ДЕТСКИЕ ДОШКОЛЬНЫЕ УЧРЕЖДЕНИЯ С ГЕЛИОСИСТЕМАМИ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ

В настоящее время в нашей стране и за рубежом объектом эксперимента все чаще становятся здания и сооружения с гелиосистемами теплохладоснабжения, в том числе здания детских дошкольных учреждений с гелиосистемами (ДДУ с ГС).

Районами эффективного внедрения гелиосистем, как показывает опыт, являются южные районы — Средняя Азия, Казахстан, Закавказье, Северный Кавказ, Южное Поволжье, Молдавия и юг Украины.

В настоящее время построено несколько детских садов с гелиосистемами в республиках Средней Азии, на Украине. В Одессе начато строительство ясель-сада на 320 мест с гелиосистемой отопления и горячего водоснабжения. В этих зданиях эксперимент носит только технический характер, так как его объектом является исключительно сама гелиосистема, привязанная к типовым проектам зданий ДДУ. В результате архитектура экспериментальных объектов не отражает новизны решения, а иногда ухудшаются санитарно-гигиенические условия. Все это тормозит развитие архитектуры зданий с гелиосистемами и может привести к дискредитации самой идеи гелиоархитектуры — архитектуры зданий и сооружений, функциональные, объемно-планировочные и конструктивные решения которых отвечают требованиям использования систем преобразования солнечной энергии и полностью соответствуют природному окружению.

Фактически этим требованиям не отвечает ни одно из названных экспериментальных объектов — зданий ДДУ с ГС. С одной стороны, данные типовые проекты не приспособлены для применения в них ГС, с другой — не соответствуют в полной мере специфическим природно-климатическим условиям юга. Натурные обследования, проведенные КиевЗНИИЭПом совместно с НИИ общей и коммунальной гигиены показали, что существующие здания ДДУ не отвечают современным требованиям к зданиям такого типа (наблюдаются перегрев помещений и участков территории в теплый период года, нарушение режима проветривания и т. п.).

Назрела необходимость разработки научно обоснованных принципов формирования архитектуры зданий ДДУ с ГС и проверка их в экспериментальном, а затем и в массовом строительстве. Предварительные исследования, проведенные автором, позволили создать гипотетическую схему-модель формирования архитектуры зданий ДДУ с ГС (рис. 1). Из модели видно, что особенности архитектуры данного объекта определяются тремя основными, находящимися во взаимодействии, группами факторов: типологическими; природно-климатическими; гелиотехническими.

 

 

 

Из числа типологических факторов следует выделить укрупнение зданий ДДУ, которое, наряду с положительными результатами, приводит к негативным последствиям. Обычно здание выполняется 2- и даже 3-этажным. При этом нарушается связь внутренней и внешней среды ДДУ, плохо решается вопрос взаимоизоляции групп, затрудняется организация учебно-воспитательного процесса на открытом воздухе — вся основная работа с детьми большую часть времени происходит в закрытом помещении. Новое направление основано на идее переноса воспитательной и оздоровительной работы на открытый воздух, взаимосвязи внутренних и внешних пространств ДДУ. Это реализуется в 1-этажных зданиях блочного типа или зданиях террасной структуры на горизонтальном участке и на рельефе. Здесь групповые площадки имеют непосредственный контакт с групповыми ячейками на первом этаже в уровне земли и на эксплуатируемых кровлях-террасах в зданиях террасной структуры.

Группы природно-климатических и гелиотехнических факторов необходимо рассматривать во взаимодействии.

Анализируя влияние гелиосистем на формирование архитектуры ДДУ с ГС, необходимо отметить, что гелиосистемы теплоснабжения предназначены для обеспечения нормального микроклимата помещений. Поэтому важно определить роль гелиосистем в общем процессе климатизации объекта. Указанному вопросу уже уделялось место в литературе, но он требует более глубокого изучения, так как все множество средств и способов обеспечения заданного микроклимата в конечном итоге оказывает влияние на архитектуру объектов. Рассмотрим основные группы средств применительно к детским учреждениям.

