Применение инновационных технологий жизнеобеспечения для малоэтажной застройки в различных градостроительных ситуациях

Применение инновационных технологий жизнеобеспечения

для малоэтажной застройки в различных градостроительных ситуациях

З.К.Петрова, К.В.Шишов, В.О.Долгова

В статье рассматриваются требования к проектированию малоэтажной жизнеобеспечивающей (энергоэффективной, ресурсосберегающей и с использованием малоотходных технологий) жилой застройки с учётом инновационных инженерных систем. Наряду с централизованными системами энергоснабжения рекомендуется применение локальных и автономных систем. Предлагается утилизация твёрдых бытовых отходов, а также утилизация сточных вод на основе инновационных технологий, включая технологии для получения дешёвой тепловой и электрической энергии1.

Ключевые слова: инновационные технологии жизнеобеспечения, малоэтажная застройка, градостроительные ситуации, централизованные и автономные инженерные системы, возобновляемые источники энергии.

The Use of Innovative Life Support Technologies for Low-

Rise Buildings in Different Urban Situations.

By Z.K.Petrova, K.V.Shishov, V.O.Dolgova

This article discusses requirements for the design of low-rise subsistence (energy-efficient, resource-saving and low-waste technologies) residential development taking into account the innovative engineering systems. It is recommended to use along with a centralized power supply systems of local and autonomous systems. Utilization of municipal solid waste and also utilization of sewage on the basis of innovative technologies, including technologies for obtaining cheap thermal and electric energy is offered.

Keywords: innovative technologies for life support,low-rise buildings, urban situation, centralized and autonomous systems engineering, renewable energy.

Существенное влияние на выбор эффективного источника энергоснабжения оказывают географические, климатические и градостроительные характеристики территории месторасположения объекта, а также тип малоэтажной застройки (этажность, архитектурно-планировочная структура зданий и плотность застройки). Инновационными решениями проблемы повышения энергоэффективности малоэтажной застройки должно стать применение, наряду с централизованными системами, децентрализованных (автономных и локальных) систем тепло- и электроснабжения,

1 Начало статьи читайте в журнале № 3, 2016 г.

включая использование альтернативных / возобновляемых источников энергии.

Принципы и методы проектирования и оценки энергоэффективности жилых зданий и застройки делятся на: пассивные и активные [1-4]. Дома, построенные с использованием пассивных методов энергоэффективности (рис. 1), более экономичны по сравнению с домами, созданными на основе активных методов. Удорожание пассивных домов составляет от 10% до 25-35% по сравнению с традиционными домами без учёта эксплуатационных затрат [1]. В мировой практике наибольшее распространение получили пассивные методы проектирования энергоэффективности зданий и застройки в целом. Таких домов особенно много построено и строится в Германии (рис. 2 а, 2 б, 2 в) [4].

«Энергоактивный» дом во Франции (Cussey sur l'Ognon) - пример жилого дома с применением активных технологий (рис. 3) [3]. Удорожание «активных домов» включает стоимость использования пассивных методов вместе со стоимостью активных инженерных систем, поэтому оно зависит от цены оборудования используемых альтернативных источников энергии - солнечных батарей с фотоэлементами, без учёта эксплуатационных затрат в течение жизненного цикла здания. Удорожание строительства жилых домов, разработанных на основе применения пассивных и активных принципов и методов проектирования, окупается с учётом эксплуатационных расходов в течение жизненного цикла здания. Этот период окупаемости дополнительных затрат составляет в среднем до 10 лет. В целом стоимость строительства всего здания может окупиться в среднем за 30 лет.

Автором разработаны рекомендации по проектированию малоэтажной жизнеобеспечивающей жилой застройки с учётом специфики инновационных инженерных систем на территории России, включая автономные системы теплоснабжения, смешанные и автономные системы электроснабжения, применение альтернативных / возобновляемых источников энергии, обращение с твёрдыми бытовыми отходами при получении дешёвой тепловой и электрической энергии и др. [5-9].

