Мировой опыт формирования школьных зданий на основе энергосберегающих технологий

УДК 727:373:621.311

МИРОВОЙ ОПЫТ ФОРМИРОВАНИЯ ШКОЛЬНЫХ ЗДАНИЙ НА ОСНОВЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Смолина С.И., магистрант Киселева О.В., старший преподаватель Сибирский федеральный университет

Аннотация. В статье анализируется мировой опыт проектирования общеобразовательных школ с применением энергосберегающих технологий. Большая часть школьных зданий XX в. характеризовалась тепловым дискомфортом, недостаточным уровнем освещенности в классах, звукоизоляцией и уровнем влажности. Данные факторы являются важными для обеспечения микроклимата помещения и должны быть подконтрольными в соответствии с общей политикой создания безопасной и здоровой образовательной среды в зданиях. Предметом исследования является анализ принципов работы энергосберегающих технологий в школьных зданиях. Цель работы состоит в научном обосновании архитектурно-планировочных решений, новейших технологий и оборудования, применяемых в учебных заведениях с учетом сокращения потребления энергии и повышения комфортности помещений. Результатом исследования стало выявление основных энергосберегающих технологий и инженерных систем для применения в общеобразовательных учреждениях. Область применения данного исследования - в проектировании энергоэффективных учебных заведений.

Ключевые слова: энергосберегающие технологии, энергоэффективность, школьные здания, мировой опыт, отечественный опыт.

Внимание к энергетическим аспектам является новым в процессе проектирования. На сегодняшний день проведены большие исследования и накоплен значительный объем знаний об отдельных элементах, системах и концепциях их архитектурного проектирования.

На фоне общей тенденции по снижению энергопотребления и воздействия на окружающую природную среду сегодня в странах Европы и Америки начал формироваться новый взгляд на конструктивные и технологические характеристики зданий, поскольку коммунальное хозяйство является крупнейшим потребителем энергии (более 40 % потребления тепловой энергии и 20 % электричества) и загрязнителем атмосферы. Ни для кого не секрет, что глобальные энергоресурсы ограничены и проблема разумного потребления их -

одна из наиболее актуальных на сегодняшний день [1]. В настоящее время в мире запускаются проекты по внедрению технологий энергосбережения и повышения энергоэффективности в зданиях разного назначения. Благодаря современным технологиям можно минимизировать отрицательное воздействие на природную среду.

Энергосбережением является реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг) [2]. В связи с правовыми нормами по энергосбережению стали обращать внимание на проектирование зданий. К основным принципам энергосбережения относятся: градостроительные, архитектурно-планировочные, принципы использования возобновляемых источников энергии, конструктивные и инженерные принципы формирования архитектуры зданий.

Проблема энергосбережения в строительстве начала развиваться с 1970-х гг. ХХ в., особенно после мирового энергетического кризиса 1974 г., в рамках общей линии на экономию энергоресурсов. Тогда в большинстве развитых стран были разработаны соответствующие законодательные акты, начали внедряться меры нормативного, тарифного, технологического характера, направленные на энергосбережение. Основными законодательными обеспечениями России являются законы № 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» и государственная программа РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 г.».

В связи с энергетическим кризисом 1970-х гг. начали проектировать и строить здания с низким энергопотреблением. На энергоэффективность смотрели с точки зрения экономики, главной задачей было построить здание, которое будет потреблять меньше энергии и в котором сократится число теплопотерь. Это отразилось в основном на общественных зданиях, в том числе и на учебных заведениях. Энергосберегающие технологии начали изобретать еще в 1850-х гг., но именно кризис сподвиг на их внедрение.

Одно из первых экспериментальных энергоэффективных зданий было построено в 1972 г. в Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США). Энергозатраты на вентиляцию здания компенсируются уменьшением объема поступления наружного воздуха, это достигается за счет грамотной планировки и оптимизации воздухораспределения, а также замены внешнего воздуха очищенным рециркуляционным. Рекуператоры тепла позволяют уменьшить на 60-75 % затраты энергии на охлаждение и нагрев приточного воздуха. Система управления искусственным освещением дает возможность экономить на электроэнергии [3]. Еще одним ярким примером является энергоэффективное здание ЕКОКО-^Ьоше в Отаниеми, Хельсинки. Энергоэффективность здания

заключается в эффективном использовании внутреннего объема для минимизации площади ограждающих конструкции, теплоизоляции, аккумулировании тепла солнечной радиации в основании сооружения для снижения нагрузки на систему отопления, применении вентилируемых окон, системы вентиляции с рекуперацией тепла, эффективном освещении для снижения затрат электрической энергии, системе автоматического управления оборудованием климатизации и освещением. Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания ЕКОКО-Ьо^е составило на 50 % ниже, чем в обычном здании [4].

