Особливості екологічного проектування

(тези доповіді, матеріали веб-сайту)

Тетяна Ернст, архітектор, к.арх.
http://www.ernst.kiev.ua/index_ru.html

Сьогодні «екологічна поведінка» та «екологічне проектування» має включати в себе низку заходів щодо поліпшення загальної екологічної ситуації на планеті, забезпечення здоров’я кожної людини зокрема, а також воно має передбачати дбайливе та економне використання енергоресурсів.

1. Не шкодити здоров’ю людини, забезпечувати комфортний клімат у приміщенні шляхом:

• Використання будівельних та оздоблювальних матеріалів і конструкцій, що не виділяють шкідливих речовин під час їх експлуатації.
• Використання природних оздоблювальних матеріалів (дерево і глина).
• Використання екологічно чистих систем опалення та охолодження будівель за допомогою випромінюючих тепло площин.
• Утеплення будівель ззовні. Створення теплих огороджуючих конструкцій, які не «висмоктують» тепло з людини.
• Використання систем контрольованого провітрювання і вентиляції.

2. Не завдавати шкоди навколишньому середовищу, а саме:

• Використовувати будівельні та оздоблювальні матеріали і конструкції, які не виділяють емісій в навколишнє середовище під час їх виробництва.
• Використовувати будівельні та оздоблювальні матеріали і конструкції, які можливо утилізувати без викиду шкідливих речовин в навколишнє середовище або які можна використовувати повторно.
• Використання таких опалювальних систем (котлів, бойлерів), які викидають якомога менше, а в ідеалі зовсім не викидають шкідливих речовин в атмосферу.

• Раціонально використовувати енергетичні ресурси.
• По можливості замінити користування вичерпними ресурсами на користування невичерпними.
• Використовувати якомога меншу кількість ресурсів для опалення будівель (тобто утеплення будівель та планування енергетично-вигідних компактних форм).
• Використовувати будівельних та оздоблювальних матеріалів і конструкцій, які потребують якомога менше енергії при своєму виробництві.
• Застосовувати контрольоване провітрювання з системою теплообміну.

Екологічно доцільне проектування передбачає створення загальної екологічної концепцій проектування, будівництва та експлуатації будівлі.
А це означає:

• використання меншої кількості енергії для виробництва будівельних матеріалів та конструкцій; на опалення, охолодження та провітрювання будівель;
• використання енергій, які мають здатність до самовідновлення;
• утилізацію та вторинне використання відходів виробництва без шкідливих впливів на навколишнє середовище,
• використання природних та екологічно-чистих матеріалів;
• забезпечення природного перебігу процесів у навколишньому середовищі.

Ефективність енергозбереження та екологічності будівлі визначається сукупністю багатьох факторів:

• вибору місця для будівництва та вибору екологічних матеріалів і конструкцій;
• пасивним і активним використанням енергоносіїв, що мають здатність до відновлення;
• енергетично вигідним інженерним обладнанням тощо.

При виборі місця для будівлі мають бути враховані:

• кліматичні умови;
• топографія;
• орієнтація будівлі за сторонами світу;
• освітленість або затінення місця;
• сила та напрямок вітрів,
• захищеність будівлі зеленими насадженнями.

Архітектурний проект самої будівлі, як невід’ємний компонент, включає заходи з економії енергії:

• компактність форми будівлі (найкомпактнішою формою будівлі є півкуля, його частина поверхні, щодо об’єму (по відношенню до півкубу) становить тільки 81%, потім іде циліндр — 92%, піраміда — 98%, півкуб — 100 % і нарешті куб — 105%);
• орієнтацію будівлі;
• розташування вікон (більшість вікон та прозорих частин стін або даху мають бути повернені до сонця, при цьому не можна забувати про літній захист від сонця);
• зонування будівлі (поділ на більш теплі — житлові, і більш холодні — допоміжні або буферні зони);
• створення масивних стін, що накопичують і віддають тепло у середину будівлі тощо.

Починаючи з середини 1970 років більшість європейських країн збільшили нормовані величини з теплозахисту конструкцій в 2—3,5 рази.
Зараз цей процес продовжується: вимоги до теплоізоляційних матеріалів постійно підвищуються, більш жорсткими стають нормативи теплопроникнення, як для окремих будівельних конструкцій, так і споруд в цілому.

