Національний університет „Львівська політехніка”

ШУЛДАН ЛАРИСА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 727.11:658.262

ПРИНЦИПИ АРХІТЕКТУРНО-ТИПОЛОГІЧНОГО ВДОСКОНАЛЕННЯ ШКІЛЬНИХ БУДІВЕЛЬ

З ВРАХУВАННЯМ ЕНЕРГОЗАОЩАДЖУВАННЯ

18.00.02 – архітектура будівель і споруд

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата архітектури

Львів 2007

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано у Національному університеті „Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник | доктор архітектури, професор, декан ІАРХ, завідувач кафедри дизайну архітектурного середовища Національного університету „Львівська політехніка”

Проскуряков Віктор Іванович

Офіційні опоненти | доктор архітектури, професор,

директор проектної фірми

„Ліценз і Арх” (м. Київ )

Слєпцов Олег Семенович

кандидат архітектури, доцент кафедри

архітектури будівель і споруд

Одеської Державної Академії будівництва і архітектури

Харитонова Аліна Анатоліївна

Захист відбудеться “ 5 ” жовтня 2007 р. о 13 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.052.11 у Національному університеті „Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” (79013, Львів, вул. Професорська, 1)

Автореферат розісланий “ 5 ” вересня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

канд. арх., проф. Петришин Г.П.

Підписано до друку 31. 08. 2007 р.

Формат 6090 1/16. Папір офсетний.

Друк на ізографі. Умов. друк. арк. 1,5. Обл.-видав. арк.0,89.

Тираж 100 прим. Зам. 70689..

Поліграфічний центр

Видавництва Національного Університету „Львівська політехніка”

79000, Львів, вул. Ф.Колесси, 2

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значне місце серед соціальних об’єктів України займають школи. Шкільній архітектурі, що формує середовище для виховання гармонійної особистості і створює здорові психофізичні умови для навчання, належить важлива роль у втіленні прогресивних форм педагогіки. Реформування вітчизняної освіти передбачає розроблення нових типів шкіл; перегляд їхньої технологічної організації; зміну номенклатури і планувальних параметрів шкільних приміщень. Удосконалення потребують будівлі існуючого шкільного фонду (близько 22 тис.), переважна більшість яких фінансується виключно з державного бюджету. Серед усього іншого важливими є створення і дотримання оптимальних мікрокліматич-них, зокрема, температурних параметрів у навчальних приміщеннях шкіл. З цим напряму пов’язані енерговитрати в тій чи іншій шкільній будівлі А вирішення питань раціонального використання енергетичних ресурсів за умов значного підвищення тарифів на енергоносії (на теплову енергію від 46 до 102 грн./Ккал за попередній рік) та їхнього подальшого зростання, набули загальнодержавного значення.

У вітчизняних наукових роботах у галузі архітектурного енергозбереження та більшості закордонних переважно розглядають проблеми використання інженерно-технічних заходів, застосування конструктивних рішень, розроблення й використання засобів збільшення теплонадходжень і, у зв’язку з цим, торкаються окремих питань енергозаощаджування11 Д. Антонюк, В. Бєляєв, М. Бродський, Г. Казаков, Т. Кащенко, О. Підгорний,
О. Печеник, Н. Селіванов, В. Товбич, Г. Хавхун, Л. Хохлова, Г. Черних і ін.. Архітектурні заходи енергозаощаджу-вання спрямовані на зменшення непродуктивних енерговтрат (тепловтрат) і збереження оптимальних умов мікроклімату в будівлі. Вони залишаються актуаль-ними при використанні будь якого з джерел енергії: традиційні види, альтернативні джерела чи внутрішні тепло-надход-ження. Тобто проектування, будівництво, реконструкція й експлуатація будівель навчальних закладів повинні передбачати впровадження енергозаощаджувальних заходів. Сьогодні в Україні немає методик і рекомендацій до проектування шкіл із врахуванням принципів архітектурного енергозаощаджування. Це підтверджує аналіз наукових праць сучасних дослідників проблем шкільної архітектури22 О. Дячок, В. Єжов, Л. Ковальський, Н. Консулова, Є. Начєва, О. Слєпцов,
С. Сьомка, В. Шпаковська. та наукових праць їхніх попередників33 В. Алексєєв, І. Архаров, Н. Афанасьєва, А. Баталов, О. Барханова, М. Волков,
П. Вєтров, Г. Градов, А. Гущев, Т. Дадашев, Є. Дворкіна, Н. Євсіна, Ю. Тюшин,
А. Касумов, В. Коктиш, Г. Лебедєва, С. Моісеєва, С. Наумов, Н. Решетнікова, В. Стєпанов, В. Смирнов, К. Шешельгіс..

До основних положень актуальності теми дослідження належать такі:

1. Архітектурне проектування нових та експлуатація наявних шкільних будівель в Україні потребують істотних змін, зумовлених законодавчо закріпленими вимогами реформування національної освіти.

2. У більшості вітчизняних шкіл через недостатню теплоізоляцію будівель та проектні рішення без врахування архітектурних заходів енерго-заощаджу-вання не дотримано санітарно-гігієнічних вимог, спостері-гаються значні тепловтрати і витрати енергоносіїв на опалення.

3. До найважливіших проблем сучасності належить раціональне вико-ристання енергоресурсів, а енергетичні реалії в Україні зумовлюють гостру необ-хідність у розроблянні й застосуванні архітектурних енергозаощаджу-вальних рішень для будівель шкіл.

Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження відповідає: науковому напрямку кафедри дизайну архітектурного середовища Національного університету „Львівська політехніка” – „Типологія архітектури і архітектурного середовища”; кафедри архітектурних конструкцій Національного університету „Львівська політех-ніка” – „Дослідження конструкцій будівель і споруд, кліма-тичних навантажень і впливів, питань архітектурно-будівельної фізики й аеро-динаміки, а також досліджен-ня і розроблення енергозаощаджування в будівлях і регламентів для покращання комфортних умов архітектурного середовища”; відповідає затвердже-ній на сесії Львівської обласної ради 3.03.2006 р. „Програмі енергозбереження для бюджетної сфери й населення на 2006–2008 роки” № 526.

