Малоэтажное жилищное строительство: в поисках совершенства

Здания и сооружения, являясь результатом строительной деятельности в целях осуществления определенных потребительских функций, оказывают существенное воздействие на окружающую среду. Удовлетворяя свои потребности в среде обитания путем строительства зданий, расходуя при этом невозобновляемые источники энергии и воздействуя на экологию, люди должны стремиться защищать функционирование земной экосистемы в целом от своей деятельности, обеспечивая устойчивость развития для будущих поколений [1–3].

Проанализируем ключевые аспекты создания современного малоэтажного жилья и перспективы его развития в России. 

Преимущества малоэтажного жилищного строительства

Малоэтажное жилищное строительство имеет высокие потребительские качества. По сравнению с высотной застройкой скорость возведения малоэтажного жилья кратно увеличивается. Такие дома отличаются большей безопасностью и улучшенными эксплуатационными характеристиками. С точки зрения экологии малоэтажные здания наносят гораздо меньший вред окружающей среде из-за низкой плотности застройки, есть возможность организовать больше рекреационных зон. Уменьшение плотности застройки снижает нагрузку на социальную, транспортную, инженерную инфраструктуру.

Однако, несмотря на очевидные преимущества малоэтажного жилищного строительства, такие проекты редко бывают масштабными и не всегда соответствуют понятию доступного жилья. Высокая стоимость земли, подключение к коммуникациям, строительство малоэтажных объектов на удаленных территориях требуют больших затрат на инженерную и транспортную инфраструктуру. Часто проекты жилых домов не учитывают влияние климатических условий и потребляют значительное количество энергии.

Актуальной задачей является поиск эффективных градостроительных, архитектурных и инженерных решений для малоэтажного жилищного строительства, направленных на повышение устойчивости среды обитания объекта. Проанализируем ключевые аспекты создания современного малоэтажного жилья и перспективы его развития в России. 

Создание комфортной среды как целевая задача

Целевой задачей современной архитектуры и строительных наук является создание комфортной среды обитания. Жилище должно удовлетворять физиологическим и психологическим потребностям человека, обеспечивая высокое качество жизни. Значительную часть жизни человек проводит в жилом здании. Пребывание людей в здании и на территории застройки должно быть безопасным и вызывать жизнеутверждающие эмоции, соответствовать социальным и духовным потребностям человека. Жилище – среда жизнедеятельности человека – должно быть экономичным, экологически безопасным и энергетически эффективным в течение всего жизненного цикла здания. 

Ограждающие конструкции здания

Комфортная среда в помещениях создается внешней оболочкой здания и инженерными системами. Подвергаясь различным климатическим воздействиям, внешняя оболочка здания должна гарантировать требуемую теплозащиту помещений, защиту от влаги и иметь необходимые воздухо-изоляционные свойства. Ограждающие конструкции здания, формирующие оболочку, должны обеспечивать:

• требуемый тепловлажностный и воздушный комфорт в помещениях (совместно с системами отопления и вентиляции);

• недопущение конденсации водяного пара на внутренней поверхности или внутри конструкции;

• световой и акустический комфорт в помещениях;

• энергетическую эффективность здания;

• собственную высокую надежность и долговечность. 

Особенности российского климата

Климат нашей страны исключительно разнообразен. В районе Оймякона в Якутии расположен полюс холода обжитых районов земли, где температура воздуха понижается до –71 °C при среднегодовой температуре –17 °C. На метеостанции Утта в Калмыкии температура воздуха повышается до 45 °C при среднегодовой температуре 10 °C. Во многих пунктах побережья Ледовитого океана отопительный период продолжается весь год, в то время как в отдельных районах Кавказа он длится около трех месяцев (например, в Сочи – 94 сут./г).

Климат большей части территории нашей страны более суров, чем других государств. Это требует повышенного внимания к теплозащите зданий в холодный период года. Но в жарких районах необходимо защищать здания от перегрева солнечным излучением и обеспечивать искусственное охлаждение помещений в течение теплого периода года.

Таким образом, создание комфортной среды является сложной и многофакторной задачей, эффективное решение которой может быть достигнуто только совместными усилиями градостроителей, архитекторов и инженеров. 

Регулирование климатических воздействий – важный аспект создания энергоэффективной среды

В правильно спроектированном здании должно обеспечиваться регулирование климатических воздействий. Это означает, что в здании наилучшим образом должны быть использованы положительные и нейтрализованы отрицательные воздействия наружного климата на энергетический баланс здания.

