В условиях нарастающих вызовов изменения климата и энергетической устойчивости архитектурное сообщество все более активно обращается к поиску инновационных методов и стратегий, способствующих повышению энергоэффективности зданий и сооружений. В этом контексте концепция органической архитектуры представляет собой важное направление, в рамках которого стремление к гармонии с природой сочетается с целями снижения энергопотребления и улучшения экологической устойчивости.

Идеи, лежащие в основе концепции органической архитектуры, были представлены еще в конце XIX в. американским архитектором Луисом Салливаном, но окончательно сформировал и развил их его последователь Фрэнк Ллойд Райт в начале XX в. Согласно данной концепции, органические здания должны гармонично вписываться в окружающую среду, иметь естественные формы, использовать натуральные материалы и учитывать потребности человека, а также взаимодействие с окружающей природой [1].

Рис. 1. Примеры проектов в концепции органической архитектуры:  а) оперный театр в Харбине, Китай. Архитектурное бюро MAD Architects; б) учебный центр The Hive Наньянского технологического университета, Сингапур. Студия Heatherwick; в) проект города MASDAR CITY. Архитектурное бюро Foster + Partners; г) проект Organic Cities. Архитектурное бюро Luca Curci Architects

Важно отметить, что с начала формирования концепции органической архитектуры это направление прошло через процесс эволюции и развития, интегрировав в себя новые материалы и технологии, оставаясь при этом верной своим основным принципам, и объединило несколько направлений – био-тек (или бионика), экомодерн, экологическая архитектура и зеленая архитектура [2]. К 2024 г. в органическом стиле было построено большое количество зданий: оперный театр в Харбине, Китай (рис. 1а), учебный центр The Hive Наньянского технологического университета, Сингапур (рис. 1б), а также разработаны проекты целых городов: MASDAR CITY (рис. 1в), Organic Cities (рис. 1г). Главными особенностями таких решений являются: стремление воссоздать гармонию между человеком и окружающей средой; бережное отношение к природе; оформление экстерьеров, коррелирующих с ландшафтными видами; создание конструктивных элементов природных форм. Таким образом, на сегодняшний день органическая архитектура представляет собой альтернативу рациональному и функциональному подходу к проектированию зданий и сооружений.

Несмотря на ряд преимуществ, остается целое множество проблем, затрудняющих полноценное и интенсивное развитие проектов в контексте концепции органической архитектуры [3]. Одной из наиболее актуальных проблем является повышение энергоэффективности архитектурных решений. Трудности возникают ввиду использования сложных геометрических форм и натуральных материалов. Кроме того, имеет значение необходимость оформления решений таким образом, чтобы они, в свою очередь, продолжали ландшафтные виды. Совокупность данных особенностей исключает возможность применения традиционных методов повышения энергоэффективности, которые включают: выбор простых архитектурных форм, повышающих компактность зданий; применение современных теплоизоляционных материалов; ограничение коэффициента остекления фасадов на уровне 18–20%; установка систем механической вентиляции с рекуперацией тепла; внедрение автоматических систем управления освещением и энергоэффективных систем отопления и охлаждения; и др. Данные методы ориентированы на более широкое внедрение активных систем по сравнению с принципами пассивного дизайна, на использование конкретных технологий, материалов, архитектурных и конструктивных решений, подразумевающих изменение внешнего облика здания без ярко выраженного учета местного контекста, особенностей рельефа, культуры и традиций [4], и требует использования комплексного подхода для сохранения концепции органической архитектуры, который представлен в последующих материалах.

Объект исследования – решения органической архитектуры в контексте энергоэффективности; предмет – методы решения проблем энергоэффективности в рамках концепции органической архитектуры.

Цель исследования – формирование комплексных методов, включая планировочные решения, выбор материалов и интеграция современных технологий, использование которых позволит повысить энергоэффективность архитектурных решений в контексте концепции органической архитектуры.

Несмотря на то, что концепция органической архитектуры – хорошо изученная область, имеющая богатую теоретическую и практическую базу, существует ограниченное количество исследований, посвященных комплексной интеграции энергоэффективных решений в органические архитектурные формы. Данное исследование опирается на анализ существующих работ в области органической архитектуры и энергоэффективных технологий. Среди них – работа мексиканского архитектора Хавьера Сеносиана «Bio-Architecture». Автор описывает философские основы биоархитектуры (био-тек) и исследует, как органические формы и природные элементы могут быть использованы для создания устойчивых и энергоэффективных зданий [5].