Вибираючи будівельні матеріали, треба звертати велику увагу на витрати енергії, потрібні для виробництва цих самих матеріалів (наприклад, якщо енергія на виробництво теплоізоляційних матеріалів, їх транспортування та обробку на буді­вельному майданчику перевищує енергію, яку ми зекономимо використовуючи ці матеріали в будівлі, то така будівля не буде екологічною, навіть якщо вона взагалі не потребує ніякого опалення!).

Отже, вираховуючи енергетичну корисність матеріалів, слід зважати не тільки на їх коефіцієнт теплопроникності, а й на витрати енергії, необхідні для перетворення природної сировини у конкретний елемент будівлі, відповідно до часу його використання в будівлі і економії енергії за рахунок його використання в цей час, а також енергію на утилізацію цього будівельного елементу. Крім цього необхідно вибирати такі матеріали, які при виробництві, будівництві, використанні та утилізації не викидають в навколишнє середовище шкідливих для людини токсичних газів, розчинників, радіації (радонового випромінювання) тощо.

Вибираючи енергетично вигідні конструкції і матеріали, необхідно звертати особливу увагу на:

• теплоізоляцію зовнішньої оболонки будівлі;
• герметичність вікон та дверей (відсутність «містків тепла»);
• використання енергії сонця;
• збереження тепла сонця в масивних конструктивних частинах будівлі; використання будівельних матеріалів, виробництво, експлуатація і утилізація яких не зашкоджує навколишньому середовищу.

При плануванні інженерного обладнання будівлі слід враховувати:

• можливість використання енергій, що відновлюються;
• вибір екологічних систем опалення і палива;
• рівномірний розподіл і регулювання радіаторів чи випромінюючих тепло площин;
• підігрів води;
• можливість використання енергій, що відновлюються;
• слід також перевірити вибрану систему опалення на її відповідність архітектурному плануванню будівлі та її використанню.

Поряд з активним використанням енергії сонця можливе також і пасивне її використання засобами відповідного архітектурно-планувального вирішення будівлі. Так, за допомогою так званих «буферних зон» є можливим підігрів свіжого повітря (наприклад в зимовому садочку) та забезпечення свіжим підігрітим повітрям всіх інших функціональних зон.

Окрім теплоізоляції будівель велике значення для створення затишку має здатність частин будівлі до акумулювання тепла, тобто здатність різних матеріалів сприймати, зберігати і віддавати енергію тепла. Матеріали, що мають здатність сприймати тепло і віддавати його з часовим відставанням, врівноважують температуру внутрішнього середовища.

В якості простого та недорогого сонцезахисту може виступати широкий дах. Виступ даху захищає внутрішні приміщення від перегріву від високого літнього сонця, але дозволяє низькому зимовому сонцю заглядати в глибину приміщень.

Не слід нехтувати і заощадженням дощової води. Оскільки запаси прісної води в світі також дуже обмежені. Дощова вода з дахів може збиратися та використовуватися в господарстві (для поливу або у бочках санвузлів).

Активне використання енергоресурсів, що мають здатність до відновлення, відбувається за допомогою спеціальних інженерних систем, які використовують енергію невичерпних енергоносіїв (сонця, вітру, землі) та відносно невичерпних (деревини, сировини рослинного походження, відходів):

• сонячних колекторів і сонячних батарей;
• теплових насосів;
• котлів якісного та енергетично вигідного спалення деревини та відходів тощо.

Пасивне використання енергоресурсів, що мають здатність до відновлення, відбувається за допомогою відповідного просторового планування. Тобто за допомогою:

• буферних зон;
• зимових садів;
• підземних теплових каналів;
• тромб-стін тощо.

Пасивне використання енергії сонця базується на забезпеченні попадання до приміщень якомога більшої кількості сонячного тепла, яке можна використовувати для опалення будівлі і якомога довшого збереженні цього тепла в масивних частинах будівлі.

Це досягається за допомогою правильної орієнтації вікон та прозорих частин будівлі, спрямованої, перш за все, на те, щоб «зловити» майже горизонтальні (зимові) сонячні проміні, тобто це:

• великі вікна на південній і маленькі вікна (або їх повна відсутність) на північній стороні будівлі;
• використання масивних та бажано темних матеріалів конструкцій в місцях, куди потрапляють сонячні проміні;
• належна ізоляція цих масивних теплозберігаючих стін;
• планування неглибоких приміщень, в яких сонячне тепло могло б проходити до задньої стінки та прогрівати її.

