CC BY
280
УДК 711.4
ШЕИНА С. Г МАРТЫНОВА Е. В. ГИРЯ М. А.
Шеина
Светлана
Георгиевна
доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой городского строительства и хозяйства ФГБУ ВПО Ростовского государственного строительного университета
e-mail: [email protected]
Мартынова
Екатерина
Владимировна
аспирант Ростовского государственного строительного университета
e-mail: [email protected]
Гиря
Михаил
Анатольевич
кандидат технических наук, главный инженер проектов ЗАО «ЛОРЕС»
e-mail: [email protected]
Методические основы энергоэффективной реконструкции городской застройки
В статье рассматриваются вопросы решения проблемы энергосбережения при развитии и реконструкции городов. В территориальной составляющей заключена ощутимая доля потенциала энергосбережения, поэтому большое значение приобретает повышение энергоэффективности не только средствами архитектурно-строительного проектирования, но и методами градостроительного характера. В целях решения проблем энергосбережения и реализации концепции устойчивого развития городов разработаны методические основы энергосберегающей реконструкции городской застройки.
Ключевые слова: энергосбережение, энергоэффективность, реконструкция городской застройки, жилищный фонд, градостроительство.
SHEINA S. G. MARTYNOVA E. V. GIRJA M. A.
METHODOLOGICAL FOUNDATIONS OF ENERGY EFFICIENT RECONSTRUCTION OF URBAN CONSTRUCTION IN VIEW OF ENERGY MONITORING OF HOUSING STOCK
The article discusses solutions to the problem of energy conservation and energy savings in development planning and urban redevelopment. In territorial component enclosed palpable share energy-saving potential, so improving energy efficiency in cities is important not only by means of architectural design, but also by the methods of regional planning. Methodical basis of energy-saving reconstruction of urban areas are developed in order to solve the problems in the implementation of energy-saving urban development activities and implement the concept of sustainable living.
Keywords: energy conservation, energy efficiency, urban reconstruction, housing, urban development.
Город представляет собой сложную территориальную социально-экономическую систему, особенности которой формируются под воздействием экономических, социально-географических, природных и общественных факторов. Городская система состоит из социальной, экономической, пространственной и экологической подсистем [1, 29]. Между ними существуют многочисленные информационные, энергетические и вещественные связи, необходимые для эффективного функционирования городской системы. Город можно охарактеризовать как целостную энергетическую систему, функционирующую в едином природном, экономическом, социальном и физическом пространстве.
Конкурентоспособность территориальной экономической системы складывается из эффективности использования региональных ресурсов и определяется способностью создавать и поддерживать привлекательную среду для развития бизнеса и процветания населения. Одними из наиболее значимых факторов для населения являются развитая инфраструктура, состояние окружающей среды и условия проживания [2], в последние годы — энергосбережение и связанные с ним экологические вопросы [3, 4].
Эффективное энергосбережение должно базироваться на рациональном производстве и использовании энергии на всех уровнях с учетом выбора наиболее эффективных мер, их технико-экономического обоснования, адекватной энер-
гетической политики, энергетического менеджмента, переработки и рекуперации энергии, а также образования в области энергосбережения. Принятие рациональных энергосберегающих решений на каждом этапе проектирования — начиная отдельным зданием и заканчивая генеральным планом города — способно формировать целостную систему управления энергетической эффективностью города. Одним из барьеров на пути к энергосбережению и устойчивому развитию является отсутствие комплексного подхода к реконструкции городов с учетом энергосберегающей политики. В связи с этим возникла необходимость разработки методических основ энергосберегающей реконструкции городской застройки, которая должна служить основой для принятия решений по выполнению требований по энергетической эффективности, экологии и комфортному проживанию на территории города.
Методика энергетически эффективной реконструкции городской застройки
Реконструкция застройки в широком смысле направлена на придание современных экономических, социальных и технических качеств его структуре, объектам и коммуникациям [5, 2126]. Однако в настоящее время перед муниципальными образованиями в части решения градостроительных проблем встал вопрос реализации Федерального закона от 23.11.2009 № 261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Перед муниципальными образованиями поставлены задачи выполнения требований энергоэффективности к зданиям и сооружениям в части снижения удельного потребления энергоресурсов на 15 % до 2016 г., на 30% за 2016-2020 гг. и на 40 % после 2020 г.
