергия в активных системах отопления накапливается в коллекторе. Жидкие системы используют жидкость для сбора энергии в солнечном коллекторе (например, вода или нетоксичный гликолевый антифриз). В то время, как воздушные системы поглощают энергию с помощью воздуха. Кроме того, энергия может быть собрана в здании с помощью фотоэлектрических элементов, которые вырабатывают электроэнергию для обычных систем термического кондиционирования. Распределение энергии осуществляется через установленные теплые полы с подогревом или радиаторы, и энергия обычно распределяется с установленной системой водонагревателя (см. рис. 4).
Рисунок 4. Метод активного солнечного отопления (разработано авторами)
6. Увлажнение. Недостаток влажности воздуха может вызвать респираторные расстройства у людей, вызывая чрезмерную сухость дыхательных путей, а также может вызвать дерматит, который характеризуется сухостью кожи. По этой причине необходимо увлажнять воздух в помещении водяным паром в определенных климатических зонах. Цель этой стратегии - добиться комфорта за счет повышения относительной влажности. Эта стратегия соответствует зоне 6 с температурой до 22,5 °С; уровни относительной влажности изменчивы, но могут достигать 40 % при 10 °С.
Наиболее распространенные стратегии биоклиматической архитектуры направлены на введение влажности через проветривание, поэтому необходимо учитывать преобладающие условия движения воздуха, чтобы обеспечить влажность в проветриваемых помещениях. Наиболее частые стратегии включают присутствие растительности рядом (см. рис. 5 а) или внутри здания (например, во внутреннем дворике) (см. рис. 5Ь), водных поверхностей или фонтанов (см. рис. 5с) или специальные установки, такие как заглубленные трубы, которые на одну треть заполнены водой, чтобы обеспечить проход воздуха (см. рис. 5ё) и влажные фильтры.
к Щ к
a
d
b
c
Рисунок 5. Методы увлажнения воздуха: a - через контакт с растительностью; Ь - через контакт с растительностью внутри здания (внутренние дворики); с - через контакт с водной поверхностью; d- через контакт с водой в заглубленных трубах (разработано авторами)
7. Пассивных солнечных конструкций может быть недостаточно для обеспечения теплового комфорта в помещении, особенно в регионах с экстремальным климатом. Конвекторное отопление, указанная как зона 7, соответствует значениям температуры от -5 до 1 °С. В этом случае возникает необходимость использовать устройства, потребляющее электроэнергию, газ, нефть или уголь, для повышения средней температуры до 20 °С.
Зимой температуры около 20 °С достаточно для обеспечения надлежащего уровня комфорта, и следует учитывать, что снижение температуры на один градус означает экономию энергии на 8 %. Во многих климатических условиях отопление можно отключать на ночь, потому что тепла, накопленного за день, более чем достаточно. Если человек находится вне дома всего несколько часов, удобно установить уровень термостата на 15 °С (или экономичные настройки некоторых устройств). Если продолжительное время вы проводите вне дома, удобно полностью выключить отопление.
Оптимальное расположение систем отопления, например, радиаторов, - ниже окон, чтобы получить максимальное тепловое излучение; кроме того, не рекомендуется загораживать радиаторы мебелью для максимальной эффективности (см. рис. 6). Скопившийся в отопительном контуре воздух препятствует передаче тепла, поэтому рекомендуется продувать радиаторы, когда они впервые используются в начале сезона. Желательно снизить температуру термостата или выключить отопление в пустых помещениях для увеличения экономии энергии.