Одним из важных исследований в области проектирования энергоэффективных зданий является работа «Energy Efficient Building Design», написанная Runming Yao (профессор University of Reading) и Charles Alan Short (президент Clare Hall в Кембридже). В исследовании рассмотрены основные концепции пассивного проектирования зданий и различные стратегии, включая пассивное солнечное тепло, естественную вентиляцию, дневное освещение и тепловую массу [6].

Кроме того, в обзорной статье «Energy Efficiency of Tall Buildings: A Global Snapshot of Innovative Design» авторы демонстрируют и обсуждают концепции активных и пассивных подходов энергосбережения на примерах конкретных высотных зданий. Обзор показывает, что проектирование высотных зданий с акцентом на энергосбережение требует дальнейших исследовании и решений связанных с этим проблем [7]. В статье «Innovative Approaches To Organic Architecture: Nature-Inspired Architectural Design», представленной авторами на Generative Art conference 2019 в Риме, исследование направлено на использование оболочки здания как значимого элемента для обеспечения баланса между внешней и внутренней средой и создания комфортных условий внутри здания [8].

В России исследования в области органической архитектуры не так широко распространены, как в западных странах, однако интерес к этой теме растет. Основы концепции органической архитектуры рассматривались российскими авторами Н.В. Койновой [1], А.И. Стрибань, Д.С. Мосякиным [2], З.Р. Усмановым [10].

Анализ литературы выявил значительный пробел в публикациях, посвященных теме энергоэффективности зданий в концепции органической архитектуры, особенно в контексте развития передовых технологий, и отсутствие комплексного подхода к решению данной проблемы, что обуславливает научную новизну настоящего исследования.

Теоретическая значимость исследования состоит в обобщении и систематизации основных методов повышения энергоэффективности архитектурных решений с использованием концепции органической архитектуры, с акцентом на необходимости комплексного подхода и использования нескольких методов для достижения наиболее оптимальных результатов. Практическая значимость исследования заключается в том, что материалы работы могут быть использованы в современной сфере архитектуры и строительства, обосновывая необходимость использования каждого из методов повышения энергоэффективности в зависимости от индивидуальных особенностей архитектурного проекта.

Для достижения поставленной цели автором анализируются существующие решения органической архитектуры и выявляются основные особенности, связанные с обеспечением в них энергоэффективности. В рамках статьи проводится работа, связанная с выявлением основных особенностей проектирования и ключевых факторов, влияющих на показатели энергоэффективности архитектурных решений. Основными методами научного исследования стали анализ, систематизация, синтез и обобщение. В результате выявлены наиболее оптимальные и рациональные методы повышения энергоэффективности для рассматриваемых архитектурных решений, которые имеют ограничения на использование традиционных методов и подходов.

Органическая концепция формирования архитектурных решений имеет непосредственное отношение к экологии [9]. Как было указано ранее, органическая архитектура преследует своей целью создание зданий и сооружений, являющихся естественным продолжением природы [10]. Однако ключевой вопрос – обеспечение энергоэффективности решений данного рода. В первую очередь, основным фактором, влияющим на используемые методы обеспечения энергоэффективности, должны стать требования, предъявляемые концепцией органической архитектуры.

В табл. 1 представлены результаты систематизации и обобщения основных требований, которые необходимо учитывать при формировании методов повышения энергоэффективности рассматриваемой архитектуры.

Как видно из табл.1, используемые методы повышения энергоэффективности не должны менять внешний облик здания, а также изменять взаимодействие с окружающей средой. Энергоэффективность архитектурных решений должна быть обеспечена в результате использования природных материалов, а также традиционных способов регулирования теплообмена в зданиях и сооружениях [11]. Важно отметить, что при невозможности обеспечения необходимого уровня традиционными методами требуется обеспечить решение задачи посредством использования «малоинвазивных» технологий, не влияющих на внешний облик здания и его взаимосвязь с окружающей средой. Именно в этом заключается нестандартность методов, применяемых для повышения энергоэффективности зданий органической архитектуры. Используемые в рамках исходной задачи методы должны обеспечивать сохранность внешнего облика зданий и обеспечивать равный уровень энергоэффективности при использовании стандартных методов.

