Градски комплекси

енергийна независимост

Появата на енергозависими сгради, които чрез адекватен синтез между енергоефективна конструкция, интегрирани възобновяеми енергоизточници и модерни енергоспестяващи системи са в състояние да създават комфортна среда за работа и живот, предшества появата на напълно автономни архитектурни комплекси. Ето защо е от значение своевременно да бъде изследвана способността за енергийна независимост на взаимодействащи си сгради и съоръжения, обединени в единна самостоятелна инфраструктура.

Същевременно развитието на съвременните технологии за проектиране, строителните материали и на техниката като цяло, превръщат новостроящите се сгради в благоприятна среда за интеграцията на различни енергоспестяващи системи и такива, които използват възобновяеми енергийни източници. Новите енергоефективни конструкции спомагат за намаляване нивата на енергийно потребление, а това, заедно с опциите за самостоятелно производство на екологично чиста енергия, прави възможно създаването на напълно независими в енергийно отношение сгради и дори цели комплекси.

Предпоставки за появата на енергонезависими комплекси от сгради
Дълго време основните функции на сградите се свеждаха до осигуряването на комфортна среда за обитаване. Модерните технологии обаче едновременно разширяват тези традиционни функции и позволяват възникването на нови - производство, разпределяне и рационално използване на необходимата енергия. Разнообразието от инженерни и технически решения за прилагането им е толкова голямо, че за класификацията и сравнителната оценка на тяхната ефективност са въведени и различни системи за стандартизация като BREEAM или LEED.

Едновременно с това, на лице е и стремително увеличаване ефективността на интегрируемите инструменти, използващи възобновяема енергия. Най-новите прототипи на фотоволтаични клетки демонстрират значително повишаване на своето КПД до 85% благодарение на вградените в конструкцията им наноантени. При ветрогенераторите също се наблюдава увеличаване на тяхната ефективност. Те стават все по-тихи и компактни, а това позволява все по-плътно да бъдат използвани в градската среда. Също така новите технологии, приложени в изработката на акумулатори, разширяват възможностите на последните, които вече могат да запазват излишната произведена енергия за по-дълги периоди и да се възползват от нея, в случаите когато енергоизточникът работи неефективно (например при липса на вятър или недостатъчна светлина). Повишаването на енергоефективността и производствения капацитет е следващата важна крачка към появата на напълно независими архитектурни системи.

Новите взаимодействия между отделните сгради - информационно и енергийно - е още една стъпка в тази насока. Развитието на безжичната обмяна на информация и на технологиите за производство на енергия, превръщат сгради и съоръжения в елементи на единна многопластова система. В този ред на мисли, възприемането на архитектурните обекти, именно като система, е изключително важно за формирането на естетична и контекстуално благоприятна среда. Обменът на информация за състоянието на вътрешните системи на сградите позволява да се координира работата на отделните инструменти, произвеждащи зелена енергия, а това прави нейното разпределение още по-ефективно.

Началото
Естествен процес в насока достигане на пълна енергонезависимост е съкращаването на енергийните разходи. Ето защо, за да разберем по-добре проблемите, които възникват по пътя към появата на абсолютно независими сградни комплекси, е необходимо първо да се запознаем с особеностите на отделните енергонезависими постройки.

През лятото на 1988г. в Дармщат, Германия, е построена експериментална къща, чрез която да бъдат проучени възможностите за пестене на енергия и производството є от автономни енергоизточници. Наречена е “пасивна”, тъй като тя няма нужда от активни отоплителни или охладителни системи. Експериментът е повече от успешен и днес “пасивна къща” е световнопризнат стандарт за сертификация на енергоспестяващи сгради, а пасивното строителство - все по-популярна тенденция.

Пасивните енергоефективни сгради са съоръжения, отличаващи се с пълната липса на необходимост от отопление и незначително енергопотребление. Топлината в пасивните здания се генерира чрез натрупване и само с помощта на вътрешни топлоизточници, слънчевата светлина, проникваща през прозореца и нагряване на въздуха от вентилационната инсталация.

За да бъде обявена за пасивна, една сграда трябва да отговаря на няколко условия. Стените є да са с повишена топлоизолация, да липсват архитектурни или технически детайли с висока топлопроводимост, които да преминават през изолационния слой или слоеве, да е осигурена висока херметичност и контрол над вентилацията, тъй като отработеният въздух генерира до 75% от топлината.

