«Зеленое» строительство: рейтинговые системы оценки
Stephania Kambouris, архитектор, аккредитованный специалист по LEED (LEED AP)
«Зеленое» строительство является единым творческим процессом, и в этом его отличие от традиционного процесса проектирования, когда архитекторы разрабатывают архитектурно-планировочные решения, инженеры проектируют системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и водопроводные системы, ландшафтные архитекторы занимаются ландшафтным дизайном и т. д. В статье рассматриваются архитектурные особенности проектирования, направленные на снижение использования энергии в здании, и их оценка двумя рейтинговыми системами «зеленого» строительства – LEED и BREEAM.
Одним из принципов «зеленого» строительства является то обстоятельство, что проектирование объекта строительства связано с окружающей средой в целом. Мы рассматриваем физическое месторасположение района строительства, а также учитываем, что здание может быть интегрировано с местными или региональными транспортными сетями, подключено к городским системам водоснабжения, электроэнергии, газа и т. д. Важную роль играют и местные климатические условия. Кроме этого, необходимо учитывать и экономические вопросы – доставку, перевозку строительных материалов и рабочей силы. Понимая эту связь, и архитекторы, и инженеры могут не только сделать строительство здания более эффективным, но также снизить отрицательные влияния строительства и эксплуатации здания на окружающую среду.
Почему мы должны быть заинтересованы в снижении воздействия здания на окружающую среду? Процесс строительства здания составляет 35–40 % общего (глобального) энергопотребления. Используя альтернативные решения при проектировании, проектировщики могут создавать здания, которые потребляют меньшее количество энергии.
Конечно, с точки зрения «зеленой» стратегии, при проектировании зданий снижение использования природных ресурсов не является единственной целью. «Зеленые» здания, расположенные и эксплуатируемые надлежащим образом, в конечном счете, лучше традиционных. Исследования показали, что при меньшем использовании энергии на обогрев или охлаждение стоимость их эксплуатации ниже. Средняя продолжительность эксплуатации зданий составляет около 50 лет. За это время стоимость эксплуатации, с точки зрения потребленной энергии и стоимости оборудования (меньший износ оборудования увеличивает срок его службы), может быть значительно снижена. Кроме того, жильцы, находящиеся в более здоровой и комфортабельной среде, имеют высокую трудоспособность и довольны проживанием в здании.
Рассматривая стратегии проектирования «зеленого» строительства, оказывающие огромное влияние на системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и на энергосистемы здания, мы также обратим внимание на требования двух широко известных «зеленых» стандартов и на соответствующие документы.
LEED (Leadership in Energy and Environmental Design – «лидерство в области энергетического и экологического проектирования») – рейтинговая система, разработанная американским Советом по зеленым зданиям (US Green Building Council) и опубликованная впервые в 1999 году. Система LEED состоит из 7 основных разделов. Каждый раздел разбит на определенные пункты, по которым проект может получить один или более баллов. Общее количество очков строительства может попадать в одну из четырех категорий сертификации, после чего зданию присваивается итоговая оценка. В данной статье рассматривается редакция LEED 2009 года.
BREEAM (BRE Environmental Assessment Method – «метод экологической оценки Организации по исследованию зданий») – рейтинговая система, разработанная британской Организацией по исследованию зданий (UK Building Research Establishment), впервые была опубликована в 1990 году. Эта система оценивает характеристику здания, и баллы начисляются по каждому пункту. Конечная оценка относит здание к одной из пяти категорий, и проекту присваивается общий балл. В данной статье рассматривается редакция BREEAM Europe Commercial 2009 года.
Местоположение здания
Анализируя процесс проектирования «зеленого» здания, вначале мы рассмотрим место его строительства. Выбирая расположение площадки для застройки, при участии инженеров мы можем определить характерные особенности проекта. Эти особенности таковы: место застройки, возможность использования возобновляемых источников энергии, ориентация здания на участке, строительный тип здания и его инсоляция. Участие в работе инженеров на раннем этапе проектирования позволит улучшить защиту окружающей среды, уменьшить потребление энергии, снизить отрицательное воздействие на окружающую среду и даже использовать (в настоящее время или в будущем) возобновляемые источники энергии.
