Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Жилище в умном городе: проблема и пути решения

С. В. Корниенко, и. о. заведующего кафедрой «Архитектура зданий и сооружений», профессор кафедры «Урбанистика и теория архитектуры» ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет»

Аннотация. Систематизированы основные требования к жилищу в умном городе. Указанные требования являются основой построения системы понятий, необходимых для разработки целостной концепции «Умный город».

Ключевые слова: жилище, умный город, комфорт, климат, энергоэффективные здания, зеленое строительство, солнечная энергия, цифровизация, энергоэффективность, энергосбережение.

Поиск идеального жилища всегда волновал человека. Еще в IV в. до н. э. Платоном в диалоге «Государство» были заложены основы античной концепции идеального города. В основу этой концепции были положены представления о наиболее совершенных моделях расселения людей. В дальнейшем идеи Платона получили развитие в творчестве архитекторов, а также теоретиков, разрабатывавших социальные утопии.

Сегодня эта проблема приобретает особую значимость в связи с развитием концепции «умный город» [1–10].

Так каким же должно быть жилище в умном городе?

1. Полицентричный город как эффективная модель расселения

Следует обратить особое внимание на совершенствование системы расселения. Структура моноцентричного города, сформировавшегося вокруг одного городского центра, не всегда устойчива. В таком мегаполисе существуют риски деградации городской среды, обусловленные высокой стоимостью земельных участков, транспортным коллапсом, плохой экологией, регулярными вирусными эпидемиями.

Рис. 1. Модель города-государства по Платону: 1 — философы; 2 — воины; 3 — ремесленники и крестьяне

Более эффективной моделью расселения является полицентричный город, основанный на существовании нескольких взаимосвязанных городских центров. Они могут располагаться в удалении от исторического центра, в том числе и в пригородах, дополняя старый городской центр и конкурируя с ним. Специфическая черта полицентричного города — наличие на его территории нескольких центров притяжения. Это принципиально отличает его от моноцентричного города, в границах которого выделяется один центр притяжения. Пространственная структура полицентричного мегаполиса или агломерации определяется взаиморасположением центров притяжения различных уровней. Такая структура центров усложняет конфигурацию потоков различной природы (энергии, вещества, информации), но обеспечивает многофункциональность и вариантность потребления городского пространства жителями (рис. 1, 2).

Географы построили модель, определяющую оптимальное пространственное распределение центров экономической деятельности, — модель Кристаллера (рис. 3).

Согласно этой модели крупные городские центры располагаются в узлах шестиугольной решетки [11]. Каждый из центров окружен кольцом городов меньшего масштаба; те, в свою очередь, окружены тяготеющими к ним еще меньшими населенными пунктами. Ясно, что в действительности такое правильное иерархическое распределение встречается очень редко: множество исторических, политических, географических факторов нарушает пространственную симметрию. Описываемая статическая модель оптимизации является возможным, но маловероятным исходом эволюции [12].

Рис. 2. Идеальная схема городов-садов Говарда

В более совершенной динамической модели оптимизации — модели полицентричного города — авторы исходят из гипотезы о том, что в городе существует ряд взаимосвязанных общественно-деловых зон, которые могут располагаться в удалении от городского ядра. Новые зоны функционально связаны между собой и эволюционируют во времени. Модель позволяет определить возможную «историю урбанизации» и проследить возникновение иерархически упорядоченной активности. Модель показывает, что даже если начальное состояние системы совершенно однородно, то одной лишь игры случайных факторов достаточно для нарушения симметрии — появление зон с высокой концентрацией активности и одновременным спадом экономической активности в других областях и оттоком из них населения. Система сама выбирает сценарии развития событий.

Рис. 3. Модель Кристаллера

Создание полицентричного города нацелено на образование компактных планировочных структур, что очень важно для решения глобальной задачи зеленой экономики — энергосбережения и повышения энергетической эффективности [13–16].

