Устойчивая архитектура

Энергоэффективность на протяжении всего жизненного цикла здания — главная цель устойчивой архитектуры. Архитекторы обращаются ко множеству пассивных и активных методов, чтобы сократить потребление энергии зданиями и вместе с этим повысить их способность улавливать и генерировать энергию самостоятельно^[4]. Для уменьшения цены и сложности устойчивой архитектуры предпочтение отдаётся пассивным системам, которые включают в себя использование преимуществ расположения здания, включение в систему здания источников возобновляемой энергии и при необходимости возможность использовать ресурсы ископаемого топлива^[5]. Анализ стройплощадки может помочь грамотно использовать для расчёта инсоляции, отопления и вентиляции помещений такие ресурсы окружающей среды, как ветер и солнечный свет.

Со временем были разработаны многочисленные пассивные архитектурные стратегии. Примеры таких стратегий включают расположение комнат или размер и ориентацию окон в здании, а также ориентацию фасадов и улиц или соотношение между высотой здания и шириной улицы при городском планировании^[6].

Важным и экономичным элементом эффективной системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC) является хорошо изолированное здание. Более эффективное здание требует меньше тепла, выделяющего или рассеивающего мощность, но может потребоваться большая мощность вентиляции для удаления загрязнённого воздуха в помещении.

Значительное количество энергии вымывается из зданий с потоками воды, воздуха и компоста. Готовые к использованию технологии рециркуляции энергии на месте могут эффективно улавливать энергию из отработанной горячей воды и застоявшегося воздуха и передавать эту энергию поступающей свежей холодной воде или свежему воздуху^[7]. Для возврата энергии из компоста, покидающего здания, для других целей, помимо садоводства, требуются централизованные анаэробные варочные котлы.

Активные солнечные устройства, такие как фотоэлектрические солнечные панели, помогают обеспечить устойчивое электричество для любого использования. Электрическая мощность солнечной панели зависит от ориентации, эффективности, широты и климата — солнечная энергия варьируется даже на одной и той же широте. Типичная эффективность имеющихся в продаже фотоэлектрических панелей составляет от 4 % до 28 %. Низкий КПД некоторых фотоэлектрических панелей может существенно повлиять на срок окупаемости их установки^[8]. Такой низкий КПД не означает, что солнечные панели не являются жизнеспособной альтернативой энергии. В Германии, например, солнечные панели обычно устанавливаются при строительстве жилых домов^[9].

Использование небольших ветряных турбин в производстве энергии в устойчивых конструкциях требует учёта многих факторов. С точки зрения затрат, небольшие ветровые установки обычно дороже, чем более крупные ветряные турбины, в зависимости от количества энергии, которую они производят. Для небольших ветряных турбин затраты на техническое обслуживание могут быть решающим фактором на объектах с ограниченными возможностями защиты от ветра. На объектах со слабым ветром обслуживание может потребовать значительную часть дохода небольшой ветряной турбины^[10].

Воздушные тепловые насосы (ASHP) можно рассматривать как реверсивные кондиционеры. Как и кондиционер, тепловой насос с воздушным источником может забирать тепло из относительно прохладного помещения (например, из дома с температурой 21 °C) и отдавать его в более тёплое место (например, на улицу с температурой 29 °C). Однако, в отличие от кондиционера, конденсатор и испаритель теплового насоса с воздушным источником могут меняться местами и забирать тепло из прохладного наружного воздуха, отдавая его в тёплый дом^[11].

Тепловые насосы с воздушным источником недороги по сравнению с другими системами тепловых насосов. Однако эффективность тепловых насосов с воздушным источником тепла снижается, когда температура наружного воздуха очень низкая или очень высокая; поэтому они действительно применимы только в умеренном климате^[11].

