Лекция 4
АРКОЛОГИЯ. ЭКОЛОГИЯ ЗДАНИЙ И ПОМЕЩЕНИЙ.
4.1. Понятие об аркологии.
Аркология - наука о взаимосвязях искусственных архитектурных
объектов с окружающей средой (внешней и внутренней), о влиянии этих сооружений
на здоровье населения, о методах и приемах проектирования и строительства
«экологичных» зданий и сооружений.
Одна из основных
задач аркологии - формирование здорового, экологически
«чистого» жилища. Актуальность этой задачи обуславливается крайне
напряженной экологической обстановкой в городе - необходимостью защиты людей,
находящихся в зданиях, от дополнительных внутренних вредных химических и
физических воздействий.
Массовое жилищное строительство далеко не экологично.
В помещениях складывается неблагоприятная для человека среда: вместе со
строительными материалами, мебелью и оборудованием в квартиры попадают вредные
для организма человека вещества, системы вентиляции не обеспечивают очистки
воздуха в помещениях, нарушается шумовой режим, велики теплопотери зданий, а
микроклимат в них не соответствует требованиям комфортности жилой среды.
Многоэтажные здания не обеспечивают их жителям
необходимой связи с земельным участком, вокруг непомерно крупных жилых домов
формируются неблагоприятные микроклимат и психологическая обстановка,
архитектурный облик построек не отвечает эстетическим запросам современного
человека
Внутренняя среда помещений ухудшается под воздействием
роста загрязненности наружного воздуха и шума в городах. Облегченные
конструкции индустриальных зданий при очевидных недостатках отопительных систем
и отсутствии солнцезащитных устройств на окнах ухудшают микроклимат в
квартирах.
Недостаточная вентиляция помещения, теснота,
отсутствие в квартирах подсобных и летних помещений, отрыв жителей от
придомовых участков ещё более обостряют экологические проблемы архитектуры
жилища
Изготовление бетонов с использованием вторичного сырья
(шлаки, фосфогипсы и др.) повышают радиоактивный фон в конструкциях до
пределов, небезопасных для человека. В практике отсутствуют контроль и
средства, способные защитить жителей первого этажа от вероятного проникновения
из-под земли радиоактивного газа - радона. Широкое применение полимерных
материалов повышает вероятность загрязнения внутренней среды продуктами их
распада. Асбест, стекловата, многие типы линолеума, древесностружечных плит,
лаки, краски, стиральные порошки, пластические материалы далеко небезопасны для
здоровья людей и домашних животных.
Наряду с актуальностью использования в строительстве и
архитектуре «чистых» материалов, все большее значение придается процессам
воздухообмена, совершенствования вентиляции, посредством которой вредные
примеси, содержащиеся в воздухе помещений, могут быть выведены наружу.
Эффективность искусственной приточной вентиляции
подтверждают многие исследователи, одновременно отмечая, что ионный состав
воздуха в жилых помещениях не отвечает требованиям гигиены.
Воздухообмен в помещениях взаимосвязан с теплопотерями
зданий. Поскольку сжигание традиционного топлива неэкологично, важна также
проблема экономии энергии, то есть достижение минимальных теплопотерь зданий
путем проведения соответствующих архитектурно-конструктивных и инженерных
мероприятий, а также использования возобновляемых источников энергии в
строительстве.
Жилища загрязняют окружающую среду города. При этом
жилые дома в 2,5 раза больше, чем общественные здания. Воздух загрязняется
незначительно, хотя в помещениях он в 2-4 раза хуже, чем снаружи. Один
12-этажный дом загрязняет городской воздух так же интенсивно, как 2-3 легковых
автомобиля. При этом важнейшей остается «мусорная» проблема (сбор, удаление и
переработка твердых бытовых отходов).
4.2. Внутренняя среда зданий.
Городские жители значительную часть жизни (пожалуй, не
менее половины) проводят в тех или иных помещениях, будь то квартира или
производственное помещение, поэтому особое внимание должно уделяться
экологическому состоянию внутренней среды здания, определяющему здоровье людей,
уровень их работоспособности и эмоциональности, качество досуга и многие другие
составляющие бытия. Эти проблемы особенно актуальны для таких категорий
населения, которые проводят много времени в квартирах (домохозяйки, пенсионеры,
беременные женщины и матери с маленькими детьми, инвалиды). Они в наибольшей
степени подвергаются воздействию неблагоприятных экологических факторов в
закрытых помещениях.
