Принципы биоклиматической архитектуры
Часть 1
В выражении «биоклиматическая архитектура» заключается много разных понятий, которые можно обобщить в одном схематическом определении как комплекс проектных решений, позволяющий обеспечить в здании сохранение благоприятных для жизни человека условий при наименьшем использовании установок, которые требуют потребления энергии от не возобновляемых источников энергии. Иначе говоря, между зданием и окружающей его внешней средой должны сложиться такие отношения, чтобы необходимые изменения во внутренней среде жилища происходили в основном в силу его морфологических, термофизических свойств, а также в силу его размеров, и т.д.
Поскольку внешние условия изменяются в зависимости от места расположения здания — причем, относительно определенного места расположения здания они изменяются во времени — идеальное „биоклиматическое жилище» должно в свою очередь обладать способностью изменяться соответствующим образом, рассеивая наименьшее количество тепла в холодную пору, вбирая в себя солнечную энергию в дневное время в зимние месяцы и накапливая ее для использования в случае необходимости, отражая солнечное излучение в жаркую погоду, в то время, когда, напротив, целесообразнее было бы отдавать наибольшее количество тепла.
Можно попытаться достичь такого „идеального» поведения здания посредством ряда особых приемов и построений.
Прежде всего, необходимо принять во внимание форму и ориентацию здания. Очень компактные формы снижают дисперсию тепла и полезный эффект как солнечного излучения, так и тепла, в том случае, когда внешняя температура выше внутренней. Открытые формы позволяют достичь большего теплообмена посредство вентиляции. Ориентация зданий обуславливают величину поверхностей, которые по-разному освещаются солнцем, оказывая, таким образом, влияние на возможность сбора солнечной радиации и взаимодействия с ветрами. Положение здания относительно других зданий и естественных рельефов, водных потоков и водоемов, зеленых массивов и т.д. также сказывается на теплообмене, происходящем как изнутри здания наружу, так и на оборот.
Для того, чтобы снизить потерю тепла, необходимо очень хорошо термически изолировать здание. Это значит, что надо нанести несколько слоев изоляционного материала на непрозрачные стены, на крыши и чердаки; вообще сократить площадь застекленных участков стен, получающих мало солнечного излучения; использовать двойные рамы и подвижные экраны на окнах с тем, чтобы довести до минимума дисперсию тепла в ночное время.
Напротив, участки, которые подвергаются воздействию сильного и продолжительного солнечного излучения — те, что выходят на юг — должны открываться так, чтобы вбирать его в себя. Этого можно достичь предусматривая большие остекленные поверхности — размеры их зависят от климатических условий — с подвижными экранами, которыми их можно прикрывать в ночное время.
Собранная таким образом энергия накапливается в специальных термических емкостях, иначе это привело бы в конечном результате к повышению температуры во внутренних помещениях, что отрицательно сказалось бы в свою очередь на комфортности жилища, а также на увеличении дисперсии тепла.
Внутреннее распределение позволяет создать более рациональное соотношение с характеристиками внешней оболочки здания. Так, например, в суровом климате, там, где необходимо проектировать большие застекленные поверхности, выходящие на юг, и маленькие, выходящие на другие страны света, целесообразно стремиться к расположению на южной стороне помещений наибольшего пользования, и, наоборот, располагать на северной стороне лестницы, подсобные помещения разного типа и т.д.
Что же касается условий в летний период, необходимо избегать, чтобы прямое солнечное излучение проникало внутрь застекленных поверхностей, открывая их, когда это возможно, и/или прикрывая их от солнечных лучей при помощи неподвижных или подвижных экранов. Эти экраны создают тень в жаркие часы и во время наибольшей солнечной радиации. Форма, размеры и расположение открывающихся участков позволяют производить вентиляцию и охлаждение помещений в ночные часы.
Стороны здания, выходящие на север, необходимо — по возможности — частично погружать в грунт, „вземлять». Это позволит улучшить условия как зимой, так и летом благодаря устойчивой температуре почвы. Кроме того, такое „вземление» поможет защитить жилище от холодных зимних ветров.
