Бумаженко О. В.

Бумаженко О.В.

Продолжающиеся фундаментальные преобразования в социально-экономическом устройстве России, смена экономических механизмов хозяйствования, очевидная трансформация международных экономических и политических отношений, с одной стороны, и нарастающая напряженность во взаимоотношениях человека и природной среды, которая отчетливо проявляется в обострении дефицита и удорожании энергетических и материальных ресурсов, а также опасности глобальной экологической катастрофы с другой, подводят к необходимости переосмысления ставших традиционными ценностей индустриального общества, переориентации хозяйственной и культурной деятельности на достижение максимальной эффективности использования природных ресурсов планеты, выработки “щадящих” средств и методов преобразования природной среды, обуздание потребительской эйфории, возникшей вследствие развития высокотехнологичных производств.

В этих условиях определение перспективных, высокоэффективных принципов и методик строительной деятельности оказывается одной из актуальнейших задач, поскольку строительство – наиболее активный в отношении природной среды и ресурсоемкий вид человеческой деятельности, плоды которой определяют качество жизненной среды всех видов живых существ в течение десятков, сотен и даже тысяч лет.

Тем большую роль играет верно заданная и своевременно осуществленная ориентация государственного и, в первую очередь, военного строительства, выполняющего фундаментальные задачи жизнеобеспечения общества, его безопасности и уровня благосостояния граждан, которое во многом определяется эффективностью расходования бюджетных средств и национальных природных ресурсов.

Целью настоящей работы являлось обозначить основные проблемы и тенденции развития современного архитектурно-строительного процесса, возникшие в последние годы вследствие обострения взаимоотношений человека и природной среды (в частности, проблемы производства и потребления энергии), а также выявить важнейшие приоритеты и перспективы, определяющие выбор путей, принципов и средств решения энергетических проблем в строительстве, в т.ч. с учетом российской специфики.

Согласно результатам исследований и прогнозам множества как отечественных, так и зарубежных ученых, важнейшую группу критериев оценки эффективности строительной деятельности определяют сегодня экологические аспекты [8]. Данные компьютерного анализа, проведенного группой отечественных ученых во главе с акад. Н.Н.Моисеевым, показывают, что “катастрофические перестройки биосферы могут произойти не вследствие грандиозных явлений космического масштаба, а в результате незначительного изменения того или иного параметра биосферы“ [8]. Более того, последними исследованиями отечественных экологов установлено, что при сохранении существующего уровня и характера антропогенных воздействий на биосферу эти катастрофические изменения могут произойти уже к 2030-м годам.

Производственная и строительная деятельность человечества являются наиболее существенными факторами, определяющими антропогенные изменения естественной природной среды, и именно в этих областях необходимы оперативные действия по предотвращению надвигающейся катастрофы.

Установлено, что в наибольшей мере отрицательное воздействие на природную среду оказывает сжигание огромного количества топлива в целях энергообеспечения эксплуатации зданий, сопровождающееся крупномасштабными загрязнениями атмосферы целой гаммой химически активных соединений, а также оксидом углерода, рост содержания которого в атмосфере вызывает усиление “парникового эффекта” в масштабах планеты, т.е. ведет к потеплению климата и, как минимум, грозит таянием ледников и вечномерзлых грунтов, а значит, повышением уровня мирового океана и мощными выделениями в атмосферу природного аммиака из приполярных болот.

Анализ данных об изменениях, происходящих в биосфере в результате строительной деятельности человечества, показывает, что важнейшими факторами, тесно взаимосвязанными и определяющими наиболее значимые тенденции в развитии современного архитектурно-строительного процесса являются:

  1. угроза глобальной экологической катастрофы, обусловленная нарастающими темпами деградации природной среды вследствие несбалансированности антропогенных воздействий и низкой эффективности природопользования, а также связанное с этим повсеместное ухудшение качества среды обитания людей;

  2. энергетический кризис, обусловленный высоким энергопотреблением в строительно-эксплуатационной сфере деятельности на фоне объективного удорожания традиционно используемых энергоносителей (нефтепродуктов, газа, угля и т.п.);

  3. отчетливо обозначившаяся перспектива исчерпаемости некоторых жизненно важных минеральных и энергетических ресурсов.

Обусловленные этими факторами фундаментальные экологические требования к строительству определяют основные направления развития архитектурно-строительного процесса:

  1. экологически целесообразное регламентирование и перераспределение антропогенных нагрузок и воздействий на природную среду (в целях установления и поддержания экологического равновесия между естественными и искусственными компонентами) посредством ужесточения природоохранного законодательства в области строительства, экологического зонирования территорий, ограничения плотности населения в соответствии с экологическими характеристиками ландшафтов, перехода к мало- и безотходным промышленным и строительно-эксплуатационным технологиям, контекстным (относительно природной среды) объемно-пространственным и конструктивным решениям, которые не вызывают значительных изменений физико-химических параметров среды, и прежде всего, грунтов и почв (их плотности, воздухо- и влагонасыщенности, химического состава и т.д.);

  2. снижение объемов потребления исчерпаемых энергетических и других природных ресурсов, а также высокоэнергоемких материалов в нуждах строительно-эксплуатационной деятельности посредством их экономии за счет сокращения потерь при производстве, транспортировке и расходовании, совершенствования градостроительных, объемно-планировочных, конструктивных, инженерно-технических решений, в частности, на основе оптимизации сроков эксплуатации объектов в соответствии с прогнозируемыми темпами их функционального и морального старения, утилизации вторичных ресурсов, а также ориентации на широко распространенные (в частности, местные) и возобновляемые ресурсы (наиболее популярным строительным материалом сегодня вновь становится древесина, известные недостатки которой удается устранять с помощью современных технологий ее обработки);

  3. повышение психофизиологического комфорта жизнедеятельности людей посредством качественного улучшения функциональных, санитарно-гигиенических, микроклиматических и эстетических параметров среды обитания, в т.ч. за счет совершенствования функционально-пространственной структуры архитектурно-градостроительных объектов, повышения их функциональной насыщенности и адаптивности (среда как многоуровневая система динамичных многофункциональных комплексов), использования растительности как важнейшего для всех пространственных уровней средообразующего фактора, отказа от использования в строительстве технических устройств, материалов и конструкций, отрицательно влияющих на здоровье людей и др.

Известно, что “жизнеспособность организмов обусловлена постоянным наличием в среде трех групп процессов: потоков вещества, энергии и информации” [9], поэтому во всех случаях обоснование проектно-строительной деятельности любого масштаба и оценку ее результатов необходимо производить на трех уровнях:

  • биологическом, характеризующем качество имеющихся и предполагаемых биохимических и биофизических взаимосвязей естественных и искусственных компонентов среды (включая живые организмы); на этом уровне определяются средства сохранения экологического равновесия [8,9], допустимые виды и масштабы антропогенных воздействий и нагрузок на природную среду, оптимальные функционально-планировочные решения (зональные схемы), а также биологически целесообразные к использованию в строительстве материалы;

  • энергетическом, характеризующем качество непосредственного энергетического обмена архитектурных объектов со средой (теплового, воздушного, светового и т.п.); на этом уровне определяются минимально достаточные для достижения требуемого уровня физического и психологического комфорта энергетические потребности архитектурных объектов, возможности и способы использования местных естественных источников энергии для этих нужд, а также средства поддержания энергетического баланса и энергоэффективные строительные материалы и технологии;

  • информационном, характеризующем функциональные и коммуникативные качества среды; на этом уровне определяются условия ориентации в пространстве, его информационная (функциональная, историко-культурная) насыщенность, эстетические качества, т.е. те параметры, которые влияют на психо-эмоциональное состояние живых организмов (мотивы их поведения) и регламентируют их деятельность в данной среде.

Таким образом, одно из центральных мест в структуре общей экологической проблемы, а следовательно, среди важнейших факторов, определяющих характер и тенденции развития современного архитектурно-строительного процесса занимают энергетические аспекты проектно-строительной и эксплуатационной деятельности, освещение которых и являлось задачей данной работы.

Ключевыми в процессе формирования принципов энергоэффективного строительства для отечественной строительной науки стали идеи, концепции и исследования, которые в разное время выдвигали и популяризировали в своих работах такие известные ученые, архитекторы и инженеры, как Ф.Райт, Ле Корбюзье, П. Солери, Б. Фуллер, Р. Эрскин, Р. Саксон, Р. Стерлинг, Д. Аронин, Д. Даффи, У.Бекман, С. Зоколей, Б. Полуй, А. Мелуа, Н. Селиванов, Э. Сарнацкий, Н.Оболенский, В.Лицкевич, Ю.Лебедев, Л.Богуславский и др. Кроме того, огромный вклад в развитие данной области знания внесли коллективы многих отечественных научно-исследовательских институтов, таких как ЛенЗНИИЭП, СибЗНИИЭП, ТашЗНИИЭП, ЦНИИЭП жилища, ЦНИИпромзданий, ЦНИИСК, ЭНИН им. Кржижановского, ВНИИТЭ, а также коллективы ученых высших архитектурно-строительных учебных заведений – ЛИСИ (СПбГАСУ), МАрхИ, НИСИ и др., предметом деятельности которых являлись проблемы повышения энергетической эффективности зданий и сооружений.

Вопросы энергоэффективности строительной деятельности формируют один из фундаментальных комплексов экологических проблем и являются одним из важнейших направлений исследований относительно новой синтетической науки - архитектурной экологии. [9]

 1. ПРИРОДНЫЕ РЕСУРСЫ, ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КРИЗИС И АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС.

Поворотной точкой, событием, положившим начало трансформации массового сознания в отношении энергетической эффективности строительства стал разразившийся в 1970-е годы глобальный энергетический кризис, который в буквальном смысле парализовал мировую экономику, лишив ее основного средства обеспечения экономически эффективной деятельности – дешевой энергии. Известно, что главным способом получения энергии человечество имело сжигание различных видов органического топлива. Когда-то это были дрова и каменный уголь, в 20 веке львиную долю энергии стали получать сжиганием нефти, нефтепродуктов и газа.

Дешевизна и казавшаяся неисчерпаемость запасов новых энергоносителей обусловили весьма расточительный характер их использования, который наиболее ярко проявился в строительстве. “Нефтяная”, или “стеклянная”, архитектура, возникшая и повсеместно распространившаяся как плод “технической”, а затем “технологической” революций, опираясь на “достижения” научно-технического прогресса, решала, преимущественно, злободневные социально-политические и эстетические задачи, практически игнорируя природно-климатические условия строительства и особенности эксплуатации зданий и сооружений. Такое положение вещей во многом определило тот факт, что за пятнадцать лет (с 1965 по 1980 г.) мировое энергопотребление выросло, в среднем, в 1.7 раза (в СССР – в 1.9 раза) [10], а расходы энергоресурсов на строительство и эксплуатацию зданий и сооружений (без учета производственных затрат) в 1970-е стали составлять около половины общих энергозатрат в большинстве развитых стран мира: в США, Германии, Нидерландах – 39%, Канаде – 40%, СССР – 42%, Ирландии – 46%, Великобритании – 48%, Дании – 50% [8]. Причем более 90% этих объемов приходится, по данным ЕЭК (Европейской Экономической Комиссии), непосредственно на эксплуатацию зданий и сооружений. Кроме того, ежегодное сжигание около 2 млрд. т. условного топлива (в основном, нефти и нефтепродуктов) для строительно-эксплуатационных нужд вносили весьма ощутимый “вклад” в ухудшение состояния атмосферы, стимулируя, как показывают исследования, заметное усиление “парникового эффекта” в масштабах планеты, определяемого запыленностью воздуха и содержанием в нем углекислых соединений.

