Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

WORLD EXPERIENCE IN DESIGNING CARBON-FREE BUILDINGS AND ITS TECHNOLOGY

Research article
Osetrina D.A
Savel'eva Yu.K.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.106
Issue: № 5 (119), 2022
Published:
2022/05/17
PDF

DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.106

МИРОВОЙ ОПЫТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОМОВ С НУЛЕВЫМ ВЫБРОСОМ УГЛЕРОДА И ИХ ТЕХНОЛОГИИ

Научная статья

Осетрина Д.А1, *, Савельева Ю.К.2

1,2 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (darya.osetrina[at]inbox.ru)

Аннотация

В статье поднимается вопрос загрязнения окружающей среды такой промышленной отраслью, как строительство. В качестве решения проблемы предлагается внедрение зеленых технологий в многоэтажные жилые дома, поскольку именно этим типом зданий массово застраиваются кварталы городов. В статье предлагается краткий обзорзданий с нулевым выбросом углерода в контексте проблемы глобального потепления, рассматриваются градостроительные и социальные аспекты строительства так называемых “zerocarbonbuildings”. На примерах зарубежного опыта проектирования и строительства сформированы четыре важнейших критерия, определяющих здания с нулевым выбросом углерода: декарбонизация, электрификация, эффективность и цифровизация. Выявлены главные принципы таких зданий, в том числе применение в строительстве новых материалов, таких как CLT-панелей.

Ключевые слова: экологический кризис, дома с нулевым выбросом углерода, зеленое строительство, углеродный след, пассивный дом, CLT-панели.

WORLD EXPERIENCE IN DESIGNING CARBON-FREE BUILDINGS AND ITS TECHNOLOGY

Research article

Osetrina D.A1, *, Savel'eva Yu.K.2

1, 2 Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (darya.osetrina[at]inbox.ru)

Abstract

The article raises the question of environmental pollution by the industrial sector of construction. As a solution, the introduction of green technologies in multi-storey residential buildings is proposed, since it is this type of building that massively builds blocks of cities. The article offers a brief overview of zero-carbon buildings in the context of global warming problem, analyzes urban and social aspects of the so-called "zero carbon buildings" construction. In accordance with the experience of foreign design and construction, four key criteria that define carbon-neutral buildings have been established: decarbonization, electrification, efficiency and digitalization. The main principles of such buildings have been identified, including the use of new materials in the construction, such as CLT-panels.

Keywords: ecological crisis, zero-carbon buildings, green construction, carbon footprint, passive house, CLT-panels.

Введение

В современном мире проблема глобального потепления волнует каждого сознательного человека, поскольку с каждым годом последствия негативного влияния жизнедеятельности людей на планету становятся все более очевидны. Однако тех малых мер, которые гражданин на личном уровне предпринимает для защиты природы, может быть недостаточно. Все сферы производства продолжают развиваться и увеличивать обороты, порой мало заботясь о влиянии на окружающую среду.

Влияние строительства на мировую экологию

Крупной отраслью производства является строительство, поскольку оно развивается повсеместно. Согласно информации Мирового Совета по Зеленому строительства (WorldGreenBuildingCouncil) на сектор строительства приходится 36% потребления энергии, 38% выбросов углерода, связанных с энергией, 50% потребления ресурсов [1].

По прогнозам [2], к 2060 году общая площадь зданий в мире удвоится, при этом только 3% инвестиций в новое строительство являются экологичными и эффективными, что приводит к высоким выбросам CO2. Темпы обновления существующих зданий составляют всего 1%, что является менее чем третью от темпов, необходимых для достижения Парижских климатических целей.

На данный момент проблема массового возведения многоквартирных жилых домов и воздействия этих пятен застройки на окружающую среду [3] оказывает огромное влияние на экологию. Тенденция создания жилых районов в структуре крупных городов нередко имеет негативные последствия не только для градостроительных и социальных факторов, но и для сложившейся экосистемы.

Загрязнение среды происходит на протяжении всего цикла строительства: помимо выхлопных газов строительной техники, пылевого загрязнения воздуха, светового загрязнения, большой объём CO2 вырабатывается во время процесса отвердевания бетона [4]. Часто на этапе проекта застройщиками не рассматривается в полном объёме вся полнота влияния строительства на окружающую среду. Причина этого заключается в том, что во многих случаях возведение ведется с нарушениями в вопросах утилизации строительных отходов, хранении строительных материалов, защите плодородного слоя участка.

