CC BY
138
УДК 72.01
КОЛОГРИВОВА Л. Б.
Экологичная энергетика в архитектуре современного производственного здания
Концептуальная разработка научно-производственного здания с близким к «нулевому энергетическим балансом». Здание обладает комплексом энерго- и ресурсосберегающих объемно-планировочных решений, а также объединяет ограждающие конструкции с солнечно-техническими компонентами, создавая альтернативный источник энергии.
Ключевые слова: экологическая устойчивость производственного здания, энерго-и ресурсоминимизация, нетрадиционный возобновляемый источник энергии.
KOLOGRIVOVA L. B.
ECO-FRIENDLY ENERGY IN THE ARCHITECTURE OF MODERN INDUSTRIAL BUILDING
The conceptual development of research-and-production zero-energy building. The building have a complex of energy-saving space and planning and construction solutions. Solar energy technology components are used by its integration with a translucent fence of the building.
Keywords: environmental sustainability of the production building, energy and resource minimization, non-conventional renewable energy source.
Кологривова
Людмила
Борисовна
доктор архитектуры, профессор
e-mail: K L [kologrivoval@ yandex.ru]
Переход от традиционной энергетики к возобновляемой связан не только с оскудением запасов топлива, но и с увеличением концентрации парниковых газов в атмосфере, что пагубно отражается на изменении климата, а следовательно, здоровья населения и возникновении природных катастроф. Традиционное топливо продолжает добываться в огромных количествах, а выбросы углеводородов растут.
В традиционной модели энергетики имеют место альтернативные источники энергии, такие как атомная энергетика, где действительно низкий уровень выбросов парниковых газов, но зато есть высокотоксичные отходы на тысячи лет, а технологии чреваты использованием их для производства ядерного вооружения. Развиваются сейчас и нетрадиционные методы добычи углеводородов (сланцевый газ, шельфовая нефтедобыча, битуминозный песок). Все это не только беспрецендентно дорого (все альтернативные предложения дороги в начале), хуже то, что запасы этих источников расположены в нетронутых местах земного шара (тропических, арктических и др.), обеспечивающих нас водой и воздухом, а также грозящих в случае сбоя природными катастрофами. Кроме того, упомянутые методы добычи обусловливают выброс большого количества тех же парникового газа и вредных веществ.
По традиционным неэффективным энергетическим моделям продолжаются в наши дни строительство и эксплуатация зданий, в част-
ности, производственных, в то время как даже в Скандинавии осуществлены тысячи проектов зданий, не требующих энергии традиционных источников для обогрева и охлаждения. Солнце, геотермальные источники, инженерные системы накопления и распределения альтернативной энергии возобновляемых источников могут обеспечить теплом не только жилые, но и производственные здания.
В сочетании с инновационными приемами по теплоизоляции светопрозрачного ограждения даже прямой солнечный свет можно использовать для обогрева зданий. Системы концентрации солнечной энергии могут сохранять энергию в форме тепла в течение 15 часов. Технологии накопления энергии совершенствуются, и это тепло можно впоследствии использовать для выработки электричества.
Более трети всей энергии для отопления зданий может быть получено из геотермальных источников. Прямое геотермическое тепло земли может обеспечивать центральное отопление зданий почти повсеместно, геотермальную энергию также можно использовать для выработки электричества, обеспечивая температурные режимы промышленного производства.
Расходы на инновационные мероприятия при использовании экологичных возобновляемых источников энергии — большие, но должны окупиться гораздо раньше, если мы будем учитывать затраты на борьбу с последствиями изменения климата, а также воздействие углеводородного топлива на здоровье людей.
© Кологривова Л. Б., 2013
73
Архитектура
Иллюстрация 1. Схемы объемно-планировочных решений энерго- и ресурсосберегающих научно-производственных зданий
Всемирный фонд дикой природы (WWF), консалтинговое агентство Нидерландов в области энергетики (Есо1уз) совместно с исследовательским подразделением архитектурного бюро (ОМА-АМО) пришли к выводу, что к середине века мир перейдет на стопроцентную возобновляемую энергию, но разработку новой энергетики необходимо начать без промедления уже сейчас [1].
Основными системами архитектурной концепции энерго- и ресурсосбережения научно-производственных зданий являются объемно-планировочное решение и ограждающие конструкции (глухие и светопрозрачные). «Пассивное» здание, приближающееся к «нулевому балансу» [2], может быть осуществлено даже за счет объемно-планировочного решения и суперизоляции ограждающих конструкций, а дополнительно полученная энергия от возобновляемых источников может поставить здание в разряд «активных» и даже «экологически устойчивых».
