Экономика формы: как архитектура снижает энергопотребление зданий

/FOTODOM

Значительная часть энергозатрат здания предопределена задолго до того, как в нем зажжется свет или заработают инженерные системы — еще на стадии проектирования. Энергоэффективность во многом формируется благодаря архитектурным решениям. Генеральный директор «Ортига Девелопмент» Станислав Куликов рассказывает, какие конструктивные приемы позволяют будущим пользователям снижать расходы на коммунальные услуги и одновременно наслаждаться комфортным микроклиматом.

Форма здания

Из всех архитектурных решений, влияющих на энергоэффективность, форма здания — самое базовое: она определяет соотношение площади наружной поверхности к внутреннему объему, а значит, и то, сколько тепла зданию предстоит терять или удерживать. Чем компактнее объем, тем меньше у него внешней поверхности относительно внутреннего пространства, а значит, меньше площадь, через которую уходит тепло. Идеальной формой считается сфера, однако такая конструкция дорога в реализации и требует специальных материалов и технологий, поэтому компромиссным вариантом является куб.

Именно на этом принципе построен «Гиперкуб» в Сколково, возведенный в 2012 году по проекту архитектора Бориса Бернаскони. Компактный кубический объем сразу заявлялся как постройка, спроектированная по принципу «4Э»: энергоэффективность, эргономичность, экономичность и экологичность. На бетонных стенах установлен наружный каркас, позволяющий менять фасадные конструкции на более современные. Таким образом, здание имеет возможность улучшать свои показатели по мере появления новых технологий облицовки.

Ориентация здания по сторонам света

Разные фасады одного здания живут в разных энергетических режимах: южная сторона большую часть года получает пассивный обогрев, северная — только рассеянный свет, а восточная и западная — короткое, но интенсивное освещение в разное время суток. Грамотная ориентация не сводится к формуле «окна на юг, глухая стена на север» — важнее решить, какую задачу выполняет каждый конкретный фасад, и подобрать под нее соответствующее остекление.

Эту логику хорошо показывает проект бизнес-центра «Рейл.А»: здесь остеклены все фасады, включая северный, но с разными задачами. Южная, восточная и западная стороны получили витражное остекление высотой два метра в сочетании с металлическими элементами проветривания шириной 30 см, которые снимают нагрузку с механической вентиляции и кондиционирования именно там, где солнце создает избыточный нагрев. Северный фасад раскрыт светопрозрачными конструкциями к железной дороге по другой причине — ради ровного естественного света, которым здесь можно пользоваться дольше в течение дня без риска перегрева интерьеров. При этом остекление здания выполнено из стеклопакетов с низкоэмиссионным напылением: на внутреннюю поверхность стекла нанесено покрытие, отражающее тепловое излучение обратно в помещение, — оно снижает теплопотери, уменьшает образование конденсата и улучшает звукоизоляцию. Довершает решение авторский прием архитектора Алексея Ильина — принты на остеклении полностью скрывают технические перекрытия и глухие элементы витражной системы.

Использование света и тени

Интенсивность инсоляции зависит не только от стороны света, но и от времени суток и сезона. Поэтому следующий шаг архитектора — научить фасад пропускать низкое зимнее солнце вглубь помещения для бесплатного обогрева и одновременно блокировать высокое летнее, чтобы не допустить перегрева.

Наиболее технологичный ответ на эту задачу — динамическое затенение: «умный» фасад с автоматическими ламелями и жалюзи меняет угол в течение дня вслед за движением солнца. Эталонный пример — башни «Аль-Бахар» в Абу-Даби, фасад которых состоит из тысяч раскрывающихся ячеек, синхронно открывающихся и закрывающихся вслед за солнцем. В результате в здании снижены затраты на охлаждение на 50% — показатель, недостижимый для статичной архитектуры в условиях жаркого климата.

Минимизация потерь тепла

Даже безупречная форма и продуманная ориентация не спасут здание, если оболочка неплотно удерживает тепло. Высокую эффективность демонстрирует вентилируемый фасад — поэтому это одна из самых распространенных технологий на современном российском рынке. Между утеплителем и облицовкой — керамогранитом, композитными панелями или металлом — оставляют воздушный зазор, работающий как буфер, который выравнивает температуру и снижает теплопотери. Эффект этого решения подтвержден тепловизионным обследованием фасада здания РУДН — по данным исследования, вентилируемый фасад повышает энергоэффективность здания в среднем на 23–30%.