К устойчивым строительным материалам относятся^[12]:

• переработанный деним и изоляция из стекловолокна;
• устойчиво добытая древесина;
• трасс (вулканически туф), линолеум, овечья шерсть, костробетон, римский бетон^[13];
• панели из бумажных хлопьев, обожжённая и утрамбованная земля, глина;
• изоляция из мицелия, вермикулит, льняное полотно, сизаль, морские водоросли;
• керамзит, кокосовый орех, плиты из древесного волокна;
• кальциевый песчаник, местный камень и горная порода;
• бамбук (прочное быстрорастущее растение);
• нетоксичные клеи и краски с низким содержанием летучих органических соединений.

Бамбуковые полы снижают уровень загрязняющих частиц в воздухе^[14]. Этому также способствуют растительные покрытия зданий. Бумага, изготовленная из древесины, подлежит вторичной переработке, что позволяет сохранять лесные ресурсы, использованные в процессе производства. Существует нереализованный потенциал для систематического хранения углерода в застроенной среде^[15].

Использование натуральных строительных материалов из-за их экологичности характерно для народной архитектуры. Региональные стили формируются поколениями на базе местных ресурсов — это сокращает выбросы от транспортировки и производства^[16].

Древесина, солома, камень и глина обладают ключевыми экологическими качествами^[16]:

• являются возобновляемыми ресурсами;
• допускают повторное использование;
• позволяют задействовать отходы производства.

Среди низкоуглеродных материалов с высоким потенциалом масштабирования^[16]:

• ламинированные деревянные изделия;
• солома (в том числе в форме блоков);
• камень.

Их экологические преимущества^[16]:

• древесина и солома связывают углерод;
• камень требует мало энергии при добыче;
• соломенные блоки обеспечивают высокую теплоизоляцию.

Натуральные материалы эффективно регулируют микроклимат в помещениях без применения современных технологий благодаря высоким тепловым характеристикам^[16].

Тема использования дерева, соломы и камня в экологичной архитектуре была представлена на крупной выставке в Музее дизайна Великобритании^[17].

Устойчивая архитектура активно использует переработанные и вторичные материалы — например, восстановленную древесину и переработанную медь. Это позволяет сократить воплощённую энергию (затраты энергии на производство новых материалов).

Эко-архитекторы стремятся модернизировать старые постройки для удовлетворения современных потребностей, избегая ненужного нового строительства; при демонтаже зданий ценные материалы целенаправленно восстанавливают: качественную древесину перерабатывают в напольное покрытие, качественный камень возвращают в оборот, а также повторно используются двери, окна, каминные полки и различную фурнитуру, что снижает потребность в новых товарах^[18].

В случаях, когда без новых материалов не обойтись, дизайнеры отдают предпочтение быстро возобновляемым ресурсам^[18]:

• бамбук (готов к сбору через 6 лет после посадки);
• солома сорго или пшеницы (прессуется в панели из сельскохозяйственных отходов);
• пробковый дуб (используется только внешняя кора без ущерба для дерева).

По возможности строительные материалы могут добываться на самом объекте; например, если новое здание строится в лесистой местности, древесина деревьев, срубленных для освобождения места под строительство, будет повторно использована в качестве части самого здания. Для утепления строительных оболочек также исследуются более экспериментальные материалы, такие как овечья шерсть и отходы текстильного и агропромышленного производства^[18]. Современные исследования подтверждают эффективность переработанных утеплителей в архитектурном строительстве.

В строительстве по возможности применяют материалы с низким уровнем воздействия на окружающую среду. Например, для изоляции выбирают варианты с минимальным выделением летучих органических соединений (ЛОС) — такие как переработанный деним или целлюлозная изоляция. Их предпочитают традиционным изоляционным материалам, которые могут содержать токсичные или канцерогенные вещества (например, формальдегид). Для защиты альтернативных изоляционных материалов от насекомых нередко используют борную кислоту; также допустимо применение органических или молочных красок^[19].