Рисунок 6. Оптимальное расположение систем конвекторного отопления (разработано авторами)
8. Область солнцезащиты соответствует зоне 8 и значениям температуры 20 °С и выше.
a
1 9
d
Рисунок 7. Методы солнцезащиты: а - лиственная растительность; Ь - беседки с лиственной растительностью; с - крыльцо; d - наружные жалюзи; е - горизонтальные
ламели (разработано авторами)
Вестник Евразийской науки 2021, №1, Том 13 ISSN 2588-0101
The Eurasian Scientific Journal 2021, No 1, Vol 13 https://esj.today
В этом случае стратегии биоклиматической архитектуры пытаются избежать притока тепла за счет солнечной радиации и избежать повышения температуры, чтобы оставаться в зоне комфорта. Защита сосредоточена на всех световых проемах здания, но в целом может применяться и к ограждающим конструкциям здания. Солнечная защита может быть реализована естественным путем, например, с использованием лиственных деревьев (см. рис. 7а) или архитектурных элементов, таких как беседки с лиственной растительностью (см. рис. 7Ь), веранды или крыльца (см. рис. 7с), солнцезащитные жалюзи снаружи (см. рис. 7d) и горизонтальные ламели (см. рис. 7е).
9. Охлаждение за счет высокой тепловой массы. Тепловая масса - это свойство массы здания, которое позволяет ему накапливать тепло, обеспечивая «инерцию» по отношению к колебаниям температуры. Например, когда наружная температура колеблется в течение дня, большая тепловая масса внутри изолированной части дома может служить для «сглаживания» дневных колебаний температуры, поскольку тепловая масса будет поглощать тепловую энергию, когда температура окружающей среды выше и возвращать тепловую энергию, когда окружающая среда холоднее, не достигая теплового равновесия. Это свойство отличается от изоляционных свойств материала, которые снижают теплопроводность здания, позволяя нагревать или охлаждать его относительно отдельно от внешней стороны.
\J \J \J \J \J \J \J
Рисунок 8. Внутренний дворик с защитным подвижным механизмом, который позволяет избежать увеличения тепла в дневное время и способствует ночному
рассеянию (разработано авторами)
Эта стратегия соответствует зоне 9 и ограничена температурами от 20 до 35 °С и пунктирной линией, проходящей от точки пересечения 24 °С и относительной влажности 80-50 % до точки пересечения температуры 35 °С и относительной влажности 30 %.
Ночное рассеивание энергии через фасад и крышу необходимо. Это идеальное место для размещения мобильного дневного защитного устройства, чтобы избежать увеличения теплоты днем и способствовать ночному рассеиванию энергии. Примером являются навесы, закрывающие внутренние дворики (см. рис. 8). Эта стратегия очень рекомендуется в климате с температурами, близкими к комфортным.
10. Охлаждение за счет испарения. Эта стратегия соответствует зоне 10 и ограничена температура между 20 °С и 40,5 °С и пунктирной линии, которая проходит от точки пересечения 25,5 °С и относительной влажности 75 % через точку пересечения при 38,5 °С и относительной влажности 20 % до третьего пересечения при 40,5 °С и относительной влажности 10 %.
Рисунок 9. Методы охлаждение за счет испарения: a - внешняя растительность; b - зеленая крыша; c - распыление воды на крыше; d - распыление воды в помещении (разработано авторами)
Эта стратегия желательна в сухом аридном климате. Она направлена на достижение комфорта путем снижения температуры за счет испарения воды при одновременном повышении относительной влажности. Увлажнение может быть достигнуто с помощью внешней растительности (см. рис. 9a), воды (пруды или фонтаны) (см. рис. 5c), заглубленных труб, которые на одну треть заполнены водой (см. рис. 5d), внутренних двориков дополненных
наличием воды и растительности, которые помогают снизить температуру и повысить относительную влажность за счет проведения процесса эвапотранспирации (см. рис. 5Ь), растительного покрова (см. рис. 9Ь), распыления воды на крыше (см. рис. 9с), распыление воды в помещении для снижения температуры воздуха (см. рис. 9d) и создание циркуляции воздуха за счет конвекции.
