Введення
Sustainable Building (жізнеудержівающее будівля), Energy - efficiency Building (енергоефективне будівля), Intelligent Building (інтелектуальний будинок), Bioclimatic Architecture (біокліматична архітектура), Healthy Building (здорове будівля) - це напрямки в архітектурі та інженерії будівель, які до теперішнього часу не мають строгих визначень, наукові основи тільки створюються, але самі напрямки реалізовані у великому числі будівельних об'єктів, у забудовах районів міст і сільських місць. Реалізовані в розвинутих країнах, але не в Росії. Проте, навіть у розвинених країнах будівництво таких будівель все ще залишається заняттям елітним. Поясненням цього може бути наступне:
низька вартість традиційних джерел енергії без урахування інтересів наступних поколінь і турботі про навколишнє природне середовище сприяє марнотратства її використання;
споживачі не готові до значного підвищення оплати за якість комфорту середовища проживання, включаючи в це поняття комплекс сучасних технічних засобів управління, контролю та зв'язків (системи життєзабезпечення і управління будівлею);
не сформувалася наука про мікроклімат приміщень і її зміст "не опанувало широкими масами" споживачів, а залишається турботою групи фахівців.
Окремі елементи інтелектуальної будівлі вже зараз мають великий попит і присутні практично у всіх будівлях: є відеокамери, контроль доступу, управління вентиляцією та кондиціонуванням, інформаційні системи, просто всі вони спроектовані незалежно один від одного. Інтелектуальні технології вже знайшли масштабне застосування в єдиних системах диспетчеризації, автоматизації і безпеки великих об'єктів: рентабельність і зручність експлуатації будівель неодноразово були відзначені інвесторами та девелоперами. Споживач отримує: зниження експлуатаційних витрат - 30%, зниження платежів за електроенергію - 30%, зниження платежів за воду - 41%, зниження платежів за тепло - 50%, зменшення викидів СО2 - 30%.
1. Поняття розумного (інтелектуального) будівлі
В даний час намітився поступовий перехід до зведення так званих «розумних», або інтелектуальних, будівель для підвищення якості середовища, економії матеріалів і енергії. Елементи «розумних» систем будівель відомі вже давно, але системи забезпечення комфортних умов для жителів і швидкого реагування на зміну потреб за допомогою вбудованих керуючих пристроїв з'явилися недавно. "Поняття" інтелектуальна будівля "(" розумний дім ") з'явилося в США в 1970 - 80х роках. Поки фахівці ламали голови над його концепцією, будівельники та інвестори поспішали оголосити таким будь-яку будівлю, де встановлена система контролю доступу або пожежна сигналізація. Звичайно, елементи інтелектуальності сьогодні притаманні майже будь-якому будовою. Але все-таки інтелектуальний будинок - поняття зовсім іншого масштабу. Створення оптимального середовища, забезпечення комфортних умов діяльності, зниження витрат на експлуатацію - це основні критерії концепції інтелектуальної будівлі.
«Розумне» будівлю через систему датчиків контролює стан зовнішнього і внутрішнього середовища і при відхиленні показників від норми включає пристрої, що очищають, наприклад, середовище від забруднень або поліпшують інші показники.
Інтелектуальним, «розумним» слід називати будинок, обладнаний засобами автоматичного контролю над усіма системами життєзабезпечення.
Одним з основних компонентів інтелектуальної будівлі є система автоматизованого управління експлуатацією будівлі-це комплекс програмно-апаратних засобів, основним завданням якого є забезпечення надійного і гарантованого керування всіма системами, що знаходяться в експлуатації будівлі, і виконавчими пристроями. Система здатна за рахунок повної неразобщенной інформації від всіх експлуатованих підсистем, будь то пожежно-охоронна, система телеспостереження, телефонія, водопостачання, електроживлення, кондиціонування і т. д., прийняти правильне рішення і виконати відповідну дію, проінформувати відповідну службу про подію.