Расположение площадки застройки
Выбор площадки для застройки, как правило, не является сферой деятельности инженеров ОВК. Однако при выборе расположения застройки существует ряд моментов, которые могут повлиять на энергетические характеристики здания. Рекомендации инженеров могут помочь при выборе решения.
Во-первых, существует возможность попадания в здание загрязненного воздуха. Инженеры могут сообщить о потенциальных источниках загрязнения от близлежащих промышленных объектов, а также о качестве воздуха. Эти факторы могут оказывать существенное влияние на качество воздуха внутри здания. В частности, в пункте 8 «Качество внутреннего воздуха» (Indoor Air Quality) раздела «Здоровье и благополучие» (Health and Wellbeing) BREEAM упоминается о близости расположения источников внешнего загрязнения. Это особенно актуально для городов, где магистрали и промышленные объекты могут находиться рядом с воздухозаборниками здания.
Во-вторых, инженеры могут определять существующий уровень грунтовых вод на участке и его топографию. И в BREEAM, и в LEED рассматриваются вопросы отвода ливневых вод и уровень почвенных вод. Для более качественного дренирования (дренажа) площадки, выбора самой площадки с разной топографией и разным дренажом, инженеры могут посоветовать наиболее предпочтительные месторасположения застройки на данном участке.
В BREEAM ливневые стоки рассматриваются в двух пунктах (оба в разделе «Загрязнение» (Pollution) данной рейтинговой системы), тогда как LEED относит почвенные воды к разделу «Устойчивый участок» (Sustainable Site), пункт 1 – «Выбор участка» (Site Selection – SS), а ливневый сток к пунктам 6.1 и 6.2 SS.
Согласно BREEAM и LEED, инженеры могут оценивать местоположения, которые не приемлемы для дренажа. Или, с учетом выбранного участка, они могут порекомендовать пути дренажа или перенаправления водных потоков в соответствии с требованиями пунктов BREEAM и LEED.
Возобновляемые источники энергии
На площадках застройки возможно использование возобновляемых источников энергии. При протяженном южном направлении возможна генерация солнечной энергии, открытое пространство дает возможность получения энергии ветра. В отдельных случаях возможно получение геотермальной энергии, вода из ближайших источников может использоваться в системах теплообмена. Близлежащие фермы могут служить источником снабжения здания метаном. Потенциал возобновляемых источников может быть не столь очевидным, и здесь рекомендации инженеров могут помочь в сборе всех сведений при проектировании здания на ранней стадии, тем самым уменьшится воздействие строительства на окружающую среду за счет использования данной энергии.
Обе рейтинговые системы BREEAM и LEED дают баллы проектам, в которых используется получение возобновляемой энергии на месте или за пределами площадки. Система LEED – раздел «Энергия и атмосфера» (Energy and Atmosphere – EA), пункт 2 «Местные возобновляемые источники энергии» (On-site Renewable Energy) – дает от 1 до 7 баллов за использование возобновляемых источников энергии на месте. Начиная с 1 балла за 1 % сокращения годовых затрат до 7 баллов за 13 % сокращения годовых затрат на энергию оцениваются проекты, которые уменьшают использование ископаемого (невозобновляемого) топлива в энергопотреблении здания. Пункт 6 «Зеленая энергия» (Green Power) раздела EA системы LEED дает 2 балла проектам, которые используют, как минимум, 35 % электрической энергии (на основе потребленной энергии, а не ее стоимости) при поставке возобновляемой энергии от внешних источников. Пункт 5 «Низкая или нулевая углеродные технологии» (Low or Zero Carbon Technologies), пункт 5 «Энергия» системы BREEAM дает до 4 очков проектам, снижающим содержание СО2 на 10, 15 или 20 % за счет использования специальных низкой или нулевой углеродных технологий. Эти технологии включают: солнечную энергию, воду, ветер, биомассы, тепловые насосы (грунт, вода, воздух или геотермальные источники), когенерацию (с использованием биомассы, природного газа или биогаза в качестве источника топлива) и системы местного теплоснабжения (с использованием тепла, полученной в процессе эксплуатации здания).
