Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ теоретического и практического опыта развития энергосберегающей архитектуры в странах Ближнего Востока 10
1.1. Современные теории и концепции формирования архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока 10
1.2. Факторы, влияющие на формирование объемно-планировочных и конструктивных решений энергосберегающих общественных зданий Ирака 22
1.3. Анализ опыта строительства энергосберегающих общественных зданий в Республике Ирак .48
Выводы по главе 1 55
Глава 2. Типологические особенности энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока 58
2.1. Архитектурно-планировочная концепция развития энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока 58
2.2. Конструктивные особенности архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока 88
2.3. Ресурсосберегающие технологии энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока 94
Выводы по главе 2 100
Глава 3. Методика формирования архитектуры энергосберегающих зданий в Республике Ирак 105
3.1. Проблемы и перспективы развития энергосберегающего строительства в Республике Ирак 105
3.2. Метод принципиального анализа целевой функции энергосберегающих общественных зданий в Республике Ирак 115
3.3. Принципиальное моделирование и оптимизация эффективности энергосберегающих общественных зданий в Республике Ирак 134
Выводы по главе 3 140
Заключение и общие выводы исследования 144
Библиографический список 149
- Факторы, влияющие на формирование объемно-планировочных и конструктивных решений энергосберегающих общественных зданий Ирака
- Архитектурно-планировочная концепция развития энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока
- Ресурсосберегающие технологии энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока
- Принципиальное моделирование и оптимизация эффективности энергосберегающих общественных зданий в Республике Ирак
Введение к работе
Актуальность исследования. В большинстве стран Ближнего Востока
политика повышения энергоэффективности общественных зданий стала одной из
приоритетных задач современной архитектуры как способа оптимизации
имеющихся энергоресурсов, поддержки экономического роста и уменьшения
затрат на энергию. Несмотря на неравномерный характер эффективного
энергопользования, различия в политическом и социальном укладе,
неоднородность экономических и культурных условий, наличие разнообразных
препятствий, факторов, влияющих на формирование энергосберегающей
архитектуры, многие страны региона заинтересованы в реализации проектов
эффективного использования энергии. Большинство арабских стран сталкиваются
с проблемами низкой энергоэффективности, в то время как в их экономике
заложены огромные резервы повышения энергоэффективности и экологичности.
Для раскрытия этого потенциала и создания благоприятного инвестиционного
климата необходим системный подход к определению особенностей
формирования энергосберегающей архитектуры.
Отсутствие национальных строительных стандартов, низкое развитие местной строительной базы, противоречия между национальными приоритетами, направлениями и инновационными инженерными технологиями, низкая популярность идей энергосбережения, неактуальность традиционных форм энергосберегающих мероприятий, и как результат, невысокий уровень развития энергосберегающей архитектуры Республики Ирак обусловили необходимость проведения исследований в области способов повышения энергоэффективности общественных зданий. Разработка комплекса энергосберегающих архитектурно-планировочных, конструктивных, инженерно-технологических мероприятий в виде алгоритма мероприятий по обеспечению энергосбережения в общественных зданиях в условиях Ирака позволит сократить объем энергозатрат, повысить инвестиционную привлекательность объектов. В связи с этим одним из приоритетных направлений Ирака должно стать широкое использование
комбинированных энергосберегающих мероприятий с последовательным рациональным включением альтернативных источников энергии.
Все это определило актуальность настоящего исследования.
Теоретическая база исследования. Вопросы экономической
эффективности при оптимизации уровня теплозащиты, повышения
энергоэффективности домов изучены в работах Л.Ю. Анисимовой, А.А. Арутюнян, В.Н. Белоусовой, А.М. Береговой, М.М. Бродач, А.А. Брума, Г.П. Васильева, В.В. Гранева, Е.В. Денисенко, В.И. Иовлева, Л.Б. Кологривовой, В.Н. Куприянова, А.П. Михеева, А.Л. Наумова, Г.Н. Нурмиева, И.А. Огородникова, Б.С. Пайлеванян, Я. Ржеганек, Н.А. Сапрыкиной, П.А. Семикина, С.Н. Смирновой, С.Н. Смородина, Ю.А. Табунщикова, Л.В. Хихлуха, Н.В. Шилкина.
Исследования пассивных методов энергосбережения и использования нетрадиционных источников энергии освещены в работах Бассам Бужаллед, В.С. Беляева, Абдин Мустафа Омер, Р.Н. Яковлева. Проблемы создания экологической эффективности рассмотрены Осой Нюстедт, Мари Сеппонен, Микко Виртанен, Пекка Лахти.
Теоретические вопросы формирования архитектуры общественных зданий в
условиях засушливого климата изучены в работах Аль-Лефдауи Махди Мухамед
Закария, В.Л. Ворониной, Джавахериан Мерхдат, Джедид Мурада, А.Н.
Дмитриева, Иншаси Ахмед, Ли Расмей, В.М. Фирсанова, М.З. Хамед Халид, В.М.
Шувалова. Проблемы формирования устойчивой архитектуры в засушливых
районах рассмотрены в работах Хезла Айуба. Исследованию
энергоэффективности энергетических систем применительно к условиям Ирака посвящены работы А.В. Седина, Н.К. Хоссене. Проблемы внутреннего рынка Ирака рассмотрены в работе Халиль Ибрагим Рушди.