Для гарантированного энергоснабжения при ликвидации стихийных бедствий и техногенных катастроф рекомендуется наличие более одного источника энергоснабжения для здания или группы домов, квартала, при этом второй источник электро- и теплоснабжения может быть альтернативным / возобновляемым и использоваться для повышения энергоэффективности.

Рис. 1. Современная застройка «пассивными» домами в Германии [4]: А - исторический город Банштадт

Рис. 2. Модель энергоэффективного дома [2]

В районах городов и поселений с централизованным газоснабжением целесообразно предусматривать:

а) в плотной малоэтажной застройке - централизованные системы электроснабжения и децентрализованные (локальные) системы теплоснабжения;

б) в усадебной, коттеджной застройке и застройке таун-хаусами - централизованные системы электроснабжения, автономные и локальные системы теплоснабжения;

в) в застройке таунхаусами допускается централизованное теплоснабжение.

В районах городов и поселений без централизованного газоснабжения рекомендуется предусматривать следующие системы энергоснабжения (табл. 1).

а) в плотной малоэтажной застройке - децентрализованные (локальные) системы электро- и теплоснабжения;

Рис. 3. «Энергоактивный» дом во Франции (CusseysurlOgnon) - дом XXI века. Архитектор Жан-Луис Абт (Jean-Lous Abt / HABT Architecture). 2009 год [3]: А - общий вид; Б - план первого этажа; В - план второго этажа

Таблица 1. Рекомендуемые системы энергоснабжения в разных типах малоэтажной застройки

Тип застройки Системы энергоснабжения

В районах городов и иных поселений с цен трализованным электро- и газоснабжением

Целесообразно предусматривать в плотной малоэтажной застройке централизованные системы электроснабжения и децентрализованные (локальные) системы теплоснабжения

Усадебную и коттеджную застройку рекомендуется обеспечивать централизованными системами электроснабжения, автономными и локальными системами теплоснабжения

Застройку таунхаусами рекомендуется обеспечивать централизованными системами электроснабжения, автономными и локальными системами теплоснабжения, допускается централизованное теплоснабжение

В районах городов и поселений без централизованного электро- и газоснабжения

Рекомендуется предусматривать в плотной малоэтажной застройке децентрализованные (локальные) системы электро-и теплоснабжения, а также второй источник энергоснабжения (альтернативный / возобновляемый) для повышения энергоэффективности и на случай аварий, техногенных и природных катаклизмов

Усадебную, коттеджную застройку рекомендуется обеспечивать децентрализованными (локальными) и автономными системами электроснабжения, автономными системами теплоснабжения; целесообразно использовать второй источник энергоснабжения (альтернативный) для повышения энергоэффективности, на случай аварий, техногенных и природных катаклизмов

Застройку таунхаусами рекомендуется обеспечивать децентрализованными (локальными) и автономными системами электроснабжения, автономными системами теплоснабжения; целесообразно использовать второй источник энергоснабжения (альтернативный); рекомендуется использование для энергоснабжения более одного альтернативного источника

80 1 2017

Рис. 4. Европейская модель обращения с твёрдыми бытовыми отходами [10]

Рис. 5. Упакованная станция очистки (MINICLAR технологии USBF), предназначенная для средних объектов, у которых нет возможности присоединиться к канализации (коттеджные посёлки, жилые комплексы, группы блокированных домов, малые гостиницы, пансионаты; до 500 ЭЖ) [13]

б) в усадебной, коттеджной застройке и застройке таунхаусами - децентрализованные (локальные) и автономные системы электроснабжения, автономные системами теплоснабжения;

в) рекомендуется использование для энергоснабжения более одного альтернативного источника.

