Характеристики экологической безопасности

Применительно к области строительства зданий и сооружений, оборудованных системами климатизации, экологически безопасной считается такая взаимосвязь здания и инженерных систем, которая на протяжении всего срока службы обеспечивает эффективную эксплуатацию объекта при соблюдении следующих условий:

• минимальные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, в частности, веществ, способствующих созданию парникового эффекта, глобальному потеплению, выпадению кислотных дождей;

• минимальные объемы потребляемой энергии из невозобновляемых источников, сокращение энергопотребления и энергосбережение;

• минимальные объемы твердых и жидких отходов, в том числе от ликвидации самого здания (сооружения) и утилизации частей инженерного оборудования по истечении срока службы и выработке ресурса;

• минимальное влияние на экосистемы окружающей среды по месту нахождения объекта;

• наилучшее качество микроклимата в помещениях здания, санитарно-эпидемиологическая безопасность помещений, оптимальный тепловлажностный режим, высокое качество воздуха, качественные акустика, освещение.

Рисунок 1. Жилой дом, обладающий признаками экологической безопасности: отопление и энергоснабжение обеспечиваются солнечными элементами, естественная вентиляция – посредством открываемых и регулируемых окон, при строительстве самого дома использовалось главным образом необработанное дерево

Если все перечисленное кажется перечнем благих намерений, вряд ли осуществимых в обозримом будущем, отметим, что, в частности, в Европе за последние 10–20 лет построено множество зданий, самых разных по типу и назначению, успешно доказывающих, что многие условия экологической безопасности можно осуществить уже сегодня, если на этапе разработки проекта отойти от традиционного разделения задач архитектора и инженера-проектировщика систем климатизации и самым тесным образом взаимодействовать с непосредственным заказчиком.

Общим признаком таких проектов стал отказ от существующего представления о необходимости использовать для обеспечения комфортных условий системы климатизации со всей их холодильной и тепловой мощью. Экологическое проектирование, напротив, предлагает «ввести природу в дом» (англ. «invite nature in») и использовать природные возможности, в том числе энергетические, настолько широко, насколько это возможно, сохранив за инженерными системами одну лишь задачу интеграции, и только в случае крайней необходимости.

В такой форме концепция экологически безопасного проектирования ведет к серьезной и подчас довольно глубокой переоценке архитектурной задачи, в буквальном смысле открывая двери широкому применению естественной вентиляции, солнечной радиации и другим возобновляемым источникам энергии так, чтобы само сооружение в известных пределах стало самообеспечиваемым благодаря использованию систем, регулирующих состояния его оболочки и параметров теплообмена с внешней средой. Механическим системам отводится, таким образом, чисто интегрирующая роль – компенсировать «провалы» и «пиковые» состояния, обусловленные экстремальными условиями температуры и влажности воздуха в зимний и летний периоды.

Рисунок 2. Жилой дом, где каждая квартира оборудована солнечной батареей, установленной вертикально непосредственно на фасаде. Система является дополнительным источником энергии для системы отопления и горячего водоснабжения

Задачи экологически безопасного проектирования

Обычное проектирование не может считаться экологически безопасным, поскольку целиком и полностью сводится к одному лишь поиску энергоэффективных инженерных систем, пусть даже с высокими стоимостными показателями. Между тем именно взаимосвязь здания с местными климатическими условиями с учетом предусматриваемых инженерных решений должно решить задачу его «экологической» привязки.

Задачи эти в первую очередь связаны с Киотским протоколом, а именно со стремлением сократить выбросы в атмосферу веществ, способствующих созданию парникового эффекта и перегреву планеты.

Рисунок 3. Пример организации естественной вентиляции на одном из этажей административного здания. На рис. А воздух поступает с одной стороны через открытую форточку в окне, проходит через помещение до противоположной стены, осуществляя его вентиляцию, и за счет естественной вытяжки выходит через соответствующий проем. На рис. Б вентиляция организована по иному принципу: один поток наружного воздуха отводится с той же стороны, где и забирается, а второй поток пересекает помещение так же, как и в первом случае

Задача сокращения вредных выбросов сегодня имеет первостепенное значение и более чем актуальна для экологически безопасного проектирования. Пути и методы ее реализации разнообразны. Очевидно, впрочем, что наиболее эффективным будет переход к широкому использованию естественных или возобновляемых источников энергии, таких так естественная вентиляция, солнечная радиация и другие природные источники. Для широкого распространения данных способов энергоснабжения потребуется переоценка подходов в первую очередь к строительному проектированию, нежели к оборудованию климатизации, после чего сама концепция проекта подскажет, каким типам оборудования отдать предпочтение с учетом отводимой им интегрирующей роли.