Принципам энергосбережения при формировании общественных и административных зданий посвящены работы А.В. Антонова, Г.С. Асланян, О.К. Афанасьева, М.М. Бродач, А.М. Демидова, А.М. Дмитриева, С.В. Ильвицкой, В.Н. Куприянова, С.А. Молодкина, Мохамед Абдельхади Ибрагим, Н.А. Сапрыкиной, П.А. Семикина, Ю.А. Табунщикова, В.В. Щербакова. Проблемы
развития энергоэффективной архитектуры сооружений транспорта
сформулированы в работах А.В. Татаринцевой.
Проблемы взаимодействия исторической застройки городов с
инновационными архитектурными и технологическими решениями рассмотрены
в работах Г.В. Есаулова, А.В. Коротича, М.А. Коротича, А.С. Кузьмина.
Теоретические проблемы формирования и развития мусульманской архитектуры
в культурно-историческом аспекте изучены в работах Мухамед Забен Хамед
Халид, В.М. Предтеченского. Проблемам конструктивных схем
пространственных покрытий для стран Ближнего Востока посвящена работа Шабан Халед Ахмад.
Процессы становления и формирования высотной архитектуры разработаны в исследованиях В.П. Генералова, Е.М. Генераловой, А.В. Коротича, М.А. Коротича, Е.А. Тележниковой. Проблемы изучения имиджа города рассмотрены в работах Ю.С. Большаковой, И.В. Вакуновой, О.М. Калиевой, В.Н. Марченко, Т.А. Морозовой.
Выбранное направление исследования является малоизученным в архитектурной науке. Работы, посвященные определению типологических особенностей формирования архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока, отсутствуют. Вопрос формирования особенностей энергосберегающей архитектуры общественных зданий Республики Ирак ранее не рассматривался.
Цель исследования – выявить особенности формирования архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе были поставлены задачи:
- выполнить анализ современных тенденций развития энергосберегающих
общественных зданий в странах Ближнего Востока;
- определить факторы, влияющие на формирование объемно-
планировочных и конструктивных решений энергосберегающих общественных
зданий Республики Ирак;
выявить типологические особенности энергосберегающих общественных зданий различных типов в странах Ближнего Востока по архитектурно-планировочным, конструктивным и инженерно-технологическим признакам;
разработать метод анализа целевой функции энергосберегающего зданияв рамках определения тенденций развития энергосберегающей архитектуры в условиях Ирака;
- сформировать комплекс энергосберегающих инструментов по группам
общественных зданий для Ирака.
Объектом исследования являются энергосберегающие общественные здания стран Ближнего Востока.
Предметом исследования являются градостроительные, объемно-
планировочные, конструктивные и инженерно-технологические особенности формирования архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока.
Границы исследования: географические – страны Ближнего Востока, типологические – общественные здания, хронологические – конец XX в. – XXI в. с исследованием в исторической главе народной архитектуры.
Гипотеза исследования базируется на предположении о том, что развитие
архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего
Востока имеет определенные особенности, обусловленные рядом внешних и
внутренних факторов, а также характером использования комплекса
традиционных для региона и инновационных энергосберегающих мероприятий в зависимости от типа общественного здания.
Научная новизна работы заключается в следующем: на основании анализа
опыта проектирования энергосберегающих зданий в странах Ближнего Востока
выявлены и впервые сформулированы типологические – градостроительные,
объемно-планировочные, композиционно-художественные, конструктивные,
инженерно-технологические – особенности формирования их архитектуры; систематизированы группы энергосберегающих общественных зданий стран Ближнего Востока по функционально-технологическому назначению, системе
обслуживания; исследован комплекс энергосберегающих инструментов по
каждой группе общественных зданий Республики Ирак; разработана
принципиальная модель оптимизации энергосберегающих общественных зданий в условиях Республики Ирак.
Теоретическая и практическая значимость работы определена
возможностью применения результатов исследования как на стадии
предпроектного анализа, так и на стадии проектирования, при разработке местных строительных стандартов и нормативов не только для Республики Ирак, но и в других странах Ближнего Востока.
Методология и методы исследования состоят в анализе и обобщении научных исследований в области энергосберегающей архитектуры общественных зданий, нормативно-рекомендательной литературы, проектных материалов в аспекте исследуемой области, натурном обследовании общественных зданий Ирака, в анализе целевой функции энергосберегающего здания, разработке метода построения принципиальной модели с последующей систематизацией и обобщением результатов исследования.
На защиту выносятся:
- типологические особенности формирования архитектуры
энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока;
- рекомендации по применению комплекса энергосберегающих
инструментов по каждой разработанной группе общественных зданий в условиях
Ирака;
- особенности формирования энергосберегающей архитектуры в условиях
Ирака;
- принципиальные модели оптимизации энергосберегающих решений в
условиях Ирака.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения диссертации отражены в 10 публикациях, 5 из них – в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также апробированы в учебном процессе на кафедре архитектуры и кафедре архитектурного проектирования ННГАСУ в
ходе педагогической практики, в реальном проектировании – при проектировании
энергосберегающих лечебных и административно-офисных зданий в
строительной компании «AL-SADIR» Co. For General Contracts Ltd. (республика Ирак). По всем объектам имеются акты внедрения.
