Повышение уровня экологической безопасности и энергоэффективности зданий на основе интеллектуальных технологий

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Б.С. Пайлеванян

МГСУ

Отмечено, что здания, которые находятся в экологическом равновесии с человеком и окружающей средой -- самые актуальные и востребованные направления в сфере повышения уровня экологической безопасности урбанизированных территорий. Показана необходимость активных усилий для достижения положения, при котором будет отсутствовать угроза нанесения ущерба природной среде и здоровью населения, в том числе путём эксплуатации неагрессивных по отношению к окружающей среде домов, в которых максимально будут использоваться возобновляемые ресурсы и процессы в совокупности с технологиями энергосбережения.

It was noted that the buildings that are in the ecological balance of humans and the environment -- the most current and popular direction in improving the ecological safety of urban areas. Shown necessity in intensive efforts for achieving a situation in which there is no threat of damage to the environment and public health, including through the exploitation non-aggressive towards the environment houses, where maximum will be used renewable resources and processes, combined with energy-saving technologies.

Окружающая среда в сегодняшнем мире, в частности, в нашей стране, находится в состоянии, справедливо вызывающее тревогу человеческого сообщества. Поэтому необходимо решительно и наступательно прилагать усилия в области развития экологической безопасности с целью достижения положения, при котором будет отсутствовать угроза нанесения ущерба природной среде и здоровью населения, в т. ч. путём создания и эксплуатации энергоэффективных, неагрессивных по отношению к окружающей среде и человеку зданий, в которых максимально будут использоваться возобновляемые (условно неисчерпаемые) ресурсы и процессы в совокупности с технологиями энергосбережения и автоматизации. Анализ тенденций развития теории и практики строительных и информационных технологий показал, что уже наметились позитивные сдвиги в международном опыте экологизации городов. В разных регионах мира, особенно в Германии и Австрии, активно возводятся и эксплуатируются «эко»-здания, и уже есть положительная оценка их работы.

Базовые элементы современных проектов жилых и гражданских зданий: анализ жизненного цикла, инженерная и экологическая безопасность, энергоэффективность, комфортность, использование информационных систем, компьютерных и интеллектуальных технологий. Объединить все эти принципы в одном здании, обеспечить совокупный эффект от их применения задача непростая и, в настоящее время, решается лишь фрагментарно. Анализ научных трудов и исследований, нормативной и методической документации, опыта практических отечественных и зарубежных разработок выявил ряд нерешённых вопросов в проблеме комплексной интеграции и оптимизации экологических и информационно-интеллектуальных технологий с целью повышения

уровня экологической безопасности зданий, их энергоэффективности и рациональной интеллектуализации.

Понятие экологической безопасности включает в себя не только внутреннюю здоровую атмосферу, но и гармонию здания с окружающей средой, способствующую сохранению природы, городского пространства, среды жизнедеятельности человека и, в тоже время, использующего природные возобновляемые ресурсы: солнечный свет и чистый воздух, атмосферное тепло и дождевую воду, ландшафт и ветер.

Здания, основанные на принципах саморегулирования и автоматизации управления процессами жизненного цикла и находящиеся в экологическом равновесии с человеком и окружающей средой — самые актуальные и востребованные направления в сфере повышения уровня экологической безопасности урбанизированных территорий. К категории таких зданий могут быть отнесены следующие концепции энергетически эффективных и экологически чистых технологий:

Биоклиматическая архитектура (bioclimatic architecture);

Здоровое здание (healthy building);

Энергоэффективное здание (energy efficient building);

Интеллектуальное / умное здание (intelligent / smart building).

Биоклиматическая архитектура — направление архитектуры в стиле hi-tech с

ярко выраженным использованием остеклённых пространств. Главный принцип — гармония здания с окружающей средой, оболочка которого приспосабливается к изменениям параметров наружного климата в течение дня, сезона, года. Ограждающие конструкции должны регулировать поступление в помещение теплоты, света, воздуха либо потери теплоты так, чтобы внутри здания обеспечивались оптимальные параметры микроклимата при малых затратах энергии. Всё это способствует снижению потребления энергии в здании и повышению качества внутренней среды. Оболочка такого здания решается в виде двойного светопрозрачного вентилируемого фасада. Его конструкция основана на принципе многослойности — создании нескольких оболочек и использования определённых физических и эстетических свойств отдельных его слоев. Основным материалом фасадов такого рода является стекло, которое благодаря своим характеристикам обеспечивает нужное оформление здания и выполнение необходимых функций ограждающей конструкции.

Здоровое здание — такое здание, в котором преимущество имеют решения, одновременно способствующие улучшению микроклимата помещений и защите окружающей среды. При этом наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии используются экологически чистые природные строительные материалы, к которым, в частности, относятся: смеси из земли и глины, камень, песок, дерево. Кроме того, технологии здорового дома учитывают достижения в области очистки воздуха от вредных испарений, уменьшения выделений вредных газов, радиоактивных веществ, мелко-частичной пыли, грязи, формальдегидов и бактерий, подавления негативных волновых излучений от компьютеров, сотовой и wi-fi сети.