В основе экологической устойчивости научно-производственных зданий, в первую очередь, должна быть экономия ресурсов: энергетических, трудовых, материальных, финансовых, временных и пр.:
• экономия земли, ее адекватное использование необходимо для оздоровления экосистемы, обеспечения чистого воздуха и воды, сохранения природных угодий (для регулирования климата, плодородия почв и пр.);
• экономия времени, средств и материалов при строительстве, а также последующем техническом перевооружении или реконструкции производственных зданий для наукоемких производств в условиях
многократного изменения технологий и конкуренции;
• экономия энергоресурсов, в том числе при эксплуатации производственных зданий.
В мире построено большое количество «пассивных» жилых и общественных зданий с приближающимся к нулевому энергетическим балансом. Большая часть их находится в Европе. Целевые государственные программы предписывают приведение всех объектов регулярной застройки к условному уровню пассивного здания (до 30 кВт ■ ч/м3 в год). О таких программах по отношению к производственным зданиям сведений не поступало. В то же время изучение отечественного опыта показывает ряд приемов в использовании на производственных объектах ряда нетрадиционных возобновляемых источников энергии, к примеру, за счет технологических тепловыделений для создания системы отопления и пр.
Пассивным научно-производственным зданием, в котором размещаются опытное производство, лаборатории и офисы, представляется здание с нулевым энергетическим балансом, не требующее расходов на поддержание комфортных условий для административных помещений, но с инженерно-техническим обеспечением по традиционной модели технологических процессов и лабораторных исследований.
Активным научно-производственным зданием можно считать здание, энергосистема которого, включающая возобновляемые источники энергии, не только создает комфортные условия в здании, но и обеспечивает энергией (частично в настоящее время и полностью на перспективу) лаборатории и участки опытного производства. Установленные системы (солнечные батареи, коллекторы, тепловые насосы, рекуператоры, грунтовые теплообменники и пр.) со временем будут вырабатывать энергию и сохранять ее намного больше, чем возможно сейчас для создания комфортных условий работающим в здании.
Стандарты строительства пассивных и активных зданий позволяют существенно сократить энергопотребление. В то же время такие здания могут намного сократить выбросы парниковых газов, а это непосредственно характеризует «экологически устойчивые здания», или «зеленые здания», как их называют в США, Великобритании, Германии и других технически развитых странах.
«Зеленые» стандарты — качественно новый подход к проектированию и строительству зданий, как к объек-
там высокой энергетической и экологической эффективности. Более 50 стран учредили свои национальные органы по «Зеленому» строительству, которые объединены Всемирным Советом по «Зеленому» строительству.
Ресурсо- и энергоминимизация в архитектурном формировании новых типов зданий является только частью большой проблемы «экологической устойчивости» зданий, комплекс требований которых должен учитываться в разработке зданий нового типа — научно-производственных зданий для научных инновационных центров. Отличие «экологически устойчивых» зданий заключается в использовании в качестве основных источников энергии возобновляемых источников и выполнении комплекса других экологических требований.
Положительным аспектом применения экологического подхода в строительстве явился комплекс экологических требований, которые неминуемо должны отразиться и в отношении научно-производственных зданий:
• ограничение негативного воздействия на окружающую среду с учетом интересов будущих поколений;
• ресурсо- и энергоминимизация при строительстве, эксплуатации, техническом перевооружении и реконструкции зданий;
• комфортные условия внешней и внутренней среды для жизнедеятельности человека в гармонии с окружающей средой;
• высокий архитектурно-художественный потенциал внешнего облика и внутреннего пространства здания. Архитектурная концепция формирования «экологически устойчивых» зданий научно-производственного назначения заключается в разработке нулевого энергетического баланса производственного здания за счет комплекса энергосберегающих объемно-планировочных и конструктивных решений, а также использования энергии солнца при интеграции фотоэлектрических модулей с солнцезащитными устройствами и ограждением здания, что обеспечивает комфортные условия внутренней среды и при соблюдении комплекса экологических требований «зеленых» стандартов придает зданию статус «экологически устойчивого».
Объекты научно-производственного назначения, претендующие на «экологическую устойчивость», должны быть экологически совместимы и занимать минимальную площадь территории. Отсюда — желательно их размещение в компактных многоэтажных зданиях нового типа с возможностью вертикального развития
74
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2|2013
при расширении. Научно-производственные здания должны иметь универсальные схемы объемно-планировочных и конструктивных решений для их межотраслевого использования и интеграции с исследовательскими и административными помещениями.
Должны иметь гибкие архитектурно-строительные и инженерно-технические решения для многократного изменения технологий, зависящих от колебаний рыночной конъюнктуры. Объемно-планировочные решения новых типов производственных зданий должны быть энерго- и ресурсосберегающими (Иллюстрация 1).
Быстрых результатов в проектировании и строительстве инновационных центров можно достичь созданием унифицированных комплексов для объектов научно-производственного назначения, которым выделяются участки под аренду для размещения различных объектов. Покидая инновационный центр, они освобождают место для нового объекта, специфика которого не противоречит экологическим требованиям. Это обеспечивает гибкость во взаимодействии со средой.
