"энергетический след" как фактор формообразования и градостроительства

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 711.4

А.Н. РЕМИЗОВ, архитектор

НП «Совет по «зеленому» строительству»

«Энергетический след» как фактор формообразования и градостроительства

«Энергетический след» жителей города в современных индустриальных городах больше, чем обычно предполагается, если сложить все виды энергии, необходимой для обеспечения жизнедеятельности человека, включая производство продовольствия и транспорт. В постуглеродном мире без использования ископаемых источников энергии потребуются большие площади для удовлетворения всех человеческих потребностей в производстве энергии и питания. В статье содержится концепция проектирования городов и формообразования зданий, которая включает в городскую черту энергетический след человека, состоящий из энергии, необходимой для обеспечения жизнедеятельности и транспорта, а также производства продуктов питания. Эти предложения выявляют строгую зависимость формы зданий и планов городов от той энергии, которую они вырабатывают, накапливают и потребляют, что может стать отправной точкой для разработки концепций новых городов и территорий, основанных на способе производства энергии и ее использования. Одной из возможных областей применения этого подхода может стать проектирование убежищ и городов с нуля для сотен тысяч беженцев, например после природных катастроф, а также как градостроительная программа для развития пригородных территорий существующих городов и строительства новых городов.

Ключевые слова: энергетический след, энергия, жизнедеятельность человека, постуглеродный мир, градостроительство, экологическое строительство, энергоэффективное строительство.

A.N. REMIZOV, Агchitect,

An «Energy Trail» as a Factor of Form Making and Urban Development

An "energy trail" of city residents in contemporary industrial cities is more than usually assumed, if to sum all the types of energy required for providing the human activity including production of food and transport. In the post-carbon world, without the use of fossil energy sources, large squares will be required for meeting all human needs in production of energy and food. The article contains the concept of city design and form making of buildings which includes in the city boundary the «energy trail» of a human being consisting of the energy required for providing the human activity and transport as well as production of food. These proposals reveal the strong dependence of buildings forms and city plans on the energy which they produce, accumulate and consume that can be starting point for developing the concepts of new cities and areas based on the method for energy production and its use. One of possible areas for using this approach can be design of shelters and cities from scratch for hundred thousands of refugees, for example, after natural disasters and also as an urban development program or development of suburban areas of existing cities and construction of new cities.

Keywords: energy trail, energy, human activity, post-carbon world, urban development, green construction, energy efficiency.

Согласно докладу ООН (United Nation Population), к 2050 г. население Земли увеличится на 3,3 млрд чел. и достигнет 9,5 млрд. Наибольший прирост населения ожидается в развивающихся странах. Учитывая, что площадь земного шара составляет 148 млн км2, средняя плотность населения теоретически составит 64 чел. на 1 км2, или соответственно на каждого жителя Земли придется по 1,6 га.

Это очень небольшая площадь, учитывая, что территория должна включать не только место, где человек живет, но и его «экологический и энергетический след» (пахотные земли, пастбища, леса, промысел, топливо, застроенную территорию, необходимую для поддержания жизни), который значительно больше мест непосредственного проживания. Хотя вышеприведенная плотность населения может оказаться ниже, есть еще три других обстоятельства, осложняющих возможность точного прогнозирования: сможет ли все население Земли жить достойно, с полноценным питанием и перспективой достичь лучших условий жизни в будущем.

82016 ^^^^^^^^^^^^^

Во-первых, как можно проследить из существующей тенденции, народонаселение будет увеличиваться, в основном в городах и вокруг городов как мест, обеспечивающих большую занятость, сервис и благосостояние.

Во-вторых, только 15% территории суши пригодно для пахоты, если использовать традиционные сельскохозяйственные методы.

В-третьих, с истощением ископаемых источников энергии все большие потребности в энергии будут покрываться за счет возобновляемых источников энергии, которые хотя и имеются в изобилии, покроют большую часть суши и водных просторов (вода, солнце, биомасса из водорослей), если только не будут использоваться возможности накопления и преобразования энергии самими зданиями и городами.

«Человеческий след» станет самым большим вызовом устойчивому будущему на этой планете, и решения будут основываться на нетрадиционных приемах проектирования зданий, планирования городской и пригородной среды с учетом производства энергии, продуктов питания и кормов.

- 13

Градостроительство и архитектура

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Если человечество не сможет решить проблему энергетической самодостаточности, у нас не будет достаточно пространства, энергии и пищи для всех людей. И так как люди будут жить в городах, город именно то место, где с этой проблемой придется столкнуться прежде всего [1—4].