11. Охлаждение высокой тепловой массой с ночным обновлением. Эта стратегия соответствует зоне 11 на диаграмме Гивони и ограничена температурами от 20 до 44 °С и пунктирной линией, которая проходит от пересечения при 44 °С и относительной влажности 5 % через другое пересечение при 31,5 °С и 32 % относительной влажности до конечного пересечения при 24 °С и относительной влажности 80 %
Эта стратегия создает разницу фаз между воздействием дневной и ночной температуры наружного воздуха для проведения ночного обновления. Он эффективен, когда климат показывает значительную разницу температур между дневным и ночным периодами. Ограждающие конструкции здания должна состоять из материалов с изменяющимся фазовым состоянием (МИФС), которые передают энергию с максимально возможной разностью фаз (приблизительно 12 ч.) с некоторым демпфированием. Ночью рассеивание и обновление следует проводить через проемы, террасы и крыши.
12. Охлаждение за счет естественной и механической вентиляции. Эта стратегия соответствует зоне 12 и ограничена значениями температуры от 20 до 31,5 °С, относительной влажностью от 95 % до 20 % и пунктирной линией, которая проходит от точки пересечения при 31,5 °С и относительной влажности 50 % до точки пересечения при температуре 26,5 °С и относительной влажности 95 %.
Рисунок 10. Методы охлаждения с помощью естественной и механической вентиляции: а - перекрестная вентиляция с северного на южное направление; Ь - эффект дымохода; с - подземная вентиляция; й - вертикальные пространства внутри здания; е - внутренние дворики (разработано авторами)
Помимо очищения воздуха от вредных для человека веществ, вентиляция может способствовать дополнительному охлаждению. Это может быть достигнуто естественным путем, используя перекрестную вентиляцию с северного на южный фасад или преобладающие ветры (см. рис. 10а), эффект вытяжного канала (дымовой трубы) (см. рис. 10Ь), подземную вентиляцию. (см. рис. 10с), вертикальные пространства внутри здания (см. рис. 10d) или внутренние дворики (см. рис. 10е). Кроме того, этого эффекта можно добиться механически с помощью вентиляторов или воздуходувок.
13. Стратегия кондиционирования соответствует зоне 13 и ее цель - добиться комфорта за счет установки кондиционеров для снижения температуры и относительной влажности. Тем не менее, температура 26 °С летом достаточна и не требует потребления лишней энергии. Две дополнительные и очень распространенные рекомендации относительно использования кондиционеров: не устанавливать термостат на температуру ниже нормальной, так как это приводит к потерям энергии и отключать кондиционеры при выходе из дома.
14. Осушение воздуха. Это зона обозначена как зона 14 и соответствует температуре выше 25 °С и относительной влажности выше 80 %. Цель состоит в том, чтобы внедрить стратегии поглощения воды из окружающей среды для достижения зоны комфорта. Это достигается с помощью специальных приборов для осушения воздуха в помещении и может требовать дополнения другими стратегиями:
Рассмотрим три основных типа осушителей воздуха, имеющих разных принцип работы:
• Ассимиляционный - часто используется на производстве и при большой площади помещения. Принцип работы этого типа осушителя заключается в обмене воздушными массами между помещением и улицей. Влажный воздух выводится из помещения, а свежий втягивается с улицы. В процессе циркуляции влажность воздуха снижается.
• Адсорбционный - состоит из двух параллельных колонн и панели управляющей электроники. Работает по следующему принципу: влажный воздух проходит через адсорбент осушителя, который поглощает влагу. Адсорбент имеет ограниченную способность впитывать влагу, прежде чем он должен быть высушен или регенерирован. Для этого в колонне, содержащей насыщенный адсорбент, сбрасывается давление, и скопившаяся вода удаляется.
• Конденсационный - данный тип в жилых помещениях применяется чаще всего. Принцип действия основан на быстром охлаждении воздуха в помещении, так что влага удаляется в виде конденсата. Обычно после этого воздух снова нагревают, чтобы температура в помещении не снижалась.