В мировой практике применяются различные способы обращения с твёрдыми бытовыми отходами (рис. 4) [10]: рециркулирование / компостирование на полигонах, получение энергии из мусора на мусороперерабатывающих или мусоросжигательных заводах, захоронение на свалках. В малоэтажной жизнеобеспечивающей застройке необходимо перерабатывать бытовые отходы с минимальным ущербом для окружающей среды. Пищевые (биологические) отходы могут перерабатываться в индивидуальном доме или квартире путём измельчения специальным устройством в мойке и спуском в канализацию. В случаях наличия земельного участка и устройства автономной или локальной системы канализации они могут перерабатываться на участке посредством компостирования для получения удобрения. Твёрдые бытовые отходы подлежат раздельному сбору в пределах жилой зоны и дальнейшей переработке на мусоросортировочных станциях. После сортировки отходы, подлежащие переработке, проходят санитарную обработку и подготавливаются для вторичного использования. Отходы, не подлежащие вторичной переработке, утилизируются на мусоросжигательных или мусороперерабатывающих заводах предпочтительно с помощью пиролизной технологии для получения тепловой и электрической энергии. Капитальные вложения на строительство пиролизного завода мощностью 100 тыс. тонн отходов в год ориентировочно составляют 100 млн руб., или 1,0 тыс. руб. на тонну перерабатываемых отходов [11; 12].

При переработке одной тонны твёрдых бытовых отходов на пиролизной установке может быть получено 500-750 кВт-ч электрической энергии и 300 л жидкого топлива. Переработка на пиролизной установке 80 тыс. тонн твёрдых бытовых

Рис. 6. Технология использования свойств сверхкритической воды (СК): А - принцип использования СК воды для переработки органосодержащих отходов; Б - очистные сооружения с технологией использования свойств СК воды [14]

отходов позволит получить до 60,0 млн кВт-ч электрической энергии. Вместе с пиролизной установкой газомоторная мини-ТЭЦ вырабатывает тепловую энергию в количестве 60 тыс. Гкал в виде горячей воды при температуре 90 °С, которую можно использовать для отопления и горячего водоснабжения [11, 12].

Для утилизации сточных вод могут использоваться различные технологии. При этом следующие из них представляют особый интерес:

1) биологическая очистка воды и утилизация коммунальных сточных вод - проектирование и комплексные поставки станций очистки сточных вод и станций подготовки воды для питьевых целей предлагаются на основе технологии USBF как прогрессивной и экономичной, получившей применение во многих странах мира; в соответствии с этой технологией рекомендуются различные виды биологических станций очистки сточных вод, которые могут найти применение для очистки сточных вод и подготовки воды для питьевых целей в малоэтажной застройке с учётом различных градостроительных условий (рис. 5) [13];

2) технология переработки жидких органосодержащих отходов водой, находящейся в сверхкритическом (СК) состоянии, относится к инновационной и нуждается в накоплении опыта эксплуатации; технология разработана академиком МАНЭБ В.А. Морозовым и д.т.н. Ю.А. Мазаловым (рис. 6) [14], и может существенно продвинуть реформы жилищно-коммунального хозяйства, а также способствовать оздоровлению городской среды малоэтажной застройки и бережному отношение к природным ресурсам;

3) вакуумная канализация как инновационное решение отвода сточных вод, которое может найти применение, в первую очередь в рекреационных зонах, где обычная канализация является дорогостоящей и неоправданной. Вакуумная технология сточных вод разработана немецкой компанией Рёдигер Вакуум ГмбХ (Roediger Vacuum GmbH). Эта компания - один из мировых лидеров в проектировании и строительстве вакуумной канализации (рис. 7) [15].

Внедрение полученных результатов исследования в про-ектно-строительную практику градостроительства и жилищного строительства позволит за счёт инновационных градостроительных, архитектурно-планировочных и инженерных решений повысить комфорт проживания, а также снизить расходы на энергоснабжение в малоэтажной застройке городов и других поселений.

Сокращение расходов на энергоснабжение в такой застройке составит:

- от 35% до 80-90% в связи с использованием автономных инженерных систем теплоснабжения, до 40 кВт-ч/кв. м в год и вплоть до нулевого потребления - из-за применения альтернативных / возобновляемых источников энергии;

- до 20-30% при использовании технологии «умный дом»;

- до 50% за счёт утилизации бытовых отходов для получения тепловой и электрической энергии).

