Встроенные в здания решения: шанс или угроза?
Встроенная в здания фотовольтаическая техника (BIPV, Building Integrated
PhotoVoltaic), когда фотоэлектрическая стеклянная панель смонтирована
в качестве фасада или размещена на крыше здания — лучший пример такого
интегрированного решения. И понятно, что работа по созданию самообеспечивающихся
умных зданий не ограничивается усилиями одних только стеклянной, фасадной,
фотоэлектрической отраслей промышленности. И эти усилия уже входят в
противоречие новой технике, используемой на практике.
Обобщенно, задача архитекторов и планировщиков — выполнить целый ряд соответствующих
и противоречивых требований, включая индивидуальные запросы, в т.ч. связанные
с пожеланиями заказчика и местными особенностями, в т.ч. природными. Ныне
как никогда остро стоит задача энергосбережения и энергоэффективности,
т.е необходимо, во-первых, как можно более снизить энергопотребление,
и, во-вторых, разумно использовать вторичные источники энергии, опираясь
на рекуперацию и использование где только возможно энергии из возобновляемых
источников, сочетая технологию умного остекления, затенение, дневное освещение
вместо искусственного, защиту от бликов и перегрева от солнца, причем
с учетом экономики вопроса, т.е. по разумной и оправданной цене.
Рис. 2. Dome di Lucca, XII–XV век, декоративный фасад перед окнами и стеной
Рис. 3. а) Филигранная конструкция пальмовой оранжереи Bicton Gardens,
Англия, ~1830 г. Архитекторы: Bailey Brothers. б) Атриум зимнего сада
во внутреннем дворе отеля Gaylord Opryland, Nashville, USA
Рис. 4. Библиотека института лесного хозяйства, г. Eberswalde, Германия. Декоративные панели с фотографическими репродукциями на стекле и бетоне. Архитекторы: Herzog & de Meuron, 1999 г.
Рис. 5. Положительные (а) и отрицательные (б) примеры фасадов
Оболочка, «кожа», цельностеклянный фасад — введение
Раньше дома просто давали укрытие от элементов дискомфорта, таких как
ветер, дождь, холод или жара, защиту от проникновения извне вовнутрь.
Но очень скоро люди начали украшать свое жилище, в том числе и снаружи.
В эпоху Возрождения фасады впервые стали «отделяться» от здания.
На этой фазе архитектура фокусировалась на дизайне и эстетике фасадов,
соотношении и пропорциях, остеклении и архитектурных элементах, таких
как колонны и архитравы. Но вскоре соотношение открытых и закрытых поверхностей
начало быстро меняться, и тем быстрее, чем окна начали становиться предметом
промышленного изготовления и перестали быть предметом роскоши.
Промышленная революция не только изменила мир, но и сами здания. Одним
из первых примеров прозрачных сооружений стала филигранная конструкция
пальмовой оранжереи Bicton Gardens, Англия (рис. 3 а).
Все более и более прозрачные фасады стали играть важную роль. Аура традиционных
зданий наложилась в новом контексте, чтобы подчеркнуть желаемое сочетание
материалов, их эстетику, эффекты сочетаний цвета и текстуры.
Буквально до сегодняшних дней развитие происходило широко и быстро. Например,
компьютеры изменили наши взгляды на эстетику и наши требования к дизайну.
А развитие технологий обработки стекла в изобилии дало такие возможности,
как широкоформатная печать на витринном стекле, жидкокристаллические пленки,
голографические элементы, медийные прозрачные фасады с огромным запасом
функциональности и изобразительности вдобавок к таким характеристикам,
как энергоэффективность, безопасность, прочность для конструктивных элементов
и т.д. Однако в своем большинстве здесь речь шла о статических решениях.
Одновременно, не всегда полноценно учитывая аспекты функциональности,
энергопотребления, конструктивности оболочек здания, особенно их совместного
учета с социальными и экологическими факторами, «фасадный» вопрос оказался
в фокусе внимания.
В частности, факт развития индивидуальной составляющей (по требованиям
заказчика) без адекватного учета принципов холистического дизайна (всеохватывающего,
полноценно учитывающего все факторы) привел скорее к появлению модных
трендов, чем к развитию направлений по оптимизации и учету разнородных
требований.