На примере первых энергоэффективных общественных зданий начали разрабатывать проекты образовательных учреждений с применением энергосберегающих технологий. Одной из первых школ в Германии, возведенной полностью в соответствии со стандартами пассивного домостроения, стала начальная школа в районе Ридберг города Франкфурт-на-Майне, построенная в 2004 г. Отмеченное Институтом пассивного дома сертификатом «Энергопассивный дом», прошедшее проверку качества здание позволяет экономить до 90 % затрат на энергию благодаря вентиляционной установке с рекуперацией тепла, соответствующей теплоизоляции и пеллетного котла [5]. Идеей «Пассивного дома» является снижение потребляемой зданием энергии. Она достигается за счет равномерного по помещению поля температур и поддержанию обязательного нормативного воздухообмена с помощью механической вентиляции. Яркий пример - одна из первых сертифицированных пассивных школ в Германии, начальная школа Montessori в г. Ауфкирхене (2003-2004 гг.). Здание школы имеет озелененную кровлю для сохранения тепла и окна, расположенные на крыше, ориентированные на южную сторону для получения максимального естественного солнечного тепла и инсоляции помещений. Тепло в здании обеспечивается газовым котлом, потребность

Рис. 1. Начальная школаMontessori, г. Ауфкирхен, Германия

В Нью-Йорке архитекторы из SOM построили абсолютно зеленую начальную школу под названием Kathleen Grimm School. Школа не потребляет энергию из городской сети - необходимое количество электричества вырабатывает огромный навес, состоящий из фотоэлектрических элементов, и ветровая турбина. Благодаря солнечным панелям здание потребляет на 50 % меньше энергии. Оно расположено по сторонам света, учебные помещения инсолируются, так как находятся в основном на южной стороне, а также часть классов расположены на восточной и западной сторонах (рис. 2). Окна выходят на все стороны, но витражи и большие оконные проемы расположены на восточной, южной и западной сторонах. На север выходят окна служебных, в основном складских, подсобных и технических помещений (рис. 3).Световые люки и отражающие потолочные панели пропускают в помещения много солнечного света, сокращая потребности в искусственном освещении. Система отопления основана на энергии земли, а горячую воду в здании дают солнечные нагреватели. На южном фасаде здания установлены специальные окна, которые предохраняют помещения от излишнего перегрева [7] (рис. 4).

Рис. 2. Схема инсолируемости помещений

Рис. 3. Схема расположения окон

Рис. 4. Kathleen Grimm School, Стейтен-Айленд, Нью-Йорк, США: 1 - пешеходные дорожки; 2 - окна-фонари на южном фасаде; 3 - движущийся индукционный доводчик; 4 - солнечные панели; 5 - световод; 6 - двухсветные коридоры; 7 - кухонное оборудование с низким энергопотреблением; 8 - зеленая кровля; 9 - окна на северном фасаде; 10 - высокоэффективная облицовка; 11 - беговая дорожка;

12 - геотермальные колодцы; 13 - солнечный коллектор; 14 - электрические тележки;

15 - ветровая турбина; 16 - датчики движения; 17 - учебные кабинеты; 18 - сад

Объемно-планировочное, архитектурное, инженерное и конструктивное решения здания школы позволяют обходиться практически без искусственного освещения. Помещения школы освещаются солнечным светом в среднем на 74 %. Решение расположить солнечные панели не только на крыше здания, но и на южном фасаде дает возможность установить большее их количество, тем самым увеличивается производство электроэнергии. Установленная вентиляция с рекуперацией тепла оснащает здание только чистым воздухом. Геотермальная установка вырабатывает тепловую энергию для здания из природных источников тепла. Температура здания регулируется в зависимости от температуры воздуха на улице. В холодное время здание нагревается, а при жаркой погоде охлаждается. Следовательно, в здании образуется комфортный микроклимат в любое время года.

Вопрос энергосбережения рассматривается не только в зарубежных странах, но и в России. Чтобы здание было признано энергоэффективным, были созданы «зеленые» стандарты - рейтинговые системы оценки, такие как LEED и BREEAM. Система LEED является рейтинговой системой, разработанной в 1993 г. американским Советом по зеленым зданиям. Общий рейтинг LEED основан на количестве баллов, полученных в разных категориях. Общее количество очков строительства может попадать в одну из четырех

категорий сертификации, после чего зданию присваивается итоговая оценка. Система BREEAM, разработанная британской Организацией по исследованию зданий, оценивает характеристику здания, и баллы начисляются по каждому пункту. Конечная оценка относит здание к одной из пяти категорий, и проекту присваивается общий балл. Тем не менее в России был введен ГОСТ Р 549642012 «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости», определяющий принципы, категории, оценочные критерии, индикаторы, рекомендуемые показатели и минимальные экологические требования к объектам недвижимости.