При этом распространённое мнение о пользе «экологичных» материалов для здоровья и окружающей среды не всегда соответствует действительности. Многие опасные вещества — формальдегид, мышьяк, асбест — имеют природное происхождение и в прошлом активно применялись. Исследование, проведённое в Калифорнии, показало: некоторые материалы, позиционируемые как экологичные, выделяют значительное количество вредных веществ. В то же время ряд «традиционных» материалов оказывается менее опасным^[20].

Летучие органические соединения (ЛОС) присутствуют практически в любой внутренней среде и поступают из множества источников. Их отличительные черты — высокое давление паров и низкая растворимость в воде. Считается, что именно ЛОС провоцируют симптомы, типичные для«синдрома больного здания». Многие из этих соединений раздражают органы чувств и влияют на центральную нервную систему. Концентрация ЛОС внутри помещений обычно выше, чем в атмосферном воздухе^[21].

Исследование факультета гражданского, архитектурного и экологического инжиниринга Университета Майами позволило уточнить представления о безопасности экологичных материалов. В ходе работы сравнивали три экологически чистых продукта и их неэкологичные аналоги. Выяснилось, что и те, и другие выделяют ЛОС, однако у экологичных материалов количество и интенсивность выбросов оказались существенно ниже. Это делает их более безопасными и комфортными для человека^[21].

Традиционно используемые в строительстве материалы, такие как дерево, требуют вырубки лесов, что без надлежащего контроля является экологически вредным. По состоянию на октябрь 2022 года исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) добились прогресса в выращивании в лабораторных условиях клеток Zinnia elegans, которые приобретают определённые характеристики в контролируемых условиях. К этим характеристикам относятся «форма, толщина, [и] жёсткость», а также механические свойства, которые могут имитировать дерево^[22].

Дэвид Н. Бенгстон из Министерства сельского хозяйства США предполагает, что эта альтернатива будет более эффективной, чем традиционная заготовка древесины, а будущие разработки могут сэкономить электроэнергию на транспортировку и сохранить леса. При этом Бенгстон отмечает, что этот шаг изменит привычные установки и породит новые экономические и экологические вопросы, такие как занятость в сообществах, зависимых от лесозаготовок, или влияние мер по сохранению лесов на лесные пожары^[23].

Несмотря на важность материалов для общей устойчивости зданий, количественная оценка и анализ устойчивости строительных материалов представляется сложной задачей. В измерении и оценке характеристик устойчивости материалов отсутствует единообразие, в результате чего существует множество разнообразных и зачастую неточных экомаркировок, стандартов и сертификатов^[24].

Информационное моделирование строительных объектов (BIM) используется для содействия устойчивому дизайну, позволяя архитекторам и инженерам интегрировать и анализировать эксплуатационные характеристики зданий. Использование BIM, включая концептуальное и топографическое моделирование, открывает новые возможности для экологичного строительства благодаря последовательной и незамедлительной доступности внутренне согласованной и достоверной информации о проекте. BIM позволяет проектировщикам количественно оценивать воздействие систем и материалов на окружающую среду, что помогает принимать решения, необходимые для проектирования устойчивых зданий^[25].

Одним из центральных аспектов экологически устойчивой архитектуры является размещение зданий^[26]. Хотя в представлениях об идеальном экологичном доме или офисе часто фигурирует изолированное место, такое расположение обычно наносит вред окружающей среде. Во-первых, такие сооружения часто служат своеобразными линиями разрастания городской застройки. Во-вторых, они обычно увеличивают потребление энергии, необходимой для транспортировки, и приводят к ненужным выбросам автомобилей. Предполагается, что лучший вариант — расположение большинства зданий не в пригородах, а в районах с лёгкой городской застройкой, как это предлагает движение «Новый урбанизм»^[27].

