Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии

Актуальность темы

Традиционное производство и использование энергии связаны с загрязнением окружающей среды. Так, например, при сжигании ископаемых видов топлива, образуются токсичные газы и вещества, отрицательно воздействующие на окружающую среду. Потребление энергии по всему миру в ближайшие годы будет возрастать, и мы не сможем отказаться от ископаемых видов топлива. Последствием будет растущее загрязнение окружающей среды на местном, региональном и глобальном уровнях. Рациональное использование энергии, сокращение потребления энергоносителей, а также применение технологий, ненаносящих ущерба окружающей среде, представляют собой важные инструменты в сфере охраны окружающей среды. Существенная роль в снижении уровня экологического загрязнения от использования традиционных видов топлива принадлежит расширению применения возобновляемых источников энергии.

К настоящему времени потенциал возобновляемых источников энергии используется в скромных объёмах, в том числе и в строительной индустрии, как в нашей стране, так и во всём мире. Ещё более актуальной эта тема становиться в связи с разразившимся мировым финансовым кризисом, который заставил многих пересмотреть свои взгляды и планы на вопросы энергообеспечения. Следует отметить, что тема использования возобновляемых источников энергии в домостроении стала рассматриваться относительно давно, так первый дом с солнечным коллектором был построен ещё в 1947 году (дом MIT-I). Энергетический кризис 1970;х годов дал толчок развитию исследований в этой области. В нашей стране шли активные разработки домов с использованием возобновляемых источников энергии, но после 1991 года в силу ряда причин эти исследования приостановились.

Довольно долго в России считалось, что «Господь наградил Россию углём, газом и нефтью», поэтому для производства альтернативной энергии нет стимулов. За последние пять-семь лет в России возрос интерес к более интенсивному использованию возобновляемых источников энергии. По мнению аналитиков British Petroleum, с добычей нефти у нас возникнут проблемы уже в 2025 — 2035 годах. И хотя в России пока не принято ни одного закона по этой теме, в аналитической справке Комитета Госдумы по энергетике, транспорту и связи сказано: «В связи с истощением месторождений нефти и природного газа российская энергетика в течении XXI века обязана претерпеть существенные структурные изменения. Россия ставит цель снижения удельной энергоёмкости экономики к 2020 г. в 2 раза по сравнению с 2000 г.».

В одобренном Правительством в 2003 г. документе есть раздел, предусматривающий развитие возобновляемых источников энергии в Российской Федерации. Одним из направлений данного документа посвящено возможностям использования возобновляемых источников энергии. Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

— сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

— снижение экологической нагрузки от топливно-энергетического комплекса;

— энергообеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним сезонным завозом топлива.

В начале 2006 года министерство промышленности и энергетики России совместно с РАО ЕЭС в инициативном порядке разработало проект концепции и проект закона «О поддержке использования возобновляемых источников энергии в Российской Федерации». В законе заложен механизм государственной поддержки развития этого важного сектора энергетики.

По данным Международного Энергетического Агентства удельная выработка энергии из возобновляемых источников энергии (без учёта большой гидроэнергетики) в России составила в 2004 году всего 32 килограмма условного топлива на одного человека в год, что почти в 5 раз меньше, чем в Германии, в 11 раз меньше, чем в Норвегии, почти в 20 раз меньше, чем в Дании, почти в 70 раз меньше, чем в Финляндии и почти в 10 раз меньше, чем в США.

Доля нетрадиционных источников энергии в России составляет в 2006 году менее 1% от общей выработки или 991 млрд. кВт/ч. Принятие законопроекта направлено на увеличение доли нетрадиционных и возобновляемых источников в общем энергобалансе России к 2015 году до 3 — 5% и до 10% к 2020 году. По оценкам специалистов, увеличение доли нетрадиционных источников энергии до 5% потребует инвестиций порядка 50 — 70 млрд. рублей.

На фоне общей значимости применения возобновляемых источников энергии выделяется отдельной темой архитектура жилищного строительства с упомянутыми источниками энергии.