При конструировании и проектировании многослойных оболочек или фасадов
с двойной оболочкой можно столкнуться со множеством опасных и неожиданных
факторов. Кто-то скорее будет следовать модным тенденциям, чем применит
изыскания для поиска и применения наилучшего решения. Это относится непосредственно
и к применению встроенных решений по утилизации солнечной энергии. Использование,
функционирование и собственно конструкция часто не всегда успешно сочетаются,
и это приводит к перерасходу и нерациональности в использовании материалов
и изделий. И это означает, что при проектировании конструкторы, архитекторы,
проектировщики и поставщики недостаточно контактировали друг с другом
и имели разные взгляды на один предмет.
Сегодня даже лозунг «цифровая революция пришла на смену промышленной революции»
уже устарел, теперь ключевое слово — «бионическая революция». Особенно
это касается материалов, устройств и процессов, которые взаимодействуют
на более глубоком уровне проникновения в конструкцию, чем ранее. Но вопрос
«будут ли комфорт, удобство, эстетика и традиционные ценности, основанные
на историческом наследии каждого индивидуума, также глубоко учитываться?»
остается открытым.
Хотя надо признать, что новые методы проектирования с помощью средств
визуализации виртуального пространства позволяют еще на ранних стадиях
заложить изменения в соответствии с индивидуальными пожеланиями заказчика.
Рис. 6 и 7. Составляющие холистического проектирования
(фото — здания в г. Сана, Йемен — культурное, историческое и архитектурное наследие)
Рис. 8. Применение моделирования и виртуальной реальности при проектировании и для маркетинга
Новые вызовы для мировой стекольной и строительной
индустрии
Один из мегатрендов — социографические исследования показывают, что происходит устойчивое старение населения Западного полушария, где стариков вдвое больше, чем в среднем на планете. Это совершенно недостаточно учитывается при градостроении и на всех стадиях проектирования и самого строительства, включая используемые строительные материалы и изделия.
Второй мегатренд — экономический рост в Азиатских странах, в частности, в Китае, Индии, даже и в России наблюдается устойчивый рост потребления энергоресурсов, рост спроса на необходимое жизненное пространство, количество и качество изделий и продуктов. Однако и в самих этих странах структура спроса, характер и требуемое качество, показатели уровня жизни резко отличаются и между собой, и по сравнению с другими странами мира.
Следующий мегатренд — растущее экологическое самосознание населения всей планеты — требование охранять окружающую среду растет во всем мире.
Изменения в типичной биографии людей в результате более долгого периода обучения и большей ожидаемой продолжительности жизни имеет огромное влияние на конструкцию жилого здания. Жизненный цикл человека теперь можно разделить не на три, а на пять фаз: детско-юношеское обучение, пост-пубертатный период и профессиональное обучение, период приобретения и накопления вплоть до 50-ти лет, предпенсионный возраст, активный и пассивный пенсионный отдых.
Современная жизнь означает смесь назначений зон в жилище — т.е. работа и отдых происходят в одном и том же помещении. В стабильных странах демография такова, что уже не нужно строить новые дома, зато требуется существенно большая гибкость в применении существующей жилой площади с учетом концепции автонастройки, саморегулирования структуры жилья и функций.
Рис. 9. Социографический тренд в мире. Источник: U.S. Census Bureau, International Data Base, Global Social Change reports, 2009 г.
Стратегия сдерживания климатических изменений по всему миру перешла из стадии уговоров и разъяснений в стадию принятия в разных регионах конкретных мер для ограничения влияния глобальных изменений. Вопрос ставится так: «Что именно в инфраструктуре и конструкции каждого здания нужно изменить, чтобы улучшить ситуацию в целом?»
Каковы факторы мотивации для взаимообмена между разными культурами и оценки полезности такого взаимообмена? Как можно культурные традиции идентифицировать и количественно измерить для того, чтобы заложить общую основу развития холистического подхода в строительстве? Мы действительно хотим видеть повсюду в мире одинаковые здания?
Будут ли изменяться и развиваться человек и общество лишь путем усложнения процессов? Какие взаимовлияния человека и техники желаемы и требуемы?
Перспектива человечества даже при использовании концепции саморазвития и самообеспечения в том, что необходимо всячески развивать долговременность использования изделий за счет ремонта, восстановления и использования как можно меньшего количества все убывающих природных ресурсов, таких как нефть, газ, энергия, даже вода. Это очень сильно повлияет на повышение эффективности зданий, технологий производства и лучших технических приемов и оборудования.