Всички тези изисквания се покриват чрез прилагането на разнообразни подходи и технологии. Така например херметични двукамерни прозорци с инертен газ в междустъкленото пространство не позволяват на затопления въздух да напусне сградата, а специални инсталации за рекуперация спомагат за вентилирането му без загуба на топлина. Използваните материали при строителството на подобно здание също се различават. Използват се както традиционните камък и дърво, така и съвременни полимерни материали. Както вече стана ясно, своята енергонезависимост подобни сгради получават чрез използването на различни източници на възобновяема енергия като фотоволтаици и ветрогенератори.

Запазването на топлината е една от основните задачи на пасивното строителство, но това, разбира се, е само началото на истинската енергийна автономия. Вече съществуват достатъчно на брой сгради, които не изразходват и киловат енергия “отвън”, а също и такива, които произвеждат повече енергия, отколкото консумират. Последните не използват изкопаеми горива, за да функционират, и не отделят въглероден двуокис. Системите, инсталирани в тях, разпределят получената енергия и се грижат за електричеството, отоплението и топлата вода. Освен всичко, тези сгради са способни да отдават произведена енергия към централната градска мрежа, спомагайки за повишаване екологичните показатели на района.

Концепцията за енергонезависима сграда е съставена от три основни параметъра. На първо място още при проектирането е важно да се вземат предвид не само използваните при строежа материали, но и да се обърне внимание на вентилационната система, разпределението на прозорците и да се извлече максималното от географските особености на мястото. Вторият параметър е наличието на възобновяеми енергоизточници и акумулатори за съхранение на произведената енергия - сърцето на една енергонезависима сграда. Нейният мозък пък е третият параметър или така наречената система “умен дом”, която се грижи за ефективното управление на консумираната от зданието енергия, повишавайки при това комфорта на неговите обитатели.

Макар създаването на подобни сгради все още да изисква значителни инвестиции, стойността на използваните в тях технологии постоянно се понижава, превръщайки ги във все по-леснодостъпна алтернатива на конвенционалното строителство. Именно организацията на този тип здания в единна структура е предпоставка за развитието на енергонезависими комплекси.

Предизвикателства и стратегии
Говорейки за енергонезависими комплекси от сгради, следва да се отбележи, че заедно с пълното самообезпечаване, приложените системи трябва да са в състояние да произвеждат достатъчно количество ресурси за тяхното функциониране и това на вътрешната им инфраструктура.

Към днешна дата съществуващите енергоефективни комплекси не притежават автономна инфраструктура по ред причини. Дори при наличието на няколко енергонезависими сгради с положителен енергобаланс, количеството произведена енергия, над техните собствени потребности, не достига за обезпечаване на системи като транспорт, водоснабдяване, канализация и утилизация на отпадъците.

Нека разгледаме първо транспортната система. Световният опит показва, че след отказа от традиционни превозни средства (използващи бензинови или дизелови двигатели) се наблюдават значителни изменения в градската среда. Така например в китайския район Ченду е приета пълна забрана за употреба на наземен транспорт. За да компенсира тази забрана, планировъчната схема на комплекса предвижда максимум 15 минути ходене пеша до всеки по-важен обект от инфраструктурата. И все пак в Ченду автомобили има. Те обаче, заедно с линиите на метрото, се движат в специално обособени тунели, което допринася за намаляването на общата въглеродна следа на града с до 60%.

В други не чак толкова крайни случаи, на територията на няколко европейски квартала и комплекси, като Вобан в Германия и BedZED в Лондон, традиционният транспорт също е значително ограничен или напълно забранен и заменен с по-екологичните електрически превозни средства. Разбира се, в контекста на тази статия трябва да се отбележи, че електротранспортът може да бъде напълно екологично чист само, ако енергията, осигуряваща функционирането му, е добита от възобновяеми източници.

На този фон съвременните разработки в областта на електротранспорта позволяват пълния отказ от използването на постоянно поскъпващия бензин. В квартал Масдар в Абу Даби транспортната система предполага забрана на автомобилното движение, а придвижването се осъществява с помощта на изцяло автоматизиран обществен електротранспорт - в това число маршрутизацията и управлението на транспортните средства. Безопасността тук е осигурена като нито една от линиите не се пресича с друга на едно и също ниво. Чрез тези нововъведения е избегната нуждата от строежа на конвенционални пътища, а в резултат на това целият район е разделен от множество сенчести преходни улички.

Достигнатите нива на ефективност при употребата на възобновяеми енергоизточници, в комбинация с постиженията в областта на електротранспорта и в частност намаляване обема на консумираната от него енергия, показват, че модернизацията на транспортната инфрастуктура в посока зелена енергия е най-ефективната стратегия за решаване на транспортния проблем по пътя към пълна енергонезависимост на комплексите.