Многие страны в последнее время реализовывают программы по энергосбережению. Большинство программ направлено на снижение энергетических потребностей новых поколений, сохранение энергоресурсов и улучшение окружающей среды. В Российской Федерации проблема энергосбережения также решается программно-целевыми методами. Разработанные программы, как правило, учитывают решение отраслевых проблем. Однако вопросы энергосбережения могут и должны рассматриваться и в территориальном аспекте применительно к городской территории и ее частям [6, 5]. Масштабное строительство новых производств об-
условливает необходимость проведения энергосберегающих мероприятий, учитывающих градостроительные особенности муниципальных образований, энергоэффективное размещение производителей и потребителей энергии, жилищной сферы в пространстве. Повышается значимость в осуществлении энергосбережения методами районной планировки, территориального планирования и архитектурно-строительного проектирования. В связи с необходимостью внедрения в проекты реконструкции городской застройки комплекса локальных и зонально-территориальных энергосберегающих мероприятий, вводится новое понятие — «энергетически эффективная реконструкция городской застройки», которая представляет собой процесс преобразования и обновления сложившейся городской застройки, обусловленный постоянным повышением требований энергетической эффективности.
Ключевым звеном энергоэффективной реконструкции городской застройки, учитывая неудовлетворительное техническое состояние значительной части жилых зданий, является проведение комплексной энергетической санации — капитального ремонта с реализацией энергетически обязательных мероприятий (Иллюстрация 1).
Для достижения максимальной экономии энергоресурсов при реконструкции городской застройки энергетическую санацию жилищного фонда необходимо осуществлять в комплексе с энергосберегающими градостроительными решениями.
Для решения задач энергосбережения в муниципальном образовании авторами предлагается методика энерге-
тически эффективной реконструкции городской застройки, которая включает 6 этапов (Иллюстрация 2).
Энергоэффективная реконструкция городской застройки проводится в целях обеспечения рационального использования энергетических ресурсов в процессе функционирования города и жизнедеятельности населения, формирования условий для энергетически эффективного производства и потребления энергии, а также для повышения энергетических стандартов элементов городской застройки — жилых и общественных зданий, источников теплоснабжения.
Реализация методики энергетически эффективной реконструкции городской застройки для г. Ростова-на-Дону
Этап 1. Согласно методике энергетически эффективной реконструкции городской застройки, приведенной на Иллюстрации 2, в рамках первого этапа предложенной методики произведена диагностика эффективности потребления тепловой энергии на территории г. Ростова-на-Дону на основе анализа структуры жилищного фонда и классификации зданий на группы с позиции энергетических характеристик — года постройки, этажности, материала стен [7, 13-16]. Для каждой группы зданий выбран перечень объектов-аналогов для проведения энергетического обследования и расчета энергетических паспортов [8]. По результатам расчетов жилищный фонд г. Ростова-на-Дону классифицирован по классам энергоэффективности, даны рекомендации по внедрению энергосберегающих мероприятий для различных типов зданий. Проведенные исследования в области энергосбере-
Мероприятия по капитальному ремонту
Энергетически обязательные Энергетически необязательные
Утепление кровель и чердаков Гидроизоляция кровель
Утепление фасадов Замена сантехнического оборудования
Замена окон и балконных дверей Облицовка кафелем кухонь и санузлов
Утепление перекрытий подвалов Пристройка новых или обновление балконов и лоджий
Обновление систем отопления и горячего водоснабжения Ремонт лестничных клеток
Обновление системы вентиляции Создание архитектурно-выразительных входов в здания
Обновление систем электроснабжения Обновление входных дверей квартир
4
Энергетическая санация
Иллюстрация 1. Классификация мероприятий по капитальному ремонту зданий с точки зрения энергосбережения
Выбор территории
-----