Каким образом будут выглядеть компании, как те, что ныне составляют большинство производителей стекла и фасадов, в 2020 году? Каким образом развитие и внедрение эффективных технологий, разработанных в различных исследовательских центрах, сможет обезопасить такие компании? Как они могут подготовить рабочие отношения или кооперацию с партнерами, чтобы уберечься от различных социальных потрясений и стать успешнее и сильнее в неисхоженных пока областях экономики?
Структуры с самоорганизацией и самоадаптацией имеют огромный потенциал в многофункциональных материалах. Уникальность концепции автономной регулировки и самонастройки в микро- и наноструктурах к внешним условиям и самоусиление нужных характеристик особенно важно для применения в соответствии с подходом саморазвития, ресурсосбережения и разумного подхода для производства сложных систем с высокой степенью функциональной насыщенности, и это проблема, которую предстоит решить с точки зрения создания новых изделий из стекла для строительства.
Мы должны еще очень многому научиться у природы. Вопрос стоит так: «Каким образом можно перенести достижения эволюции в технику?»
Строительная бионика точно станет новым, мощно развивающимся направлением среди строительных дисциплин. Классический подход для развития большинства строительных предметов нельзя далее считать приемлемым.
Биологическая инженерия привнесет новые направления для развития и других инженерных наук. Огромные возможности для систематического полезного использования в технике уже показаны учеными, однако это пока недостаточно представлено на уровне промышленного внедрения. Как можно повысить степень взаимодействия между теми учеными, которые идут по пути развития бионических решений, и промышленниками, которые заняты развитием стекольной и фасадной индустрии?
Публичная библиотека в Ванкувере (Канада). Принципы бионики в архитектуре давно и успешно применяются: конструкция атриума напоминает оребренный панцирь гигантской морской черепахи изнутри
Рис. 10. План для здания оперы, который был сделан по принципу устройства уха у летучей мыши и человеческого глаза
Если не касаться непосредственно развития стекольной отрасли, вы увидите, что уже имеются огромные возможности по разнообразному применению составных материалов в строительстве. Будущее однозначно принадлежит гибридным изделиям, сэндвич-композициям и адаптивным решениям. Новые примеры комбинаций известных материалов, новых покрытий или дополнительных свойств — вот что имеется в виду.
Политроника
Электроника может быть чрезвычайно гибкой с точки зрения применения
и необыкновенно дешевой. Электронные решения на пластике, органическая
электроника, которая сейчас получила название «политроника», обещает
быть именно такой.
Стоимость дисплеев с различным разрешением и разных размеров с использованием
органической технологии настолько сильно снизилась, что уже есть реальные
прогнозы их использования в качестве внутренних стен здания. Причем
в комбинации с энергодобывающими медиа-фасадами, для освещения дневным
светом, для солнцезащиты и управляемого затенения. Уже имеется недорогая
технология полимерных цифровых преобразователей, способная к быстрому
размножению в различных областях применения. Причем эта технология экологична,
учитывает требования логистики, хранения, рисайклинга и вторичной утилизации,
она пригодна для применения в строительстве.
Наночастицы и нанотехнологии
Металлы, стекло или керамика могут быть произведены в виде наночастиц.
И в этом виде они демонстрируют новые качества. Металлы могут становиться
полупроводниками или пигментами, керамика становится прозрачной, стекло
перестает пропускать свет. С помощью наночастиц можно поучить полностью
новые свойства. Частицы окиси титана TiO2 приобретают антибактериальные
свойства, если их внедрить в окна и двери или в пластиковые части. И
это может быть применимо не только для больниц, но для создания гигиенически
чистых покрытий во многих местах жилища.
Или, например, наночастицы, которые еще называют «магнитнано». Их можно
использовать для создания материалов для крепления съемных элементов.
На самом деле сейчас даже трудно представить потенциал применения материалов
с использованием нанотехнологий.
Управляемо меняющие свой цвет красители и покрытия с управляемой прозрачностью
могут изменить и облик городов, и интерьер комнат.