Перспективы дальнейшей разработки темы. Результаты
диссертационного исследования могут быть использованы для дальнейших
исследований в области формирования архитектуры, основанной набиоподходах,
объектов «зеленой архитектуры», архитектуры энергосберегающих и
энергоэффективных зданий различных типов в странах с жарким и сухим климатом.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из двух томов: первый том включает введение, три главы с выводами, заключение, библиографический список из 171 источников, общий объем – 166 страниц, акты внедрения; второй том иллюстративный, состоит из графоаналитических таблиц на 42 страницах.
Факторы, влияющие на формирование объемно-планировочных и конструктивных решений энергосберегающих общественных зданий Ирака
На развитие энергосберегающего строительства общественных зданий существенное влияние оказывают экономические факторы. Проектирование и строительство энергосберегающих общественных зданий с целью снижения энергопотребления, как правило, основано на показателях энергетической эффективности, уровень которого определяется степенью снижения удельного расхода энергоресурсов по сравнению со стандартным расходом.
Энергоэкономичными и энергосберегающими становятся здания, имеющие максимальное использование выделяемой внутри них тепловой энергии и максимальную защиту от потерь теплоты через наружные поверхности и вентиляцию [125].Эко-проекты модели «зеленого дома» были успешно апробированы и реализованы во всем мире. К ним можно отнести проекты: «Башня Мохаммеда ибн Рашида» (Burj Mohammed Bin Rashid Tower) в Абу-Даби (ОАЭ), проекты Eden («Эдем»)и Multiplicity в Мельбурне (Австралия), «Город пешеходов» в Сан-Хуане (Пуэрто-Рико), центр Афин (Греция), проект города-лужайки в Шан-Суи (Китай), x-Seed-4000 в Японии, CSI-IDEA в Малаге (Испания), Tree House в Сингапуре, проект BoscoVertical в Милане (Италия), гостиницу с зеленой кровлей The Mandarin Oriental в Лас-Вегасе и проект озеленения в Питтсбурге (США) и др. [165].
«Зеленый дом» энергоэффективен, экологичен и экономичен в эксплуатации. Привлекательность строительства «зеленого дома», кроме энергосберегающих экологических свойств, заключается также в его специфичности и нестандартных подходах при проектировании. «Зеленый дом» учитывает также региональные особенности, местные природно-климатические и тектонические условия, национальные культурные традиции. Энергопотребление такого здания как минимум на 20% ниже обычного. Эффект энергоэффективности достигается путем использования материалов, не выделяющих вредные вещества в окружающую среду, в течение всего жизненного цикла эксплуатации общественного здания, а также после его демонтажа. Строительные материалы при этом подвергаются вторичному использованию. При строительстве «зеленой архитектуры» минимизируются расходы на природные ресурсы: сокращается потребление чистой воды при эффективной очистке и вторичном использовании (мытье полов, для стирки, обогрева и т.д.) сточных и дождевых вод. При принятии решения о строительстве энергосберегающего здания определяется то, насколько будет дифференцирована сумма оплаты за энергию и приведет ли это к повышению комфорта среды жизнедеятельности. В расчете дополнительных затрат на строительство учитывается разница между стоимостью энергосберегающих материалов и стоимостью стандартных: разница в стоимости увеличения толщины изоляции, в стоимости дверей и окон – энергосберегающих и стандартных, в стоимости систем отопления и вентиляции. Размеры дополнительных вложений при этом зависят от выбранных решений и составляют в общей сложности от 5 до 17% от стоимости обычного дома [19, 168]. Критерием оценки совокупности стоимости проектного решения энергосберегающего здания является приведенная стоимость владения, равная отношению совокупной стоимости к ее плановому периоду эксплуатации. Энергосберегающее и экологичное здание, учитывающее положения «зеленого» строительства, обеспечит низкую стоимость владения в течение всего периода жизненного цикла объекта. Таким образом, себестоимость строительства указанного здания будет выше стоимости стандартного здания ориентировочно на 50%. Однако, совокупная стоимость владения энергосберегающим зданием будет в 1,5-2,5 раза ниже стоимости затрат жизненного цикла стандартного здания за счет использования экологичных и энергосберегающих мероприятий [46, 49, 50, 59].
В результате дополнительных вложений для одной семьи расход энергии снижается до 18 000 кВт.ч/год. При взятии кредита на строительство дома данная экономия будет использоваться на выплату части кредита, сумма которого увеличится из-за расходов по повышению энергоэффективности постройки. Таким образом, сумма кредита на строительство энергосберегающего дома увеличится. Ежемесячный кредитный взнос не увеличится на сумму большую, чем та же ежемесячная величина экономии на стоимости эксплуатации энергосберегающего оборудования. Для энергосберегающего и стандартного здания совокупные издержки, такие, как энергия и кредит, почти одинаковые, а после оплаты кредита эксплуатационная стоимость энергосберегающего строения будет значительно ниже стандартного. Из этого следует, что строительство такого рода энергосберегающего здания является инвестиционно привлекательным и выгодным. При этом рост стоимости при применении энергосберегающих технологий и материалов не будет превышать 10% от стоимости. Использование современных энергосберегающих технологий остекления за счет дополнительных инвестиций в 0,25% от стоимости строительства даст ожидаемый эффект экономии теплоэнергии около 23%. Такой подход безусловно позволяет повысить до высокого класс энергоэффективности здания [16, 25].