В пункте 4 «Выделения NОx от источника теплоты» (NОx Emissions From Heating Source) раздела «Загрязнение» (Pollution) система BREEAM рассматривает выделение оксидов азота NОx при сжигании природного топлива. Обычно при отоплении здания от сети электроснабжения выделяется NОx в количестве, превышающем требования BREEAM. В перечне А9 BREEAM записано, что в Российской Федерации среднее значение выделения NОx от электросети составляет 2 300 мг/кВт·ч. Использование таких возобновляемых источников энергии, как ветер или солнечная энергия, в качестве источников электроэнергии поможет проекту получить до 3 баллов по этому пункту. Следует обратить внимание, что использование биомассы или электрических тепловых насосов не даст дополнительные баллы по этому пункту.
Ориентация
После выбора места застройки изучается ориентация здания, поскольку этот фактор влияет на энергопотребление здания. Ориентируя основной фасад здания на южную сторону, получим дополнительную возможность обогрева здания за счет солнечной энергии в холодные месяцы годы, что понизит стоимость обогрева. Южное направление также увеличит использование светового дня, следовательно, снизится потребность в электрическом освещении в течение дня. Южная ориентация здания также может использоваться для получения солнечной энергии или нагревания воды для обогрева самого здания. Любая из этих стратегий поможет снизить общее энергопотребление здания. В южных районах, где желательно снижение теплопоступлений, ограничение восточной и западной ориентации здания уменьшит солнечный обогрев в течение длительного времени при низком солнце в утренние и вечерние часы. Фасады, направленные на север, также имеют преимущества, поскольку дневной свет с севера не ослепляет и более комфортен в дневное время, что снижает расходы на электроэнергию. Использование солнечной энергии на площадке – это не только вопрос ориентации здания, но и вопросы затенения, яркости освещения, анализа оболочки здания, в том числе теплоизоляции, остекления и выбора материалов.
При выборе ориентации здания также должно учитываться влияние климата. Преобладающие ветра, их направление и скорость, относительная влажность воздуха, растущие деревья, географическое месторасположение, в том числе холмы и находящиеся рядом строения – все это изначально влияет на энергопотребление здания. Зная направление ветра в данной местности, инженеры могут посоветовать, например, снизить потенциальные теплопотери в зимние месяцы, если здание стоит на возвышении при северной ориентации. Как скорость ветра, так и относительная влажность влияют на качество воздуха внутри помещения, и они будут учтены при проектировании для получения наилучших результатов. Деревья, существующая растительность, холмы и даже соседние здания могут защищать от ветра, снижая прямое воздействие холодных северных ветров. В проектах, где вопрос обогрева здания является приоритетным, все это может помочь снизить как температуру, так и разность давления, в случае, если здание открыто и находится на возвышенности.
Однако ветер не всегда играет отрицательную роль: определение направления ветра может помочь инженерам в правильном выборе места вентиляционных отверстий или в решении применить естественные системы вентиляции, что также снизило бы потребление энергии зданием. В более теплых климатических зонах здание может быть размещено таким образом, чтобы направление ветра в ночное время охлаждало здание или же стоящие рядом здания обеспечивали солнцезащиту, что снижало бы нагрузки на охлаждение строений. Уже растущие или вновь посаженные деревья и другая растительность, «зеленые» крыши обеспечивают солнцезащиту зданий, одновременно обеспечивая естественное охлаждение за счет испарения летом, что также снижает потребность в охлаждении здания.
Рассчитывая тепловой баланс здания и учитывая влияние климата, инженеры могут помочь при выборе оптимальной ориентации здания. Такая оценка даст возможность правильно разместить здание на строительной площадке и определить способы сокращения энергетических нагрузок. Часто возникают компромиссы между температурными характеристиками при некоей ориентации и естественным освещением. Поэтому на инженере лежит ответственность по определению возможностей и необходимых требований, предъявляемых при строительстве здания.
