789

УДК 721:69:502

Т. Б.Строганова,

ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, Россия

ИННОВАЦИОННЫЕ ПРИНЦИПЫ «ЗЕЛЕНОЙ АРХИТЕКТУРЫ»

Принципы «зеленой архитектуры» в концепции «Образцового дома 2020» определяют логику поиска базовой модели инноваций при проектировании нового домостроения или реконструкции. Выбор комплекса инновационных технологий в соответствии с приоритетными целями застройщика определяет оценку его решений и качество жизни.

Ключевые слова: устойчивое развитие; критерии качества жизни; критерии энергоэффективности; классификация; модель инноваций.

Основатель архитектурного бюро «Behnisch Architekten» Штефан Бениш, почетный член Американского института архитекторов, лауреат премии Global Award for Sustainable Architecture утверждает – устойчивое развитие в области архитектуры и строительства способно значительно повлиять на экологию. Новая архитектура начинается с экологических принципов застройки «…в этом направлении актуальным станет вариант проживания, работы и обучения наших детей в едином пространстве, в одной среде, постройке многоцелевых универсальных зданий, в которых можно и жить, и работать. Иначе говоря, будущее нашего об-

щества, а также перспективы более «зеленого» образа жизни будет заключаться в децентрализованной, индивидуализированной системе. Энергия будет также производиться децентрализованно в каждом здании». [3, 7]

Здания – это крупнейшие отдельно взятые потребители энергии в нашем обществе. В наше время около 30 % потребляемой энергии приходится на обогрев, охлаждение и освещение зданий, отсюда очевидно направление исследований в области домостроения. Энергоэффективность, как одна из составляющих концепции «зеленой архитектуры», рассматривается при строительстве и эксплуатации зданий; другие составляющие - это здоровый образ жизни при максимальном сохранении окружающей среды.

Проблема со всей очевидностью обозначена в наши дни совместными усилиями налогоплательщиков, ученых и проектировщиков. Однако если заглянуть в недалекое прошлое, то можно увидеть, что история энергоэффективного домостроения идет со строительной культуры северных народов, часть технологий которых уже потеряла актуальность в связи с новыми материалами и параметрами жизненного пространства.

В статье стоит задача обозначить направления инноваций в русле концепции зеленого домостроения и показать различия в условиях реконструкции и нового строительства. Базовая модель инноваций связывает все разделы проекта и базиру-

ется на критериях энергосбережения, здорового микроклимата и заботы об окру-

жающей среде, которые обеспечиваются соответствующими технологиями.

Семь основных критериев в области энергоэффективности были определены как наиболее важные для разработки проектов концепции «Образцовый дом 2020». [2, 4] Каждый из них базируется на принципах экологичности и энергоэф-

фективности. Критерии энергоэффективности:

71

1 Постановка целей по снижению энергопотребления. Устанавливаемые цели должны, как минимум, совпадать с самыми лучшими ожиданиями по нормам, которые будут действовать в Евросоюзе в 2020 г.

2 Разработка стандартов энергосбережения. Здания должны строиться и эксплуатироваться в соответствии со стандартами энергосбережения и летом, и зимой.

3 Оптимизация архитектурного проекта. Архитектура здания должна обеспечить отсутствие потребления энергии на охлаждение помещений в летний период, а также использование энергии солнца на отопление в зимний период, таким образом, используя натуральные ресурсы для обеспечения здания круглый год.

4 Использование продукции с лучшими энергопоказателями. В здании должно использоваться оборудование, имеющее максимальные характеристики энергоэффективности.

5 Использование «умных» решений для контроля. Необходимо использо-

вать интеллектуальные системы автоматизированного контроля для энергообеспечения, вентиляции, управления окнами и другими системами.

6 Ведение документации по энергетическим затратам. Необходимо до-

кументально фиксировать энергетические затраты на производство и эксплуатацию зданий, а также количество выделяемых парниковых газов.

7 Полное энергетическое самообеспечение. Основное внимание уделяется самообеспечению энергией из возобновляемых источников.

Критерии качества жизни:

1Максимальное использование и высокий уровень дневного света. Необхо-

димо обеспечить дневное освещение в максимальном количестве помещений в любое время года. Это поможет создать интересные интерьерные решения и обеспечить экономию энергии на искусственном освещении.