В нашей стране с 1917 по 1990;е годы жилищное строительство в сельской среде, в подавляющем большинстве случаев, велось по типовым проектам, где обеспечивался минимальный уровень комфорта и физиологических норм. После 1991 года начался новый этап проектирования и строительства загородного жилья, но нехватка опыта в этом виде проектирования и строительства приводила, на начальном этапе, ко многим проблемам.

Тема загородного и сельского жилья, использующего возобновляемые источники энергии, актуальна не только с точки зрения экологичности, но и с точки зрения развития направления архитектуры жилого малоэтажного дома.

Состояние вопроса. Рассматриваемый вопрос использования возобновляемых источников энергии в архитектуре малоэтажных жилых домов непосредственно связан с проблемой энергосбережения в жилищном строительстве. В основе исследований по энергосбережению лежат труды по изучению народного жилища, из которых нужно отметить работы, где рассматриваются традиционные жилища Севера и Сибири, таких авторов как.

— А. В. Ополовников, И. Э. Грабарь, С. Я. Забелло, М. В. Красовский, И. В. Маковецкий, П. А. Раппопорт, Е. А. Ащепков, Ю. С. Ушаков.

Принципы проектирования народного жилища раскрыты также в работе Б. М. Полуя. Помимо этого в его работе исследованы приёмы проектирования в экстремальных климатических условиях Севера.

Большое внимание изучению традиционных жилищ уделено в работах Т. А. Маркуса и Н. И. Масленникова.

В настоящее время основой для проектно-нормативной базы является СНиП 2.08.01.-89* «Жилые здания» и СНиП 31−02−2001 «Дома жилые одноквартирные».

Исследованиями в области использования возобновляемых источников энергии в архитектуре занимались: А. Н. Сахаров, И. И. Анисимова, Э. В. Сарнацкий, С. К. Саркисов, Н. П. Селиванов, Г. И. Полторак. Диссертации на эту тему были написаны М. М. Захидовым, Н. И. Масленниковым, М. А. Демидовой, С. С. Ушаковым, В. А. Акопджанян.

Среди зарубежных исследователей этой проблематики необходимо отметить архитекторов: С. Зоколей, С. Удел, Б. Андерсон, Д. Ватсон, А. Шуберт, Г, Хилльманн.

Исследования выше перечисленных авторов приходятся на 80-е года прошлого века. В это время сформировалось начало типологии «солнечных» домов и их деление на активный и пассивный способ использования солнечной энергии.

В СССР типологией домов, использующих солнечную энергию, занимался А. Н. Сахаров и И. И. Анисимова. Ими так же была составлена типология ветровых установок и возможность их монтажа на жилые дома.

В 1976 г был проведён международный студенческий конкурс на тему «Посёлк для 50 жителей с автономной системой энергообеспечения». Победителем конкурса стал проект, разработанный студентами МАрхИ.

В МАрхИ с 1977 года идут исследования и проектирование жилых и общественных зданий с солнечным энергообеспечением.

Был спроектирован комплекс зданий с солнечным тепло-хладоснабжением в Крыму, в районе Алушты (КиевЗНИИЭП).

Экспериментальные проекты были разработаны институтом Дагестангражданпроект на научном полигоне «Солнце» в 1983 — 1986гг.

Архитекторами Н. И. Маслённиковым и Е. В. Плюхиным был разработан экспериментальный проект малоэтажного жилого дома усадебной застройки с гелиосистемами для отопления и горячего водоснабжения.

В современных работах немалую роль уделяют использованию возобновляемых источников энергии в архитектуре такие авторы, как — В. А. Новиков, Н. А. Сапрыкина, A.M. Баталов, О. Д. Бреславцев, Н. Н. Гераскин, А. Ю. Табунщиков, И. В. Черешнев.

Экспериментальные жилые дома с использованием возобновляемых источников энергии строятся в Екатеринбургской области, в Барнауле, а также в Новосибирске Новосибирским институтом теплофизики.

