Poster 16.cdr

Autonomní objekty v extrémních klimatických podmínkách
Yekaterina Gninenko
[email protected]
Architektura - teorie a tvorba
Školitel / Ústav: doc.Ing.arch. Eduard Schleger/ 15128 Ústav navrhovaní
Autonomní objekty v extrémních klimatických podmínkách
Cíl výzkumu:
Navržení modelu permanentního obydlí v konkrétním extrémním klimatickém prostředí, odpovídajícího požadavkům
ekonomické, ekologické a technické udržitelnosti a vysoké kvality života obyvatel.
Metodologie:
- Rešerše a analýza odborných publikací
- Sběr dat, jejích zpracování a odvození parametrů
- Geografická a ekologická analýza určitého prostředí
Úvod
S expanzí světové populace stoupá vliv člověka na okolní prostředí, která nejsou přirozeně obyvatelná a nejsou
biologicky produktivní. Stále stoupající zájem člověka o výzkum a osvojení těchto oblastí je podmíněn řadou důvodů:
těžba surovin, rozvoj vědy a studium historie planety, a s růstem obyvatelstva, i osídlení nových teritorií. Tato práce se
soustředí na formování obydlí v oblastech extrémních klimatických podmínek, v nichž je pobyt nebezpečný pro zdraví a
vyžadující umělou modifikaci přirozených parametrů prostředí.
Definice extrémního prostředí.
Extrémní prostředí lze definovat jako taková prostředí, v kterých je pobyt člověka nebezpečný a představuje vážnou
hrozbu pro jeho zdraví nebo život. Podle francouzského geografa Élisée Reclusregionyho, nejsou oblasti s průměrnou
roční teplotou -2°C již vhodné pro pobyt člověka. Mezi oblasti s extrémními klimatickými podmínkami patří například
Arktida, která pokrývá severní oblasti Asie, Evropy a Severní Ameriky, a celá Antarktida. Dále, k extrémnímu prostředí
patří teritoria téměř bez vegetace, teritoria s opakujícími se jevy přírodních katastrof, jako jsou záplavy, zemětřesení,
sopečné výbuchy a kosmický prostor. Rozlišují se absolutní extrémní oblasti, ve kterých život lidí, bez jakýchkoliv
systémů podpory života je prakticky nemožný; a relativní extrémní zóny, ve kterých je přežití možné, ale vliv okolního
prostředí je do značné míry nebezpečný pro zdraví a život [4].
Obrázek 1.
Charakteristika klimatu jednotlivých měsíců. (S.Pegi, 1974)
G - mrazivé měsíce
F - chladné a vlhké měsíce
O - mírné měsíce
A - suché měsíce
T - horké a vlhké měsíce
Odrážení. Barva opláštění budovy má významný vliv na klimatický komfort uživatelů. Když barva absorbuje sluneční
záření, vzniká termální energie. Čím více světla se absorbuje, tím více tepla se vyprodukuje. Černý materiál absorbuje
všechny barvy spektra a je teplejší než bílý materiál, který všechny barvy naopak odráží. Tento diagram (obrázek 10) je
výsledkem experimentálních studií Barucha Giovaniho (1998), který ukazuje vnější a vnitřní povrchové teploty na
vodorovné střeše v bílé a v šedé barvě. Experiment byl proveden v izraelské Haifě, kde je v létě horké suché klima.
Tmavá střecha může být o 50° C teplejší, než je teplota okolního vzduchu, zatímco bílá střecha bude teplejší jen o 10 ° C
[5].
Konstrukční prvek: okna. Čiré sklo má relativně malou izolační
hodnotu a předává sluneční nebo krátkovlnné záření s velmi malou
ztrátou tepla. Proto v tradiční architektuře horkého suchého podnebí
byla okna navržena v různých barvách a ornamentech s cílem
poskytnout dostatečné sluneční světlo a blokovat intenzivní sluneční
záření.
Orientace budovy a otvory. V horkém podnebí je slunce hlavním
zdrojem tepla. Při projektování obydlí musela být poloha slunce
prozkoumána pro každou hodinu během celého dne, a to ve všech
ročních obdobích, stejně jako směr převládajících větrů. Díky dobré
orientaci budovy se potřeba vytápění a chlazení snižuje, což vede k
nižší spotřebě energie. Vzhledem k vysokému slunečnímu záření je
Obrázek 11. Tradiční okna (Orsi) v horkém suchém
nejlepší orientace budovy podél východně-západního směru. Délka
klimatu Iránu
budovy je orientována podél východo-západní osy a šířka budovy
podél osy severo-jižní. V tomto případě je severní fasáda nejméně
vystavena slunci. Protože jižní stěny absorbují většinu sluneční energie v zimě a jižní slunce je vysoko nad obzorem,
mohou být jižní stěny stínované pomocí relativně malých přesahů střechy. Dále, východní a západní fasády absorbuji
nežádoucí teplo v létě, a proto by měly mít menší plochu vystavenou slunci. Z toho důvodu se ukrývají pod stínem
stromů nebo okolních budov. Orientace budovy mírně východněji od jihu (15 ° východně od jihu) je velmi účinná,
protože tímto způsobem západní fasáda absorbuje méně slunečního záření (obrázek14). Východní fasáda je
vystavena slunečním paprskům jen od východu slunce do poledne. Zdi se do večera výrazně ochlazují, takže tato
expozice je vhodná pro umístění ložnice.
Hlavní stěny a okna by měly být nasměrované na převažující (chladný) směr větru, aby se umožnilo maximální větrání
místností [5].
Vysokohorské prostředí
Vysokohorské stavitelství se potýká s řadou extrémů, které jsou podobné cirkumpolárním regionům: extrémně nízké
teploty, obtížný přistup, neexistující či omezené inženýrská a dopravní infrastruktura (s tím jsou spojené vysoké
náklady na výstavbu), řidší atmosféra ovlivněná polohou ve vysokonadmořských výškách a silný nárazový vítr (např.,
vysokohorskou observatoří na Washington Mount byla v roce 1934 evidována rychlost větru 372 km/h) [9].