Обсуждение
Произведенный обзор рассматривает применение биоклиматических архитектурных стратегий. В результате чего отмечена их необходимость для минимизации энергозатрат и зависимость достигнутой экономии энергии от климатических условий, в которых расположено здание. Эти принципы могут быть применены в любой части мира, предполагая, что одна и та же стратегия может работать в другой области со сходным внешним климатом.
Реальные архитектурные проекты должны стремиться максимально снизить потребность в энергии в зависимости от климата, в котором будет находится проектируемое здание. Также необходимо придавать большее значение климатическому комфорту как фундаментальной архитектурной цели и достигать этой цели без помощи устройств, потребляющих электроэнергию и оставляющих большой экологический след.
Биоклиматическая архитектура стремительно развивается как самостоятельное архитектурное направление, в котором архитектура и экология органично взаимосвязаны на всех уровнях. Знания о биоклиматической архитектуре должны распространятся среди людей - основных пользователей зданиями. Общество должно лучше осознавать экологические последствия потребления энергии и последствия изменения климата. Кроме того, общество должно продолжать внедрять политику сокращения энергопотребления, подобную той, которая уже осуществляется во многих странах, чтобы установить будущие цели использования энергии для зданий. Таким образом, мы можем сделать вывод, что биоклиматическая архитектура будет играть все более важную роль в устойчивом развитии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Митрошин П.А., Меньшаков Д.Е. Особенности проектирования и строительства зданий и сооружений в условиях бурно развивающихся информационных технологий // Перспективы науки. 2015. № 10 (73). С. 154-158.
2. Popov R., Sekisov A., Mikheev G., Gura D., Shipilova N. Organizational-technological reliability for territorial-production facilities during volatility // Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2018. Vol. 10. Issue 2 Special Issue. Pp. 2011-2017. URL: http://www.jardcs.org/backissues/abstract.php?archiveid=5293.
3. Shipilova N., Savenko A., Shikhovtsov A., Sekisov A., Popov R., Mikheev G. Organizational and technological aspect of innovation development of resort-Tourist locations of the Russian black sea // International Journal of Applied Business and Economic Research. 2017. Vol. 15. Issue 23. Pp. 173-183. URL: https://serialsjournals.com/abstract/37837_16_natalia.pdf.
4. Stepanov R., Sekisov A., Gura D., Solovyova E., Dreshpak V. «Quick Method» of Map Limit Exact Position Determination by Vertical Planning of Areas // Helix. 2019. Vol. 9. Issue 1. Pp. 4744-4752. URL: http://helix.dnares.in/wp-content/uploads/2019/02/4744-4752.pdf, https://doi.org/10.29042/2019-4744-4752.
5. Петрянина Л.Н., Буравель Д.С., Дерина М.А. Формирование границ жилого пространства с учётом природно- климатических особенностей территории // Образование и наука в современном мире. Инновации. 2017. №5 (12). С. 214-220.
6. Sekisov A., Ovchinnikova S., Grebneva V., Chernyshova M. Modern directions of low-rise housing construction development in the world: economic and technological aspect // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 913. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/913/4/042035/pdf. DOI:10.1088/1757-899X/913/4/042035.
7. Гутников В.А. Природно-ресурсный потенциал и ландшафтная модель для стратегии пространственного развития // Градостроительство. 2015. №4 (38). C. 53-62.
8. Nehaj R., Molotkov G., Rudchenko I., Grinev A., Sekisov A. Algorithm of composing the schedule of construction and installation works // IOP Conference Series: Earth and Environmenta Science. 2017. Vol. 90. URL: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/90/1/012019/pdf. DOI: 10.1088/1755 1315/90/1/012019.
9. Манжилевская С.Е., Богомазюк Д.О. Моделирование инноваций в строительстве // Инженерный вестник Дона. 2016. № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3556.