Индивидуальные застройщики частных домов на юге России часто используют для горячего водоснабжения солнечные коллекторы.

Среди современных зарубежных исследователей можно упомянуть архитекторов — Петера и Бренду Вале, Сьюзан Роаф.

Помимо многочисленных частных домов, проектируемых с использованием возобновляемых источников энергии, в Европе. активно действуют программы по проектированию «экологических поселений», поддерживающимися государственными и региональными программами. Такие, как жилые дома в Хокертоне (Великобритания), «солнечные посёлки» в Германии (например, посёлок Аахен-Лауренсберг, посёлок Бекум), район Виикки в Финляндии, посёлок Амерсфурт (Нидерланды), район в городе Охусе (Дания), район в Тронхейме (Норвегия).

Цель исследования. Целью исследования является разработка рекомендаций по архитектурному формированию малоэтажных жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии, как разновидности нового вида архитектуры — «экологической» архитектуры.

Задачи исследования: 1) проанализировать зарубежный и отечественный опыт современного жилищного строительства с использованием возобновляемых источников энергии, и опыт «традиционного жилища" — 2) разработать классификацию малоэтажных жилых домов, использующих возобновляемые источники энергии- 3) выявить принципы проектирования «климатических домов» и их связь с принципами проектирования «традиционного жилища" — 4) сформулировать правила проектирования малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии («энергонезависимых домов») — 5) выявить принципы проектирования «автономных домов" — 6) разработать направления, связанные с использование возобновляемые источники энергии на объёмно-пространственном и функционально-планировочном уровне.

Объект исследования — стационарное постоянно-обитаемое малоэтажное жилище.

Предметом исследования является архитектурно-планировочная организация малоэтажного жилого дома, использующего возобновляемые источники энергии, соответствующая природно-климатическим, экологическим, экономическим и техническим требованиям.

Границы исследования. Исследование ограниченно типологическими вопросами формирования малоэтажного жилища с использованием возобновляемых источников энергии.

Методика исследования: 1) изучение научных трудов, нормативных, проектных и методических документов и материалов по проблеме- 2) использование методов исторического исследования, системного анализа и графоаналитического метода- 3) системное представление объекта, взаимосвязанная разработка основных аспектов типологии и объёмно-планировочной организации малоэтажных домов с использованием возобновляемых источников энергии- 4) экспертная оценка, консультации со специалистами по использованию возобновляемых источников энергии в архитектуре, архитекторами, строителями- 5) экспериментальное проектирование, в том числе макетирование, малоэтажных жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии.

Научная новизна исследования заключается: 1) в рассмотрении малоэтажного жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии не как экспериментального дома для научных исследований, а как нового типа жилья, имеющего массовый характер и большую распространённость- 2) в определении типологии таких домов- 3) в разработке типов малоэтажных жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии и объёмно-пространственных и функционально-планировочных приёмов в проектировании таких домов.

На защиту выносятся: 1) принципы формирования архитектурной объёмно-планировочной структуры малоэтажного жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии- 2) классификация и номенклатура типов таких домов- 3) функционально-планировочная структура малоэтажного жилого дома с использованием возобновляемых источников энергии.

Практическая значимость работы определяется актуальной необходимостью создания «экологического» жилья и экономии энергоресурсов.

Внедрение.

— результаты исследования изложены в публикациях:

• Афанасьева O.K. Гелиотеплицы в малоэтажном жилищном строительстве. // Жилищное строительство — Москва: ООО РИФ «Стройматериалы», 2007, № 11. [18−20].

Афанасьева O.K. Архитектура сооружений, использующих альтернативные источники энергии. Ветер. // Архитектурная наука и образование: Тезисы докладов научной конференции, посвященной 60-ти летию Победы в Великой Отечественной. — Москва: Архитектура-С, 2005. [117].

• Афанасьева O.K. Архитектура сооружений, использующих альтернативные источники энергии (Солнце). // Архитектурная наука и образование: Тезисы докладов научной конференции, МАрхИ — Москва: Архитектура-С, 2006. [106−107].

