Научная статья на тему 'Композиция гелиозданий с использованием новейших архитектурно-инженерных решений'

Композиция гелиозданий с использованием новейших архитектурно-инженерных решений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

CC BY
96
13
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
гелиоздания / энергоэффективность / устойчивое развитие / зеленое строительство / экологический стандарт / инженерные решения / архитектурная композиция / solar buildings / energy efficiency / sustainable development / green construction / environmental standards / engineering solutions / architectural composition

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Лобанова Наталья Вячеславовна, Сухинина Елена Александровна

В статье исследуются особенности использования солнечной энергии, проблемы применения гелиоустановок в российских проектах. Рассматривается классификация гелиозданий и виды гелиосистем. На примере авторской концепции энергоэффективного здания систематизируются основные приемы проектирования гелиозданий с использованием последних архитектурно-инженерных решений.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Лобанова Наталья Вячеславовна, Сухинина Елена Александровна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Composition of sanitary buildings using the latest architect and engineering solutions

The features of the use of solar energy and the problems of using solar power plants in Russian projects considered. The classification of solar buildings and types of solar systems given. The main methods of designing solar buildings using the latest architectural and engineering solutions systematized.

Текст научной работы на тему «Композиция гелиозданий с использованием новейших архитектурно-инженерных решений»

Прогулочные зоны дополнены системами автономного освещения, с использованием световой энергии. Установлены площадки раздельного сбора мусора.

Другие необходимые объекты инфраструктуры: визит-центр, гостевые дома, объекты питания, санитарно-гигиенические и инженерные сооружения размещены в зоне с максимально допустимой рекреационной нагрузкой (на юго-восточном берегу озера).

Разработан гостевой дом семейного типа для круглогодичного пребывания.

В целях снижения энергозатрат в конструкцию гостевого дома внедрен ряд технологий.

Южный скат крыши удлинен для увеличения площади размещения солнечных фотопанелей и коллекторов. Энергия, получаемая от фотопанелей, идет на дополнительное питание электроприборов(рис. 2)

Геотермальный тепловой насос (вода-вода) подключен к системе отопления и горячего водоснабжения. Солнечный коллектор обеспечивает горячее водоснабжение. Система может автоматически поддерживать нужную температуру. Применены энергоэффективные окна. (рис. 3).

Система вентиляции предусматривает кондиционер с режимом теплового насоса и рекуператор для догрева воздуха в помещении зимой и охлаждении летом, сводя на нет потери тепла через вытяжку.

Предусмотрены также аккумулирующие емкости для сбора дождевой и талой воды, которая идет на технические цели и для слива в туалете, экономя воду из ВЗУ

Отведение бытовых вод осуществляется в ЛОС с полным циклом биологической очистки.

Сложную и противоречивую задачу обеспечения, с одной стороны, защиты природы, а с другой - организации экотуризма на территориях национальных парков помогают решить современные ресурсосберегающие технологии, внедренные в инфраструктуру охраняемых территорий, которые становятся экспериментальными площадками для тестирования и сбора информации по оптимальным инженерным решениям.

Список цитируемой литературы:

1. Об особо охраняемых природных территориях : Федеральный закон от 14.03.1995 ШЗ-ФЗ (ред. от 26.07.2019) // Кодекс: электронный фонд правовых и нормативно-технических документов. - URL: https://docs.cntd.ru/document/9010833 (дата обращения: 15.04.2022).

2. Забелина, М. Н. Национальный парк / М. Н. Забелина. -Москва : Мысль, 1987. 170 с.

3. Международный опыт развития экологического туризма на ООПТ / О. Захарова, А. Айсин, Н. Колодинская [и др.]; АНО «Агентство стратегических инициатив». - 2019. -258 с. - URL: https://bp.irklib.ru/wp-content/uploads/2020/06/1_ Mezhdunarodny_opyt_razvitia_ekologicheskogo_turizma_na_ OOPT_compressed.pdf (дата обращения: 15.04.2022).

4. Руководство по проектированию объектов инфраструктуры на ООПТ / О. Захарова, Р. Фанталис, В. Иванов [и др.]; АНО «Агентство стратегических инициатив». - 2019. 362 с. - URL: https://eco.atomgoroda.ru/content/media_files/1597246738-81525. pdf (дата обращения: 15.04.2022).

5. Твайделл, Дж. Возобновляемые источники энергии / Дж. Твай-делл, А. Уэйр; пер. с англ. - Москва : Энергоатомиздат, 1990.

Н. В. Лобанова, Е. А. Сухинина 10.24412/cl-35672-2022-l-0068

N. V. Lobanova, E. A. Suhinina

Композиция гелиозданий с использованием новейших архитектурно-инженерных решений

Composition of sanitary buildings using the latest architect and engineering solutions

Ключевые слова: гелиоздания, энергоэффективность, устойчивое развитие, зеленое строительство, экологический стандарт, инженерные решения, архитектурная композиция.