Энергоэффективное здание. Сегодня важно при эксплуатации зданий осуществлять минимальный расход первичной энергии на бытовые коммунальные нагрузки: отопление, горячую воду, освещение и т. д. При этом под первичной энергией понимается природная энергия, имеющаяся в распоряжении человека: нефть, газ, каменный уголь, уран.

Для достижения поставленной цели необходимо строительство энергоэффективных зданий с низким или нулевым энергопотреблением, в которых малое использование энергоресурсов достигается за счёт применения экономически обоснованных ин-

новационных решений, приемлемых с экологической и социальной точек зрения. В них могут быть предусмотрены специальные мероприятия по применению нетрадиционных (возобновляемых) источников энергии, качественной теплоизоляции ограждающих конструкций, герметизации оболочки здания, использованию специальных окон, высокоэффективной рекуперации тепла из вытяжного воздуха.

Интеллектуальное / умное здание — с точки зрения теплоснабжения и климати-зации, здание, в котором потоки тепла и массы в помещениях и ограждающих конструкциях оптимизированы посредством применения компьютерных технологий.

Осознание угрозы экологического кризиса привело к пониманию того, что «умные» здания уже в скором будущем в обязательном порядке должны стать частью повседневной жизни людей. При этом они не только качественно повлияют на ситуацию в природе, но вместе с тем обеспечат комфортные условия проживания для жильцов, а также спокойную рабочую обстановку для служащих с целью повышения производительности их труда, а значит — повышения экономики стран в целом.

Сегодняшние интеллектуальные технологии обеспечивают: жильцам и рабочим — комфорт, свободу и высокое качество жизни; инвесторам — надёжность и доступность системы, выгодное вложение капитала и контроль энергопотребления, а также экономию энергии, прежде недостижимую при применении традиционных инженерных решений, за счёт более тесной интеграции систем управления.

В частности, на сегодня созданы следующие передовые технологии:

технология солнечного излучения на основе датчиков без батареек и проводов;

интеллектуальные серводвигатели;

комплексные системы автоматизации зданий с графическими терминалами с сенсорной панелью и сетевым обеспечением;

различные регуляторы систем отопления и вентиляции и т. д.

Современные автоматические системы управления технологическими процессами, являясь «мозговым центром» здания и интегрируя важную информацию о его инженерных системах, наблюдают, управляют, регулируют и оптимизируют: системы отопления, вентиляции, кондиционирования и охлаждения; освещение и жалюзи; противопожарные и охранные системы; лифты и т. д.

Экоумное здание (Ecosmart building). В современных реалиях, чтобы здание отличалось высокими эксплуатационными характеристиками, оно должно быть как интеллектуальным, так и экологически безопасным. Результатом усилий, приложенных в этом направлении, станет расширение функциональности и рентабельности жилищного фонда. Наряду с этим экоумные здания имеют не только экономическую, но и социальную ценность, если учесть ограниченные природные ресурсы. Рассмотрение вопросов грамотной интеграции методов, повышающих уровень экологической безопасности зданий, является значительным и актуальным направлением для последующего развития и внедрения, ибо в этом случае возникает синергетический эффект, характеризующийся тем, что объединённое действие элементов «зелёных» зданий и «умных» технологий существенно превосходит эффект каждого отдельно взятого компонента и их суммы.

Поэтому в полной мере экологичными можно назвать экоумные здания, в которых достигнуто равновесие между биоклиматической архитектурой, экологически чистыми материалами, энергоэффективными эко-системами и техническими экосистемами, позволяющими контролировать и минимизировать расход энергии.

Результаты применения экоумных зданий, основанных на принципе интеграции «зелёных» и «умных» технологий. Концепция «зелёных» зданий основывается на идее использования «естественных» конструкционных решений и природных экологиче-

ски безопасных материалов. «Умные» же здания те, которые оснащены технически совершенными системами, способствующими снижению потребления энергии, такими как: системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха; системы освещения; системы безопасности и другие. Использование экологически чистых строительных материалов предполагает единовременный вклад в дело сохранения энергии. Однако «умные» здания позволяют сберегать энергию на протяжении полного цикла жизни строения и могут быть со временем модернизированы для увеличения эффекта.

Существует несколько способов, благодаря которым «зелёные» здания позволяют снижать потребление энергии. К примеру, использование естественного освещения (солнечного света) позволяет уменьшать зависимость от традиционных ламп и, как следствие, существенно сберегать невозобновляемые источники энергии. В то же время сочетание естественного освещения с «умными» системами контроля искусственного освещения может дать ещё большую экономию энергии за счёт автоматической настройки уровня освещённости в зависимости от светового окружения. Так, системы, установленные в нежилых комнатах, могут переводиться в «спящее» состояние — всё освещение отключается и снижается мощность системы кондиционирования. Во время появления людей срабатывают датчики присутствия, которые подают сигнал включить освещение, а вместе с ним и систему отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Потребление энергии может быть снижено и за счёт использования активных технологий: фотогальванических батарей и топливных элементов. При этом солнечная радиация, температура наружного воздуха, скорость и направление ветра — всё это относится к существенным факторам, оказывающим немаловажное воздействие на тепловой баланс зданий. Осуществляя выбор ориентации и габаритов здания необходимо стремиться лучшим образом использовать особенности и конструктивное воздействие внешней среды и минимизировать её деструктивное влияние.