Мероприятия, обеспечивающие повышение энергоэффективности здания, зависят от уровня и сроков окупаемости инвестиционных средств. Расчет сроков окупаемости и дополнительных показателей эффективности окупаемости инвестиций в проектирование зданий повышенного уровня энергоэффективности выполняется на основании сравнительного анализа различных вариантов энергосберегающих мероприятий и выбора наиболее эффективного решения. Сравнивается чистый доход за счет экономии энергоресурсов на весь срок эксплуатации энергосберегающих мероприятий, приводится индекс доходности инвестиций в проектирование энергосберегающих мероприятий, которые обеспечивают данный доход (таблица 1.7). Дополнительные инвестиционные расходы, дающие ежегодный дополнительный доход, производятся за счет экономии энергоресурсов в течение срока эксплуатации в здании энергосберегающих мероприятий [81, 85-88, 90, 96, 98, 99].
Экономический эффект энергосберегающих мероприятий подлежит стимулированию при превышении стандартного уровня за счет снижения удельного расхода энергоресурсов не менее чем на 15%. Индекс доходности инвестиций при условии дисконтирования всех поступающих доходов в течение срока эксплуатации, а также с учетом фактора времени определяется по формуле [145]:
иДд = ДЭд/дк где ИДд – индекс доходности инвестиций при условии дисконтирования всех поступающих доходов;
Эд – полный дисконтированный доход за счет экономии энергоресурсов за весь период эксплуатации энергосберегающих мероприятий, в руб.;
К – инвестиции в проектирование зданий повышенного уровня энергосбережения, в руб.
Вопросы сбережения энергии в области экономической эффективности энергосберегающих зданий рассматриваются, как правило, в аспекте понятия эксэргии – воплощенной энергии, т.е. полезной доли затраченной энергии [19]. Указанные значения эксэргии вводятся на всех этапах строительства, начиная от добычи материалов и изготовления строительных деталей до полной разборки и повторного использования элементов и материалов. Эффективность здания определяется показателем максимальной эксэргии или ее потери в ходе строительства, эксплуатации и демонтажа здания. Понятие эксэргии заключает в себе достаточную информативность и в настоящее время нашло широкое применение в практике строительства энергосберегающих зданий.
Исследования, проведенные на основании опыта эксплуатации различных зданий, показали, что при эксплуатации обычного многоэтажного жилого здания через стены уходит около 40% тепла, подвал – 10%, крышу – 18%, через окна – 18%, вентиляцию – 14%. По экспертным оценкам, удельные теплопотери в зданиях распределяются следующим образом: до 40% – за счет неорганизованной и организованной инфильтрации нагретого воздуха, до 30% – за счет недостаточного сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций, до 30% – за счет нерационального расходования горячей воды и нерегулируемого режима эксплуатации отопления. Предварительная оценка проекта экогорода Масдар (Masdar city) в ОАЭ показала, что использование стратегии пассивного проектирования сэкономило бы 52% энергии за счет экономически целесообразных активных систем: производства положительной энергии – 20%, выработки электроэнергии возобновляемыми источниками энергии – 31%. Следовательно, повышение энергоэффективности здания заключается в минимизации тепловых потерь и использовании комплексного подхода к энергосбережению (таблица 1.7) [19].
Архитектурно-планировочная концепция развития энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока
Изучение вопросов формирования рационального архитектурно планировочного и объемно-пространственного решения, дифференцированных функциональных процессов, условий их осуществления стимулирует создание новых моделей объемно-пространственных композиций энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока, развитие которых взаимосвязано с внешними факторами. Данный подход учитывает специфические требования к проектированию зданий общественного назначения, уникальность объектов в соответствии с региональными условиями и местными традициями. В рамках комплексного метода исследования принимается во внимание как мировой, так и традиционный опыт проектирования и строительства энергосберегающих общественных зданий. Принцип учета историко-культурных требований, использования традиционных приемов формообразования, рациональных технологических и конструктивных решений позволяет выявить закономерности развития объемно-пространственной композиции, определить принципы формирования архитектуры энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока. На основе данных принципов могут быть разработаны универсальные модели проектирования, а также прогнозирования развития энергосберегающей архитектуры в региональных условиях Ирака.
Экономическая эволюция ряда стран Ближнего Востока с середины 80-х гг. XX века стала толчком к формированию архитектуры энергосберегающих общественных зданий на фоне влияния современных течений и технического прогресса. Внедрение высокоэффективных технологий способствовало повышению энергоэффективности зданий, сокращению затрат энергии на обеспечение комфортной среды обитания. Архитектура стала отражать не только общую стилистику, но и типологические особенности становления новых общественных зданий [2, 6, 22, 23, 28, 74].