Keywords: solar buildings, energy efficiency, sustainable development, green construction, environmental standards, engineering solutions, architectural composition.

Аннотация: В статье исследуются особенности использования солнечной энергии, проблемы применения гелиоустановок в российских проектах. Рассматривается классификация гелиозданий и виды гелиосистем. На примере авторской концепции энергоэффективного здания систематизируются основные приемы проектирования гелиозданий с использованием последних архитектурно-инженерных решений. Abstract: The features of the use of solar energy and the problems of using solar power plants in Russian projects considered. The classification of solar buildings and types of solar systems given. The main methods of designing solar buildings using the latest architectural and engineering solutions systematized.

Ограниченность природных ресурсов, сложность добычи полезных ископаемых и, как результат их использования, загрязнение природы создают необходимость активного применения альтернативных источников энергии в промышленном масштабе и в структуре сооружений. Одним из наиболее доступных областей зеленой энергетики является гелиоэнергетика.

Гелиоздание - это сооружение с использование гелиосистемы в объемно-композиционном решении.

Гелиосистема - это инженерно-техническая установка, преобразующая солнечную энергию в тепловую или электрическую [6].

В зданиях солнечная энергия может использоваться для горячего водоснабжения, системы отопления

и охлаждения, выработки электричества. В зарубежной архитектурной практике данный вид возобновляемой энергии применяется в больших масштабах, действует политика субсидирования и снижения налогов для стимулирования данного направления.

В России существует ряд проблем, препятствующих повсеместному распространению гелиоустановок для зданий различного назначения:

- отсутствие обязательных нормативных документов, государственной поддержки, развитого рынка зеленых технологий и недостаточная информативность населения;

- единичные примеры установок солнечных батарей на крышах существующих зданий часто портят общую композицию сооружений и их эстетическую привлекательность;

- одной из причин отказа от использования солнечных коллекторов при строительстве частных домов является беспокойство людей, что такой дом будет сложнее продать;

- также пользователей отпугивает высокая стоимость солнечных батарей.

Несмотря на то, что предполагаемый срок окупаемости коллекторов 5-10 лет, многое все же зависит от внешних условий - погоды, уровня затенения от зданий, деревьев, расположения окружающей застройки, рельефа местности, размещения батарей на здании.

Следовательно, для эффективности использования солнечной энергии необходимо:

1) провести анализ природно-климатических условий места строительства;

2) рационально разместить гелиоустановку в структуре объема;

3) рассчитать срок окупаемости и замены всех инженерно-технических устройств.

Цель исследования - проанализировать приемы формообразования архитектурной композиции гелиозда-ний с использованием новейших архитектурно-инженерных решений.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

- изучить существующую классификацию гелиозда-ний;

- рассмотреть возможные варианты гелиоустановок в структуре объема;

- на примере авторской концепции систематизировать архитектурно-инженерные решения при проектировании гелиозданий.

История возникновения первых солнечных зданий

Первые примеры пассивного использования солнечной энергии можно встретить еще в Древней Греции. В пассивном доме Сократа ориентация объема север -юг способствовала наибольшему раскрытию объема на солнечную сторону с компактным решением северного фасада и утолщением подветренной стены (рис. 1).

В середине XX века с развитием научно-технического прогресса солнечные дома почти не отличались от традиционных. Панели коллекторов либо имитирова-

ли большой витраж остекления, либо размещались на скатах кровли. В процессе развития гелиоархитекту-ры основным элементом солнечного дома становятся структуры коллекторов, сразу четко определяющие его типологию. В 1956 году архитектор Куртис построил собственный дом в Рикмансуорте (Англия), коллектором в котором служил витраж южной стены. В 1959 году был спроектирован один из первых жилых домов архитектора Томасона, где использовались водяные коллекторы открытого типа, запатентованные им как система «Солярис». В 1961 году в Уоллеси была осуществлена пристройка к зданию школы Св. Георга, считавшаяся в те времена одним из лучших сооружений гелиоар-хитектуры в Европе. Интерес к использованию солнечной энергии резко повысился в 1970-е годы в связи с повышением стоимости традиционных видов топлива. В США количество солнечных домов возросло с двенадцати в 1972 году до более чем тысячи в 1977 году [6].

В структуре объемно-композиционного решения зданий в основном используют два вида гелиоустановок: солнечные коллекторы и панели фотоэлементов [8].

Солнечный коллектор (англ. solar collector) - это устройство для поглощения энергии солнечного излучения и преобразования ее в тепловую энергию с помощью жидкого или воздушного теплоносителя [9].

Фотоэлемент - это электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется фотоэдс или электрический ток [2].