Постепенное, но неуклонное истощение разведанных месторождений традиционных энергоносителей требовало освоения новых, расположенных преимущественно в регионах с суровым климатом, что оборачивалось увеличением удельных затрат на прирост добычи топлива более чем в 3 раза. [10] В силу этих обстоятельств значительное повышение мировых цен на традиционные энергоносители, произошедшее в конце 1970-х годов, поставило под вопрос целесообразность строительства вообще: затраты на содержание зданий стали превышать доходы от их использования. (В СССР в 1980-е эксплуатационные расходы, закладываемые в сметы, т.е. без учета плачевных условий эксплуатации, составляли, в среднем, до 25% от сметной стоимости строительства здания в год!). С другой стороны, глобальный рост цен на все группы товаров мирового рынка вследствие значительного удорожания энергии вызвал ощутимое снижение уровня благосостояния основной массы населения, требовал существенного снижения нормы прибыли, и как следствие, приостановки модернизации производств. Сложившаяся реальная угроза массовых банкротств предприятий и неизбежных социальных потрясений, отягченность экономик развитых стран чрезмерными военными расходами вследствие усиления политической напряженности, реальная угроза глобальной экологической катастрофы на планете поставили, наконец, человечество перед необходимостью кардинального изменения социально-экономической политики, как внутригосударственной, так и международной, прежде всего, в вопросах производства и потребления энергии, а также капитального строительства.

Принципиальным сдвигом в этом направлении стала произошедшая во многих странах смена базовых критериев, определяющих экономическую эффективность строительства: если раньше ими традиционно были значения сметной стоимости строительства и сроков окупаемости капиталовложений, то сегодня они отступают на второй план – решающее значение приобретают показатели эксплуатационных затрат: существенное снижение доходности строительной деятельности потребовало тщательного анализа возможностей обеспечения необходимой нормы прибыли. Это обстоятельство предопределило тот факт, что усилия всех участников архитектурно-строительного процесса (заказчиков, проектировщиков, строителей, производителей строительных материалов, конструкций и систем инженерного обеспечения) концентрируются сегодня на вопросах энергетической эффективности строящихся и реконструируемых объектов. При этом снижение энергопотребления зданиями и сооружениями решает не только экономические, но, косвенно, и экологические задачи, т.к. ведет к сокращению расхода исчерпаемых и промышленно ценных топливных ресурсов (в России до 70% всей энергии производится на ТЭС посредством сжигания газа, нефти и нефтепродуктов [10]), а следовательно, и к сокращению объемов загрязняющих воздушные бассейны выбросов (ежегодно в результате сжигания топлива в атмосферу планеты поступает более 1.2 млрд. т. различных, в т.ч. и токсичных, химических веществ, что на 200 млн. т. больше объемов выбросов от промышленных производств).

Очевидно, что эффективность и жизнеспособность строительного сектора экономики любого государства непосредственно определяется состоянием энергетической отрасли, поэтому в современных кризисных условиях вопросы развития энергетики приобретают первостепенное стратегическое значение в определении направленности архитектурно-строительного процесса, государственной и частнопредпринимательской строительной и финансовой политики. В этом плане предельную озабоченность эксплуатационными качествами проектов и построек можно объяснить малоутешительными данными научных исследований по вопросам энергообеспечения, которые проводились практически во всех развитых странах мира под эгидой самых разных, в т.ч. и международных, организаций, и дали, в целом, следующие результаты:

    • энергетические ресурсы планеты можно оценить сегодня следующим образом (в трлн. т. условного топлива)[10]:

      • горючие ископаемые – 11.0;

      • радиоактивные ископаемые – 8.0;

      • дейтерий (сырье для термоядерного синтеза) – 75.0х10 9;

      • солнечная энергия – 9.0х10 2;

      • энергия ветра – 2.0;

      • энергия воды – 0.7;

      • другие источники – 8.0х10 4;

  • рост цен на традиционные энергоносители (нефть и газ), несмотря на произошедшее в середине 1980-х годов резкое их понижение, возобновится и будет продолжаться по мере исчерпания ресурсов традиционных энергоносителей (относительно нефти последнее может случиться, по некоторым данным, уже через 50-70 лет, т.е. еще до истечения расчетного срока эксплуатации огромного числа уже существующих и строящихся капитальных зданий);

  • учитывая рост потребностей в нефти и газе многих производственных технологий (прежде всего, быстро развивающейся химической промышленности), использование нефти, нефтепродуктов, а в скором будущем и газа в качестве топлива следует признать бесперспективным;

  • развитие энергетики на базе угля и кокса сопряжено с неизбежным ухудшением экологической обстановки, т.к. безвредные технологии в данной области требуют чрезмерно больших капиталовложений [11];

  • развитие гидроэнергетики будет иметь крайне ограниченные масштабы в силу сложности экологических проблем, возникающих при устройстве ГЭС;

  • развитие атомной энергетики требует значительных трудовых, материальных затрат и сопряжено с повышенным риском возникновения аварий континентального масштаба (аналогичных Чернобыльской), что предполагает целесообразность постепенного свертывания АЭС вплоть до полного отказа от их использования в энергетике (например, в Швеции, где на АЭС получают до 50% всей энергии, принята государственная программа по свертыванию атомной энергетики к 2010 г. [12]; несмотря на дефицит энергии законодательно запрещено строительство АЭС в Дании [11]); жизненно необходим скорейший переход к получению энергии на основе термоядерного синтеза (по прогнозам отечественных ученых, в промышленных масштабах этот переход может произойти не ранее 2030-х годов);

  • выработку электроэнергии за счет традиционных методов сжигания топлива следует признать бесперспективным вследствие высокой ресурсоемкости данного способа производства (в среднем, на получение 1 усл. ед. электроэнергии затрачивается более 2.5 усл. ед. сжигаемого топлива, при этом к 2000 г. доля электроэнергии в мировом энергобалансе достигнет, по некоторым прогнозам, 18% [10]);

  • необходим и неизбежен форсированный переход на широкое использование альтернативных возобновляемых источников энергии: солнца, ветра, грунта, водоемов, биомассы и др. (так, в США к 2000 году предполагалось довести долю солнечной энергии в общем энергобалансе страны до 30%, а в Японии – до 70% [8]);

  • жизненно необходимы усиленные научные и инженерно-технические разработки в области альтернативной энергетики, наращивание масштабов их внедрения во все сферы жизнедеятельности, т.к. сегодня переориентация энергетики на преобладающее использование возобновляемых источников невозможна в силу низкой экономической эффективности имеющихся технологий: высокой стоимости при небольшом к.п.д. (например, в Дании, ориентирующейся на развитие ветроэнергетики, несмотря на ее экспериментально подтвержденную высокую экономическую эффективность, энергией с ветровых электростанций в обозримой перспективе рассчитывают обеспечить лишь 10% общей потребности [11]; а в практике использования солнечной энергии экономически приемлемые результаты сегодня показывают лишь пассивные – не требующие монтажа специальных технических систем – средства ее утилизации, что наглядно, хотя и косвенно, выразилось значительным снижением в конце 1980-х годов объемов производства солнечных энергетических установок на основе гелиоколлекторов [10,12]);

  • основным источником энергии на ближайшую перспективу станет ее экономия: затраты на экономию 1 т. условного топлива в настоящее время в 2-3 раза меньше затрат на добычу эквивалентного количества дополнительного топлива [10].

  • Так, сегодня в России экономия и продажа 1% энергии может принести около 1 млрд. $ прибыли [11]. А если учесть, что энергоемкость российских промышленного и строительного комплексов в 4-5 раз выше, чем в среднем в западных странах, можно говорить о фантастической эффективности капиталовложений в энергосберегающие мероприятия, и прежде всего, за счет продажи сэкономленной энергии. Например, в отечественном строительном комплексе резервы энергосбережения специалисты оценивают в 50-60% от общего потенциала [13].

Международный опыт показывает, что направление вырученных средств на технологические разработки в области энергосбережения, выплату льготных кредитов населению для проведения мероприятий по снижению энергопотребления и т.п. дает возможность существенного и безболезненного сокращения энергозатрат, повышения эффективности и одновременно удешевления технологий по использованию альтернативных источников энергии.

В этом ключе показателен опыт Дании. По данным ученых из Horsens Polytechnic University [11] общая картина динамики энергопотребления на отопительные нужды в Дании выглядит следующим образом:

Таблица 1. ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И ОТАПЛИВАЕМАЯ ПЛОЩАДЬ

Годы

1972

1976

1980

1984

1990

Энергопотребление, PJ

320

290

260

230

220

отапливаемая площадь, млн.м2

250

280

305

320

345

 При этом масштабы использования различных типов топлива также менялись:

 Таблица 2. ОБЩИЙ ОБЪЕМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ПО РАЗНЫМ ТИПАМ ТОПЛИВА, PJ.

типы топлива / годы

1972

1976

1980

1984

1990

нефть

760

670

550

430

360

уголь и кокс*

50

110

240

300

325

природный газ

-

-

-

5

90

альтернативные источники

15

15

20

30

50

 *Увеличение объемов использования угольного топлива в Дании связано с его наличием в стране и было неизбежно вследствие отсутствия возможности использовать природный газ. Дальнейшее увеличение объемов использования угольного топлива признается датскими специалистами нецелесообразным.

 С другой стороны, стоимость 1 кВт электричества, полученного с помощью ветроэнергетической установки, сократилась за 10 лет в 3 раза и составила в 1990 г. 0.35 DKr против 1.00 DKr в 1980 г.

Эти данные полностью подтверждают результаты комплексных исследований, проведенных в 1980-е годы по заданию ЕЭС итальянской Государственной компанией по исследованию и развитию атомной и альтернативных видов энергии (ЭНЕА), которые позволили президенту ЭНЕА У. Коломбо официально заявить: “создание такого общества, жизнь в котором была бы гораздо лучше при значительно меньшем, чем сегодня, потреблении энергии на душу населения возможно; и только переход к иному образу жизни и потребления может нам обеспечить приемлемое будущее. Этот переход нельзя рассматривать исключительно в экономическом или техническом плане; он должен осуществляться в сфере культуры, а следовательно, требует длительного подготовительного периода. Кроме того, пути его осуществления должны быть иными, чем предпринимательство” [14]. Зарубежный опыт показывает, что инициировать и эффективно управлять развитием этого процесса невозможно без проведения целенаправленной государственной экономической и культурной политики, основным инструментом которой должны являться законодательные акты разного уровня: общегосударственные, региональные и местные, а также культурные и образовательные программы.

Необходимо отметить, что глобальные качественные изменения среды обитания человека и его образа жизни, в наибольшей степени должны определяться не столько новым строительством, сколько реконструкцией уже существующего фонда недвижимости: в максимальной степени актуальна проблема энергетической реконструкции именно существующих архитектурных и градостроительных объектов, эксплуатация которых и привела к известным последствиям. Эти реконструктивные мероприятия, очевидно, должны приобрести первостепенное значение в современном архитектурно-строительном процессе, стать приоритетным направлением экономической политики, проектной и строительной деятельности, и прежде всего, в России, где в условиях финансовой нестабильности и слишком затянувшегося процесса перераспределения собственности остаются пока неясными экономические механизмы решения проблемы: отсутствие инвестиций на соответствующие современным требованиям реконструктивные мероприятия (во многом это связано с недостаточной гибкостью новых или непригодностью устаревших нормативных документов и требований, в том числе по вопросам охраны культурного наследия), недостаточная компетентность подавляющего числа занятых в строительстве специалистов обусловливает слабую разработанность проблемы, как на теоретическом, так и на практическом уровне.