1. Комплекс природных средств — озеленение, обводнение, типы покрытия территории участка.

Озеленение является важным элементом участков ДДУ, улучшающим не только микроклимат здания и территории участков, но и условия городской среды в целом.

Основные требования к посадкам приведены в нормативах. Так, площадь зеленых насаждений должна занимать не менее 50 % площади участка, т. е. значительное количество зелени можно и необходимо использовать в качестве своеобразной «защитной оболочки» объекта для оптимизации микроклимата (затенение, защита от ветра, шума и т. п.). Однако в большинстве случаев требуется продолжительное время (10—15 лет) для достижения деревом размеров, необходимых для аффективного воздействия на микроклимат, т. е. в условиях новостроек уменьшается значение озеленения в начальный период эксплуатации и увеличивается значение архитектурных средств обеспечения микроклимата.

 

 

 

Вода в ДДУ может быть включена в виде гладкой поверхности плескательного и декоративного бассейна, падающего потока, струи, фонтана или брызгальных установок. Кроме того, возможно применение водоналивных кровель.

Различные типы покрытий грунта открытых пространств, подвергаясь воздействию солнечных лучей, в разной степени поглощают и отражают радиацию в окружающую среду. Если не учитывать эти факторы, возникает дополнительная тепловая нагрузка, усиливающая дискомфорт в теплое время года, особенно во второй половине дня. Поэтому необходимо модифицировать рельеф участка в целях улучшения микроклимата вокруг здания с учетом воздействия солнечной радиации на различно ориентированные поверхности.

2. Архитектурные средства климатизации бывают двух типов.

К средствам первого типа относятся приемы объемно-планировочных решений пространств объекта с системами отопления, охлаждения и т. п. Основными требованиями к формированию этих пространств являются:

сокращение площади ограждающих конструкций для сокращения теплопотерь в холодный период и теплопоступлений в теплый период за счет увеличения степени компактности объемов здания в пределах возможных функциональных требований; обеспечение оптимального режима проветривания основных помещений; обеспечение возможности трансформации помещений из закрытых в полуоткрытые для улучшения микроклимата и для связи групповых\’ ячеек с игровыми площадками;

максимальное раскрытие пространств внутри групповой ячейки, что позволяет без увеличения площади помещений увеличить удельный объем воздуха и улучшить гигиенические и микроклиматические показатели.

Ко второму типу архитектурных средств климатизации относятся приемы формирования неотапливаемых пространств, образующих «переходную зону» между внутренней и внешней средой. В существующей практике процесс проектирования ДДУ фактически направлен на два отдельных объекта: собственно здание и территория участка. Такое разделение не позволяет достичь высокого качества архитектуры ДДУ, организовать полноценный учебно-воспитательный процесс. За редким исключением групповые площадки не связаны с групповыми и спальными помещениями. Графики движения детей из групповых на площадки пересекаются и в результате не обеспечивается достаточная изоляция групп. Оборудование игровых площадок, теневые навесы и т. п. фактически не участвуют в процессе климатоформирования.

 

 

 

Предварительные исследования выявили основные требования, которые должна удовлетворять переходная зона:

выполнять роль «буферной зоны», являющейся климатопреобразующим барьером между внутренней и внешней средой благодаря ступенчатой трансформации микро-климата внешнего пространства в микроклимат основных помещений;

обеспечивать возможность вынесения (организации) ряда процессов на открытый

воздух или в пространства со сходными условиями — зимний сад, солярий, оранжерею, различные навесы, перголы, галереи и т. п.