В системах LEED и BREEAM есть ряд пунктов, на которые может влиять ориентация здания. В пунктах 5.1 и 5.2 «Разработка участка» (Site Development) раздела «“Устойчивость” участка» (Sustainable Site) системы LEED рассматривается размер площади зеленых насаждений, сохраненных после разработки, а также нарушения (беспорядок), вызванные строительством. Для уменьшения изменений микроклимата, вызванных строительством здания, пункты 7.1 и 7.2 «Эффект “теплового острова”» (Heat Island Effect), в отечественной практике используется также термин «тепловой купол») поощряют обустройство зеленых крыш и других насаждений. В системе BREEAM определение места строительства здания рассматривается в пунктах 3, 4, 5 и 6 раздела «Ландшафт и экология» (Landscape and Ecology). Здесь указывается, что при строительстве здания должно свестись к минимуму нарушение существующей экологии: деревья, источники воды, животный мир. В системах LEED и BREEAM ориентация здания на участке может иметь существенное влияние для получения баллов.
Очень важно, однако, то, что результат выбора ориентации может повлиять на энергопотребление здания. В системе LEED, раздел «Энергия и атмосфера» (Energy and Atmosphere, EA), необходимое условие 2 «Характеристика минимального энергопотребления» (Minimum Energy Performance) моделируется оболочка здания и инженерные системы, которые отвечают основным минимальным стандартам (ASHRAE 90.1-2007), затем моделируется новый строительный проект, и по стоимости энергии он должен иметь 10 % совершенствований. Следовательно, чтобы получить сертификацию LEED, необходимо выполнить это условие. В соответствии с пунктом 1 «Оптимизация характеристики энергопотребления» (Optimize Energy Performance) раздела EA, при снижении стоимости энергии до 48 % сверх базовых данных дополнительно присваивается 19 баллов. Очевидно, что правильное размещение здания дает преимущества при охлаждении ветром или солнечном обогреве, что поможет заработать проекту эти дополнительные баллы.
В системе BREEAM использование энергии оценивается не по стоимости, а по затратам энергии или выделению углекислого газа. Пункт 1 «Энергоэффективность» (Energy Efficiency) раздела «Энергия» (Energy) дает 15 баллов при совершенствовании базового варианта. Проект здания должен моделироваться с использованием соответствующего программного обеспечения, и затем он сравнивается с методологией расчета, принятой в данной стране. Если такой методологии не существует, тогда инженеры могут использовать известные программные обеспечения динамического моделирования, которые соответствуют BREEAM. Кроме того, они могут соответствовать перечню стратегий энергосбережения, упомянутых в документации BREEAM, и по этому пункту можно получить до 10 баллов.
Форма здания
Общая форма здания (его геометрия, объем) существенно влияет на его энергопотребление. Отношение площади здания к площади поверхности ограждений может также влиять на энергопотребление здания. Кроме того, одним из самых интенсивных потребителей энергии является электрическое освещение. Проникновение естественного света внутрь помещения не только снижает потребность в искусственном освещении, но и улучшает психологическое воздействие на людей, находящихся в здании. Размер окон, тип остекления и размещение людей по отношению к окнам – все это составные части проекта, которые влияют на количество и качество естественного освещения в здании. Увеличенный периметр здания, высокие окна и зенитные фонари, внутренние и наружные солнцезащитные устройства – это все стороны проектного решения естественного освещения здания. Длинные, узкие здания, уменьшающие необходимость электрического освещения, не только снижают стоимость потребляемой энергии, но также дают возможность применения окон, посредством которых осуществляется естественное проветривание. От уступов здания зависит попадание солнечного света на различные части здания, что позволяет большему количеству естественного света проникать в здание. Кроме того, они дают возможность обустройства «зеленых» крыш, сокращающих объемы ливневых стоков, увеличивающих теплозащиту и снижающих суточные колебания температуры.
Как уже отмечалось, с точки зрения размера, количества и расположения окон, общая форма здания может оказать значительное влияние на инсоляцию. Инженеры могут посоветовать не только местоположение для получения оптимальной светопроницаемости с позиции инсоляции или, наоборот, солнцезащиты, но и рассмотрят возможности, связанные с бликами и тепловой составляющей естественного освещения. Максимальное увеличение южной ориентации для пассивного солнечного освещения в зимний период требует повышенного внимания к типу остекления или солнцезащитных устройств, предотвращающих нежелательное солнечное воздействие в летнее время. Отсутствие механических систем может компенсироваться окнами как элементами естественной вентиляции.