Vzhledem k obtížnému přístupu a často chybějící infrastruktuře by vysokohorské stavby měli být energeticky
soběstačné. Příklad takové stavby - vysokohorská chata ve Švýcarsku, umístěná v nadmořské výšce 2 883 m na okraji
ledovce a mimo dosah elektrického vedení (obrázek 25). Byla navržena tak, aby byla schopna vygenerovat 90%
potřebné energie. Většina její energie je generována z fotovoltaických panelů a solárních tepelných systémů, zatímco
zbytek pochází z kogeneračního tepla a záložního zdroje v podobě baterií. Momentálně se zvažuje o generování
bioplynu z lidského odpadu s cílem, aby stavba využívala 100% energie z alternativních zdrojů [10].
Příklad české vysokohorské stavby - televizní vysílač na Ještědu od architekta Karla Hubać ̌ka. Ve vysílači, který byl
dokončen v roce 1973 se nachází rozhledna, restaurace a hotel (obrázek 26). Forma tet́ o stavby spočívá v rotačním
hyperboloidu, který dobře odolav́ á drsnym
́ klimatickym
́ podmínkam
́ . Vysílač je doplněn kyvadlem, které vyrovnav́ á
vyḱ yvy věže způsobené silnym
́ větrem.
Obrázek 36. Sněholam (foto Richard Machida)
Popis poškození lidského organizmu
5
Smrtelné poranění nebo nevratné poškození organismu
4
Těžké poranění, dlouhodobé poškození organismu
3
Značné poranění, nemoc, poškození organismu
2
Malé poranění, nemoc, mírné poškození organismu
1
Zanedbatelné riziko poškození organismu
Pro definici vlivu extrémního prostředí na
člověka byl vytvořen systém klasifikace rizika
lidských aktivit nazvaný ALERTS, který
rozlišuje pět stupňů závažnosti zranění
člověka. Tyto stupně byly adaptovány a
optimalizovány na základě studia stupnice
NASA, ESA, Britského výzkumného centra a
dalších výzkumných center.
Tabulka 1. Stupeň závažnosti okamžitého poškození lidského
organismu v extrémním prostředí dle systému ALERTS
1 Neustálé ohrožení života
2 Monotónní prostředí, nedostatek soukromí, nepohodlí
3 Drsné životní prostředí (přírozeně neobyvatelné)
4 Přežití je závislé na integritě habitatu a na oblečení
5 Vzdálenost od domova, rodiny a organizační podpory
6 Komplikovaná telekomunikace s pozemskou stanicí či domovem
7 Fyzická námaha
8 Nuda, nervozita, deprese, úzkost
9 Nemožnost úniku či záchrany v případě ohrožení
Tabulka 2. Příklad klasifikace rizika v konkrétním extrémním prostředí. Hlavní rizika spojená s
průzkumem nehostinných míst jsou vědecky simulována např. v prostředí Arktidy a
Antarktidy (Suedfeld, 2010, str. 641)
Rozlišuje se několik typů obydli dle jejích
umístění v extrémním prostředí:
- Záchranné habitaty pro případ přírodních
katastrof
- obydlí na pouští
- obydlí v horských oblastech
- obydlí na vodní hladině
- obydlí pod vodní hladinou
- obydlí v oblastech extrémně
nízkých/vysokých teplot
- obydlí na oběžné dráze
- obydlí na jiném nebeském tělese
Obrázek 2. Kazašská jurta XIX století
Autonomní stavby mohou být organizovány do jediné urbanistické struktury s jediným
systémem výroby energie. Takové obce mohou generovat více alternativní energie než
individuální objekty zvlášť.
Pro případ krátkodobého užití v oblastech s extrémními přírodními podmínkami lze
využít i mobilních autonomních staveb [1, 2]. Stavby se mohou přemisťovat jako celek
nebo se přesouvají jejich jednotlivé části. To může být dosaženo pomocí modulárního
systému konstrukčních prvků. Mobilní domy, jak již bylo zmíněno, se nejprve objevily
Obrázek 3. Nakagin Capsule Tower
mezi kočovnými národy. Příkladem moderní mobilní architektury je stavba Tower
K.Kurokava
Nakagin Tokio se strukturou typu "kapsle" (NakaginCapsule Tower, 1972, obr. 3),
architekt K. Kurokawa [3]. Věž se skládá ze 144 ocelových kapslí, z nichž každá poskytuje základní požadované podmínky
pro bydlení (vestavěný nábytek, klimatizace, koupelna, atd.), a představuje samostatný obytný prostor ve velikosti 2,5 ×
4 m. V případě potřeby může být jakákoliv kapsle jednoduše vyměněna za novou.
Modernizace, vývoj autonomních staveb a jejích uspořádání do jediné struktury je dnes aktuálním směrem vývoje
osídlení v oblastech extrémního podnebí. V ideálním případě by autonomní objekty měly mít integrovaný systém
záchrany života obyvatelů pro případ přírodních katastrof. Například, v případě tornáda se může stavba „ponořit“ do
připravené jámy. V případě záplav by se stavba mohla naopak zvednout do úrovně bezpečné pro její obyvatele, což by
také zachránilo samotný objekt před poškozením. To vyžaduje zabudování vysoce citlivých senzorů, které by denně
sbíraly, zpracovávaly a analyzovaly informace o počasí. [4]
Obrázek 4. Mobilní výzkumná jednotka
MAP architects
Obrázek 5, 6. Rolling Stone Eco Capsule Home
Nice architects
Aridní, semi-aridní regiony
Obrázek 13. Příklad stavby z použitím cihel
ze zeminy
Obrázek 14. Orientace budovy v aridních regionech
Tvar budovy. Tvar budov by měl být
kompaktní a protažený podél osy východzápad; (například optimální tvar je 1:
1,3), z toho důvodu, získá kompaktní
stavba méně tepla. Obecně platí, že
optimální tvar je ten, který má minimální
tepelné zisky v létě a maximální tepelné
zisky v zimním období. Za zimních
Obrázek 15., 16. Příklad stavby s použitím zeminy s vyztužením bambusem, Takéo, Kambodža
podmínek je podlouhlý tvar ideální; v
Zdroj: Komitu Architects
letních podmínkách je lepší tvar
čtvercový s vnitřním dvorem. Řadové
domy a skupinové uspořádání (podél osy východ-západ), které mají tendenci k vytvoření objemového efektu, jsou
pro tyto regiony vhodné.