Приоритетность реконструктивных мероприятий целесообразна еще и в силу существенно меньшей, относительно нового строительства, стоимости при высокой экономической эффективности капиталовложений, что особенно важно в условиях жесткого и, по-видимому, длительного финансового дефицита, имеющего место в России. Так, энергетическая реконструкция “хрущевок”, ведущаяся в Литве при участии датских специалистов, дала ошеломляющие результаты: в среднем, комплекс мер по энергосбережению в одной квартире обходится приблизительно в 6000 $, но при этом доход от сокращения эксплуатационных затрат составляет около 4000 $ в год! [11]. То есть, срок окупаемости затрат в данном случае равен 1.3 года, что является очень высоким показателем для современного строительства, где окупаемость капиталовложений наступает, в среднем, через 5-8 лет. Такую же высокую эффективность – со сроками окупаемости от 1.5 до 3-х лет показывают мероприятия по реконструкции и замене систем инженерного обеспечения (в основном, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха) общественных и производственных зданий [13]. Однако, значимым экономическим стимулом энергосбережение может стать только при отмене государственных дотаций на оплату коммунальных услуг: к примеру, в 1992 году население России платило за тепло только 3%, а за электричество – только 10% от реальной стоимости [13], что, понятно, слабо стимулирует действия населения по сокращению энергопотребления.

Кроме того, в современных условиях, характеризующихся тенденцией к неизбежному росту стоимости энергоносителей, при оценке энергоэффективности зданий существенное значение стали приобретать показатели энергозатрат на производство и транспортировку строительных материалов и конструкций, определяя проектную стратегию их выбора в направлении снижения массы и энергоемкости. Так, примерная оценка энергоемкости производства основных строительных материалов показывает следующие результаты [8]:

 Таблица 3.  ЭНЕРГОЗАТРАТЫ НА ПРОИЗВОДСТВО НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ

Материалы

Энергозатраты (кВт/ч) на производство 1 м3

полистирол (пенопласт)

18900

минеральная вата

10000

алюминий

7250

цемент*

1700

клинкер

900

древесно-волокнистые плиты (ДВП)

800

кирпич

500

газобетон

450

известково-песчаный камень

350

дерево

180

 *энергозатраты на производство цементов высокой и низкой марки прочности могут отличаться в несколько раз.

 Однако, окончательный выбор конструкционного материала и его конечная энергоемкость определяются его долговечностью, поэтому часто целесообразно использовать более “энергоемкий” и дорогой материал, отказываясь от дешевого, но требующего больших эксплуатационных расходов.

 2. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО.

ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ И ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ.

 В силу очевидного довлеющего значения финансовых и общеэкономических факторов приоритетными задачами современной строительной науки и практики стали задачи повышения энергетической эффективности проектируемых и реконструируемых архитектурно-градостроительных объектов. Критическая острота энергетических проблем, необходимость экстренных мер в условиях недостатка средств предопределили относительно узкую – энергетическую направленность предпринимаемых действий. Это обстоятельство привело к некоторой автономности рассмотрения общеэкологических и энергетических аспектов строительной деятельности, выделению нескольких направлений в рамках альтернативного строительства, а в конечном счете – фрагментарности решения стоящих перед ним задач. С другой стороны, практика альтернативного строительства выражается сегодня объектами, преимущественно, небольшого масштаба, что обусловлено все еще экспериментальным характером данной деятельности и, следовательно, сопряженным с ней экономическим риском (сдерживающим рост негосударственных инвестиций), а также отсутствием достаточных средств для реализации крупных градостроительных проектов, даже в экономически благополучных странах. Как следствие, проблематика, составляющая предмет исследований очевидного большинства научных организаций, производственных предприятий, а также печатных изданий, специализирующихся на вопросах строительства, свидетельствует о том, что в целом развитие архитектурно-строительного процесса определяет сегодня энергоэффективное строительство.

Как показывают приведенные выше результаты прогнозирования энергетических перспектив развития общества, наиболее выигрышны сегодня два пути повышения энергоэффективности объектов строительства:

  1. экономией энергии (снижением энергопотребления и энергопотерь, в т.ч. ути-лизацией энергетически ценных отходов);

  2. привлечением возобновляемых природных источников энергии.

Мероприятия, соответствующие преимущественной ориентации на один из этих путей, имеют принципиальные отличия и позволяют выделить два класса энергоэффективных зданий – использующих и не использующих энергию природной среды [15, 16].

  • Энергоэкономичные здания – не используют энергию природной среды (т.е. альтернативных источников) и обеспечивают снижение энергопотребления, большей частью, за счет усовершенствования систем их инженерного обеспечения (как наиболее “энергоемких” составляющих энергетического “каркаса” здания), конструктивных элементов, определяющих характер и интенсивность энергообмена с внешней средой (наружных ограждений, окон и т.п.), а также оптимизации архитектурных решений, направленной на сокращение энергопотерь (повышение компактности объемов, сокращение площади остекления, использование градостроительных приемов и архитектурных форм, нивелирующих отрицательные воздействия природно-антропогенных факторов внешней среды – ветра, солнца и т.п.).

  • Энергоактивные здания – ориентированы на эффективное использование энергетического потенциала внешней среды (природно-климатических факторов внешней среды) в целях частичного или полного (автономного) энергообеспечения посредством комплекса мероприятий, основанных на применении объемно-планировочных, ландшафтно-градостроительных, инженерно-технических, конструктивных средств, которые предполагают ориентированность пространств, архитектурных форм и технических систем на энергетические источники внешней среды (солнце, ветер, грунт и др.)

Однако очевидно, что в целом энергоэкономичность и энергоактивность зданий следует трактовать не как антагонистичные свойства, а как два уровня решения единого комплекса энергетических и экологических проблем: если средства повышения энергоэкономичности имеют интенсивный (“интравертный”) характер, обеспечивая оптимальный расход энергии, то энергоактивность – помимо энергоэкономичности – предполагает использование наиболее эффективных возобновляемых ее источников и имеет, таким образом, экстенсивный (“экстравертный”) характер. Выделение энергоэкономичных и энергоактивных зданий в два класса в наибольшей мере обусловлено технологическими и экономическими особенностями их проектирования и строительства.

 2.1. ЭНЕРГОЭКОНОМИЧНЫЕ ЗДАНИЯ

 Не нуждается в доказательствах утверждение, что снижение энергопотребления возможно только при условии строгого контроля и регулирования поступления и расхода энергии в зданиях, которые определяются необходимостью создания и поддержания требуемых микроклиматических параметров в различных помещениях в зависимости от условий внешней среды. Поэтому, центральное место в процессе проектирования энергоэффективных зданий (в т.ч. в условиях реконструкции) занимает оценка и регулирование энергетического баланса, т.е. структуры и величины энергопоступлений от различных источников и фактических энергозатрат, как в целом по зданию, так и в отдельных его помещениях [12,16].

В общем виде структура энергетического баланса любого здания (помещения) выглядит следующим образом.

Таблица 4.  СТРУКТУРА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ЗДАНИЙ И ПОМЕЩЕНИЙ 

 Энергопоступления  Энергозатраты полезные  Энергозатраты бесполезные
1. Энергия для:

  • отопления
  • охлаждения
  • искусственной вентиляции
  • искусственного освещения
  • горячего водоснабжения.

2. Энергия от:

  • солнца
  • людей
  • техники
1.Фактические затраты на:

  • отопление
  • охлаждение
  • искусственную вентиляцию
  • искусственное освещение
  • горячее водоснабжение
  • эксплуатацию бытовой и др. техники и оборудования
1.Потери энергии:

  • теплопередачей через ограждающие конструкции
  • воздухообменом через наружные ограждения
  • воздухообменом через вентиляционные системы
  • при транспортировке
  • при преобразованиях

2.Перерасход энергии:

  • вследствие нерациональных действий пользователей техники и оборудования
  • в виде “излишних” энергопоступлений
  • вследствие “борьбы” с эффектами “излишних” энергопоступлений

Понятно, что доли (удельные значения) того или иного вида энергозатрат меняются в зависимости от типа здания, природно-климатических условий, эффективности систем инженерного обеспечения и эксплуатационных качеств конструкций. Однако, данные исследователей большинства государств, озабоченных проблемами энергосбережения в строительстве, показывают, что наибольшие энергозатраты приходятся, как правило, на:

  • отопление и покрытие энергопотерь при отоплении (европейские страны и Россия: основные статьи энергозатрат жилых зданий, составляющие до 60% от общего объема энергопотребления);

  • охлаждение, т.е. кондиционирование воздуха (США, Япония: на системы кондиционирования воздуха во многих случаях приходится до 50% от общих энергозатрат на инженерное обеспечение зданий [13], что стало одной из причин наметившейся в последние годы в строительстве западных стран тенденции к отказу от использования механических СКВ в зданиях, вследствие внедрения более эффективных решений по использованию естественных – природных и конструктивных – средств регулирования микроклимата);

  • искусственное освещение, затраты на которое в балансе энергопотребления крупных административных зданий и больниц могут составлять до 50% от общей суммы.

Вот данные Исследовательского отдела American Institute of Architects (Американского Института Архитекторов) по энергопотреблению основных типов зданий, построенных во второй половине 1970-х годов [16]:

 Таблица 5. структура ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ РАЗНЫХ ТИПОВ ЗДАНИЙ (США) 

Потребности в энергии (%), приходящейся на:

школы

жилые здания

административные здания

больницы

торговые здания

Отопление

15

50

11

10

15

Вентиляцию и кондиционирование воздуха, технику

 45

 30

 39

 40

 45

искусственное освещение

 40

 20

 50

 50

 40

Всего:

100

100

100

100

100

 Даже беглый взгляд на приведенную общую структуру энергетического баланса зданий позволяет увидеть основные пути повышения их энергоэффективности. В частности, это:

  1. всемерное снижение энергопотерь через ограждающие конструкции (в основном, за счет повышения компактности объемов, а также герметичности и теплоизоляционных свойств ограждений);
  2. снижение энергопотерь при транспортировке энергии (в России, к примеру, потери электроэнергии при ее транспортировке по воздушным ЛЭП составляют до 20%; в теплосетях потери энергии составляют 1-2% на каждые 100 п.м. трассы [13]);
  3. утилизация энергетически ценных “отходов” систем инженерного обеспечения – вентвыбросов, канализационных стоков и т.п. (к примеру, в жилых зданиях, по данным датских специалистов, только с вентвыбросами теряется до 40% всего тепла [11]);
  4. оптимизация энергозатрат в системах инженерного обеспечения на основе оперативного учета изменения параметров внешней среды, устранение эффектов “излишнего обеспечения” (отопления, освещения и т.п.), снижение кратности воздухообмена и расширение сферы использования рециркуляционных схем воздухообмена;
  5. снижение энергопотребления системам инженерного обеспечения, оборудованием и техникой в целом, совершенствование их технико-экономических показателей;
  6. целенаправленное использование энергетических ресурсов внешней среды – солнца, ветра, грунта, воды, воздуха и др.;
  7. смена стереотипов поведения людей при потреблении энергоресурсов (в частности, при использовании бытовой техники) в целях их экономного расходования.

Экономический эффект от различных энергосберегающих мероприятий, проводимых в соответствии данным принципам в условиях России, отечественные специалисты оценивают, в целом, следующим образом [13].

 Таблица 6. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭКОНОМИИ ЭНЕРГИИ В ЗДАНИЯХ 

Разделы проектирования

возможная экономия, % в год

Воспитание сознания потребителя

5 – 7

Совершенствование архитектурно-строительных решений и функциональных пространств (повышение компактности зданий и застройки в целом, снижение степени остекления наружных ограждений и т.п.)

 8 – 10

Разработка новых типов наружных ограждений с улучшенными теплотехническими характеристиками и многофункциональным назначением

 8 – 12

Повышение эффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха:

утилизация теплоты вентвыбросов

автоматизация систем управления и контроля

 

10 – 12

20 – 30

Повышение эффективности систем естественного и искусственного освещения

6 – 8

 При этом привлечение нетрадиционных источников энергии (солнца, ветра, вторичных ресурсов и т.п.), по расчетам этих же специалистов, может обеспечивать от 15% до 40% снижения энергопотребления ежегодно.

(Имея ввиду, что средняя норма прибыли в большинстве развитых стран мира составляет 10-15%, можно говорить о достаточно высокой экономической эффективности энергосберегающих мероприятий, что сообщает им очень важную сегодня коммерческую привлекательность).