Довольно часто под термином «внутренняя среда здания»
понимается его микроклимат, который характеризуется самыми разнообразными
параметрами. Он оценивается по температуре, влажности, подвижности воздуха и
т.д. Комфорт - это совокупность благоприятных условий, удобств, обеспечивающих
хорошее самочувствие и высокую работоспособность человека. Зона комфорта - это
оптимальное для человека сочетание температуры,
влажности, скорости движения воздуха, воздействия лучистой энергии и
других физических факторов. В различных руководствах по гигиене указаны
конкретные допустимые параметры микроклимата. В среднем оптимальные значения
для человеческого организма составляют: относительная влажность 35-70%,
температура окружающего воздуха 23-26 оС, скорость воздушного потока
0,2-0,5 м/с.
Немаловажное условие комфортного микроклимата в жилище
- относительно одинаковая температуры воздуха по всему помещению как по
вертикали, так и по горизонтали. Разница температур внутри помещения не должна
превышать 2 оС. В домах должен происходить постоянный воздухообмен
между всеми помещениями и улицей.
Критерием экологичности воздушной среды обитаемых
помещений (квартир, служебных и других непроизводственных помещений) является
чистый природный атмосферный воздух, который необходим для здоровой жизни всего
живого. Свежий воздух - это один из элементов комфортного состояния организма.
Существенное влияние на здоровье людей оказывают
материалы, используемые при строительстве зданий и в быту. При исследовании
различных видов отделочных материалов в 80 % проб содержание тяжелых металлов,
опасных для здоровья, было во много раз выше предельно допустимых концентраций.
При блочном строительстве жилых помещений раньше
использовали асбестовый материал, который выделяет в воздух микрочастицы
(асбестовую пыль). В настоящее время применение асбестовых материалов в
строительстве обитаемых помещений запрещено, однако здания прежней постройки
могут выделять его компоненты.
Асбест пагубно действует на организм человека, приводя
к подавлению защитных сил организма, развитию иммунодефицита. В результате
возникают заболевания органов дыхания и других систем организма. Мебель,
изготовленная на основе фенолформальдегидных смол, является источником
высокотоксичных соединений (формальдегид, фенол). Лакокрасочные материалы,
применяемые при строительстве и ремонте для нанесения на паркет, полы, двери,
оконные рамы, двери и плинтусы, батареи отопительных систем, выделяют летучие
высокотоксичные растворители (ацетон, уайт-спирит, ксилол, толуол и др.),
которые являются гемолитическими ядами.
Энергогенерирующие приборы и устройства (печи, газовые
плиты, камины, керосинки, бензиновые и спиртовые горелки), несмотря на наличие
вытяжной вентиляции, являются потенциальными источниками целого ряда патогенных
соединений: оксидов углерода, азота, различных алифатических и ароматических
углеводородов. Следует иметь в виду особенности эксплуатации этой бытовой
техники. Так, при интенсивной эксплуатации газовой плиты происходит массивное
выделение в воздух диоксида азота, образующегося за счет окисления азота
атмосферного воздуха.
Существенно ухудшает качество жизни и обычная пыль. В
течение года в доме (квартире) площадью 150 м2 собирается до 20 кг
пыли. Пыль - обычное жилище для домашних клещей: в 12 г пыли живет около 42 000
пылевых клещей (примерно 15 видов). Эти микроскопические (от 0,1 до 0,25 мкм)
существа населяют диваны, кресла, ковры, подушки, декоративные шкуры животных;
питаются преимущественно клетками рогового слоя кожи человека. Они и их
экскременты могут стать источником аллергии и вызывать астматические приступы.