Důvodů osvojení vesmíru člověkem je hodně. Mezi ně patři studium historie vzniku vesmíru a naší planety, výzkum
sluneční soustavy, zkoumání možností těžby surovin z jiných planet, plánovaní sídel na Zemi, kontrola přírodního
stavu planety, předpověď živelných pohrom, vývoj vědy a další.
S vývojem vesmírných technologií roste doba pobytu člověka v kosmickém prostoru v řádu několika měsíců, což
vyvolává potřebu dalšího rozvoje habitatů s možností poskytování maximálně komfortních podmínek pro práci a v
budoucnu, možná i pro trvalý pobyt člověka v nepříznivém kosmickém prostoru. Nepřítomnost dýchatelné
atmosféry, nulový tlak, extrémní teploty, kosmické záření, radiace a další faktory neumožňují pobyt člověka ve
vesmíru bez umělé modifikace prostředí.
Autonomnost kosmických habitatů musí být maximálně přiblížená ke 100%. Účel těchto kosmických staveb: orbitální
stanice, kosmické hotely, výzkumné stanice na jiných planetách. Architektura v takovémto extrémním prostředí bude
determinována převaž́ ně vlastnostmi nebeského tělesa a plánovanou funkci objektů. Dnes je habitat na Měsíci
častým tématem vědeckých diskuzí. Stále roste zájem o stavby na tomto nebeském tělese z důvodu možné těžby
drahých kovů, Helia 3 a dalšího průzkumu Měsíce, o kterém zatím víme jen velmi málo.
Horká aridní a semiaridní podnebí poskytla nastavení pro vznik mnohých kultur a stanovila prostředí pro tvorbu
městských civilizací. Stejně jako Golany, téměř všichni městsští historici věří, že:
"Většina z prvních městských civilizací světa vznikla v suchých nebo středně suchých zónách, především na Středním
východě a v oblasti Nilu" [7].
Obrázek 41. Poškození silnice z důvodu
Obrázek 40. Zhroucení budovy v Rusku z důvodu rozmrazování
permafrostu / Nová technologie staveb, Svålbard Zdroj: Soil Atlas nerovnoměrného rozmrazování permafrostu
Foto Tingjun Zhang
of the NorthernCircumpolar Region
Obrázek 27. Kosmická orbitální stanice Saljut
Obrázek 17. Schéma možnosti urbanistického uspořádaní ulic v horkých aridních regionech
Zdroj: Paul Gut Dieter
Na obrázku 17a je znázorněno schéma diagonální sítě ulic směrem východ-západ. Sluneční záření a stín v této
urbanistické struktuře je lépe distribuováno na ulicích; taková síť stále podporuje dynamický pohyb vzduchu.
Důležitější však je forma staveb. Na klikaté úzké ulice ve tvaru zigzag (obr. 17c) dopadá minimální záření a vítr. Vytváří
se tak zastíněné prostory v průběhu celého dne, s chladným komfortním mikroklima v létě a poměrně teplým v zimě.
Bloková zástavba. Rovné a souběžné ulice jsou nejvíce větrány (obr. 17b). Bouřlivé účinky mohou být sníženy
strukturou blokové zástavby. Dvoupatrové budovy s vnitřním nádvořím jsou maximálně stíněny, minimálně
ozařovány sluncem a jsou stále větrané.
Na obrázku 18 se nachází velmi těsná
urbanistická struktura města Kashan v
Iránu. Budovy jsou obklopeny úzkými
nepravidelnými uličkami. Zde je vidět
příklad blokové zástavby.
Obrázek 18. Kashan, Iran. Zdroj: Maps.Google
Dešťové podnebí a povodně.
Během povodní jsou záplavné areály ovlivněny hydrostatickým a hydrodynamickým tlakem vody, což následně vede
ke zhroucení konstrukcí staveb. Proto je v těchto oblastech potřeba provádět protipovodňové bezpečnostní opatření
pomocí použití voděodolných stavebních materiálů a jiných typů konstrukcí.
Nejvíce rizikové struktury a materiály staveb:
- Stavby z hlíny a z malty rozpustné ve vodě
- Stavby s mělkými základy nebo slabou odolností vůči bočním zatížením nebo nárazům
- Podzemní stavby a sklepy
- Technická zařízení budov (elektro sítě apod.)
- Mosty a silnice
- Sklady potravin a zařízení s hospodářskými zvířaty
- Námořní infrastruktura
Je důležité, aby všechny části budovy v těchto rizikových regionech byly vyrobeny z materiálů, které jsou odolné vůči
poškozením v případě záplav. "Povodňové odolné materiály" zahrnují jakýkoliv stavební výrobek schopný odolat
přímému a dlouhodobému styku s vodou, aniž by utrpěl značné škody. "Dlouhodobý styk" znamená přinejmenším 72
hodin kontaktu s vodou. "Značné škody" jsou jakékoliv škody, které vyžadují více než čištění nebo kosmetické opravy
(například přemalování) [8].