Солнечная батарея - это панель солнечных фотоэлементов, полупроводниковый фотоэлектрический генератор, преобразующий энергию солнца в электрическую [2].

Существует множество различных видов фотоэлектрических преобразователей (ФЭП).

Наиболее распространены следующие типы:

- ФЭП из поликристаллических фотоэлектрических элементов;

- ФЭП из монокристаллических фотоэлектрических элементов;

- ФЭП из аморфного кремния;

- ФЭП из теллурида кадмия;

- ФЭП на основе крупнокристаллических пленок CIGS;

- ФЭП на основе органических материалов [3] (рис. 2).

ЛЕТО

Рис. 1 Модель пассивного дома Сократа

Производство тонкопленочных фотоэлементов дешевле производства стандартных ФЭП, но они не так широко используется, как кристаллические элементы и модули. В последние годы разработаны новые типы материалов для тонкопленочных фотоэлектрических элементов, например, медь-индий-диселенид и теллу-рид кадмия. Одним из перспективных видов ФЭП являются тонкопленочный фотоэлемент из органических материалов [1].

Использование прозрачных фотоэлектрических модулей и нанотехнологий также определено как новое направление солнечной энергетики. Сенсибилизированный красителем солнечный элемент Dye sollar cells или DSSC - это ФЭП нового класса. DSSC представляет собой особый вид солнечного фотоэлемента, который эффективно преобразует видимый свет в электрическую энергию. DSSC получил такое название, потому что имитирует процесс фотосинтеза, поглощая естественный свет [5].

Все гелиоздания можно классифицировать по следующим признакам:

1) по степени трансформируемости и энергоактивности объема [7] (рис. 3);

2) по расположению коллекторов в наружных ограждающих конструкциях [7] (рис. 4);

3) по типу гелиосистемы: неподвижные и системы гелиослежения [8] (рис. 5).

Существует три основных объемно-планировочных схемы гелиозданий: компактная; линейно-широтная; павильонная.

Компактные жилые дома наиболее характерны для северных районов; линейно-широтные для южных, где используется прямой обогрев помещений; павильонные структуры для жарко-влажного климата, где необходимо постоянное сквозное проветривание [4].

На основе зарубежного опыта проектирования рассмотрим архитектурные и объемно-планировочные решения гелиозданий: так, композиция Национального

а) б) в) г) д) е)

Рис. 2. Виды фотоэлектрических преобразователей: а - ФЭП из поликристаллических фотоэлектрических элементов; б - ФЭП из монокристаллических фотоэлектрических элементов; в - ФЭП из аморфного кремния; г - ФЭП из теллурида кадмия; д - ФЭП на основе крупнокристаллических пленок €103;

е - ФЭП на основе органических материалов

Рис. 3. Классификация по степени трансформируемости и энергоактивности: а - не трансформируемые здания со стационарно ориентированным коллектором; б - мобильные здания со следящим коллектором; в - стационарные с концентрированной подачей солнечной энергии на коллектор; г - стационарные со следящим солнечным коллектором

Рис. 4. Классификация по расположению коллекторов в наружных ограждающих конструкциях: а - на скатных кровлях; б - на плоских покрытиях; в - на наружных стенах; г - на ограждениях лоджий и балконов; д - в оконных проемах и зенитных фонарях; е - на цоколе и отдельно стоящие установки

института солнечной энергетики во Франции состоит из основного объема, остекленные фасады которого закрыты солнцезащитными экранами и дополнительной неподвижной конструкцией в виде крыльев с солнечными коллекторами S=280 кв. м; фотоэлектрические панели павильона Эндеса в Испании расположены под наиболее оптимальным углом, формируя нестандартную пластику фасада; солнечные панели детского сада + E в Марбурге (Германия) встроены в складной фасад; в общественном здании Common air rea солнечные коллекторы треугольной формы располагаются на плоской крыше (рис. 6).

Существует классификация гелиозданий по расположению «солнечных модулей»:

1) встроенные «солнечные модули», интегрируемые в поверхность здания и образующие единую ограждающую конструкцию, пластику кровли или цельную поверхность фасада;

2) надстроено-пристроенные «солнечные модули», располагающиеся на здании и являющиеся отдельными подвижными или неподвижными конструктивными элементами;

3) отдельно стоящие «солнечные модули», размещенные на прилегающей территории.

На основе анализа зарубежного опыта разработана авторская концепция гелиоздания для природно-клима-тическихусловий города Саратова (рис. 7).

В основе объемно-планировочного решения заложен компактный шестигранный энергосберегающий модуль с различным функциональным назначением.

