CC BY
212Эффективность применения «зеленых» крыш на территории России
Сысоева Елена Владимировна,
кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования зданий и сооружений, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, SysoevaEV@mgsu.ru
Москвитина Любовь Витальевна,
магистрант, кафедра проектирования зданий и сооружений, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, moskvitinalv@gmail.com
В настоящей статье рассматривается целесообразность строительства зданий с «зелеными» крышами на территории России. Анализируются теплотехнические характеристики «зеленых» крыш в различных климатических зонах России. Выделяются наиболее эффективные территории для строительства, на основании теплотехнических расчетов крыш с субстратом и без. Изучены типы озеленения крыш и выбран тип озеленения, пригодный для максимального охвата территории с различными климатическими характеристиками. Рекомендован соответствующий тип корневой системы растений, подходящий для рассматриваемого типа озеленения и способный к выживанию при отрицательных температурах. Проанализирован зарубежный опыт строительства «зеленых» крыш и теплотехническая эффективность их использования. На карте климатических зон России выделены 4 типа территорий по эффективности строительства и эксплуатации «зеленых» крыш. Выводы, приведенные статье основаны на теплотехнических расчётах. Ключевые слова: «зеленая» крыша, теплотехническая эффективность, экологическая привлекательность строительства, озеленение в городской среде.
Введение
Население городов стремительно увеличивается, плотность застройки в крупных городах России растет, в связи с этим возникают новые проблемы ведения городского хозяйства и требуется новый комплексный подход к управлению городскими территориями и к организации городской строительной отрасли. Решить ряд проблем, таких как недостаток растительности, водоотведение, проблемы загрязнения атмосферного воздуха, поглощение смога, пыли и осадков, поможет растительность на крышах зданий. В настоящее время одной из целью развития городов является увеличение количества рекреационных центров в городах, улучшения экологического состояния городов, одной из перспективных площадок для озеленения являются крыши имеющихся зданий, и вновь проектируемые крыши.
Важную роль в формировании и развитии городских зеленых насаждений играют природно-климатические, санитарно-гигиенические, ланд-шафтно-экологические, геологические, гидрологические и другие факторы. Климатические факторы крайне важно учитывать при организации «зеленого» строительства, так как они влияют на предлагаемые проектные решения.
Опыт применения «зеленых» крыш по всему миру, и особенно в Европе успешно доказывает свою эффективность [1] и уже не является новой конструкцией для стран Юго-Восточной Азии, США и Европы, а столица Объединенных Арабских Эмиратов - Абу-Даби признана лидером в «зеленом» строительстве [2, 3], что касается России, то она только набирает популярность и тестируется на отдельных зданиях и сооружениях. В качестве примеров строительства «зеленых» крыш в России можно привести построенный в Подмосковье поселок «Evergreen» (рисунок 1), торговый центр в городе Казани «KazanMall», озеленение крыши паркинга Санкт-Петербургской Военно-медицинской академии им. Кирова, и в других крупных городах: Екатеринбург, Калининград, Тверь, Воронеж [4,5].
х х О го А С.
X
го m
о
м о м
см о см
0
01
о ш т
X
<
т О X X
Рисунок 1 - Пример озеленения крыш в Подмосковье
Выбор типа озеленения
По технологии стационарного озеленения крыши бывают трех видов: экстенсивные, полуэкстенсивные и интенсивные. Между собой они различаются компонентами, выбор которых зависит от типа кровли, оказываемых на нее нагрузок и ассортиментом посадочного материала.