Этап 1. Диагностика эффективности потребления тепловой энергии на территории
- Анализ структуры жилищного фонда
- Классификация зданий с позиции технических и энергетических характеристик
- Энергетическое обследование и паспортизация
- Ранжирование объектов по уровню энергоэффекгивности
- Расчеты эффективности энергосберегающих мероприятий для различных типов зданий, оценка потенциала энергосбережения городской застройки
- Выбор приоритетных объектов
- Технико-экономическое обоснование мероприятий
Этап 2. Разработка сценариев энергосбережения
Пессимистический Базовый Оптимистический
Этап 3. Формирование предложений по выполнению требований энергосбережения
Этап 4. Мониторинг параметров энергетической эффективности городской застройки
- Актуализация данных
Анализ данных об источнике теплоснабжения - по энергетической эффективности - Электронное картирование параметров энергетической эффективности - Анализ генерального плана в части нового строительства
- Корректировка прогнозов и рекомендаций
Этап 5. Разработка градостроительных мероприятий по реконструкции городской застройки
Дефицит Резерв Баланс
Мероприятия по уменьшению тепловой нагрузки или увеличению производительности котельной Мероприятия по увеличению тепловой нагрузки или уменьшению производительности котельной Оценка перспектив развития территории на предмет изменения тепловой нагрузки
£
Этап 6. Разработка проекта энергоэффективной реконструкции городской застройки
: 1
Предложения по корректировке генеральных планов
Рекомендации по реализации программ капитального ремонта и энергосбережения
Выбор базовой стратегии энергосбережения в жилищном фонде
Иллюстрация 2. Методика энергетически эффективной реконструкции городской застройки
жения в жилищном фонде позволили оценить потенциал энергосбережения от реализации указанных мероприятий для различных типов зданий г. Ростова-на-Дону (Таблица 1).
С экономической точки зрения мероприятия по повышению энергетической эффективности многоквартирных зданий целесообразно проводить в рамках региональных и муниципальных программ капитального ремонта и модернизации многоквартирных зданий. Учитывая многоуровневый характер проблемы энергосбережения, комплексную энергетическую санацию жилищного фонда необходимо дополнять градостроительными энергосберегающими мероприятиями, охватывающими городскую территорию с расположенными на ней объектами недвижимости и источниками теплоснабжения.
Этап 2. Разработка сценариев энергосбережения. Для выполнения требований энергетической эффектив-
ности предусматривается три возможных сценария реализации энергосберегающих мероприятий в жилищном фонде — пессимистический, оптимистический и базовый (Таблица 2).
Этап 3. Формирование предложений по достижению целевых показателей.
Энергетическую санацию жилищного фонда предлагается проводить поэтапно в соответствии с темпами изменения требований энергоэффективности, для чего энергосберегающие мероприятия группируются следующим образом:
а) повышение тепловой защиты ограждающих конструкций (за исключением утепления стен);
б) повышение энергетической эффективности инженерных систем здания;
в) утепление наружных стен.
Таблица 1. Доля потенциала энергосбережения от проведения энергосберегающих мероприятий для объектов жилищного фонда г. Ростова-на-Дону
Период постройки Материал стен Этажность Класс энергетической эффективности Процент снижения потребности в тепловой энергии от проведения мероприятий
утепление стен утепление кровли утепление подвала обновление отопления и вентиляция замена окон обновление электроснабжения
До 1927 г. Деревянные, глинобитные 1,2 О/Е 7 1 3 19 1 10
Кирпичные, облицованные кирпичом 1 Е 23 4 10 13 1 4
2 Е 38 7 16 6 0 2
3...5 Е 15 3 6 10 4 2
1928-1945 гг. Кирпичные 1...3 Е 38 7 16 6 0 3
4...8 Е 19 3 8 17 7 2
1946-1957 гг. Кирпичные, блоки и несущие панели 1.3 О/Е 16 3 7 10 10 6
4.6 Е 15 3 7 17 4 1
1958-1970 гг. Кирпичные 1.4 Е 25 4 11 12 5 6
5.11 Е 16 3 7 14 6 2
Панельные 5...10 Е 11 2 5 25 7 1
1971-1980 гг. Кирпичные 1.4 Е 16 3 7 18 6 7
5...16 Е 17 3 7 16 6 2
Панельные, блочные 5.17 Е 11 2 5 25 7 1
1981-2000 гг. Кирпичные 1.4 О/Е 13 2 6 13 1 6
5.9 Е 15 3 7 12 6 1
10...19 Е 14 2 6 6 5 2
Панельные, блочные, монолит 4..9 Е 16 3 7 20 6 1
10..18 Е 14 2 6 9 7 1
