Архитектура дома как фактор энергосбережения

Архитектура дома как фактор энергосбережения

Из глобальных научных прогнозов следует, что человечество в XXI веке будет широко использовать солнечную энергию — практически неисчерпаемую, экологически чистую и безопасную в эксплуатации. В общем энергетическом балансе часть солнечной энергетики вскоре составит 10-25%. В архитектуре солнечную энергию можно использовать, создавая пассивные, активные и интегральные системы. Пассивные солнечно-энергетические системы известны с давних времен. Еще древнегреческие философы Ксенофонт и Сократ выдвинули идею пассивного «​​солнечного дома». Форма «дома Сократа» расширяется на южную сторону горизонта, а козырек над галерейкой или портиком закрывает внутреннее пространство от горячих лучей высокого летнего солнца и одновременно пропускает в помещение теплые лучи низкого зимнего солнца.

Активные солнечные системы появились в архитектуре XX века как ответ на экологические катастрофы и энергетические кризисы. Эти системы состоят из коллектора, аккумулятора и каналов-коммуникаций. Коллектор является собирателем солнечной энергии и ее преобразователем в тепловую или электрическую энергию. Простейшими являются плоские солнечные коллекторы, которые используют парниковый эффекта в воздушной  прослойке, закрытой стеклом, — «горячий ящик». В качестве теплоносителя в солнечных коллекторах используется жидкость или воздух. Сложные коллекторы имеют плоские или криволинейные отражатели-концентраторы, эффективную теплоизоляцию, вакуумные слои, устройства для слежения за солнцем и т.д.. Следующим важным элементом гелиосистем является аккумулятор, который чаще всего имеет вид резервуара, заполненного щебнем, водой или парафином, раствором солей в режиме фазовых превращений.

С архитектурно-морфологических и технико-экономических соображений лучше достичь органического совмещения элементов солнечных систем с конструкциями домов имеющих соответствующую форму и ориентацию. В частности, поверхность гелиоколлектора хорошо совмещается с наружными стенами домов, их наклонными покрытиями, фонарями, ограждениями балконов и лоджий, солнцезащитными устройствами световых проемов. В свою очередь, каменный массив аккумулятора, может использоваться как основа для пола, а пожарный или декоративный бассейн будет одновременно выполнять функцию теплонакопителя.

Баланс двух принципов. При проектировании формы солнечных домов основную роль играют соображения минимизации теплопотерь и максимизации теплопоступлений. Во-первых, минимум теплопотерь зависит от компактности формы. Для оценки геометрических характеристик компактности формы следует применять коэффициент компактности, который определяется по формуле:

Кк = Пз: Пе          (1)

где Пз — площадь внешней поверхности конкретного дома;

Пе — площадь внешней поверхности эталонного дома кубической формы, который имеет одинаковый объем с предыдущим объектом.

Во-вторых, максимум теплопоступлений солнечной энергии зависит от коэффициента солнечной эффективности формы, которая определяется по формуле:

Кс = Пn: Пз         (2)

где Пn — площадь проекции формы здания на плоскость, перпендикулярную солнечным лучам внешней поверхности конкретного дома,

Пз — площадь внешней поверхности дома.

Первый коэффициент иллюстрирует принцип проектирования формы солнечных домов «изнутри — наружу», когда компактная форма создает предпосылки для достижения комфорта внутренней среды при минимальных затратах энергии. Второй коэффициента в свою очередь демонстрирует принцип солнечности архитектурного формообразования «снаружи — внутрь», который требует развить форму дома навстречу солнечным лучам для поглощения большего количества тепла (рис. 1).Гелиоархитектурное формообразование

Гелиоархитектурная морфология и типология по своим истоками базируются на:

  • объемно-планировочных особенностях;
  • астрономических наблюдениях по форме солнца и его движению по небосклону;
  • бионическом формообразования живой и неживой природы;
  • исследованиях пещерных поселений первобытного человека;
  • традициях народной архитектуры;
  • авангардных трудах отдельных архитекторов;
  • международных тенденциях развития современной архитектуры.