Materiály odolné proti povodňovým poškozením:[8]
- Glazovaná cihla, beton nebo kámen (s vodotěsnou spárovací hmotou);
- Ocelové vazníky, trámy
- Cementové desky, guma, ocelové dlaždice (s vodotěsným lepidlem);
- Kovové dveře, skříně a okenní rámy
- Tmel, silikon
- PUR pěna a polyester
Opatření a hlavní strategie projektovaní v oblastech záplav
Opatření staveb:
-Zvýšení stavby nad hladinu vody
-Použití voděodolných stavebních materiálů, například betonu nebo
keramiky
-Zajištění umístění spotřebičů, zařízení na vytápění a elektřinu nad hladinu
vody
-Instalace vodních zábran na suterénní okna a dveře v přízemí
-Instalace kanalizačních zpětných klapek kvůli zabránění přesunutí odpadní
vody zpět do budovy v případě záplav.
První orbitální stanicí Země byla kosmická stanice Saljut typu Zarja (obrázek 27)[11]. Stanice byla rozdělena na 3 častí:
Přechodový úsek, který sloužil k uskutečnění vědeckých experimentů a přestupu do transportní lodi. Na povrchu této
části byly dva solární panely (které dodávaly elektrickou energii), pracovní úsek (kde se nacházelo řídicí středisko)a
zóna odpočinku. V přední části byly niklokadmiové akumulátory, zásobování pitnou vodou (pro každého kosmonauta
zvlášť), ledničky pro zásoby potravy, přístrojový úsek s motory orientačního a stabilizačního systému a z vnějšku
přední části byly dva panely slunečních baterií.
MIR byla další velmi úspěšná orbitální stanice, která existovala po dobu 15 let. Dle oficiální tiskové zprávy byl MIR v
roce 2001 z orbitální dráhy navigován do oceánu z důvodu extrémní náročnosti na údržbu.
Mezinárodní vesmírná stanice (International Space Station – ISS) je v současné době jediná trvale obydlená vesmírná
stanice a největší objekt vynesený člověkem na zemskou orbitu (obrázek 28).
Obrázek 29 ukazuje schéma interakcí mezi složkami ISS kontroly životního prostředí a Life Support System
(ECLSS)[12].
Toto schéma znázorňuje tok recyklovatelných zdrojů v ISS. Regenerační kontrola prostředí a ECLSS, jehož hlavní složky
jsou systém recyklace vody (WRS) (obrázek 30a) a systém generace kyslíku (OGS) (obrázek 30b) regenerují a recyklují
vodu a kyslík. ECLSS udržuje správný tlak obytného prostředí a poskytuje obnovu a skladování vody, detekci požáru,
dýchatelný vzduch a příjemnou atmosféru pro práci a život v rámci ISS.
Stanice má velmi efektivní systémy recyklace a v některých ohledech je téměř soběstačná. Životně důležité systémy
jsou odděleně uloženy v modulech Tranquility, Destiny a Zvezda. Spolu mají na starost dodávku kyslíku a vody,
odstraňování oxidu uhličitého, filtrování vzduchu od malých poletujících částic a mikroorganismů, hlídání hladiny
kyslíku, dusíku a oxidu uhličitého, kontrolu palubního tlaku, teploty a vlhkosti, odstraňováni organických plynů a
distribuci vzduchu mezi moduly.
V každém modulu se nachází ústí ventilačního systému. Ten má za úkol zajistit neustálé proudění vzduchu. Zvláštní
důraz je kladen na cirkulaci ve spacích boxech astronautů. Při spánku, kdy se člověk vůbec nehýbe, se mu totiž
nedýchatelný plyn hromadí přímo u obličeje. Před nasáváním ventilačního systému se zase nachází speciální filtry,
které zachytávají prach, který by mohl uškodit citlivému zařízení, lidském oku nebo třeba při vdechnutí.
Dnes se provádí experimenty na pěstování zeleniny na vesmírné stanici, například pěstování salátu bylo součástí
experimentu NASA Veg – 01.
Obrázek 29. Interakci mezi složkami ISS kontroly životního prostředí
a Life Support System (ECLSS). (NASA)
Obrázek 10. Vnější povrchová teplota
bílých a šedých střech ve stejný den.
(Baruch Giovani, 1998)
Obrázek 43.Tradiční dům Inuvialuitů Napaqtaq
Zdroj: NWT Archives/G79-001-302
Obrázek 44. Tradiční obydlí v Kittigaaryuk. Zdroj:
DanishNational Museum/FifthThuleExpedition/neg. 2845
Obrázek 45. Iglú, boční pohled. Zdroj: wikipedia.org
Obrázek 30 a,b. Systém recyklace vody (WRS) Systém Generace Oxygenu(OGS)
na ISS (NASA)
Moderní polární architektura
Na obrázku 46 je ukázána budova vědeckého centra ve Svalbardu. Opláštění této budovy je tvořeno izolovaným
měděným střešním povlakem, vytvářícím jednu celistvou vnější slupku, která byla vytvarovaná s ohledem na proudění
větru a sněhové závěje. Kvůli ujištění se, že sněhové nánosy před dveřmi a okny nezpůsobí nežádoucí potíže, byly
provedeny klimatické 3D simulace. Během tohoto procesu byl střešní povlak velice přizpůsobivý k softwarem určeným
podmínkám, jak ohledně reakcí na geometrické změny, tak při simulaci klimatických podmínek. Budova je vyvýšena a
stojí na sloupech, aby se vyvarovala tání permafrostu – jediné věci, co by celou stavbu pevně držela. Hlavní konstrukce je
ze dřeva, aby se zabránilo tepelným rozdílům a prostor byl snadněji upravitelný. Vnější měděná střecha je zpracovatelná i
při nízkých teplotách. Proto se daly stavební práce provádět i za studeného počasí [16].
