RESOURCE-SAVING TECHNOLOGIES IN ARCHITECTURE

Full Text

Общей тенденцией в проектировании зданий во всём мире стало ресурсосбережение. Какие же ресурсы может сберечь архитектурное решение? Безусловно, это материальные и природные ресурсы общества, ресурсы топлива, энергии света и тепла, водные и земельные ресурсы. Огромную роль в достижении этих целей играет архитектура и строительные технологии. Основными принципами ресурсосберегающих технологий в архитектурном проектировании являются рациональные, экологичные и экономичные градостроительные, объёмно-планировочные и инженерно-технические решения с учётом климатических особенностей места проектирования, грамотное использование физико-технических свойств строительных материалов, тектонической работы несущих и теплофизических свойств ограждающих конструкций, снижение интенсивности энергопотребления или использование возобновляемых источников энергии, интеллектуализация систем зданий. Некоторые из подходов к ресурсосберегающему проектированию достаточно просты, но эффективны и не требуют дополнительных капиталовложений [1-5]. Например, по возможности, использование компактной формы плана здания и сокращение излишней кубатуры, когда со снижением площади наружних ограждений уменьшаются теплопотери, а следовательно, снижаются затраты на отопление. В умеренном климате эффективна ориентация здания вдоль гелиотермической оси, под углом к господствующим ветрам, что также снижает теплопотери. Использование выступов в виде балконов с солнечной стороны фасада, устройство «зелёного» фасада, посадка деревьев снижают перегрев помещений и потребление энергии кондиционерами. Неприменение остекления лоджий с северной стороны фасадов позволяет повысить освещенность располагаемых за ними помещений и сэкономить на искусственном освещении. Увеличение размеров окон на теневой стороне и уменьшение их размеров 125 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 И.А. Котенко, М.В. Мордвинова на солнечной также помогает улучшить микроклимат, организовать направленный воздухообмен и снизить затраты на отопление и вентиляцию. Уменьшение плотности застройки снижает затенение помещений и потребление энергии на искусственное освещение. Устройство проёмов для естественного освещения в помещениях зданий сокращает затраты на искусственное освещение. Снизить теплопотери может использование эффективных теплоизоляционных материалов на фасаде и снижение излишней площади оконных проёмов. Но всё это традиционные приёмы ресурсосбережения при архитектурном проектировании зданий. В настоящее время появились новые примеры формообразования архитектуры с использованием в зданиях возобновляемых источников энергии. Так, в разных странах мира построены небоскрёбы с обтекаемыми для ветров формами для снижения значительных ветровых нагрузок на их фасады (рис.1, а). В зданиях, состоящих из нескольких объёмов, в пространствах между ними устраивают ветровые турбины для преобразования значительной силы ветра в энергию, необходимую для функционирования здания. Так запроектирован Международный торговый центр в Бахрейне (рис.1, б). При строительстве в климатических зонах, где много солнечных дней, устраиваются солнечные коллекторы для использования энергии солнца. Форма зданий и материал ограждения важны. Ошибка английских проектировщиков, сделавших фасад офисного центра в виде вогнутой линзы, приводит к перегреванию и даже пожарам на окружающей территории, поэтому хозяевам башни возможно придется изменить цвет фасада и применить матовое стекло во избежание такого эффекта. Особый интерес представляют архитектурные произведения фирмы Н. Фостера, в которых применяются самые современные инновационные технологии. Самый известный пример их использования - Гонконгско-Шанхайский банк в Лондоне (рис.1, в). Ввиду недостаточного освещения нижнего внутреннего пространства на крыше устроена гигантская панель на кронштейне, следящая за положением солнца на небосводе и передающая свет вглубь объ- ёма здания. В Абу-Даби (Объединенные Арабские Эмираты) построены небоскрёбы, в которых используются изменения теплового воздействия на фасад здания. При