CC BY
8ПРИМЕНЕНИЕ БИОКЛИМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ, В ЦЕЛЯХ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ В Г.АЛМАТЫ
Мамедова Л.Э.1,Абилов А.Ж.2
1Мамедова Лейла Эльдаровна - бакалавр архитектуры, магистрант;
2Абилов Алексей Жаилханович - доктор архитектуры, профессор, кафедра «Архитектуры», Казахский национальный исследовательский технический университет им. К.И. Сатпаева,
г. Алматы, Республика Казахстан
Аннотация: в данной статье описывается краткая история биоклиматической энергоэффективной архитектуры. Исследование в статье направлено на рассмотрение принципов энергоэффективной биоклиматической архитектуры, путем которой можно достичь потенциальной экономии энергии в проектировании и строительстве, в основном за счет применения возобновляемых источников энергии, которые положительно влияют на окружающую среду и экологическую ситуацию. В исследовании, представленном в этой статье, изучался г. Алматы, так как город имеет экологические проблемы. Методы исследования заключаются в эмпирических наблюдениях за городским пространством с использованием сравнительных методов анализа. Целью данного исследования является изучение принципов биоклиматической архитектуры для повышения энергоэффективности, которая способна положительно повлиять на экологическую ситуацию г. Алматы.
Ключевые слова: энергоэффективность; архитектура; биоклиматические принципы; среда; дизайн.
УДК 721.01 ББК 38.22
Биоклиматика — это отрасль архитектуры, учитывающая требования экологии и устойчивого развития, которая может обеспечить повышение экологических и энергоэффективных показателей существующих и возводимых жилых зданий города.
Биоклиматическое проектирование зданий или биоклиматическая архитектура относится к проектированию зданий и пространств (внутренних и наружных) которое учитывает местные климатические особенности, обычно называемые микроклиматом, с целью обеспечения комфортных температурных условий внутри помещения, путем использования солнечной энергии и других возобновляемых источников.
Понятие «биоклиматического здания» было впервые введено братьями Аладаром и Виктором Олгуай в 1951 году. Они также ввели в архитектуре термины «термальное здание» и «биоклиматический подход». С точки зрения проектной методологии биоклиматический подход определяется как источник критериев проектирования дома. Иными словами, место, окружение, типология, морфология и ориентации зависят от того, как обеспечивается наилучшая защита от основных погодных условий, а именно: солнца, ветра и источников тепла. Цель состоит в том, чтобы определить потенциал места строительства по отношению к использованию возобновляемых источников энергии, таких как солнечная радиация, ветер, вода и растительность [6].
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, В. Каллебо, С. Калатавра, У. Макдоно и др. В России вклад в области биоклиматического проектирования внесли М.С. Мягков, Ю.Д. Губернский, В.К. Лицкевич и Я.Ю. Усов [1].
Примерами традиционной архитектуры, сочетающей в себе принципы биоклиматической архитектуры являются дома, расположенные в южных регионах Андалусии (Рис.1). Еще до изобретения кондиционеров зодчие Андалусии изобрели способ поддержания комфортного микроклимата в летний период времени, с помощью использования в строительстве домов глиняных кирпичей с известковым покрытием, которые поддерживали стабильный микроклимат в помещении в сочетании с месторасположением домов [6].
Рис. 1. Примеры домов в Андалусии.
Также хорошим примером традиционных приемов зодчества являются дома, расположенные в г. Диярбак, Турция. Климатические условия сыграли важную роль в формировании внутренних и внешних пространств традиционных домов Диярбака. Комфортный микроклимат в домах достигался с помощью натуральных ресурсов, таких как камень, дерево. В традиционном доме Диярбака есть помещения, которые можно назвать открытыми, (двор), полуоткрытыми (Эйван) (Рисунок 2) и закрытыми (основные помещение, подсобное помещение, кухня, кладовая) данные планировочные решения возникали в зависимости от особенностей месторасположения дома, дабы обеспечить дома необходимым уровнем дневной инсоляции и избежать перегрева в зенитное время дня.
Рис. 2. Виды планировочных решений в домах Диярбака.