Первым ответом на этот вызов будет энергоавтономный город и энергоавтономное здание. Для этого потребуется перейти от планирования, основанного на зонировании территории, к проектированию мультифункционального здания, района, поселения, города, позволяющему по-новому взглянуть на расселение на Земле. Этот подход основан на мировоззрении единства человека и природы, сохранении экологии Земли и рассматривает удовлетворение энергетических потребностей как основу планирования и проектирования.

Проектируя здание, район или город, необходимо принимать во внимание не только место строительства, но и «энергетический след», связанный с его использованием. В то же время градостроительство будет становиться все более комплексным в связи с быстро растущими городскими взаимосвязями. В градостроительстве с каждым годом возрастает сложность городских коммуникаций. Городскую территорию следует рассматривать как комплексную систему. Известно, что лучшим качеством комплексной системы является способность к самоорганизации. С точки зрения проектирования это означает, что городская среда должна быть разработана таким образом, чтобы люди, населяющие ее, вместе со структурами ее формирования, могли бы взаимодействовать для направления развития города по пути удовлетворения изменяющихся потребностей (включая энергетику) [4-9]. Биологическая эволюция показывает, что это качество достижимо, если поток энергии постоянно проходит через систему, создавая новые структуры, т. е., когда структуры системы не являются «жесткими».

В случае с нефтью и газом мы говорим о форме энергии, которая не может использоваться в том же месте, где добывается. Ее должны производить в специально отведенных местах (подверженных загрязнению и опасных) вдали от города, а затем доставлять в город. Энергетическая сеть, основанная на ископаемых источниках энергии, должна рассматриваться как «жесткая» структура.

Из этого можно заключить, что изменение вида энергии, которую люди используют, переходя от ископаемых видов энергоресурсов к обществу с возобновляемыми ресурсами, является проблемой нашего времени и целью городского планирования. Это сильно влияет также на формообразование зданий и городских территорий, так как изменение вида энергии меняет и форму сооружений и города в целом. Это означает, что необходимо преодолеть традиционное городское планирование, основанное на различии функций (жилье, энергетические объекты, торговые зоны, транспорт и т. д.) к модели, построенной на интеграции мест потребления и мест производства. Эта модель должна иметь энергетические технологии, которые могут приспосабливаться к нуждам потребителей. Эти положения можно также отнести к отдельным зданиям. В России примером такого подхода может служить проект энергоавтономного биоклиматического здания «Ковчег» архитектурной мастерской Remistudio [10]. Конструкция здания является единой энергетической системой, работающей на энергии от возобновляемых источников и на

энергии, вырабатываемой самим зданием. Архитектурная форма продиктована энергетическими задачами и биоклиматическими решениями по созданию здорового микроклимата внутри. Такие здания вырабатывают избыточную энергию, снабжая ею «зеленый транспорт» и прилегающие здания. Все отходы перерабатываются внутри методом бескислородного пиролиза. Наиболее важной задачей при переходе на альтернативные источники энергии становится не столько производство, сколько рациональное использование и аккумулирование энергии. В «Ковчеге» предусмотрены сезонные накопители энергии в виде тепловых, электрических и водородных аккумуляторов. Жизнеобеспечение таких зданий не зависит от внешних погодных условий.

Отсутствие выбросов СО2 при эксплуатации и утилизация всех отходов внутри позволили спроектировать такие здания на водной поверхности, что должно привести к еще большей свободе в расселении людей на суше и воде. Стоит отметить, что этот проект получил первое место на международном конкурсе в США по радикальным инновациям в архитектуре гостиниц и был отобран от России Академической комиссией Конгресса Международного союза архитекторов в Токио для презентации и устного доклада.

Современная эпоха предлагает нам большие технологические возможности, предоставленные возобновляемыми источниками энергии, средствами накопления и трансформирования различных видов энергии, которые делают цель достижимой, открывая новые перспективы в проектировании зданий и городов. Когда говорят о возобновляемых источниках энергии, подразумевают технологии, позволяющие трансформировать энергию солнца и тепла в электро- и термоэнергию с помощью прямого (солнечная энергия) или косвенного (ветер и биомасса) процесса трансформации. Эти технологии можно классифицировать в соответствии с иерархией, которая оценивает возможность их применения как можно ближе к месту потребления и возможность удовлетворять любые требования.