Экстенсивные варианты не нуждаются в постоянном обслуживании, предполагают посадку только низкорослых и стелящихся многолетних растений с компактной и поверхностной корневой системой, устойчивых к засухе, ветру и солнечному излучению. Таким растениям обычно бывает достаточно дождевой влаги, поэтому дополнительный полив не требуется. Эти варианты применяют на кровлях различных типов: плоских, одно-и двускатных, с углом наклона до 45°, скругленных, на крышах-террасах. Они напоминают лужайку, которую можно использовать в качестве места отдыха, то есть она будет эксплуатируемая или не эксплуатируемая в зависимости от типа системы, используемой для ее обустройства. Ассортимент растений, как правило, составляют самые неприхотливые виды: очитки, камнеломки, молодило и другие виды засухоустойчивых и малотребовательных к почвенному плодородию растений (рисунок 1.2.8). Растения высаживают в специально подготовленный субстрат. Толщина насыпного грунта небольшая - всего 9-15 см, а нагрузка на кровлю при этом от 70 кг/кв. м. Полуэкстенсивные и интенсивные виды озеленения требуют большей толщины субстрата от 15 до 70 см. Полуинтенсивный тип крыш со слоем субстрата от 15 до 30 см подходит для выращивания кустарников. А на интенсивных крышах можно высаживать кустарники и даже деревья — слой субстрата на таких кровлях довольно глубокий: от 30 до 70 см. Как правило крыши с интенсивным озеленением относятся к эксплуатируемым, в то время как экстенсивные могут быть не эксплуатируемыми. Интенсивное озеленение может не подходить для всех типов крыш по ряду причин — например потому, что большое количество субстрата увеличивает вес
«зеленой» кровли. Экстенсивный тип озеленения крыши требует наименьшего ухода и способен существовать при разных температурах окружающей среды.
В статье рассматривается вариант экстенсивного озеленения, то есть с толщиной субстрата от 0.09 - 0.15 метров и высадкой низких растений и трав, которые имеют соответствующую корневую систему (к примеру, луковичную или мочковатую), таких как суккулентные растения седум (Sedum) или очиток, различные виды мхов. К тому же подобный вид обустройства кровли предполагает, что насаждения будут обладать достаточной стойкостью к перепадам температур, холоду, повышенной или пониженной атмосферной влажности. В условиях различных климатических зон России стойкость растений, а вместе с ним и «зеленой» кровли к перепадам температур является важным фактором. Еще одно преимущество обустройства экстенсивной кровли в том, что нагрузки на кровлю, по сравнению с традиционной кровлей возрастают незначительно, средний вес принимается равным восемьдесят килограммов на метр квадратный. При этом способность к удержанию влаги составляет около двадцати литров на ту же площадь, а высота всех слоев конструкции — около 9 -15 сантиметров [10,11].
Расчеты и обоснование
По данным аналитических оценок порядка 40% электро- и тепло - энергии: расходуется на эксплуатацию зданий в мире [6]. В 2018 году в МГСУ проведен практический эксперимент по определению теплофизического сопротивления материалов кровельных слоев на испытательном стенде ^ 3025/650 [7], в результате эксперимента установлено, что теплоизоляционные качества здания можно улучшить на величину до 77 %, путем создания зеленых насаждений и изменения кровельных слоев здания.
Так как растения являются прекрасным теплоизоляционным материалом, то основной выигрыш от применения этого материала в строительстве -это экономия энергии на обогреве и охлаждении зданий. Исследования, проведенные в городе Москве и в городе Туле позволяют говорить об увеличении энергоэффективности общественных зданий более чем на 5%, за счет сокращения затрат и теплопотерь при отоплении и кондиционировании зданий с «зелеными» крышами [8,9].
Для южных районов значимым параметром энергоэффективности является вопрос охлаждения зданий в летний, жаркий период года и сокращение затрат на кондиционирование, для других регионов, северной и центральной части необходимо минимизировать теплопотери здания в холодное время года. Кровля - по теплофизическим показателям наиболее подвержена теплопотерям,
по сравнению с другими элементами здания. Теп-лопотери через кровлю достигают 35-40%, поэтому изменяя теплопроводность слоев кровли можно существенно улучшить теплопроводность здания.
В проведенном исследовании, на основании теплотехнических расчетов по всем климатическим зонам России, выделяются зоны эффективности применения «зеленых» крыш (рисунок 2). Расчеты проведены для конструкции экстенсивного озеленения, с сохранением субстрата и высаживаемых растений в естественных условиях в зимний и летний сезонный период, без организации подогрева кровли, с минимальными дополнительными нагрузками на элементы конструкции здания.