Возможны следующие варианты функциональной наполняемости блока-модуля:

- жилая функция (гостиная, спальня);

- хозяйственная функция (санузел, кладовая);

- спортивно-оздоровительная зона (бассейн с талой или очищенной дождевой водой);

С неподвижными гелиосистемами: а - входящие в структуру здания и формирующие его пластику; б - с дополнительными неподвижными конструкциями

С подвижными гелиосистемами: а - на кровле; б - в структуре объема

Рис. 5 Классификация зданий по типу используемой гелиосистемы

а) Национальный институт солнечной энергетики во Франции

б )Павильон Эндеса в Испании

в) Детский сад + E в Марбурге, Германия г) Здание Common air rea, арх. бюро Cloud floor

Рис. 6. Зарубежный опыт проектирования гелиозданий

- биосад (теплица, оранжерея, кухня);

- энергетический блок (аккумулирование возобновляемой энергии).

Систематизированы основные архитектурно-инженерные решения гелиодома для природно-климатических условий города Саратова:

- максимально комфортная ориентация помещений, на севере - подсобные помещения, жилые комнаты - на южной и юго-восточной сторонах;

- компактное объемно-планировочное решение энергоэффективных блоков-шестигранников;

- взаимозаменяемость и трансформация объемов в зависимости от климата и территории;

- при сложном рельефе модули заглублены в почву для пассивного аккумулирования тепла земли;

- формирование образа гелиоздания за счет текстуры и цвета - сложная форма стен и солнечных панелей, как текстурно-художественное средство архитектурной композиции;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

- на кровлю и поверхности стен вмонтированы коллекторы и фотоэлементы для максимального использования энергии солнца в течении дня;

- для эффективного использования солнечной радиации южная стена и плоская кровля жилого дома облучаются прямыми солнечными лучами с 9.00 до 15.00;

- возможность трансформации и изменения наклона граней блоков в течении дня;

- южные фасады и часть наружных ограждений выполнены в виде стеклянных витражей с возможностью преобразования солнечной энергии;

- стены фасадов окрашены в светлые тона для отражения лучей и чрезмерного перегрева поверхностей;

- применение жалюзийных солнцезащитных решеток-коллекторов на окнах;

Рис. 7. Концепция гелиоздания для г. Саратова. Авторы: Лобанова Н. В., Сухинина Е. А.

- каркасно-обшивная конструктивная система;

- натуральная древесина для конструкций и отделки поверхностей;

- ветрогенераторы и тепловые насосы, размещенные на участке.

Для повышения энергоэффективности на стадии 3-d моделирования объема следует использование следующее программное обеспечение: Солярис-Аналитик; КЕО Excel; калькулятор-Rockwool; акустические он-лайн-калькуляторы; инструменты генетических алгоритмов - программы Rhinoceros, Grasshopper; инструменты топологических оптимизаций Millipede для программы Rhinoceros и т. п.

Предложенная авторами концепция экспериментального жилого дома с нулевым потреблением энергии для климата Саратова включает последние архитектурно-инженерные решения, повышающие экологичность объекта и снижающие тем самым выбросы углекислого газа в окружающую среду в течении всего жизненного цикла гелиоздания.

Список цитируемой литературы

1. Бессель, В. В. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов: Учеб. пособие / В. В. Бессель, В. Г. Кучеров, Р. Д. Минга-леева. - Москва : Изд. центр РГУ 2016 - 90 с.

2. Большая Советская Энциклопедия / Под ред. О. Ю. Шмидт. -Москва : Советская Энциклопедия, 1992. - 921 c.

3. Жураева, З. И. Обзорный анализ основных видов солнечных элементов и выявление путей повышения эффективности их работы и применения / З. И. Жураева // Universum: технические науки. - 2018 - № 10(55). - С. 2-3.

4. Иванова, Е. Д. Архитектурное формообразование зданий с использованием средств альтернативной энергетики / Е. Д. Иванова // Colloquium-journal. - 2019 - № 26(50). - С. 5-6.

5. Канишка, А. Роль нанотехнологий в строительной отрасли и энергоэффективности здания / А. Канишка // Международный научно-исследовательский журнал. - 2021. - № 5(107). -С. 130-131.

6. Кузнецов, С. А. Большой толковый словарь русского языка / С. А. Кузнецов. - Москва : Норинт, 2013. - 242 c.

7. Милашечкина, О. Н. Энергосберегающие здания: Учеб. пособие / О. Н. Милашечкина, И. К. Ежова. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - 75 с.

8. Поляков, И. А. Использование средств альтернативной энергетики при формировании художественного образа в архитектуре / И. А. Поляков,С. В. Ильвицкая // Международный электронный сетевой научно-образовательный журнал. -2017 - №1(38). - 164.

9. Сухинина, Е. А. Энергоэффективные здания и экологическое строительство: Учебное пособие для студентов направления подготовки 07.03.01 / Е. А. Сухинина. - Саратов : Сарат. гос. техн. ун-т, 2020. - 136 с.

10.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.