Раніше теплоізоляція була тільки засобом запо­бігання руйнуванню будівельних частин та будівель. Але нині людство починає розуміти, що постійне і зростаюче використання природ­них ресурсів знеструмлює їх запаси на всій земній кулі. Належна теплоізоляція створює і затишок в приміщенні (коли можна спокійно притулитися до стіни — і не відскочити від неї «обпікшись» холодом; не «тягне» по ногах взимку; а зі стелі не капає на підлогу навесні, немає «розводів» на шпалерах). Добре зроблена теплоізоляція захищає частини будівель від пошкоджень через утворення конденсації на стінах і вікнах (грибків та тріщин, що утворюються через значні перепади темпе­ратур). Така теплоізоляція є дорожчою, але вже через декілька років вона пов­ністю окупає себе через економію коштів на опалення. А через зменшення емісій підвищена теплоізоляція робить дуже великий внесок в охорону навколишнього середовища.

Теплоізоляцію можливо наносити на несучі та огороджуючі конструкції будівлі як із середини, так і ззовні. Але однозначно енергетично та екологічно вигіднішим є розташування теплоізоляції з зовнішньої сторони огороджуючих конструкцій. Це дозволяє уникнути «містків тепла» та перемістити «точку роси» із несучих конструкцій у шар теплоізоляції, що значно збільшує час експлуатації будівлі. Рівень якості зимової теплоізоляції будівлі залежить від наступних трьох факторів: форма будівлі — тобто частина теплоізольованих зовнішніх поверхонь щодо всього об’єму будівлі; сама теплоізоляція — тобто якість теплоізоляційного матеріалу та рівень коефіцієнта теплопередачі; і нарешті — теплопровідність фуг, стиків і швів, тобто зміна теплого повітря на холодне через недостатню герметичність дверей та вікон та через провітрювання крізь вікна (на відміну від контрольованого провітрювання).

Така теплоізоляція є дорогою, але вже через декілька років вона повністю окупає себе через економію коштів на опалення. А через зменшення емісій підвищена теплоізоляція вносить найбільший внесок в охорону нашого навколишнього середовища — вона сприяє очищенню повітря, яким ми дихаємо, та зменшенню парникового ефекту. Добре зроблена теплоізоляція захищає також частини будівель від пошкоджень через утворення конденсації на стінах і вікнах (грибків та тріщин, що утворюються через значні перепади температур в місці випадання роси).

Крім зимової, існує також літня теплоізоляція, яка спрямована на захист будівлі від перенагрівання через попадання прямих сонячних промінів в середину будівлі та на її зовнішні недостатньо ізольовані площини, що може також суттєво впливати на приємність внутрішнього клімату будівлі. Всім відомим і досить ефективним захистом від перегріву приміщень через попадання прямих сонячних промінів, тобто через світлопропускні частини (вікна, скляні площини) є використання спеціальних виступів, еркерів, карнизів та інших елементів будівлі, які кидали б достатню тінь на ці світлопропускні частини. Але якщо форма будівлі цього не дозволяє, то можливе також використання спеціального захисту від сонця — ставень, жалюзі, маркіз, а також спеціального сонцезахищеного скла. При цьому треба зауважити, що використання зовнішньо розташованих захисних елементів є набагато ефективнішим за внутрішнє їх розташування. Тому що жалюзі чи штори, що знаходяться в середині приміщення, нагріваючись віддають тепло всередину, чим викликають перегрів приміщень і падіння рівня якості життя в ньому. Обов’язково необхідне використання спеціального захисту від сонця, якщо скляні поверхні будівлі перевищують 30% загальної площі. Нагрівання приміщень через попадання прямих сонячних променів на непрозорі частини будівлі зменшується відповідно до збільшення маси цих частин. При цьому масивні частини будівлі повинні знаходитись на внутрішній стороні від зовнішнього шару теплоізоляції. Літній клімат приміщень можна покращити, провітрюючи їх вночі та зранку, коли повітря назовні ще не нагрілося, при цьому треба уникати відчинення вікон та дверей ввечері.