Разделы BREEAM и LEED, касающиеся формы здания и светопроницаемости, в первую очередь направлены на вопросы естественного освещения, а также количества и качества воздуха в помещениях. Для снижения потребления энергии, что даст дополнительные баллы, инженеры принимают решения, связанные с общим объемом здания и его ориентацией. Кроме того, они могут дать советы при выборе формы здания, с точки зрения воздействия на него солнечной энергии и энергии ветра.
Что касается дневного освещения, то по системе LEED, пункт 8.1 «Дневной свет» (Daylight) раздела «Качество воздуха внутри помещения» (Indoor Environmental Quality – IEQ), регламентируется минимально допустимая освещенность для здания, где постоянно находятся люди, а по IEQ пункт 8.2 «Виды» (Views) необходимо, чтобы по прямой линии просматривалось до 90 % занимаемого пространства внутри здания. В соответствии с пунктом 1 «Дневной свет» (Daylight) раздела «Здоровье и благополучие» (Health and Wellbeing) по системе BREEAM, для различных категорий людей необходим некий фактор минимального дневного освещения (соотношение освещенности). Пункт 2 «Вид внутри помещения» (View Out) определяет, что размещение работающих людей по отношению к окну должно осуществляться в пределах 7 м. Что касается пункта 3 «Контроль бликов» (Glare Control), то здесь необходима установка затеняющих устройств на все окна, зенитные фонари и застекленные двери. Получение баллов по любому из этих пунктов непосредственно связано с местоположением и размером площади светопроницаемости здания.
Качество воздуха внутри помещения, энергопотребление и вентиляция также напрямую связаны как с формой здания, так и со светопроницаемостью. В рейтинге LEED учитывается снижение потребления энергии в том числе за счет оптимизации использования окон и других проемов. Рассматривается объем и скорость приточного воздуха. Уделяя особое внимание вопросам ориентации здания, за счет оптимизации его формы и светопроницаемости, можно повысить уровень воздухообмена, что даст дополнительные баллы.
Система BREEAM также рассматривает естественную вентиляцию, учитывается размер и месторасположение окон, перетоки воздуха, которые проверяются посредством, например, моделирования воздушных потоков. В тех случаях, когда окна не используются или глубина здания в плане составляет более 15 м, в расчетах должны быть представлены соответствующие перетоки воздуха внутри здания. Также учитываются внешние загрязнения, уровень СО2 и качество наружного воздуха, поступающего в здание. Правильно размещенные воздухозаборные устройства, наравне с окнами, способствуют получению баллов.
Как отмечалось выше, в рейтинге BREEAM баллы присваиваются при снижении потребления энергии, в том числе за счет использования систем естественной вентиляции. Также рассматривается участие инженеров в разработке теплового комфорта здания; можно получить два балла, если имеется документация, отражающая температурный анализ, в том числе должно быть показано, как этот анализ влияет на выбор проектных решений с точки зрения формы здания, его ориентации, использования деревьев и других зданий для притенения, максимального использования дневного света и баланса между стоимостью энергии и полученными выгодами.
Обе системы рассматривают вопросы снижения использования хладагентов при эксплуатации здания. В новых строительных проектах, согласно LEED, запрещается использование хладагентов на основе CFC (хлор-фтор-углерод). BREEAM дает один балл тем проектам, в которых совсем не используются хладагенты или же применяются те из них, у которых потенциал разрушения озонового слоя ODP (Ozone Depleting Potential) равен 0, а потенциал глобального потепления GWP (Global Warming Potential) менее 5. За счет применения естественной вентиляции и соответствующей ориентации здания можно отказаться от применения систем кондиционирования воздуха, что также поможет получить проекту дополнительные очки.
Таким образом, участие инженеров необходимо на раннем этапе проектирования «зеленого» строительства. Рассматривая вопросы выбора местоположения здания, его формы и ориентации, инженеры могут повлиять на то, как в здании будет использоваться энергия, и помочь спроектировать его наилучшим образом с точки зрения защиты окружающей среды.
Литература
- ASHRAE Green Guide: The Design, Construction, and Operation of Sustainable Buildings. Butterworth-Heinemann, Burlington, MA. 2006.
- BREEAM Europe Commercial 2009 Assessor Manual, SD 5066A Issue 1.0. BRE Global, 2009. www.breeam.org.
- LEED 2009 for New Construction and Major Renovations Rating System US Green Building Council 2009. www.usgbc.org.