Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОЕ (ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ) СТРОИТЕЛЬСТВО
(информационно-аналитический обзор)
© 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 вследствии 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:
Обусловленные этими факторами фундаментальные экологические требования к строительству определяют основные направления развития архитектурно-строительного процесса:
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:
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:
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 за10 лет в 3 раза и составила в 1990 г. 0.35 DKr против 1.00 DKr в1980 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 - только10% 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:
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].
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:
2. Энергия от:
|
1.Фактические затраты на:
|
1.Потери энергии:
2.Перерасход энергии:
|
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:
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:
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:
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]:
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]:
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:
(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:
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:
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:
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]:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
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:
II. На уровне объемно-планировочного решения:
III. На уровне конструктивного решения:
IV. На уровне инженерно-технического обеспечения:
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.
Источник : www.sciteclibrary.com