По другим данным, потенциал энергосбережения в различных сферах деятельности оценивается следующим образом [13]:

 Таблица 7. ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ МЕРОПРИЯТИЙ 

Направления энергосберегающих мероприятий

возможная эффективность, в % к общей

Воспитание энергетической дисциплины потребителя

10 – 15

Архитектурно-планировочные мероприятия

5 – 20

Повышение теплозащитных свойств наружных ограждений

15 – 50

Совершенствование систем инженерного обеспечения

30 – 80

 Как видно, наиболее высокие показатели энергетической эффективности относятся к оптимизации работы систем инженерного обеспечения и использованию энергии природной среды. Однако, экономическая эффективность мероприятий, предполагаемых двумя этими направлениями деятельности, отнюдь не одинакова: результаты реализованных различными европейскими странами программ по энергосбережению в строительстве показывают, что сроки окупаемости большинства энергосберегающих технологий колеблются от 2 до 5 лет. Но при этом сроки окупаемости технологий, ориентированных на использование нетрадиционных источников энергии, составляют 8 – 20 лет, что, безусловно, существенно сдерживает их распространение.

Данное обстоятельство в совокупности с преобладающим традиционным (предполагающим быструю оборачиваемость капитала) подходом к оценке экономической эффективности, что во многом обусловлено затяжным экономическим спадом, наблюдающемся в большинстве развитых стран, к сожалению, жестко артикулировало отношение к энергоэкономичным и энергоактивным зданиям как к принципиально отличным друг от друга по постановке проектных задач, средствам их решения и масштабам требуемых капиталовложений. Весьма высокая энергетическая эффективность и сравнительно непродолжительные сроки окупаемости инженерных средств повышения энергоэффективности зданий в условиях финансового дефицита не только определили сегодняшнюю приоритетность энергоэкономичного строительства относительно энергоактивного, но и обусловили формирование тревожной тенденции к абсолютизации значения технических средств энергосбережения, которая выражается в сознательном ограничении проектных задач уровнем “прямой” энергетической экономичности, не учитывающей в полной мере экологических аспектов строительной деятельности, что существенно снижает вероятность успешного “вывода” массового проектирования и строительства в стремительно приближающейся перспективе на энергоактивный “уровень”, требующий, по утверждению американских ученых, качественно иного опыта [16].

Тем не менее, в среде западных специалистов активное развитие данной тенденции не вызывает серьезного беспокойства, т.к. по их мнению, сознание массового потребителя еще не готово к адекватному восприятию революционных энергетических технологий, являющихся атрибутом энергоактивных зданий и требующих смены стереотипов восприятия и поведения человека в отношении природной среды. Энергоэкономичное строительство, таким образом, знаменует переходный период на пути к новому качеству архитектурно-строительной деятельности и призвано подготовить сознание людей к новым нормам и условиям жизнедеятельности доступными им сегодня методами и средствами [16].

В этом плане “самым прогрессивным продуктом современного строительства”, появившимся в 1980-е годы, западные аналитики считают так называемое Intelligent Building (IB – “здание, сделанное с умом”), или иначе - Computer Integrated Building (CIB – “интеграционная система для зданий”). Это сооружение, в котором по определению специалистов из Washington Intelligent Building Institution (США), “объединение систем управления и обслуживания посредством координированного использования ресурсов позволяет интерьерам иметь высокие характеристики функциональности и гибкости и одновременно сдерживать стоимость строительства и эксплуатации” [14]. Суть этого объединения выражается целенаправленным интегрированием в единый системный комплекс всех важнейших сетей инженерно-технического оборудования современного здания:

  • основных обслуживающих систем (отопление, вентиляция, водоснабжение, канализация, лифтовое хозяйство и т.п.);

  • систем безопасности (пожарной, противовзломной сигнализации и контрольного слежения);

  • коммуникационных сетей (телефон, телефакс, телевидение и т.п.);

  • информационных (компьютерных) сетей.

Координирующую роль при совместном функционировании всех этих сетей выполняет глобальная система регулирования на основе прямого автоматического контроля (Direct Digital Control – DDC). Ее применение предполагает автоматическую установку оптимальных микроклиматических, световых и др. параметров для каждого помещения (каждой группы помещений) в зависимости от изменения режима эксплуатации и условий внешней среды, что в крупных зданиях площадью свыше 8 тыс.м2 позволяет снизить энергопотребление более чем на 20% [14].

Системы типа DDC показали достаточно высокую эффективность и при использовании в небольших зданиях, что послужило причиной все более широкого их использования в односемейных и многоквартирных жилых домах. Сеть датчиков различного назначения, связанных с индивидуальным или общим на дом пультом управления (типа Domotic), позволяет автоматически, а следовательно, весьма эффективно осуществлять [14]:

  • контроль и регулирование энергопотребления и энергопоступлений (в т.ч. из внешней среды), т.е. покомнатное регулирование микроклимата в соответствии с изменениями эксплуатационного режима и параметров внешней среды;

  • управление и программирование работы бытовых приборов и технических устройств (например, коммуникационных – телефона, факса и др.);

  • обеспечение безопасности людей и сохранности имущества.

Следует отметить, что внутренний, “интравертный”, характер изменений и усовершенствований, предполагаемых мероприятиями по повышению энергоэкономичности зданий, обусловливает их максимальную целесообразность в условиях реконструкции существующего фонда недвижимости, и главным образом, реконструкции инженерной, не влекущей существенных изменений архитектуры здания. Эта проблема особенно актуальна для России: так, ужесточение нормативных требований к теплоизоляционным характеристикам наружных ограждений (нормативный коэффициент сопротивления теплопередаче, равный для условий Москвы 0.9 м 2*0С/Вт, с июня 1996 года увеличен в 1.7 раза и составляет сегодня 1.5 м2 0С/Вт) привело к тому, что подавляющее большинство существующих зданий нуждается в серьезной дополнительной теплоизоляции. Более того, ужесточение теплоизоляционных норм предвидится и в дальнейшем: по современным экономическим требованиям коэффициент термического сопротивления наружных стен следует увеличить до 3.0 – 5.0 м2 *0С/Вт, что для условий Москвы соответствует 1.7 – 2.8 м кирпичной кладки или 1.1 – 1.8 м керамзитобетона [13]. Таким образом, одной из важнейших задач энергоэкономичной реконструкции зданий в условиях России является утепление наружных стен, которое может сопровождаться весьма значительным экономическим эффектом: по данным датских специалистов, дополнительная изоляция стен в условиях России может принести доход (экономию средств) в размере 50$ в год с каждого м2 утепленной стены, что при кредитной ставке 15 -20% обеспечивает окупаемость затрат в течение 2-3 лет [11]. C другой стороны, решение этой проблемы предполагает необходимость и неизбежность революционной перестройки отечественной строительной индустрии, интенсивного наполнения строительного рынка соответствующими новым требованиям конструкциями и материалами (многослойными стеновыми конструкциями, энергоэкономичными дверными и оконными блоками, эффективными утеплителями, уплотнителями, герметиками и т.д.), а также переориентацию проектировщиков всех уровней на разработку качественно иных архитектурно-конструктивных решений зданий.

Однако, по мнению и отечественных, и зарубежных специалистов первоочередными задачами реконструкции российской недвижимости на пути улучшения ее энергетических характеристик являются [11]:

  • оборудование инженерных систем всех зданий приборами контроля и учета поступления и расхода энергии, без чего невозможна оценка эффективности энергосберегающих мероприятий (срок окупаемости такого оборудования, как правило, не превышает 1.5 года);

  • тотальная модернизация оконных и дверных блоков (замена, установка дополнительных слоев остекления или стеклопакетов, герметизация): в среднем по России теплопотери через окна и двери составляют до70% от объема теплопотерь через все другие ограждения, что является свидетельством недопустимо низких теплоизоляционных характеристик используемых конструкций.

Возможную динамику и степень улучшения теплоизоляционных характеристик реконструируемых зданий наглядно отображают результаты государственной программы по энергосбережению в Дании [11]:

 Таблица 8. СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ,

М 2*О С/Вт. ( по данным Horsens Polytechnic, Дания ) 

конструкции / годы

1955

1982

1995

конструкции крыш (в т.ч. мансарды)

1.5

5.0

5.0

первые этажи

1.5

2.5

5.0

внутренние стены и перегородки

0.5

0.5

3.0

наружные стены

0.5

2.0

3.0

окна

0.3

0.35

0.6

 Как видно из приведенных цифр, окна по-прежнему остаются весьма теплопроводными конструкциями, и это обстоятельство определило тенденцию к максимальному сокращению площади остекленных поверхностей (до минимально допустимых значений с точки зрения норм естественной освещенности); по датским требованиям оптимальный процент остекления наружных ограждений зданий составляет 15-22% от их общей площади.

Кроме того, во многих странах разработаны и широко используются различные конструктивные средства повышения теплоизоляционных свойств светопроемов. Наиболее простыми и эффективными из них являются:

  • так называемые ночные ставни – специальные трансформируемые конструкции в виде теплоизолирующих и теплоотражающих экранов (щитов, штор и т.п.), размещаемых, как правило, с наружной стороны светопроема и используемых в темное время суток (см. рис. 3.2, II; );

  • вентилируемые окна – конструкция такого окна обеспечивает организованный приток наружного воздуха в помещение, по ходу которого этот воздух “подогревается” теплом, неизбежно теряемым теплопередачей через остекление, т.е. происходит утилизация происходящих через окно теплопотерь (см. рис. 3.2, III).

(Экономическая эффективность комплексного проведения мероприятий по повышению теплоизоляционных параметров ограждений проиллюстрирована на рис. 3.1, VI).

В последние годы наблюдается усиление тенденции к активному использованию архитектурно-градостроительных средств энергосбережения в строительстве, направленных на снижение теплопотерь через наружные ограждения зданий и повышение эффективности использования естественного света.

Теплопотери в зданиях происходят, преимущественно, в виде дисперсии тепла наружными ограждениями, возникающей и усиливающейся при нарастании разницы температур внутреннего и наружного воздуха, а также в результате усиленной инфильтрации наружного (и соответственно, эксфильтрации внутреннего) воздуха под давлением ветра и вследствие возникновения в застройке различных аэродинамических эффектов (эффектов “угла”, “вихревого ролика”, Вентури, “связи”, “отверстий”, “канализации” и др., возникающих, как показывают исследования, при высоте застройки более 15 м) [9]. С другой стороны, было установлено, что объемно-планировочными и ландшафтными средствами можно добиться существенного снижения теплопотерь, в частности, за счет:

  1. сокращения площади наружных ограждений относительно внутреннего объема здания, т.е. повышением его пространственной и объемной компактности (см. рис. 3.1); так, минимальные соотношения площади поверхности к внутреннему объему имеют шар, цилиндр и куб – именно эти формы обеспечат предельное снижение дисперсии тепла зданием (см. рис. 3.1, I): по данным отечественных исследователей, изменение удельного периметра стен на 0.01 м приводит к изменению удельного расхода тепла на 1.25 – 1.75% в пяти и на 1.5 – 2.0% в девятиэтажном здании; кроме того, компактность формы повышается с увеличением ее размеров (см. рис. 3.1, II): так, существенное снижение удельного расхода тепла происходит при увеличении ширины корпуса здания (с 11 до 14 м – на 6 – 7%, до 15 – 16 м – на 12 – 14%, до 18 м – на 16 – 20%[8]); методика оценки энергоэффективности здания по показателям его компактности достаточно хорошо разработана и освещена в литературе [9,10,17];

  2. оптимизации площади светопроемов, объективно обладающих высокой теплопроводностью и потому являющихся основным источником теплопотерь в зданиях; например, при увеличении нормативной освещенности жилых помещений с 1:5.5 до 1:4 (соотношения площадей светопроема и пола) удельный расход теплоты возрастает в среднем на 5% в пяти и на 6 – 7% в девятиэтажных зданиях [17] (см. рис. 3.2, I);