 2. Регулирование климатических воздействий — важный аспект создания комфортной энергоэффективной среды

Еще Витрувий в «Десяти книгах об архитектуре» писал, что «…при устройстве домов надо… принимать во внимание свойства отдельных стран и различия в их климатических условиях». В правильно спроектированном здании всегда должно обеспечиваться регулирование климатических воздействий. Это означает, что в таком здании наилучшим образом должны быть использованы положительные и нейтрализованы отрицательные воздействия наружного климата на энергетический баланс здания. Подвергаясь различным климатическим воздействиям, внешняя оболочка здания должна обеспечивать требуемую теплозащиту помещений, защиту от влаги, иметь необходимые воздухоизоляционные свойства.

Климат большей части территории нашей страны более суров и разнообразен, чем в других государствах. Это требует повышенного внимания к теплозащите зданий в холодный период года. Но в жарких районах необходимо защищать здания от перегрева вследствие солнечного излучения и обеспечивать искусственное охлаждение помещений в течение теплого периода года.

Рис. 4. Энергоэффективные здания: купольный дом

Здание должно иметь компактную форму и высокий уровень теплозащиты [17]. Сокращение площади внешней оболочки позволяет существенно снизить климатическую нагрузку на здание, уменьшить тепловые потери, сократить материально-технические ресурсы (рис. 4). В идеальном здании нет «мостиков холода», в результате чего тепловые потери через оболочку сокращаются примерно на 40% [18]. Для максимального снижения инфильтрационных тепловых потерь оболочка здания должна быть герметичной. При этом требуемый воздухообмен в помещениях может быть обеспечен как за счет естественной вентиляции, так и путем применения механической вентиляции с рекуперацией теплоты.

Важно отметить, что регулирование климатических воздействий градостроительными, архитектурно-планировочными и инженерно-техническими методами открывает широкие возможности для создания комфортной энергоэффективной среды, обеспечивая наилучшее самочувствие человека и сокращая энергетические нагрузки на систему климатизации зданий.

Рис. 4. Энергоэффективные здания: скандинавский дом

 3.  «Зеленое строительство» — высокий потенциал энергосбережения

Следует отметить необходимость широкого применения в идеальном доме технологий «зеленого строительства». Ярким преимуществом «зеленых технологий» является формирование условий для здорового образа жизни, прежде всего за счет поглощения пыли, сокращения уровня шума и защиты строительных ограждающих конструкций от атмосферных воздействий.

Благодаря применению технологий «зеленого строительства» достигается высокий эффект за счет снижения тепловых потерь через внешнюю оболочку здания, что позволяет сократить количество потребляемой тепловой энергии. Повышается комфорт в помещениях вследствие уменьшения интенсивности лучистого и конвективного теплообмена на внутренней поверхности ограждающих конструкций. Снижается загрязненность окружающей среды ввиду сокращения выбросов вредных веществ в атмосферу. Зеленые крыши являются эффективным способом увеличения площади зеленой зоны в городской среде и улучшения микроклимата зданий [19, 20].

Конструкции зеленых крыш широко применяют в целях энергосбережения во многих странах с различными климатическими условиями. Область их применения в отапливаемых и охлаждаемых зданиях зависит от особенностей конструкции и наружного климата. Ярким преимуществом зеленых крыш является их высокая теплоустойчивость за счет устройства растительного грунта (рис. 5). Толщина наружного слоя резких колебаний температуры незначительна, поэтому большая часть конструкции находится в зоне постоянной температуры. Это существенно повышает эксплуатационные свойства конструкции летом. Полезный тепловой эффект от применения зеленых крыш зимой зависит от типа климата, местоположения здания, конструкции крыши, вида растительности.

Рис. 5. Зеленая крыша [21]

Рис. 5. Традиционная крыша по бетонному основанию [21]

Большое влияние на тепловой режим крыш также оказывает цвет покрытия. В качестве параметра, характеризующего тепловое воздействие конструкции на окружающую среду, удобно использовать разность температур наружной поверхности и наружного воздуха (DT). Этот параметр является своеобразным индикатором теплового загрязнения среды. В [19] выполнена сравнительная оценка теплового воздействия различных типов крыш на окружающую среду, результаты которой приведены на рис. 6.