• Афанасьева O.K. Архитектура малоэтажных домов с использованием возобновляемых источников энергии. // Учебное пособие. — Москва, 2007.

• Афанасьева O.K. Гелиотеплица в архитектуре малоэтажных жилых домов. // Виртуальная научно-техническая библиотека http://www.sciteclibrary.ru/ - Москва, 2008 [Режим доступа: http://www.sciteclibrarv.ru/rus/catalog/pages/9350.html].

• Афанасьева O.K. Возобновляемые источники энергии в архитектуре малоэтажных жилых домов.//Вопросы гуманитарных наук — Москва: Компания Спутник+ 2009,№ 1, [192−193].

Экспериментальное проектирование, в том числе макетирование, малоэтажных жилых домов с использованием возобновляемых источников энергии.

Учебный процесс:

Участие в дипломном проектировании Московского Архитектурного Института в 2007 г.

Структура диссертации. Работа состоит из двух томов. Первый том включает введение, четыре главы, заключение с обобщающими выводами, библиографию. Основной текст содержит 132 страницы, библиография состоит из 205 наименований. Второй том включает 54 графических таблиц.

Выводы по главе IV.

1. «Автономный дом» — это «энергонезависимый дом», с системой жизнеобеспечения замкнутого цикла. «Энергонезависимый дом» с дополнительными функциями и оборудованием.

2. К таким дополнительным функциям относятся: а) использование накопления дождевой воды в хозяйственных целяхб) наличие теплицы, в которой выращивают фрукты и овощи в неурожайное время года, она же выполняет так же функции гелиотеплицыв) наличие прудов для выращивания аквакультуры (рыб и/или водорослей) и/или небольшое фермерское хозяйствог) системы экономии воды, вторичного её использования и системы переработки бытовых стоков.

3. На объёмно-планировочное решение дома сильно влияет только гелиотеплица с прудом /или прудами (как и любая гелиотеплица, а, в данном случае, её габариты значительно больше обычной гелиотеплицы, т.к. её функция — выращивать овощи и фрукты). Также, если есть в наличии фермерское хозяйство, то оно тоже значительно влияет на объёмно-планировочное решение дома.

4. «Автономные дома» можно разделить на две группы: а) Дом двумя объёмами — дом, в котором хозяйственные помещения (теплица, пруды и т. п.) вынесены от жилых помещениям в отдельный корпусб) Дом одним объёмом — дом, где все помещения расположены в одном корпусе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ зарубежного и отечественного опыта современного жилищного строительства с использованием возобновляемых источников энергии, показал, что экологические проблемы и возрастающий дефицит энергии требуют новых решений в архитектуре малоэтажных жилых домов, а именно с использованием: низкопотенциальной тепловой энергии (почвы и грунта, зданий и помещений, сельскохозяйственных животных) — энергии биомассы: отходы (сельскохозяйственные, лесного комплекса, твердые и жидкие коммунально-бытовые отходы) — энергии водных потоков на суше (гидроэлектростанции, мощностью менее 1 МВт (миниГЭС, микроГЭС) — энергии ветраэнергии солнца.

2. Разработана классификация малоэтажных жилых домов, использующих возобновляемые источники энергии, по степени применения возобновляемых источников энергии (основана на исследованиях отечественной и зарубежной архитектурной практики, и проектирования «традиционного жилища»). Дома делятся на три группы, которые включают одна другую (Том 2, стр. 5.1): «Климатические дома" — «Энергонезависимые дома" — «Автономные дома».

3. Проектирование «климатических домов» отвечает всем принципам «традиционного жилища»: теплового зонированиякомпактности застройкикомпактности объёмно-планировочного решенияучёта взаимосвязи климатических факторовтеплотехнических свойств ограждающих конструкцийвентиляции здания.