Можно построить иерархию, где на первый план будут выдвинуты способы сохранения и преобразования энергии. Среди технологий производства энергии энергия, вырабатываемая самим зданием, займет первое место при наличии аккумуляторов и преобразователей энергии; фо-товольтаика займет второе место, так как она может быть интегрирована в оболочку здания и может производить электричество для всех служб здания. Также в оболочку здания могут быть интегрированы солнечные коллекторы, но они производят вид энергии менее важный, чем электричество.

Если перейти от оболочки здания (геометрический след) к территории города, то заметна возможность применения других энергетических технологий в этом месте (функциональный след здания). Здесь возможно также получение энергии из ветра и биомассы. В то же время развитие технологий позволяет увеличить урожайность пищевой продукции. Например, высокотехнологичные теплицы производят больше продовольствия, чем производится на открытом грунте.

Как же эти технологии влияют на градостроительство?

Предлагается в качестве исходных данных использовать «энергетический след человека» при планировании и проектировании города с его энергетическими потребностями.

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Таблица 1

Модель потребления

Вид потребления Потребность в энергии, кВтч/год на чел. Выработка энергии, кВтч/м2 в год

Фотоэлементы

100 200 112,5 4,2

Требуемая площадь, м2/чел.

Электричество 1461 14,6 7,3 - -

Отопление/охлаждение 3002 30 15 26,7 720

Питание 1168 - - - 300

Частный транспорт Городской транспорт 3823 - - - 918

Пригородный транспорт 10195 - - - 2447

Общественный транспорт Городской транспорт 637 - - - 153

Пригородный транспорт 1023 - - - 246

Электротранспорт Городской транспорт 657 6,6 3,3 - -

Пригородный транспорт 1056 10,6 5,3 - -

Таблица 2

Энергетический след человека

Потребности кВт/год Энергетический след Площадь, м2

Еда 1168 Поле 300

Теплица 100

Энергетические нужды 4463 Ветрогенераторы 7,5

Фотоэлементы 14,6

Солнечные тепловые коллекторы 5,2

Биомасса 210

Транспорт

частный 14018 Биомасса 2600

общественный 1660 Биомасса 500

электрический 1723 Фотоэлементы, ветрогенераторы 26

При определении «энергетического следа» для упрощения рассмотрения вопроса, которое не повлияет на общие выводы, остановимся на потребностях жителей в энергии и питании. «Энергетический след» может быть определен как сумма площадей, необходимых для производства электрической и тепловой энергии от возобновляемых источников, и как сельскохозяйственная площадь для производства продуктов питания.

Чтобы подсчитать количественное значение «энергетического следа» человека, обратимся к некоторым параметрам, в частности к потреблению энергии, которые типичны для современных больших городов развитых стран Европы. Во-первых, учтем энергетические потребности каждого человека, включая питание. Во-вторых, подсчитаем способность основных возобновляемых источников (солнце, вода, биомасса) производить энергию, которая будет соотнесена с потребной площадью (плотность мощности, кВтч/м2). Соотношение второго (кВтч в год на м2) с первым (кВтч в год на человека) определим как «энергетический след человека» (м2 на человека). Цель состоит в том, чтобы сделать видимым, что площадь, необходимая для создания самодостаточной и устойчивой городской среды и энергоавтономных экоустойчивых зданий, гораздо больше, чем та, которая воспринимается как «полезная» в традиционном планировании.

Можно рассмотреть энергетическую потребность города (кВт-ч/год) в зависимости от числа жителей на м2. Эта энергия может быть произведена за счет объема здания и

8'2016 ^^^^^^^^^^^^^

дополнительной площади (энергетический след) которая является участком, чьи размеры и форма зависят от используемой технологии. Каждая отдельная технология, в зависимости от эффективности, представлена фактором, позволяющим переводить энергетический запрос в территорию (это площадь, необходимая для производства и накопления определенного количества энергии с использованием конкретной технологии).

Эти участки производства энергии должны быть достаточно большими для покрытия всех энергетических потребностей города. Конечно же, эти участки являются неотъемлемой частью формы здания и города. Форма и площадь могут зависеть от вида производства энергии, обеспечивая соответствующие объемные объекты (технологии и формы).

Таким образом, структура города должна включать как участки потребления, так и участки производства. Эти включенные участки устанавливают границы города с учетом включения «энергетического следа» человека. Если применить этот упрощенный метод к потреблению и сохранению энергии сегодня, то получим интересные результаты.