Имея выбросы в атмосферу порядка 500 г CO₂ на каждый произведенный кВт • ч (в Италии, где преобладают теплоэлектростанции), каждая сеть электропитания должна выбираться таким образом, чтобы она давала наивысшую производительность в типичном для конкретного проекта режиме эксплуатации.

Рисунок 4. Две диаграммы, на которых представлены доли энергопотребления, идущие на обеспечение разного рода служб административных зданий, расположенных в различных климатических зонах. В здании А основная часть энергоресурсов уходит на отопление и освещение. В здании Б превалирует освещение. Именно сравнительный анализ такого рода позволяет понять, на каких участках имеются резервы для сокращения и оптимизации энергопотребления (ASHRAE)

Более того, не менее 15 % энергии, предусмотренной для сжигания на объекте в течение года, должны давать возобновляемые источники (фотоэлектричество, тепло солнечной радиации, биогаз и т. д.).

Следующая актуальная задача – сокращение использования питьевой воды из водопровода, поскольку острая нехватка воды, особенно летом, в Италии вовсе не редкость. Сбор и использование дождевой воды (там, где это возможно) для технических целей, а также более умеренное использование водопроводной воды для второстепенных целей, представляют реальную альтернативу, которой можно воспользоваться при подготовке экологически безопасного строительного проекта. Расход воды вполне реально сократить на 30–40 % по сравнению с аналогичными зданиями традиционной концепции. Также можно предусмотреть утилизацию и повторное использование для технических целей сточных вод объекта.

К элементам экологической безопасности здания можно отнести рециркуляцию или первичную обработку хотя бы 60 % твердых бытовых отходов.

Непосредственно для строительства рекомендуется как можно шире использовать натуральные материалы без обработки или же обработанные веществами, которые не были бы вредными и не загрязняли окружающую среду, что позволит обеспечить высокое качество воздуха в помещениях и, следовательно, здоровье непосредственных пользователей данного здания.

Рисунок 5. Смещение пикового потребления электрической энергии холодильными машинами с дневного на ночной период требует использования холодильных систем накопительного типа, которые с учетом участившихся случаев нехватки электрической энергии в пиковый летний период становятся все более актуальными

Энергетический баланс

Чтобы строительный проект считался экологически безопасным, необходимо определиться с некоторыми основополагающими энергетическими показателями, соотносящимися с различными типами строений. В качестве примера в таблице представлены параметры, приведенные в «ASHRAE Fundamentals 2001», которые относятся к районам среднего запада и северо-востока США и представляют собой максимальные значения для административно-офисных зданий. Они определялись исходя из американских условий и, безусловно, не могут приниматься безоговорочно в странах Европы, где энергопотребление традиционно ниже.

Определение разумного энергетического баланса в зависимости от типа сооружения и местных климатических условий является общей задачей команды проектировщиков. Финансовые показатели экологичных объектов должны быть ниже не менее чем на 20–30 % по сравнению с аналогичными объектами традиционной концепции.

Учет влияния наружного климата

Такие обстоятельства, как местоположение объекта, архитектурный облик, географическая ориентация и конструктивные особенности здания оказывают существенное влияние на энергопотребление и должны рассматриваться коллективом проектировщиков во всей полноте с учетом долгосрочной перспективы.

Выбранное место строительства необходимо тщательно проанализировать с точки зрения использования возможных возобновляемых энергоресурсов (солнечная радиация, господствующие ветры, водоносные горизонты и т. д.), равно как изучить соседние и близлежащие объекты на предмет вредных выбросов.