  3. теплового зонирования отапливаемого объема здания и устройства вокруг него т. наз. буферных пространств – неотапливаемых помещений с промежуточной (относительно внутренней и внешней среды) температурой; известно, что скорость теплопередачи, а следовательно, и масштабы теплопотерь, определяются амплитудой температур контактирующих сред: скорость тем выше, чем больше эта амплитуда; таким образом, тепловое зонирование, предполагающее формирование теплового ядра здания из помещений с максимальными расчетными температурами и теплоемкими конструкциями (см. рис. 3.8, IV), и буферные пространства, формирующие двойную оболочку отапливаемого объема (см. рис. 3.3, I; 3.8, IV) создают эффект “энергетического каскада” опосредованной (многоступенчатой) теплопередачи от внутренней среды к внешней: сокращение амплитуды температур контактирующих сред позволяет заметно снизить теплопотери; соответственно, наибольший эффект буферные пространства дают при размещении их в тех частях здания, где наблюдаются максимальные амплитуды температур отапливаемых помещений и внешней среды: в зоне покрытия (где функции буфера выполняет чердак) и у плохо прогреваемых солнцем стен северной ориентации (буфером могут являться различные хозяйственные пристройки, пристенные холодные шкафы и т.п. – см. рис. 3.3, I); кроме того, буферные пространства защищают ограждения от ветровых воздействий, исключая нежелательную “напорную” инфильтрацию наружного воздуха в отапливаемый объем здания и переувлажнения, влекущего, как правило, резкое ухудшение теплотехнических качеств ограждений и их ускоренное разрушение [9];

  4. рассеивания воздушных потоков – использованием соответствующих пространственных и объемных форм ландшафта (в т.ч. зданий); известно, что кроме собственно скорости воздушного потока сила ветрового напора определяется углом падения потока на поверхность (см.рис.3.1); поэтому наименьшее ветровое давление испытывают обтекаемые (аэродинамичные) – сферические, цилиндрические и др. криволинейные, а также коноидальные и пирамидальные (“эффект пирамиды”) объемные формы [9] (по данным Ю. Лебедева, наиболее приспособленной к восприятию, например, гравитационных и ветровых нагрузок является форма конуса – см. рис. 3.1, IV);

  5. снижения скорости движения и турбулентности воздушных потоков вблизи зданий (их ограждающих конструкций) – например, использованием форм растительности в качестве естественных ветрозащитных барьеров [18]: известно, что растительные формы различной плотности и высоты способны весьма значительно сокращать скорость ветрового потока, обеспечивая при этом зоны “ветрового затишья” глубиной, равной 20 – 25 высотам такого растительного барьера [9, 14,18]; пристенная растительность также существенно снижает активность ветровых воздействий на здания (турбулентность воздушных потоков у наружных ограждений – [14,18,19,20] (см. рис. 3.3, III в); суммарное снижение теплопотерь благодаря разумному использованию растительных форм ландшафта может достигать 40% [21].

Наиболее эффективно проблемы снижения энергопотерь решаются, как показывает практика, при комплексном привлечении этих и других средств, в основе использования которых лежат бионические принципы организации, формообразования и конструирования архитектурно-градостроительных объектов, раскрывающие эволюционно выработанные механизмы адаптации к условиям внешней cреды различных живых организмов [9].

Одним из наиболее важных факторов современного архитектурного проектирования становится повышение эффективности использования естественного света. Открытие биологических свойств солнечной радиации, осознание первостепенной роли света в средообразовании произвели настоящий переворот в архитектуре 20-го века, в корне изменив традиционные принципы организации пространств всех уровней. Однако, развитие климатологической и гигиенической наук, с одной стороны, а также ужесточение экономических требований в строительстве, с другой, привели к необходимости нового переосмысления принципов организации естественного освещения пространств (а следовательно, и норм градостроительного и объемного проектирования). В частности:

  • исследованиями биологических свойств рассеянной радиации, проводившимися в Казанском мединституте, было установлено, что необходимый бактерицидный эффект, определяющий принятые нормы инсоляции помещений, может быть получен при воздействии только рассеянной радиации (т.е. и при северной ориентации светопроема), т.к. ультрафиолетовая составляющая солнечного спектра, обеспечивающая этот эффект, не поглощается, а только рассеивается облаками, и “по своей максимальной величине рассеянная радиация ненамного уступает прямой, даже при южной ориентации светопроема”[22], при этом двойное остекление не оказывает существенного влияния на проникание эффективной ультрафиолетовой радиации в помещение [22]; таким образом, необходимость облучения прямой солнечной радиацией будет определяться, преимущественно, требованиями психоэмоционального, светового и теплового комфорта;

  • исследования закономерностей поступления солнечной радиации в помещения, проводившиеся отечественными учеными, показали, что “на всех широтах и при любой ориентации светопроема основные поступления эффективного облучения в помещения (60-70% от максимально возможных) происходят при разрывах между зданиями, равных двум высотам здания; дальнейшее увеличение разрывов не дает существенного прироста“; при этом если на светопроем не падает тень от противостоящих зданий, то режим прямого облучения ничем не отличается от облучения при свободном горизонте [22];

  • объективное развитие тенденции к увеличению ширины зданий (и следовательно, глубины помещений) привело к предельному снижению эффективности традиционных форм бокового естественного освещения (что и выражается огромными энергозатратами на освещение искусственное и ростом теплопотерь через сплошное остекление наружных ограждений); насущной необходимостью является поиск специальных средств и приемов обеспечения помещений, расположенных в глубинных зонах зданий, естественным светом.

Помимо объемно-планировочных и градостроительных средств, обеспечивающих максимальный приток света к ограждениям (например, в условиях центральной и северной России меридиональная ориентация здания позволяет увеличить суммарный годовой приток солнечной радиации на 30%; а увеличение высоты помещения с 2.7 до 3.6 м позволяет обеспечить уровень естественной освещенности в 300 лк на глубине около 10.5 м от окна [23] – см. рис. 3.4, I), высокую эффективность показывают:

  • цвето-пространственная организация среды, обеспечивающая возможность эффективного использования отраженного от различных поверхностей света (т.е. применение материалов при проектировании интерьеров и экстерьеров зданий с высокими коэффициентами альбедо);

  • перераспределение светопроемов на поверхности ограждений, в частности, размещение большей их части в подпотолочной зоне и на потолке (верхний свет, зенитные фонари): очевидно, что наиболее эффективны “верхние” световые потоки, как наиболее глубоко проникающие в помещение и обладающие максимальной яркостью (так, зенитные фонари ориентированные на самую яркую – центральную – часть небосвода, могут располагаться в любой зоне помещения и позволяют обеспечить необходимый уровень освещенности высококачественным рассеянным светом при гораздо меньшей, относительно бокового освещения, площади светопроема, что существенно снижает теплопотери и улучшает условия воздухообмена); кроме того, исследования отечественных ученых показывают, что для обеспечения психологически достаточной визуальной связи с внешней средой достаточно светопроема шириной около 60 см (расположенного на высоте не более 80 см от уровня пола) [20], что только усиливает целесообразность размещения светопроемов в верхней зоне помещений;

  • солнечные ловушки“- тип зенитных фонарей, отличающихся особой формой, которая обеспечивает максимальный “захват” прямых солнечных лучей и перенаправление светового потока в помещение за счет экранирования от внутренних поверхностей “ловушки” [9,16,22] (см.рис. 3.5, I, II);

  • световые полки – конструкции в виде горизонтальных светоотражающих экранов, размещаемые, как правило, в верхней части светопроема, со светлыми стационарными или регулируемыми отражающими поверхностями, перераспределяющими падающий на них световой поток на потолок и далее – в глубину помещения (см. рис. 3.4); использованием световой полки при высоте помещения 4.5 м можно добиться нормативного уровня естественной освещенности в 300 лк на глубине 15 – 18 м от окна [16,23] (см. рис. 3.4, IV);

  • линзы Френеля – призматические линзы из акриловых материалов, способные отражать (перенаправлять) прямой радиационный поток, а главное – собирать и направлять рассеянное излучение; применительно к архитектуре это позволяет обеспечивать достаточную освещенность помещений с большой глубиной без существенного увеличения их высоты и размеров светопроемов; линзы Френеля можно устанавливать, к примеру, в верхней зоне светопроема наподобие “форточки”, обеспечивая возможность регулировки положения линзы в зависимости от угла падения светового потока [14] (см. рис. 3.5, III, IV);

  • световоды (см. рис. 3.6) – различными оптическими средствами позволяют передавать потоки света на большие расстояния для естественного освещения расположенных в центральных зонах зданий или под землей темных помещений, при этом коэффициент полезного использования светового потока составляет 80-90%; световоды состоят из солнечной (световой)”ловушки“, как правило, в виде статичного или следящего за солнцем приемного устройства (с зеркальным отражателем) или зенитного фонаря, светопровода в виде последовательности фокусных линз, трубы с зеркальной внутренней поверхностью, пучка оптических волокон, акрилового прута (призмы) или “светового колодца” (например, атриума [23]), а также светорассеивателя (светораспределителя), например, в виде перенаправляющей поток света на потолок панели; так, с помощью световодов высококачественное естественное освещение получили помещения подземного Космического центра Университета шт. Миннесота (США), расположенные на глубине 33 м от поверхности земли (см. рис. 3.6, V).

Добиться еще большей эффективности использования естественного света позволяет использование флуоресцентных концентраторов, устанавливаемых “на входе” в светопровод и выполняемых из особых материалов, накапливающих световую энергию в течение дня и медленно отдающих ее в виде флуоресцентного свечения с наступлением темноты.

Очевидно, что применение световодов – один из наиболее перспективных путей повышения эффективности использования естественного света: использование оптико-волоконных и акриловых материалов практически снимает проблему доступности помещений для света, т.к. светопроводы из этих материалов могут иметь любые пространственные очертания и легко блокируются с другими инженерными коммуникациями. С другой стороны, применение металлических труб дает возможность объединения в одном канале свето- и воздухопроводящих функций. Наконец, открытые линзовые светопроводы и светопроводы с флуоресцентными насадками, в свою очередь, могут служить прекрасными формами внутреннего дизайна, естественными осветительными устройствами (см. рис. 3.6, IV).

Предполагаемая данными мерами по повышению эффективности естественного освещения ориентация различных частей и элементов зданий по световому потоку, являющемуся одной из форм энергии внешней среды, позволяет говорить о появлении энергоактивной характеристики использующих эти средства зданий.

 2.2. ЭНЕРГОАКТИВНЫЕ ЗДАНИЯ

 Несмотря на тенденцию роста предпочтительности энергоэкономичного строительства, наиболее интересен и важен, в свете выявленных перспектив развития всемирной энергетики, опыт строительства энергоактивных зданий [10], позволяющих не только экономить энергию в процессе их эксплуатации, но и полностью замещать ее традиционные исчерпаемые источники (нефть, уголь, газ и т.п.) возобновляемыми. Идея энергоактивных зданий явилась результатом поиска путей наиболее экономичных средств энергоснабжения объектов строительства (наиболее актуальна эта проблема для временных и удаленных поселений) и подразумевает достижение этой цели благодаря возможности производства энергии непосредственно на объекте, сулящей перспективу полного отказа от устройства дорогостоящих и ненадежных в эксплуатации внешних инженерных сетей (тепло-, электросетей, сетей горячего водоснабжения). Отказ от устройства подводящих сетей, в свою очередь, означает исключение огромных потерь энергии, имеющих место при ее транспортировке. Суммарная величина этих и других возможных экономических “выигрышей”, соотнесенная со стоимостью необходимых для их получения мероприятий и средств, определяет в итоге целесообразную степень энергоактивности проектируемого здания. Практика показывает, что в современных условиях далеко не всегда экономически оправдано полное замещение традиционных энергоносителей возобновляемыми; в большинстве случаев это объясняется невысоким к.п.д. имеющихся сегодня технологических средств утилизации энергии природной среды при довольно значительной их стоимости. Поэтому, наиболее целесообразными признаются разнообразные комбинированные схемы энергоснабжения, сочетающие использование традиционных и одного (или нескольких) видов альтернативных средств.