3. Конструктивные средства климатизации — традиционный путь обеспечения заданного микроклимата, направленный, в основном, на снижение теплопотерь ограждающими конструкциями. Он обеспечивается, главным образом, «техническими» средствами: увеличением массивности стены, утолщением утеплителя на кровлях, применением более эффективных материалов, специальных конструкций и т. д. Исследования показали, что период высокой эффективности, соответствующий резкому сокращению теплопотерь при минимальных затратах, уже пройден. Дальнейшая интенсификация в этом направлении вызовет отрицательные последствия в смежных сферах (расход материалов, трудозатрат, времени, обострения транспортных и других проблем).

4. Инженерно-технические системы включают гелиосистемы отопления, охлаждения, вентиляции и горячего водоснабжения.

Инженерно-технические системы, использующие солнечную энергию, существенно отличаются от традиционных систем. Основной особенностью являются значительные физические параметры элементов системы (гелиоприемников, теплового аккумулятора).

Гелиотехнические факторы, влияющие на архитектуру объектов, определяются спецификой функционирования гелиосистем. Гелиосистемы подразделяются на активные, пассивные и комбинированные (или интегральные).

Из числа основных компонентов активных гелиосистем наиболее влияют на архитектуру зданий ДДУ гелиоприемные поверхности и тепловой аккумулятор. Элементами пассивных гелиосистем являются элементы здания (типа стена «Тромба», оранжерея, зимний сад, солярий, атриум), собирающие, аккумулирующие и распределяющие тепло солнечной энергии без специальных, гелиотехнических устройств. Возможно комбинированное использование активной и пассивной систем. По типу применяемой ГС можно выделить несколько характерных типов ДДУ с ГС (см. рис. 1). В данной классификации выделяются два «уровня» влияния гелиосистем на архитектуру, при этом гелиообъекты делятся на два типа — с централизованной гелиосистемой и с объектными гелиосистемами.

 

 

 

В СССР накоплен большой организационный и технический опыт строительства и эксплуатации централизованных систем теплоснабжения, что делает целесообразным разработку и объединение с ними крупных централизованных гелиоустановок, оснащенных средствами автоматики и управления и имеющих квалифицированное техническое обслуживание. Такие установки могут обслуживать целый жилой район, в структуре которого находятся и ДДУ. В этом случае на формирование архитектуры ДДУ влияют только пассивные гелиосистемы и архитектурные средства климатизации, а активные будут иметь влияние не на уровне одного объекта, а уже на градостроительном уровне, т. е. будут влиять на формирование жилого района и даже города. Такие системы целесообразны в крупных городах с развитой централизованной системой теплоснабжения. Это перспективное направление и требует самостоятельного изучения. В данном случае рассматривается вопрос влияния гелиосистем на архитектуру зданий ДДУ с объектными гелиосистемами. Особое внимание следует обратить на объекты, относящиеся к типу 1, так как именно в них может наиболее полно проявиться специфика гелиоархитектуры.

Автором разработано несколько проектных предложений зданий ДДУ с ГС.

Проектное предложение ДДУ с ГС на 6 групп предусматривает решение здания в виде компактного объема, в центре которого расположен атриумный двор с бассейном (рис. 2, а). Универсальный зал открывается в атриум. Гелиоприемники (элементы активной системы) расположены на теневых навесах групповых площадок, на структурном покрытии атриумного двора. В каждой групповой ячейке имеется пристроенный зимний сад (элемент пассивной системы). С северной стороны кухни, зала и административно-хозяйственного блока устроена земляная берма, уменьшающая теплопотери в холодное время. Кроме того, активно используются архитектурные средства климатизации: создается переходная зона между внешней и внутренней средой посредством приближения игровой площадки к групповой ячейке. Переходная зона формируется теневым навесом, полуоткрытой террасой, оранжереей-зим- ним садом с трансформируемым остеклением.

Проектное предложение ДДУ с ГС на 12 групп на сложном рельефе (рис. 2, в) предполагает террасное построение объемов здания с использованием эксплуатируемой кровли для устройства групповых площадок. Здание размещено на южном склоне.

В целях снижения теплопотерь северные стороны примыкают к откосу. Гелиоприемники решены в виде элементов, совмещающих функции солнцезащитных устройств и ограждений групповых площадок, расположенных на террасах. Тепловой аккумулятор заглублен в землю.