Рассмотрим основные типологические признаки малоэтажного жилого дома применительно к условиям холодного, умеренного, жаркого сухого и теплого влажного климата. 

Малоэтажное строительство в холодном климате

Холодный климат характеризуется низкими температурами наружного воздуха в течение всего года и большой продолжительностью отопительного периода. Главной задачей здесь является максимальное снижение тепловых потерь через оболочку здания. Это достигается, прежде всего, максимальной компактностью здания. Сокращение площади оболочки позволяет снизить климатическую нагрузку на здание. Оболочка здания должна иметь высокий уровень теплозащиты с минимальным количеством «краевых зон» [4]. Площадь окон следует определять в соответствии с минимальными требованиями естественной освещенности помещений. Эффективным градостроительным приемом является блокирование автономных жилых модулей, что повышает компактность зданий. Размещение атриума в здании снижает тепловые потери через смежные с атриумом ограждающие конструкции. Компактная градостроительная структура поселка защищает людей от непогоды.

Оценка оптимальности формы и ориентации здания может быть выполнена в соответствии с методикой [2]. 

Малоэтажное строительство в умеренном климате

Умеренный климат характеризуется, как правило, холодной зимой и теплым (жарким) летом. Здесь необходима высокая компактность здания для снижения тепловых потерь зимой и тепловых поступлений летом.

Оболочка здания должна иметь повышенный уровень теплозащиты. Дальнейшее сокращение расхода тепловой энергии на отопление и вентиляцию здания достигается за счет тепловых поступлений от солнечного излучения через большие окна южной ориентации. Увеличение площади световых проемов требует повышения уровня теплозащиты оконных конструкций. Для максимального снижения инфильтрационных тепловых потерь оболочка здания должна быть герметичной. При этом требуемый воздухообмен в помещениях часто обеспечивается за счет естественной вентиляции через регулируемые приточные устройства, размещенные в наружных стенах или окнах.

Повышение энергоэффективности здания может быть достигнуто путем применения механической вентиляции с рекуперацией теплоты. Летом интенсивный приток солнечного излучения в здание может вызвать перегрев, поэтому необходимо применение наружных регулируемых солнцезащитных устройств.

Малоэтажное строительство в жарком сухом климате

Основной характеристикой жаркого сухого климата помимо высоких температур наружного воздуха является большая амплитуда их суточных колебаний (18 °C и выше). Наиболее эффективное объемно-планировочное решение – здание с открытым внутренним двориком и небольшими окнами снаружи. Внутренний дворик может быть использован для размещения бассейна.

Главной теплотехнической особенностью оболочки является ее высокая теплоустойчивость, что достигается применением массивных конструкций стен и крыш. Крыши преимущественно совмещенные (бесчердачные) или чердачные с устройством вентилируемой воздушной прослойки. Наружные поверхности ограждающих конструкций имеют светлую облицовку. Вокруг дома часто устраивают открытые затеняющие веранды и галереи, защищающие наружные поверхности стен от прямого солнечного излучения. Окна имеют жалюзи для защиты помещений от перегрева в наиболее жаркие часы суток. Здания размещают среди зеленых насаждений, активно используют ландшафтное орошение.

Малоэтажное строительство в теплом влажном климате

Теплый влажный климат создает определенные трудности в регулировании климатических воздействий. Ночью воздух охлаждается в меньшей степени по сравнению с жарким сухим климатом, а высокая относительная влажность ограничивает испарение с поверхности. В таких условиях целесообразна широтная ориентация здания с применением массивных торцевых стен, ограничивающих теплопоступления, и легких конструкций продольных стен, обеспечивающих сквозное или угловое проветривание. Другим способом является применение гибридной теплоизоляции оболочки. Нижняя часть здания, предназначенная для дневного пребывания (гостиная, кухня, столовая), выполняется из массивных теплоустойчивых конструкций; верхняя часть, используемая преимущественно в ночное время (спальни), реализуется в легких малоинерционных конструкциях. Таким образом, в дневное время максимально ограничивается поступление теплоты в здание, а ночью тепловая энергия быстро рассеивается, охлаждая помещения.

Важно отметить, что регулирование климатических воздействий открывает широкие возможности для создания энергоэффективной среды, сокращая энергетические нагрузки на системы климатизации зданий. 