Учитывая вышеописанные требования возможно выделить следующие основные составляющие при решении задачи повышения энергоэффективности архитектурных решений в контексте концепции органической архитектуры:

– расположение здания относительно стран света таким образом, чтобы его продольная ось была параллельна направлению запад-восток (широтная ориентация). Наибольшая площадь остекления фасада должна приходиться на южную сторону (в северном полушарии) или на север (в южном полушарии), что позволит максимизировать пассивное солнечное тепло в зимнее время, когда солнце находится максимально низко на горизонте, позволяя солнечным лучам проникать внутрь помещений. Чтобы избежать теплопотерь через светопрозрачные конструкции, важно использовать стеклопакеты с низкой теплопроводностью, либо специализированные с энергосберегающим напылением. Двойные или тройные стеклопакеты с заполнением инертным газом (например, аргоном) между слоями обеспечивают дополнительную изоляцию и помогают уменьшить потери тепла. Для минимизации теплопоступления летом окна на солнечной стороне здания должны быть оснащены дополнительными защитными элементами (жалюзи, ставни, солнцезащитные экраны, специальные покрытия, отражающие солнечные лучи) [12]. Однако важно учитывать региональные климатические особенности при выборе оптимальных решений для создания комфортных условий внутри здания и снижения его энергопотребления [13] и руководствоваться нормативными документами и стандартами, принятыми в разных странах, которые регулируют проектирование зданий и определяют требования к их ориентации. Например, в 2015 г. в Харбине (Китай) завершилось строительство оперного театра по проекту архитектурного бюро MAD Architects (рис. 2).

Рис. 2. Оперный театр в Харбине (Harbin Opera House), Китай. Архитектурное бюро MAD Architects. Источник: http://www.i-mad.com/ 

Характерной чертой театра стала его органическая форма, напоминающая рельеф холма или силуэт гигантского осьминога. Ориентация здания была продумана таким образом, чтобы максимально использовать естественные условия окружающей местности и создать оптимальное пространственное и архитектурное впечатление. Благодаря этому решению, естественный свет проникает внутрь здания, создавая уникальные световые эффекты и подчеркивая архитектурные детали.

• естественная вентиляция – естественная вентиляция в органической архитектуре основана на учете природных потоков воздуха и рельефа местности. Здания проектируются с учетом расположения окон, вентиляционных отверстий и формы, становясь частью природного ландшафта, чтобы максимально использовать естественные воздушные потоки для циркуляции и обновления воздуха внутри помещений, что способствует минимизации использования искусственных систем вентиляции и кондиционирования [14]. Один из примеров современного здания с естественной вентиляцией – здание при Наньянгском технологическом университете в Сингапуре «School of Art, Design and Media» (рис. 3). Комплекс, спроектированный CPG Consultants, имеет необычную форму, внутренние дворы и открытые пространства, которые создают потоки воздуха и позволяют ему свободно циркулировать по всему зданию;

Рис. 3. Школа искусства, дизайна и медиа (School of Art, Design and Media) в Сингапуре. CPG Consultants. Источник: https://www.cpgcorp.com.sg/

– использование материалов с высокой тепловой массой, способных накапливать и хранить тепло. В современном проектировании использование материалов с высокой тепловой массой (бетон, кирпич или камень) позволяет создавать здания, которые эффективно используют энергию, снижая затраты на отопление и кондиционирование воздуха. Эти материалы способны поглощать тепло в течение дня и медленно высвобождать его в помещение в течение ночи, поддерживая стабильную температуру и взаимодействуя с окружающей средой, минимизируя свой экологический след.

Ярким примером сооружения с применением материалов с высокой тепловой массой является здание музея Соломона Гуггенхайма в Нью-Йорк (рис. 4), спроектированный Фрэнком Ллойдом Райтом и построенный в 1956 г. Основной материал, используемый при строительстве музея, – бетон. Благодаря высокой тепловой массе бетона здание сохраняет стабильную температуру внутри помещений, что особенно важно для хранения и экспонирования произведений современного искусства.

Рис. 4. Музей Соломона Гуггенхайма (Solomon R. Guggenheim Museum), Нью-Йорк, США. Арх. Фрэнк Ллойд Райт. Источник: https://www.guggenheim.org/ 

– выбор энергоэффективных технологий систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) и приборов освещения (светодиоды LED, энергосберегающие лампы и датчики движения), которые минимизируют потребление электроэнергии;

– использование солнечных панелей, ветряных турбин, геотермальных и гидроэнергетических ресурсов позволяет снизить зависимость от традиционных источников энергии, таких как нефть и уголь, и способствует снижению вредного воздействия на окружающую среду, что является важным шагом в направлении более чистой и устойчивой энергетики;

• системы управления зданием (Building Management Systems, BMS) – использование таких технологий, как автоматизированные системы освещения, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также системы мониторинга и контроля за энергопотреблением. Мониторинговые системы для контроля качества воздуха и освещения могут автоматически реагировать на изменения в окружающей среде, оптимизируя работу здания для создания комфортных условий при минимальном энергопотреблении [15]. Кроме того, в рамках органической архитектуры системы управления могут интегрировать алгоритмы искусственного интеллекта для принятия оптимальных решений в режиме реального времени, учитывая как внутренние, так и внешние факторы, воздействующие на здание и его окружение.