Розрахункова частина даного дослідження спирається на засади архітек-турно-будівельної фізики44 М. Айзен, Л. Богуславський, В. Гершкович, М. Гусєв, С. Жуковський, В. Лабай, Н. Селіванов, О. Сергейчук, та ін. та вітчизняні й закордонні нормативні і рекомендаційні джерела. Загальнотеоретичною основою досліджень стали роботи в галузі містобудування й архітектури55 Г. Азгальдов, М. Оболенський, Б. Бархін, М. Дьомін, А. Iконніков, В. Єжов,
Г. Лаврик, В.Тимохін, В. Куцевич, В.Проскуряков, О.Слєпцов, І.Фомін та ін..

Мета дослідження – виявлення тенденцій архітектурного енергозаощаджу-вання шкільних будівель і комплексів, визначення їхніх основних принципів; розроблення рекомендацій щодо проектування нових та реконструкції існуючих будівель шкіл в Україні з врахуванням принципів енергозаощаджування.

Завдання дисертаційного дослідження:

1. Проаналізувати основні фактори, що впливають на архітектурно-типоло-гічну організацію шкіл та визначити серед них місце енерго-заощаджу-вання;

2. Узагальнити досвід проектування, будівництва та реконструкції нав-чальних будівель з врахуванням енергозаощаджування;

3. Виявити історичні закономірності і сучасні тенденції застосування енерго-заощаджування в архітектурі шкіл;

4. Класифікувати заходи з архітектурного енергозаощаджування для шкіль-них будівель і комплексів та обґрунтувати їхню енергетичну й економічну ефективність;

5. Сформулювати принципи архітектурного енергозаощаджування для шкіль-них будівель і комплексів;

6. Розробити пропозиції щодо вдосконалення архітектурно-просторової, типо-логічної організації та художньо-естетичної виразності шкільних будівель з врахуванням вимог енергозаощаджування.

Об’єкт дослідження – шкільні будівлі і комплекси.

Предмет дослідження – архітектурно-типологічне вдосконалення шкільних будівель і комплексів з врахуванням енергозаощаджування.

Межі дослідження:

- географічні: І, ІІ і ІІІ температурні зони України;

- часові: від другої половини ХІХ століття до теперішнього часу;

- архітектурно-типологічні: шкільні будівлі, що передбачені чинними норма-тивними документами, державними будівельними нормами, законодав-чими проектами.

Методи дослідження

За емпіричним методом вивчено досвід проектування і будівництва навчаль-них закладів із застосуванням архітектурного енергозаощаджування: критично про-ана-лізо-вано 405 навчальних будівель і комплексів, з яких комплексно досліджено 103 об’єкти. Теоретичний метод полягав у аналізі спеціальної вітчизняної та закордон-ної літератури з архітектури шкільного будівництва: методичних, наукових, про-ектних матеріалів і норм з архітектури навчальних будівель (більше ніж 70 літера-турних джерел), близько 40 джерел за темою енергозбереження та теплофізики і т. ін. з архівів, бібліотек України та інших країн. На основі 60 типових проектів шкіл проведено логічне моделювання процесів, що відбуваються у навчальних закладах та їх зівставлення з тепло-фізичними процесами у будівлях. Застосування спеціаль-них методів полягало у здійсненні інструментальних досліджень в 24 школах, експериментальних, лабораторних та розрахункових роботах; розрахунку та порів-няльній оцінці енергоефективності архітектурних заходів для 8 існуючих шкіл із застосуванням методу математичного моделювання; у виконанні 107 енергетичних аудитів будівель різного призначення для визначення енерго-економічної доціль-ності застосування заходів енергозаощаджування. Здійснено статистичний аналіз результатів анкетного опитування батьків школярів та вчителів, виконаного у 114 школах трьох температурних зон України. Роз-роблено 19 експери-ментальних про-ектів, проведені численні консультації навчальних та реальних проектів із застосу-ванням заходів архітектурного енергозаощаджування в будівлях навчаль-них закладів.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше окреслене поняття „архітектурного енергозаощаджування” для бу-дівель шкіл;

- визначено взаємозв’язок між прийомами архітектурно-планувальної, просто-рової, типологічної організації, художньо-естетичної виразності шкільних будівель і споруд та їхньою енергоефективністю;

- сформульовано принципи архітектурного енергозаощаджування для вдоскона-лення шкільних будівель різних архітектурних типів;

- обґрунтовані засоби і розроблені заходи архітектурного енергозаощаджу-вання для впровадження в сучасну практику проектування і реконструкції шкіл.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дослідження мож-на застосовувати для прикладного проектування нових будівель шкіл та рекон-струкції існуючих. Частину отриманих у роботі результатів можна адаптувати до будинків інших типологічних груп. Напрацювання можуть бути використані для підготовки теоретичних праць і науково-методичних посібників з архітектурного енерго-заощаджу-вання. Отримані результати застосовано у навчальному процесі в курсах „Архітектурна фізика”, „Енергозберігаюча архітектура” для студентів-архітекторів; для студентів-енергоменеджерів в курсі „Забезпечення енергоощад-ності цивільних та промислових будівель”, та можуть застосовуватись під час підготовки студентів інших будівельних спеціальностей.