Климат
Энергетические проблемы в жилищном строительстве обусловлены расхождением между условиями, которые необходимо создать внутри жилых помещений, дабы обеспечить состояние термического комфорта для человека, и условиями внешней окружающей среды.
Чем резче это различие, тем труднее задача проектировщика, решившего как можно меньше прибегать к использованию технических установок, т.е. к потреблению энергии в достижении поставленных целей.
Следовательно, необходимо знать с определенной точностью климатические характеристики места строительства здания для того, чтобы спроектировать дом, который бы правильно взаимодействовал с окружающей его внешней средой.
Обычно достаточно знать среднемесячные значения различных величин.
Первой величиной является температура воздуха. Если взять за ориентир среднемесячное значение, то ход изменений температуры в течение года будет иметь периодический характер, причем, самые высокие температуры будут отмечены в июле, а самые в низине — в январе. Изменение температуры в течение дня соответственно выражено в пределах ее дневных колебаний: мы имеем здесь в виду разницу между самой высокой и самой низкой температурами, причем, речь все время идет о среднемесячной температуре. Обе эти величины позволяют определить термическую дисперсию здания в зимние месяцы и величину полученного в летние месяцы тепла. На основе этих данных можно вывести указания относительно степени необходимой изоляции и использования экранов в ночное время.
Кроме того, целесообразно знать и величину относительной влажности воздуха. Эта характеристика оказывает непосредственное влияние на комфортность жилого помещения. Знание вышеуказанных данных необходимо для проверки вероятных условий поверхностной или промежуточной конденсации; кроме того, от этого зависит теплообмен.
Очень часто не придается должного внимания данным о ветрах. В действительности же, скорость потоков воздуха вокруг здания обуславливает величину теплообмена как зимой, так и летом. Для создания успешного проекта необходимо учесть все эти аспекты, чтобы получить правильные указания относительно ориентации и формы здания, отношений с окружающими его постройками, взаиморасположения здания и естественных преград или водоемов, расположения и размеров открывающихся участков поверхности.
И наконец, необходимо иметь в виду солнечное излучение, т.е. располагать знаниями о величине излучаемой энергии на различные поверхности, образующие внешнюю оболочку здания.
Солнечное излучение представляет собой как проблему (в жаркие месяцы), так и частичное решение проблемы (в холодные месяцы). Полезные проектировочные указания, извлекаемые из этих данных, касаются, прежде всего, ориентации, расположения и размеров застекленных участков, теней, образующихся от внешних рельефов или от самого здания.
В Италии все полученные климатические данные были недавно собраны вместе под руководством Национального Совета по научным исследованиям. Таким образом, мы имеем в распоряжении полные данные по десяткам населенных пунктов, в то время как частичные данные могут быть получены относительно свыше ста других различных городов и деревень.
ПРЕДЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ
Миза Верде, Колорадо, США
Индейское поселение Миза Верде, основанное около 1200 г. н.э. в Колорадо, предоставляет собой совершенный образчик использования природных условий для выживания. Это поселение, расположенное в глубине горизонтальной расщелины в скале, выходит на юг, и, следовательно, защищено от солнечных лучей летом, а не зимой. Кроме того, массивная скала, к которой оно прилепилось, обладает огромной термической инерцией: таким образом, постоянные благоприятные для жизни условия обеспечены практически „круглый год». (Р.Л. Кроутер. АИА — Группа солнечной архитехтуры. Солнечная земля. Как применять источники свободной энергии в жилых домах и других зданиях. А.Б. Хиршефельд Пресс, Инк., Денвер, Колорадо, 1976).
В поселении Миза Верде сочетание пещеры и построек, служащее коллектором энергии, на 56% эффективнее зимой, чем летом: и действительно, лучи заходящего солнца, низко стоящего над горизонтом, лучше проникают в пещеру; причем, тепло солнечного излучения прекрасно накапливается в самой скале и в кирпичах, из которых сложены строения, а затем медленно отдается жилой среде после заката солнца. Таким образом, создается микроклимат с постоянными условиями комфортности для человека в отличие от суровых климатических условий, характерной чертой которых являются ледяные зимы и знойные лета.