Таким образом, мощность и доступность имеющихся на месте строительства природных и других энергетических ресурсов, характер, производительность и стоимость средств их использования определяют целесообразную степень энергоактивности объекта. По этому признаку различают здания [10]:

  • с малой энергоактивностью (замещение до 10% энергопоступлений);

  • средней энергоактивностью (замещение 10 – 60%);
  • высокой энергоактивностью (замещение более 60%);

  • энергетически автономные (замещение 100%);

  • с избыточной энергоактивностью (энергопоступления от природных источников превышают потребности здания и позволяют передавать излишки энергии другим потребителям).

Экспериментальное строительство 1970 – 1980-х годов показало, что экономически эффективными (по соотношению цена/ производительность), а следовательно, наиболее популярными сегодня и на видимую перспективу стали здания со средней энергоактивностью, в которых энергией возобновляемых природных источников обеспечивается от 40% до 60% общей потребности [8].

К возобновляемым источникам энергии, многие из которых имеются практически повсеместно и в разных масштабах используются в современном строительстве, относятся:

  1. энергия солнца (тепловая и световая составляющие солнечной радиации – основной первоисточник);

  2. геотермальная (тепло верхних слоев земной коры и массивных поверхностных форм рельефа – скал, камней и т.п.), гидротермальная (тепло грунтовых вод, открытых водоемов, горячих подземных источников) и аэротермальная энергия (тепло атмосферного воздуха) – “производные” от солнечной энергии и энергии земного ядра;

  3. кинетическая энергия воздушных потоков (энергия ветра – “вторая производ-ная” от солнечной энергии);

  4. кинетическая энергия водных потоков (энергия водопадов и морских приливов – “производные” от гравитационных сил Земли и Луны);

  5. энергия биомассы (растительности, органических отходов промышленных и сельскохозяйственных производств, а также жизнедеятельности животных и людей – результат биоконверсии солнечной энергии);

Наиболее эффективными (а значит, подходящими и для широкомасштабного промышленного производства энергии) источниками специалисты практически единогласно признают энергию солнца (и ее первых “производных”), ветра и биомассы – наиболее мощных, распространенных, доступных и, соответственно, дешевых. Так, эффективное использование даже небольшой части солнечного или ветрового потенциала планеты способно покрыть все существующие энергетические потребности человечества. Например, ветровые энергетические ресурсы континентов, которые могут быть когда-либо использованы (с учетом неизбежных потерь), оцениваются сегодня в 40 ТВт, при этом современное энергопотребление человечества составляет около 10 Твт. Биомасса уже сегодня обеспечивает до 13% мирового производства энергии [10]. Однако, природные энергетические ресурсы распределены весьма неравномерно, что выражается существенными отличиями природно-климатических условий, даже в границах одного климатического района. Поэтому, в каждом конкретном случае экономическая эффективность, т.е. предпочтительность использования того или иного природного источника энергии определяется местными условиями и критериями: наличием источника в районе строительства, его мощностью (величиной возможных энергопоступлений) и размерами затрат, необходимых для технического обеспечения эксплуатации источника в данном регионе. Например, в Исландии наиболее эффективным оказалось использование энергии подземных вод, благодаря которому страна смогла полностью отказаться от ввоза угля и нефти [10].

Отечественные специалисты отмечают столь же высокую потенциальную эффективность использования гидротермальной энергии во многих районах Восточной Сибири и Дальнего Востока России. Кроме того, как весьма перспективное в условиях Севера и Востока России оценивается использование солнечной энергии, т.к. среднегодовые значения прямой солнечной облученности сопоставимы здесь с условиями Средней Азии и Закавказья [10].

Оценивая вышеизложенное, важно отметить объективный характер тенденции к усилению роли регионализма в современном архитектурно-строительном процессе, превращению его в глобальное явление, охватывающее весь комплекс экономических, политических и культурных процессов.

Системы энергоснабжения зданий и населенных мест, использующие энергию природной среды, часто оказываются экономически эффективнее традиционных не только вследствие значительного снижения потребления обычных дорогостоящих топливных ресурсов, но и как более дешевые в строительстве (монтаже и эксплуатации, например, в условиях вечномерзлых грунтов, слаборазвитой или недостаточно мощной имеющейся инженерной инфраструктуры (что особенно характерно для реконструируемых густонаселенных, а также вновь осваиваемых малонаселенных мест).

Одним из важнейших достоинств альтернативной энергетики является ее экологичность: процесс получения энергии от возобновляемых источников не сопровождается образованием загрязняющих окружающую среду отходов, не ведет к разрушению естественных ландшафтов, практически исключает опасные для биологических субстанций аварийные ситуации, т.е. никак не угрожает экологическому равновесию экосистем.

Исключение составляет использование биомассы, предполагающее получение энергии посредством традиционного сжигания твердого биотоплива-концентрата и биогаза, в результате чего образуются углекислые соединения, способствующие усилению “парникового” эффекта в атмосфере; кроме того, использование биогаза, содержащего до 70% метана, требует усиленных мер обеспечения безопасности. Сумма этих обстоятельств ставит под сомнение экологическую целесообразность широкого использования биомассы в целях производства энергии.

С другой стороны, известно, что метановое брожение, в результате которого образуется биогаз – “наиболее радикальный и эффективный способ очистки сточных вод, что весьма существенно для решения важнейших проблем охраны окружающей среды и регенерации воды” [10]; этот процесс сопровождается образованием ценных органических удобрений. Наконец, биогаз – реальная альтернатива нефтепродуктам и природному газу при использовании в качестве топлива для двигателей и котельных, производящих тепло и электричество, т.к. это топливо может быть получено автономно – непосредственно у потенциального потребителя и практически везде, где есть органические отходы (например, отходы колонии из15 человек могут дать около 0.5 м3 биогаза в сутки, что при использовании газового двигателя с генератором позволит получить 1.1 кВт*ч электроэнергии [10]). Для сжигания твердой биомассы разработаны системы, позволяющие утилизировать до 80% содержащейся в ней энергии (против 10%, получаемых в традиционных печах при применении открытого огня). Это обещает сокращение расхода топлива и, соответственно, объемов вредных выбросов в атмосферу в несколько раз. Данные обстоятельства свидетельствуют в пользу использования технологий по производству биогаза в современном строительстве, что, однако, требует соответствующих функционально-планировочных и инженерных решений как для зданий (к примеру, ферм, теплиц и т.п.), так и для поселений. Суть данной задачи заключается в рациональном размещении основных емкостей для производства биогаза (метантэнков) и его хранения, а также эффективной функционально-пространственной организации технологических связей элементов системы, в т.ч. в целях энергосбережения.(Так, для эффективного протекания процесса метанового брожения в метантэнках необходимо поддерживать постоянную плюсовую температуру; потребности в дополнительной энергии для этих целей можно покрыть вземлением метантэнков, использованием энергии солнца, ветра и др. природных источников, включением метантэнков в структуру здания с целью эффективной утилизации его энергетических “отходов”- например, технологических тепловыделений [10]). Опыт строительства биоэнергоактивных зданий, имеющийся как за рубежом, так и в России, демонстрирует их высокую эффективность в современных экономических условиях.

Кроме биоэнергоактивных зданий, типологический спектр которых довольно ограничен, в зависимости от принятой ориентации на использование того или иного (или нескольких одновременно) природного источника энергии различают:

    • гелиоэнергоактивные здания (эффективно использующие энергию солнца);

    • ветроэнергоактивные здания;
    • здания, использующие гео-, гидро- и аэротермальную энергию;

    • здания с комбинированным использованием различных природных источников энергии.

 Наиболее важной проблемой при проектировании зданий, использующих энергию природной среды, является поиск путей и средств эффективного управления процессами распределения энергетических (воздушных, тепловых, световых и др.) потоков с целью поддержания оптимальных микроклиматических параметров помещений в условиях циклических (суточных, сезонных) и периодических (облачность, осадки) изменений параметров внешней среды. При этом ключевое значение имеет решение трех задач:

  1. как собрать энергию (как получить необходимое количество энергии, учитывая ее определенную рассеянность во внешней среде, т.е. компенсировать недостаточную мощность естественных энергетических потоков);

  2. как хранить(аккумулировать)собранную энергию (как компенсировать характерное несовпадение во времени периодов и суточно-сезонную неравномерность поступления и потребления энергии);

  3. как распределять энергию (как обеспечить регулируемое распределение энергии в здании для обеспечения требующихся в данный момент и в данное время функционально-технологических и микроклиматических параметров его элементов).

Два принципиально отличных подхода к организации среды обитания человека – техноцентрический и экологический - определяют две группы средств для решения указанных задач, обусловливая, как показывает практика, совершенно разные качества получаемых в результате архитектурно-градостроительных, конструктивных и инженерно-технических решений.

Так, техноцентрический (традиционный) подход, рассматривающий здание как внутренне замкнутую систему, предполагает приоритетность задач по усилению изоляционных свойств ограждений и выражается использованием, преимущественно, инженерно-технических, или активных, средств повышения энергоэффективности здания, и в частности, использования природных источников энергии: сбор, хранение и распределение энергии осуществляется с помощью специальных систем технического оборудования, которыми оснащаются здания, а также других инженерных объектов, что предполагает “принудительный” характер протекания энергетических процессов, обеспечивающий возможность получения большого количества высококонцентрированной энергии. Однако, при этом инженерно-технические средства не только “дают”, но и “берут”: помимо довольно высокой себестоимости, они требуют расходов на содержание, технической осведомленности пользователя и квалифицированного обслуживающего персонала, что в сумме ограничивает область их экономически эффективного применения крупными общественными зданиями и промышленными объектами с высокой и избыточной энергоактивностью.

Экологический подход к проектированию энергоэффективных (и в частности, энергоактивных) зданий, рассматривая здание как изначально тесно взаимосвязанный с внешней средой организм и следуя логике природных явлений, ставит целью решение энергетических задач на основе целенаправленной организации особой материально-пространственной среды, обеспечивающей регулируемое, но естественное протекание требующихся энергетических процессов: само здание, его конструкции и пространства, объекты окружающей среды выполняют роль энергетической установки Таким образом, приоритетное значение приобретают задачи по организации эффективных естественных обменных процессов внутри объема здания и с внешней средой, (в т.ч. в целях использования энергии природной среды), решаемые, преимущественно, ландшафтно-градостроительными, объемно-планировочными и конструктивными, или пассивными, средствами; технические системы при этом выполняют простые вспомогательные (в основном, корректирующие) функции. Энергетическая эффективность пассивных систем пока невысока: сегодня ими можно обеспечить около 50% потребности зданий в энергии. Однако, их сравнительно небольшая себестоимость, хорошие эксплуатационные характеристики (в т.ч. простота использования) и подчеркнутая экологичность обусловили целесообразность их применения при проектировании любых архитектурных объектов. Более того, результаты многих программ по энергосбережению в строительстве, полученные в конце 1980-х годов, в целом, показали более высокую экономическую эффективность пассивных энергосистем относительно большинства активных: решающее значение приобрели стоимостные и эксплуатационные качества .