сильном солнечном воздействии, во избежание его перегревания, автоматически выдвигаются наружные конструкции затенения и фасад зданий меняется (рис.1, г). Таким образом, одно из ресурсосберегающих направлений связано с формообразованием на основе использования особенностей климата строительства, а также с автоматизацией и интеллектуализацией управления различными системами здания. Системы «умного дома» уже широко предлагаются проектирующими фирмами в малоэтажном и частично используются в многоэтажном строительстве в России. Под термином «умный дом» обычно понимают интеграцию нескольких систем в единую систему управления зданием. Это системы: управления и связи; отопления, вентиляции и кондиционирования; освещения; электропитания здания; безопасности и мониторинга. Технология «умного дома» позволяет запрограммировать взаимодействие различных систем дома и их поведение в зависимости от времени суток, погоды или настроения хозяина. Из препятствий внедрения в широкую практику строительства можно назвать высокую стоимость оборудования и автоматизации. А, например, для применения солнечных коллекторов на крышах зданий в нашем климате требуется устройство специальных систем для самоочищения их от снега. В Германии по энергопотреблению давно появилось разделение зданий на старые, с низким потреблением энергии, пассивные и активные. Пассивный дом - наиболее простой вариант энергопотребления, задача которого излучать как можно меньше тепла. Основной его особенностью является получение комфортной температуры как зимой, так и летом без дополнительной отопительной системы или кондиционирования. Потребление энергии в нем не более 15 кВт·ч/м2 в год ( для сравнения: в старых домах Германии до 1970-х гг. энергопотребление было 300 кВт·ч/м2 в год; с 1970-х до 2002 гг. - 150; с низким потреблением (после 2002г.) - 70 [6]. Активный дом (с нулевым потреблением энергии) может обеспечивать себя энергией и теплом. Обычно в этих целях используются солнечные коллекторы, которые накапливают солнечную энергию и нагревают ею смесь воды и гликоля. Нагретая смесь хранится в подвале-накопителе. Эта смесь поступает в тепловой насос, который доводит её до требуемой температуры. Обычно накопленной летом энергии хватает на всю зиму. В последнее время оснащением активного дома становится солнечная электростанция на крыше, которая не только обеспечивает электроэнергией тепловой насос, но и отдаёт её избыток в электросеть. Таким образом, активный дом является автономной электростанцией, в этом его отличие от пассивного. В России работают программы энергосбережения, и это вынужденный шаг, ведь старые дома, запроектированные до требований СНиП 2003 г., потребляли в среднем 600 кВт·ч/м2 в год. В инженерных системах зданий специалисты советуют перейти на технологию рекуперации. Рекуперация представляет собой технологию, которая обеспечивает возврат части энергии или материала, которые расходуются во время прохождения какого-либо технологического процесса, с тем чтобы использовать их повторно в том же самом процессе. Одно из самых важных преимуществ рекуператоров - существенный уровень энергосбережения, что приводит к уменьшению теплозатрат. Но в данном случае необходимы немалые капиталовложения, которые окупаются за не- Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 126 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ а б в г Рис.1. Примеры ресурсосберегающих технологий в формообразовании: а - обтекаемая форма для уменьшения ветровых нагрузок и теплопотерь (Сент-Мэри Х30, Лондон, Великобритания); б - использование установленными между башнями ветровыми турбинами энергии ветра для энергопотребления (Международный торговый центр, Бахрейн, ОАЭ); в - зеркальная панель на кронштейне, передающая свет в нижнее пространство здания (Гонконгско-Шанхайский банк, Лондон, Великобритания); г - применение интеллектуальной системы управления фасадом, изменяющей наружные ограждения башен в разное время суток (башни Аль-Бахар, Абу-Даби, ОАЭ) которое время. Под рекуперацией тепла понимается процесс теплообмена, во время протекания которого тепло от удаляемого воздуха забирается, а затем передаётся нагнетаемому свежему воздуху. Рекуперацию применяют в совокупности со специальными установками вытяжки и кондиционирования, в которых обязательно должен быть установлен рекуперационный теплообменник. В теплообменнике рекуперация происходит так, что выбрасываемый и поступающий свежий воздух полностью отделяются друг от друга, с тем чтобы избежать смешивания. Принцип рекуперации представлен на рис. 2. В Москве также появились проекты зданий, использующих накопленную тепловую энергию от жизнедеятельности людей и электрических приборов для нужд здания. По сведениям Ю.