Система повинна вміти розпізнавати певні ситуації і яким-небудь чином на них реагувати таким чином, щоб найбільш ефективним способом забезпечити безпечне і комфортабельне перебування в будівлі, звівши до мінімуму споживання енергії та енергоресурсів.
Варто розділяти поняття «розумний дім» та «системи життєзабезпечення». Окремі системи володіють лише необхідними інтерфейсами управління і контролю. Концепція «Системи інтелектуального управління будівлею" припускає новий підхід в організації життєзабезпечення будівлі, при якій за рахунок комплексу програмно-апаратних засобів значно зростає ефективність функціонування і надійність управління всіх систем експлуатації і виконавчих пристроїв будівлі.
Будівлю проектують так, щоб всі системи її управління могли інтегруватися один з одним з мінімальними витратами, а їх обслуговування було б організовано оптимальним чином.
З часом будівлі будуть «штучний інтелект». Тоді цілком обгрунтовано можна буде називати їх інтелектуальними. Системи зможуть відстежувати роботу і стан всієї «начинки» будівлі, включаючи огороджувальні конструкції, і самостійно приймати рішення в обставинах, що змінюються.
«Розумними» можуть бути будь-які будівлі - житлові будинки, установи, виробничі об'єкти та ін
Під терміном «розумний будинок» зазвичай розуміють інтеграцію в єдину систему управління будівлею наступних систем:
систем електропостачання, опалення, вентиляції та кондиціонування;
служб безпеки (протипожежної, антисейсмічного, охорони будинку, охоронно-пожежну сигналізацію, систему контролю доступу в приміщення, контроль протікань води, витоків газу і т.д.);
різних телекомунікаційних мереж (мережі зв'язку, у тому числі супутникового, оптико-волоконні кабельні мережі і т.д.);
автоматизації внутрішнього транспорту (наприклад, ліфтів);
централізованого збору та утилізації відходів;
автоматизації системи контролю якості внутрішнього середовища будинку і деякого обсягу зовнішнього простору;
механізацію будівлі (відкриття / закриття воріт, шлагбаумів, електропідігрів ступенів і т. п.);
телеметрія - віддалене спостереження за системами;
IP-моніторинг об'єкту - віддалене управління системами по мережі;
GSM-моніторинг - віддалене інформування про інциденти в будинку (квартирі, офісі, об'єкті) і керування системами будинку;
У деяких проектах пропонується також використовувати машини церебральної релаксації, що посилають через навушники і окуляри звукові і світлові сигнали з комбінацією різних частот відповідно до спеціальних програмами проти безсоння, стресу, неврозу та ін
Розумний будинок як домашня автоматизація розвивається не тільки в Росії. Всі технології та системи, які використовуються в Росії, розроблені і виробляються в Європі, США та Китаї. Основна відмінність бачиться скоріше в призначенні і в підході інсталяторів.
В Європі:
Призначення: перш за все енергозбереження і тільки потім комфорт.
Підхід: максимальна уніфікація.
У Росії:
Призначення: комфорт та імідж (для високобюджетних проектів); найпростіша ОПВ, іноді з функцією GSM-сповіщення (для мінімальних бюджетів); різні варіанти між цими крайнощами.
Підхід: строго індивідуальний.
Функції «розумних» будівель можуть бути дуже широкими - від контролю середовища та стану мешканців до контролю стану самої будівлі. У сейсмічних районах можуть використовуватися «розумні» будівлі з автоматичним реагуванням на землетрус. Вони забезпечені системою дзеркал на грунті на деякій відстані від будівлі і оптичних датчиків, які фіксують відхилення світлового променя від вихідного положення при початку коливань грунту. Мікропроцесор аналізує параметри коливань грунту під час землетрусу за допомогою закладених у нього експертної системи і подає своєчасні команди на ефектори-лінійні двигуни, що переміщують, наприклад, велику масу на верхньому поверсі будівлі в протифазі з коливаннями будівлі. Такий захід дозволяє в самому початку коливань верхи церкви щодо фундаменту знизити їх амплітуду і тим самим запобігти неприпустимі деформації.