Как показывает современный опыт экономически развитых стран, всё чаще инженерные системы экологической

застройки и домов применяются вместе с компьютерными системами [16; 17]. Это обусловлено сложностью инженерных систем, необходимостью оптимизации энергетических процессов с целью энергосбережения, а также использованием водосберегающих и малоотходных технологий. Наличие в здании системы «умный дом» может повысить его энергоэффективность на 20-30%.

Выводы

1. Существенное влияние на выбор эффективного источника теплоснабжения в малоэтажной застройке оказывают географические, климатические и градостроительные характеристики территории, месторасположение объекта, а также архитектурно-планировочная структура застройки. Инновационными решениями проблемы повышения энергоэффективности малоэтажной застройки должно стать применение наряду с централизованными системами децентрализованных (локальных и автономных) систем тепло-и электроснабжения, включая использование альтернативных/возобновляемых источников энергии (см. табл. 1).

2. В малоэтажной застройке необходимо перерабатывать бытовые отходы с минимальным ущербом для окружающей среды. Пищевые отходы следует перерабатывать в доме или квартире (путём измельчения специальным устройством в мойке и спуском в канализацию, либо путём утилизации на участке - компостированием). Твёрдые бытовые отходы подлежат раздельному сбору, дальнейшей сортировке на мусоросортировочных станциях, и их рекомендуется утилизировать на мусороперерабатывающих заводах или установках с пиролизной технологией для получения тепловой и электрической энергии.

3. Для утилизации сточных вод в малоэтажной застройке предлагаются следующие технологии:

а) биологическая очистка воды и утилизация коммунальных сточных вод, проектирование и комплексные поставки станций

Рис. 7. Принципиальная схема работы вакуумной системы канализации [15]

очистки сточных вод и станций подготовки воды для питьевых целей на основе технологии USBF как прогрессивной и экономичной, получившей применение во многих странах мира;

б) технология переработки жидких органосодержащих отходов водой, находящейся в сверхкритическом (СК) состоянии (разработана академиком МАНЭБ В.А. Морозовым и д.т.н. Ю.А. Мазаловым), которая может способствовать оздоровлению городской среды обитания людей и бережному отношение к природным ресурсам;

в) вакуумная канализация - инновационное решение для отвода сточных вод в рекреационных зонах (компания Roediger Vacuum, Германия); система позволяет сократить затраты на устройство и эксплуатацию канализации по сравнению с самотечными системами.

4. Необходима разработка региональных программ и нормативных документов по малоэтажному жизнеобеспечивающему строительству с учётом специфики местных условий. В региональных программах следует выделить территории для малоэтажного строительства. Следует определить источники энергоснабжения, включая альтернативные / возобновляемые и сделать выбор эффективных планировочных, инженерных и транспортных решений малоэтажной застройки для конкретных условий. Кроме того, необходимо также развитие производства по изготовлению отечественного инновационного инженерного оборудования.

Литература

1. Активное сбережение для пассивных зданий / Т. Ахмя-ров, В. Беляев, А. Спиридонов, И. Шубин // Энергоэффективность и энергосбережение. - 2013. - № 7-8. - С. 73-79.

2. Энергопассивные дома [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://e/mail/ru/massages/inbax/## (дата обращения: 09.11.2015).

3. Sergi Costa Duran. Architecture & Energy Efficiency. Editorial project: 2011© LOFT Publications, 2011. - 383 p. - P. 142-149.

4. «Пассивные» дома в Германии [Электронный ресурс].

- Режим доступа: proxy_imgsmail_ru.jpg (дата обращения: 20.11.2015).

5. Петрова, З.К. Рекомендации по применению инновационных систем энергоснабжения в малоэтажной жилой застройке на территории России / З.К. Петрова, Г.О. Кодолов // Градостроительство. - 2015. - №1. - С. 15-20.