Окрім теплоізоляції будівель велике значення для приємної і затишної атмосфери приміщення має здатність частин будівлі до акумулювання тепла. Здатність до акумулювання тепла — це здатність різних матеріалів сприймати, зберігати і віддавати енергію тепла. Здатність акумулювання тепла відіграє велику роль в створенні затишної атмосфери: матеріали, що мають здатність сприймати тепло і віддавати його з часовим відставанням, врівноважують температуру внутрішнього середовища. Здатність до акумулювання тепла стінами, підлогою і стелею відіграє велику роль в швидкості підігрівання чи охолодження приміщень. Взимку матеріали стін і підлоги можуть (через прозорі частини будівлі) сприймати тепло, що випромінюється сонцем і віддавати його в приміщення, вже після заходу сонця, що також є економією коштів на опалення. Порядок розташування шарів різноманітних матеріалів в товщі стіни (особливо шару теплоізоляції) має велике значення для збереження тепла приміщенням. В залежності від функції приміщення, необхідно вибирати, чи розташовувати ізоляційний шар ближче до внутрішнього, чи до зовнішнього боку стіни. Бо ізоляційний шар, розташований ближче до зовнішнього боку стіни, збільшує кількість здатного до акумулювання тепла матеріалу, але затримує нагрівання приміщення. Зате нагріте приміщення довго не втрачає свого тепла навіть після припинення опалення. Напроти, внутрішній ізоляційний шар дозволяє як дуже швидко нагріти, так і охолодити приміщення.

При плануванні інженерного обладнання будівлі слід враховувати можливість активного використання енергій, що відновлюються; доцільно вибирати екологічні системи опалення і палива та забезпечувати рівномірний розподіл радіаторів чи випромінюючих тепло площин в приміщеннях.

Існують системи опалення з високою (до 90 °C) і з низькою (від 25 °C до 55 °C) температурою теплоносія. Опалення гарячою водою найбільш пристосоване для опалення на великі дистанції (системи центрального опалення мікрорайону). Його недоліки полягають у великих втратах енергії на шляхах до місця призначення. Система опалення водою невисокої температури є економнішою за першу систему і призначена передусім для опалення невеликих будинків. При цьому теплоносій в котельні підігрівається до 40—70 °C і таким чином втрачає набагато менше тепла на своєму шляху до кімнатного опалювального пристрою.

При застосуванні для опалення та охолодження будівлі теплового насосу найдоцільніше використання систем опалення з низькою температурою теплоносія. Також слід зазначити, що тепловий насос дозволяє не тільки екологічно опалювати приміщення взимку, але й охолоджувати їх влітку (що надзвичайно важливо в наш час, враховуючи тенденцію до постійного потепління).

Тепловий насос, що працює на охолодження будівлі, є здоровою альтернативою кондиціонерам, які зараз широко застосовуються на Україні для охолодження будівель і є, як відомо, дуже небезпечними для здоров’я. Забираючи із землі холод влітку, тепловий насос, так би мовити, «накачує тепло» в землю, «зберігаючи» його там на зимовий період, коли тепло стане у потребі в будівлі. А «холодні стіни» забезпечують створення в літній період в приміщенні приємного і прохолодного клімату без негативних наслідків, які провокуються кондиціонерами.

Існує багато видів поверхонь опалення, від звичайних чавунних радіаторів, які опалюють приміщення, нагріваючи повітря в ньому, і до цілих стін, що одночасно являються і поверхнями, які випромінюють тепло (або холод).

Існуючі системи опалення поділяються на конвекційні та випромінюючі.

Конвекційне тепло (передається через рух повітря і часто саме через рух повітря створює відчуття протягу) не створює такого відчуття комфорту, як випромінюване тепло. Тепло від сонця, печі, каміну чи від стіни сприймається верхнім шаром людської шкіри, воно нагадує найприрод­ніше для людини джерело тепла — сонце.
Випромінюване тепло навіть при нижчих температурах повітря в приміщенні викликає відчуття здорового клімату. Людина своїм тілом сприймає не лише температуру повітря приміщення, а й температуру поверхонь твердих фізичних тіл, що оточують це приміщення: стін, підлоги, стелі, обладнання та ін. Холодні поверхні людина відчуває як протяг, і він шкідливо впливає на здоров’я. Дослідження показали, що коли температура в приміщенні дорівнює + 24 °C, а температура поверхонь стін набагато нижча, то людина суб’єктивно сприймає температуру приміщення на рівні + 20 °C. Водночас при теплих стінах і темпе­ратурі повітря в приміщенні + 18 °C, людина також суб’єктивно відчуває + 20 °C. А нижча температура повітря, яким дихає людина, краще на неї впливає, ніж висока. Окрім того, тепловипромінюючі стіни чи підлоги не збирають пилу і таким чином не забруднюють приміщення через згорання пилу.