Однако не только процесс строительства имеет влияние на экологию города, но и дальнейшая эксплуатация объекта. Выбросы загрязнения исходят не только от жильцов здания, но и самих строительных материалов, систем обеспечения комфорта микроклимата помещений.

Зеленые технологии как основной метод решения проблемы

Снижение энергопотребления в зданиях также представляет собой наиболее экономически эффективный способ борьбы с изменением климата, а улучшение качества зданий может принести важные сопутствующие выгоды, такие как улучшение здоровья и качества жизни людей. Сокращение выбросов углекислого газа в зданиях будет иметь решающее значение для достижения климатических целей [5] до 2050 года, принятых на 21-й сессии Конференции Сторон Рамочной конвенции ООН в 2015 году в Париже.

Решением данной проблемы в мировом опыте являются здания с нулевым выбросом углерода (zerocarbonbuildings). Цель возведения этих зданий заключается в защите окружающей среды, поскольку они не вырабатывают оксида углерода в процессе эксплуатации, строительства или производства материалов, из которых состоят. Большинство таких домов строятся по следующим принципам: уменьшение требуемой энергии, использование излишков энергии, уменьшение необходимости в искусственном охлаждении, обеспечение высокоэффективными системами управления микроклиматом и иными системами, в том числе освещения; обеспечение возобновляемыми источниками энергии[6].

Есть четыре важнейших критерия, определяющих здания с нулевым выбросом углерода: декарбонизация, электрификация, эффективность и цифровизация [6]. Эти четыре тенденции работают в сочетании для сокращения выбросов углекислого газа и снижения общей стоимости строительных работ и вспомогательной инфраструктуры. Здания могут достичь нулевой углеродной производительности за счет отказа от использования ископаемого топлива для отопления, использования местной и / или внешней возобновляемой энергии, сокращения использования хладагентов с высоким потенциалом глобального потепления и использования низкоуглеродистых, повторно используемых или переработанных материалов в строительстве.

Примеры зданий с нулевым выбросом углерода

Для написания статьи был изучен мировой опыт возведения зданий с нулевым выбросом углерода. Был выделен ряд проектов жилых и гостиничных объектов, расположенных в климатических условиях, схожих с континентальным климатом, с выраженным зимним сезоном, чтобы в проекте рассматривалась проблема отопления здания.

– Новый корпус отеля GSH на острове Борнхольм [7] Дания

Первая углеродно-нейтральная гостиница Дании. Она будет построена как пристройка к гостинице HotelGreenSolutionHouse (HotelGSH), в Рённе на датском острове Борнхольм. Новое крыло, включающее 24 комнаты, конференц-зал и спа-центр на крыше, обеспечит положительный климатический след при строительстве. Основной строительный материал всего здания – это древесина, она используется и для несущих конструкций, и как утеплитель, и как отделочный материал. В своем проекте студия GXN постаралась максимально, насколько это возможно, отказаться от использования металла и бетона, повсеместно используемыми в строительстве сегодня, на долю которых приходится в 16% общей сложности CO2 выбросов в мире.

Все элементы здания пригодны для повторного использования, а отходы, которые появятся в процессе строительства, будут использованы для изготовления мебели и отделки, обломками из местных гранитных карьеров в Борнхольме будет отделан конференц-зал. Вся вентиляция в здании естественного побуждения через оконные проёмы и террасы, новое крыло HotelGreenSolutionHouse не нуждается в механизированных решениях.

– Powerhousetelemark в Порсгрунне [8], Норвегия

Новое 11-этажное здание, расположенное в историческом промышленном городе Порсгрунн в графстве Вестфольд и Телемарк, знаменует собой символическое продолжение гордой истории района, поскольку в Телемарке находится один из крупнейших гидроэнергетических станций начала XIX века. PowerhouseTelemark указывает на растущие инвестиции региона в «зеленую» экономику, позиционируя округ как лидера в обезуглероживании нового строительства. Выходящий на юго-восток фасад и крыша PowerhouseTelemark посредством солнечных батарей будут генерировать 256 000 кВт· ч каждый год, что примерно в двадцать раз больше годового потребления энергии средним норвежским домохозяйством, и излишки энергии будут подаваться обратно в энергосеть.