Отправной точкой будет подсчет энергетических потребностей человека в типичном городе в промышленно развитой стране. Рассмотрим питание (также в энергетическом смысле), энергию для производства электричества, отопления или охлаждения и энергию для транспорта.

Основания для расчета (табл. 1). Площадь помещения для проживания 25 м2/чел.; годовое потребление энергии для отопления и охлаждения зданий 100 кВтч в год на м2;

- 15

Градостроительство и архитектура

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

ежегодное потребление электроэнергии 1 МВтч на человека; питание 3,2 кВтч (2700 ккал) в сутки; транспортные потребности 15 км в день (внутригородские) и 40 км в день (пригородные). Общественный и частный транспорт работает на 100%-м биотопливе. Потребление частного автомобиля 7 л на 100 км; электрического автомобиля - 100 кВтч на 10 км. Сельскохозяйственные продукты: выход энергии 150 ГДж/га в год. Выход энергии ветра предполагает площадь, равную площади области ротора.

Отталкиваясь от вышеприведенных значений потребности в энергии, необходимо рассмотреть различные варианты производства энергии в соответствии с требуемой площадью (табл. 2). Опираясь на эти результаты, возможно структурировать городские территории завтрашнего дня исходя из технологии производства и сохранения энергии. Таким образом можно объединить энергетические вопросы и вопросы проектирования и градостроительства в единой форме с учетом и традиционных инструментов проектирования.

На основании вышеизложенных данных можно сделать некоторые выводы, которые создают совершенно иную модель для проектирования зданий, городского планирования и территориального развития, если «энергетический след» будет в пределах 1000 м2 на человека.

1. Из-за крайне низкой эффективности использования энергии города должны быть свободны от автомобилей, работающих на двигателях внутреннего сгорания. Более того, площадь парковочного места достигает 20 м2 на один автомобиль около дома и 20 м2 около работы.

2. Прогноз энергетического спроса на электроэнергию, отопление и охлаждение показывает больший рост потребления, чем сегодня. Потребуется более радикальный подход к энергоэффективности новых и реконструируемых зданий, разработка мер по рациональному использованию и аккумулированию энергии зданиями и городами в различных формах.

3. Существующая модель производства продуктов питания в индустриально развитых странах не может в дальнейшем развиваться. Сложный и тяжелый переход к производству продуктов питания, который потребует меньший сельскохозяйственный след, будет неизбежен, что ставит под сомнение современные тенденции разведения крупного рогатого скота для производства молока и мяса.

Использование «энергетического следа» человека в проектировании и градостроительстве предполагает следующие рекомендации.

1. По возможности возобновляемые источники энергии должны показывать высочайшую эффективность использования объема здания и территории города, интегрируясь в здания и городскую ткань, занимая как можно меньше площади (солнечные крыши), применяя тройное использование земли (рассредоточивая солнечные фермы, ветро-генераторы и тепловые насосы). Сохранение и накопление энергии выходят на первый план.

Список литературы

1. Корчагина О.А., Островская А.А., Юдина О.А., Илясо-

ва О.И. «Зеленое» строительство // Components of seien

tific and technological progress. 2013. № 3 (18). С. 42-45.

2. Ремизов А.Н. Архитектура и экоустойчивость: сложность взаимоотношений // Жилищное строительство.

2015. № 1. С. 45-48.

2. Использование биомассы для производства энергии не будет иметь долгосрочной перспективы из-за увеличения потребности в энергии и питании. Значительный рост урожайности может быть достигнут в теплицах, вертикальных фермах или в океане на фермах по разведению морских водорослей.

3. Так как производство электроэнергии из ветра, солнца, геотермальных источников наряду с сохранением энергии зданиями и городами имеет наивысший потенциал и эффективность при использовании земли, должен произойти переход от способов производства энергии к ее рациональному использованию и накоплению в сезонных аккумуляторах, заменив, в частности, транспортировку энергоресурсов.

4. Эффективные методы ведения сельского хозяйства на плодородных землях в городе и на окраинах и использование технологичных теплиц могут снизить напряженность в производстве продуктов питания.

Эти выводы можно рассматривать как набор требований для городского планирования и проектирования зданий, которые не соответствуют классическому подходу в градостроительстве с приоритетом планирования городов с высокой плотностью населения. Новый подход имеет преимущество в энергонезависимости и гибкости планировочных решений. Города сегодня еще развиваются по другому пути. Из-за перегруженности и несовершенной технологии автомобилей энергетическая эффективность частных поездок находится на самом низком уровне, и среда обитания городов давно уже не служит местом жизни людей и создает огромное количество вынужденных поездок. Продажа товаров все чаще происходит в агломерациях огромных торговых центров в периферийных районах города, которые доступны только для частного автотранспорта.