Рисунок 2 - Схема эффективности зон «зеленых» крыш для территории России
В результате расчётов выделено 4 зоны: наиболее эффективные территории, территории средней эффективности, низкая эффективность территорий и неэффективные территории.
Выделенные зоны строительства группируются по показателю градусо-суток за отопительный период (ГСОП), который рассчитан для условия внутренней температуры помещения 20°С [ГОСТ 30494-2011 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях]. Выявлена закономерность, что оптимальные условия по экстенсивному озеленению крыш можно выделить в районах с показателем ГСОП при 1вн=20°С меньше 4000, эти города выделены зеленым цветом, территории средней эффективности, при показателе от 4000 до 5000 выделены голубым цветом. За основу картирования взята карта климатических зон Приложение А территория РФ СП 131.13330.2018 «Строительная климатология»— основному источнику климатической информации для архитекторов и дизайнеров — на карте было выделено четыре климатических района.
Для расчетов принимаем крышу со следующими слоями: железобетонное основание (0,12 м),
гидроизоляционный слой (0,05 м), теплоизоляционный слой (0,2м), дренажная мембрана, фильтрационный, почвенный и растительный слои, растительный слой, согласно [ГОСТ Р 58875-2020 "Зеленые" стандарты] при экстенсивном озеленении слой субстрата равен от 0.09 до 0,15 м [11].
Основная проблема обеспечения сохранности растительного слоя на крыше - это правильно спроектированное водоотведение. При обильных осадках на поверхности крыши быстро образуются скопления воды, которые превращаются или могут превратиться в болото. Для предотвращения этого, необходимо предусмотреть уклоны к кровельным воронкам и обеспечить доступ к этим воронкам для их корректного функционирования [12,13].
Максимальная экономия энергии достигается за счет экономии на кондиционировании на территории наибольшей эффективности строительства «зеленых» крыш, и за счет сокращения нагрева кровли при температуре окружающей среды более 30°С. На территориях средней эффективности и наиболее эффективных территориях экономия энергии складывается из сокращения затрат на отопление, за счет теплоизоляционных характеристик зеленых растений и субстрата, и сокращения расходов на кондиционировании помещений. Применение «зеленых» кровельных покрытий с использованием всех фильтрационных и дренажных слоев препятствует перегреву кровли и способствует сохранению температуры внутри здания, повышая таким образом энергоэффективность сооружения и продлевая срок службы кровли и сооружения в целом [14,15].
Помимо очевидных, на первый взгляд, экологических преимуществ «зеленых» крыш, таких как улучшение микроклимата и создания благоприятной среды, существует еще ряд экономических выгод: экономия энергии на кондиционировании и отоплении помещений по сравнению с аналогичными зданиями с традиционными крышами, улучшение шумоизоляции и продления срока службы крыши.
Сейчас экологическая политика городов — это и их перепланировка с тем, чтобы сделать урбанизированные пространства более удобными и чистыми, и дальнейшее ограничение автомобильного транспорта в центрах городов, и озеленение крыш и стен зданий — с целью очистки воздуха и борьбы с летней жарой, и введение энерго — и ре-сурсоэффективных технологий, а также генерации на основе возобновляемых источников энергии. Растения - это не только красиво, это необходимость каждого современного города.
«Зеленые» крыши могут смягчить последствия изменений климата, так как на зданиях приходится 44 процента выбросов С02, 26% выбросов приходятся из домов и 18% из нежилых зданий. Высокая
х
X
о
го А с.