В 1 м2 старого коврового покрытия аллергенов содержится в 400 раз
больше, чем на голом полу. Являясь составной частью пыли, клещи и их отходы
постоянно находятся в воздухе помещений. Против них влажная уборка и пылесос
неэффективны: продукты жизнедеятельности пылевых (постельных) клещей настолько
микроскопичны, что, попадая в пылесборник, опять выдуваются в воздух, которым
мы дышим, и проникают в легкие. Пыль является колоссальным носителем
болезнетворных бактерий, всевозможных инфекций. Кроме того, болезнетворные
бактерии находятся в охлаждающих и обогревающих системах, в местах проживания
животных, мусорных сборниках, ванных и туалетных комнатах, т. е. везде. Около
10% простудных и инфекционных заболеваний обычно приобретаются вне помещений, а
90% - внутри помещений. В плохо проветриваемых помещениях создаются
благоприятные условия для пылеобразования и микробной загрязненности. Наряду с
микробным загрязнением в жилых помещениях обнаруживаются плесень, грибковые
споры. Они появляются в сырых местах с повышенной влажностью. Продукты их
жизнедеятельности вызывают аллергические реакции, острую головную боль,
раздражительность, усталость, депрессию.
Определенное негативное влияние в помещениях
подвального и полуподвального типа оказывает инертный газ радон. Одной из
первых стран, где стали контролировать присутствие радона в помещениях, быта
Швеция. Жители этой страны, борясь за экономию электроэнергии, затрачиваемой на
обогрев помещений, наглухо закупоривали свои дома. И чем меньше проветривались,
вентилировались помещения, тем больше в них скапливалось радона. Положение
усугублялось тем, что дома в Швеции, как правило, малоэтажные; в качестве добавки
к стройматериалам использовался глинозем - дополнительный источник радона. В
жилище радон попадает из почвы через нижние этажи и подвальные помещения;
выделяется из строительных материалов, водопроводных кранов и душей с
подземными водами, при горении природного газа, а также из наружного воздуха.
Активность радона в воздухе помещений на третьем этаже здания в 4-6 раз, а в
воздухе подвала того же здания в 8-25 раз превышает естественную
радиоактивность наружного воздуха. Наибольшая концентрация радона в квартирах -
в ванной комнате, особенно при работающей душевой установке. На кухне
повышенный уровень радона может сохраняться, если нет достаточной вытяжки над
газовой плитой или колонкой.
Негативные последствия воздействия радона и продуктов
его распада (изотопов полония, висмута, свинца) проявляются в увеличении числа
заболеваний раком легких, неблагоприятных генетических эффектах и
патологических нарушениях системы кроветворения.
Все большее значение в городах приобретает так
называемый синдром больных зданий, выражающийся в нарушении здоровья людей
вскоре после вселения в новые административные и жилые здания. Считается, что
основными причинами его возникновения являются увеличение степени герметичности
зданий (уменьшение притока наружного воздуха), а также широкое применение
синтетических материалов при строительстве и меблировке современных в первую
очередь офисных, помещений.
Выделяют две категории «больных» зданий: «Временно
больные » и «постоянно больные». В первом случае жалобы на плохое самочувствие,
развитие болезненных состояний связаны с качеством строительных или отделочных
материалов, с функционированием санитарно-технического оборудования. Причиной
их возникновения чаще всего является превышение ПДК в воздушной среде помещений
каких-либо химических веществ, например формальдегида, который используется в
мебели. Эта категория включает недавно построенные или недавно реконструированные
здания, в которых частота и интенсивность проявления болезненных симптомов
ослабевают с течением времени. В большинстве случаев примерно через полгода они
исчезают совсем. Отличительной особенностью зданий второй категории является
то, что симптомы расстройства здоровья у людей возникают при нахождении в
помещениях, где параметры окружающей среды не превышают общепринятых ПДК. Тем
не менее, у человека, находящегося в таком помещении, появляются слабость,
головные боли, раздражение конъюнктивы глаз, слизистых оболочек носа и горла,
нарушение вкусовых ощущений и т.д., но все эти явления исчезают или
незначительно уменьшаются, как только обитатели таких зданий выходят на улицу.
Полагают, что качество воздуха, в первую очередь его
химический состав, играет важную роль в возникновении синдрома больных зданий.