В дневное время общественная жизнь индейцев Аназаци протекает внутри жилища, так называемого „кива». Это круглое крытое строение, которое обогревается расположенным в центре очагом. Постоянная смена воздуха обеспечивается естественной системой вентиляции: нагретый очагом воздух поднимается вверх и выходит наружу через отверстие в потолке, засасывая из канала, расположенного на уровне ног, свежий воздух, который ударяется в стенку-дефлектор, находящуюся между пещерой и очагом, и, таким образом, циркулирует по всему строению под названием „кива».
Гхардайа, Алжир
Географическое положение
Долина реки Уэд, точнее русла давно высохшей реки Уэд, называется М’Заб. Она находится в Алжирской Народной Демократической республике, в Северной Сахаре, на скалистом высоком горном плато „Хамада».
Здесь выросли города Эль Атеф, Бу Нура, Бени Изген, Мелика и, наконец, самый большой и самый интересный из всех пяти — город Гхардайя. Именно на нем мы и задержали свое внимание. Гхардайя расположена на средней высоте 500 м над уровнем моря и лежит на 32°30′ северной широты и на 3°45’восточной долготы, на расстоянии почти 600 км от Алжира и 1200 км от Таманрассета.
Средние температуры здесь —10° —12°С в январе, 33° —40°С в июле. Самая высокая температура —50°С — отмечена летом, а самая низкая — 1°С — зимой. Естественно, здесь наблюдаются редкие перепады температуры между дневным и ночным временем.
В среднем за год в Гхардайе выпадает 50-60 мм осадков, однако, дождливых дней в году бывает не больше десяти.
Жилища и строительные материалы
Несмотря на то, что вследствие интенсивного развития средств и путей сообщения такие современные строительные материалы, как цемент, металлические структуры, белое дерево и др. появились и в Гхардайе, мы остановимся исключительно на тех строительных материалах, которые используются в традиционной архитектуре. Это — камень, кирпич-серец, песок, гипс, известь, древесина пальмы и других пород дерева, которые используются целиком и служат для выделки толстых балок или досок шириной 30-40 см и 3 см шириной, необходимых для различных плотницких работ.
Жилище и климат
Термические колебания здесь весьма велики. Влажности нет. Часто дуют яростные ветры — самые настоящие пыльные и песчаные бури. Изредка идут сильные дожди ливневого характера. Солнечная радиация весьма интенсивна.
Итак, постараемся найти основные факторы, обуславливающие приспособление мозабитского жилища к особенностям той климатической зоны, которую называют „пустыней в пустыне».
В городах дома строятся с каменными стенами, обычно очень толстыми и плотно пригнанными одна к другой, таким образом, образуются большие жилые пространства по отношению к поверхностям, обращенным к солнцу. Тень падает на улицы и переулки. Термическая емкость строительных материалов замедляет проникновение тепла внутрь жилищ в дневное время и отдает его ночью.
Кухня является еще одним источником тепла. Обычно здесь бывает два очага: первый, внутренний, позволяет зимой готовить пищу и одновременно отапливать помещение; второй, внешний — обычно им пользуются летом — защищает по возможности от воздействия солнечных лучей.
То, что открытые портики обращены на юг, имеет большое значение. Летом солнце стоит высоко, и его лучи не проникают во внутрь строений. Зимой, напротив, солнце стоит низко над горизонтом и проникает в жилые помещения, почти полностью заливая их светом и теплом. Светлые, побеленные известью стены, отражают солнечные лучи.
Мозабитское жилище, созданное в традициях средиземноморской системы строительства, с одной стороны, приспособлено к чрезмерно яркому свету Сахары, а с другой стороны, сообразно обычаям жизни самих мозабитов.