Результатом совмещения «умных» технологий и экологического подхода в зданиях можно назвать также:

современный способ оптимизации расхода воды и электроэнергии за счёт наличия инфраструктуры счётчиков, с помощью которых можно отслеживать реальное использование ресурсов;

инновационные системы мониторинга CO2, температуры и влажности, дающие возможность получать данные о необходимости вентиляции помещений с целью улучшения качества воздуха внутри помещений и уровня комфорта. Они позволяют регулировать интенсивность работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Для решения соответствующих задач, проектировщики имеют возможность использовать мощные системы автоматизированного проектирования (САПР, или CAD — Computer-Aided Design) для создания чертежей, конструкторской, технологической документации и 3D моделей; CAE-системы (Computer-aided engineering) для инженерных расчётов, анализа и симуляции физических процессов; CAM-системы (Computer-Aided Manufacturing) для технологической подготовки производства. Как никогда ранее развиваются передовые 2D и 3D технологии для визуализации, моделирования и анализа поведения разрабатываемых конструкций на ранних стадиях проектирования. Информационное моделирование строительства (BIM — Building Information Modeling) даёт возможность тщательно подготовить и оптимизировать цифровой прототип, прежде чем он будет реализован физически. При этом пользователи не просто видят модель на экране, но и могут испытать её. Благодаря этому экономятся время и средства, повышается качество и рождаются новаторские экологичные решения. Но-

вейшие продукты в области САПР дают возможность существенно повысить эффективность проектирования, управления и распространения данных. Многие проблемы, касающиеся загрязнения окружающей среды и лояльности к человеку внутренней среды, можно решить ещё в зародыше, в процессе проектирования. И сегодня уже имеются технологии, помогающие создавать экологически рациональные проекты.

Выводы. Состояние экологии в крупных городах и прежде всего в столицах имеет тенденцию к ухудшению за счёт роста деловой активности, увеличения жителей и количества автомобилей, масштабной застройки и асфальтирования территорий. В свете решения проблем окружающей среды жизненно важно, чтобы люди стали гораздо более серьёзно относиться к ней, комплексно рассматривая проблемы загрязнения воздуха, водных объектов, утилизации отходов и пр.

Важно, чтобы мировое сообщество архитекторов и строителей активно занялось системным продвижением экоумных зданий, приняло ряд инновационных проектов по снижению потребления газа и других ресурсов в реконструируемых и эксплуатируемых зданиях, а также уменьшению их влияния на природную среду. В концепции построения экологических зданий особое внимание необходимо уделять использованию: возобновляемых ресурсов, таких как солнечная энергия; пассивных и активных систем обогрева зданий и фотогальванических элементов; материалов, которые сертифицированы для экологического применения и выделяют малое количество токсичных испарений и т. д. Немаловажно принимать разнообразные меры, которые могут способствовать повышению уровня экологической безопасности вновь строящихся, эксплуатируемых и реконструируемых зданий, а именно: применение экологически корректных материалов (дерево, камень, кирпич) и продуктов рециклизации неорганического мусора (бетон, стекло, металл) с отказом от вредных стройматериалов (асбест); улучшение изоляции воздуховодов и трубопроводов; снижение потерь за счёт большой теплоотдачи зданий; замена обычных окон на стеклопа-кеты с низким показателем теплопередачи и использование стёкол с переменной управляемой прозрачностью; изоляция стен и крыш; оборудование приточно-вытяжной вентиляции установками рекуперации тёплого воздуха; модернизация систем автоматизации и оснащение их энергосберегающими приборами и средствами; перенос температурных установок в граничные зоны комфортных уровней.

Вместе с тем, нужно стремиться к тому, чтобы не только узконаправленные специалисты, но и всё общество становилось экологически грамотным. Одной из приоритетных задач мирового сообщества должно стать формирование экологической культуры у людей, воспитание навыков рационального использования естественных ресурсов, привитие бережного отношения к природе путём преподавания основ экологических знаний в образовательных учреждениях, информирования о состоянии окружающей среды через средства массовой информации, учреждения культуры и другие популярные источники, активной популяризации экологического образа жизни. Ведь движение к экологичному городу зависит от уровня экологического образования всех участников процесса, в том числе граждан.

Ключевые слова: экологическая безопасность, экоумное здание, комплексное проектирование, синергетичесий эффект.

Keywords: environmental security, ecosmart building, integrated design, synergy effect.

г. Москва, Россия, Ярославское ш., д. 26, Кафедра СТАЭ 8. 499 183 25 83 mail@paylevan.com

Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»