В отношении ориентации считается нежелательной ориентация восток-запад, особенно при наличии остекления большой площади, во избежании значительных радиационных нагрузок и, как следствие, повышенных затрат энергии на охлаждение в летний период (1). В случае, если ориентация здания относительно господствующего ветра благоприятна для организации естественной вентиляции, требуется провести сравнительный анализ энергетических балансов и выбрать наиболее экономичный. Естественная вентиляция почти всегда предполагает ориентацию здания перпендикулярно направлению ветра, что позволяет полностью использовать силу и воздействие воздушных потоков как с наветренной (с положительным давлением на фасаде здания), так и с заветренной стороны (с отрицательным давлением на фасаде здания), способствующих естественной циркуляции воздуха в помещениях. Такая организация вентиляции предусматривает наличие открываемых окон с автоматическим регулированием. Часто применяются также двухслойные вентилируемые фасады, которые обеспечивают более эффективное регулирование параметров микроклимата в течение всего года (2) .

Важный вопрос, имеющий отношение к технологии строительства – проникновение водяного пара из внешней среды внутрь здания, что является причиной целого ряда проблем, обусловленных повышенной относительной влажностью воздуха: образованию плесени, появлению грибков и ухудшению качества микроклимата. Проникновение влажного воздуха в помещение можно регулировать, если поддерживать в здании некоторое избыточное давление по сравнению с внешней средой.

Таблица Энергетический баланс здания административного типа *

Наименование Максимальное расчетное значение Установленная мощность освещения (общая) 14 Вт/м2 Охлаждение воздуха в помещении 63 Вт/м2 Отопление помещений 67 Вт/м2 Производительность системы вентиляции 5 л/с • м2 Установленная электрическая мощность (общая) 48 Вт/м2 Тепловая мощность (общая) 95 Вт/м2 Годовое потребление электроэнергии 970 мДж/м2 Годовое потребление тепловой энергии 250 кДж/м2 • градусосутки

* По данным ASHRAE Fundamentals 2001.

Анализ тепловой нагрузки

Традиционные методы оценки тепловой нагрузки дают довольно приблизительную картину, ибо основаны на устаревших либо упрощенных моделях процессов тепломассообмена и совершенно недостаточны для использования при подготовке экологически безопасного строительного проекта. Для такого проекта, помимо прочего, требуется глубокий анализ взаимосвязи здания, людьми в этом здании и внешней средой. Для оптимизации проекта требуется выполнить детализированное компьютерное моделирование и точно рассчитать основные виды тепловой нагрузки и их взаимодействие. Деление тепловой нагрузки по видам (в частности, энергия, накопленная в конструкциях здания, теплопоступления от источников внутри здания и т. д.) позволяет оценить динамику ее изменения, модели поведения и определить взаимосвязи (3).

Чрезвычайно важно понять, каковы располагаемые источники энергии и как направлены тепловые потоки в здании. В этой связи можно выделить несколько типов диаграмм, помогающих определить ряд важных параметров и сделать выбор в пользу того или иного типа оборудования:

• диаграмма использования энергоресурсов для обеспечения различных служб здания: освещение, кондиционирование воздуха, отопление, вентиляция и т. п.;

• графики тепловой нагрузки и потребности в электричестве в течение дня с указанием пиковых периодов энергопотребления и совпадения по времени различных категорий;

• графики тепловой нагрузки, в течение расчетного периода представляющие динамику различных видов нагрузки, основные количественные показатели, проектные параметры.

Диаграммы распределения энергопотребления по различным пользовательским категориям позволяют установить участки, где потенциал сокращения потребления энергии наибольший.

Настолько же полезны и графики тепловой нагрузки для анализа динамики потребления в течение дня и за год. Они позволяют точно про-анализировать все факторы, влияющие на окончательный выбор типа используемого инженерного оборудования, а именно:

• пиковые периоды в течение дня и количественные показатели (различаются в зависимости от типа и назначения здания), которые могут подтвердить целесообразность применения, например, накопительной холодильной системы в целях сокращения электрической и холодильной мощности с переносом нагрузки на ночные часы, а в некоторых случаях служить основанием для использования ночного охлаждения здания;

• динамика потребления в течение расчетного периода или в годовом цикле с определением времени, требующегося для выхода на расчетные режимы и, наоборот, для перехода на частичную нагрузку (это особенно важно для выбора холодильной машины, энергетическая эффективность которой должна быть как раз выше именно в периоды частичной нагрузки, которые фактически оказываются наиболее продолжительными);

• динамика использования электрической и тепловой энергии (в свете возможного использования комбинированного производства тепловой и электрической энергии).