Belgická stanice "Princess Elisabeth" v Antarktidě
Tato stanice dokončená v roce 2008, je první polární stanicí, která je zásobena energií pouze z obnovitelných zdrojů
(Coninck & Berte, 2007, str. 4). Vyuzí̌ vá energie získané fotovoltaickými panely a větrnými turbínami. Od roku 2010 je
taktéž vybavena inteligentním systémem pro správu energie Programmable Logic Controler (PLC), který neustále sleduje
poptávku a dostupnost energie a dále určuje priority a řídí její distribuci (IPF, 2010) (O.Doule).
Obrázek 31. Bigelow Aerospace: orbitální hotel s použitím technologii nafukovací válcové konstrukce od NASA-JSC.
Stanice provozuje systém recyklace (obnovy) vody v uzavřeném
systému bydlení. Vstupy vody:
- rekuperace kondenzátu ze vzduchu (kontrola vlhkosti vzduchu)
- užitková voda
- voda vzniklá při revitalizaci atmosféry a redukci obsahu CO2
- moč
- voda odebraná při vysoušení všech pevných odpadů
- voda z experimentů a ze skleníků z procesu evapotranspirace
(ESA, 2006)
A
C
B
Obrázek 33. Výzkumný habitat na Marsu - Mars Base One - řez základnou (O.Doule)
D
Obrázek 20. Zmírnění povodní: stavební typologie, které pracují s vodou (Zdroj: Sofie Pelsmakers)
A – Zvýšené přízemí se zadržením vody v suterénu. Tento princip vede také k nižší kvalitě ulic a nižší ochranné
bezpečnosti.
B – Stavba na pylonech. Je potřeba ochrana proti poškozením pylonů sutí.
C – Plovoucí stavba. Zvýšení přízemí cca o 5.5m nad hladinu vody. Staví se z polystyrenových panelů s
podkladovým betonem. Hodí se pro menší stavby a je rozšířena zejména v Nizozemsku.
D – Vodotěsné stavby z voděodolných materiálů. Tento princip minimalizuje poškození při záplavách.
Elektrotechnické zařízení musí být umístěno nad úrovní vody.
Obrázek 34. Výzkumný habitat na Marsu - Mars Base One
možnost orientace solárních panelů (O.Doule)
Studie výzkumné jednotky Mars Base One (O.Doule) (obr. 32) představuje obytný habitat na Marsu. Dle autora by
mohl být, vzhledem ke současnému technologickému rozvoji, postaven v roce 2035. Architektonické řešení základny
se soustředí na udržitelnost a energetickou efektivnost, poskytuje bezpečné a pohodlné pracovní a obytné prostředí.
Objekt má 3 podlaží (obr. 33), která jsou rozdělena dle různých funkcí - systém podpory života, laboratoře, obytné
prostory a řídící jednotka. Základna by měla být zcela autonomní - s výrobou a recyklací atmosféry, potravy a vody.
Objekt je určen pro posádku 10ti členů, (5 párů mužů a žen). Každá z pěti ložnic je vybavena koupelnou se sprchou.
Nafukovací konstrukce obsahuje systém podpory života, s umístěním vodních nádrží na střeše habitatu. Energie se
získává pomocí solárních panelů, které jsou vybaveny mechanizmem, umožňujícím otáčení se za sluncem. V případě
prachových bouří se solární panely otáčí články dolů a tím se eliminují případná poškození (obr. 34).
Cirkumpolární regiony
Obrázek 21, 22. Amphibious House. Site-Specific architekti
Na obrázcích 21 a 22 je ukázka projektu Amphibious House s montovanou
ocelovou plovoucí konstrukcí, navrženého architektonickým ateliérem SiteSpecific. Systém se skládá ze sestavy sloupů s podzemním kotvením a rámy
pontonů pod hlavní konstrukcí. Během sucha bude suterén domu pevně
posazený ve své základové vaně - jakési loděnici. V době povodní se "dok"
zaplaví a tlak vody vytlačí dům na hladinu.
Dalším příkladem řešení problému povodní je projekt architekta Carla
Turnera. Navrhl autonomní dům s umístěním fotovoltaických panelů na zdi.
Tyto panely by mohly vytvořit dostatek elektrické energie pro stále užívání
obydlí. Dům má systém využití dešťové vody a plovoucí zahrádkou pro
Cirkumpolární regiony patří mezi místa s nejvíce nepříznivými klimatickými podmínkami na světě. Pro tyto regiony
jsou charakteristické extrémně nízké teploty, dlouhotrvající zimní období, velmi málo slunečního světla a časté větrné
smrště, které způsobují velké závěje po celé pusté krajině. Extrémní teploty se vyskytují zejména v subarktických
oblastech kontinentální Sibiře a Severní Ameriky, kde např. v okolí východosibiřského Oimeakonu byla zaznamenána
teplota −71,2 °C [13]. Některé zdroje uvádí, že nejnižší naměřená teplota byla pouze - 68°C. Existence věčně zmrzlé
půdy komplikuje zakládání staveb a těžbu surovin, nedostatečná transportní infrastruktura a velké vzdálenosti od
ostatního světa neumožnují stálý import čerstvých surovin a zboží.
Ale přes všechny výše uvedené nepříznivé podmínky, cirkumpolární národy přežily a nadále se rozvijí. Prostředí jimi
vybudované odráží kreativní a dynamickou reakci na omezení zdrojů a náročné klimatické podmínky v nehostinných
oblastech Arktidy.
Nejnižší naměřené teploty různých regionů
arktického polárního kruhu:
1. Rusko, Oimekon, -67.8°C
2. Grónsko, North Ice, -66.1°C
3. Kanada, Snag Yukon -63°C
4. USA, AK, Prospect Greek -62°C
5. Švédsko, Malgovik, -53°C
6. Finsko, Kittilä, -51.5°C
7. Norsko, Karasjok, -51.4°C
8. Island, Grímsstaðir -37.9°C
pěstování zeleniny.