Апробація результатів дослідження. Основні положення та матеріали досліджен-ня було представлено на 16 конференціях і семінарах, серед них: Міжнародна науково-практична конференція „Сучасні технології мінімізації енерго-споживання у будівництві. Відновлювальні джерела енергії” (Львів, 8–9 лютого 2007 р.); Навчальний семінар для керівників органів місцевої влади „Управління споживанням енергії та фінансування енергоощадних проектів для бюджетних установ міста” (Трускавець 30–31 жовтня 2003 р.); ІІІ наукова конференція молодих вчених на тему “Будівництво та архітектура України в нових соціально-економічних умовах”, секція 18.00.02 архітектура будівель і споруд (Київ ЗНДІЕП, 25 листопада 2004 р.); Міжнародна науково-технічна конференція “Житло, енергія, екологія”, каф. ”Архітектурні конструкції”
(м. Львів, 27–29 квітня 1998р.); Miedzynarodowa naukowo-praktyczna konferencja “Energoоszczednosci sfer nieprodukcyjnego przezna-czenia” (Polska, Krakow, 4–6 maja 1999); Problems of the technical meteorology. 3rd International conference (Lviv, 22–26 Мау 2006). Результати дослідження знайшли відображення у
6 демонстраційних проектах: “Пілотний проект енергетичного аудиту Міської Ради в м. Львові”, “Демонстраційний проект енергоаудтиту школи № 13 м. Тернополя” (виставка “Галицькі контракти”); „Енергообстеження будівель шкіл Стрийського р-ну Львівської обл.”, “Демонстраційний проект енерге-тичного аудиту загальноосвітньої школи № 161 у м. Харків”; ”Демонстра-цій-ний проект енергообстеження будівлі загальноосвітньої школи № 9 у м. Івано-Франківську”; “Демонстраційний проект енергетичного аудиту Палацу твор-чості дітей та юнацтва у м. Хмельницькому” (виставки Спілки енергоощадних міст України).

Публікації. Автором одноосібно (9) та у співавторстві (5) опубліковано
14 статей за темою дослідження, зокрема 5 у виданнях, внесених ВАК до списку фахових видань за спеціальністю 18.00.02 – архітектура будівель і споруд.

Особистий внесок. У статтях [1, 2] автором проаналізовано результати досвіду залучення студентів Львівської архітектурної школи до проектування шкільних будівель з урахуванням енергозаощаджувальних технологій та засобів. У праці [4] висвітлена актуальність енергозаощаджування в архітектурі навчальних закладів на прикладах з ретроспективного огляду архітектурної діяльності за кордоном і в Україні. У публікації [6] виявлені проблеми сучасного сільського шкільного будівництва у часовому діапазоні від кінця ХІХ століття до наших днів та перспек-тиви розвитку архітектури шкіл з позицій енерго-заощаджування.

Структура та об’єм дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Основна текстова частина на 188 сторінках (з ілюстративним матеріалом на 25 сторінках), бібліографія складається з 250 найменувань, 3 додатки містять ілюстративний матеріал та відомості про впровадження результатів дослідження.

Впровадження результатів дослідження

Результати дослідження використані під час розроблення навчальних семестро-вих, бакалаврських і дипломних проектів студентів-архітекторів за спе-ціальністю 7.121103 та 8.121103 „Дизайн”, у 5 дипломних проектах студентів-теплотехніків за спеціальністю 8.092108 „Теплогазопостачання і вентиляція” та 8 дипломних проектах студентів-енергоменеджерів за спеціальністю 7.000008 „Енерге-тичний менеджмент”. Основні положення дослідження використовуються у лекційних курсах „Архітектурна фізика” для базового напряму 6.120100 „Архі-тектура”; „Енергозберігаюча архітектура” для спеціальності 7.121101 та 8.121101 „Архітектура будівель і споруд”, 7.121102 та 8.121102 „Містобудування”, 7.121103 та 8.121103 „Дизайн”; „Забезпечення енерго-ощадності цивільних та промислових будівель” для спеціальності 7.000008 „Енерге-тичний менеджмент”; у практичних, лабораторних роботах і розрахункових роботах названих курсів; у лекціях для слухачів курсів підвищення кваліфікації спеціалістів енергомене-дже-рів райдер-жадміністрацій (міськвиконкомів) за темою „Управління ефективністю викорис-тання енергоресурсів” впродовж 2006 р., що проводить Ре-гіональний центр з перепідготовки та підвищення кваліфікації кадрів у сфері енерго-збере-ження та енергоменеджменту; у 6 методичних розробках до лабораторного практикуму курсу „Архітектурна фізика” напряму 1201 і навчальних курсів з енерго-збереження та виконання „Програми енергозбереження для бюджетної сфери й населення на 2006–2008 роки”.

Впровадження здійснені автором у 8 проектах: пілотний проект енерге-тичного аудиту будівлі міської ради на Площі Ринок № 1 в м. Львові, виконаного на замовлення „Alliance to Save Energy”; комплексний термореноваційний проект Львів-ської школи-інтернату № 1 по вул. Остроградських № 1 м. Львова, проект реновації школи № 13 м. Тернополя, проект термореновації школи № 19 в
м. Луцьку у співпраці з енергосервісною фірмою “Універс”, а результати досліджень, проектування і впровадження доповідалися на семінарах і конференціях Спілки енергоощадних міст України. Результати досліджень застосовані в „Програмі утилізації промислових органічних відходів шляхом спалювання для виробництва теплової енергії в Стрийському р-ні Львівської обл.” під час виконання проекту енергетичного аудиту для загальноосвітньої школи в с. Старі Дідушичі Стрийського району, проекту реконструкції школи в с. Малі Дідушичі та проекту комплексної термомодернізації школи в с. Лю-бинці, в межах гранту СG5-UA-2 виконано проект реконструкції загально-освітньої школи в смт.Стинава Стрийського району Львівської області.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У Вступі обґрунтовано актуальність теми, охарактеризовано стан вивченості проблеми, визначено зв’язок з науковими програмами, сформульовано мету і визначено завдання дослідження, викладені наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, подано апробацію і впровадження результатів роботи.