Зеленые крыши и фасады – высокий потенциал энергосбережения

Актуальной проблемой в области строительства является применение современных энергосберегающих и экологически безопасных технологий. К ним относят озеленение фасадов и крыш для регулирования температуры и влажности в зданиях. Яркое преимущество технологий зеленого строительства – формирование условий для здорового образа жизни, прежде всего за счет поглощения пыли, сокращения уровня шума и защиты строительных ограждающих конструкций от атмосферных воздействий.

Благодаря применению технологий зеленого строительства достигается эффект повышения уровня теплоизоляции строительных ограждающих конструкций за счет:

• снижения потерь теплоты через отдельные ограждающие конструкции и теплозащитную оболочку здания в целом, что позволяет сократить количество потреб-ляемой тепловой энергии;

• улучшения теплового комфорта в помещениях вследствие уменьшения интенсивности лучистого и конвективного теплообмена на внутренней поверхности ограждений;

• снижения загрязненности окружающей среды ввиду сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу. 

Озеленение фасадов и крыш способствует смягчению теплового режима жилой застройки посредством затенения, испарительного охлаждения и тепловой изоляции. Применение зеленых крыш сглаживает эффект тепловых островов за счет выравнивания температуры поверхностей и может существенно понизить среднюю температуру целого города.

На основе проведенной оценки теплового воздействия фасадов и крыш на окружающую среду показано [5], что наибольшее тепловое воздействие на внешнюю среду оказывает традиционная крыша с темной кровлей. Применение светлой кровли существенно уменьшает тепловую нагрузку, снижая температуру наружной поверхности конструкции вследствие высокого отражения солнечного излучения. Максимальное выравнивание температуры дает зеленая крыша, главным образом за счет теплового аккумулирования поверхностным массивным слоем.

В целом можно отметить меньшее тепловое воздействие фасадов зданий по сравнению с крышами, что обусловлено меньшим значением суммарного солнечного излучения на вертикальную поверхность фасадов. Большее тепловое воздействие на окружающую среду оказывает фасадная система с тонкой штукатуркой по утеплителю. Применение облицовочного кирпичного слоя способствует выравниванию температуры на внешней поверхности конструкции. Минимальное тепловое воздействие характерно для навесных вентилируемых фасадных систем. 

Использование энергии солнечной радиации

Для создания комфортной среды обитания в зданиях требуются затраты энергии. Здания и сооружения потреб-ляют огромное количество энергетических ресурсов. Расход топлива на теплоснабжение зданий составляет около 40 % всего добываемого топлива. Традиционное жилое здание потребляет 200–250 кВт•ч/(м²•год) тепловой энергии на отопление и вентиляцию.

Сегодня мы живем за счет нефти, газа, угля, атомной энергии – все это исчерпаемые источники энергии. Запасы органического топлива ограниченны. По оценкам ведущих российских специалистов нефти хватит на 40–50 лет, газа – на 60–70 лет, угля – значительно на больший срок, но при этом возникает масса экологических проблем.

На самом деле у человечества есть такой неисчерпаемый экологически безопасный источник энергии, как солнце. Не случайно писатель Максим Горький сравнивал солнце с «океаном энергии, красоты и опьяняющей душу радостью». Согласно справочным данным годовое количество солнечной энергии, поступающей на единицу площади горизонтальной поверхности, равно: в Санкт-Петербурге – 5 266 МДж/(м²•год), в Москве – 5 697 МДж/(м²•год), в Волгограде – 6 587 МДж/(м²•год). С помощью современных гелиотехнических устройств может быть полезно использовано 10–50 % этой энергии. В строительстве применяют пассивные и активные системы солнечного теплоснабжения зданий. 

Пассивное использование солнечной энергии

Пассивное использование солнечной энергии состоит в непосредственном нагревании ограждающих конструкций зданий солнечной радиацией с последующей передачей теплоты в обогреваемые помещения. В простейшей системе используется прямое улавливание солнечного излучения через большие окна южной ориентации, подобно солнечному дому Сократа (рис. 1).

В более сложной системе используется пристроенная к зданию солнечная теплица. В наиболее эффективной системе – стене Тромба – солнечное излучение поглощается вертикальными ориентированными на юг массивными темными стенами. У наружной поверхности стены установлен стеклянный экран. У пола и потолка обогреваемого помещения имеются отверстия для подачи в помещение теплого воздуха из воздушной прослойки и отвода холодного воздуха в прослойку. КПД современных пассивных систем солнечного теплоснабжения зданий может достигать 60–75 %. Пассивные системы не требуют применения специального оборудования, а потому их часто применяют в энергоэкономичных зданиях. 