Похожим образом работает энергоэффективное остекление: низкоэмиссионные Low-E-покрытия отражают длинноволновое тепловое излучение обратно в помещение, удерживая тепло зимой, а солнцезащитные покрытия отражают коротковолновое солнечное излучение еще до того, как оно проникнет внутрь и превратится в тепло, защищая здание от летнего перегрева. Масштаб этого эффекта хорошо виден на примере башни «Эволюция» в «Москва-Сити»: ее полностью остекленная спиралевидная оболочка пропускает лишь 36% солнечной тепловой энергии, отражая остальное еще до контакта с внутренним пространством.

Интеграция возобновляемых источников энергии и озеленения

Грамотная архитектура снижает потребность здания в энергии, но современные технологии способны на большее — строения могут вырабатывать часть энергии самостоятельно, а также частично компенсировать урбанизацию. И солнечные панели, и озеленение наиболее эффективны, если заложены в архитектурную композицию на стадии проекта. Так, размещение панелей просчитывают вместе с углом наклона кровли, ориентацией здания и затенением от соседних построек. Показательный пример — реконструкция московского Дома культуры «ГЭС-2»: солнечные батареи площадью 5 тыс. кв. метров стали частью композиции крыши еще на этапе проекта и сегодня покрывают до 10% энергопотребления здания.

Следующий шаг развития этой идеи — фотоэлементы, интегрированные в фасадные системы. Фотоэлектрические модули в этом случае заменяют часть облицовки, совмещая функции ограждающей конструкции и генератора энергии. В Москве такую технологию применили в жилом квартале HEADLINER: площадь «солнечного» фасада здесь — почти 1 тыс. кв. метров (720 модулей), а мощность установки составляет 67 кВт. Выработка электроэнергии — около 24 тыс. кВт/ч в год, которые идут на общедомовые нужды и освещение общественных пространств.

Тот же принцип работает и с озеленением: зеленая кровля выступает дополнительным слоем теплоизоляции, снижая нагрев здания летом и теплопотери зимой. В Москве этот принцип уже встроен в проекты жилых комплексов: стилобатные части над паркингом часто озеленяют по интенсивной технологии с толщиной слоя субстрата 40–50 см, что позволяет высаживать даже небольшие деревья.

Все рассмотренные выше решения объединяет одно: они принимаются еще на стадии разработки проекта, а не после ввода в эксплуатацию. Форма, ориентация, материалы фасада и работа со светом задают тот режим энергопотребления, в котором здание будет существовать десятилетиями, — и никакая инженерная система впоследствии не компенсирует то, что было упущено архитектором на старте.

Взгляд архитектора

Своим взглядом на проектирование энергоэффективных зданий поделился руководитель бюро «Маликов плюс партнеры» Никита Маликов: «Чем больше у здания выступающих и западающих элементов, тем выше потеря тепла будет через них проходить. Утеплитель должен идти в одной плоскости без изгибов. По сути, многоэтажный дом без балконов, террас будет значительно лучше удерживать тепло, чем набор из эркеров, консолей и лоджий, даже заглубленных».

По его словам, устоявшиеся представления о материалах тоже стоит пересмотреть: «Не нужно судить о материалах по опыту даже 10-летней давности. Рынок очень быстро меняется. В современном мире полностью стеклянный дом и полностью из кирпича будут обладать одинаковой энергоэффективностью».

Отдельно архитектор обратил внимание на распределение площади остекления по этажам. «В мире самые большие окна ставят на нижних жилых этажах, а чем выше — тем они становятся меньше. Внизу окна нужны больше, чтобы компенсировать дефицит солнца — помещения получают затенение от деревьев и окружающей застройки. На верхних этажах солнца очень много, но по российской привычке окна делаются увеличенные, что в корне неверно. Да, вид прекрасный, но он всегда будет за занавесками», — сказал он.

По материалам