X
го т
о
м о м
CS
о
CS
0
01
о ш m
X
<
m О X X
доля этих выбросов от нагрева и охлаждения внутренней среды. Снижение энергопотребления зданий приведёт к сокращению их вклада в изменение климата. МГЭИК (Межправительственная группа экспертов по изменению климата) сказали, что здания обеспечивают некоторые из величайших, наиболее экономически эффективных и быстрых возможностей по борьбе с изменением климата. «Зеленые» крыши могут значительно снизить нагрузку охлаждения здания, что приводит к сокращению потребностей воздушного охлаждения и снижению потребления энергии и связанный с ними выход углекислого газа в атмосферу [16,17]. И смягчить эффекта городского теплового острова за счет зеленых растений, служащих регуляторами микроклимата на крыше здания.
Выводы
По опыту применения «зеленых» крыш в разных странах и проводимых экспериментов в лабораторных условиях и на специальных стендах можно сделать вывод - «зеленые» кровли увеличивают энергоэффективность здания, но для того, чтобы процент энергоэффективности был высокий необходимо тщательно подбирать и тестировать кровельные слои: теплоизоляционные, дренажные, фильтрационные и применяемые в этих слоях материалы [17,18].
Строительство «зеленых» крыш позволяет улучшить теплотехническую эффективность здания, снизить температуру на поверхности крыши в теплое время года, снизить нагрузку на ливневую систему благодаря естественной абсорбации осадков в кровельную систему, создать дополнительный шумовой барьер благодаря акустическому барьеру, создаваемому зелеными насаждениями. С точки зрения создания благоприятной и экологичной городской среды в «зеленых» крышах тоже есть преимущества перед обычными крышами: улучшение кислородного баланса, нейтрализация пыли, регуляция влажности воздуха, новые жизненные пространства для флоры в городской среде, увеличению естественной природной территории для проживания птиц [19]. Кроме того, «зеленая» крыша - это эстетический акцент и дополнительное место отдыха городского жителя.
При строительстве следует учитывать, что необходимо использовать только качественные специализированные материалы. Например, только те дренажно-влагонакопительные мембраны, которые сохраняют форму под давлением грунта и тем самым обеспечивают накопление воды в своих ячейках и беспрепятственный отвод избыточной влаги по каналам, образующимся под мембраной. Обязательно защищать конструкции от корневой системы, важно, чтобы дренажно-вла-гонакопительный слой на «зеленой» кровле был непрерывным по всей ее поверхности. Важно при-
менять не произвольный набор материалов, а готовые системы озеленения, представленные на рынке, во избежание неправильного функционирования тех или иных элементов крыши, к выбору субстрата и растений следует относится внимательно и выбирать с учетом климатических особенностей.
Производство материалов для «зеленых» кровельных систем становится массовым, соответственно стоимость материалов снижается и затраты на «зеленую» крышу становятся ниже и сопоставимы с традиционными крышами.
Новая технология строительства и создания «зеленых» крыш -эффективное решение по улучшению качества городской среды, продлевает срок службы и повышает долговечность кровельных материалов [20].
Вводить массовое строительство зданий с «зелеными» крышами следует на максимально эффективных территориях - это Южный Федеральный округ и Калининградская область, стоимость строительства не возрастет, а экономия энерго- и теплоресурсов подтверждается расчетами.
На территориях средней эффективности, к которым можно отнести Центральный Федеральный округ, южную часть Приволжского Федерального округа, запад Северо-западного ФО и Петропавловск-Камчатский при строительстве «зеленых» крыш следует тщательно подбирать все элементы крыши дополнительно учитывая наклон крыши относительно сторон света и направления ветра, уровень и интенсивность осадков и правильно подбирать высаживаемые растения, при соблюдении всех условий «зеленая» крыша будет долговечной и энергосберегающей конструкцией.
Территории низкой эффективности - это Северо-западный ФО, юг Уральского ФО, юг Сибирского ФО, юг Дальневосточного ФО - на этих территориях строительство «зеленых» крыш возможно, но теплотехническая эффективность, при применении стандартных современных строительных материалов, очень низкая, есть высокая вероятность отмирания растений в зимний период и следовательно возрастание расходов на амортизацию и высадку новых растений.