Необходимо добиться и документально подтвердить высокий уровень количества дневного света, обеспечивающий здоровье и благополучие жильцов.

2Стратегическое расположение окон. Окна должны размещаться, как в нижней части для обеспечения хорошего обзора, так и в верхней части для максимального освещения. Дом – это своеобразный источник дневного света, который должен транслировать этот свет от оконного стекла до поверхностей интерьера, не создавая дискомфорта и бликов. Для стен и пола следует использовать светорассеивающие цвета для наилучшего отражения.

3Здоровый климат в помещениях. Необходимо документально подтвердить микроклиматические характеристики и уровень комфорта в помещениях. Дома строятся для проживания, поэтому комфорт в помещениях будет подвергнут как научному измерению, так и субъективной человеческой оценке.

4Автоматический контроль естественной вентиляции. Необходимо определить стратегию для автоматического контроля естественной вентиляцией на основе фактических условий. Механическая вентиляция должна использоваться не как основная, а как дополнительная к естественной вентиляции.

5Эффект тяги/вытяжной эффект. Необходимо использовать открываемые окна, устанавливаемые как на стандартной высоте, так и в верхней части для максимального использования эффекта тяги в одной и той же зоне (при скатных крышах/высоких потолках).

72

6 Качественные материалы. В здании необходимо использовать качественные материалы с длительным сроком службы и составом, допускающим их взаимодействие с другими материалами.

Стоимость каждого дома должна быть рассчитана исходя из срока его эксплуатации. Теперь о технологиях:

•Теплоизоляция. В холодное время года большая часть потребляемой энергии расходуется на отопление. Чем лучше дом «утеплен» (фундамент, пол, стены, крыша, кровля разработаны и выполнены из материалов с учетом показателя теплопроводности наружных конструкций), тем меньше будет требоваться энергии на поддержание нужной температуры. Светоотражающая кровля, например, снижает потребление электроэнергии на 50%.

•Герметизация. Большой процент тепла из дома уходит через «мостики холода» (участки стен и конструкций с высокой теплопроводностью), а так же с теплым воздухом – в щели и не герметичные отверстия. Такие «протечки» наиболее распространены в области примыкания стен и кровли, через щели в оконных и дверных проемах, в местах ввода инженерных коммуникаций. Дополнительная теплоизоляция мостиков холода и герметизация стыков сведет теплопотери к минимуму.

•Окна и двери. Примерно 30% тепла уходит через поверхность окон и дверей. Металлические входные двери хорошо проводят тепло по стальным элементам коробки, петлям, креплениям и, конечно, через полотно. Необходимо ставить вторую «теплую» дверь с внутренней стороны. Пластиковые стеклопакеты на самом деле далеко не энергоэффективны. Профиль из пластика и алюминия хорошо проводит тепло, а дорогой пятикамерный стеклопакет хуже держит тепло, чем раздельное остекление. Наилучшим решением являются, как ни странно, деревянные профили с раздельным переплетом и однокамерными (или двухкамерными) стеклопакетами между стекол.

•Объемно-пространственное решение. Есть множество архитектурных и дизайнерских приемов, повышающих энергоэффетивность дома. Во-первых, это применение простых, лаконичных форм с минимальным количеством стыков поверхностей. Во-вторых, расположение здания, основных помещений и окон с учетом хода солнца (в дневное время здание должно на 90% обеспечиваться естественным светом за счет общего увеличения площади остекления на 40%). Форма скатов кровли здания учитывает широту места строительства и углы падения солнечных лучей в различное время года. В-третьих, использование мансардных окон для лучшей освещенности и участие в процессе естественной вентиляции. В- четвертых, использование особенностей местности строительства – возможность расположения дома с подветренной стороны холма, или устройства террас на южном склоне для получения максимального количества солнечного тепла.