6. Петрова,З.К. Повышение энергоэффективности малоэтажной застройки в разных градостроительных ситуациях на территории России / З.К. Петрова, Г.О. Кодолов // Проблемы окружающей среды и безопасности Республики Крым: материалы международной конференции. С. Береговое, 14-15 сентября 2015. // Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Том 20. - 2015.

- №2. - С. 67-74.

7. Петрова, З.К. Использование нетрадиционных / возобновляемых источников энергии в Республике Крым / З.К.

Петрова, К.В. Шишов | Проблемы окружающей среды и безопасности республики Крым: материалы международной конференции. С. Береговое, 14-15 сентября 2015. || Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Том 20. - 2015. - H2. - С. 65-66.

8. Петрова, З.К. Применение малоэтажной энергоэффективной, ресурсосберегающей и малоотходной жилой застройки в условиях Крыма | З.К. Петрова, В.О. Долгова, К.В. Шишов || Градостроительство. - 2015. - H 5 (39). - С. 67-72.

9. Возможность внедрения в Крыму опыта Скандинавских стран использования бытовых отходов в качестве вторичных ресурсов и источников электрической и тепловой энергии | З.К. Петрова, К.В. Шишов, Н.Б. Воронина, Е.В. Климова || Градостроительство. - 2015. - H 6. - С. 20-22.

10. Ромм, Джозеф. Электричество на свалке | Дж. Ромм || Энергоэффективность и энергосбережение. - 2013. - H 7-8.

- С. 80-85.

11. Золотарёв, Г.М. Новая экологически чистая технология обращения с твёрдыми бытовыми отходами в условиях мегаполиса Москвы | Г.М. Золотарёв || Градостроительство.

- 2012. - H 1. - С. 60-65.

12. Золотарёв, Г.М. Мусороперерабатывающий завод МПЗ-200 для снабжения электрической энергией территории Республики Крым Г.М. Золотарёв | Проблемы окружающей среды и безопасности Республики Крым: материалы международной конференции. С. Береговое, 14-15 сентября 2015. || Вестник Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности. Том 20. - 2015. - H2. - С. 21-29.

13. Биологические станции очистки. Чешская Республика.

- Eco Building Technology cz, c.r.o. ECOFLUID Group [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.eko-building.com (дата обращения 29.01.2017).

14. Морозов, В.А. Российские технологии зелёной энергетики | В.А. Морозов, Г.М. Золотарёв, А.Г. Рафаилов || Энергополис. - 2013. - H5. - С. 58-59.

15. Вакуумная канализация - инновационная технология для сбора сточных вод. Немецкая компания Roediger Vacuum GmbH (Рёдигер Вакуум ГмбХ). [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:||polypipe.info>application-polymers|74-vacuumsewage (дата обращения: 09.11.2015).

16. Роберт К., Элсенпитер. Умный дом строим сами | Роберт К. Элсенпитер, Тоби Дж. Велт. (Пер. с англ.) - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2005. - 384 с.

17. Матрица интеллектуального жилища || Энергосбережение. 2014. - H 5. - С. 40-42.

Literatura

1. Aktivnoe sberezhenie dlya passivnyh zdanij | T. Ahmyarov, V. Belyaev, A. Spiridonov, I. SHubin || Energoeffektivnost' i energosberezhenie. - 2013. - H 7-8. - S. 73-79.

2. Energopassivnye doma [Elektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: https:||e|mail|ru|massages|inbax|## (data obrashheniya: 09.11.2015).

4. «Passivnye» doma v Germanii [Elektronnyj resurs]. -Rezhim dostupa: proxy_imgsmail_ru.jpg (data obrashheniya: 20.11.2015).

5. PetrovaZ.K. Rekomendatsii po primeneniyu innovatsionnyh sistem energosnabzheniya v maloetazhnoj zhiLoj zastrojke na territorii Rossii / Z.K. Petrova, G.O. KodoLov // GradostroiteL'stvo. - 2015. - №1. - S. 15-20.