Важное значение для построения реальных графиков тепловой нагрузки имеет учет теплоустойчивости здания, которая может влиять на динамику тепловой нагрузки и в ряде случаев позволяет снизить потребление энергии.

 

(1) Задача оптимизации формы и размеров здания с учетом теплоэнергетического воздействия наружного климата была впервые решена в нашей стране М. М. Бродач и изложена, например, в работах: Бродач М. М. Теплоэнергетическая оптимизация ориентации и размеров здания. Научные труды НИИСФ. Тепловой режим и долговечность зданий. – М., 1987; Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2002. – Примеч. ред.

(2) Следует отметить, что в настоящее время у специалистов к таким конструкциям сложилось неоднозначное отношение. Наряду с достоинствами, концепция двухслойного фасада имеет и ряд недостатков. См., например, статьи: Гагарин В. Г. О некоторых теплотехнических ошибках, допускаемых при проектировании вентилируемых фасадов // АВОК. – 2005. –№ 2. Гагарин В. Г. Расчет характеристик теплозащиты фасадов с вентилируемым воздушным зазором // АВОК. – 2004. –№ 2, 3. Гертис К. Имеют ли смысл, с точки зрения строительной физики, новые разработки фасадов? // АВОК. – 2003. – № 7, 8; 2004. –№ 1. – Примеч. ред.

(3)Научные основы проектирования энергоэффективных зданий, и, в частности, системный анализ здания как единой энергетической системы были разработаны в нашей стране более 20 лет назад Ю. А. Табунщиковым и опубликованы в работе: Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. – М. : Стройиздат, 1986. Методология проектирования энергоэффективных зданий должна основываться на системном анализе здания как единой энергетической системы, все элементы которой – форма, ориентация, ограждающие конструкции, солнцезащитные устройства, система климатизации и т. д. – энергетически взаимосвязаны между собой. Представление энергоэффективного здания как суммы независимых инновационных решений нарушает принципы системности и приводит к потере энергетической эффективности проекта.

Рисунок 6. Абсорбционная холодильная машина на природном газе (с открытым пламенем) с градирней. Такие машины потребляют минимум электроэнергии и успешно компенсируют пиковые разборы электричества в сети

Технологии экологической безопасности

За последнее десятилетие и ранее было разработано немало технологий, способствующих существенному увеличению экологической безопасности проектов. Рассмотрим лишь основные технологии экологической безопасности, упомянув известные сильные стороны и имеющиеся ограничения.

Утилизация тепла удаляемого воздуха для подогрева приточного.

Наиболее широко применяются следующие основные четыре типа теплоутилизаторов: пластинчатые перекрестноточные теплообменники, теплообменники с тепловой трубой, роторные рекуператоры и отдельные теплообменники, соединенные промежуточным гидравлическим контуром с циркуляционным насосом. Для первых трех типов необходимо, чтобы потоки приточного и удаляемого воздуха сближались в фазе теплообмена. Система на основе отдельных теплообменников позволяет развести потоки приточного и удаляемого воздуха и предотвратить «короткое замыкание» рабочих контуров.

Рисунок 7. Топливные элементы, использующие природный газ для производства тепловой и электрической энергии без вредных выбросов в атмосферу. Пока еще технологически «сырые», в настоящий момент проходят испытания

Использование тепла солнечной радиации.

Широчайший опыт, накопленный в области солнечных технологий в странах с различными географическими и климатическими условиями, вполне самодостаточен и не требует комментариев. Указанные системы в экологически безопасном строительстве представляют собой очевидную альтернативу традиционным технологиям, хотя и требуют специфического специализированного обслуживания на этапе эксплуатации.

Системы с регенерацией тепла.

Под это определение подпадают различные технологии, существенно отличающиеся друг от друга, такие как теплонаносные водяные системы закрытого типа, системы на основе холодильных машин с регенерацией тепла, VRF-системы с регенерацией тепла. Общим для всех указанных технологий является принцип передачи тепла из зоны, где оно избыточно, в зону, требующую подогрева. Передача или интеграция недостающего тепла либо нейтрализация избыточного тепла осуществляются разными способами в зависимости от типа установленного оборудования. Все такие системы весьма эффективно используют энергоресурсы и обеспечивают довольно высокий КПД. Надежность и эффективность систем подтверждена многолетним опытом.