Климатические дома" - это энергоэффективные дома, проектируемые с учётом местных климатических факторов (Том 2, стр. 5.1). В проектировании таких домов максимально учитывается окружающий климатдома ориентируются по сторонам света, направлению господствующих ветров и снеговых заносоввнутреннее зонирование так же учитывает ориентацию по сторонам светанаружные ограждающие конструкции хорошо изолированы от воздействия неблагоприятных внешних условий. При проектировании дома учитывается рельеф местности, соседние постройки и зелёные насаждения.

4. «Энергонезависимые дома» — это «климатические дома», которые используют для своего энергообеспечения возобновляемые источники энергии. Сформулированы правила проектирования «энергонезависимых домов» (малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии):

— здание должно быть «климатическим домом», т. е. построенным с учётом взаимосвязи все климатических факторов и принципов энергосбережения;

— планировка дома (участка), конструкции дома или специальное оборудование рассчитано на преобразование энергии возобновляемых источников энергии. Эта энергия частично или полностью покрывают энергетические расходы дома.

В архитектуре малоэтажного жилого дома могут быть использованы почти все виды возобновляемых источников энергии. Выбор и способы использования возобновляемых источников энергии зависят от местных условий.

Изучение «энергонезависимых домов» и их классификация является основной частью работы (Том 2, стр. 5.1 и Том 2, стр. 5.2). Дома классифицируются по тому, какой источник возобновляемой энергии, используется для энергетических затрат дома.

Использование энергии биомассы классифицируется по количеству биомассы и расположения установки по переработки биомассы.

Использование энергии водных потоков на суше классифицируется по выбранной схеме ГЭС.

Использование энергии ветра классифицируется по способу монтажа ветроустановки, её месторасположение и наличия/отсутствия концентратора ветровой энергии.

Среди малоэтажных жилых домов, использующих возобновляемые источники энергии наиболее многочисленна классификация малоэтажных жилых домов, использующих энергию солнца. Существует огромное разнообразие способов сбора солнечной энергии: от простых — передача и хранение тепла в конструкциях дома, до более сложных — превращение солнечного излучения в электричество и систем гелиослежения (Том 2, стр. 5.2).

5. «Автономный дом» — это «энергонезависимый дом» с системой жизнеобеспечения замкнутого цикла (Том 2, стр. 5.2).

Принципы проектирования «автономного дома»:

— дом является «энергонезависимым домом»;

— в доме присутствует система жизнеобеспечения замкнутого цикла.

В таком доме функции быта и отдыха совмещены с производством сельскохозяйственной продукции.

В этом доме должна быть система сбора, фильтрации и накопления дождевой воды для питья и хозяйственных нужд. Все отходы жизнедеятельности человека и животных утилизируются и перерабатываются.

В идеале — владелец такого дома может прожить без внешних коммуникаций и общения с «внешним» (вне дома) миром.

6. В практике архитектурного проектирования малоэтажного жилого дома рекомендуется учитывать следующие направления разработок, связанных с использованием возобновляемых источников энергии:

На уровне планировки посёлка (Том 2, стр. 7.1):

— ориентация улиц и домов по сторонам света;

— компактная планировка для суровых климатических условий;

— влияние климатических факторов (ветер, водоёмы, рельеф, большие зелёные насаждения);

— высота и плотность застройки (дома не должны мешать поступлению солнечного света на соседние дома).

На уровне зонирования посёлка (Том 2, стр. 7.1):

— появляется новая совмещенная зона, которая включает в себя жилую зону и зону энергетического узла, т.к. либо конструкции дома способствуют отоплению или охлаждению здания, либо конструкции дома предусматривают вмонтированные энергоулавливающие приборы;

— появление новых инженерных сооружений и зон (со своими санитарно-защитными зонами): ветропарки, солнечные поля, биогазовые станции, мини-ГЭС.

При озеленении посёлка (Том 2, стр. 7.1):

— озеленение с учётом микроклиматических условий и ориентации по сторонам света. Зелёные насаждения не должны затенять солнечные стороны домов зимой, а так же солнечные установки, создавать хорошее затенение летом, не мешать ветровым потокам, направленным на ветровые установки, но осуществлять защиту от холодных зимних ветров для жилого дома.