•Инженерные решения. Котлованы должны разрабатываться безопасным способом, чтобы грунт оставался на прежнем уровне. Если эффективность электросетей можно повысить за счет применения известных энергосберегающих устройств (энергосберегающие лампочки, датчики движения, присутствия), то в области отопления есть масса вариантов энергоэффективных решений. Это газовые котлы с высоким кпд, инфракрасные обогреватели, тепловые насосы. При высокой герметичности дома необходимо устройство приточно-вытяжной вентиляции во всех помещениях. Использование эффективной вентиляции способом рекуперации, т.е. в процессе частичного возврата энергии, является способом эко-

73

номии энергии за счет повторного ее использования. В итоге выбрасываемый воздух отдает приточному до 70% тепла. Не менее 50% «серых» вод должно перерабатываться и использоваться заново; для полива территории предполагается использование очищенной дождевой воды. В здании должны обеспечиваться контроль за табачным дымом, мониторинг наружного воздуха (чтобы углекислый газ не выбрасывался в атмосферу), индивидуально регулируемое освещение, вакуумная дистилляция воды (повторное использование). Система «Умный дом» - это интеллектуальная инженерная система для управления функциями дома, которая создает комфортные, экономичные и безопасные условия для проживания.

• Возобновляемые источники энергии. Солнечные батареи, ветряные элек-

трогенераторы, генераторы, использующие тепло земли, - это энерготехнологии, использующие природный потенциал. Например, система отопления, основанная на энергии земли (тепловой насос) расходует на отопление дома 20% электроэнергии от того объема, который требуется для электрического котла. На открытых площадках хорошо себя зарекомендовали ветряные электрогенераторы. [1, 6]

Применение на практике изложенных приемов обеспечивает достижение необходимых критериев. Сейчас построить жилой дом с соблюдением этих критериев или реконструировать существующий с целью повышения его энергоэффективности - задача, определяемая параметрами, которые хочет достигнуть застройщик. Ограничение возможностей связано с видом строительства (новое или реконструкция) и является основой формирования уровня здорового микроклимата в помещениях и безопасности для окружающей среды, степени энергоэффективности с учетом ориентации на достижение базовой модели инноваций. Классификация зданий по эффекту экономии энергии, существующая на сегодняшний день, приведена ниже. [5, 7]

Энергоэффективный дом — это дом, который расходует не более 70 % электроэнергии по сравнению со стандартным (построенным с соблюдением всем обычных норм). При этом для покрытия части энергетических затрат используют источники, которые могут возобновляться (тепло солнца и земли, силу ветра). Таким домом может считаться дом, у которого толщина изоляции N* см + механическая вентиляция. (*N – условное количество по стандарту, которое может быть заменено на технологии без утеплителя (например, панели различной толщины).

Дом с низким потреблением энергии — это дом, содержание которого по сравнению со стандартной постройкой требует не более 45% энергии. (Толщина теплоизоляции 1.5N см + механическая вентиляция + дополнительный источник тепла (например, солнечный коллектор)).

Пассивный дом — это дом с экстремально низким потреблением электро-

энергии: максимум 30 % по сравнению со стандартным. Именно этот тип зданий станет обязательным в Евросоюзе уже с 2015 год. (Толщина теплоизоляции 2N см + механическая вентиляция + дополнительный источник тепла (например, солнечный коллектор) + ветряная электростанция).

Активный дом — это экспериментальный дом, в котором вообще не используют общепринятые источники электроэнергии. Появились дома, которые могут вырабатывать электроэнергию, а ее излишки подавать в общую сеть. Дом с нулевым потреблением электроэнергии - толщина теплоизоляции 2.5N см + механическая вентиляция + дополнительный источник тепла (например, солнечный коллектор) + ветряная электростанция + водный резервуар как аккумулятор тепла.

74

ства оборудования в подвале, использование ограждающих конструкций и конструкций фундаментов с новыми технологиями теплозащиты. Ограничения определяются нецелесообразностью изменения подземной части дома, которые потребуют исключительных финансовых затрат на такие меры.

Пример реконструкции жилого дома представляет оригинальную модель инноваций. Успешно решены вопросы создания здорового микроклимата с уменьшением искусственного освещения, использования автоматизированного контроля параметров среды (частично критерии энергоэффективности). Это означает, что основным направлением в модели инноваций является достижение здорового микроклимата в помещениях с повышением энергоэффективности за счет частичного обеспечения энергией из возобновляемых источников и ее экономии за счет внедрения автоматизированных интеллектуальных систем контроля и дополнительного утепления ограждающих конструкций. Достигнутые объемнопланировочные решения были оптимизированы в пристройке к старому зданию.