Большинство специалистов не склонно расценивать данные результаты как крах концепций активного использования энергии природной среды, объясняя их снижением цен на традиционные энергоносители во второй половине 1980-х и неизбежным вследствие этого ослаблением интереса потребителей к проблемам энергосбережения. Тем не менее, в строительной практике 1980-1990-х годов обозначилось усиление тенденции к преимущественной ориентации на энергосберегающие технологии и пассивные системы использования энергии природной среды, как комплекс средств, наиболее маневренный экономически и функционально, технологически доступный любому потребителю и символизирующий близость к природе. Развитие этой тенденции оформилось уже к сер. 1980-х годов в концепции биоклиматической архитектуры, яркой отличительной чертой которой стал принцип общего экологического осмысления актуальных энергетических аспектов строительной деятельности, выражающийся в программной ориентации на комплексное использование, преимущественно, “естественных” – ландшафтно-градостроительных, объемно-планировочных, конструктивных и др. пассивных средств повышения энергоэффективности зданий [10,14] на основе комплексного анализа и учета местных природно-климатических условий, а также определяемые ими местные строительные традиции, содержащие множество эволюционно выработанных, а значит, проверенных временем приемов и средств эффективной адаптации искусственных объектов к природно-климатическим условиям их функционирования [9,14], что помимо энергетических позволяет решать важные социальные и художественные проблемы современного строительства, связанные с культурной преемственностью и эстетикой среды.

Однако, следует отметить, что объективная необходимость полной замены традиционных энергоносителей в ближайшие 50 лет в условиях господствующей ориентации на среднюю энергоактивность новых зданий и их все еще небольшое количество в общем объеме обусловливает рост актуальности проблемы индустриализации производства энергии от возобновляемых природных источников, в частности, интеграцией в единые производственные комплексы технических систем, ориентированных на использование и традиционных, и альтернативных источников энергии .

 Принципиальные отличия активных и пассивных средств (или систем) можно обозначить несколькими примерами основных средств для сбора и аккумулирования энергии различными энергоактивными зданиями.

В гелиоэнергоактивных зданиях основными активными средствами будут являться такие технические устройства как:

  • гелиоприемники – в виде особо сконструированных панелей из фотоэлектрических элементов, обеспечивающих получение электроэнергии, или плоских гелиоколлекторов теплообменного типа, обеспечивающих получение тепла [8,10,12,15] (см. рис. 3.20; 3.21);
  • гелиостаты – зеркальные отражатели, перераспределяющие потоки солнечной энергии в пространстве (позволяют сократить площадь коллекторов в 2 – 4 раза [8,10] – см. рис. 3.22);
  • концентраторы – криволинейные (обычно, зеркальные) отражатели, обеспечивающие сведение энергетического потока к точечному приемнику, на котором за счет повышения плотности излучения можно получать температуры до 650 О С с к.п.д. около 75% [8,10] (см. рис. 3.22)

Лидерами в исследованиях по использованию активных гелиосистем в строительстве являлись США, Япония, Швеция, Германия, СССР (к 1990 году только в США построено более 15 тыс. гелиодомов, более 100 – в СССР, среди которых, однако, есть мощные производственные гелиокомплексы [10] – см. рис. 3.22). На практике как экономически наиболее эффективные зарекомендовали себя системы с плоскими гелиоколлекторами теплообменного типа, использующиеся для получения тепла в системах отопления и горячего водоснабжения, в основном, односемейных и многоквартирных жилых зданий: при общем замещении 40-70% традиционных энергопоступлений они имеют минимальную стоимость [8].

С другой стороны, основными пассивными средствами будут служить:

    • термические емкости – нагреваемые солнцем и медленно отдающие тепло естественные аккумуляторы (массивные конструкции зданий: каменные и водонаполненные стены, перекрытия; внутренние и наружные водоемы, каменные и глинистые массивы грунта и т.п. [9,10,12,14,16] – см. рис. 3.7);

  • энергоактивные буферные пространства, в отличие от изолирующих энергоэкономичных, собирают тепло, отдаваемое термическими емкостями во внешнюю среду, посредством естественного “парникового эффекта”, который имеет место в пространствах со светопрозрачными наружными ограждениями (теплицы, оранжереи, веранды) и позволяют обеспечить до 25% энергопотребления [9,10,14,15, 20,23,]; так, весьма высокая энергетическая эффективность буферных пространств, использующих энергию солнца, наблюдается при устройстве теплиц на крышах зданий (общественных, производственных, жилых – см. рис. 3.8, III, IV), а также организации их как мезопространств (см.рис. 3.15), в которые целиком помещаются здания или даже целые поселения; наиболее совершенной формой для буферного мезопространства является сфера, в частности, геодезический купол Фуллера [14] (см. рис. 3.15, IV), однако гигиенические качества таких структур вызывают нарекания многих специалистов и требуют тщательного изучения;

  • солнечные трубы“- вертикальные пространства на всю высоту здания, через которые осуществляется внутреннее воздушное отопление (зимой) и качественное проветривание (летом) всех основных помещений за счет эффекта естественной вертикальной тяги [9,10,14,16,20] (см. рис. 3.10, IV);

  • другие ландшафтно-градостроительные, объемно-планировочные и конструктивные средства, обеспечивающие приток наибольшего количества энергии к “улавливающим” ее частям здания, а также кратчайшие пути ее распределения (универсальный принцип для всех видов энергоактивных зданий): ориентация (направленность) термических емкостей, буферных пространств и других пространственных и объемных форм по солнечно-световому и преобладающим ветровым потокам (один из важнейших адаптационных механизмов растений и животных), использование отражающих (экранирующих) свойств соседних природных и искусственных объектов для перенаправления и концентрации потоков энергии и т.п. [9,10,14,15,16,20, 22,23].

  • комбинированные системы – например, стена-витраж, обеспечивающая нагрев внутренних ограждений помещения, выполненных в виде термических емкостей (в соответствующих климатических условиях позволяет получить до 17% требующейся энергии [8] – cм. рис. 3.8, I), или стена Тромбэ, провоцирующая сильный “парниковый эффект” в неширокой (до 16 см) воздушной прослойке между светопрозрачной наружной поверхностью и высоко теплоемкой стеной (при использовании в целях воздушного отопления и проветривания позволяет экономить около 55% энергии [8] – см. рис. 3.8, II), а также остекленные атриумы, являющиеся квинтэссенцией пассивных средств использования энергии природной среды: энергетическая структура атриума, соединяющая свойства термических емкостей, буферного пространства, “солнечной трубы” и даже световода, определяет его значение как ключевого инструмента регулирования микроклиматических параметров здания, разумное использование которого позволяет обеспечить помещения качественной вентиляцией, естественным освещением (устройство атриума наиболее эффективно, когда предусматривается его использование для вентиляции, отопления и освещения) и при этом снизить теплопотери на 50 – 65% [23] (см. рис. 3.12; 3.13); с другой стороны, неоспоримые функциональные и эстетические качества атриумов сообщают им исключительную социальную значимость [9]; остекленные атриумы, как пассивные системы, обладающие целым комплексом ценных энергетических свойств, стали наиболее характерным элементом сооружений, проектируемых в соответствии с принципами биоклиматической архитектуры [9,10,14,15,16,19,20,23] (см. рис. 3.14).

Для ветроэнергоактивных зданий активными средствами будут ветрогенераторы и ветроколеса с вертикальной или горизонтальной осью вращения (см. рис. 3.25, II), пассивными – ландшафтно-градостроительные приемы и приемы формообразования энергоактивных частей здания, обеспечивающие концетрацию ветрового потока и направление его к ветроколесу (см. рис. 3.24, I-III); для эффективной работы ветроколеса необходимо преобладание в течение года ветров со скоростью не менее 3 – 5 м/с [10]).

Основными активными средствами для зданий, использующих гео-, гидро- и аэротермальные источники энергии являются тепловые насосы - системы трубопроводов, в которых циркулирует морозостойкая жидкость (масло, спирт и т.п.), собирающая низко потенциальное тепло воздуха, грунта или воды за счет поддерживаемой разницы температур и, как правило, передающая его через теплообменники теплоносителю системы отопления, водоснабжения или вентиляции здания (см. рис. 3.26).

Так, в условиях России на широте Санкт-Петербурга для энергоснабжения одноэтажного коттеджа теплотой грунта, извлекаемой коллектором-змеевиком, заложенным на глубине около 1 м, требуется участок земли площадью 0.2 – 0.5 га [10]. В условиях Швеции геотермальная теплонасосная установка мощностью около 10 кВт (для теплоснабжения индивидуального жилого дома) требует 300 – 400 м трубопровода, заложенного на глубине 0.6 -1.5 м, и 300 – 400 м2 земли; а каждый км2 поверхности озера может обеспечить теплом около 1000 односемейных жилых домов среднего размера [12].

Тепловые насосы относятся к наиболее эффективным средствам использования энергии окружающей среды, т.к. позволяют получить в 3 раза больше энергии по сравнению с затраченной в месте использования и покрыть все энергопотребности здания (при условии его хороших теплотехнических характеристик)[12]. Более того, тепловые насосы повышенной мощности способны обеспечивать энергией не только отдельные здания, но и целые районы городской застройки, что делает весьма целесообразным их использование в групповых (централизованных) источниках энергоснабжения: энергоустановка в г. Фагерсьё (Швеция) на основе теплового насоса, использующего тепло атмосферного воздуха, на 80% обеспечивает потребности в тепле территории с 817 жилыми зданиями, школой и торговым центром [12]. В целом, теплонасосные установки зарекомендовали себя как весьма перспективные: в той же Швеции уже к 1985 году на разных объектах было установлено более 70 тыс. тепловых насосов (около 50% из них использовали тепло атмосферного и вентилируемого воздуха) [12]. Отечественными специалистами разработаны тепловые насосы, позволяющие эффективно утилизировать геотермальную энергию в условиях вечной мерзлоты [13].

Самым эффективным пассивным средством использования геотермальной энергии является вземление(присыпка грунтом) или заглубление здания (см. рис. 3.16). По опыту США, при стоимости строительства, эквивалентной или немного большей (в пределах 10%) стоимости обычных зданий, заглубленные позволяют экономить до 60% энергии на стадии эксплуатации [8], что и стало причиной их активного строительства в последнее время: уже в конце 1970-х годов около 5% новых индивидуальных жилых домов в США строилось в заглубленном исполнении [21] (см. рис. 3.16, IV). В числе многих достоинств заглубленных и вземленных зданий следует выделить:

  • эффективное использование разработанного грунта, который, как правило, оставляется на площадке и применяется в качестве средства присыпки (обваловки) здания и организации ветрозащитных и солнцеаккумулирующих форм рельефа на территории участка;

  • прекрасные эксплуатационные характеристики наружных ограждений: во-первых, вземление здания позволяет значительно сократить (или исключить полностью) его наиболее дорогостоящие фасадные поверхности, а во-вторых, теплоинерционные массивы грунта, укрывающие стены и кровли, смягчают резкие колебания температурно-влажностных параметров внешней среды, предохраняя материалы покрытий от быстрого разрушения;

  • высокую тепловую инертность, выражающуюся в очень медленной теплоотдаче (при отключении источника тепла температура внутреннего воздуха в заглубленном здании снижается на 1-2о С в сутки [21]).

  • высокую градостроительную маневренность: заглубление позволяет, к примеру, компактно располагать весьма крупные объекты в условиях мелкомасштабной (в т.ч. исторической) застройки, не нарушая сложившегося характера среды и обеспечивая дополнительные рекреационные пространства (см. рис. 3.17).

Наиболее существенными недостатками заглубленных зданий является некоторая усложненность решения проблем дренажа и гидроизоляции в условиях высоких грунтовых вод, а также естественного освещения и вентиляции внутренних помещений: с одной стороны, повышенная герметичность наружных ограждений исключает неконтролируемый приток наружного воздуха, обеспечивая максимальную регулируемость микроклиматических параметров помещений, а с другой, это предполагает неизбежность устройства механических систем вентиляции, которые снижают содержание озона и ухудшают ионный состав воздуха в помещениях [8,20]. Кроме того, при строительстве полузаглубленных зданий (а они в условиях равнинных ландшафтов, как правило, наиболее экономичны) требуется резерв территории для обваловки, поэтому одной из наиболее распространенных форм использования свойств грунта стали грунтовые и дерновые покрытия, устройство которых возможно и во всех отношениях целесообразно как на вновь строящихся, так и на реконструируемых зданиях (см. рис. 3.17 – 3.19).