На уровне планирования усадьбы (Том 2, стр. 7.1) разрабатываются те же направления, что и на уровне планировки посёлка, только меньшего масштаба.

На уровне зонирования усадьбы (Том 2, стр. 7.1) имеют место те же направления разработок, что и на уровне зонирования посёлка, прибавляется пункт:

— появления новых инженерных сооружений на участке для накапливания и фильтрации воды и для утилизации отходов жизни деятельности.

При озеленения усадьбы (Том 2, стр. 7.1) — аналогичные разработки, что и при озеленении посёлка, только меньшего масштаба.

На уровне планировки дома (Том 2, стр. 7.2):

— ориентация помещений по сторонам света. Необходимость ориентировать жилые помещения на южные стороны дома, а подсобные на северные;

— внутренняя планировка дома. Больше акцентов в планировке дома отдаётся свободной циркуляции воздуха из одного жилого помещения в другое, для этого используется: открытая планировка общественных помещений, двухсветные пространства. Появляется новое помещение с южной стороны дома — гелиотеплица;

— появляется подвальное помещение большого объёма для аккумулирования тепла.

На уровне зонирования дома (Том 2, стр. 7.2) дом делится на тепловые зоны.

В конструкциях дома (Том 2, стр. 7.2):

— наружные ограждающие конструкции дома становятся энергоприёмными поверхностями: тип «отопление (охлаждение) здания через ограждающие конструкции» (стр. 86) — тип «дома с модулями фотоэлементов, которые вмонтированы в ограждающие конструкции» (стр. 106) — тип «дом и, расположенный на доме, ветроактивный элемент полифункционального назначения» (стр. 69). Другой вариант — наружные конструкции, на которые монтируются солнечные коллекторы и/или панели фотоэлементов;

— внутренние конструкции дома используются, как аккумулятор тепла.

В экстерьере дома (Том 2, стр. 7.2):

— наружные конструкции с энергоприёмными поверхностями и конструкции с монтируемыми на них солнечными коллекторами и/или панелями фотоэлементов;

— монтаж различных ветро — солнечных установок — вид установок и способ монтажа;

— появление солнцезащитных устройств.

В интерьере здания (Том 2, стр. 7.2):

— внутренние конструкции дома, которые используются для аккумулирования тепла. Как правило, они отделываются тёмными отделочными материалами;

— наружные конструкции с энергоприёмными поверхностями влияют на интерьер дома. Так, тип «отопление (охлаждение) здания через ограждающие конструкции» (стр. 86) влияет на остекление дома, и соответственно на интерьерное освещение, так же вмонтированные в остекление панели фотоэлементов влияют на освещение интерьера.

На уровне инженерного оборудования и коммуникаций дома (Том 2, стр. 7.2):

— необходимость в аккумулировании, т.к. большинство возобновляемых источников энергии дают не постоянную энергию;

— для эффективного использования тепла от ВИЭ используются каналы, вентиляторы и датчики тепла для равномерного распределения тепла.

Экологические проблемы и возрастающий дефицит энергии требуют новых решений в архитектуре малоэтажного жилого дома. Вкладом архитектуры в защиту окружающей среды является создание зданий, которые бы уменьшали затраты энергии на отопление, горячую воду, электрический ток из традиционных источников энергии. Это возможно, благодаря лучшей теплоизоляции зданий, оптимизации технических процессов, применения энергосберегающих решений при проектировании зданий, оснащение зданий приборами по улавливанию энергии от возобновляемых источников и их дальнейшей переработки для потребителя.

Использование в архитектуре малоэтажных жилых домов выявленных в исследовании направлений и приёмов использования возобновляемых источников энергии позволит создать на практике жилые малоэтажные дома нового поколения, отличающихся экологической эффективностью, индивидуальностью внешнего облика и высоким архитектурно-эстетическим уровнем.