Основными принципами биоклиматической архитектуры, которые применяли зодчии г. Диярбак являются: 1) проектирование зданий с учетом их ориентации по странам света и условий затенения соседних зданий;
2) использование строительных технологий и материалов для максимизации полезных теплопритоков или исключения избыточного тепла;
3) адаптация внутренней планировки зданий к климату, таким образом, чтобы помещения или пространства с определенными функциями были оптимально ориентированы по отношению к условиям инсоляции;
4) то же по отношению к расположению, размерам и типам проемов ограждающих конструкций;
5) разделение зданий на тепловые зоны с буферными зонами (такими как балконы, веранды, атриумы, дворы и аркады), таким образом, чтобы не создавать барьеры для сквозной вентиляции там, где это требуется.
Необходимо максимально использовать проверенные временем традиционные методы биоклиматического проектирования. Биоклиматическое проектирование означает учет сезонных изменений климата местности, например, снижение потребности в отоплении за счет максимального количества солнечного света из окон, ориентированных на южную сторону. Если эти технологии работали поколениями в этих различных местностях, созданных для их географического региона, то очевидно, что современное проектирование могло бы выиграть благодаря внедрению биоклиматических принципов в жилые и общественные здания. Вполне возможно спроектировать современное биоклиматическое жилое здание, используя естественную вентиляцию, с использованием пассивных технологий учета солнечной энергии, устойчивых материалов специфичные для конкретной местности (Рисунок 3).
Рис. 3. Учет особенностей микроклимата на основе применения принципов биоклиматического проектирования.
Традиционная народная архитектура разработала биоклиматические концепции, которые в настоящее время имеют научную ценность. Адаптация к местным условиям окружающей среды привела, к тому что здания приобрели региональную идентичность, характеризующую архитектурный облик каждого региона.
Алматы является самым густонаселенным городом Казахстана (2 млн человек) с интенсивным транспортным движением, что неизбежно осложняет экологическую ситуацию. В Алматы ежедневно въезжают более 250 тысяч иногородних машин, а всего в городе зарегистрировано около 600 тысяч машин (одна машина на 2-3 человека), выбросы от которых оцениваются в более чем 200 тыс. тонн загрязняющих веществ в год, что составляет около 300 кг на 1-го жителя [9]. Существенно загрязняют атмосферу выхлопные газы автотранспорта, в которых содержатся не только оксиды азота, оксид углерода, но и формальдегид, хлор и бен(а)пирен. Плохое экологическое состояние города Алматы делает приоритным применение энергоэффективных технологий и решений в строительстве жилья и общественных зданий.
Главными проблемами в повышении энергоэффективности являются:
1) Отсутствие капитальных вложений для повышения энергоэффективности в строительстве и проектировании;
2) Низкий уровень осведомленности о преимуществах энергоэффективных технологий проектирования;
3) Неэффективное использование энергетических ресурсов.
44% домов в Алматы построены до 1970 года (3 566 из 8 175), более 54% домов - требуют капитального ремонта (в 2 раза больше, чем в РК). В этой связи, в 2016 - 2017 годы из местного бюджета выделено 3,2 млрд. тенге на ремонт 188 домов (равно количеству за 2011 - 2015 годы) и замену 246 лифтов (снижение износа на 6,5%). Это в 1,8 раз больше объема, выделенного из республиканского бюджета за последние 5 лет (1,8 млрд.). В целом, за последние 10 лет на ремонт жилого фонда такой объем финансирования выделяется впервые.
На жилой фонд приходится 60% теплопотребления города. В 2015-2016 годы проведен энергоаудит 104 зданий жилого фонда на 26 млн. тенге. В целом, энергоэффективность жилых домов в Алматы соответствует другим городам республики. При этом, тепловые потери в жилых зданиях достигают 30%. К примеру, потребление 4-5 этажных жилых домов превышает норматив в 2,2 раза (среднее удельное потребление - 197 кВт*ч/м2 в год, норматив - 90 кВт*ч/м2). [8]
По экспертным оценкам в г. Алматы около 60 % зданий имеют высокий уровень теплопотерь. Плохая теплоизоляция: окна, двери, стены или крыши вызывают 50 % потерь энергии, особенно во время сезона отопления. Высокий уровень спроса на энергию приводит к осознание того, насколько необходимы действия для повышения энергоэффективности. Инвестиции в теплоизоляцию - самый прямой, простой и эффективный способ сэкономить на энергии. Благодаря использованию изоляционных материалов в стенах, на крыше -
террасе или на полу дома, возможно обеспечить гораздо большую терморегуляция тепла и холода в соответствующие сезоны.