После 2000 г. Кирпичные, панельные, монолитные 1..9 С 2 1 1 22 1 6
В/С 2 1 1 22 1 3
Таблица 2. Сценарии энергосбережения
Наименование Содержание
Пессимистический сценарий Предполагает проведение ремонтных работ в установленные сроки в объемах, предусмотренных программами капитального ремонта. Проведение энергосберегающих мероприятий ограничивается установкой приборов учета энергетических ресурсов, в результате чего прогнозируется незначительное повышение энергетической эффективности зданий, невыполнение требований энергетической эффективности
Оптимистический сценарий Заключается в одновременном выполнении комплекса энергосберегающих мероприятий в составе комплексного капитального ремонта. Оптимистический сценарий в полной мере обеспечит повышение энергетической эффективности отремонтированных зданий и выполнение требований энергетической эффективности. Однако такой сценарий вызовет затруднения со стороны жильцов в сборе средств и обуславливает потребность в софинансировании
Базовый сценарий Ориентирован на выполнение требований энергетической эффективности зданий и предполагает выполнение энергосберегающих мероприятий поэтапно, обеспечивая снижение удельного расхода энергоресурсов на 15, 30, 40% относительно базового уровня для всех зданий. Утепление фасадов рассматривается как дополнительное мероприятие для приоритетных объектов. Разделение требуемых ремонтных работ на этапы согласно периодам пересмотра показателей энергетической эффективности — 1 раз в 5 лет — позволит провести ремонты в максимально возможно короткие сроки с меньшей оплатой со стороны жильцов, чем в оптимистическом варианте
Иллюстрация 3. Алгоритм выбора энергосберегающих мероприятий для выполнения требований энергетической эффективности
В целях достижения целевых показателей энергосбережения в части сокращения удельного расхода тепловой энергии в зданиях разработан алгоритм выбора мероприятий по энергетической санации (Иллюстрация 3).
Для того, чтобы часть средств, затраченных на энергетическую санацию, окупилась в наиболее короткие сроки в виде уменьшения платы за энергоресурсы, на начальном этапе энергетической санации жилищного фонда приоритет отдается выполнению мероприятий по минимальному ремонту, обеспечивающему сокращение расхода тепловой энергии.
Этап 4. Мониторинг параметров энергетической эффективности жилищного фонда.
Мониторинг энергетических параметров жилищного фонда предполагает постоянное слежение за их изменением, сравнение с нормативными показателями, ранжирование зданий по энергетической эффективности и очередности проведения мероприятий по энергосбережению.
В связи с динамичностью градостроительных процессов в муниципальном образовании, отсутствием или нехваткой достоверных данных об объектах городской застройки и расположении объектов жилой не-
движимости на территории, принятие решений по развитию города, прогнозирование и мониторинг их результатов представляется весьма сложной задачей.
Градостроительные особенности муниципальных образований, в частности, пространственно-географический фактор, в полной мере учитываются при работе с геоинформационными системами (далее ГИС). Объекты энергосбережения — здания в городах — неравномерно рассредоточены на территории города, поэтому географический аспект в формировании системы мониторинга параметров энергоэффективности жилой застройки и формировании решений по реконструкции города не менее важен, чем численные показатели.
Основным направлением разработки системы мониторинга стало создание с использованием ГИС информационной модели повышения энергетической эффективности жилищного фонда, которая является основой создания тематических электронных карт, отражающих изменение энергетических параметров жилищного фонда в результате энергетической санации — классов энергетической эффективности, удельного потребления тепловой энергии. Разработанная информационная модель представляет собой совокупность географических и фактографических данных об объектах жилищного фонда, привязанную к электронной карте муниципального образования. Работы по мониторингу энергетических параметров жилищного фонда организовываются на основе расчета энергетических паспортов многоквартирных зданий, все изменения, полученные в ходе мониторинга, фиксируются на электронной карте.