В связи с отсутствием концепции формирования энергосберегающей архитектуры, недостаточной изученностью факторов типообразования общественных зданий, а также нестабильностью поступательного развития социальных и экономических факторов в ряде стран Ближнего Востока комплексный анализ архитектурно-планировочных решений энергосберегающих зданий позволяет выявить закономерности тенденций и перспективы развития традиционной архитектуры общественных зданий. Архитектурно-планировочная организация энергосберегающих зданий рассматривается в аспекте анализа существующих решений, практик проектирования и строительства в таких странах, как Ирак, Объединенные Арабские Эмираты, Сирия, Саудовская Аравия, Турция, сходных по природно-климатическим условиям. Генерация систем архитектурных типообразующих факторов исследуется в границах определения принципов проектирования городских общественных зданий по градостроительным, объемно-планировочным, функциональным, композиционно-художественным признакам (таблицы 2.1-2.5).
В ходе исследования проанализировано более 100 объектов общественного назначения, где были выявлены особенности формирования архитектурно-планировочных и объемно-пространственных решений (таблицы 2.6-1.6).В градостроительном аспекте общественное здание становится главным акцентом городской застройки, где определяющую роль играют: ориентация здания по сторонам света, организация территории с учетом местного ландшафта и природно-климатических условий, функциональная направленность объекта. Архитектурная стилистика общественных зданий при этом впитывает в себя разнообразные стилистические решения, образованные посредством внедрения инновационных технологий, интеграции современных течений и традиционных элементов народной архитектуры [22, 23, 33, 37, 44, 45, 47]. В основе научного метода лежат дифференцирование системы общественных зданий и их последующая группировка по архитектурно планировочным признакам посредством обобщенных моделей и схем. При определении типологических архитектурно-планировочных особенностей развития энергосберегающей архитектуры систематизируются основные принципы формирования различных групп энергосберегающих зданий общественного назначения в странах Ближнего Востока. Набор энергосберегающих общественных зданий определен в пределах населенного пункта, сферы его влияния, включает стационарные системы эпизодического, периодического и повседневного обслуживания, как общегородского, так и местного значения.
Проблема архитектурной типологии в условиях стран Ближнего Востока пока не изучена. Многообразие научно-исследовательских работ и разночтения классификации общественных зданий как в нормативно-правовых актах, действующих строительных нормах России, так и в международных, национальных стандартах обусловили выбор наименования групп энергосберегающих общественных зданий в виде условной их группировки по архитектурно-планировочным признакам и функциональному назначению с целью выявления типологических особенностей формирования архитектуры энергосберегающих общественных зданий Ближнего Востока: здания и помещения учебно-воспитательного значения, здания и помещения здравоохранения и социального обслуживания населения, здания для научно иследовательских учреждений, проектных организаций и управлений, гостиницы, здания торговли и питания, зрелищные и досугово-развлекательные учреждения, физкультурные, спортивные и физкультурно-досуговые учреждения, культурно просветительские учреждения и религиозные организации, учреждения транспорта [27, 54]. Предполагается дальнейшее уточнение классификации энергосберегающих общественных зданий при детальной разработке оптимальных энергосберегающих мероприятий в условиях Ирака. В рамках исследования будут рассмотрены энергосберегающие общественные здания разнообразного класса в соответствии с функционально-технологическим процессом и их назначением.
В группу общественных зданий включены лишь современные объекты, действующие на территории стран Ближнего Востока. Группа зданий учебно воспитательного назначения состоит из начальных, средних и высших учебных заведений, школ, медресе (религиозных учебных заведений), ханаки (комплекса зданий, предназначенного для проживания суфийских учителей и учеников), колледжей, университетов, кампусов. К зданиям и помещениям здравоохранения и социального обслуживания населения отнесены больницы, медицинские центры, учреждения отдыха, лечения. Здания научно-исследовательских учреждений, проектных организаций и управления составляют группу зданий научно-исследовательского характера, офисов, бизнес-центров, банков, посольств, кредитных и правительственных учреждений. Для группы зданий торговли и питания установлены объекты торговли, торговые центры и моллы, магазины, караван-сараи, рынки, рестораны, кафе, фаст-фуды, помещения сервисного обслуживания населения. Гостиницы, как правило, представлены многофункциональными комплексами с группой обслуживания учреждений торговли и питания, административными помещениями, апартаментами и спальными зонами, как для кратковременного, так и долговременного проживания, а также в виде традиционных караван-сараев (келья).
Распространение получили зрелищные учреждения в виде многофункциональных комплексов, которые включают помещения различного назначения и ориентированы на обслуживание различных групп населения. К зрелищным досугово-развлекательным учреждениям отнесены развлекательные учреждения и помещения, театры, кинотеатры, концертные залы, музеи, выставки, библиотеки, культурные центры. Спортивные и физкультурно досуговые учреждения также имеют тенденцию развития в качестве многофункциональных центров. Это открытые и крытые спортивно 62 оздоровительные сооружения, стадионы, фитнес-центры, которые в большей степени адаптированы для женщин или мужчин в отдельности. К зданиям транспорта и коммунального обслуживания отнесены такие объекты, как аэропорты, метро, вокзалы, транспортные учреждения.