 

 

 

Представленные проектные предложения иллюстрируют только некоторые возможности включения элементов ГС в структуру ДДУ и не отражают в полной мере многообразие приемов формирования архитектуры нового типа дошкольных учреждений — ДДУ с ГС, но позволяют выявить новые характерные особенности не только ДДУ с ГС, но и всех зданий и сооружений с гелиосистемами.

А — на 6 групп; б — на сложном рельефе; 1 — групповая ячейка; 2 — административно- хозяйственная группа помещений; 3 — универсальный зал; 4 — кухня; 5 — групповая площадка; 6 — оранжерея — зимний сад; 7 — терраса; 8 — теневой навес; 9 — гелиоприемник; 10 — земляная берма; 11 — атриумный двор с бассейном; 12 — групповая площадка-терраса; 13 — тепловой аккумулятор

Исследователи, занимающиеся проблемами гелиоархитектуры, классифицируют гелиообъекты следующим образом: по типу применяемых гелиосистем (пассивные, активные, интегральные — комбинированные) [3]; по способу передачи тепла от источника энергии — солнца к потребителю [2]; по характеру влияния гелиоагрегатов на архитектурно-композиционные решения зданий [2]; по степени непрерывности подачи энергии (сезонные и круглогодичные) [5]; по степени замещения энергии традиционных источников (здания малой, средней, высокой энергоактивности, энергетически автономные, с избыточной энергоактивностью) [5] и т. д. Все эти признаки бесспорно важны, но недостаточны для характеристики объектов гелиоархитектуры. Необходимо выявить «чисто» архитектурные особенности гелиообъектов, в нашем случае — дошкольных учреждений. Важнейшей из них является степень влияния элементов гелиосистемы на объемно-планировочную структуру ДДУ с ГС, в зависимости от которой выделяются следующие группы:

I — элементы гелиосистемы не влияют на объемно-планировочную структуру объекта. К этому типу относится большинство экспериментальных объектов с гелиосистемами, построенные на основе типовых проектов в СССР (детские сады-ясли на 320 мест в Андижане и Намангане, сад-ясли на 320 мест в Одессе). Гелиоприемники размещены на плоских кровлях зданий в виде отдельно стоящих инженерных устройств;

 

 

 

II — элементы гелиосистемы частично влияют на объемное решение, но не меняют планировочной структуры объектов. Изменение в объемном решении вызвано поиском наклонных поверхностей с южной ориентацией, предназначенных для размещения гелиоприемников. Осуществленных в отечественной строительной практике объектов такого типа еще нет, но имеются проектные предложения по корректировке типовых и существующих индивидуальных проектов;

III — элементы гелиосистемы обязательно совмещены с элементами зданий: гелиоприемные поверхности — с ограждающими конструкциями, тепловой аккумулятор — с конструкцией пола, внутренних ограждений, элементов интерьера и т. п. Объемно-планировочная структура формируется как «климатообразующая оболочка». Имеется развитая переходная зона между внешней и внутренней средой. В настоящее время ведутся научные исследования и поисковые проектные разработки по созданию зданий ДДУ с ГС такого типа.

Необходимость и практическое значение разработки новых типов ДДУ с ГС определяются следующими аспектами:

архитектурным (выявление новых принципов формообразования, расширение номенклатуры существующих типов дошкольных учреждений введением нового типа здания — ДДУ с гелиосистемами);

экологическим (оздоровление окружающей среды благодаря использованию «чистого» источника энергии);

социальным (более благоприятные условия развития детей, укрепление их здоровья, снижение простудных заболеваний в связи с улучшением микроклимата);

 

экономическим (рациональное использование природных ресурсов при экономии традиционных источников энергии — годовая выработка энергии 1 м гелиоприемника конструкции КиевЗНИИЭПа эквивалентна сжиганию 180 кг условного топлива).