ARCHITECTURAL PECULIARITIES OF THE EFFICIENT FACADES OF RESIDENTIAL BUILDINGS

АРХИТЕКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ ФАСАДОВ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ

Научная статья

Морозова А.П. ^1, *, Гурова Е.А.²

¹ ООО «FACTOR», Москва, Россия;

² РГУ им. А.Н. Косыгина, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (alexandramor1993[at]gmail.com)

Аннотация

Здания могут играть важную роль в производстве энергии и продуктов питания, в то же время делая города с высокой плотностью более устойчивыми. Цель исследования – раскрыть понятие производительный фасад как прием устойчивого дизайна. В работе анализируется архитектурное качество разработанной концепции производительного фасада на основе опроса, проведенного среди экспертов-профессионалов в строительстве. Разработанные варианты дизайна сравниваются с точки зрения ключевых аспектов дизайна, таких как эстетика фасада, вид изнутри, материализация, простота эксплуатации, функциональность и общее архитектурное качество. На основе определенной структуры проектирования ПФ и результатов исследования предлагается ряд рекомендаций и улучшенных прототипов ПФ для дальнейшей оценки и реализации с целью повышения их качества начиная от зданий заканчивая городами.

Ключевые слова: производительные фасады, устойчивый дизайн, экология, вертикальное озеленение фасадов.

ARCHITECTURAL PECULIARITIES OF THE EFFICIENT FACADES OF RESIDENTIAL BUILDINGS

Research article

Morozova A. P. ^1, *, Gurova E.A.²

¹ ООО “FACTOR”, Moscow, Russia;

² Russian State University Of Kosygin, Moscow, Russia

* Corresponding author (alexandramor1993[at]gmail.com)

Abstract

Buildings can play a significant role in food and energy production while making high-density cities more sustainable. The purpose of the research is to define the concept of the efficient facade as a means of sustainable design. The paper analyses the architectural quality of the developed efficient-facade concept following the inquiry conducted among the professional experts in construction. The developed design variations are compared from the standpoints of crucial design aspects, such as the facade aesthetics, interior view, materialisation, ease of operation, functionality, and the overall architectural quality. Based on the defined structure of engineering the efficient facade and the research results, we suggest a lot of guidance and improved prototypes of the efficient facade for the further evaluation and realisation to improve their quality ranging from buildings to cities.

Keywords: efficient facade, sustainable design, ecology, vertical facade gardening.

Введение

Последствия изменения климата, связанные с высокой концентрацией углерода в воздухе, влияют на качество жизни населения. В связи с этим возникает потребность в инновационных подходах в дизайне городов и зданий. Это особенно важно для уязвимой городской среды [1], которая, как ожидается, будет заселена 68% населения мира к 2050 г. Необходимо чтобы города постепенно трансформировались из потребителей ресурсов в первостепенные источники энергии и пищи [2].

Теоретические результаты исследования

Производительные фасады, как гибкие и многофункциональные системы, объединяющие фотоэлектрические и вертикальные фермерские системы, могут способствовать преобразованию зданий и конструкций от потребителей к производителям.

Внедрение в здания фотоэлектрических систем, комплексного сельского хозяйства или так называемых систем вертикального озеленения во внешнюю конструкцию зданий напрямую использует существующий потенциал зданий, не требуя дополнительного места. Обеспечивая возможность выработки электроэнергии на месте, технологии фотоэлектрических систем [3] могут внести ценный вклад в производительность здания [4] и эстетику [5]. Кроме того, в дополнение к сближению природы с людьми [6], вертикальное озеленение [7] обладает значительными функциональными [8] и формально-эстетическими ценностями [9]. Производство свежих овощей и социальные последствия использования вертикального озеленения в жилых зданиях делают его реализацию перспективной стратегией.

В качестве преимуществ фотоэлектрических систем и систем вертикального озеленения были предложены производительные фасады как многофункциональные модульные системы, в которые объединяют фотоэлектрические модули и вертикальное озеленение с помощью специальных кашпо. Данная конструкция фасада является устойчивой, многофункциональной, модульной системой конструкции здания. Первые созданные конструкции данного типа фасада были изготовлены и установлены в Лаборатории тропических технологий Национального университета Сингапура (NUS) (рис. 1). Основная цель проекта – это разработка функционального жилого фасада, в котором было бы реально оптимизированы возможности для земледелия, так и для производства естественной и экологически чистой электроэнергии.