6. Petrova Z.K. Povyshenie energoeffektivnosti maloetazhnoj zastrojki v raznyh gradostroiteL'nyh situatsiyah na territorii Rossii / Z.K. Petrova, G.O. KodoLov // ProbLemy okruzhayushhej sredy i bezopasnosti RespubLiki Krym: materiaLy mezhdunarodnoj konferentsii. S. Beregovoe, 14-15 sentyabrya 2015. // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii nauk ekoLogii i bezopasnosti zhiznedeyateL'nosti. Tom 20. - 2015. - №2. - S. 67-74.

7. Petrova, Z.K. IspoL'zovanie netraditsionnyh / vozobnovLyaemyh istochnikov energii v RespubLike Krym / Z.K. Petrova, K.V. Rossii / Z.K. Petrova, G.O. KodoLov // ProbLemy okruzhayushhej sredy i bezopasnosti RespubLiki Krym: materiaLy mezhdunarodnoj konferentsii. S. Beregovoe, 14-15 sentyabrya 2015. // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii nauk ekoLogii i bezopasnosti zhiznedeyateL'nosti. Tom 20. -2015. - №2. - S. 65-66.

8. Petrova Z.K. Primenenie maLoetazhnoj energoeffektivnoj, resursosberegayushhej i maLoothodnoj zhiLoj zastrojki v usLoviyah Kryma / Z.K. Petrova, V.O. DoLgova, K.V. Shishov // GradostroiteL'stvo. - 2015. - № 5 (39). - S. 67-72.

9. Vozmozhnost' vnedreniya v Krymu opyta Skandinavskih stran ispoL'zovaniya bytovyh othodov v kachestve vtorichnyh resursov i istochnikov eLektricheskoj i tepLovoj energii / Z.K. Petrova, K.V. Shishov, N.B. Voronina, E.V. KLimova // GradostroiteL'stvo. - 2015. - № 6. - S. 20-22.

10. Romm Dzhozef. Elektrichestvo na svalke / Dzh. Romm // Energoeffektivnost' i energosberezhenie. - 2013. - № 7-8. - S. 80-85.

11. ZolotarevG.M. Novaya ekologicheski chistaya tehnologiya obrashheniya s tverdymi bytovymi othodami v usloviyah megapolisa Moskvy / G.M. Zolotarev // Gradostroitel'stvo. -

2012. - № 1. - S. 60-65.

12. Zolotarev, G.M. Musoropererabatyvayushhij zavod MPZ-200 dlya snabzheniya elektricheskoj energiej territorii Respubliki Krym G.M. Zolotarev Rossii / Z.K. Petrova, G.O. Kodolov // Problemy okruzhayushhej sredy i bezopasnosti Respubliki Krym: materialy mezhdunarodnoj konferentsii. S. Beregovoe, 14-15 sentyabrya 2015. // Vestnik Mezhdunarodnoj akademii nauk ekologii i bezopasnosti zhiznedeyatel'nosti. Tom 20. - 2015. - №2. - S. 21-29.

13. Biologicheskie stantsii ochistki. Cheshskaya Respublika. - Eco Building Technology cz, c.r.o. ECOFLUID Group [Elektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: www.eko-building.com (data obrashheniya 29.01.2017).

14. Morozov V.A. Rossijskie tehnologii zelenoj energetiki / V.A. Morozov, G.M. Zolotarev, A.G. Rafailov // Energopolis. -

2013. - №5. - S. 58-59.

15. Vakuumnaya kanalizatsiya - novoe reshenie dlya otvoda stochnyh vod v rekreatsionnyh zonah. Innovatsionnaya tehnologiya dlya sbora stochnyh vod. Roediger Vacuum GmbH [Elektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: http:// polypipe.info>application-polymers/74-vacuumsewage (data obrashheniya: 09.11.2015).

16. Robert K. Elsenpiter. Umnyj dom stroim sami / Robert K. Elsenpiter, Tobi Dzh. Vet (Per. s angl.) - M.: KUDITS-OBRAZ, 2005. - 384s.

17. Matritsa intellektual'nogo zhilishha // Energosberezhenie.

2014. - № 5. - S. 40-42.