В России распространено внедрение энергосберегающих технологий в уже построенные и давно функционирующие школы, тем не менее на сегодняшний день существует некоторое количество проектов школ с энергосберегающими технологиями, но пока еще не реализуются. В 2011 г. начали проводить энергосберегающие мероприятия для школьных зданий в городе Рыбинске Ярославской области. При выполнении энергосберегающих внедрений ставилась задача создать стандарт современного образовательного учреждения и в дальнейшем перейти к строительству именно таких энергоэффективных объектов. Были проведены работы по утеплению ограждающих конструкций, замена стеклопакетов, а также ремонт системы отопления, включающий в себя установку системы погодного регулирования в тепловом пункте, замену отопительных приборов, оснащение радиаторов отопления терморегуляторами, реализацию закрытой системы ГВС через теплообменники по двухконтурной

схеме [8]. После модернизации здания потребление энергетических ресурсов

школой снизилось на 31,2 %. Первые результаты убеждают, что вложения в

энергоэффективность дают существенный эффект экономии.

Еще в сентябре 1998 г. была введена в эксплуатацию первая в России энергоэффективная школа (деревня Филиппово Ярославской области), оборудованная теплонасосной системой теплоснабжения, использующей низкопотенциальное тепло грунта поверхностных слоев Земли. Основным фактором, фактически определившим технологию теплоснабжения и конфигурацию ТСТ школы, был значительный дефицит свободной электрической мощности в дневное время суток. В школе создана аккумуляционная теплонасосная система теплоснабжения, максимально вписанная в суточный график электропотребления и использующая высвобождающиеся ночью электрические мощности и ночной тариф на электроэнергию для аккумулирования тепловой энергии в водяных баках-аккумуляторах. В качестве источника тепловой энергии низкого потенциала для испарителей тепловых насосов используется грунт поверхностных слоев Земли. Теплонасосная система теплоснабжения школы обеспечивает экономию энергии от 30 до 45 % [6].

В инновационном центре Сколково, г. Москва, реализован проект энергоэффективного комплекса начальной школы и детского сада. Школьное

пространство организовывалось по трем принципам. Первый - прозрачность: максимум открытых для наблюдения пространств, стеклянные вставки в двери, части стен или стены из прозрачного или цветного стекла. Второй - открытость: как можно больше распахнутых зон - широкие коридоры, просторные рекреации, высокие потолки, пространства одного назначения, плавно перетекающие в территории с другими функциями. И третий -трансформируемость: широкое использование вмонтированных в стены мобильных перегородок, позволяющих «перекраивать» помещения под конкретные задачи или потребности. Следующая важная деталь школы - свет, точнее, обилие дневного света. Верхнюю кромку окон архитекторы располагают максимально близко к потолку, чтобы получить максимальное количество света и солнечного тепла. Площадь остекления составляет 40 % площади стены для южной, восточной и западной ориентации, а на северной стене доля стекла повышается до 55 % площади. Зенитные фонари пропускают свет глубоко в помещение и создают равномерное дневное освещение там, где поблизости нет окон. Решением для снижения теплопотерь является использование энергоэффективных стеклопакетов со стеклом с низким значением коэффициента теплопотерь (рис. 5, 6,7) [9].

Рис. 5. Схема инсолируемости помещений

Рис. 6. Схема расположения окон: 1 - зона ФОК; 2 - учебные помещения; 3 - зона культуры и искусства; 4 - коридоры; 5 - групповые детского сада; 6 - помещения детского сада; 7 - технические и складские помещения

Здание начальной школы и детского сада в Сколково можно отнести к энергоэффективным зданиям, так как архитектурное и объемно-планировочное решение организованно по основным принципам энергоэффективности. Единственной технологией энергосбережения являются энергоэффективные стеклопакеты, тем не менее в школе образуется наиболее комфортный микроклимат.

йствыЁ

Гогичлчотнщя

р

ЙП1ЛИН |МГиЩи

^хспакядо область.

Икпгй hfcrftmi  AJJKi.H.—If 'ivuitvu .4 Г

п г Фг1"и#1(1т/~1 m V 1.'|У' Гп№мп1, ?OOJ f.

OftUnApi LVfLl Г |-'H4kN ILKQIU В Г. FUDMM Астаня. Ml 1 г.

K.jiltTln fliWimii^chiKJ, 14ш-Й:чк США.

K*iMrir->x ^агь^ои liJ^Qm И ili'Wff^ Г.jjjП м Ски/Уй0й, Г. VocKi^h 2015-...Г.