Пример модернизации жилого дома (Германия, Гамбург).

(Первый проект реконструкции в рамках концепции «Образцовый дом 2020»). На международной строительной выставке IBA квартал Вильгельмсбург был выбран в качестве «архитектурной лаборатории» для разработки решений для будущего городской жизни. [2, 4]

"Дом активного света" - это уникальный проект, в котором будет обеспечено достаточное количество и правильное распространение дневного света. Площадь остекления увеличится с 18 до 60 м2.

Старое здание имеет общую площадь приблизительно 100м2. В новом проекте в жилой зоне появилась большая пятиметровая стеклянная стена, которая открывает потрясающий вид на сад. Чтобы обеспечивать дом энергией, в крыше пристройки установлены солнечные коллекторы для подогрева воды и фотогальванические элементы для электричества.

Модульная система. Концепция "Дома активного света" представляет собой модульную систему и может быть реализована как полностью, так и по отдельным решениям, чтобы соответствовать потребностям будущих жильцов, а также их финансовым возможностям.

Дневной свет. Солнечный свет нужен для правильной ориентации во времени, он положительно влияет на здоровье и настроение. В кухне, столовой и спальнях Уровень естественного освещения находится на уровне не ниже 5%, а в гостиной Уровень естественного освещения - более 10 процентов. Для создания комфортного микроклимата и регулирования уровня освещенности используются затемняющие аксессуары.

Свежий воздух. Вентиляция в Доме активного света регулируется автоматической системой, которая открывает и закрывает окна в зависимости от температуры, уровня концентрации СО2 и влажности. С помощью окон и аксессуаров на солнечных батареях поддерживается здоровый и комфортный микроклимат. С помощью комбинации фасадных и мансардных окон организован теплообмен воздушнах масс.

Энергоэффективность и Солнечная энергия. Отопление и горячее водо-

снабжение в доме обеспечивают 22,5м2 солнечных панелей и тепловой насос, позволяя сводить к минимуму выбросы углекислого газа в атмосферу. 75м2 поликри-

76

сталлический фотоэлектрических элементов на крыше обеспечивают тепловой насос энергией, а также служат источником электроэнергии.

Защита от солнца и использование дождевой воды. Для сохранения ком-

фортного микроклимата в помещениях все окна в Доме активного света оснащены жалюзями и шторами. В теплое время года жалюзи на окнах с южной стороны дома защищают комнаты от перегрева. Шторы, расположенные на окнах на западном фасаде дома автоматически закрываются во второй половине дня. Вечером все окна открываются и впускают в дом свежий, прохладный воздух. В более холодные месяцы жалюзи, наоборот, остаются открытыми в течение дня, а вечером автоматически закрываются, чтобы сохранить накопившееся в комнатах тепло.

«Дом активного света» также оснащен специальными системами экономии воды, и, кроме того, аккумулирует дождевую воду для поливки сада, стирки и санитарных нужд.

С 2013 года планировалось принимать здания в эксплуатацию только после присвоения им определенного класса энергоэффективности (в том числе и зданиям после реконструкции, а не только новым). Это один из важнейших показателей «зеленого» здания. Определим степень качества двух других показателей «зеленой» архитектуры. Учитывая качество показателей безопасности окружающей среды, обозначим следующие уровни безопасности: - базовая (ограничение выброса парниковых газов), - ограниченная (сохранение рельефа), - сбалансированная (архитектурно-планировочные решения + предыдущие условия). Оценивая качество характеристик микроклимата по влажности, инсоляции и вентиляции, получим уровни достижения: - низкую (при полной герметичности и отсутствии автоконтроля), - среднюю (отсутствие использования мансардных окон и учета ориентации по сторонам света), - высокую (с наличием всех имеющихся технологий обеспечения лучшего микроклимата).

Можно попытаться предложить классификацию зданий на основе вышеизложенных рассуждений простым совмещением полученных линеек показателей «зеленой» архитектуры. Более целесообразным представляется совместить не столько уровни показателей, сколько оценить использование эффективных инноваций. Такой подход обеспечит «руководство к действию» при выборе вида строительства и типа постройки.