Анализ результатов показывает, что наибольшее тепловое воздействие на внешнюю среду оказывает традиционная крыша с темной кровлей. Применение светлой кровли существенно уменьшает тепловую нагрузку, снижая температуру наружной поверхности конструкции вследствие высокого отражения солнечного излучения. Максимальный эффект выравнивания температуры дает зеленая крыша, главным образом за счет теплового аккумулирования поверхностным массивным слоем.

Рис. 6. Тепловое воздействие различных типов крыш на окружающую среду [19]:
1 — традиционная крыша с темной кровлей; 2 — то же, со светлой кровлей; 3 — зеленая крыша

Озеленение фасадов и крыш способствует смягчению теплового режима городской среды посредством затенения, испарительного охлаждения и тепловой изоляции. Применение зеленых крыш сглаживает эффект «тепловых островов» за счет выравнивания температуры поверхностей и может существенно понизить среднюю температуру целого города [22, 23].

 4. Солнечная архитектура — значимый фактор повышения устойчивости городской среды

Зарождение солнечной архитектуры, по-видимому, восходит к V в. до н. э., когда Сократ предложил концепцию солнечного дома. В основу этой концепции положено пассивное использование солнечной энергии путем прямого улавливания солнечного излучения через большие окна южной ориентации. В современной архитектуре нашли применение и более сложные системы: солнечная теплица, пристроенная к зданию, и стена Тромба. КПД современных пассивных систем солнечного теплоснабжения зданий может достигать 60–75%. Пассивные системы не требуют применения специального дорогостоящего оборудования, а потому их часто применяют в энергоэкономичных зданиях (рис. 7).

Рис. 7. Энергоактивный дом

Рис. 7. Энергоэкономичный дом

Активное использование солнечной энергии основано на применении гелиоустановок, преобразующих солнечную энергию в тепловую. Для отопления и кондиционирования зданий широко применяют теплонасосные системы, использующие теплоту верхних слоев земли и грунтовых вод [24].

В ближайшей перспективе эффективным методом преобразования солнечной энергии в электрическую может стать преобразование на основе полупроводниковых солнечных батарей. Специалисты утверждают: через 20–30 лет этот тип солнечной энергетики станет экономически сравнимым с другими видами энергетики.

Применение солнечной энергетики в умном городе позволит полностью решить вопрос о сохранении природных богатств для будущих поколений.

5. Цифровизация

Цифровизация — это процесс создания новой цифровой среды обитания за счет широкого применения научно обоснованных инновационных систем и механизмов искусственного интеллекта. Главной целью внедрения цифровых технологий в умном городе является: повышение безопасности, создание оптимального уровня комфорта, обеспечение максимальной эффективности потребления энергии и ресурсов.

Инженерные системы объекта должны быть интегрированы в единый комплекс контроля и управления:

— комфортом среды обитания объекта (тепловлажностный, воздушный, световой и акустический режимы);

— сбором и утилизацией отходов с замкнутым циклом мусорооборота [25];

— водоснабжением и утилизацией стоков;

— расходами тепловой энергии на отопление и вентиляцию, горячее водоснабжение, расходом электрической энергии;

— потреблением возобновляемых и вторичных энергоресурсов;

— воздействием объекта на окружающую среду.

Результат достигается за счет существенного повышения качества работы систем жизнеобеспечения среды обитания объекта.

Использование прорывных IT-технологий самообучения позволяет реализовать оптимальную стратегию управления на основе математической модели теплофизических характеристик здания как единой энергетической системы [26]. При этом алгоритм оптимального управления направлен на оптимизацию теплового комфорта при минимизации энергопотребления.

Сформулированные принципы являются теоретической основой построения системы понятий, необходимых для разработки целостной концепции «Умный город», что позволяет выйти на новый уровень комфорта, энергоэффективности и защиты окружающей среды.

ЛИТЕРАТУРА

1. Табунщиков Ю. А. Москва — умный безуглеродный город: возможности современного строительства . Энергосбережение. 2019. № 6. С. 12–13.

2. Антюфеев А. В., Птичникова Г. А. Умный город, архитектура и человек. Социология города. 2019. № 2. С. 6–13.

3. Monteiro C. S., Costa C., Pina A., Santos M. Y., Ferrão P. An urban building database (UBD) supporting a smart city information system. Energy and Buildings. 2018. Vol. 158. Pp. 244–260.