Огромный потенциал имеют тонкопленочные технологии, поскольку расход
материалов минимален, стоимость может быть снижена благодаря массовости
производства, а свойства — управляемыми и саморегулируемыми.
|
Климатический дизайн «Здания должны обеспечивать минимум энергопотребления для выработки максимально комфортных условий» |
Умные материалы — технические материалы с «нервами» и «мускулами»
Технология адаптивных конструкций и структур предполагает, что материалы
обладают некоторыми свойствами интеллекта — они должны распознавать
воздействие и реагировать на него, контролировать реакцию на сигнал.
Интегрированные в саму структуру «датчики» позволяют, например, изменять
яркость дисплея в зависимости от местной освещенности. Например, наружный
экран, засвеченный солнцем и на который падает тень от растительности,
может динамически менять свою локальную яркость, создавая равномерно
яркое изображение по всей площади в режиме реального времени…
Если в качестве исполнительных устройств в сам материал «встроены» элементы,
которые могут управляемо, направленно и избирательно менять механические
свойства, то можно получить структуры, которые смогут снижать конструкционные
напряжения, активно гасить шумы и вибрацию, устранять деформацию и контролировать
разрушение. Подобные системы могут применяться в оконно-дверных и фасадных
конструкциях.
Другие интересные и перспективные материалы:
На самом деле, перспективных материалов с новыми свойствами уже существует намного больше, чем здесь упомянуто. Есть материалы с управляемо изменяемыми размерами, есть материалы, которые намного менее энерго- и ресурсоемки, более легки, но и более прочны и надежны… Дальнейшие исследования и разработки сейчас будут фокусироваться еще и на создании саморегулируемых, самовосстанавливающихся и самоочищающихся материалов.
Симбиоз жизни и работы
Описанный выше мегатренд связан с мобильностью и свойствами окружающей
среды в городе и дома. Жить и работать в том самом здании и даже помещении
все чаще становится возможно из-за развития цифровых систем, которые
одинаково применимы и для обеспечения жизнедеятельности, и в производственных
целях и имеют практически одинаковую инфраструктуру.
«Компьютерная комната», насыщенная средствами коммуникации между реальностью
и виртуальным пространством, вполне реализуемый и достаточно доступный
проект. Он сочетает службы из реального и виртуального мира и обеспечивает
пользователя средствами взаимодействия с ними. Это позволяет, например,
одними и теми же средствами управлять одновременно климатическими параметрами
в помещении, освещенностью, затенением, проведением видео-конференций
или подачей сигналов из мультимедийных источников.
Жизнь в будущем во многом будет связана с тем, что к жилищу будут предъявляться
некоторые требования по обеспечению производственных задач и наоборот.
Это безусловно потребует новых технических и архитектурных решений для
организации жилого пространства, новых строительных решений и множества
инноваций, а не простого функционального зонирования.
Охлаждение Солнцем
Воздушные кондиционеры в огромных количествах установлены в жарких и
безусловно процветающих странах. Помимо огромного прямого энергопотребления,
с производством и работой кондиционеров связывается эмиссия огромного
количества парниковых газов и газов-разрушителей озонового слоя планеты.
Нарастающий спрос на кондиционирование воздуха связан с потеплением.
Однако для кондиционирования воздуха можно и должно использовать солнечную
энергию. Также неоспоримы огромные возможности по непосредственному
получению солнечной энергии в самих зданиях, особенно это подходит к
огромным зданиям с большой площадью фасадного остекления.
Благодаря управлению естественной вентиляцией, холистическому подходу
к дизайну здания и продвинутой теплоизоляции, энергопотребление для
охлаждения здания можно существенно снизить. Есть множество неиспользованных
возможностей, которые обеспечиваются геотермальными теплообменниками,
или, скажем, системами охлаждения с испарением воды.
Но самые большие возможности открываются при использовании энергии Солнца
в фототермальных коллекторах и фотоэлектрических системах.
Поглощающие материалы, такие как цеолиты или силикагели, эффективные
для поглощения паров воды с последующим медленным испарением воды в
условиях незначительного избыточного давления, могут таким образом создавать
охлаждающее действие, которое через теплообменник будет отбирать избыточное
тепло из помещения и удалять его в атмосферу. Такая система может быть
также совмещена с системой удаления избыточной влажности из помещения.
Последние технологические достижения позволяют добиться охлаждения с
помощью самого Солнца. Взаимосвязь таких систем с новыми оконными и
фасадными системами не просто возможна, но и крайне важна.