Правда, во многих случаях уровни концентраций химических веществ слишком низки,
чтобы служить причиной появления вышеуказанных симптомов. С другой стороны,
убедительно доказано, что число органических соединений и в большинстве случаев
их концентрация в воздухе помещений, где этот синдром наблюдается, намного
больше, чем в наружном воздухе.
Вероятной причиной появления синдрома является эффект
синергизма токсического действия десятков, а то и сотен органических веществ
различных классов, присутствующих в воздушной среде помещений, который во много
раз может превосходить эффект вредного действия отдельно взятого соединения.
4.3. «Экологичные» здания.
Повысить «экологический» эффект зданий можно
различными способами. Не все из них широкодоступны, но с развитием науки и
техники, а также технологий в строительстве экологичные конструкции и методы
возведения зданий применяются во все более широких масштабах, особенно в
развитых промышленных странах Европы и Америки.
Энергосберегающие здания - дома, в которых максимально используется тепловая
энергия, выделяемая внутри, и предусмотрена передача теплоты наружу.
Для достижения экономии энергии предусматривают
эффективные архитектурно-планировочные решения; дополнительную эффективную
изоляцию наружных стен; энергосберегающие окна, форточки, жалюзи; устройство
светопрозрачных теплиц на всю высоту стены или зимнего сада; обваловку части
здания грунтом, герметичную заделку стыков; устройство окон с одной стороны
здания; утилизацию тепла от внутренних источников с помощью тепловых насосов и
аккумуляторов; динамическую теплоизоляцию наружных стен (с системой воздушных
каналов внутри стены, сквозь которые проходит теплый воздух) и др.
Экономия энергии обеспечивает уже
объемно-планировочные решения, направленные на максимальное снижение потерь
тепла через ограждающие конструкции - окна в доме лучше располагать с одной
(солнечной) стороны, здание в плане стараться сделать простой прямоугольной
формы, площадь окон должны быть минимальной, необходимой для нормального
освещения. Желательно избегать сквозного проветривания через дверные и оконные
проемы.
Наиболее простой и широко используемый прием
сбережения тепла - устройство дополнительной теплоизоляции снаружи или внутри
здания. Для теплоизоляции применяют готовые панели из искусственного
(пенополистирол, пенополиуретан и др.) и естественного (минеральная вата,
древесноволокнистые плиты и т.д.) материалов. Динамическая теплоизоляция
наружных стен более сложна, основана на обеспечении циркуляции свежего воздуха
в сквозных вертикальных пустотах в стенах и его нагреве от тепла, проникающего
в стену от системы солнечного отопления и изнутри здания от традиционных систем
отопления.
Большое значение имеет конструкция окон. Стекла
заменяют вакуумными стеклопакетами (двух- или трехслойными), рамы окон утепляют
твердым пенополистиролом, на окна устанавливают энергосберегающие жалюзи с
высокими тепло- и звукозащитными свойствами и системой электронного управления.
При необходимости жалюзи опускают и резко повышают тепло- и звукоизоляцию стен.
Практическое значение имеет и вторичная утилизация
тепла, когда приточный воздух в системе вентиляции подогревается вытяжным
воздухом из помещений в теплообменниках. В индивидуальных домах применяют
систему воздушного отопления, в которой теплый вытяжной воздух дополнительно
подогревается в газовой установке и, проходя через теплообменник, нагревает
приточный воздух.
Тепловой насос способен утилизировать тепло от
наружных стен, если воздух в каналах пройдет через наружные стены, а затем его
теплота будет отобрана тепловым насосом. Далее эта теплота может быть
использована или поступить в тепловой аккумулятор. Утилизируется также энергия
теплых сточных вод.
Расчеты показывают, что при утилизации всей энергии и
безупречном проекте энергосберегающего дома не потребуется дополнительной
энергии для отопления здания в течение всего года
Гелиоэнергоактивные здания. Солнечная энергия – один из самых доступных, чистых и
практически неисчерпаемых источников. Недостатком ее является то, что плотность
энергии очень невелика, излучение прерывисто и зависит от метеорологических
условий. Тем не менее, солнечную энергию уже сейчас используют для
непосредственного преобразования в электрическую, нагревания теплоносителя и
снабжения зданий горячей водой, для нагрева массивных элементов зданий и т.д.