Друга система, изискваща автономност в енергонезависимите комплекси, е водоснабдяването и канализацията. Работата на пречиствателните и помпените станции също следва да се захранва с енергия, произведена от обектите на територията на комплекса. Това означава, че водопроводът и пречиствателните съоръжения трябва да бъдат част от единна система от затворен тип, свързваща всички здания в комплекса. Икономията на водните ресурси, явяваща се като критерий в болшинството системи за сертифициране на енергоефективни сгради, позволява да се намалят енергийните разходи по експлоатацията на помпените и пречиствателните станции.

В това отношение съществуващият опит с интеграцията на системи за икономично потребление и преработване на вода, съчетани с използването на мащабни слънчеви колектори показват значително повишаване качествата и стойността на крайния продукт - чистата питейна вода. Отново ще дадем пример с комплекса BedZED в Лондон, където всички сгради са снабдени със системи за събиране, пречистване и съхранение на битовата, отпадъчната, дъждовната вода, и дори тази, отделяна при топенето на снеговете. За максимално пречистване на замърсени води се прилагат мащабни методи, включващи многократна филтрация, която да осигури пълната дезинфекция.

Водоснабдителната система на енергонезависимите комплекси трябва да функционира на база автономен цикъл, при който всички отработени води задължително преминават през система от филтри на различни нива във водоприемника за вторично използване.

С оглед необходимостта да се използват всички достъпни ресурси за осигуряване на необходимата енергия в комплексите трябва да се осъществяват и мероприятия по преработка на биологичните отпадъци, като канализационната биомаса и рециклируемия боклук. Това обаче изисква наличието на собствена система за транспортирането и обработката на отпадъци. Най-подходящи за тези цели са неголемите биореактори и приложеният на няколко места в Европа, като олимпийския комплекс Hammarby Sjöstad в Стокхолм, вакуумен боклуко-провод.

Сортираните в такава система отпадъци се трупат в продължение на ден в контейнери, заровени две трети в земята, и се пресоват под собствената си тежест. След това пресованият боклук от запълнения контейнер незабавно се изпраща за рециклиране по вакуумен канал. Този метод е значително по-хигиеничен и икономичен от традиционно използваните методи за събиране и извозване на боклука. Количествата биогориво, произвеждано от биологичните реактори в комплекса пък е напълно достатъчно, за да обезпечи неговото функциониране и работата на вакуумната система за сметосъбиране. От гледна точка намаляването разходите по транспортирането на отпадъците, най-рационално е разполагането на мрежа от миниатюрни биореактори в подземните части на енергонезависимия комплекс.

Вече разгледахме въпроса с осигуряването на топлина, който също е свързан със значително енергопотребление, а съвременните източници на топлинна енергия все още не са достатъчно съвършени по отношение на нейната загуба. Възможно решение е внедряването на децентрализирани и комбинирани отоплителни системи, които да спомогнат за снижаването на тези показатели.

Очевидно е, че основният проблем, който трябва да се преодолее, за да бъде достигната пълна енергийна независимост, е осигуряване на енергия за вътрешните инфраструктури на комплексите. Съвременната енергоефективна архитектура при своето развитие следва стратегията за увеличаване на произвежданите мощности и едновременното намаляване на енергийните загуби. При това всяка нова сграда с положителен енергиен баланс произвежда все повече енергия при постоянно растящи нива на енергоспестяване.

Ето как наред с традиционните исторически и визуални взаимовръзки разпределението на излишъците от произведена енергия към общата градска електрическа мрежа и съседните съоръжения създава нови видове зависимости между обектите от архитектурната среда. Развитието на безжичните средства за комуникация и увеличената изчислителна мощност укрепва тези взаимоотношения и позволява да се премине към създаването на многопластова система за взаимодействие между отделните обекти в комплекса и неговата инфраструктура. Такава система трябва да се възползва от целия потенциал на синтеза между интегрираните инструменти на възобновяемата енергетика и енергоспестяващите системи за оптимално разпределение на произвежданите ресурси.

Разработката на функциониращи модели на енергонезависима архитектурна система е важна задача поради редица икономически, социални и технически причини. Увеличаващата се стойност на горивата, пренаселването на мегаполисите и необходимостта от рационално усвояване на нови територии при разширяване на градовете, както и постоянно нарастващото енергопотребление, са само част от тях. Днес научният прогрес ни снабдява с все повече инструменти, необходими за решаването на тези важни задачи, а грамотното прилагане на новите технологии ни позволява да достигнем енергонезависимостта на отделни самостоятелни сгради, което прави появата на цели автономни енергонезависими комплекси съвсем реална в близките години.