Рис. 1 – Пример использования системы производительного фасада в конструкции здания Лаборатории тропических технологий Национального университета Сингапура

 

Результаты, представленные в этой статья, являются частью исследовательского проекта, направленного на разработку дизайна и оценку систем производительных фасадов.

Производительные фасады представляют собой новый технологический способ решения проблем, связанных с высокой зависимостью городов от импорта продовольствия, электроэнергии, нехватки доступных земель (либо вынужденной экономии), а также проблем, касающихся с высоким количеством выбросов парниковых газов. Производительные фасады – это многообещающий шаг в области проектирования, который включает в себя такую систему как сбор солнечной электроэнергии. На данный момент эта система является наиболее жизнеспособным видом возобновляемого источника электроэнергии, а также она показала свои положительные характеристики при использовании в городской среде с высокой плотностью. Помимо возможности производства растительных продуктов питания и выработки электроэнергии, производительные фасады уменьшают прирост солнечного излучения, а также улучают визуальный и тепловой комфорт объекта, дают возможность жителям плотной городской среды самостоятельно выращивать продукты питания, практика которой оказывает положительное влияние на их здоровье и благополучие, улучшая качество их жизни.

На основе обратной связи от архитекторов, дизайнеров и экспертов по фотоэлектрическим и сельскохозяйственным системам, предоставляется ряд рекомендаций по проектированию для улучшения прототипов производительных фасадов и их визуализации с целью их дальнейшей реализации. Следует отметить, что выбор элементов для практического применения не может быть сделан на основе одного изолированного элемента производительного фасада. Необходимо учитывать все здание, особенно эстетические элементы внешней конструкции здания, такие как: состав, пропорция, ритм, прозрачность, масштаб, цвета и материалы.

Рекомендуется ставить один фотоэлектрический модуль на северном и южном фасадах дабы избежать заграждения вида из окон. На восточных и западных фасадах предпочтительны узкие фотоэлектрические модули с низкими углами наклона, что обеспечивает защитный фактор от солнечного излучения, не загораживая вид снаружи. Оборудование фотоэлектрических систем с эстетической точки зрения предпочтительнее на уровне высоты потолка, однако более высокие позиции монтажа также могут быть выгодны с точки зрения обеспечения внутреннего естественного дневного света внутри помещений и растений на вертикальном озеленении снаружи. Угол наклона фотоэлектрических модулей эстетически предпочтительней 20° - он позволяет избежать мешающих отражений на соседних зданиях. Фотоэлектрические модули рекомендуется изготавливать однородной отделки для качественного затенения устройства.

Солнечные элементы, встроенные в стекло и позволяющие настраивать полупрозрачность, также могут способствовать эстетическому улучшения качества фасада и внутреннего дневного света [10]. Ожидается, что подробные рекомендации по проектированию, представленные на основе оценки эффективности, предоставят ценную информацию поставщикам, разработчикам и архитекторам и будут стимулировать инвесторов выбирать соответствующие системы с учетом климата и других условий.

Говоря о кашпо для растений на вертикальном озеленении, их цвет и свойства материала оказывают большее влияние на эстетическое качество производительного фасада, чем их положение и количество. Предпочтительнее использовать два ряда кашпо с минимальным габаритным размером 400 мм, в основном для обеспечения достаточного солнечного света и легкого доступа для сбора урожая, и технического обслуживания. Кроме того, предпочтительнее использовать более светлые цветные кашпо или кашпо, цвет которых не сильно контрастирует с преобладающим цветом фасада. Кашпо длиной от 500 до 800 мм были бы предпочтительным выбором, поскольку они позволяют сажать по меньшей мере три вида овощей, будучи в то же время достаточно маленькими и удобными для переноски.