Розділ 1. Досвід проектування і будівництва шкіл з врахуванням енерго-заощаджування

Оглядом наукових праць з проблем архітектури шкільних будівель виявлено відсутність досліджень у напряму їх вдосконалення з урахуванням енерго-заощаджування. У першому розділі аналізується позитивний вітчизняний та прогре-сивний зарубіжний досвід проектування і будівництва шкільних будівель з позицій енергозаощаджування та основні фактори, що впливають на їхню архітектурно-типологічну організацію в сучасній Україні. Для визначення перспектив і масштабів застосування архітектурного енергозаощаджування про-ведено аналіз та ранжування факторів впливу на формування архітектури шкіл, серед яких: реформування шкільної освіти, демографічні процеси, енергетичні, екологічні та економічні фактори, кліматичні й мікрокліматичні дані.

З погляду на нинішню кризову енергетичну ситуацію в Україні підкреслено, що шляхи виходу з неї полягають не стільки у напрямку пошуків енергетичних джерел, а швидше у резервах енергозбереження, зокрема енергозаощаджування як головного потужного внутрішнього резерву країни. Школи один з найпоши-реніших типів громадських будівель, а потреби опалення тут найвищі, вони становлять 75–85 % енергоспоживання. На оплату теплопостачання припадає
11,5 %, оплату газу – 2 % загальної суми виконання бюджету по освіті. Забез-печення здорового психо-фізичного середовища, дотримання санітарно-гігієніч-них, зокрема, температурних вимог для приміщень шкіл є невід’ємною частиною збереження здоров’я школярів – 12,5 % населення України.

Проаналізовано положення реформування національної освіти, сучасні педаго-гічні концепції, що вимагають доповнення типологічної палітри шкільних будівель та перегляду їхньої архітектурно–планувальної структури. З’ясовані при-чини зростання об’ємів будівництва шкіл та масштаби застосування енерго-ефективних рішень: позитивний розвиток демографічних процесів, що прогнозує за 4–7 років значне збільшення дітей шкільного віку; реформування освіти, що вимагає розроблення нових типів шкіл та збільшує термін навчання; необхідність переходу на навчання в одну зміну потребуватиме збільшення існуючої кількості шкіл на 12 %; зростання попиту на національні школи; вирішення проблеми переповнення шкіл в окремих районах міст. Вдосконалення потребують архітек-турні рішення як нових, так і наявних шкільних будівель. Необхідність архітек-турного вирішення питань економії теплоносіїв підтверджене співставленням терміну функціонування шкіл (272 дні за рік) з тривалістю опалювального періоду (середньодобова темпе-ратура повітря < 8 оС, до 195 діб).

З метою визначення подібностей і відмінностей основних прийомів архі-тек-турного енергозаощаджування та перспектив їх практичного застосування проана-лізовані понад 400 прикладів проектування, будівництва і реконструкції навчальних закладів. Вивчено досвід шкільного будівництва з врахуванням енерго-заощаджу-вання в географічних межах зі схожими або близькими до переважної частини території України кліматичними умовами, в рамках європейської та американської культурної традиції, у часовому діапазоні від кінця ХVІІ до початку ХХІ ст. Зі світового досвіду проектування й будівництва навчальних будівель автор дослідила 35 будівель66 К. Лигін А. Красовський, Фрізе, Ґотсгалдт, Л. Хьолснер, Р. Мейер, А. Аалто,
В. Гропіус, Ле Корбюзьє, Л. Міс Ван дер Рое, Молсом, Н. Теш та Л. Гіртц, Ф. Брюнн,
І. Еллефсен і С. Педерсен А. Якобсен, К. Нюрин А. ван Ейк, В. Дудок, Р. Кюенці,
Е. Гізель, Г. Баур; Й. Гончар, Ел. Саарінен, Р. Нейтра; Томпсон, Бервік, Пратт, Файрфельд, Дюбуа, Дж. Стерлінг, К. Персон, А .Бецкі, Ш. Кеннеді, Ф. Віоліч,
Дж. Острі, Р. Маріам, К. Макдональд, М. Фесерсінґер, П. Піва, В. Гольцбауєр,
Г. Домініг, Капфгамера-Вегана-Коссдорфф, М. Шишковітц, К. Ковальські, Р. Месер,
Г. Сейнер, А. Перрот, М. Роесґен, Ф. Роланд, П. Каіндл., серед них проекти архітекторів зі світовим ім’ям, де реалізовані типові або спеціальні архітек-турні енерго-заощаджувальні рішення. Проведено комплекс-ний аналіз 34 шкіл авторства радянських77 А. Щусєв, П. Альошин, В. Осьмачк, І. Каракіс, Г. Волошинов, А. Капустіна,
Г. Градов, В. Степанов, С. Євдокимов, В. Савченко, В. Єжов, В. Сова, В. Воліка,
С. Нівін, Є. Баталов, П. Бакет, В. Стєпанов, В. Тірський, В. Д’ячков, І. Шишков,
К. Шехояна, провідні інституції: ЦІТП, ЦНДІЕП навчальних будівель, КиївЗНДІЕП., проекти вик. під кер. Б. Бархіна, М. Лісициана. та закордонних88 М. Куселка, Д. Хаджиіванов, І. Голомб, І. Форст, Л. Кепка, І. Немец, М. На-наши А. Пенхарський, З. Фафіус, М. Колач. архітекторів, розглянуто етап розвитку шкільної архітектури в колишньому СРСР та країнах соціалістичної спів-дружності. Історія шкільного будівництва і сучасний стан проектування з урахуванням енерго-заощаджування в Україні вивчалися автором на прикладі 182 будівель, з яких комплексно досліджені 3799 Й. Шедель, О. Дейнека, Е. Брадтман, А. Берєтті, О. Бекетов, А. Мінкус, Ю. За-харі-євич, Г. Бізанс, Г. Пежанський, Т. Мюніх, О. Сластьон, К. Жуков, Т. Врубель,
Л. Красин-ський, І. Каракис, Є. Яхненко, М. Король, Є. Гуменюк, Ю. Джигіль, М. Білик, С. Сьомка.. Узагальнення досвіду шкільного будівництва свідчить, що енергозаощаджування в архітектурі шкіл має глибокі історичні корені, які знайшли відображення в архітектурних рішеннях від середини ХІХ і до початку ХХІ ст. Аналіз розвитку архітектурної типології шкільних будівель довів: архітектура шкіл формувалася з враху-ванням енерго-заощаджування. З’ясовано також, що в масовому будівництві за типовими проек-тами архітектура шкіл частково втратила свою первинну функцію – захисту від негативних зовнішніх впливів і забезпечення умов провадження навчального процесу. Для подальшої експлуатації більшості існуючих шкіл необхідно терміново розв’язати цілий комплекс проблем. Серед них – незадовільний температурний режим у приміщеннях або (та) невиправ-дано великі теплоенергетичні втрати.