Результаты мониторинга могут использоваться как основа для выработки рекомендаций и принятия решений
Таблица 3. Классификация энергосберегающих градостроительных мероприятий в соответствии с показателем загруженности источника теплоснабжения
P < 1 Дефицит тепловой энергии P > 1 Резерв тепловой энергии P = 1 Баланс
— Реконструкция котельной с увеличением или сохранением мощности — Снижение тепловой нагрузки в результате проведения энергетической санации зданий — Уменьшение тепловой нагрузки путем сноса или реконструкции зданий — Разуплотнение застройки — Переключение части тепловой нагрузки к другой котельной — Строительство дополнительной котельной, обеспечивающей прирост перспективной тепловой нагрузки — Полная ликвидация котельной с переключением нагрузки на другой источник — Реконструкция котельной с уменьшением или сохранением мощности — Снижение тепловой нагрузки в результате проведения энергетической санации зданий — Уплотнение застройки — Увеличение тепловой нагрузки за счет подключения дополнительных потребителей из числа существующих зданий или вновь возводимых объектов — Уплотнение застройки за счет строительства новых зданий или увеличения этажности — Вывод из эксплуатации, консервация и демонтаж избыточных источников тепловой энергии Анализ перспектив развития рассматриваемой территории и предполагаемого изменения тепловой нагрузки как за счет строительства новых объектов в зоне обслуживания, так и вследствие энергетической санации присоединенных зданий
Иллюстрация 4. Методика построения имитационной модели энергоэффективной реконструкции городской застройки
МОДУЛЬ 1 ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Информационная модель повышения энергетической эффективности многоквартирного жилищного фонда
МОДУЛЬ 2 ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Информационная модель энергетически эффективного освоения территорий
МОДУЛЬ 3 ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ
-Данные о муниципальных
котельных - Сведения о технических характеристиках и зонах ответственности
БЛОК
ПРОСТРАНСТВЕННОГО АНАЛИЗА
- Построение карты классов энергетической эффективности городской застройки
- Построение карты показателей загруженности и тех. состояния источников теплоснабжения
- Построение карты показателей энергетической эффективности территории реконструкции
- Зонирование территории по параметрам энергетической эффективности
БЛОК ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ
- Реализация энергосберегающих мероприятий в целях выполнения требований энергетической эффективности
- Принятие решений по развитию и реконструкции городских территорий с учетом необходимости энергосбережения
- Реконструкция котельных
- Переключение тепловой нагрузки к другой котельной
- Строительство дополнительной котельной
- Подключение дополнительных потребителей
по управлению развитием территорий для органов местного самоуправления, разработки и корректировки целевых программ по энергосбережению в жилищном фонде.
Этап 5. Разработка градостроительных мероприятий по реконструкции городской застройки.
Необходимость разработки и внедрения градостроительных энергосберегающих мер вызвана изменяющимися потребностями городской застройки в тепловой энергии вследствие реализации энергосберегающих мероприятий и преобразования городской застройки. Определить направление градостроительных мероприятий предлагается на основе расчета показателя загруженности источника теплоснабжения (формула 1):
Р = , (1)
^нагр
где дк — мощность котельной, Гкал/час; днатр — присоединенная нагрузка, Гкал/час.
В зависимости от значения показателя Р разработана классификация градостроительных мероприятий (Таблица 3).
Реализация градостроительных решений требует значительных инвестиций и затрат времени (стандартный проектный период 20-30 лет). Однако именно эти решения оказывают значительное влияние на уровень территориального энергопотребления.
Этап 6. Разработка проекта энергоэффективной реконструкции городской застройки. Разработанные энергосберегающие градостроительные решения могут выступать в качестве предложений по корректировке генеральных планов, реализации программ капитального ремонта и энергосбережения, основы для формирования базовой стратегии энергосбережения в муниципальном образовании.