10. Sekisov A. Improving the efficiency of the organization of construction production based on the use of BIM-technologies // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 698. URL: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/698/6/066005/pdf. DOI:10.1088/1757-899X/698/6/066005.
11. Петренко Л.К., Богомазюк Д.А. Организационный инжиниринг // «Строительство и архитектура - 2015»: материалы международной научно-практической конференции. ФГБОУ ВПО «Ростовский государственный строительный университет», Союз строителей южного федерального округа, Ассоциация строителей Дона. ФГБОУ ВПО "Ростовский государственный строительный университет". 2015. С. 78.
12. Nizin, D., Nizina, T., Selyaev, V., Chernov, A., & Gorenkova, A. Natural Climatic Aging of Epoxy Polymers Taking into Account the Seasonality Impact // Key Engineering Materials. 2019. Vol. 799. Pp. 159-164. URL: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.799.159.
13. Popov R., Shipilova N., Sekisov A., Solovyova E., Gura D. Innovative development of construction in russia: economics, technologies, management // Amazonia Investiga. 2019. Vol. 8. Issue 19. Pp. 653-663. URL: https://amazoniainvestiga.info/index.php/amazonia/article/view/281/258.
14. Мавродиева А.В., Солодилова Л.А. Современные факторы, влияющие на развитие строительства блокированного энергоэффективного жилища // Архитектура и Строительство России. 2012. № 3. C. 26-36.
15. Solovyova E., Sekisov A., Gura D., Mikheev G., Kovtunenko M. Developing Optimization Modelling Methodology for Production Costs Generation // Helix. 2020. Vol. 10. Issue 2. Pp. 63-71 URL: http://helixscientific.pub/index.php/Home/article/view/112/112,
https://doi .org/10.29042/2020-10-2-63-71.
16. Popov R., Sekisov A., Gura D., Nekhay B., Abuizeih Y. Economic and technological factors of improvement of building air conditioning systems // Turismo: Estudos & Praticas. 2020. Vol. 3. URL: http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2069, http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2069/1890.
17. Солодилова Л.А. Утеря визуальной типологии жилых зданий - проблема архитектора? // Устойчивая архитектура: настоящее и будущее: Материалы международного симпозиума. 2011.
18. Bancerova O. Forms of apartment buildings taking into account sustainable architecture reguirements // Ecology, Environment and Conservation. 2017. Vol. 23. Issue 1. Pp. 460-463.
19. Favorskaya A., Golubev V. Study the Elastic Waves Propagation in Multistory Buildings, Taking into Account Dynamic Destruction // Intelligent Decision Technologies. IDT. 2020. Vol 193. Pp. 189-199. URL: https://doi.org/10.1007/978-981-15-5925-9 16.
20. Popov R., Sekisov A., Gura D., Ivanov L., Shipilova N. Genesis of organizational and technological planning in Russian building practice // Turismo: Estudos & Praticas. 2020. Vol. 4. URL: http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2370, http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2370/2145.
21. Семенова Э.Е., Буданов И.А., Пискунов М.В. Анализ энергосберегающих архитектурных решений при проектировании гражданских зданий // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. 2016. С. 75-78.
22. Кочарян Л.Я., Савенко А.А. Обзор исторического развития территориально пространственной структуры города Краснодара. // В сборнике: Экологические, инженерно-экономические, правовые и управленческие аспекты развития строительства и транспортной инфраструктуры. Сборник статей Международной научно-практической конференции. ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет», Институт строительства и транспортной инфраструктуры; ФГБОУ ВО «КубГТУ»; Международный центр инновационных исследований «OMEGA SCIENCE». 2017. С. 140-147.