Рис. 7. Энергосберегающие мероприятия в школьных зданиях

Таким образом, в таблице прослеживается четкая картина применения энергоэффективных технологий в проектировании школьных зданий. А именно: усиление теплоизоляции с применением энергоэффективных окон, оснащение механической вентиляции теплообменником, пассивное использование солнечной энергии, оснащение здания энергией с помощью ветровой турбины, применение грунтовых теплообменников для охлаждения и подогрева воздуха, поступающего в помещения.

Большим преимуществом пользуется система отопления, установленная почти в каждой школе, объемно-планировочное решение, т.е. расположение по сторонам света, применяется чаще, чем организация системы отопления, утепление ограждающих конструкций, установка солнечных панелей и ветрогенератора. Из таблицы следует, что примером самой энергопассивной школы является начальная школа Kathleen Grimm School в Нью-Йорке, которая может послужить примером для проектирования такого рода объектов.

Подводя итоги, можно констатировать, что строительство школьных зданий стремительно начало расти в 1998 г. и продолжается сегодня,

постепенно тема энергоэффективности стала тенденцией, неким течением в архитектуре. В связи с комфортным, здоровым микроклиматом повышается обучаемость и работоспособность, что является большим преимуществом для образования. Энергоэффективность заключается не только в технологиях, но и в объемно-планировочном решении здания, в связи с этим идет не только внедрение технологий в функционирующие школы, но и проектирование образовательных заведений с учетом климатических особенностей. Новое направление в архитектуре - энергоэффективность - развивается все дальше и дальше, проектируются здания, которые полностью не зависят от городских систем, и не загрязняют окружающую среду. Все это приемлемо для объектов учебных заведений и имеет большое развитие в будущем. Школа является одним из основных институтов воспитания бережного отношения к ресурсам у молодого поколения, и решение энергоэффективности в школах имеет первостепенное значение.

Библиографический список

1. Смирнова С.Н. Принципы формирования архитектурных решений энергоэффективных жилых зданий: дис. ... канд. архитектуры. - Н. Новгород, 2009. - 216 с.

2. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 23.11.2009 N 261-ФЗ.

3. Самые известные в мире энергоэффективные здания [Электронный ресурс]. - URL: https://www.c-o-k.ru/review/samye-izvestnye-v-mire-energoeffektivnye-zdaniya (дата обращения: 06.11.2017).

4. Энергоэффективное здание: синтез архитектуры и технологии [Электронный ресурс]. - URL: https://ecoteco.ru/id565/ (дата обращения: 06.11.2017).

5. Начальная школа, Франкфурт-Ридберг/Германия [Электронный ресурс]. -URL: http://ru.4a-architekten.com/projekte/schule-frankfurt-am-main-riedburg (дата обращения: 10.11.2017).

6. Энергоэффективная сельская школа в ярославской области [Электронный ресурс]. - URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=1659 (дата обращения: 20.11.2017).

7. США: в Нью-Йорке построили «зеленую» школу [Электронный ресурс]. - URL: http://ukrbuild.dp.ua/2016/01/12/ssha-v-nyu-jorke-postroiH-zelenuyu-shkolu.html (дата обращения: 10.11.2017).

8. Школа как образец энергоэффективности [Электронный ресурс]. - URL: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5576 (дата обращения: 05.11.2017).

9. Школа, которая претендует на «Серебро» [Электронный ресурс]. - URL: http://green-city.su/shkola-kotoraya-pretenduet-na-serebro/ (дата обращения: 12.11.2017).

10. Есаулов Г.В. Энергоэффективность и устойчивая архитектура как векторы развития // АВОК. - 2015. - № 5. - С. 4-11.

11. Табунщиков Ю.А. Здание должно мыслить // АВОК. - 2016. - № 1. -С. 4-7.

WORLD EXPERIENCE OF THE FORMATION OF SCHOOL BUILDINGS BASED ON THE ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES

Smolina S.I., MA Student Kiseleva O.V., Lecturer Siberian Federal University

Abstract. The article describes the analysis of world experience in designing schools using energy-saving technologies. Most of the school buildings of the XX century were characterized heat discomfort, deficient of illuminance level in classrooms, sound insulation and humidity level. These factors are important for supporting the indoor climate and should be controlled in accordance with the initiation of the safety and healthy educational environment in buildings. The subject of the research is the analysis of the principles of energy-saving technologies in school buildings. The purpose of the work is the scientifically substantiate the architectural and planning solutions, the newest technologies and equipment used in schools with account of the reduction of energy consumption and improving the comfort in the rooms. The result of the research is the exposure of the main energy-saving technologies and engineering systems for using in schools. The scope of this research is the design of energy efficient educational institutions.

Keywords: energy-saving technologies, energy efficiency, school buildings, world experience, domestic experience.