Геоинформационное сопровождение энергоэффективной реконструкции городской застройки
В целях информационно-аналитического обеспечения энергетически эффективной реконструкции городской территории и разработки системы мониторинга энергетических параметров жилищного фонда, построена имитационная модель энергетически эффективной реконструкции городской застройки г. Ростова-на-Дону. Методика построения имитационной модели приведена на Иллюстрации 4.
Исходное состояние Условные обозначения
I Границы районов Кварталы города
Энергоэффективность жилищного фонда
Замена окон
Обновление системы отопления
Реконструкция систем электроснабжения и освещения
В результате комплексной санации
Иллюстрация 5. Пример реализации имитационной модели — повышение классов энергетической эффективности городской застройки г. Ростова-на-Дону в результате проведения энергосберегающих мероприятий
Имитационная модель реализована средствами ГИС (АгсвК Б8Ы) и включает в себя пространственную модель градостроительной системы с привязанными к ней потребителями и источниками теплоснабжения, базу данных технических характеристик и энергетических параметров жилищного фонда, алгоритм подбора энергосберегающих мероприятий для жилых зданий.
На Иллюстрации 5 показан пример реализации имитационной модели, в результате чего построены электронные карты изменения энергетических параметров территории после последовательного выполнения энергетически обязательных мероприятий для объектов жилищного фонда.
Постоянно действующая имитационная модель энергетически эффективной реконструкции городской застройки позволяет выполнять пространственный анализ процессов градостроительного освоения территорий с искусственной имитацией входных параметров, что дает возможность прогнозировать развитие территорий с учетом повышения их энергетической эффективности.
Заключение
По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований создана методика энергетически эффективной реконструкции городской застройки, которая позволяет разработать комплекс локальных и зонально-территориальных энергосберегающих мероприятий и оценить эффективность их реализации на основе мониторинга энергетических параметров территории.
Методика энергетически эффективной реконструкции городской застройки позволит муниципальным органам власти принимать эффективные управленческие решения по развитию и преобразованию городских территорий с учетом выполнения требований энергетической эффективности.
Статья подготовлена в рамках госзадания 2014/172 на проведение НИР на тему «Разработка теоретических и методических основ энергоэффективного строительства и реконструкции городской застройки», а также как часть НИР, выполняемой получателем стипендии Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов,
осуществляющих перспективные научные исследования
и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики на 2013-2015 гг.
Список использованной литературы
1 Трухачев Ю. Н. Общая теория градостроительных систем (методологическая концепция). Ростов н/Д, 2006.
2 Loginova V. A., Murashova E. V. Environmental aspects in the estimation of competitiveness of territorial economic systems // EuroEco-2012. Programm Abstracts of Annual International Symposium «Environmental, Engineering — Economic and Legal Aspects for Sustainable Living». Hannover, Germany, 2012. P. 82-83.
3 Sheina S., Fedyaeva P., Chulkova E. et al. Ecological aspects of energy conservation programmes // EuroEco-2010. Programm Abstracts of Annual International Symposium «Environmental, Engineering — Economic and Legal Aspects for Sustainable Living». Hannover, Germany, 2010. P. 111-112.
4 Sheina S., Martynova E. Environmental aspects of programme realization of energy saving in the housing stock in Rostov-on-Don // EuroEco-2013. Programm Abstracts of Annual International Symposium «Environmental, Engineering — Economic and Legal Aspects for Sustainable Living». Hannover, Germany, 2013. P. 85-86.
5 Реконструкция и обновление сложившейся застройки города : учебник. 2-е изд., перераб. и доп./под общ. ред. П. Г. Грабового, В. А. Харитонова. М., 2013.
6 Голованова Л. А. Основы формирования и оценки результативности региональной политики энергосбережения. Хабаровск, 2009.
7 Дмитриев А. Н., Монастырев П. В., Сборщиков С. Б. Энергосбережение в реконструируемых зданиях : учеб. пособие. Изд-во АСВ, 2008.
8 Шеина С. Г., Чулкова Е. В. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий в рамках реализации программы по энергосбережению в жилищном фонде г. Ростова-на-Дону // Инженерный вестник Дона. 2011. № 4.