Холодильные системы накопительного типа.

Для этих технологий (известных и широко используемых не один десяток лет) наиболее интересным на сегодня представляется смещение пикового разбора электроэнергии оборудованием климатизации с дневного на ночной период. Это значительно снижает риски критической перегрузки электросети, и даже если происходит отключение, система продолжает работать от резервных электрогенераторов, мощности которых для питания одних только насосов вентиляторов вполне достаточно. Кроме того, накопительные системы позволяют снизить установленную электрическую и холодильную мощность по сравнению с обычными системами и, как следствие, существенно сократить фиксированную затратную часть, идущую на оплату услуг энергетической компании. Справедливости ради отметим, однако, что такие системы создают дополнительные сложности в части конфигурации гидравлических контуров, а также выделения площадей и эксплуатации накопительных резервуаров.

Рисунок 8. Вид экологичного квартала на юге Лондона

Теплонаносные системы.

Как и в случае систем использования тепла солнечной радиации, накопленный опыт и видовое разнообразие здесь самые широкие. Из последних новинок выделим системы использования низкопотенциального тепла грунта, отбираемого посредством геотермальных скважин или горизонтальных грунтовых теплообменников неглубокого залегания. Теплонасосные системы использования низкопотенциального тепла грунта, а также системы, использующие водоносные горизонты, обеспечивают высокий КПД, что делает их очень перспективными.

Абсорбционные системы.

Являются на сегодня, пожалуй, единственными, обеспечивающими полное кондиционирование с использованием, главным образом, тепловой энергии или природного газа с минимальной долей затрат электроэнергии. В модификации с тепловым насосом обеспечивают эффективное отопление объекта в зимний период. Помимо всех прочих, основным их преимуществом на сегодня считается тот факт, что они требуют минимального потребления электрической энергии, с которой Италия в последнее время испытывает серьезные проблемы.

Рисунок 10. Вид нового здания компании Браун (Германия)

Автономная выработка электрической энергии.

Фотоэлектрические системы (солнечные батареи) все чаще применяются для нейтрализации дефицита электричества в административных зданиях. Энергия вырабатывается непосредственно на объекте, излишки передаются в городскую электросеть. Фотоэлектричество считается ныне вполне состоявшейся технологией, эффективность которой растет год от года, хотя используемая чаще всего установленная мощность устройств не превышает 50 кВт.

Топливные элементы.

Остаются в настоящий момент еще технологически «сырыми» и проходят экс-плуатационные испытания. Реально их появление можно ожидать на рынке в среднесрочной перспективе, если подтвердятся ожидания в части эффективности, и будет снижена их немалая стоимость [Подробнее о топливных элементах см. статью: Бродач М. М., Шилкин Н. В. Использование топливных элементов для энергоснабжения зданий // АВОК. – 2004. –№2, 3.].

Системы комбинированного про-изводства тепловой и электрической энергии с микротурбинами.

Отличаются очень высокой эффективностью в части использования первичной энергии и могут рекомендоваться для малых и средних систем.

И, наконец, комбинированные системы, осуществляющие одновременное производство электроэнергии, тепла и холода (если существует реальная потребность такого комбинирования) также обеспечивают эффективное преобразование первичной энергии.

Рисунок 9. Принципиальная схема распределения тепловых потоков, наружного воздуха и работы систем климатизации в типовых жилых домах экологичного квартала Лондона

Пример экологически безопасных строительных проектов

Будучи совершенно разными по месту нахождения, назначению и масштабам, оба проекта, краткое описание которых приводится ниже, наглядно демонстрируют, насколько далеко простираются возможности экологического проектирования, и насколько может трансформироваться концептуальное представление о строительном объекте, снизиться его отрицательное влияние на окружающую среду без ухудшения комфорта пользователей.

Экологичный квартал.