Типичный элемент мозабитского жилища — „кебек», нечто вроде отверстия в потолке более или менее квадратной формы, заменяющее собой окна, которые полностью отсутствуют. Обычно „кебек» затягивается железной решеткой и частично или полностью — это зависит от времени года или дня — закрывается своего рода ставнями, являясь, таким образом, самым настоящим источником кондиционированного воздуха, будучи также и источником света: такое жилище собирает свет, как колодцы собирают воду. Летом внутри тень и свежо. „Кебек» частично закрыт, поток воздуха проходит между ним и входной дверью и между ним и отверстиями, проделанными в фасаде. Если ночная температура внутри слишком высокая, мозабиты спят на террасах.
В домах мозабитов нет мебели, поэтому жилое пространство используется полностью. Мозабиты сидят на полу на цыпочках или на коврах, а зимой часто увешивают стены коврами для еще большей изоляции.
Дома, расположенные в пальмовых рощах, стоят более обособленно и поэтому обращены к солнцу поверхностями гораздо больших размеров. Однако, тень, отбрасываемая пальмами, компенсирует этот избыток солнечного излучения. С другой стороны, почти постоянное орошение создает известную влажность.
Завоевание воды
Когда около 1000 г. н.э. Ибариты, происходившие из Палестины и вынужденные оставить страну по причине разразившихся там после смерти Магомета междуусобных войн, добрались, наконец — во время своего долгого кочевья они останавливались в Ливии и на севере Алжира — до долины М’Заб, перед ними встала самая главная проблема — где искать, как добыть, какими способами „поймать» воду. Дело в том, что в отличие от других оазисов в Сахаре, где обосновались основные человеческие поселения, воды здесь не было. Оазисы долины М’Заб — искусственные, это своеобразное свидетельство победы человека над пустыней. Вероятно — и в этом заключается парадокс — отсутствие воды послужило одной из причин того, что ибариты, миролюбивый народ, предпочитающий заниматься скорее торговлей, чем войной, выбрали сухую и выжженную солнцем долину М’Заб, отнюдь не привлекательную для разбойников, потому что были уверены, что смогут жить здесь спокойно и долго, пусть ценой изнурительного труда и лишений. Такой безмятежной жизни не смог бы обеспечить им ни один плодородный оазис, поскольку его пришлось бы защищать беспрерывно от нападений врагов. Итак, в течение десяти веков мозабитам удалось сотворить чудо: они не только создали искусственный оазис, но и продолжают пожинать плоды этой победы над невозможным до сегодняшнего дня. Ими создана самая удивительная система улавливания водных потоков в Сахаре: речь идет о целом ряде плотин и искусственных преград, благодаря которым все редкие потоки дождевой воды
— раньше они никак не использовались — сливаются в древний подпочвенный слой, относящийся к руслу реки четвертичного периода. Таким образом создается запас воды, из которого можно черпать живительную влагу через искусственные колодцы глубиной от 30 до 60 м.
В долине М’Заб были созданы три большие системы улавливания воды.
1) Прежде всего, все скалистые вершины прорезали сетью каналов, впадающих в своего рода цистерну: ни одна капля дождевой воды не должна пропасть даром, даже если возможности получить ее весьма редки — обычно дожди бывают раз-два в год.
2) Затем по каналам вода течет в русло древней реки: оно наполняется водными потоками три раза в год или остается сухим в течение трех лет.
В этих целях беря пример с пальмовых рощ Гхардайи Мозабиты построили:
— круглые башни в верхнем течении реки, предназначенные для того, чтобы замедлять бурные потоки воды во время сильных ливней;
— целую систему плотин, расположенных как зубья гребня, с тем, чтобы умерять силу бурных дождевых потоков.
3) И наконец, благодаря системе каналов, расположенных на разных уровнях, под воздействием силы бурных дождевых потоков вода перетекала из одного канала в другой. Часть этих вод уходит на насыщение древнего почвенного слоя, иначе говоря, русла реки М’Заб, высохшей несколько тысячелетий назад. Подобное распределение на различные секторы стока воды производится автоматически под действием силы тяжести. Причем, расстояние между каналами, проложенными на разных уровнях, измеряется несколькими десятками сантиметров.
Эти туннели подвергаются регулярной проверке вот уже в течение десяти веков и до сих пор функционируют отлично.