4. Nilsson A., Wester M., Lazarevic D., Brandt N. Smart homes, home energy management systems and real-time feedback: Lessons for influencing household energy consumption from a Swedish field study. Energy and Buildings. 2018. Vol. 179. Pp. 15–25.

5. Less B. D., Dutton S. M., Walker I. S., Sherman M. H., Clark J. D. Energy savings with outdoor temperature-based smart ventilation control strategies in advanced California homes. Energy and Buildings. 2019. Vol. 194. Pp. 317–327.

6. Huang J., Jones P., Zhang A., Peng R., Chan P. Urban Building Energy and Climate (UrBEC) simulation: Example application and field evaluation in Sai Ying Pun, Hong Kong. Energy and Buildings. 2020. Vol. 207.

7. Кодолова П.Г. «Умный город» как улучшение качества жизни. Градостроительство. 2019. № 4 (62). С. 37–42.

8. Волков А. А. Urban Health: новый уровень развития «умного города». Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 9. С. 6–11.

9. Корниенко С. В., Ишмаметов Р. Х. Принципы умного города. Социология города. 2019. № 2. С. 37–45.

10. Zhu S., Li D., Feng H. Is smart city resilient? Evidence from China. Sustainable Cities and Society. 2019. Vol. 50.

11. Бунин А. В., Саваренская Т. Ф. История градостроительного искусства. М.: Стройиздат, 1979. Т. 1. 496 с.

12. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. М.: Прогресс, 1986. 432 с.

13. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М.: АВОК-ПРЕСС, 2002. 194 с.

14. Бродач М. М., Шилкин Н. В. #Рурализация: мегатренд постиндустриального общества. Энергосбережение. 2019. № 1. С. 4–8.

15. Borodinecs A., Zemitis J., Sorokins J., Baranova D. V., Sovetnikov D. O. Renovation need for apartment buildings in Latvia. Magazine of Civil Engineering. 2016. No. 68 (8). Pp. 58–64.

16. Корниенко С. В. Технопарк как способ системного обновления города. Социология города. 2019. № 3. С. 30–43.

17. Корниенко С. В. Учет формы при оценке теплозащиты оболочки здания. Строительство уникальных зданий и сооружений. 2013. № 5 (10). С. 20–27.

18. Корниенко С. В. Повышение энергоэффективности зданий за счет снижения теплопотерь в краевых зонах ограждающих конструкций. Волгоград: ВолгГАСУ, 2011.

19. Корниенко С. В., Попова Е. Д. «Зеленое» строительство в России и за рубежом. Строительство уникальных зданий и сооружений. 2017. № 4 (55). С. 67–93.

20. He Y., Yu H., Dong N., Ye H. Thermal and energy performance assessment of extensive green roof in summer: A case study of a lightweight building in Shanghai. Energy and Buildings. 2016. No. 127. Pp. 762–773.

21. Технический портал ТехноНИКОЛЬ [сайт]. URL: http://nav.tn.ru/systems/fasad-i-stena/tn-fasad-profi/ (дата обращения: 26.03.2020).

22. Rosenfeld A. H., Akbari H., Bretz S., Fishman B. L., Kurn D. M., Sailor D., Taha H. Mitigation of urban heat islands: materials, utility programs, updates. Energy and Buildings. 1995. No. 22. Pp. 255–265.

23. Sproul J., Wan M. P., Mandel B. H., Rosenfeld A. H. Economic comparison of white, green, and black flat roofs in the United States. Energy and Buildings. 2014. Vol. 71. Pp. 20–27.

24. Vasilyev G. P., Gornov V. F., Kolesova M. V. Ground source heat pump systems efficiency in Russia — economical estimations and territory zoning. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Pp. 012033.

25. Корниенко С. В. Ревитализация: новый взгляд на «мусорную» проблему. Энергосбережение. 2020. № 1. С. 30–32.

26. Табунщиков Ю. А. Прорывные IT-технологии: Интеллектуальные автоматизированные системы управления энергопотреблением и микроклиматом зданий. Энергосбережение. 2020. № 1. С. 14–16.

Скачать PDF версию статьи «Жилище в умном городе: проблема и пути решения»