Скошенное и слегка коническое здание имеет четко очерченную наклонную выемку на 45° на фасаде, обращенном к востоку, что даёт ему чётко идентифицируемый образ, выделяющийся в промышленном контексте окружающего индустриального парка Herøya. Внутри здания есть фойе со стойкой регистрации, офисные пространства, в том числе два конференц-зала, ресторан, пентхаус-номера, а также терраса на крыше с видом на фьорд. Две большие лестницы соединяют все этажи здания. На девятом этаже посетителей встречает уникальная деревянная лестница, которая визуально связывает ресторан и зал бара, и ведет посетителей к террасе на крыше здания.

– Отель Bauhofstrasse в Людвигсбурге [9], Германия

Отель Bauhofstrasse является первым зданием с нулевым выбросом углерода в городе Людбигсбург. Здание очень чутко вписано в контекст исторической части города, тем самым оно способствует оживлению района и возрождению интереса к историческому наследию.

Здание построено по модульному принципу. Весь отель состоит из деревянных модулей размером с комнату, он устанавливает новые стандарты по экологичности, энергоэффективности, срокам строительства и качеству зданий. Модули были произведены в Австрии, перевезены в Людвигсбург и установлены на месте в течение пяти рабочих дней. Здание отделано белыми плитами Eternit, с первого взгляда нельзя догадаться, что все здание выполнено из дерева. Внутри же создатели решили не маскировать древесину под другие материалы, что добавляет интерьерам уюта и особого шарма. Конструктивным стержнем здания послужила бетонная лестница, фундамент так же выполнен из бетона.

– Жилой дом В Бостоне [10], США

Дом Cross-Lamined-Timber (CLT) является первым демонстративным проектом многоквартирного углеродно-нейтрального жилого дома. Проект разработан архитектурным бюро Generate в партнерстве с компанией Placetailor, которая уже на протяжении 10 лет занимается создание нейтрально углеродных зданий. В этом проекте они сделали упор на низкоуглеродные и сборные технологии.

Новое пятиэтажное здание смешанного использования, состоящее из 14 жилых модульных единиц и общего для жителей коворкинг-пространства на первом этаже, позволит почувствовать преимущества сборной модульной системы жилых единиц, добиваясь максимального разнообразия в архитектурных образах. Проект является ярким примером здорового, комфортного и углероднонейтрального жилья для рабочего класса в Бостоне. В своем проекте они заменили традиционные бетонные и стальные конструкции, которые в значительной степени способствуют выбросу диоксида углерода в атмосферу, на каркас из дерева. Здания оснащены скатной кровлей, пригодной для легкого монтажа солнечных батарей. Ещё одна особенность здания - модульные ванные комнаты, которые предварительно изготавливаются на заводе и после монтажа не требуют отделки. Потом они транспортируются и легко устанавливаются в здание, что сокращает сроки возведения здания и уменьшает количество строительных отходов.

– Жилой дом Kajstaden вВестеросе [11], Швеция

Жилой дом Kajstaden является важной вехой в развитии устойчивой архитектуры и эталонным проектом, который показывает, что преобразование в архитектуру, учитывающую климатические условия, возможно. Благодаря исследовательским проектам и активной работы с деревянными конструкциями компания C.F. MøllerArchitects сосредоточила свое внимание на инновациях, а также на разработке и внедрении в строительство многоэтажных зданий с цельным деревянным каркасом. Решающее преимущество древесины, в отличие от других строительных материалов, заключается в том, что производственная цепочка для материала производит ограниченное количество выбросов углекислого газа. Вместо этого он является частью замкнутого цикла, где углерод удерживается в каркасе здания. Деревянная жилая башня Kajstaden высотой девять этажей с поднятым с уровня земли первым этажом и верхним этажом в два уровня построена из поперечно-клееной древесины с небольшим добавлением клееного бруса. На каждом жилом этаже располагает по 3 квартиры: одна 1к квартира и две перекидные 3к квартиры.

