От энергоэффективных к жизнеудерживающим зданиям

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, профессор, президент НП «АВОК»

Энергоэффективные здания как новое направление в экспериментальном строительстве появились после мирового энергетического кризиса 1974 года. Они явились ответом на критику специалистов Международной энергетической конференции ООН (МИРЭК) о том, что современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности формирования их теплового режима, а проектировщики не умеют оптимизировать потоки тепла и массы в ограждениях и здании [Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 года. М.: Энергия, 1980.].

В том же докладе специалистов МИРЭК была сформулирована главная идея экономии энергии: энергоресурсы могут быть использованы более эффективно путем применения мер, которые осуществимы технически, обоснованы экономически, а также приемлемы с экологической и социальной точек зрения, т. е. использованы с минимумом изменений привычного образа жизни.

Проект первого энергоэффективного здания начал осуществляться в 1972 году в Манчестере (штат Нью-Хэмпшир, США) архитекторами Николасом Исааком (Nicholas Isaak) и Эндрю Исааком (Andrew C. Isaak). В этот период угроза «энергетического кризиса» еще не пестрела в заголовках газет и статей, но уже чувствовалось «его дыхание»: время дешевой энергии прошло. Энергопотребление зданий, которое не было определяющим показателем в прошлом, стало доминирующим критерием качества проекта.

Важно отметить, что уже 30 лет назад в здании было предусмотрено использование тепла солнечной радиации и возможностей компьютерной техники для управления инженерным оборудованием. Первая тенденция продолжает успешно развиваться, в том числе даже в такой северной стране, как Финляндия, – например, в экспериментальном строительстве жилого района VIIKKI (Хельсинки) [Бродач М. М. VIIKKI – новый взгляд на энергосбережение // АВОК. 2002. № 6. С. 14.], а вторая тенденция выросла в крупное направление в инженерии зданий, которое получило название «Интеллектуальные здания».

С течением времени изменялся и расширялся объект изучения: эффективность использования энергии в энергоэффективном здании. Если в самом начале строительства энергоэффективных зданий, вплоть до начала 1990-х годов, основной интерес представляло изучение мероприятий по экономии энергии, то уже в середине 1990-х годов центр тяжести переносится на изучение проблемы эффективности использования энергии и приоритет отдается тем энергосберегающим решениям, которые одновременно способствуют повышению качества микроклимата. Впрочем, качество микроклимата в этот период уверенно выходит на первый план по сравнению с энергосбережением.

В основе концепции проектирования современных зданий лежит идея того, что качество окружающей нас среды оказывает непосредственное влияние на качество нашей жизни дома, на рабочем месте или в местах общего пользования, составляющих основу наших городов. Такое выделение социальных аспектов является признанием того, что архитектура и строительство развиваются на основе потребностей людей – как духовных, так и материальных. Эта концепция ярко выражена в проекте жилого района VIIKKI (Хельсинки, Финляндия).

На этом, однако, не прекратилось расширение объекта изучения. Чрезвычайно важно – может быть, это самая главная идея для архитектуры и строительства XXI века – природа не пассивный фон нашей деятельности: в результате нашей деятельности может быть создана новая природная среда, обладающая более высокими комфортными показателями для градостроительства и являющаяся в то же время энергетическим источником для систем климатизации зданий. Эта идея получила свое выражение в проекте учебного центра по изучению окружающей среды «Adam Joseph Lewis Center» в Оберлине (штат Огайо, США) [Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективное здание учебного центра // АВОК. 2002. № 5. С. 10.].

Выдающийся архитектор Норман Фостер (Sir Norman Foster) пишет: «Проблемы окружающей среды воздействуют на архитектуру на каждом ее уровне. Половина потребления энергии в развитых странах приходится на здания, и еще четверть – на транспорт. Архитекторы не могут решить все мировые экологические проблемы, но мы можем проектировать здания, требующие только часть потребляемой ныне энергии, кроме того, благодаря надлежащему градостроительному планированию мы можем влиять на транспортные потоки. Расположение и функциональное назначение сооружения, его конструктивная гибкость и технологический ресурс, ориентация, форма и конструкция, его системы обогрева и вентиляции, характеристики используемых при строительстве материалов – все эти параметры влияют на количество энергии, требующейся для возведения, эксплуатации и технического обслуживания здания, а также для транспорта, движущегося к нему и от него». Это понимание гармонии окружающей среды и архитектуры Норман Фостер выразил в выдающемся проекте энергоэффективного строительства – высотном здании «Commerzbank» во Франкфурте-на-Майне (Германия) [Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективное высотное здание // АВОК. 2002. № 3. С. 8.], которое является не только новым достижением в архитектуре и инженерии высотных зданий, но открывает новое направление в общей истории мирового строительства.

Одним из перспективных направлений в тепло- и энергоснабжении зданий, обеспечивающих энергетическую эффективность и экологичность проекта, является использование топливных элементов – электрохимических генераторов, вырабатывающих электроэнергию из водорода и кислорода в результате электрохимической реакции без процесса горения. В топливных элементах может использоваться не только чистый водород, но и другое водородосодержащее сырье, например, природный газ, аммиак, метанол или бензин. Вместо чистого кислорода обычно используется воздух. При использовании чистого водорода в качестве топлива продуктами реакции, помимо электрической энергии, являются тепло и вода (или водяной пар), т. е. в атмосферу не выбрасываются газы, вызывающие загрязнение воздушной среды или парниковый эффект.