А. Табунщикова, в реализованных проектах 11-этажных жилых домов в Северном Измайлово с использованием технологии рекуперации проектное теплопотребление составляет всего 25 кВт·ч/м2 в год [7], в построенном 18-этажном 4-секционном доме в Красностуденческом переулке годовое энергопотребление составляет 58 - 67 кВт·ч/м2 в год (меньший показатель - при регулировании воздухообмена в квартирах в зависимости от режима эксплуатации) [8]. Таким образом, использование накопленной тепловой энергии и возобновляемых источников энергии (солнечных коллекторов и фотоэлементов), а также энергии ветроэнергетических установок [9], как производящих, так и накапливающих энергию для собственных нужд зданий; применение новых систем инженерного оборудования - ещё одно направление ресурсосбережения. Третьим направлением ресурсосбережения является применение энергоэффективных конструкций ограждений и оконных проёмов (рис. 3), а также 127 Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 И.А. Котенко, М.В. Мордвинова Рис.2. Схема рекуперации воздуха в здании (сайт nskwood. com/stati/683-preimushhestva-rekuperacii-tepla.html) новых теплоизоляционных материалов. Например, используются защитные светопрозрачные ограждающие конструкции от внешнего теплового и солнечного воздействия, а также конструкции со специальным незаметным энергозащитным покрытием стекла или с заполнением коробки стеклопакета инертным газом. Применяются особые конструкции окон, работающие на солнечных коллекторах, вентилируемые фасады, эффективные прозрачные ограждающие конструкции фасадов и внутренняя теплоизоляция наружных стен из гранулированного пеностекла, использование «тёплой» штукатурки и др. [10 - 12]. Проблемой российского энергосбережения является герметизация конструкций старого жилого фонда. Её пытаются решать специальными региональными программами капремонта. Например, в Самарской области это утепление фасадов панельных «хрущёвок» с использованием бюджетного варианта энергосбережения: использование технологии «мокрой» штукатурки по полимерной сетке на прикреплённом к фасаду пенопласту. Кроме этого, для уменьшения теплопотерь производится установка пластиковых окон в подъездах и ремонт кровли. Программа построена на частичном финансировании работ жильцами ремонтируемых домов. В архитектурно-строительном институте Самарского государственного технического университета работает научно-проектный центр «Энергосбережение в строительстве», выполняющий теплотехнические обследования зданий, оценку их энергоэффективности с разработкой энергетических паспортов зданий и экспериментальное исследование характеристик строительных материалов. Вывод. Проблема ресурсосбережения остаётся достаточно острой в нашей стране. Вероятно, необходимо продолжать развивать и поддерживать со- Рис.3. Энергоэффективные конструкция окон в здании «Kommerzbank»,студия «Foster and Partners» (сайт esto.tomsk.gov.ru/articles/home/1080/): а - летний период, хорошая погода (окна открыты); б - летний период, плохая погода (окна закрыты); в - зимний период (наружный слой герметизирован) а б в Градостроительство и архитектура | 2017 | Т. 7, № 3 128 ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВО. ПЛАНИРОВКА СЕЛЬСКИХ НАСЕЛЕННЫХ ПУНКТОВ временные тренды проектирования и строительства зданий с использованием новейших технологий.

About the authors

Irina A. KOTENKO

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Marina V. MORDVINOVA

Samara State Technical University

Email: vestniksgasu@yandex.ru

References

Supplementary files