Неэффективные территории - это север Уральского ФО, север Сибирского ФО, север Дальневосточного ФО - суровые климатические условия этих регионов пока не позволяют говорить об эффективности «зеленого» строительства на своей территории.
Литература
1. Kommunale Gründach-Strategien.
Inventarisierung, Potenzialanalyse, Praxisbeispiele. Deutscher Dachgärtner Verband e. V. (DDV), Nürtingen 2016. S.48.
2. A history and definition of green roof technology with recommendations for the future research, John Magill B.A., Southern Illinois University, 2007.
3. https://realty.rbc.ru/news/5fb680259a7947369 1ecad78 (дата обращения октябрь 2021 года).
4. Корпорация «ТемпСтройСистема». Зеленые кровли в России: проблемы и перспективы // Инновационные технологии «Зеленые здания» -М.,2013 - №2- С. 96-99.
5. В.Д. Тухарели, А.В. Тухарели, Ю.В. Ли «Экологическое строительство как инновационный подход в строительной индустрии» // Инженерный вестник Дона, №3 (2018).
6. UdGroup - Торговые пространства, открытие KazanMall https://ud-group.co m/projects/torgovye-prostrantstva/kazanmall/ (дата обращения октябрь 2021).
7. Аксенов И.С., Сысоева Е.В. «Зеленые кровли, как решение ряда экологических проблем современной городской среды», журнал Инновации и инвестиции, №9 2018.
8. Исследование зеленой кровли в покрытиях зданий общественного назначения, Сысоева Е.В., Гельманова М.О., Архитектура и градостроительство №2 (76) 2018.
9. Российская академия наук. Изменение окружающей среды и климата: Природные и связанные с ними техногенные катастрофы. Главный редактор, академик Н.П. Лавёров. Москва, ИГЕМ РАН, 2007.
10."Green Roofs for Healthy Cities - About Green Roofs". Retrieved 10 June, 2008.
11. О.В. Шулешова. Субстраты для создания устойчивых растительных комплексов на искусственных основаниях // Инновации в ландшафтной архитектуре. [Текст]: Материалы VII научно-практической конференции. / Нижегород. гос. архитек-тур.-строит. ун-т - Н. Новгород: ННГАСУ, 2011.
12.Достоинства и недостатки зеленых крыш, Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь - Е.С. Токарева, А.А. Мелехин, О.И. Ручкинова.
13. Некоторые конструктивно-технологические особенности устройства современных элементов дополнительного озеленения в городе, Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета — Мубаракшина Ф. Д., Са-фина Г. И.
14. Dachbegrünung. Anregungen und Tipps für Hausbesitzer. Herausgeber: SMUL Dresden, 2014.
15. Ю.Н. Орлов «Зеленые кровли» в условиях холодного климата // Кровельные и изоляционные материалы - 2008. №1. С. 49-50.
16. Корпорация «ТемпСтройСистема». Зеленые кровли в России: проблемы и перспективы // Инновационные технологии «Зеленые здания» -М.,2013 - №2- С. 96-99.
17. Компания Bauder GmbH & Co. Зеленая кровля // Здания высоких технологий «ГИПЕРКУБ» - М.,осень 2012- С. 62-65.
18.Живые крыши, ТОГУ, Хабаровск, - Козы-ренко Н.Е., Горсткова Е.И.
19. KarachaliouP., SantamourisM., PangalouH. Experimental and numerical analysis of the energy performance of a large scale intensive green roof system installed on an office building in Athens. «Energy and Buildings», 2016. -Vol.114. Pp. 256-264.
20. Гуляева Е.А. «Обустройство «зеленых крыш» при строительстве и реконструкции зданий».
The effectiveness of the use of "green" roofs in Russia Sysoeva E.V., Moskvitina L.V.