Отличительной особенностью проекта является наличие на каждом этаже холла общего пользования для жильцов с открытой лоджией. В первом этаже расположены встроенные общественные помещения. На севере от рассматриваемого дома располагается наземный многоуровневый паркинг, рассчитанный на жителей всего квартала. К этому зданию примыкает торгово-офисный центр. Использование CLT-панелей как материала ограждающих конструкций приводит к воздухонепроницаемости и энергоэффективности дома. Низкий вес материала означает, что на фундамент оказывается меньшее давление. В ходе строительства были использованы монтажные узлы с металлическим креплением, что позволяет легко демонтировать и перерабатывать все элементы здания.

Главные принципы здания с нулевым выбросом углерода

На основе изученного опыта можно выделить основные приемы, обеспечивающие нулевой выброс углерода:

  1. Новые строительные материалы. Основополагающим фактором, обеспечивающим нулевой выброс углерода, является отказ от наиболее популярных материалов систем ограждения, в том числе минимизация применения бетона. Он используется преимущественно для создания фундамента или несущей оси многоэтажного здания.

Широкое применение в представленных проектах получили CLT-панели. CLT может быть переведено как «поперечно-клееная древесина», что указывает на то, что основным материалом таких панелей является дерево. Иногда в CLT-панели внедряют спрессованный утеплитель (древесная вата), что позволяет использовать этот материал до -70 С. Преимуществами этого материала являются: энергоэффективность, простота монтажа, минимальное влияние на экологию на протяжении всего цикла производства и эксплуатации, обеспечение комфорта для человека. Известно уникальное свойство деревянных зданий, контролировать микроклимат внутри в зависимости от сезона.

  1. Использование энергии из возобновляемых ресурсов. Наиболее распространенным решением является применение солнечных батарей, однако в зависимости от контекста размещения объекта могут быть применены иные системы (ветряки, термальная энергия).
  2. Пассивная энергетика. Поскольку для минимизации потребления электроэнергии необходимо использовать все возможности по отоплению зданий, технологии пассивных зданий становятся незаменимы. Наиболее распространённый приём – поглощение солнечного излучения южными темными фасадами.
  3. Полносборные модули. Эта техника может решить сразу же две главные проблемы строительства. Во-первых, модульное строительство всегда имеет более короткий цикл возведения здания, что сокращает негативное влияние на окружающую среду. Во-вторых, в случае, когда на строительную площадку доставляют уже готовые модули, количество строительного мусора значительно сокращается.
  4. Повторное использование. Так, например, строительный мусор (например, древесина) может быть использована для внутренней отделки. Этот же принцип может быть использован для самого здания по окончании его периода использования. Древесина (CLT-панели) может быть легко переработана или использована как ресурс для отопления.
  5. Отказ от автоматизированных систем вентилирования. Автоматизированные системы требуют дополнительное электричество, поэтому их внедрение нецелесообразно. Предпочтение отдается системам естественного побуждения, а применение «дышащих» материалов сокращает потребность в увеличении воздухообмена.

Заключение

Все рассмотренные проекты показывают, насколько важно применение зеленых технологий при проектировании и возведении современных зданий, создающих комфортные условия для жизнедеятельности человека. Ведь залог комфорта человека зависит не только от качества помещений, где он находится, но и от природных условий, в которых здание располагается. Сохранить природные экосистемы и предотвратить экологический кризис - эти формулировки включены в Парижское соглашение ООН, и, несомненно, возведение зданий с нулевым выбросом углерода может предотвратить назревающую проблему. Однако, чтобы подобные меры были эффективны, со стороны правительств многих государств необходимы меры популяризации зеленого строительства, будь то субсидирование или упрощенная процедура сертифицирования экологических строительных материалов.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Официальный сайт Мирового Совета по Зеленому строительства [Электронный ресурс]: URL: https://www.worldgbc.org/our-mission (дата обращения: 12.04.2022)
  2. Официальный сайт Национальной Организация Поддержки проектов поглощения углерода [Электронный ресурс]: URL: http://ncsf.ru (дата обращения: 12.04.2022)
  3. Смирнов О.О. Влияние высотной застройки на город и городскую среду/ О.О. Смирнов // Жилищные стратегии. – 2019. – Том 6. – № 1. – С. 45-64. – DOI: 10.18334/zhs.6.1.40471.
  4. Смитюк Ю. Отказ от бетона и цемента может сократить выбросы CO2 / Ю. Смитюк // Сайт ТАСС [Электронный ресурс]: URL:https://nauka.tass.ru/nauka/7618061 (дата обращения: 12.04.2022)
  5. Официальный сайт Рамочной конвенция ООН об изменении климата - Парижское соглашение [Электронный ресурс]: URL: https://unfccc.int/files/meetings/paris_nov_2015/application/pdf/paris_agreement_russian_.pdf (дата обращения: 12.04.2022)
  6. Laustsen J. Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for new buildings / J. Laustsen – 2008. – P. 5-85. – [Electronic resource]. URL https://clck.ru/gwFiU (accessed: 12.04.2022)
  7. Harrouk C. 3XN Designs Denmark’s First Climate-Positive Hotel on the Island of Bornholm / C. Harrouk // ArchDaily [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFhe (accessed: 12.04.2022)
  8. Фролова Н. Офисное здание PowerhouseTelemark/ Н. Фролова // Archi.ru [Электронный ресурс]: URL: https://archi.ru/projects/world/16499/ofisnoe-zdanie-powerhouse-telemark (дата обращения: 12.04.2022)
  9. Pintos P. Hotel Bauhofstrasse / P. Pintos, M. Von // ArchDaily [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFhA (accessed: 12.04.2022)
  10. Sabina R. Aouf Generate and Placetailor to build carbon-neutral CLT apartment block in Boston / R. Sabina // Dezeen.com [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFgr (accessed: 12.04.2022)
  11. Pintos P. Kajstaden Tall Timber Building/ P. Pintos, C.F. MøllerArchitects// ArchDaily [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFgY (accessed: 12.04.2022)