Активное использование солнечной энергии

В отличие от пассивного активное использование солнечной энергии основано на применении гелиоустановок, преобразующих солнечную энергию в тепловую (рис. 2).

Простейшая гелиоустановка состоит из солнечного коллектора, улавливающего солнечную энергию, и теплового аккумулятора – накопителя энергии. В настоящее время известно множество различных видов гелиоустановок, обеспечивающих солнечное теплоснабжение зданий [1]. Для отопления и кондиционирования зданий широко применяют теплонасосные системы, использующие теплоту верхних слоев земли и грунтовых вод [2, 6].

В ближайшей перспективе эффективным методом преобразования солнечной энергии в электрическую может стать преобразование на основе полупроводниковых солнечных батарей, а это очень тесно связано с развитием нанотехнологий. Специалисты утверждают, что сегодня уже созданы солнечные батареи с КПД 30–35 %, а в ближайшем будущем он достигнет 40–45 %. Через 20–30 лет этот тип солнечной энергетики станет экономически сравнимым с другими видами получения энергии.

Применение альтернативной и возобновляемой энергии решает вопрос о сохранении природных богатств и позволяет повысить устойчивость среды обитания для будущих поколений. 

Автоматизация систем жизнеобеспечения среды обитания

Главной целью внедрения автоматизированных систем жизнеобеспечения среды обитания объекта является повышение безопасности, создание оптимальных условий комфорта, обеспечение максимальной эффективности энерго- и ресурсопотребления. Автоматизированная система управления является технической основой умных зданий. Она предназначена для высокоэффективной реализации процессов и операций в современных зданиях и на территории застройки.

Инженерные системы объекта должны быть интегрированы в единый комплекс контроля и управления:

• комфортом среды обитания объекта (тепловлажностным, воздушным, световым и акустическим режимами);
• сбором и утилизацией отходов;
• водоснабжением и утилизацией стоков;
• расходами тепловой энергии на горячее водоснабжение, отопление и вентиляцию, расходом электрической энергии;
• потреблением возобновляемых и вторичных энергоресурсов;
• воздействием объекта на окружающую среду.

Результат достигается за счет существенного повышения качества работы систем жизнеобеспечения среды обитания.

Идеальный жилой дом

Таким образом, анализ ключевых аспектов малоэтажного жилья позволяет увидеть в них свойства, присущие идеальному жилому дому, имеющему возможность:

• создания комфортной среды обитания объекта;
• регулирования климатических воздействий для наилучшего использования положительных и нейтрализации отрицательных воздействий наружного климата на энергетический баланс здания;
• внедрения современных энергосберегающих и экологически безопасных технологий зеленого строительства;
• широкого использования альтернативной и возобновляемой энергии для повышения устойчивости среды обитания объекта;
• применения автоматизированных интеллектуальных систем жизнеобеспечения среды обитания для высокоэффективной реализации процессов и операций в современных зданиях и на территории застройки.

Это позволяет сделать вывод о том, что энергоэффективное экологически безопасное экономичное малоэтажное жилищное строительство в России актуально и перспективно. 

Литература

1. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М. : АВОК-ПРЕСС, 2003. 100 с.
2. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М. : АВОК-ПРЕСС, 2002. 194 с.
3. Алоян Р. М., Федосов С. В., Опарина Л. А. Энергоэффективные здания – состояние, проблемы и пути решения. Иваново : ПресСто, 2016. 276 с.
4. Корниенко С. В. Повышение энергоэффективности зданий за счет снижения теплопотерь в краевых зонах ограждающих конструкций. Волгоград : ВолгГАСУ, 2011. 107 с.
5. Корниенко С. В. Зеленое строительство – комплексное решение задач энергоэффективности, экологии и экономии // Энергосбережение. 2017. № 3. С. 22–27.
6. Vasil’ev G. P., Gornov V. F., Kolesova M. V., Yurchenko V. A., Dmitriev A. N. Ground source heat supply in Moscow oblast: temperature potential and sustainable depth of heat wells // Thermal Engineering. 2018. Vol. 65. No. 1. Pp. 72–78.

ОБ АВТОРЕ

С. В. Корниенко, доктор техн. наук, профессор кафедры «Архитектура зданий и сооружений», профессор кафедры «Урбанистика
и теория архитектуры» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»