Сучасне проектування навчальних закладів не використовує повною мірою досягнення науки, ринку матеріалів і технологій, а питання енергозаощаджування архітектурними заходами повинні бути відображені в нормативній літературі спеціальними розділами (параграфами).У результаті критичного аналізу досвіду проектування, будівництва та реконструкції шкільних будівель виявлені про-образи функціональних, просторових, архітектурно-естетичних рішень, які сприяють зменшенню тепловтрат.

Розділ 2. Методи визначення та класифікація заходів архітектурного енергозаощаджування для будівель шкіл

Перелік архітектурних енергозаощаджувальних заходів формувався шляхом оцінювання основних чинників за їх впливом на теплоспоживання будівель шкіл та величину тепловтрат. Зміни шкільної архітектурі, пов’язані із реформуванням віт-чиз-няної освіти, розділені автором на три групи за рівнем впливу на енергетичний стан будівлі та її окремих частин:

І – пов’язані із диференціацією кубатур обігрівання; ІІ – визначають різно-маніт-ність вимог до параметрів внутрішнього мікроклімату приміщень; ІІІ – впливають на величини і співвідношення тепловтрат будівлі.

Статистичний аналіз результатів опитування проведеного у 114 школах
(І–ІІІ температурної зони, респондентами стали 167 вчителів, серед них директори і завучі шкіл, та 123 батьків учнів) визначив потереби й побажання щодо архітек-турного удосконалення шкільних будівель і їх ділянок. Виявлено постійне або періодичне відчуття дискомфорту, що присутнє в навчальних приміщеннях 68 % шкіл. Насамперед це температура, яка в навчальних приміщеннях деяких шкіл взимку сягає 5 ?С; підвищена вологість (80–90 %); конденсування вологи на внут-рішніх поверхнях конструкцій. Інструментальні дослідження, проведені у 24 шко-лах, показало, що дотримання оптимальних температурних параметрів у більшості з них в окремі періоди (при зовнішній температурі нижче холодної „триденки”) досягається шляхом понаднормового розходу теплоносіїв.

Опрацюванням нормативних та експериментальних даних визначено, що теплоспоживання будівель шкіл повною мірою залежать від об’єму будівлі, років їх будівництва, планувальної та планувально-просторової структури. У результаті ана-лізу більше ніж 60 типових проектів визначено співвідношення складових тепло-витрат в будівлях шкіл, (тепловтрати теплопередачею і фільтрацією роз-поділя-ються від 65 % і 35 % для початкових шкіл, шкіл малої місткості і корпусів павільйон-них шкіл до 30 % і 70 % у будівлях трикомплектних і більшої місткості шкіл).

Застосування спеціальних програмних продуктів дало змогу розрахувати
енергоефективність архітектурних заходів. Розрахунки проведені автором для бу-дівель шкіл І–ІІІ кліматичних зон. Найбільшого ефекту втілення архі-тектурного енергозаощаджування очікується для І зони і значно меншого для ІІІ. ІV темпе-ратурна зона не досліджувалась через значні кліматичні відмін-ності від решти території України, невелику площу та незначну кількість освітніх закладів. Розраховано, що реалізація цілеспрямованої енергоза-ощаджувальної політики у сфері містобудування і архітектури може давати до 20 % економії теплової енергії. Щоб досягти такого ефекту, потрібні відповідні заходи у галузі проектування й в сфері втілення пропозицій архітектурного енергозаощаджування. Визначені джерела інвестицій на впровадження архітек-турних енергозаощаджувальних заходів в шкільних будівлях. З’ясовано, що найбільше зацікавлена у інвестуванні держава. Ефективність залучення інвес-тицій обґрунтовується самоокупністю архітектурних енергозаощаджу-вальних заходів. Для існуючих шкіл термін окупності не повинен пере-вищувати 8 років, а перевага надається заходам з найменшим строками по-вернення інвестицій. Економічна перспектива повномасштабної реалізації архі-тектурного енерго-ощаджу-вання в будівлях шкіл України може бути оцінена в 0,6 млрд грн./рік (за розрахунками на базі цін ІІ півріччя 2006 року).

У результаті аналізу досвіду шкільного будівництва зафіксовано вплив доступності і ціни енергоносіїв на зміни архітектури: композиційні і формальні рішення шкільних будівель, прийоми дизайну тощо. Запропоновано періодизацію підходів до архітектурного енергозаощаджування. Перший період – від кінця ХІХ до початку ХХ – століття характеризується стабілізацією поверховості будівель шкіл, їхніх пропорцій, визначенням гігієнічних вимог та функціональної організа-ції, а також формуванням усталених енергозаощаджувальних рішень. Впродовж
ІІ періоду, позначеного доступністю енергоресурсів та бурхливим розвитком інже-нерної думки, відбулося нівелювання заходів архітектурного енерго-заощаджування та зменшилася відповідальність архітектурних рішень у форму-ванні внутрішнього мікроклімату. Третій період припадає на часи енергетичних, частково економічних, а останнім часом, й екологічної криз та супроводжується підвищенням свідомості й відповідальності архітекторів за використання енергетичних ресурсів. В таких умовах виникає гостра необхідність у розробленні і застосуванні архітектурного енергозаощаджування, що розвивається в трьох напрямках: реверсне застосування прийомів традиційної архітектури та їх удоско-налення; використання передових технологій та матеріалів з появою концеп-туально нових архітектурних форм і методів; синтетичне поєднання першого і другого підходів.