Mikheev Georgy Vladislavovich
Kuban state technological university, Krasnodar, Russia Institute of construction and transport infrastructure E-mail: mgstyle77@yandex.ru
PHH^ https://elibrary.ru/author profile.asp?id=797984
Kapoguzova Ekaterina Yaroslavovna
Kuban state technological university, Krasnodar, Russia E-mail: ekaterinamdl@mail.ru
Yury Andrey Vadimovich
Kuban state technological university, Krasnodar, Russia E-mail: Andry_yuriy@mail.ru
Khaliullin Timur Damirovich
Kuban state technological university, Krasnodar, Russia E-mail: ezomepro@gmail.com
Khalili Faisal
Kuban state technological university, Krasnodar, Russia E-mail: mgstyle77@yandex.ru
Engineering and architectural technologies for designing buildings in various climatic features of the territory
Abstract. In modern construction, not enough attention is paid to climatic conditions. Typical residential housing is used in all regions of the country. The main reason is the lack of regulatory documents for each region, which has its climatic characteristics. This problem dictates the need to structure the main architectural strategies that affect the microclimate in the building. Based on this, effective solutions are presented that can balance the adverse effects of natural and climatic conditions and help in achieving thermal comfort.
The PD: Psychrometric Chart web application and the Energy Plus weather data were used to assess climate characteristics. The Energy Plus weather data contains information about long-term climate changes, which are added to the General database after the research. The methods and criteria of searching for relevant literature in international scientific databases are described.
The methods of using the psychrometric chart Givoni depending on temperature and humidity conditions are described. The application of bioclimatic architecture strategies in different climatic areas is proposed. The object of the review is bioclimatic strategies. The result of the review is a description of the achievement of thermal comfort. These strategies will reduce energy consumption in the operation of buildings and reduce the environmental footprint.
Bioclimatic architecture is the independent architectural direction that allows you to increase human comfort and ensure its rational coexistence with the environment. A detailed research of this area will help you understand the advantages of these strategies, as well as the possibility of their wider application in modern conditions.
Keywords: bioclimatic architecture; energy saving; energy efficient building; thermal comfort; sustainable architecture; microclimate; favorable living conditions
REFERENCES
1. Mitroshin P.A., Menshakov D.E. Features of Designing and Constructing Buildings and Structures in Conditions of Rapidly Developing Information Techologies. Perspektivy nauki. 2015; 10 (73): 154-158. (rus.).
2. Popov R., Sekisov A., Mikheev G., Gura D., Shipilova N. Organizational-technological reliability for territorial-production facilities during volatility. Journal of Advanced Research in Dynamical and Control Systems. 2018; 10 (2S): 2011-2017. Available from: http://www.jardcs.org/backissues/abstract.php?archiveid=5293.
3. Shipilova N., Savenko A., Shikhovtsov A., Sekisov A., Popov R., Mikheev G. Organizational and technological aspect of innovation development of resort-Tourist locations of the Russian black sea. International Journal of Applied Business and Economic Research. 2017; 15 (23): 173-183. Available from: https://serialsjournals.com/abstract/37837_16_natalia.pdf.
4. Stepanov R., Sekisov A., Gura D., Solovyova E., Dreshpak V. «Quick Method» of Map Limit Exact Position Determination by Vertical Planning of Areas. Helix. 2019; 9 (1): 4744-4752. Available from: http://helix.dnares.in/wp-content/uploads/2019/02/4744-4752.pdf.
5. Petrynina L.N., Buravel D.S., Derina M.A. Forming a border living space taking into account natural and climatik features territory. Aducation and science in the modern world. Innovations. 2017; 5 (12): 214-220. (rus.).
6. Sekisov A., Ovchinnikova S., Grebneva V., Chernyshova M. Modern directions of low-rise housing construction development in the world: economic and technological aspect. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020; 913. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/913/4/042035/pdf. DOI: 10.1088/1757-899X/913/4/042035.
7. Gutnikov V.A. Natural resource potential landscape and model for stratagy spatial development. Urban planning. 2015; 4 (38): 53-62. (rus.).