Obrázek 9. 76/40cm převis je optimální
pro 30° az 50° zeměpisné šířky
Tradiční polární architektura
Národy cirkumpolárního světa - Grónska, Aljašky, Arktické Kanady a Sibiře mají své kořeny ve střední Asii.
S přestěhováním do těchto arktických oblastí se přizpůsobili měnícím se klimatickým podmínkám. Je třeba říci, že
původně tyto národy byly kočovné. Jen málo regionů umožňovalo dlouhodobé osídlení většími skupinami. Dnes
obyvatelstvo Arktidy čítá kolem 4 milionů osob, které jsou rozdělené do velkého počtu etnických skupin [14]. Původně
tyto národy žily převážně z lovu, rybářství, sběru divokých rostlin a v Grónsku částečně i zemědělstvím. Dnes je život
obyvatelů severních regionů maximálně přiblížen k životu obyvatel jižnějších teritorií. Většina obyvatel žije v moderně
zařízených budovách a s přístupem k výhodám ostatních částí světa. Nicméně, i dnes domorodí obyvatelé arktických
oblastí předávají tradiční znalosti a dovednosti, jako jsou lov, rybaření, pastevectví a rodné jazyky, mladším generacím. A
spolu s tím i stavitelství. Na měnící se klimatické podmínky cirkumpolární národy reagovaly s dovedností i kreativitou a
kombinovaly místní materiály s novými dostupnými zdroji. Obydlí stavěly z drnu, kůry, kůže a kostí velryb, země, trávy,
mechu, sněhu, ledu a kamenů, a později používaly materiály, jako jsou dýha a dokonce i opracované olejové sudy.
Využívaly se tepelné izolační vlastnosti dutých jeleních chlupů, vodotěsné vlastnosti tulení kůže a tepelné výhody
živočišného tuku na efektivní ohřev obytného prostoru. Místní národy věděly, jak rozlišovat mezi různými typy sněhu a
jak maximálně využit omezeného slunečního světla Arktidy. Do okenních otvorů se místo skel používaly ledové řezy nebo
střeva mrože. Tradiční arktické obydlí Iglú je tvořeno úzkou podlouhlou předsíní, která zabraňuje přístupu chladu a hlavní
obytnou místností. Sníh je dobrý izolační materiál, takže vnitřní teplota iglú může dosahovat i několika stupňů Celsia nad
nulou. Studený vzduch do něho nepronikne, protože vchod je pod úrovní terénu (obr.45).
Obrázek 46., 47. Vědecké centrum v Svalbard, Norsko
Jarmund/Vigsnæs Architects
Obrázek 32. Výzkumný habitat na Marsu - Mars Base One (O.Doule)
Obrázek 23. Plavoucí dům. Architekt: Carl Turner
Obrázek 8. Použití přírodních elementů pro stínění
Obrázek 28. Kosmická orbitální stanice MIR
Obrázek 42. Železnice v oblasti permafrostu
Foto: Henry Chen
Obrázek 48. Belgická stanice "Princess Elisabeth" v Antarktidě
Tam, kde tři velké říční systémy protínaly aridní a
semiaridní regiony, se usadily tři oddělené skupiny lidí,
zavlažily půdu a postavily města. Právě v této oblasti
vznikla první městská centra. Indové, Nilové a obyvatelé
Tigris-Eufratu byli zakladateli těchto kultur.
Osídlení v různých horkých aridních a semiaridních
regionech projevují velmi jasnou podobu ve svých
fyzických a morfologických aspektech v porovnání s
ostatními klimatickými typy.
Hlavní urbanistické prvky, dle svého prostorového tvaru
a uspořádaní, jsou stejné jak v Mezopotámii, tak ve
Střední Americe.
Níže jsou ukázány hlavní architektonické strategie konfigurace budov a zásady projektování komfortního vnějšího a
vnitřního prostoru. Tyto strategie jsou v těchto regionech používány již tísíce let .
Minimalizace dopadů slunečního záření.
Když solární energie zahřívá povrch, část energie se absorbuje, část se odráží a část se přenáší na jiný povrch. Pro
kontrolu a změnu solárního záření na objekt se používá zábrana, odrážení slunečních paprsků nebo vhodná orientace
budovy a materiál opláštění.
1. Zábrana proti slunečnímu záření:
V tradičním nádvoří v horkém suchém podnebí stromy chrání budovy před přímými slunečními paprsky a vytváří se tak
stínění dvoru a fasády domu. Zdi a zejména okna, které jsou vystaveny letnímu slunci, by měly být zastíněny převisy
(obrázek 9).
Obrázek 39. Mapa permafrostu Arktidy.
Urbanistické uspořádání [6].
Urbanistická řešení vyplývá nejenom z fyzických a psychických faktorů, ale také ze sociálních a kulturních vlastností
těchto regionů. Existuje několik způsobů navrhování městských struktur s ohledem na solární radiaci a vítr.
Obrázek 19. Povodně v Nepálu: poškození budovy
základní školy. Zdroj: Lal Prasad Sharma
Zdravé lidské bydlení je možné pouze v příznivých klimatických podmínkách. Starověcí osadníci objevili tyto podmínky,
které se staly faktory ovlivňujícími způsob plánování místní architektury. U současných architektů se tyto zásady, které
byly stanoveny na základě přírodních podmínek a faktorů, a byly podporovány metodou pokusů a omylů po tisíce let,
staly významnými rozhodovacími složkami v projektování. Koncepce, hustota, uspořádání, cirkulace vzduchu, forma
střechy, povrch, otvory, stínění a materiály jsou hlavními tématy pro principy architektury a prvků v různých klimatických
podmínkách. Nadále je důležitá definice strategií, kterými lze dosáhnout vyššího bioklimatického komfortu užívání
staveb pro obyvatele. Stejně jako to bylo již po mnoho tisíciletí.