Целесообразность использования солнечной энергии
выявляется на основе комплексной климатологической характеристики района
будущего строительства (солнечная радиация, облачность, температура и влажность
воздуха, скорость ветра, осадки и т.д.).
Система отопления должна быть в состоянии поглощать
солнечную радиацию и преобразовывать ее в теплоту, аккумулировать тепло и
распределять ее в зонах отопления. При этом пассивные системы солнечного
отопления работают без принудительного вмешательства, а активные системы - с
помощью дополнительного источника энергии - механических установок (насосов,
вентиляторов и др.).
В настоящее время получили распространение следующие
виды пассивных систем солнечного отопления:
а) система прямого облучения, когда солнечная радиация
проходит сквозь оконные стекла, задерживающие инфракрасные лучи (парниковый
эффект);
б) система «массивная стена», представляющая толстую
стену с одной темной поглощающей поверхностью, закрытой оконным стеклом с
зазором 100-120 мм, в котором циркулирует нагретый воздух;
в) система «водозаполненных стен» (из водозаполненных
и нагреваемых солнцем контейнеров или труб);
г) система «водоналивная крыша», в которой поверх
перекрытия установлены емкости, окрашенные в черный цвет, служащие
своеобразными аккумуляторами тепла;
д) термасифонные системы, в которых система для
нагревания воздуха (тепловой коллектор) располагается ниже теплового
аккумулятора, что позволяет его эффективно нагревать.
При проектировании и строительстве зданий с активными
системами солнечного отопления необходимо обеспечить незатеняемость,
рациональную форму и ориентацию домов. Коллекторы (гелиоприемники) размещают на
обращенных в южную сторону склонах кровель, на экранах лоджий, на стенах и т.д.
Коллекторы могут быть плоскими или фокусирующими. Первые устраивают в том
случае, когда потребляется сравнительно низкопотенциальная энергия или в
сочетании с тепловыми насосами. Вторые - при необходимости получения более высоких
температур или для энергоустановок с кипящей жидкостью.
Биоэнергоактивные здания. Биомасса (трава, кустарники, водоросли, деревья, сточные воды и др.)-
мощный аккумулятор солнечной энергии. Она используется в качестве исходного
продукта для образования биогаза или вместо традиционного топлива Биогаз на
50-80% состоит из метана и на 20-50% - из углекислого газа. Биогаз получают в
установках, основной частью которых является реактор (метантенк) вместимостью
от нескольких кубических метров до нескольких тысяч кубических метров. Реакторы
играют роль бродильной камеры, куда ежесуточно загружают свежую биомассу,
обеспечивая необходимую температуру брожения, равномерное перемешивание массы и
опорожнение реактора от шлака Полученный
в реакторе газ поступает в газгольдер. Затем газ очищают от
сероводорода, удаляют углекислый газ и иногда сжижают. Готовое топливо
применяют в горелках систем отопления, водонагревателях, газовых плитах,
холодильных машинах и т.д.
Комплексы, включающие в себя реакторы - метантенки с
системами загрузки, перемешивания, очистки газа, удаления шлака и его
аккумулирования (газгольдер), лучше
всего размещать в местах постоянного накопления биомассы (в агропромышленных
комплексах, на предприятиях по переработке древесины, в жилых микрорайонах, на
промышленных предприятиях, на очистных сооружениях и т.д.).
Помимо рассмотренных выше «экологичных» зданий,
известны и иные их типы - ветроэнергоактивные, гидро-и геоэнергоактивные и
другие здания.
В Европе, например, при реконструкции старой застройки
получает все большее распространение экологическая модернизация жилищ при
которой реконструируемые здания снабжаются комплектом «экологических» устройств
- оборотным водоснабжением (для хозяйственных нужд), биореактором (сырьем для
которого служит бытовой мусор), гелиоустановками (их мощность достаточна для
отопления зданий в сравнительно мягком климате), установкой для компостирования
прочих отходов системой вертикального озеленения зданий, комплексным
обводнением и благоустройством дворов и т.д.