Общую классификацию типов и форм жилой гелиоархитектуры целесообразно представить в виде таблицы:

Таблица 1. Гелиоморфологично-типологическая классификация в архитектуре жилья

Тип дома Этажность Ориентация продольной оси Аналог архитектурной формы солнечно-архитектурного объекта
Точечный (усадебный) Маленькая Широтная произвольная Пирамида, спираль, цветок, башня, цилиндр, дерево, атриум, гриб, зонтик, шар
Точечный (дом-комплекс) Большая, повышенная Широтная, произвольная Веер, спираль, дерево, обратный конус, гриб, зонт, пирамида
Блокирован по горизонтали (ковровая застройка) Маленькая Широтная, произвольная Атриум, соты пчелиных ульев, биологическая структура древесины
Блокирован по вертикали(террасная застройка) Маленькая, средняя Диагональная, меридианная, произвольная Произвольная, ступени, каскад террасный горный рельеф, пещерное поселение
Секционный (многоквартирный) Средняя, большая Широтная Ступенчатая призма или пирамида, каскад водопадов, террасный горный рельеф
Секционный (многоквартирный) Средняя, большая Диагональная Полотно пилы с двусторонним расположением зубцов, ствол кактуса
Секционный (многоквартирный) Средняя, большая Меридианная Горный рельеф, пирамида.

Примерами гелиоархитектурных форм могут быть реальные объекты построенные на территории Европы.

Здание лаборатории исследования солнечной энергии (ЕНЕА), Италия, общий вид южного фасада с солнечными панелями (угол наклона около 60 °)

Здание лаборатории исследования солнечной энергии (ЕНЕА), Италия, общий вид южного фасада с солнечными панелями (угол наклона около 60 °)

В большинстве приведенных примеров солнечных форм зданий и сооружений прослеживается тенденция к синтезу и балансу между принципами компактности и солнечности. В частности, на рисунке 3-A показано авторское предложение проекта малоэтажногодома. Здесь компактные и энергосберегающие формы куба-дома и пирамиды-оранжереи соеденины с формой цветка с лепестками — фотоелектрическими панелями. Таким образом, процесс перехода от традиционной к солнечной архитектурной форме может происходить революционным или эволюционным путем. Последний является более приемлемым для человеческого сознания.

На этом пути определяются три характерных этапа. На начальной стадии к традиционной форме добавляются отдельные гелиотехнические и конструктивные элементы (солнечные панели, окна, фонари, камины). На втором этапе происходят изменения формы (каскад, пирамида, подкова, веер), которые обеспечивают более поступления солнечного тепла. Третий, заключительный этап, должен устранить противоречия между естественной динамикой солнечной радиации (времени года, времени суток) и статикой архитектурной формы. На этом этапе основные элементы формы (стены, покрытие) приобретают свойства мобильной регуляции и следящей за солнцем действия. Эта последовательность в миниатюре напоминает процесс рождения больших архитектурных стилей, когда все начинается с незначительных изменений внешней формы, а заканчивается глубинными преобразованиями планировочной структуры зданий.

Павильон BP Solar на выставке в Бирмингеме. Форма сооружения отличается большой наклонной поверхностью южного фасада, которая имеет позитивную кривизну для увеличения мощности фотоэлектрических панелей

Павильон BP Solar на выставке в Бирмингеме. Форма сооружения отличается большой наклонной поверхностью южного фасада, которая имеет позитивную кривизну для увеличения мощности фотоэлектрических панелей

Выводы:

1. Современные гелиотехнические возможности значительно опережают развитие архитектурной морфологии и типологии, что приводит к использованию солнечных систем на фоне традиционных архитектурных форм, которые дискредитируют идею солнечной архитектуры.

2. Задача архитектурной теории и практики в условиях энергетического и экологического кризиса — активизировать развитие новой гелиоархитектурной морфологии, которая в значительной степени базируется на балансе и диалектическом взаимодействии двух принципов компактности и солнечности.

3. Решающий вклад в дело становления солнечной архитектуры дает использования достижений смежных отраслей знания, а также опыт международного реального и конкурсного проектирования, который раскрывает возможности обмена идеями, глобализации творческой архитектурной мысли и определения рейтинга отдельных архитектурных школ.

0 комментариев

Оставить комментарий

Хотите присоединиться к дискуссии?
Приглашаем поучаствовать!

Добавить комментарий