Религиозные учреждения являются специфическими и значимыми объектами в условиях местных религиозных течений. Исламская архитектура под влиянием политических, архитектурных и религиозных направлений сформировала стройную систему религиозных учреждений для мусульманского богослужения. Помимо религиозных функций в средние века мечеть имела и социальное значение. Здесь обучались студенты, проводились собрания жителей. Мечеть была также и приютом для странников. К культурно-просветительским учреждениям и религиозным организациям отнесены мечети, мавзолеи.
В связи с вышесказанным, сложно четко разделить здания и помещения учебно-воспитательного назначения и религиозные организации, медресе, ханаки и мечети. На сегодняшний день не существует также четких границ между современными учебными заведениями и спальными учебными корпусами. В мировой практике при классификации групп общественных зданий учебное здание и спальные учебные корпуса объединены в единый учебный комплекс-кампус. Принятая в работе классификация энергосберегающих общественных зданий стран Ближнего Востока носит условный характер и не определена в качестве задачи исследования, однако в рамках анализа позволяет выявить типологические архитектурно-планировочные, конструктивные и инженерно-технологические особенности формирования энергосберегающей архитектуры общественных зданий указанного региона.
Ресурсосберегающие технологии энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока
Принцип энергосбережения основан на снижении расхода природных экономических ресурсов при строительстве и эксплуатации общественных зданий. Помимо выбора оптимального решения архитектурно-планировочных средств, градостроительной схемы, ориентации здания по сторонам света, пространственной формы, конструктивной схемы, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии и современного инженерного оборудования способствует значительному снижению энергетических затрат, а также повышению тепловой эффективности. В работе рассмотрены архитектурные объекты энергосберегающих общественных зданий стран Ближнего Востока (Ирак, ОАЭ, Саудовская Аравия, Сирия, Турция), где принцип сохранения национальной самобытности, традиционные стилевые решения взаимосвязаны с современными подходами повышения энергоэффективности зданий (таблицы 2.6-2.16).
Альтернативные источники энергии вносят значительный вклад в тепловой баланс энергосберегающих общественных зданий. Для стран Ближнего Востока характерно использование нетрадиционных (альтернативных) источников энергии, успешная реализация которых вполне оправдана. На сегодняшний день обращение к альтернативным источникам энергии становится традиционной практикой строительства энергосберегающих высотных зданий в ОАЭ и Саудовской Аравии, в отличие от применения стандартных решений при использовании инженерного оборудования в Ираке, Сирии, Турции.
Нетрадиционные возобновляемые источники энергии – энергия, получаемая практически без затрат. Использование таких источников энергии приобрело масштабное распространение, как во всем мире, так и в ОАЭ и Саудовской Аравии в связи с ощутимым эффектом повышения энергоэффективности зданий. Например, эксплуатация энергии солнца в виде буферных зон для накопления тепла от солнца, солнечных батарей, коллекторов способна уменьшить затраты на теплоснабжение. По всей площади крыши при этом устанавливаются наполненные аргоном солнечные коллекторы. Они питаются энергией солнца и работают как на обогрев, так и на охлаждение. Водно-гликолевая смесь нагревается и проходит через абсорбционный чиллер для производства охлажденной воды. Вода затем подается в основной холодильный контур. Система кондиционирования от солнечных батарей способна генерировать до 200 млн. кВт/ч солнечной электроэнергии в год. Суточная максимальная эффективность гелиосистемы с абсорбционным чиллером приходится на время, когда солнце стоит высоко и требуется максимум охлаждения.
Таким образом, данное технологически несложное, но энергоэффективное и экологичное направление позволяет работать на перспективу, увеличивая срок эксплуатации оборудования с наименьшими затратами. Энергия ветра, аккумулируемая в виде установок для накапливания тепловой энергии от воздействия ветра, а также в виде естественной вентиляции, снижает затраты на потребление энергии. Энергия воды, при использовании грунтовых вод, позволяет минимизировать затраты на водоснабжение, холодоснабжение и кондиционирование. Применение энергии земли в качестве источника тепла сокращает потребление энергии на теплоснабжение и охлаждение здания. При строительстве энергосберегающих общественных зданий в странах Ближнего Востока повсеместное распространение приобрело современное инженерное оборудование – автоматические системы водоснабжения, отопления, вентиляции и кондиционирования, которые значительно сокращают расходы на энергию за счет энергосберегающих инженерных решений. При рассмотрении особенностей формирования энергосберегающих зданий в ближневосточных странах (Ирак, ОАЭ, Сирия, Саудовская Аравия, Турция) определены и обобщены способы повышения энергоэффективности объектов за счет систем инженерно-технического обеспечения, которые включают:
- размещение индивидуального источника энергоснабжения (источник когенерации энергии или индивидуальная котельная);
- устройство солнечных коллекторов в системе горячего водоснабжения и в системе охлаждения помещений;
- применение тепловых насосов для использования тепла земли, тепла сточных вод и тепла вытяжного вентиляционного воздуха;
- возможность индивидуального регулирования теплового режима помещений;
- использование в системе водяного отопления насосов с автоматически регулируемой скоростью вращения с целью создания комфортного микроклимата внутри помещений;
- установка системы механической вытяжной вентиляции с индивидуальным контролем и утилизацией отработанного воздуха;
- понижение до необходимого минимального уровня производительной системы кондиционирования за счет снижения теплопоступлений в помещение в жаркое время, применение естественной вентиляции;
- утилизация тепла удаляемого воздуха для подогрева приточного воздуха;
- применение охлаждаемых потолков и панельно-лучистого отопления с целью уменьшения стоимости энергии на отопление и охлаждение.