Pokud se podíváme na horké semiaridní regiony, můžeme snadno vidět, do jaké míry klima ovlivnilo tvarování městské
zástavby obcí a měst. Vznik některých ze stávajících osad se datuje do předhistorie, některé mají kořeny ve starověku, a
jiné byly plánovány v současné době.
"Téměř 43% zemského povrchu patří horkému, suchému a semiaridnímu podnebí."[5] Tyto regiony jsou soustředěny
hlavně ve střední Asii, na většině území Austrálie, na severozápadě indického subkontinentu, na Blízkém východě, v
severní a jižní Africe, v severozápadní Americe i v jižní a západní oblasti centrální Ameriky.
Obrázek 7. 1.Mapa horkých aridních (BW) a semiaridních(BS) regionů
Zdroj: Köppen's climatic classification
Prostředí vesmíru
Obrázek 12. Tradiční architektura v horkém
suchém klimatu
Zdroj: Albuquerque Foreclosures
Obrázek 38. Formování sněhových závějí
Vliv permafrostu na stavební konstrukce
Permafrost se definuje jako stav půdy, která je stále zmrzlá po dvou
nebo více letech. Existence věčně zmrzlé půdy komplikuje zakládání
staveb a těžbu surovin, jelikož v letním období dochází k rozmrzání
svrchní části permafrostu, který se stává pohyblivým.
Následný půdotok (soliflukce) je stavební pohromou, protože činí
podloží staveb nestabilním. Konstrukčním řešením v permafrostu je
pevné zakotvení staveb do oblastí, kam nedosahuje letní rozmrzání.
Stavby se musí odizolovat od země, jinak se může důsledkem vytápění
stavby roztavit voda v permafrostu, následně náhle dojde k jejímu
průniku do budovy, vytopení a zhroucení budovy. Obyvatelé domu tak
mají velice malé šance na záchranu, protože kromě utopení jim hrozí i
umrznutí.
Potíže, spojené s permafrostem, nastávají i když permafrost již není
trvalý. Při likvidaci stromů, stínujících pozemek, a také z důvodu
uvolnění tepla budov, dochází k tání permafrostu. Ve větším měřítku
ovlivňuje změnu permafrostu i globální oteplování. Tání permafrostu
vyvolává série destabilizací konstrukcí. Řešení tohoto problému je
velmi obtížné. Změna v permafrostu nese zvláště škodlivý vliv na
instalační potrubí, silnice a železniční tratě.
Obrázek 25. Hotel a televizní vysílač na Ještědu.
Karel Hubáček
Dále se obydlí v extrémním prostředí
rozlišuje podle doby užívání: trvalé – pro
trvalý život obyvatelů a dočasné – naučné
laboratoře, vědecké stanice [4].
Navrhování staveb v extrémních klimatických podmínkách vyžaduje přesné splnění řady požadavků, jako např.
ekonomické, funkční, technikofizykální, estetické a další požadavky. Objekty v různých geografických pásech mají své
specifické požadavky. Znalost pokročilých technologií, obnovitelných zdrojů̊ a efektivních metod výstavby je pro
takováto prostředí nezbytnou nutností. Níže se uvádí hlavní omezení navrhování a užívání staveb v extrémním prostředí:
- absence nebo omezení místní infrastruktury
- absence nebo omezení inženýrských sítí a příjezdových cest
- potřeba dovážení stavebně-technických materiálů, nemožnost použití místních surovin
- vyšší požadavky na stabilitu, autonomnost a energetické aspekty
- nedostatek pitné vody
- nízká kvalita vzduchu
Závažným faktorem v navrhování těchto budov je jejich trvalá udržitelnost a autonomie. Stavba musí být energeticky
soběstačná a být schopná vytvářet všechno co spotřebuje. Autonomnost staveb snižuje dopad na okolní prostředí,
snižuje provozní náklady a zvyšuje pohodli a bezpečnost uživatelů. Tyto stavby mohou být použité jako ochranné
habitaty pro případ přírodních katastrof a mohou být umístěné ve větších vzdálenostech od obyvatelných regionů, tam,
kde chybí dopravní a technická infrastruktura.
Za jeden z prvních prototypů moderních autonomních staveb se považuje jurta (přenosné obydlí mongolských
kočovníku, obr. 2), která je energeticky úsporným objektem, schopným racionálního využití energie biomasy. Dle doby
provozu se rozlišují následující typy autonomních obytných staveb:
- Bydlení pro krátkodobý pobyt (záchranné habitaty, objekty pro vědecké expedice,
zařízení obrany atd.). Doba provozu - od jednoho dne do 2 týdnů.
- Objekty pro vojenské základny, studentské tábory a další. Provozní doba - od několika
týdnů až po 2-3 roky v případě stálého užívání a od jednoho týdne do šesti měsíců pří
občasném používání.
- Trvalé bydliště. Doba provozu - více než 3 roky.[4]
Obrázek 37. Vítr v Aljašce. Foto Katie Basile
Sněhové zatížení
Srážky v cirkumpolárních regionech jsou převážně sněhové. Nejvyšší sněhové srážky jsou v subarktické oblasti, kde jsou
ovlivněny mořskými bouřkami. Přesto, že na většině území celkové roční množství sněhové srážek nepřevyšuje 50cm, je
kvůli silným větrům problém sněhových zavějí stálý.
Zvířený sníh způsobuje závažné problémy pro lidskou činnost v chladných oblastech. Je hlavním problémem pro údržbu
vozovek a jízdních pruhů v zimním období. Dokonce jen 50 cm vysoké závěje jsou dostatečné k zablokování provozu
motorových vozidel a vlaků [14]. Také zvířený sníh sám o sobě může způsobit značné problémy tím, že snižuje viditelnost.