Топливные элементы можно размещать непосредственно в здании, при этом снижаются потери при транспортировке энергии, а тепло, образующееся в результате реакции, можно использовать для теплоснабжения или горячего водоснабжения здания. Достоинствами топливных элементов являются также доступность топлива, надежность (в топливном элементе отсутствуют движущиеся части) и долговечность.

К настоящему времени построен ряд зданий, в которых в качестве одного из источников энергии используются топливные элементы. Это, например, высотное здание «Conde’ Nast Building@Four Times Square» в Нью-Йорке, банк «First National Bank of Omaha» в Омахе, отель «Nagoya Sakae Washington Hotel Plaza» в Нагое.

Логическим завершением этапов развития энергоэффективных зданий явилась практика строительства «Sustainable buildings», которая сегодня вызывает большой интерес у специалистов всех стран. Буквальный перевод «Sustainable buildings» означает «поддерживающие здания», но по своему смыслу это выражение означает «жизнеудерживающие здания», «жизнесохраняющие здания», т. е. здания, которые находятся в равновесии с природой и человеком.

Схематично жизнеудерживающие здания можно представить состоящими из трех взаимосвязанных понятий:

- комфортного микроклимата помещений;

- максимального использования энергии природы;

- оптимизированных энергетических элементов здания как единого целого.

Поиски взаимодействия и компромисса между этими элементами послужат созданию экологически элитного здания, и это является главной задачей наших специалистов, по крайней мере, в первой половине XXI века.

«Sustainable buildings» – это обширная дисциплина, рожденная как альтернатива стремлению человека «покорить» природу, что, к несчастью, осуществлялось путем ее разрушения и истощения, и желанием создать искусственную среду своего обитания. Эта дисциплина включает в себя изучение возможности использования экологически чистых возобновляемых источников энергии, оптимального использования затребованной энергии, сохранения водных ресурсов, применения строительных материалов повторного использования, улучшения качества среды обитания человека.

Но изучение отдельных аспектов этой проблемы оказывается недостаточным – необходимо в комплексе изучить здание и окружающую среду – их экологическое и энергетическое состояние как единого целого. Очевидно, что это является главной целью теории и практики строительства жизнеудерживающих зданий. Хочется предположить, что в результате этого изучения будут выявлены некоторые «предельные состояния», нарушать которые строительная отрасль не должна ни при каких условиях. Эти «предельные состояния» будут включать в себя выделение газов, приводящих к «парниковому эффекту», потребление и загрязнение водных ресурсов, строительный и бытовой мусор и т. д. Эти показатели были определяющими при оценке экологической и энергетической эффективности проектов жилого района VIIKKI (Хельсинки, Финляндия). Знание этих «предельных состояний» должно явиться основой для корпоративных соглашений – международных стандартов, которые позволят народам, живущим в разных природных условиях, обладающих различными экономическими, политическими и социальными системами, объединить усилия для преодоления общих трудностей.

К настоящему времени в мире построено большое количество энергоэффективных зданий, но, к сожалению, они не стали образом архитектуры конца ХХ века. Здесь есть вина всех: и архитекторов, и строителей, и инвесторов, и, в первую очередь, государства.

Главная роль в поддержке и финансировании строительства демонстрационных энергоэффективных зданий должна принадлежать государству, потому что реализация этих проектов связана с защитой окружающей среды, повышением качества среды обитания человека, сохранением природных богатств – защитой интересов будущих поколений. Архитекторы раскрыли красоту стекла, камня, дерева, металла и даже бетона и построили много замечательных зданий из этих материалов. Но только отдельные из них смогли понять энергоэффективное здание как новый шаг в архитектуре с явными элементами искусства. Для инженеров проектирование энергоэффективных зданий требует индивидуального подхода и большого количества междисциплинарных знаний. Инвесторы, как заказчики строительного объекта, ставят своей целью построить здание как можно дешевле и продать его как можно дороже. В последние годы из-за конкуренции между инвесторами появляется необходимость в строительстве более привлекательных с точки зрения покупателя зданий, которые существенно экономичнее в эксплуатации, более комфортны для проживания, обладают повышенными показателями безопасности.

Разрыв между практикой строительства энергоэффективных зданий и научными основами их создания и проектирования стал совершенно нетерпимым в наши дни, а порой он носит спекулятивных характер. Часто энергоэффективное здание представляется как несколько независимых инновационных энергосберегающих решений. При этом оказывается невыявленным то обстоятельство, что эти независимые решения могут взаимно снижать их первоначальную эффективность, а в некоторых случаях даже приводить к отрицательному эффекту.

Для проектирования энергоэффективных зданий должен быть использован метод системного анализа как дисциплины, занимающейся проблемами принятия решения в условиях, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы. В нашем случае системный анализ – это совокупность методов и принципов выбора технических параметров системы климатизации и теплозащиты здания, наилучшим образом отвечающих достижению цели, ради которой создается эта система. Основные положения методологии системного анализа изложены в книге Ю. А. Табунщикова и М. М. Бродач «Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий».

Анализ развития энергоэффективных зданий показывает, что архитектура и строительство вступают в совершенно новый этап своей истории, что появление и развитие энергоэффективных зданий есть отражение глобальных проблем развития общества начиная с середины ХХ века со всеми его положительными и отрицательными направлениями поисков. Энергоэффективные здания как симбиоз творчества архитектора и инженера достигают в этом союзе вершин произведения искусства.