Интеллектуальные системы автоматизированных процессов жизнеобеспечения представляют собой комплекс систем инженерного оборудования – конгломерат структурированных кабельных систем и стандартов открытых систем. Стандарт подразумевает наличие способности оптимально реагировать на изменения процессов в здании, объединение распределенных принципов построения систем с централизованной функцией мониторинга, возможность конфигурации построения инженерных систем и введения изменений с минимальными затратами. Комплекс интегрированных систем управления успешно апробирован на практике строительства общественных зданий стран Ближнего Востока. Эффективная работа инженерного оборудования позволяет создавать идеальные условия жизнеобеспечения жителей здания [111-113, 124, 127, 145].
Примером успешного внедрения инновационных ресурсосберегающих технологий является Международный аэропорт в Ираке, где были использованы: системы отраженного дневного света, схема холодоснабжения с переменным расходом хладагента и автоматической фиксацией повышения температуры воздуха в помещениях, системы роторных рекуператоров. Максимальная эксплуатация солнечной энергии позволила значительно сократить затраты на энергию в здании бассейна в Ираке (2015 г., DOS Architects). Необычная форма объекта напоминает каплю. Крыша бассейна оборудована установками для сбора солнечной энергии и подогрева воды до необходимой температуры. В проекте здания публичной библиотеки в Багдаде (строительная компания AMBS) размещены гидро- и ветряные турбины, а также фотоэлектрические панели.
Успешное применение строительных конструкций, рациональное распределение функционально-технологических процессов, а также автоматизация энергосберегающих инженерных решений позволили значительно сократить затраты на электроэнергию на одном из важнейших социальных объектов спортивной инфраструктуры Багдада – футбольном стадионе Al Sadr City Stadium на 30 000 зрителей. Вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха интегрированы в единую систему диспетчеризации, что позволяет поддерживать оптимальные параметры микроклимата в разных помещениях арены и минимизировать потребление энергоресурсов. Данная система анализирует работу оборудования в режиме реального времени и отслеживает влияние изменений внешней среды на микроклимат в помещениях стадиона, поддерживает его стабильность при минимальном энергопотреблении. Две трети внутренних пространств обеспечены естественной вентиляцией. Кроме того, в помещения стадиона приточный воздух поступает через щели в решетках настилающей струей, что предотвращает появление конденсата на стекле. На стадионе установлены специальные зеркала, отражающие и фокусирующие солнечные лучи и запускающие генератор. Фотоэлектрические панели позволяют обеспечивать здание освещением.
Примером успешного энергосберегающего строительства является проект американского посольства в Багдаде, которое будет представлять собой настоящую крепость. Проект обошелся американской казне в 600 млн. долларов. Новое американское посольство в Багдаде занимает площадь, равную территории Ватикана – 44 гектара земли. Объект будет расположен в «зеленой зоне» – тщательно охраняемом квартале, где находятся правительственные учреждения и представительства иностранных государств. Посольство включает жилые дома американских сотрудников и военные казармы. На территории объекта запроектированы спортивный зал и бассейн. Здание будет подключено к автономному водо- и электроснабжению.
Принципиальное моделирование и оптимизация эффективности энергосберегающих общественных зданий в Республике Ирак
При разработке, строительстве и эксплуатации энергосберегающих общественных зданий Ирака порой возникают проблемы, сопряженные не только со свойствами комплекса энергосберегающих инструментов, но ис закономерностями функционирования энергосберегающего здания в целом и обеспечения его жизненного цикла. В нашем случае практическое использование принципиальной модели при формировании альтернативных вариантов модернизации энергосберегающих зданий представляется как определение области поиска решения в виде заданного множества энергосберегающих средств и комплекса инструментов.
Методологическая основа анализа в виде теоретической принципиальной модели тем самым позволит успешно применять такие методы при проектировании и строительстве энергосберегающих общественных зданий в Ираке. Представленный системный подход базируется на методах исследований с привлечением теории ситуаций, комбинаторики, принципиального моделирования в виде формализованных и неформализованных средств [11, 61, 109]. Дальнейшее формирование принципиальной модели развития энергосберегающих общественных зданий позволит решить проблемы, которые возникаютпри определении оптимальных энергосберегающих мероприятий при проектировании в условиях нового Ирака.
В связи с этим на основании анализа целевой функции, выполненного в рамках структурной схемы тенденций формирования энергосберегающего здания, разработана принципиальная модель оптимизации эффективности энергосберегающих общественных зданий по каждой группе исследуемых объектов, в которой осуществляется реализация принципов формирования энергосберегающей архитектуры Ирака (таблицы 3.6-3.9). Механизм действия принципов формирования энергосберегающих зданий заключается в сравнительном анализе энергоэффективности общественного здания посредством принципиального моделирования традиционных, т.е. общепринятых, и альтернативных подходов при проектировании энергосберегающих сооружений.