Согласно стратегии повышения энергоэффективности анализируемой жилой единицы, можно сделать вывод, что при эффективной установке качественных окон с двумя слоями остекления есть возможность сократить потребление энергии и сэкономить от 12 % до 25 %. Снижение герметичности и эффективные двери способствуют к экономии от 4 % до 12 % от общего энергопотребления. Установка качественной термоизоляции фасада и наружных стен, позволит сэкономить от 25 % до 35 % от общей суммы энергопотребения. Установив теплоизоляцию толщиной не менее 6 см на террасе крыши из различных материалов таких как пенополистирол высокой плотности, мы ожидаем снижения потерь тепла и экономии от 17 % до 22 %.
Биоклиматическая архитектура основывается на следующих принципах, которые можно применить и для повышения энергоэффективности в г. Алматы:
1) Применение пассивных методов использования солнечной энергии.
Это относится к дизайну жилья для эффективного использования солнечной энергии. Поскольку в нем не используются механические системы (отсюда термин «пассивный»), он тесно связан с биоклиматической архитектурой, хотя последний также имеет дело с другими климатическими элементами, не связанными с солнечными лучами. Вот почему термин «биоклиматический» является несколько более общим и всеобъемлющим, хотя оба они работают в одном и том же направлении.
1,
Рис. 4. Принципы проектирования пассивной биоклиматической архитектуры.
2) Применение активных методов использования солнечной энергии.
Это относится к использованию преимуществ солнечной энергии с помощью механических (солнечные коллекторы) и электрических (фотоэлектрические панели), которые преобразуют электричество из солнечной энергии. Они могут дополнять биоклиматический дом и компенсировать энергетические нагрузки пользователей здания.
3) Возобновляемая энергия.
Биоклиматическая архитектура включает солнечное излучение (возобновляемое) для обогрева и охлаждения. К другим видам возобновляемой энергии относятся энергия ветра или воды (гидро) и генерация метана из органических отходов (биомасса).
4) Устойчивая архитектура.
Это энергоэффективная концепция проектирования, направленная на минимальное воздействие на окружающую среду всех процессов, связанных со строительством из материалов (производственные процессы, которые не производят токсичных отходов и не потребляют много энергии) и строительными технологиями (для минимального ущерба окружающей среде) местонахождение здания расположение и его воздействие на окружающую среду - потребление энергии и его воздействие - и переработка материалов, когда здание выполнило свою функцию и снесено. Биоклиматическая архитектура помогает снизить потребление энергии зданием в процессе эксплуатации и может быть улучшена, в сочетании с устойчивыми архитектурными технологиями.
5) Самодостаточный дом.
Относится к дому, независимому от централизованных сетей снабжения (электричество-газ-вода- ) за счет использования местных ресурсов. Кроме того, для производства энергии используется доступные экологически чистые источники энергии, такие как солнце, возобновляемые биоресурсы , ветер, вода и почва (Рисунок 5). Это помогает существенно экономить энергию для обогрева и охлаждения здания, а также его освещения.
ЗНЕРГОСБЕРЕГШЩЛЯ ВБНТИЛЯЦИОННДЯ СИСТЕМД
Рис. 5. Энергоэффективный дом.
Для достижения этих целей дому придают закругленные формы (Рисунок 6), выделяют внутри здания буферные тепловые зоны, защищают его от холодных ветров творческим использование ландшафта местности. Благодаря таким нехитрым мерам удается снизить потребление энергии на 20-30 процентов от среднего уровня.
Рис. 6. Примеры биоклиматической планировки для г. Алматы.
Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время, биоклиматические энергоэффективные здания проектируются по принципам, которые учитывают природные условия, и первоочередной целью таких зданий является обеспечение экологической и энергетической безопасности, как для человека, так и для природы. Принципы, которые были заложены в архитектурной бионике, перерабатываются современными архитекторами, заставляя их снова обращаться к истории архитектуры и цивилизаций. Каковы принципы пассивного биоклиматического проектирования в отношении энергоэффективности и что они представляют в терминах архитектуры?