Архитектурное формирование новых типов энерго- и ресурсосберегающих производственных зданий включает инновационные объемнопланировочные и конструктивные решения, а также инженерно-технические решения в качестве инфраструктуры возобновляемых источников энергии.
По ситуации в России самым слабым местом в потере тепла зданием является потеря тепла через наружные ограждающие конструкции. Очевидно, необходимы инновационные разработки совмещения ограждающих, в том числе светопрозрачных конструкций зданий с фотоэлектрическими модулями.
Одними из наиболее энергетически эффективных светопрозрачных конструкций, разработанных в последнее время, являются конструкции, в которых сопротивление теплопередаче может составлять до 1,5 м2 °С/Вт (конструкции фирмы «Шуко»). С помощью таких конструкций, обеспечивающих частичный обогрев помещений в зимнее время за счет прямой солнечной радиации для средней полосы России при южной, юго-западной и юговосточной ориентации и рекуперации теплого воздуха с отражением наружного тепла в теплое время года, окно из потребителя энергии превращается в его источник. Количество энергии даже в виде рассеянного солнечного света, поступающее через окно в зимний день, может быть больше, чем теплопотери через него за сутки.
Одним из наиболее эффективных решений повышения энергоэффективности ограждающих конструкций зданий явился результат их совмещения с фотоэлектрическими модулями, что должно превратить ограждающие конструкции в дополнительный источник энергии.
В выполненной НИР «Разработке новых энергосберегающих типов зданий в инновационных центрах» УралНИИпроект РААСН принята разработка кандидата технических наук Ф. Л. Шехтера по совмещению элементов наружной автоматически регулируемой жалюзийной решетки с фотоэлектрическими модулями, что позволит совместить функции солнцезащиты помещений с получением дополнительной энергии.
В представленном для примера концептуальном решении здания технического отеля (Иллюстрация 2) в наружном ограждении блока офисов и учебных аудиторий, ориентированных на юг, юго-восток и юго-запад, выполняется регулируемая солнце-защита из металлических ламелей, на которые нанесены фотоэлектрические модули. В наружном ограждении блоков лаборатории и производственных помещений, ориентированных на юг, юго-восток и юго-запад, используются полупрозрачные пленочные фотоэлектрические модули, нанесенные на наружное стекло стеклопакета. Остекление до 2-х метров от пола остается прозрачным. Все глухие плоскости здания по возможности покрываются кремниевыми фотоэлектрическими модулями.
Остекление выполняется с высокими теплотехническими характеристиками (0,8-1,2 м2 °С/Вт). Варианты могут быть проработаны с конструкциями остекления, солнцезащиты и гелиосистемами SCHUKO [3].
Технический отель — экологически устойчивое здание научно-производственного назначения — обладает комплексом энергосберегающих объемно-планировочных и конструктивных решений, а также использует энергию солнца при интеграции фотоэлектрических модулей с солнцезащитными устройствами и светопрозрачным ограждением здания. Эффективная теплоизоляция стен и остекления, регулируемая солнце-защита и фотоэлектрические модули вместе с совершенствующими системами управления и накопления солнечного электричества, которые в перспективе обеспечат электропитанием системы вентиляции, охлаждения, освещения, автоматизации, аккумуляторы внутреннего технологического транспорта и пр. определят зданию
Иллюстрация 2. Научно-производственное здание типа «технический отель» для интегрированного размещения опытного производства, лабораторий и административных помещений. План первого этажа:
1 — блок офисов и учебных аудиторий;
2 — блок лабораторий и производственных помещений; 3 — блок инженерно-технического обеспечения
статус «активного с нулевым энергетическим балансом».
В основе экологической устойчивости зданий научно-производственного назначения должна лежать экономия ресурсов (энергетических, трудовых, материальных, финансовых, временных и пр.) и разработка возобновляемых источников энергии. Необходимы новые инженерные системы по утилизации возобновляемого тепла и для взаимодействия с другими возобновляемыми источниками.
Необходим постоянный поиск инновационных архитектурно-строительных и инженерных решений для обеспечения энергетических потребностей настоящего и будущего поколений. Каждый должен внести свою толику профессиональных решений в комплекс экологических требований.
Меры по экономии энергии, наряду с разработкой безопасных возобновляемых источников, оптимизация способов накопления и передачи поступающей энергии обеспечат получение дополнительной энергии сверх нулевого баланса для решения стратегической задачи формирования экологически устойчивого научнопроизводственного здания.
Список использованной литературы
1 WWF, Ecofys, OMA—AMO THE ENERGY Report (100% Renenwable Energy BY 2050). Проект Интерне-шенл 29 // Энергия. 2011. С. 18-62.
2 Бродач М. М., Ливчак В. И. Здание с близким к нулевому энергетическим балансом // АВОК. 2011. № 5.
3 SCHUKO. Системы для экономии и производства энергии // ENERGY. 2012. № 3.
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2013
75