National Research Moscow State University of Civil Engineering This article examines the feasibility of building buildings with "green" roofs in Russia. Thermal characteristics of "green" roofs in various climatic zones of Russia are analyzed. The most effective areas for construction are highlighted on the basis of heat engineering calculations for roofs with and without substrate. The types of roof greening have been studied and the type of landscaping has been selected that is suitable for maximum coverage of the territory with different climatic characteristics. An appropriate type of plant root system is recommended, suitable for the type of landscaping under consideration and capable of surviving at negative temperatures. The foreign experience in the construction of "green" roofs and the thermal efficiency of their use are analyzed. On the map of climatic zones of Russia, 4 types of territories are identified according to the efficiency of construction and operation of "green" roofs. The conclusions given in the article are based on heat engineering calculations.
Keywords: "green" roof, thermal efficiency, ecological attractiveness of
construction, greening in the urban environment. References
1. Kommunale Gründach-Strategien. Inventarisierung, Potenzialanalyse,
Praxisbeispiele. Deutscher Dachgärtner Verband e. V. (DDV), Nürtingen 2016. S. 48.
2. A history and definition of green roof technology with recommendations for
the future research, John Magill B.A., Southern Illinois University, 2007.
3.https: //realty.rbc.ru/news/5fb680259a79473691ecad78 (date of circulation October 2021).
4. Corporation "TempStroySistema". Green roofs in Russia: problems and
prospects // Innovative technologies "Green buildings" - M., 2013 - No. 2- P. 96-99.
5. V.D. Tuhareli, A.V. Tuhareli, Yu.V. Lee "Ecological construction as an
innovative approach in the construction industry" // Engineering Bulletin of Dona, no. 3 (2018).
6. UdGroup - Retail spaces, KazanMall opening https://ud-group.com/projects/torgovye-prostrantstva/kazanmall/ (date of circulation October 2021).
7. Aksenov I.S., Sysoeva E.V. "Green roofs as a solution to a number of
environmental problems of the modern urban environment", Innovations and Investments magazine, No. 9 2018.
8. Investigation of the green roof in the coatings of public buildings, Sysoeva
E.V., Gelmanova M.O., Architecture and urban planning №2 (76) 2018.
9. Russian Academy of Sciences. Environmental and Climate Change:
Natural and Related Technogenic Disasters. Chief editor, academician N.P. Laverov. Moscow, IGEM RAN, 2007.
10. "Green Roofs for Healthy Cities - About Green Roofs". Retrieved June 10,
2008.
11.O.V. Shuleshova. Substrates for the creation of sustainable plant complexes on artificial foundations // Innovations in landscape architecture. [Text]: Materials of the VII scientific-practical conference. / Nizhny Novgorod. state architect.-builds. University - N. Novgorod: NNGASU, 2011.
12. Advantages and Disadvantages of Green Roofs, Perm National Research
Polytechnic University, Perm - Ye.S. Tokareva, A.A. Melekhin, O. I. Ruchkinov.
13. Some constructive and technological features of the device of modern elements of additional landscaping in the city, Izvestiya Kazan State University of Architecture and Civil Engineering - Mubarakshina FD, Safina GI
14. Dachbegrünung. Anregungen und Tipps für Hausbesitzer. Herausgeber: SMUL Dresden, 2014.
15. Yu.N. Orlov "Green roofs" in a cold climate // Roofing and insulation materials - 2008. №1. S. 49-50.
X X
о го А с.
X
го m
о
м о м
16. Corporation "TempStroySistema". Green roofs in Russia: problems and prospects // Innovative technologies "Green buildings" - M., 2013 - No. 2- P. 96-99.
17. Bauder GmbH & Co. Green roof // Buildings of high technologies "HYPERCUBE" - M., autumn 2012 - pp. 62-65.
18. Living roofs, PNU, Khabarovsk, - Kozyrenko N.E., Gorstkova E.I.
19. Karachaliou P., Santamouris M., Pangalou H. Experimental and numerical analysis of the energy performance of a large scale intensive green roof system installed on an office building in Athens. Energy and Buildings, 2016. -Vol. 114. Pp. 256-264.
20. Gulyaeva E.A. "Arrangement of" green roofs "in the construction and reconstruction of buildings.
CN O CN
0
01
O m m x
<
m o x
X