Учет особенностей территории: биоклиматический дом должен быть идеально адаптирован к особенностям прилегающей территории и использовать все ее преимущества. Здание располагается на местности таким образом, чтобы обеспечивать экономию энергии и хорошую естественную освещенность.
Преимущественное использование природных материалов: архитекторы используют материалы из местных или возобновляемых источников.
Экономия энергии и её осознанное потребление: в биоклиматическом доме комфортные условия для проживания обеспечиваются без использования энергии, получаемой из ископаемых энергоносителей или на атомных электростанциях. Основная цель заключается в максимальном использовании солнечного света для обогрева жилья зимой и охлаждения летом.
Комфортное и здоровое внутреннее пространство, является приоритетом для биоклиматической архитектуры, также уделяется большое внимание хорошей теплоизоляции и оптимальной вентиляции. Именно поэтому такие дома обычно имеют компактную форму.
Заключение
Потенциал энергоэффективности для применения источников возобновляемой энергии в г. Алматы, недостаточно исследован. Более того, существует ситуация, позволяющая утверждать, что в г. Алматы не имеет необходимых природных ресурсов для полного использования возобновляемых источников энергии; в таких
экологических рамках геотермальная возможности также полностью игнорируются, и существует значительный потенциал, который необходимо изучить и подчеркнуть. Следовательно, необходимо провести надлежащее исследование по разведке геотермальных мощностей.
Крайне важно изучить, принять, адаптировать и внедрить принципы биоклиматического архитектурного проектирования, что повысит эффективность и снизит общее потребление энергии.
Биоклиматическая архитектура - это одно из направлений, которое органично сочетает традиционные приемы архитектуры и особенности окружающей среды.
Биоклиматическая энергоэффективная архитектура на сегодняшний день имеет много ветвей развития. С одной стороны, это новый уровень синтеза искусств, технологий и биологии, в котором биологические законы определяют место архитектурных решений и инновационных технологий. С другой стороны, биоклиматическая архитектура сегодня может также рассматриваться как направление энергоэффективной архитектуры, основной задачей которой является сбережение энергии, сохранение устойчивости окружающей среды и применение технологий использования возобновляемых источников энергии. Также биоклиматическая архитектура является составляющей современной городской экологии, и имеются различные пути ее развития в рамках только одной данной области градостроительства и городского хозяйства.
Список литературы
1. Усов Я.Ю. Факторы, влияющие на формирование архитектурных решений биоклиматических жилых зданий. // Устойчивая архитектура: настоящее и будущее. Тезисы докладов международного симпозиума, 17-18 ноября 2011 г. - М.: МАРХИ, 2011
2. УСТОЙЧИВАЯ АРХИТЕКТУРА. КОМПЛЕКСНЫЕ ПОДХОДЫ [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ecorussia.info/ru/ecopedia/ustoychivaya_arhitektura_kompleksnye_podhody/ (дата обращения: 08.03.2023).
3. Повестка дня на XXI век. Принята Конференцией ООН по окружающей среде и развитию, Рио -де-Жанейро, 3-4 июня 1992 г. / Документ A/CONF.151/26/REV.1(VOL.I) + Corr.1.
4. Холлоуэй Д. Пассивный дом: простой метод проектирования. Методика проектирования пассивных солнечных домов на основе принципов прямого и косвенного обогрева // Пер с англ.: Меньшинин О.П. -США, 2006.
5. ИСТОРИЯ, ПРИНЦИПЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ БИОКЛИМАТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЙ АРХИТЕКТУРЫ Д.И. Марков
6. Иконников А.В. «Архитектура ХХ века. Утопии и реальность». - М.: Прогресс-Традиция, 2002.
7. 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)
8. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://halykgm.kz/uploads/common/files/LUAr8SRM.pdf/ (дата обращения: 08.03.2023).
9. Салимбаева Р.А. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЮЖНОГО КАЗАХСТАНА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРОИТЕЛЬСТВО ЭКОНОМИЧЕСКОГО ПОЯСА ВДОЛЬ НОВОГО ШЕЛКОВОГО ПУТИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2015. - № 12-6. - С. 1105-1108;
10. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.academia.edu/93779693/Bioclimatic_architecture_and_Traditional_Houses_in_Diyarbakir/ (дата обращения: 08.03.2023).