Сукупність опрацьованих факторів та комплексний аналіз понад ста збудованих і спроектованих будівель шкіл дав змогу висвітлити архітектурні рішення, що впливають на типологію шкільних будівель та, разом з тим, є архітектурними енергозаощаджувальними заходами. З’ясовано, що функціо-нальні, просторові, архі-тектурно-естетичні вирішення шкіл можуть бути за-ходами архітектурного енерго-заощаджування. Встановлені основні засоби енерго-заощаджу-вання для будівель шкіл, які формують позитивний тепло-енергетичний фон та створюють захист від вітру, оптимізують тепловтрати будівлі і змінюють об’єми обігрівання. Визначено перелік архітектурних заходів для шкільних будівель і комплексів у цьому напрямі: інтеграція у сельбищну забудову; використання міських елементів; створення внутрішніх дворових просторів; використання рельєфу та підземних просторів; вибір форми будівлі і окремих її елементів; оптимальне використання обігріваль-ного об’єму; з’єднання окремих корпусів і блоків; вибір форми плану; об’єднання приміщень за температурними параметрами; використання орієнтації навчаль-них приміщень; усунення локальних тепловтрат; диференціація площі, конфігу-рації, теплоізоляційних властивостей світлопрозорих та непрозорих огороджу-вальних конструкцій залежно від місцеположення в будівлі; зміна внутрішніх об’ємів приміщень тощо. Названі принципи проілюстровані 62 прикладами архітектурних енергозаощаджу-вальних прийомів з досвіду проектування, будівництва й рекон-струк-ції шкільних будівель.

Розділ 3 Архітектурно-типологічні принципи енергозаощаджування шкіль-них будівель і споруд і комплексів

У розділі подані рекомендації щодо вдосконалення шкільних будівель і комплексів як реалізація п’яти принципів архітектурного енергозаощаджування.

В межах цих принципів окреслені засоби, за допомогою яких розроблені архітектурні заходи і прийоми.

Встановлено, що містобудівні засоби економії енергії здатні зменшувати тепловтрати до 15 %. Це досягається вбудовою шкіл у міську забудову; викорис-танням інших будівель як екранів; створенням внутрішніх дворових просторів; використанням рельєфу і підземних просторів:

- розташування шкіл в центрах кварталів і районів підвищує температуру повітря їх територій на 0,5–1 оС за рахунок теплового випромінювання будівлями житлової забудови;

- на незахищених територіях для захисту від вітру будівель шкіл з на-віт-ряного боку слід розміщувати господарські будівлі, які здатні послаби-ти швидкіс-ний напір вітрів на 2–3 %, або висаджувати вітрозахисні смуги з хвойних порід дерев;

- проектування й будівництво шкіл з частковим заглибленням в ґрунт на 6% зменшують тепловтрати будівлі теплопередачею та інфільтрацією.

Удосконалення архітектурно-планувальних і просторових рішень з метою зменшення інтенсивності тепловтрат реалізовується такими заходами:

- обмеженням висоти шкільних будівель на незахищених територіях 10м, що зменшує фільтраційні тепловтрати і передбачає горизонтальний роз-виток 2–3 поверхових шкільних будівель;

- збільшенням ширини шкільних будівель всіх композиційних схем, особли-во централізованих;

- добудовою планувальних елементів та збільшенням ширини в блокованих схемах шкільних будівель;

- об’єднанням окремих структурних і просторових частин, з’єднанням па-вільйонів під єдиним дахом для павільйонних схем будівель шкіл;

- видовженням лінійних частин, частковим зануренням в ґрунт та збільшен-ням ширини класів шкіл терасного типу;

- розташуванням основних приміщень будівлі (класів, лабораторій, навчаль-них кабінетів) та допоміжних (комунікаційних, господарських, т. ін.) із врахуванням їх орієнтації до сторін світу (до 5 %);

- об’єднанням приміщень з однаковими нормативними температурами повітря по горизонталі і вертикалі (до 6 %);

- використанням „поперечних” класних кімнат глибиною до 7,5 м (4 ряди по 4 столи), квадратних 6х6м (3 ряди по 4–5 столів) та нестандартної форми класів;

- використанням гнучких планів для створення різноманітних просторів в межах одного навчального приміщення, у великих аудиторіях, актових залах і рекреаціях;

- підвищенням рівня підлоги навчальних приміщень і коридорів відносно відміток тамбуру й вестибуля, заміною одинарних тамбурів на подвійні та встановленням зовнішніх вхідних дверей як мінімум врівень зі стінами будівлі.

Доведено, що форми шкільних будівель мають енергозаощаджувальний ефект. Їх застосування зменшує нетехнологічні тепловтрати до 25 %. За допомо-гою математичних моделей виявлена залежність тепловтрат від форми будівлі або її композиційних складових і визначено ті з них, які мають найменші тепловтрати:

- до форм з найменшими втратами тепла належать шатрові, купольні та ін. будівлі і форми елементів;

- значний енергозаощаджувальний ефект у шкільних будівлях мають архітек-турні рішення у вигляді атріумів, двосвітніх рекреацій, зимових садів, або розміщення корпусів будівель „під одним дахом”;

- тепловтрати зменшує диференціація площ фасадів залежно від їхньої орієнтації за сторонами горизонту: мінімальна – для північних, середня – північно-західної і північно-східної орієнтації; максимальна – для півден-них фасадів;

- термічним буфером між основними огроджувальними конструкціями будівлі та зовнішнім середовищем є загальношкільні і автономні рекреації, що реалізовуються у вигляді зимових садів, атріумів та веранд. Їх площа не повинна перевищувати 15 % від загальної площі поверху (зменшення тепло-втрат до 12 %);

З метою енергозаощаджування запропоновано такі основні заходи дизайну архітектурного середовища:

а) в екстер’єрах будівель шкіл:

- утеплення стін: відповідно до орієнтації конструкції, зовнішніх стін при-міщень великих об’ємів, кутових приміщень, перших або цокольних повер-хів будівель шкіл;

- використання архітектурних деталей, ордерів, фактур та спеціальних архітектурно-планувальних рішень в місцях теплопровідних включень і стиків (зменшує тепловтрати до 11 %);

- застосування систем віконних порізів, що враховують теплофізичні впливи: вікна непрямокутної форми, вертикальна і горизонтальна градація форми і площ вікон; застосування вікнон-теплиць;

- зменшення площі вікон в окремих приміщеннях і шкільних будівлях;

- орієнтація віконних отворів в будівлі за сторонами горизонту та відпо-відно до їхнього функціонального призначення з диференціацією площі;

б )в інтер’єрах будівель шкіл:

- пониження висоти софіту, влаштування стелі змінної висоти, підвищення підлоги приміщення відносно підлоги поверху для приміщень, що мають ненормовану висоту або більшу за 3.3 м (висоту поверху 3,6 м);

- застосування архітектурних деталей для локалізації тепловтрат в „містках холоду”;

- використання приміщень першого поверху для занять у позаурочний час, для роботи позашкільних дитячих закладів та культурно-побутового обслугову-вання населення збільшує теплонадходження;

- компактне розташування кімнат і навчальних кабінетів для занять груп продовженого дня та індивідуальних занять.

Впровадженням у практику отриманих результатів дисертаційної роботи підтверджено їхні достовірність і доцільність. Для масштабної реалізації заходів архітектурного енергозаощаджування запропоновано ввести допов-нення у норми, дія яких поширюється на проектування нових та реконструкцію існуючих будинків навчально-виховного призначення. У подальших досліджен-нях можли-вим напрям-ком є застосування методів і результатів роботи для інших гро-мадських будівель, дослідження і визначення архітектурних енерго-заощаджу-вальних заходів для окремих типів шкіл. Окремим напрямком розвитку впровадження результатів дослідження є застосування матеріалів дисертації в навчальному процесі у вищих навчальних закладів архітектурного спрямування. В дисертаційній роботі запропо-новані напрями архітектурного енергозаощаджу-вання, що можуть бути застосовані в навчальному процесі на рівні опрацювання окремих питань енергозбереження в теоретичних курсах, у курсовому та дипломному проектуванні.

ВИСНОВКИ

Вимоги реформування вітчизняної освіти, „енергетичний” стан шкільних бу-дівель та незадовільна оцінка навчального середовища учасниками навчального процесу й експертами в галузі енергозбереження визначають актуальність пошу-ків та необхідність досліджень архітектурного вдосконалення шкіл з врахуванням енергозаощаджування.

1. Виявлено, що проблемами енергозбереження будівель в сучасній Україні займається широке коло дослідників, без належної участі у цьому процесі архітекторів. Узагальнення даних сучасної вітчизняної і зарубіжної літера-тури та науково-дослідних робіт показали, що у галузі термомодернізації будівель домінують інженерно-технічні підходи і практично повністю ігноруються архітектурні аспекти енергозаощаджу-вання. Відсутнє належ-не наукове обґрунтування та нормативна база проектування енерго-ощадних будинків, зокрема, шкільних будівель і комплексів. Встановлена невідпо-відність між просторово-функціональ-ною організацією шкільних будівель і сучасними вимогами енерго-збереження.

2. Уточнене поняття архітектурного енергозаощаджування, в якому кон-центруються напрацювання в багатьох галузях науки, запропоновано розширення сфери застосування цього поняття та його змісту у науково-проектній діяльності. Архітектурне енергозаощаджування – це комплекс архітектурних заходів, спрямованих на зменшення непродуктивних енерго-втрат (тепловтрат) і збереження оптимальних умов мікроклімату в будівлі.

3. Доведено, що у проектуванні шкільних будівель та їх комплексів від середини ХІХ ст. до сучасності структура шкіл формувалася і з враху-ванням прийомів енергозаощаджування, сформованих під впливом певних природно-географічних та кліматичних умов. Виділено три періоди, які відрізняються відношенням до енергозаощаджування в архітектурі й відображені у містобудівних, композиційних, формо-творчих і т. п. рішен-нях шкільних будівель. І період – формування усталених енергозаощаджу-вальних рішень (кін. ХІХ – поч. ХХ ст.);
ІІ – нівелювання заходів архітек-турного енергозаощаджування, змен-шення ролі архітектурних рішень у формуванні внутрішнього мікро-клімату (поч. ХХ ст. до 50–80 років ХХ ст.). ІІІ – зростання впливу архітек-турних рішень на використання енергетичних ресурсів (часи енерге-тичних, економічних та екологічної криз).

4. Визначені масштаби впровадження архітектурних енергоощаджуваль-них рішень, які обумовлені зростанням в України об’ємів будівництва нових та реконструкції і реновації існуючих шкіл. Доведено, що на сучасному етапі проектування і ревалоризація, реконструкція та експлу-атація навчальних закладів повинні узгоджуватись з впровадженням архітектурних енергозаощаджувальних заходів. Їх розробка і застосу-вання має розвиватися у трьох напрямках: реверсне застосування прийомів традиційної архітектури; використання передових технологій та матеріалів; синтетичне поєднання цих двох напрямків.

5. Обґрунтовано застосування заходів архітектурного енергозаощаджу-вання з позицій комплексного підходу до теплозахисту будівлі, дотри-мання теплового комфорту приміщень та економічного моти-вування. У резуль-таті проведених досліджень (24 енергообстеження, 11 енерго-аудитів) встановлено, що архітектурні засоби енергозаощаджу-вання можуть оптимізувати непродуктивні втрати теплової енергії в будь-якій будівлі та залишаються актуальними при використанні різних видів енергоносіїв. За розрахунками автора їх впровадження дає змогу змен-шити тепловтрати в шкільних будівлях до 60 %, рівень тепло-спожи-вання до 20 % і забезпе-чувати щорічний економічний ефект у розмірі 0,6 млрд. гривен (в цінах 2006 року).