Защитные решетки являются важным элементом, который обеспечивает безопасность, одновременно сводя к минимуму засорение солнечного света. Поэтому решетки должны быть крепкими, но довольно неразличимыми. Цветовое решение следует делать неотличимым от общего вида здания по эстетическим соображениям, а также для того чтобы избежать препятствия солнечного света. Предпочтительней конструкции из проводов серых или металлических оттенков. Решетки с вертикальной проволокой являются предпочтительным вариантом среди рассмотренных. Провода серого или металлического цвета могут быть менее заметны. Что касается эксплуатационных соображений и доступности, то предпочтительнее шкивная конструкция. Кроме того, для доступа к кадкам на вертикальном озеленении необходимо второе нижнее отверстие с раздвижными окнами.

Рис. 2 иллюстрирует возможное применение ПФ на фасадах зданий, что соответствует ранее предоставленным рекомендациям.

 

Рис. 2 – Разработка дизайна производительного фасада

 

Заключение

Представленное исследование, результаты и рекомендации способствуют развитию многофункциональных фасадных систем с использованием возобновляемых источников энергии. Улучшение архитектурного качества производительных путем учета мнений и знаний потенциальных пользователей и экспертов является решающим шагом к будущей масштабируемости этой междисциплинарной и инновационной концепции, ее реализации не только в отдельных зданиях, но, что более важно, в целых сообществах и городах. Статья также может дать ценную информацию для применения концепции производительных фасадов в различных крупных городах, а также в регионах, учитывая особенности их климатических условий и городской среды.

Благодарности Авторы выражают признательность кафедре дизайна среды ФГБОУ ВО «РГУ им. А.Н. Косыгина» за оказанную помощь при написании данной работы.	Acknowledgement The authors are grateful to FGBOU in the «RSU named after A.N. Kosygin» (Technology. Design. Art), Department of Environmental Design for the assistance in writing this work.
Конфликт интересов Не указан	Conflict of Interest None declared

 

Список литературы / References

1. Bizikova L. Climate change vulnerability and impact assessment in cities / Bizikova L. Bellali J., Habtezion Z., Dialhite M., Pinter L. // IEA Training Manual. – 2011. – Vol.2 – 68 p. doi: 978-92-807-3072-2
2. Prasad D. Designing with Solar Power: a Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BiPV) / D. Prasad, M. Snow – Routledge:Earthscan, 2014 – 251 p.
3. Jayathissa P. Optimising building net energy demand with dynamic BIPV shading / Jayathissa P., Luzzatto M., Schmidli J., Hofer J., Nagy Z., Schlueter A // Appl. Energy. – 2017– Vol.202 – P. 726-735 doi: 10.1016/j.apenergy.2017.05.083
4. Mandalaki M. Integrated PV in shading systems for Mediterranean countries: balance between energy production and visual comfort / Mandalaki M., Tsoutsos T., Papamanolis N. // Energy Build. – 2014 – Vol.77 – P. 445-456 doi: 10.1016/j.enbuild.2014.03.046
5. Kosorić V. A comparison between photovoltaic integration onto roofs and façades of existing public high-rise residential buildings in Singapore / Kosorić V., Lau S.-K., Nobre M.A., Tablada A., Lau S.S.Y. / Proceedings of 13th Conference on Advanced Building Skins – Bern, Switzerland, 2018 – 42p.
6. Wong N.H. Perception studies of vertical greenery systems in Singapore / Wong N.H., Tan A., Tan P.Y., Sia A., Wong N.C. //J. Urban Plan. Dev. – 2010 – Vol.136 – P. 330-338. doi: 10.1061/(ASCE)UP.1943-5444.0000034
7. Cooper-Marcus C. Healing Gardens: Therapeutic Benefits and Design Recommendations. / Cooper-Marcus C., Barnes M. – New York: John Wiley & Sons, 1999 – 624 p.
8. Roehr D. Green living envelopes for food and energy production in cities / Roehr D., Laurenz J.. //WIT Trans. Ecol. Environ. – 2008 – Vol.117 – P. 663-671 doi: 10.2495/SC080621
9. Sutton R.K.. Aesthetics for Green Roofs and Green Walls//Journal of Living Architecture – 2014 – 20 p. doi: 10.46534/jliv.2014.01.02.001
10. Lu Y. The implementation of building-integrated photovoltaics in Singapore: drivers versus barriers / Lu Y., Chang R., Shabunko V.,. Tan L.Y.A. //Energy – 2019 – Vol.168 – P. 400-408 doi:10.1016/j.energy.2018.11.099