Литература

1.Рубан С.С. Нетрадиционные источники энергии.- М.: Энергия, 2003.

2.Специальный выпуск журнала VELUX. 2011г. MODEL HOME 2020.

3.Архитектура и городское планирование. Устойчивое проектирование и строительство. Режим доступа: http://www.goethe.de.

4.Активный дом. Режим доступа: http://www. velux.ru

5.Современный дизайн и дизайн-проекты будущего. Режим доступа: http://www. future-designs.ru.

6.Энергия природы. Режим доступа: http://www.energy-prirody.ru.

7.ЭКА: Экологическая архитектура. Режим доступа: http:// www.ec-a.ru

77

УДК 541.16

О.В. Третьякова,

ФГБОУ ВПО Пермская ГСХА, г. Пермь, Россия

АЛЛОТРОПНЫЕ ФОРМЫ УГЛЕРОДА – В ОСНОВЕ НОВЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В статье рассмотрены основные сведения о важнейших материалах современной нанотехнологии – фуллеренах и нанотрубках, их классификации. Выполнен краткий обзор достижений в исследовании свойств этих материалов. Дан небольшой исторический очерк открытия фуллеренов, нанотрубок, нановолокон.

Ключевые слова: аллотропные формы, кластеры, фуллерены, углеродные нанотрубки и нановолокна.

Нанотехнологии, направленные на получение наноструктурированных материалов, условно можно разделить на две группы: «снизу вверх» и «сверху вниз». Такая классификация характеризует ключевую стадию применяемой нанотехнологии. В первой группе используют методы, в которых наночастицы образуются из атомов и молекул, т.е. происходит укрупнение исходных частиц до нанометровых размеров. Условная схема создания наночастиц може быть представлена в виде следующей цепочки [2]:

атомарный пар → молекулы → ассоциаты → кластеры → наночастицы и нанокомпозиты

Во второй группе классификации используются методы, в которых нанометровые размеры достигаются за счет размельчения крупных частиц, порошков или зерен. Методы первой группы в большинстве своем основываются на химическом подходе, а второй – на физическом. В некоторых случаях в результате использования этих двух диаметрально различных технологий получают наноматериалы одного химического состава, но с разными свойствами [3].

В большинстве своем нанонаука обсуждается с использованием единиц измерения СИ. Краткий перечень данных единиц измерения приводится в таблице 1.

Таблица 1

Открытие новых аллотропных модификаций углерода - фуллеренов и углеродных нанотрубок - в очередной раз подтверждает слова Д.И. Менделеева, что ни в одном из элементов способность атомов соединяться между собой не развита в такой мере, как в углероде, и это радикально отличает его от других простых веществ 25 . Модификации углерода классифицируют, исходя из факта существования трех базовых форм углерода с sp-, sp2, sp3-гибридизацией валент-

78

ных электронов. Фуллерены и моно- и многослойные углеродные нанотрубки со смешанным типом гибридизации отвечают «бинарной sp2-sp3 системе».

В основе понимания и проектирования наноструктурлежит их теория и моделирование. Размерный фактор не является основным в определении терминов наночастица» и «наноматериал». Суть этих понятий заключается в скачкообразном изменении свойств вещества, которое наблюдается при достижении нанометрового размера строительных блоков, составляющих наноматериал. Размер частиц, позволяющий обеспечить такое скачкообразное изменение свойств, колеблется от 1 до 100нм [1, 2]. Объясняется это тем, что именно нано- , а не субмикроскопическое состояние является промежуточным между молекулярным и твердотельным состояниями, в котором проявляются кооперативные эффекты. Кроме того, расстояния, на которых проявляются физические силы, варьируются в диапазоне от 1 до 100нм. Следует также отметить, что наноматериалы - далеко не всегда кристаллические частицы. Они, как правило, представляют собой термодинамически неравновесные системы. Для строительных блоков наноматериалов характерна сильно дефектная структура, иногда их состояние близко к аморфному. В связи с этим более точно эту группу композитов можно назвать как наноструктурированными материалами [3].

Существует ряд различных классификаций наноструктур. Это связано с большим разнообразием этих материалов. Одна из классификаций – по размерности составляющих структурных элементов - имеет следующий вид.