6. Визначено 5 груп шкільних будівель, поділених за потребою впро-ваджен-ня архітектурних енергозаощаджувальних рішень: І – невідкладне про-ведення термомодернізації (побудовані у 70–90-х роках XX ст.); ІІ – одночасне застосування архітектурних рішень відповідно до реформ освіти та вимог енергозаощаджування (будівлі задовільного стану без часових обмежень зведення); ІІІ – повна реновація і модернізація
(до 70-х років XX ст.), IV – поміркована ревалоризація зі спеціальними заходами енерго-заощаджування (пам’ятки архітектури); V – поступове виведення зі шкільного фонду.

7. Обґрунтована пріоритетність застосування архітектурних енерго-заощаджу-вальних заходів для: 1) шкільних будівель, розташованих у
І–ІІ температурних зонах України, де очікується найбільший енерге-тичний, а відтак, і економічний ефект; 2) шкіл з місткістю в діапазоні від початкових до трикомплектних загальноосвітніх шкіл; 3) таких ти-пів шкіл, як „школа – родина”, початкова школа, „початкова школа +
+ дошкільний виховний заклад” та приміщень для дітей шестилітнього віку у складі школи.

8. Визначено принципи архітектурного вдосконалення шкільних будівель і комплексів з врахуванням енергозаощаджування. Містобудівний прин-цип полягає у створенні позитивного теплоенергетичного і вітрового фону для будівлі школи. Планувально-просторовий принцип спрямо-ваний на узгодження структури й планувальних параметрів з вимогами до внут-рішнього мікроклімату приміщень та зовнішньокліматичними парамет-рами. Композиційний принцип передбачає компактне вирішення будівлі з її обмеженням по висоті та вертикальне зонування приміщень. Дія принципу формоутворення спрямовується на оптимізацію форм будівлі та її композиційних складових. Принцип дизайну узгоджує фасадний та інтер’єрний дизайн із поширенням теплового потоку і регламентує кубатуру та функціонування окремих приміщень. Прин-ципи та засоби архітектурного енергозаощаджування втілені у програ-мах регенерації історичних шкільних будівель, які передбачають часові етапи реалізації, розроблені для проектних рішень сучасних шкіл з урахуванням вимог освітньої реформи та застосовані у навчальному процесі.

Публікації автора за основними результатами та положеннями дисертації:

Статті у фахових виданнях

1. Проскуряков В., Шулдан Л. Методи організації енергоефективних заходів в шкільних будівлях засобами архітектури // Перспективні напрямки проекту-вання житлових і громадських будівель. Спец. випуск. Будів-ництво та архітектура України в нових соціально-економічних умовах – К.: КиївЗНДІЕП, 2004. – С. 49–55.

2. Проскуряков В., Шулдан Л. Навчальне архітектурне проектування шкіль-них будівель і споруд з урахуванням енергозаощадження // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. научн. трудов. – Днепропет-ровск: ПГАСА, 2005. – Вып. 32, ч. 2. – С. 42–49.

3. Шулдан Л. Сади на штучних основах як засіб гармонізації міського середовища та просторів громадських і, серед них, навчальних будівель і споруд // Традиції та новації у вищій архітектурно-художній освіті: Зб. наук. праць. – Харків:ХДАДМ, 2005. – № 4, 5. – C. 51–58.

4. Проскуряков В., Шулдан Л. Досвід проектування і будівництва модерних шкіл та комплексів за кордоном і в Україні з реалізацією ідей енерго-заощадження // Региональные проблеми архитектуры и градостроитель-ства. Сб. научн. трудов. – Одеса: Астропринт, 2005. – Вип. 7–8. –
С. 111–122.

5. Шулдан Л. Архітектурні деталі, оздоби і прикраси будівель як засіб енерго-заощадження // Традиції та новації у вищій архітектурно-художній освіті: Зб. наук. праць. – Харків: ХДАДМ, 2007. № 1, 2, 3. – C. 212–218.

6. Шулдан Л., Проскуряков В. Архітектурні засоби енергозаощаджування при проектуванні шкіл для малих сіл України // Вісник Національного університету „Львівська політехніка”. – 2007. № 585.– С. 173–181.

Основні статті у інших виданнях та матеріали конференцій

1. Шулдан Л., Яців М. Заощадження енергії архітектурними засобами: Збірник наукових статей Міжнародної наук.-техн. конф. „Житло, енер-гія, екологія”. – Львів: Вид-во ДержавногоУніверситету „Львівська політех-ніка”, 27–29 квітня 1998. – С. 72–75.

2. Szuldan L. Klimatologiczna adaptacja programowego produkty “TERMO-Danffoss” dla przeprowadzenia energetycznego audytu budowli m. Lwowa oraz Wojewodztwa Lwowskiego //Materialy miedzynarodowego naukowo-praktycznego seminarium “Energetychne budania budowli nieprodukcyjnego przeznaczenia”, Polska, Krakow, “FEVE”, 18–24 marca 1999. – S. 97–103.

3. Szuldan L. Osobliwosci przeprowadzenia energetycznych badan’ pomnikow architektury na przykladzie Rady Miejskiej m. Lwowa // Materialy miedzy-narodowej naukowo-praktycznej konferencji “Energoоszczednosci sfer nieprodukcyjnego przeznaczenia”, Polska, Krakow, 4–6 maja 1999. –
S. 31–36.

4. Шулдан Л. Причини непродуктивних втрат тепла в будівлях // Ма-теріали наук.-техн. конф. Спілки енергоощадних міст України „Енер-ге-тичний аудит для міст, залучених до виконання демонстраційних проектів”: Тернопіль, 19–22 серпня 2000. – С. 57–60.

5. Шулдан Л. Методи виконання інженерних розрахунків теплового ком-фор-ту // Матеріали науково-технічної конференції Спілки енергоощад-них міст України „Енергетичний аудит