Рис. 5. В башне Pearl River Tower в Гуанчжоу, Китай, реализованы активные системы: энергоэффективные приборы, системы освещения, возобновляемые источники энергии и BMS. Разработан архитектурной фирмой Skidmore, Owings & Merrill. Источник: https://www.som.com/projects/pearl-river-tower/ 

– выбор устойчивых и перерабатываемых материалов, таких как древесина, бамбук, целлюлозные материалы, глина, камень и растительные волокна, для снижения экологического воздействия при строительстве и дальнейшей эксплуатации зданий. Одним из ключевых преимуществ устойчивых материалов является их способность быть переработанными и повторно использованными [16];

• экологичные изоляционные материалы – использование экологичных изоляционных материалов для обеспечения теплового обмена и снижения потребления энергии; одно из ключевых преимуществ – их способность обеспечивать высокую теплоизоляцию при минимальном воздействии на экологию [17];

– выбор материалов с низким коэффициентом теплопроводности для улучшения теплоизоляции. Один из ключевых факторов – эффективное управление теплопотерями и сохранение тепла в зданиях. Это особенно важно для обеспечения комфортных условий проживания и работы, а также для сокращения энергозатрат. Выбор материалов с низким коэффициентом теплопроводности играет значительную роль в этом процессе.

Рис. 6. The High Desert House, Калифорния, США. Арх. Кендрик Бэнгс Келлог. 1993. В строительстве использованы бетон, сталь, медь и стекло. Источник: https://www.francisyork.com/ 

В процессе анализа результатов проведенных исследований, автором выделяются следующие наиболее эффективные методы повышения энергоэффективности архитектурных решений в контексте концепции органической архитектуры (табл. 2):

Важно отметить, что для достижения наибольшего эффекта возможно использование комплексного подхода, состоящего из комбинации нескольких представленных методов. Помимо этого, необходимо использовать моделирование и анализ для прогнозирования энергопотребления здания и оптимизации использования энергоэффективных технологий [18]. Важно учитывать, что использование каждого конкретного метода зависит от особенностей местности, требований и самого проекта [19]. При этом основными показателями, которые необходимо учитывать при выборе того или иного метода повышения энергоэффективности, являются климатические условия, технологические возможности, бюджет, цели проекта.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости соблюдения целого ряда требований при решении задачи по повышению энергоэффективности архитектурных решений в концепции органической архитектуры. Среди основных требований – соблюдение экологической интеграции, которая заключается в использовании органических материалов, а также минимизации воздействия на окружающую среду. Также выявлена необходимость обеспечения эргономики и удобства, что заключается в проектировании зданий и сооружений таким образом, чтобы создавать комфортные и в то же время функциональные пространства.

Дополнительно необходимо обеспечение эстетической целостности и интеграции с природой. В данном случае подразумевается, что здания должны быть эстетически привлекательными и одновременно дополнять природную среду. При этом важно использование элементов природы в экстерьере, примером чего могут стать зеленые крыши, вертикальные сады и водоемы. Совокупность данных факторов и результаты анализа существующих архитектурных решений определили ключевые методы повышения энергоэффективности.

Основными методами, позволяющими решить исходную задачу, стали: использование природных материалов; минимизация теплопотерь; использование природного освещения; ориентация здания в пространстве; использование зеленых технологий; принцип пассивного дизайна; разработка эффективной системы управления зданием; озеленение территории. При этом выявлено, что для достижения наибольшего эффекта возможно использование комплексного подхода, включающего в себя применение сразу нескольких методов повышения энергоэффективности.

В рамках исследования обоснована актуальность развития заявленной концепции, обозначена проблема, связанная с энергоэффективностью, а также представлены ключевые факторы, влияющие на решение задачи повышения энергоэффективности архитектурных решений. В результате работы представлены наиболее подходящие и рациональные методы повышения энергоэффективности применительно к архитектурным решениям в контексте концепции органической архитектуры. Отмечено, что для достижения наибольшего эффекта возможно использование комбинации из сразу нескольких методов в зависимости от индивидуальных особенностей и требований каждого проекта.

Автором реализована задача по формированию и систематизации методов повышении энергоэффективности применительно к концепции органической архитектуры. Результаты исследования, отражающие ключевые подходы к решению задач по обеспечению энергоэффективности зданий, могут быть использованы современными проектировщиками

Пипия, В.Т. Методы повышения энергоэффективности архитектурных решений в контексте концепции органической архитектуры / В.Т. Пипия //Архитектон: известия вузов. — 2024. — №2(86). — URL: ссылка — doi: ссылка