То есть можно ожидать появление новых изделий и в стеклянной индустрии,
но что же мы видим на практике?
|
Солнечные энергогенерирующие модули |
Использование невозобновляемых материалов, таких как нефть и газ, привело к повышению цен на них. Из ископаемых пока только уголь сохраняет ценовую привлекательность. Но использование сгораемой органики приводит к выбросам в атмосферу, что ведет к усилению парникового эффекта. Сам по себе парниковый эффект даже полезен — без него средняя температура на поверхности Земли была бы около –18°С вместо нынешней +15°С ч +16°С.
В результате индустриализации в атмосферу Земли ежегодно выбрасывается дополнительных 6,3 миллиардов тонн. Начиная с 1950 г., людьми было произведено 480 миллиардов тонн углекислоты, из которых около 280 миллиардов тонн относится на счет сжигания органического топлива и от 180 до 200 миллиардов тонн относится на счет процессов разложения отходов органики, лесных пожаров и сжигания древесины прямо на лесных вырубках. Начиная с 1960 г., концентрация CO2 за счет антропогенной нагрузки возросла с 315 ppm (частиц на миллион) до 360 ppm сегодня.
Опасность для планеты исходит со строны развивающихся стран, таких как Китай, Индия, страны Персидского залива, Россия. Если среднегодовое потребление воды, энергии и уровень качества жизни в них поднимется до уровня стран Западной Европы или США, то это будет означать взрывной рост энерго- и ресурсопотребления. Если мир и его ожидаемые 12 млрд. человек населения будут ежегодно потреблять энергии и ресурсов на уровне нынешней Западной Европы, то годовая эмиссия углекислоты многократно увеличится — с точки зрения изменения климата ее эмиссию нужно будет уменьшить в десять раз. Достижимо ли это?
Около одной трети всей энергии в Германии идет на потребление в домах, 80% из которой идет на обогрев зданий и около 10% — на горячее водоснабжение и снабжение электроэнергией.
Для поддержания энергобаланса в здании роль оболочки здания — самая важная.
Окна и другие светопрозрачные ограждения следует теперь рассматривать не как выпускающие энергию отверстия, а как энергоколлекторы, котрые могут собирать энергию, необходимую зданию. Совсем недавно в Германии начали использовать показатель Ueq, который означает, сколько энергии проникает в дом через окно и показывает, что можно с ней сделать.
Рис. 12. Области наибольшего мирового энергопотребления
С другой стороны, правильно спроектированные светопрозрачные проемы
существенно препятствуют непроизводительным потерям энергии. Развитие
технологии двойных вентилируемых фасадов с ее способностью гибко сочетать
активное регулирование освещения с естественными процессами вентиляции
требуется всемерно поддерживать, равно как и других систем «умных» окон
и фасадов с использованием активных теплоаккумулирующих систем, остекления
с регулируемой прозрачностью и вырабатывающего фотоэлектричество.
Эти компоненты существенно снижают энергопотребление на отопление или
охлаждение. Они увеличивают степень использования дневного света и создают
тепловой комфорт в помещении. Окна есть и будут существенной частью
оболочки здания. И у них появляются новые свойства, имеющие огромные
рыночные перспективы.
Снижение энергопотребления связывается не только с прямой экономией,
но и с выработкой и трансформацией необходимой энергии из естественных
возобновляемых источников, таких как излучение Солнца, тепловое или
световое.
Холистическое проектирование — учет всех факторов и взаимосвязей — тот
единственный подход, который позволит создавать «умные», энергетически
самодостаточные дома. Интеграция в здание означает, что нужно учесть
все функциональные, конструктивные, строительные и дизайнерские критерии
вместе. Стекло продолжает играть важнейшую роль, но во многом совершенно
новую роль.
Недостаточная информированность и разобщенность специалистов сдерживает
имплементацию достижений для массового строительства энергетически самодостаточных
зданий. Однако именно за ними — будущее архитектуры и строительства.
Нет видимых ограничений для развития интеллектуальных решений в строительстве
с применением стекла.
|
Следует помнить несколько характеристик, касающихся новых разработок: |
По материалам доклада д-ра
Хельмута Хоенштайна, (Dr. Hohenstein Consultancy, Systemformstr.1,
83209 Prien, Germany), члена наблюдательного совета Института ведения
и управления бизнесом при Martin-Luther-University, г. Halle-Wittenberg,
Германия, на GLASS PERFORMANCE DAYS 2009, Тампере, Финляндия