Kolem stavby mohou závěje způsobit vážné problémy s její přístupností. V extrémních případech může dojít k
nemožnosti použití budovy po celou zimní sezónu, což může představovat vážný ekonomický problém. Prozíravý design
jízdních pruhů a budov může zabránit jejích poškození v zimním období a ušetřit ekonomické zdroje na zimní údržbu.
Problémy způsobené zvířeným sněhem mohou být sníženy o opatření, jako jsou sněhové ploty nebo speciální konstrukce
budov a silnic. Sněhové ploty (sněholamy) se používají k ochraně postižených oblastí od závěje. Sněholamy sbírají zvířený
sníh tím, že rozbijí přirozené proudění větru. To zpomaluje rychlost větru a způsobuje turbulence, ve kterých se sníh
může usadit.
Obrázek 25. Vysokohorská chata ve Švýcarsku. ETH Zurich
Stupeň
Hlavními výzvami architektury v mrazivých prostředích jsou zajištění izolace interiéru, návrh konstrukce habitatu, volba
způsobu vytápění a, v prostředích bez technické infrastruktury, i výroba elektrické energie. Z těchto důvodů je vhodná
tvarem „kompaktní“ architektura (optimální tvar je koule, polokoule) a snaha minimalizovat tepelné ztráty. Okenní
otvory by měly být malé, zasklené pokud možno izolačním trojsklem a orientovány k rovníku tak, aby bylo umožněno
částečné pasivní vytápění objektu. U objektů vytápěných a permanentně obývaných je vhodné využít silnějších
konstrukcí a materiálů schopných tepelné akumulace, zatímco občasně obývané konstrukce je vhodnější konstruovat z
lehkých materiálů, které umožní rychlé vytápění interiéru. Velká pozornost by také měla být věnována vzduchotěsnosti
celé konstrukce a to jak v interiéru (jednotlivé místnosti), tak v exteriéru (plášť budovy) (Szokolay, 2004, str. 66).
Obrázek 35. Mapy Arktidy: nejnižší naměřené teploty
Zdroj: World Meteorological Organization: Global Weather & Climate Extremes
http://wmo.asu.edu/
Obrázek 49. Arktická mobilní jednotka. Modulový systém
MAP architects
Obrázek 50. Arktická mobilní jednotka
MAP architects
Mobilní výzkumná jednotka je určena pro pobyt v extrémním cirkumpolárním prostředí. Jejím cílem je začlenění hightech řešení a využití udržitelných zdrojů. Objekt je určen pro bydlení a pracovní činnosti a je navržen s možností
následujících technických úprav dle potřeb uživatelů. Tyto jednotky lze spojit mezi sebou a tak vytvořit jedinou vědeckou
stanici, při tom každá jednotka může mít jinou funkci.
Interiér a vnější opláštění objektu je vyrobeno ze skleněných vláken, naplněných izolační pěnou. V této silné sendvičové
konstrukci, jsou umístěny polyuretanové nádrže s čistou a použitou vodou, které jsou snadné přístupné zevnitř. Je zde
také systém nádrží na tání sněhu, které mohou být naplněné zvenčí. Fasády jsou pokryty fotovoltaickými panely,
chytajícími hlavně vodorovné paprsky arktického slunce a spolu s větrnou turbínou o průměru 1800 mm, jednotka
generuje 6 kWh. Baterie je schovaná v podlaze a dodává stabilitu, když je jednotka umístěna na sněhu.
Reference:
[1] Koleychuk V.F. Mobilní architektura: přehled. – М.: RotaprintCNT ICivil Engineering and Architecture, 1973
[2] Sadykova S.Sh. Mobilnaya architectura kak interpretaciya architectury dvizheniya /EurasianNational University
im. L.N. Gumileva /[Electronicresource]. – Access mode:
http://repository.enu.kz/bitstream/handle/123456789/2282/SadykovaSSH-MaratovaMM-Mobilnaiyaarchitektura.pdf (date of treatment 20.12.2014)
[3] Tokyo'stiny capsules of architectural flair/ [Electronicresource]. – Access mode:
http://www.japantimes.co.jp/culture/2014/10/03/arts/tokyos-tiny-capsules-architectural-flair/#.Vf8Hz2Sqqkp (date
of treatment 03.10.2014.)
[4] Nushtaeva S.A., Nushtaeva A.V. Houses in extremeclimates, Penza State University of Architecture and
Constructions
[5]YahyaLavafpour, Surat M. Passive Low Energy Architecture in Hot and Dry Climate, Australian Journal of Basic and
Applied Sciences, 5(8), ISSN 1991-8178, 2011
[6]Paul Gut Dieter Ackerknecht Climate Responsive Building - Appropriate Building Construction in Tropical and
Subtropical Regions, SKAT, 1993
[7] Golany, G., (ed.), Design for Arid Region, 1983, p. 2.
[8] SouthernTierCentralRegionalPlanning and DevelopmentBoard, FloodplainFacts #9 Available:
http://www.stcplanning.org/index.asp?pageId=108
[9] Mount Washington Observatory, access mode: https://www.mountwashington.org/
[10] Departament of Architecture ETH Zurich, https://www.arch.ethz.ch/content/dam/ethz/specialinterest/arch/department/Jahrbuch/Jahrbuch/PDF/Jahrbuch2010.pdf
[11] Access mode: http://www.space.com/16773-first-space-station-salyut-1.html
[12] Environmental Control and Life Support System, NASA Facts,
https://www.nasa.gov/sites/default/files/104840main_eclss.pdf
[13] WMO Weather & Climate Extremes Map http://wmo.asu.edu/#global
[14] Arctic Perspective Cahier No.1 Architecture http://articperpspective.org
[15] Robbie Robinson ArticArchitecture, 2009 Available: http://www.rci-online.org/interface/2009-02-robinson.pdf
[16] Jarmund/Vigsnæs Architects, http://www.jva.no/