На основе общих схем группировки помещений определены 4 группы энергосберегающих общественных зданий для условий Ирака в зависимости от функционального назначения:
- здания и помещения учебно-воспитательного назначения – галерейные и галерейно-зальные схемы;
- зрелищные и досуговые учреждения, здания торговли и питания – зальные, галерейно-зальные и анфиладно-кольцевые схемы;
- учреждения транспорта, вокзалы, аэропорты, спортивные сооружения – зальные и ячейково-зальные схемы;
- здания и помещения здравоохранения, здания управления, гостиницы – двухкоридорные, ячейково-зальные схемы.
Суммарное сопоставление принципов по указанным группам зданий различного назначения объединено в общую для них проектную модель –
«Принципиальную модель формирования энергосберегающих общественных зданий и сооружений в Ираке», которая акцентирует минимально необходимые предпроектные и проектные действия в условиях ограниченных возможностей новой страны.
Сравнительный анализ позволяет выявить потенциал комплекса энергосберегающих инструментов с двух точек зрения – традиционного и альтернативного подходов. Анализ принципиального формирования здания, основанный на алгоритмах развития событий, при различных подходах дает возможность определить характер воздействия того или иного комплекса энергосберегающих мероприятий. Принципиальное моделирование может производиться на разных этапах проектирования и эксплуатации зданий, способствуя повышению энергоэффективности. Полученный в результате принципиального моделирования оптимальный вариант дает представление о вероятностной картине перспектив эксплуатации здания. Анализ включает использование как традиционных подходов, так и метод принципиального моделирования энергосберегающих зданий общественного назначения Ирака.
Ценность результатов принципиального моделирования заключается в эффективности предпроектного анализа. Данный подход позволяет исключить наихудшие варианты при проектировании энергосберегающих общественных зданий Ирака. Предложенный метод дает возможность уйти от неверных архитектурно-планировочных и конструктивных решений, сверхнормативных потерь энергии, завышенных мощностей инженерных систем [100], ведущих к росту затрат на инженерное оборудование при строительстве и избыточном расходе при эксплуатации здания. Принципиальное моделирование позволяет откорректировать национальные приоритеты повышения энергоэффективности общественных зданий Ирака на основании сведений, полученных от того или иного варианта использования энергосберегающего инструмента. Например, на стартовом этапе предпроектного анализа и проектирования при рассмотрении всевозможных вариантов трансформации и модернизации общественного здания можно оценить базовую мощность, потребляемую зданием как при традиционном подходе к проектированию, так и при варианте поиска альтернативных решений. Вариантное моделирование при этом позволяет определить оптимальные архитектурно-планировочные и конструктивные решения и включает:
- пересмотр территориально-планировочного месторасположения, ориентации здания;
- проецирование задач возможного изменения параметров энергоэффективности при пересмотре функционального назначения, перепланировке помещений, трансформации форм, объема, размеров объекта;
- замену одного инженерного и технологического оборудования на другое.
Предложенная принципиальная модель разработана по результатам анализа целевой функции энергосберегающей архитектуры, в которой определен оптимальный комплекс архитектурно-планировочных, конструктивных и инженерно-технологических энергосберегающих инструментов для Ирака. Такого рода модель максимально близка к реальным условиям и позволяет выявить потенциал энергосберегающих проектных решений, оценить их последствия с целью оптимизации энергосистем и энергосбережения. Представленная принципиальная модель применима как в режиме реального времени, так и в течение всего жизненного цикла эксплуатации здания посредством оценки и выбора индикаторных показателей энергосберегающего набора инструментов и предполагаемых трансформаций (изменений).
Принципиальная модель позволяет создавать базовые модели оптимального варианта набора энергосберегающих инструментов – градостроительных, объемно-планировочных, конструктивных, инженерно-технологических – для каждой группы общественных зданий. Базовые модели могут выступать в качестве типовых, возобновляемых циклов проектирования, где выбранная базовая модель повторно используется для оценки энергосберегающих мероприятий на объекте, схожем по размерам, объемам, функциональному назначению. Такой подход наиболее привлекателен в условиях Ирака при проектировании учреждений образования, небольших магазинов, кафе, а также крупных жилых комплексов с повторяющимся набором объектов обслуживания (учреждений коммунального хозяйства, торговых и выставочных площадей, офисов, служб быта и сервиса).Принципиальные модели оптимального варианта набора энергосберегающих инструментов для каждой группы общественных зданий представлены в таблицах 3.6-3.9.
Для упрощения принципиальной модели возможно исключение учета второстепенных элементов, помещений, объемов и мощностей. Далее на основании сценария развития выполняется оценка по наибольшему условному значению показателей энергоэффективности. При этом необходим учет возможных природно-климатических изменений. В итоге при комбинации оптимальных энергосберегающих инструментов, анализе экономического эффекта, который выполняется на основании критериев оценки энергоэффективности и долгосрочных перспектив эксплуатации здания, получаем наиболее вероятный вариант развития с невысоким потреблением энергии. Например, для гостиниц, зрелищных учреждений было установлено, что использование альтернативных архитектурно-планировочных и инженерно технологических решений дает определенный экономический эффект. При первичном краткосрочном вложении в современные строительные материалы, нестандартные конструктивные и технические решения, внедрение нетрадиционных источников энергии, интеллектуальных систем управления происходит долгосрочное снижение затрат на оборудование и эксплуатационные расходы (таблица 3.7).