Многофункциональное зонирование делает коммерческие, жилые и лёгкие промышленные зоны более доступными для тех, кто передвигается пешком, на велосипеде или общественном транспорте, как предлагается в «Принципах разумного урбанизма». Изучение пермакультуры в её целостном применении также может значительно помочь в правильном размещении зданий, которое минимизирует потребление энергии и работает с окружающей средой, а не против неё, особенно в сельских и лесных зонах^[27].

Устойчивые здания стремятся использовать водосберегающие технологии. Одной из стратегических водосберегающих технологий, используемых в экологичных зданиях, являются зелёные крыши. Зелёные крыши имеют растительный покров, который собирает дождевую воду^[14]. Эта функция не только позволяет собирать воду для дальнейшего использования, но и служит хорошим изолятором, который может помочь в борьбе с эффектом городского острова тепла. Другой водосберегающей технологией является очистка сточных вод для повторного использования^[28].

Ещё одна стратегия экологичного проектирования — использование систем сбора дождевой воды, таких как арматура с низким расходом. Они широко известны в экологичной архитектуре благодаря тому, что позволяют экспоненциально сократить потребление воды и способствуют долгосрочному сохранению ресурсов^[29].

Устойчивый урбанизм выходит за рамки экологичной архитектуры и предлагает более широкий взгляд на устойчивость. Типичные решения включают экоиндустриальные парки (EIP) и городское фермерство. Среди поддерживаемых международных программ выделяются Сеть устойчивого городского развития^[30], поддерживаемая ООН-Хабитат, и Eco2 Cities, поддерживаемая Всемирным банком^[31].

Одновременно с этим, недавние движения «Новый урбанизм», «Новая классическая архитектура» и современная традиционная архитектура продвигают устойчивый подход к строительству, который учитывает и развивает разумный рост, архитектурные традиции и классический дизайн^[32][33].

Это контрастирует с модернистской и глобально унифицированной архитектурой, а также противоречит тенденции к строительству отдельных жилых комплексов и разрастанию пригородов^[34]. Обе тенденции начались в 1980-х годах. Премия Дрихауса в области архитектуры — награда, которая признаёт усилия в области нового урбанизма и новой классической архитектуры^[35].

Отходы представляют собой отработанные или непригодные материалы, образующиеся в быту и на предприятиях, в процессе строительства и сноса, а также в производственной и сельскохозяйственной отраслях. Эти материалы условно подразделяются на твёрдые бытовые отходы, строительный и сносовый мусор (C&D) и побочные продукты промышленности или сельского хозяйства. Устойчивая архитектура фокусируется на использовании отходов на месте, используя такие методы, как системы серой воды для полива садовых грядок и компостные туалеты для уменьшения объёма сточных вод^[35].

Эти методы в сочетании с компостированием пищевых отходов на месте и переработкой за пределами участка могут сократить количество отходов дома до незначительного количества упаковочного мусора^[35].

В России есть ряд примеров устойчивой архитектуры, демонстрирующих разные подходы к экологичному строительству.

Так, винодельня «Скалистый берег» в Анапском районе использует гравитационное производство вина, что существенно сокращает энергозатраты; её панорамное остекление из поляризованного стекла обеспечивает естественное освещение и защищает от перегрева, а аэродинамическая форма дегустационного зала снижает ветровую нагрузку^[36]. В Красноярске на крыше библиотеки Сибирского федерального университета создано зелёное пространство с растениями, адаптированными к суровому климату: это не только уменьшает теплопотери здания, но и продлевает срок службы кровли при естественной системе водоотведения без подогрева^[37].

В Санкт‑Петербурге «Лахта‑Центр» сертифицирован по стандарту BREEAM — здесь внедрены энергоэффективные инженерные системы, оптимизированы воздухообмен и естественное освещение^[38]. В Якутске креативный кластер «Квартал труда» демонстрирует устойчивость к экстремальным температурам и сейсмической активности: проект включает ревитализацию промышленной зоны и применение долговечных материалов, рассчитанных на жёсткие климатические условия^[39].