Целый квартал из 83 жилых и нежилых строений, занимающий 3 000 м2 площади для различных видов деятельности и расположенный на юге Лондона, является доказательством того, как можно обеспечить хороший уровень экологической безопасности в строительстве – при тех же строительных объемах затратная часть проекта весьма умеренная. Заслуга принадлежит компании, широко использовавшей естественную вентиляцию, солнечные коллекторы и фотоэлектрические панели (солнечные батареи), эффективную теплоизоляцию, а также биогазовую систему комбинированного производства электрической и тепловой энергии. Еще одна технологическая особенность – различная ориентация жилых и нежилых помещений: все рабочие помещения ориентированы на север, в зимний период частично используют тепло, генерируемое офисным оборудованием, и не подвергаются воздействию солнечной радиации летом, вследствие чего для их охлаждения достаточно одной естественной вентиляции.

В результате город получил квартал, где жилые дома не требуют ни традиционных систем отопления на ископаемом топливе, ни систем кондиционирования воздуха. Отличный пример экологичного проектирования, вызвавший огромный интерес со стороны экологических организаций, специализированных институтов и широкой общественности.

Комбинированная вентиляция сокращает расходы

Новое здание компании Браун в г. Кронберг (Германия) также можно отнести к экологически безопасным зданиям, поскольку его проект предусматривает целый ряд энергосберегающих технологий: двухслойные наружные ограждающие конструкции с остеклением, комбинированная вентиляция (естественная регулируемая через открываемые окна с механическим приводом в помещениях по периметру здания и механическая в помещениях, расположенных в центральной части здания), отопление и охлаждение на основе излучающих панелей, регулируемые солнцезащитные устройства (жалюзи с механическим приводом). Все элементы зависят от системы управления инженерным оборудованием здания, которая в зависимости от требуемых параметров микроклимата для того или иного помещения обеспечивает минимальное энергопотребление. При этом пользователи имеют все возможности для ручной регулировки открывания окон и управления солнцезащитными устройствами. Атриум играет важную роль для регулировки микроклимата – за счет той же естественной вентиляции и светопропускающих панелей с механическим приводом на крыше. Открывание панелей выполняется по сигналам датчиков уровня СО2 в воздухе помещений, а забор наружного воздуха осуществляется через воздухозаборники, организованные по периметру здания на нулевом уровне. Воздухозаборники соединены с воздуховодами, углубленными в грунт примерно на три метра, и за счет этого система работает как грунтовой теплообменник, который осуществляет предварительный подогрев воздуха зимой и охлаждение летом.

Естественно, не обошлось и без системы климатизации. Она состоит из кондиционера с чиллером с воздушным охлаждением на крыше и станций воздухоподготовки. Воздушные каналы проложены под полом помещений. Имеется теплообменник, обеспечивающий утилизацию тепла удаляемого воздуха. Система кондиционирования запускается по потребности.

Для охлаждения используются охлаждающие потолки, на которые подается вода, охлажденная до 19 °С. Лучистое охлаждение позволяет успешно компенсировать довольно высокую температуру воздуха в помещении, которая в любом случае не поднимается выше 28 °С. На зимний период потолочные излучающие панели переводятся в режим отопления. В качестве источника тепла при необходимости используется централизованная система теплоснабжения.

Рисунок 11. Функциональная схема систем кондиционирования здания компании Браун. Атриум играет важную роль для стабилизации температурного режима

Заключение

Описанные выше системы составляют технологическую базу, обеспечивающую уже сегодня реализацию задач экологически безопасного проектирования системы взаимодействия здания и инженерных сетей. Выбор определяется конкретными требованиями, предложенными условиями, назначением объекта, имеющимися в распоряжении финансовыми средствами и ожиданиями заказчика. По существу, в определении экологичности проекта последнее играет решающую роль. Нередко именно заказчик – желает ли он создать себе определенный имидж, или действительно обеспокоен состоянием окружающей среды, или по иным неведомым причинам – принимает решение в пользу экологически безопасного проектирования.

И еще раз следует подчеркнуть, что, как отмечалось выше, при подготовке экологически безопасного строительного проекта недостаточно довериться какой-либо одной технологии или системе, какой бы замечательной она ни была. Необходимо, чтобы здание проектировалось, исходя из критериев экологичности, отвечающих конкретным проектировочным задачам в отношении систем климатизации. Иначе говоря, здание, возведенное по традиционному проекту, вряд ли будет экологически безопасным, какие бы современные технологии в нем не использовались.

 

Источник: Журнал АВОК