Площини, які випромінюють тепло, енергетично та екологічно вигідніші за звичайні радіатори. Вони потребують більших тепловипромінюючих площин, але при такій системі опалення вони мають доволі низькі температури поверхонь (24—45 °C) і тому набагато менші втрати тепла при переносі теплоносія від джерела підігріву до поверхні випромінювання. Такі поверхні добре впливають на здоров’я людини, створюють хороший клімат в приміщенні.

Будівельні поверхні, що випромінюють тепло, це підігрів підлоги і стін. Тепле повітря піднімається догори, а достатньо охолоджуючись, прямує до низу. Таким чином наші звичайні опалювальні системи є шкідливими для здоров’я. Вони нагрівають повітря до 24 °C вгорі, саме там, де знаходиться голова людини, а поки це повітря спускається донизу, воно охолоджується вже до 16—18 °C. Отже, ноги людини мерзнуть, в той час коли голова перегрівається, а в легені потрапляє перегріте повітря. Зважаючи на те, що легені людини найкраще пристосовані до вдихання повітря температурою 18 °C, зрозуміло, що найкориснішим для людського організму є така система опалення, як підігрів підлоги, або стін. Коли підлога та стіни нагріваються до + 24 °C, тепле повітря, поступово піднімаючись догори, охолоджується і на рівні голови людини його температура становить вже 18 °C, а під стелею тільки 16 °C.

Тепер розглянемо проблему забезпечення приміщень свіжим повітрям, тобто проблему провітрювання. Правильне провітрювання надзвичайно важливе з точки зори економії енергоресурсів і покращення екологічного стану на Землі. Бо головне завдання провітрювання, по суті, протистоїть завданню опалення приміщень. Опалення приміщень функціонує якнайкраще в повністю закритих і якнайкраще ізольованих від навколишнього середовища приміщеннях. Тоді як головною функцією провітрювання є привнесення у приміщення свіжого повітря ззовні.

Людина може прожити кілька тижнів без їжі, кілька днів без води, але без повітря не проживе і 5 хвилин — це якнайкраще підтверджує життєво необхідне значення провітрювання закритих приміщень.

Існує дуже багато ступенів між повністю природним та повністю контрольованим провітрюванням. Так, наприклад, з точки зору екологічної проблеми потепління клімату, необхідно звертати увагу на те, що залишаючи взимку відкритою кватирку, або ставлячи сучасне енергозберігаюче вікно із склопакетом на «провітрювання», ми опалюємо вулицю. І в такому разі взагалі безглуздо будувати теплоізольовану будівлю. Те, що ми виграли за рахунок теплоізоляції, ми втратили через кватирку! Крім того, маленький отвір кватирки все одно не може пропустити крізь себе все старе повітря кімнати, і замінити його новим, свіжим. Як відомо — тепле повітря легше. Тому відчинена кватирка призводить тільки до того, що більшість теплого повітря (що виробляється радіатором, який знаходиться прямо під вікном!) вилітає на вулицю, але через той самий маленький отвір не поступає достатньо свіжого повітря у кімнату. При такому постійному «провітрюванні», стіни та інші масивні накопичувачі тепла охолоджуються, чим викликають неприємну для людини атмосферу, точка роси в них переміщується ближче до внутрішньої поверхні стіни, що сприяє утворенню грибків на стінах.

Тож, коли ми хочемо створити свіжу атмосферу в приміщені, необхідно вимкнути опалення і відчинити всі вікна. Через великі отвори повністю відчинених вікон вже за 5 хвилин все повітря в кімнаті зміниться, і можна знову зачиняти вікна і вмикати опалення. Таку процедуру необхідно проводити від двох до чотирьох разів на день — і цього повністю вистачає для підтримання здорового клімату.

Останнім часом провітрювання набуває характеру дедалі більш контрольованого процесу, під час якого не просто холодне і часто забруднене або занадто вологе чи сухе повітря привноситься у приміщення, а повітря очищається, підігрівається (за рахунок рекуперації тепла) та зволожується або осушується. Таким чином провітрювання працює не «проти» опалювання (підвищуючи цим витрати теплової енергії), а сукупно з ним.

Контрольоване провітрювання створює умови, коли тепле «використане» повітря не випускається просто через вікно в атмосферу, а проходить по спеціальному обладнанню і через так званий «рекуператор» (тобто теплообмінник) віддає своє тепло свіжому повітрю. Тож, по-перше, тепле повітря не потрапляє в атмосферу і не долучається до потепління клімату, а по-друге, свіже повітря потрапляє в приміщення вже попередньо нагрітим, чим забезпечує відсутність неприємних для людини процесів — протягів.