Форма города будущего должна учитывать паттерн, который включает энергетический след в городскую ткань. Паттерн должен быть разработан с учетом баланса потребления и производства энергии.

Эта модель должна учитывать плотность населения (от которой зависит интенсивность потребления энергии) и «энергетический след», связанный со всей городской территорией. Следует отдавать предпочтение градостроительным решениям, которые, во-первых, выбирают технологии получения энергии, создающие хорошее качество жизни в городе; во-вторых, используют те энергетические технологии, которые сокращают расстояние между потребителями и местом производства.

Такого рода «пространственный» и энерготехнологический паттерн может рассматриваться как отправная точка для разработки градостроительных планов и проектирования зданий, которые также должны соответствовать всем другим потребностям традиционного городского планирования и архитектурного проектирования зданий.

References

1. Korchagina O.A. Ostrovskaya A.A. Yudina O.A. Ilyasova O.I.

«Green» construction. Components of scientific and

technological progress. 2013. No. 3 (18), рр. 42-45. (In Russian).

2. Remizov A.N. Architecture and Eco-sustainability -

Complexity of Relationship. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing

Construction]. 2015. No. 1, рр. 45-48. (In Russian).

Научно-технический и производственный журнал

3. Цицин К.Г. Энергоэффективные технологии - будущее 3. жилищного строительства // Эффективное антикризисное управление. 2013. № 2 (77). С. 50-51.

4. Данилов С.И. Активный, потому что пассивный и умный 4. // Инициативы XXI века. 2011. № 4-5. С. 72-83.

5. Бунина О.А. Состояние и перспективы развития объ- 5. ектов «зеленого» строительства в городе Ставрополе

// Современные наукоемкие технологии. 2009. № 3. С. 50-51.

6. Ремизов А.Н. О стимулировании экоустойчивой архи- 6. тектуры и строительства // Жилищное строительство. 2014. № 3. С. 41-43.

7. Есаулов Г. В. Устойчивая архитектура как проектная 7. парадигма (к вопросу определения) // Труды международного симпозиума «Устойчивая архитектура: настоящее и будущее». 17-18 ноября 2011 г. Научные труды Московского архитектурного института (государственной академии) и группы КНАУФ СНГ. М., 2012. С. 22-25. 8.

8. Сапачева Л.В. Экоустойчивая позиция российских архитекторов // Жилищное строительство. 2010. № 12.

С. 19-22. 9.

9. Ремизов А.Н. Экоустойчивая архитектура как процесс // Жилищное строительство. 2016. № 4. С. 48-51.

10. Ремизов А.Н. Энергоавтономное биоклиматиче- 10 ское здание // Жилищное строительство. 2011. № 12.

С. 10-13.

Tsitsin K.G. Power effective technologies - the future of housing construction. Effektivnoe antikrizisnoe upravlenie. 2013. No. 2 (77), pp. 50-51. (In Russian). Danilov S.I. Aktivny, because passive and clever. Initsiativy XXI veka. 2011 . No. 4-5, pp. 72-83. (In Russian). Bunina O.A. State and prospects of development of objects of green construction in the city of stavropol. Sovremennye naukoemkie tekhnologii. 2009. No. 3, pp. 50-51. (In Russian).

Remizov A.N. On Stimulation of Environmentally Sustainable Architecture and Building. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2014. No. 3, pp. 41-43. (In Russian). Esaulov G.V. Sustainable architecture as a design paradigm (the question of definition) «Sustainable Architecture: Present and Future». Papers of the International Symposium. 17-18 November 2011. Papers of the Moscow Architectural Institute (State Academy) and the group Knauf CIS. Mosckow: 2012, pp. 22-25. (In Russian).

Sapacheva L.V. Ecosteady position of the Russian architects. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2010. No. 12, pp. 19-22. (In Russian). Remizov A.N. Eco-sustainable as aProcess. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2016. No. 4, pp. 48-51. (In Russian).

Remizov A.N. Energy Autonomous Bioclimatic Building. Zhilishhnoe stroitel'stvo [Housing Construction]. 2011. No. 12, pp. 10-13. (In Russian).

8'2016

17