Возвращаясь к активным средствам использования энергии природной среды, необходимо отметить экономическую и энергетическую целесообразность максимально возможного “сращивания” используемых технических и архитектурно-конструктивных средств, например, в виде совмещения конструкций стен (крыш) и гелиоколлекторов, включением ветрогенераторов в объемную структуру здания и т.п. (см. рис. 3.25).Такие решения, основанные на принципе совмещения конструктивных элементов зданий и энергетических установок, позволяют снизить стоимость объекта на 25-35% [8,10] (см. рис. 3. 21, II, III).

 Наиболее существенным результатом приведенного сопоставления путей и средств повышения энергоэффективности архитектурных объектов может быть тезис об их сущностном единстве: энергоэкономичные и энергоактивные здания (в т.ч. на основе и активных, и пассивных энергосистем), несмотря на очевидные различия приоритетных подходов и путей, в целом ориентированы на решение общей энергетической проблемы, представляя, разные ее аспекты и выражая разные уровни энергетической организации объектов строительства; максимальный эффект будет достижим только при комплексном, объединяющем все эти уровни, подходе к решению проектных задач и использовании всего арсенала доступных средств (cм. рис. 3.23). Дифференцирование единого процесса энергоэффективного строительства на разные направления связано, по всей видимости, со все еще экспериментальным характером данной деятельности, требующим известной “чистоты”, а следовательно, отработки сравнительно небольших и близких по сути групп приемов и средств решения поставленных задач. Не менее важное значение имеет и экономический фактор, определяющий реальные приоритеты в архитектурно-строительном процессе и зависящий от уровня развития хозяйственных структур и механизмов, а также зрелости общественного сознания. Общая природа явлений, связанных с энергоэффективностью зданий, несмотря на различия в используемых средствах, позволяет, тем не менее, сформулировать общие базовые принципы проектирования энергоэффективных зданий [9,10].

 I. На уровне градостроительства:

  1. выявление благоприятных и неблагоприятных с энергетической точки зрения факторов внешней среды (природно-климатических и антропогенных) в районе строительства и оценка их возможных воздействий на энергетический баланс проектируемого объекта(в т.ч. с целью использования в качестве источника энергии);

  2. выбор площадки строительства с наибольшим потенциалом энергетически благоприятных факторов и наиболее высокой степенью естественной защищенности от неблагоприятных;

  3. целенаправленное использование существующих и организация новых природных и антропогенных форм ландшафта с целью концентрации энергетически благоприятных и защиты от неблагоприятных воздействий факторов внешней среды.

 II. На уровне объемно-планировочного решения:

  1. повышение компактности объемных форм зданий с целью снижения удельной площади поверхности теплоотдачи;

  2. оптимизация формы и ориентации объекта, направленная на максимальное использование благоприятных и нейтрализацию неблагоприятных воздействий внешней среды в отношении энергетического баланса здания;

  3. обеспечение объемно-пространственной трансформативности здания как средства адаптации к меняющимся воздействиям внешней среды;

  4. включение (предусмотрение возможности включения) в объемно-пространственную структуру здания элементов, обеспечивающих приток и эффективное использование энергии внешней Среды;

 III. На уровне конструктивного решения:

  1. оптимизация энергетической проницаемости (изолирующих свойств) ограждений с целью защиты от неблагоприятных и использования благоприятных воздействий внешней среды;

  2. придание конструкциям здания дополнительных функций (введение дополнительных конструктивных элементов), обеспечивающих эффективное регулируемое распределение внешних и внутренних энергетических потоков в процессе эксплуатации объекта;

  3. обеспечение геометрической трансформативности конструкций как основных средств адаптации объекта к изменению условий внешней Среды.

 IV. На уровне инженерно-технического обеспечения:

  1. снижение энергопотребления системами инженерно-технического обеспечения зданий и территорий за счет улучшения их технико-эксплуатационных параметров;

  2. утилизация вторичных энергетических ресурсов, образующихся в процессе функционирования систем инженерно-технического обеспечения зданий и территорий;

  3. обеспечение автоматического контроля и регулирования процессов распределения энергии в системах инженерно-технического обеспечения зданий.

 Итак, выбор путей и средств повышения энергоэффективности архитектурно-градостроительных объектов определяется анализом и учетом в процессе проектирования и строительства конкретных для данных условий групп факторов (природно-климатических, социально-экономических и др.), характеризуя, в целом, уровень энергоэффективности здания.

На начальном уровне в проектах предусматривается комплекс энергосберегающих мероприятий, направленных, преимущественно, на снижение энергопотерь и утилизацию вторичных энергетических ресурсов, имеющихся в здании, что позволяет характеризовать его как энергоэкономичное и ограничивает область однозначно целесообразного распространения сферой реконструктивных мероприятий.

На более высоком уровне предусматривается не только экономия энергии, но и привлечение ее дополнительных возобновляемых источников из окружающей среды посредством соответствующих, преимущественно, ландшафтно-градостроительных, объемно-планировочных и конструктивных решений, которые позволяют обеспечить максимальный сбор природной энергии и тем самым покрывать более половины энергопотребностей объекта; высокие эксплуатационные качества, простота использования и сравнительно невысокая стоимость этих – пассивных – систем энергоснабжения зданий определяет целесообразность их повсеместного применения и наибольшую экономическую эффективность на современном уровне развития общественного сознания и технологий.

Наконец, полностью покрыть энергопотребности объекта использованием энергии природной среды позволяет устройство при нем специальных технических (активных) систем, к примеру, на основе гелиоколлекторов или тепловых насосов. Объективная необходимость широкомасштабного привлечения ресурсов природной среды к энергообеспечению практически всех типов зданий стимулирует научно-технические разработки в данном направлении, питает быстро прогрессирующую тенденцию к удешевлению активных систем при одновременном росте их производительности и дает основание для прогнозирования их повсеместного распространения в будущем.

Математический аппарат для расчета, конструирования и экономической оценки энергетической эффективности зданий, разработан достаточно подробно как отечественными, так и зарубежными специалистами, и широко освещается в специальной литературе, в т.ч. в специальных периодических изданиях [8,9,10,13, 15,16,17,22].

Таким образом, говоря о современных тенденциях и приоритетах развития архитектурно-строительного процесса в наиболее развитых странах мира и оценивая их значение для российского военного и гражданского строительства, можно выделить ряд условий и обстоятельств, определяющих экономическую и экологическую эффективность строительной деятельности на обозримую перспективу и требующих переориентации сознания всех участников этого сектора экономики на иную постановку социальных задач, иные нормы разработки и оценки проектных решений.

  1. Процессы энергообмена лежат в основе всех явлений живой и неживой природы, поэтому энергетические аспекты любой деятельности человека (и прежде всего, строительной, влекущей серьезное перераспределение энергетических потоков в пространстве) необходимо рассматривать в контексте общих экологических проблем.

  2. Актуализация энергетических аспектов хозяйственной (в т.ч. строительной) деятельности человека в природной среде требует качественно иного подхода к организации среды: “Не пытайтесь бороться с силами, но используйте их; не ищите изолирования от всего…зачем использовать энергию для остановки энергии? это все равно что пустить локомотив против других локомотивов…” (Б.Фуллер).

  3. Ставшая очевидной жесткая зависимость строительства от положения дел в энергетике определяет усиление тенденции к автономизации процессов производства энергии посредством использования энергии природной среды и др. возобновляемых источников по месту расположения объекта.

  4. Сегодня первостепенное значение при оценке экономичности зданий и сооружений приобретают их эксплуатационные характеристики; показатели первоначальных капиталовложений и сроки окупаемости объектов строительства необходимо оценивать в соотношении с их энергетической эффективностью; энергоэффективность следует рассматривать как один из базовых функциональных и формообразующих факторов.

  5. Основными направлениями повышения энергоэффективности зданий являются:

    • снижение энергопотерь в процессе эксплуатации зданий, а также при транспортировке энергии;

    • снижение энергопотребления системами инженерного обеспечения здания;
    • утилизация вторичных энергетических ресурсов;

    • целенаправленное использование энергии природной среды.
  6. Оценку энергоэффективности зданий и сооружений целесообразно осуществлять на основе комплексного сравнительного анализа их энергетического баланса на стадии эксплуатации (относительно заданного эталона), а также энергоемкости строительства и производства предполагаемых к использованию строительных материалов и конструкций.

  7. Первоочередной задачей, стоящей перед отечественным строительно-эксплуатационным комплексом в современных условиях, следует считать энергетическую реконструкцию существующего фонда недвижимости, предполагающую сегодня проведение комплекса первичных энергосберегающих мероприятий:

    • оборудование всех существующих и строящихся зданий контрольно-измерительными устройствами в целях выявления реальной величины и структуры энергозатрат при их эксплуатации;

    • энергетическая паспортизация всего фонда недвижимости и создание соответствующих местных и общегосударственного банков данных, доступных всем специалистам, занятым в строительно-эксплуатационной сфере [13];

    • усиление теплоизоляционных параметров дверных и оконных конструкций (включая их замену);

    • усиление теплоизоляционных параметров наружных ограждений (доведение их до новых нормативных значений с учетом перспективы существенного ужесточения последних и в дальнейшем);

    • термостатирование приборов систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха;

    • оборудование систем вентиляции и канализации устройствами утилизации отводимой теплоты.
  8. Решение задач по повышению энергоэффективности здания требует кардинальной переориентации процесса архитектурно-строительного проектирования на комплексный учет местных природно-климатических условий в районе строительства, при этом архитектурно-градостроительные объекты следует рассматривать как энергетически взаимосвязанные с внешней средой субсистемы [9], а одним из важнейших предметов проектирования считать режим их эксплуатации.

  9. Наиболее перспективным классом современных архитектурных объектов следует признать энергоактивные здания и комплексы, при этом объективная тенденция к полному замещению в энергобалансе зданий традиционных источников энергии альтернативными с учетом длительных (до 100 лет) сроков эксплуатации большинства капитальных зданий требует проектных решений, которые обеспечивали бы возможность наращивания энергоактивности зданий с течением времени, т.е. возможность поэтапной модернизации энергетической структуры объекта от состояния энергоэкономичности к использованию энергии природной среды пассивными, а затем и активными средствами.

  10. Экономически наиболее эффективными, а значит, пригодными к широкомасштабному использованию в массовом строительстве являются сегодня пассивные средства использования энергии природной среды, а также ветроэнергетические установки малой и средней мощности (для получения электроэнергии) и тепловые насосы, позволяющие утилизировать низкопотенциальную энергию различных сред (воздуха, грунта, водоемов и т.п.) в целях отопления и горячего водоснабжения; при этом наилучшие экономические результаты дает комбинированное использование пассивных и активных энергосистем.

  11. В современных условиях при выборе средств использования энергии природной среды решающее значение приобретают их потребительские качества – стоимость и простота эксплуатации.

  12. Наиболее прогрессивной архитектурной концепцией, опыт реализации которой демонстрирует возможность комплексного и притом высококачественного решения широкого круга экономических, экологических и социокультурных проблем, можно признать концепцию биоклиматической архитектуры [10,14].

  13. Для успешного развития энергоэффективного строительства, рынка новых строительных технологий требуется смена стереотипов мышления и поведения всех участников архитектурно-строительного процесса, что становится возможным только в условиях свободного доступа к соответствующим информационным источникам и подготовленного общественного сознания; ключевым звеном концепции энергетического обновления в отечественном строительстве должна стать целенаправленная культурная и экономическая государственная политика, а также активная пропагандистская деятельность занятых в данной области специалистов.

Ист.