1. Нульмерные (ОD).

Это кластерные материалы и нанодисперсии, в которых материалы изолированы друг от друга.

2. Одномерные (1D).

Нановолоконные материалы с длиной частиц от 100 до 104 нм. 3. Двумерные (2D).

Пленки нанометровой толщины. 4. Трехмерные (3D).

К трехмерным относят порошки, волоконные многослойные и поликристаллические материалы, в которых 0D, 1D и 2D-наноматериалы, плотно прилегая друг к другу, образуют поверхности раздела.

Кроме того, различают два типа наночастиц [4]:частицы упорядоченного строения размером 1…5 нм, содержащие до 103 атомов (нанокластеры и нанокристаллы) и собственно наночастицы диаметром 5…100нм, содержащие 103…106 атомов. Однако следует отметить, что такая классификация характерна только для изотропных сферических частиц и не распространяется на нитевидные и пластинчатые образования, содержащие гораздо больше атомов и превышающие пороговые значения. Но их свойства, тем не менее, характерны для веществ в нанокристаллическом состоянии.

Наночастицы сложной формы называют наноструктурами и в качестве характеристических рассматривают их отдельные структурные элементы.

Исторический очерк появления и развития теории и практики углеродных наноматериалов можно открыть с начала 70-х годов, когда на основе квантовомеханических расчетов была предсказана возможность существования устойчивых кластеров углерода, состоящих из 20 и 60 атомов. Назвали их «карбододека-

79

эдр» (С20) и «карбо-S-икосаэдр»(С 60). В 1985 г. Гарри Крото и Ричард Смолли зафиксировали в масс-спектрах паров графита, полученных его испарением под лазерным пучком в атмосфере гелия, ряд интенсивных пиков, характерных для кластеров или многоатомных молекул углерода. Наиболее стабильными из них оказались кластеры С60 и С70 . Структурный анализ показал, что один из них имел форму футбольного, а другой – регбийского мяча (см. рис. 1). Назвали их фуллеренами в честь американского архитектора Фуллера, которому принадлежит патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытий большепролетных зданий. По существу была открыта новая форма углерода. Если структура таких форм углерода как алмаз и графит представляла собой периодическую решетку атомов, третья форма кристаллического углерода – фуллерен является молекулярной.

Рис. 1. Структура молекулы С60 и С70

Количество фуллеренов, полученных Крото и Смолли, было небольшим. Спустя пять лет в 1990 г. был сделан более серьезный шаг по разработке метода синтеза уже макроскопических количеств фуллеренов испарением графитовых электродов не в мощном лазере, а в простой электрической дуге в атмосфере гелия. При упаривании раствора чистого С60 было выделено кристаллическое вещество, названное фуллеритом. Разработанные методы стали приемлемы для большинства лабораторий и количество экспериментов резко увеличилось. В индивидуальном состоянии были получены фуллерены с 76, 78, 84, 90, 96, 102 и даже с несколькими сотнями атомов углерода.

Фуллерен достаточно изучен, его структуре и физико-химическим свойствам посвящен ряд публикаций [5..8]. Молекула фуллерена С60 имеет сферическую форму и состоит из шестидесяти атомов углерода. Молекула имеет симметрию усеченного икосаэдра с точечной группой симметрии. Грани молекулы представляют собой почти идеальные правильные шести и пятиугольники (20 гексагонов и 15 пентагонов). Атомы углерода расположены в вершинах икосаэдра, причем все атомы в фуллерене эквивалентны и принадлежат двум гексагонам и одному пентагону каждый. В молекуле фуллерена существуют С-С связи неравноценных типов: 30 связей, которые принадлежат только шестичленным циклам С- С(6-6) и 60 связей, которые образуют грани и в 5-, и в 6-членных циклах (С-С6-5). Согласно рентгено- и электроно-графическому исследованию монокристаллов [5, 6], длина связей С-С(6-6) и С-С(6-5) изменяется в диапазонах 0,1386…0,1401 нм и 0,1434…0,1456 нм соответственно. На основании расчета и индицирования дифракционного спектра порошка С60 установлены гексагональная плотная упаков-

80