Список литературы на английском языке / ReferencesinEnglish

  1. Oficial'nyj sajt Mirovogo Soveta po Zelenomu stroitel'stva [Official website of the World Green Building Council]. [Electronic resource]: URL: https://www.worldgbc.org/our-mission (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
  2. Oficial'nyj sajt Nacional'noj Organizacija Podderzhki proektov pogloshhenija ugleroda [Official website of the National Organization for the Support of Carbon Sequestration Projects]. [Electronic resource]: URL: http://ncsf.ru (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
  3. Smirnov O.O. Vlijanie vysotnoj zastrojki na gorod i gorodskuju sredu [The influence of high-rise buildings on the city and the urban environment] / O.O. Smirnov // Zhilishhnye strategii [Housing strategies]. – 2019. – Volume 6. – No. 1. – pp. 45-64. – DOI: 10.18334/zhs.6.1.40471. [in Russian]
  4. Smityuk Yu. Otkaz ot betona i cementa mozhet sokratit' vybrosy CO2 [Abandoning concrete and cement can reduce CO2 emissions] / Yu. Smityuk // TASS website [Electronic resource]: URL: https://nauka.tass.ru/nauka/7618061 (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
  5. Oficial'nyj sajt Ramochnoj konvencija OON ob izmenenii klimata - Parizhskoe soglashenie [Official website of the UN Framework Convention on Climate Change - Paris Agreement] [Electronic resource]: URL: https://unfccc.int/files/meetings/paris_nov_2015/application/pdf/paris_agreement_russian_.pdf (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
  6. Laustsen J. Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for new buildings / J. Laustsen – 2008. – P. 5-85. – [Electronic resource]. URL https://clck.ru/gwFiU (accessed: 12.04.2022)
  7. Harrouk C. 3XN Designs Denmark’s First Climate-Positive Hotel on the Island of Bornholm / C. Harrouk // ArchDaily [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFhe (accessed: 12.04.2022)
  8. Frolova N. Ofisnoe zdanie Powerhouse Telemark [Office building Powerhouse Telemark] / N. Frolova // Archi.ru [Electronic resource]: URL: https://archi.ru/projects/world/16499/ofisnoe-zdanie-powerhouse-telemark (accessed: 12.04.2022) [in Russian]
  9. Pintos P. Hotel Bauhofstrasse / P. Pintos, M. Von // ArchDaily [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFhA (accessed: 12.04.2022)
  10. Sabina R. Aouf Generate and Placetailor to build carbon-neutral CLT apartment block in Boston / R. Sabina // Dezeen.com [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFgr (accessed: 12.04.2022)
  11. Pintos P. Kajstaden Tall Timber Building / P. Pintos, C.F. MøllerArchitects // ArchDaily [Electronic resource]: URL: https://clck.ru/gwFgY (accessed: 12.04.2022)