8. Nehaj R., Molotkov G., Rudchenko I., Grinev A., Sekisov A. Algorithm of composing the schedule of construction and installation works. IOP Conference Series: Earth and Environmenta Science. 2017; 90. Available from: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/90/1/012019/pdf. DOI: 10.1088/1755 1315/90/1/012019.
9. Manzhilevskaya S.E., Bogomazyuk D.O. Simulation of innovation in construction. Engineering Jornal of Don. 2016; 1. Available from: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3556. (rus.).
10. Sekisov A.N. Improving the efficiency of the organization of construction production based on the use of BIM-technologies. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019; 698. Available from: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/698/6/066005/pdf. DOI: 10.1088/1757-899X/698/6/066005.
11. Petrenko L., Bogomazyuk D. Organizational engeneering // "Construction and architecture - 2015": materials of the international scientific and practical conference. Rostov State University of Civil Engineering, Union of Builders of the Southern Federal District, Association of Don Builders. "Rostov State University of Civil Engineering". 2015. C. 78. (rus.).
12. Nizin, D., Nizina, T., Selyaev, V., Chernov, A., Gorenkova, A. Natural Climatic Aging of Epoxy Polymers Taking into Account the Seasonality Impact. Key Engineering Materials. 2019; 799: 159-164. Available from: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/kem.799.159.
13. Popov R., Shipilova N., Sekisov A., Solovyova E., Gura D. Innovative development of construction in russia: economics, technologies, management. Amazonia Investiga. 2019; 8 (19): 653-663. Available from: https://amazoniainvestiga.info/index.php/amazonia/article/view/281/258.
14. Mavrodieva A.V., Solodilova L.A. Modern factors influencing on construction development of integrated energy-effective housing. Architecture and Construction of Russia. 2012; 3: 26-36. (rus.).
15. Solovyova E., Sekisov A., Gura D., Mikheev G., Kovtunenko M. Developing Optimization Modelling Methodology for Production Costs Generation. Helix. 2020; 10 (2): 63-71 Available from: http://helixscientific.pub/index.php/Home/article/view/112/112,
https://doi .org/10.29042/2020-10-2-63-71.
16. Popov R., Sekisov A., Gura D., Nekhay B., Abuizeih Y. Economic and technological factors of improvement of building air conditioning systems. Turismo: Estudos &Praticas. 2020; 3. Available from: http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2069, http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2069/1890.
17. Solodilova L. Is the loss of the visual typology of residential buildings an architect's problem? Sustainable architecture: present and future: Proceedings of an international symposium. 2011. (rus.).
18. Bancerova O. Forms of apartment buildings taking into account sustainable architecture reguirements. Ecology, Environment and Conservation. 2017; 23(1): 460-463.
19. Favorskaya A., Golubev V. Study the Elastic Waves Propagation in Multistory Buildings, Taking into Account Dynamic Destruction. Intelligent Decision Technologies. IDT. 2020; 193. Available from: https://doi.org/10.1007/978-981-15-5925-9_16
20. Popov R., Sekisov A., Gura D., Ivanov L., Shipilova N. Genesis of organizational and technological planning in Russian building practice / Turismo: Estudos & Praticas. 2020;4: 189-199. Available from: http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2370, http://natal.uern.br/periodicos/index.php/RTEP/article/view/2370/2145.
21. Semenova E., Budanov I., Piskunov M.V. Analysis of energy-saving architectural solutions in the design of civil buildings. Collection of scientific papers on the basis of the international scientific and practical conference. 2016: 191-194. (rus.).
22. Kocharyan L.Ya., Savenko A.A. Review of the historical development of the territorial-spatial structure of the city of Krasnodar. // In the collection: Environmental, engineering, economic, legal and management aspects of the development of construction and transport infrastructure. Collection of articles of the International Scientific and Practical Conference. "Kuban State Technological University", Institute of Construction and Transport Infrastructure; FSBEI HE "KubSTU"; International Center for Innovative Research "OMEGA SCIENCE". 2017. S. 140-147. (rus.).