Новим типом «розумного» будівлі широкого призначення може стати будівля з автоматичним спостереженням за станом своїх конструкцій, а також за якістю внутрішньої і, частково, навколишнього середовищ. Таке будівлю за допомогою систем датчиків (рецепторів) стежить за деформаціями і станом конструкцій, основи та фундаментів, гідроізоляції, теплозахисними властивостями стін. Воно аналізує внутрішнє середовище приміщень і склад повітря зовні будівлі.
У ньому можуть бути наступні системи контролю:
напружено-деформованого стану конструкцій;
ступеня зношеності (корозії) конструкцій;
якості повітря всередині будівлі та питної води;
вібрації та інших фізичних параметрів;
якості повітря і фізичних полів поблизу будівлі;
стану і деформацій грунту в основі будівлі;
вібраційних та сейсмічних впливів.
Якщо параметри середовища відрізняються від допустимих, включаються відповідні експертна система і система реагування (змінює, наприклад, напруги в напруженій арматурі, що надає сейсмоизолирующая впливу тощо).
«Розумне» біопозітівное будівля повинна створювати найбільш сприятливі умови для знаходяться в ньому людей. До відомих пристроїв для кондиціонування повітря, автоматичного включення і виключення світла, автоматичного затінення вікон, стеження будинку (його повороту) за сонцем в майбутньому можуть бути додані автоматичні пристрої для підтримки нормального фізичного і психофізіологічного стану людей. «Розумне» будівлю більш широкого призначення буде містити пристрої (датчики, перетворювачі), розташовані в місцях найкращого відбору інформації про показники фізичного і психофізіологічного стану людей (що визначають кров'яний тиск, частоту дихання і роботу серця, тембр і гучність голосу, стан і колір райдужної оболонки очей, вагу і зріст людини і т.д.) і передають ці показники в комп'ютер. За допомогою медичних експертних систем комп'ютер буде аналізувати нормальні і поточні (періодично вимірювали) показники і при відхиленні яких-небудь з них від норми, сигналізувати про початок захворювання. На підставі закладених в пам'ять даних комп'ютер буде видавати сигнали на виконавчі механізми, що подають лікувальні аерозолі і відповідні добавки для запахів у приміщення, лікарські добавки - в питну воду, воду для душу чи ванни, що створюють необхідні температуру й вологість усередині приміщення, що видають на моніторі рекомендації з харчування, котрі містять відповідну музику, голографічні картини на стінах. Все це дозволить підтримувати здоров'я людини, знімати психологічну напругу.
Теплове поле людини буде визначатися термовізіонной установкою; високочастотне поле - за методикою Кирліан; маса - датчиками різної конструкції; зростання - фоторезисторами в парі з джерелами світла в дверних отворах; частота дихання-високочутливим острооріентірованним мікрофоном типу детектора шукаємо спрямованим на особу; частота скорочень серця, кров'яний тиск - електродами і датчиками, постійно прикріпленими до ручок крісла; спектральна характеристика голосу - мікрофоном; стан і колір райдужної оболонки очей-передавальної камерою у ванній кімнаті; параметри видихуваного повітря - датчиком, що знаходяться в спинці ліжка; дані про білку і цукрі - датчиками в туалеті; якість ходи (співвідношення між нормальною і дотичній складовими тиску ноги на підлогу) - тензорезисторами на одній із сходинок сходів або мостини підлоги.
«Розумне» будівля не має бути перенасичене новими мережами, що створюють електромагнітні поля, які впливають на мешканців. Інтелектуальні системи рятують людину від заповнення багатьох функцій, але людина зобов'язана фізично трудитися, щоб підтримувати нормальний стан, тому завжди будуть існувати екологічно обгрунтовані межі використання таких систем. Вони повинні розглядатися з урахуванням поглибленого екологічного аналізу, який повинен бути спрямований на екологічне обмеження ступеня інтелектуальності будівель.
2. Приклади інтелектуальних систем будинку
«Інтелектуальні» системи використовуються для створення оптимальних умов внутрішнього середовища (світловий, звуковий, кліматичної) і для економії ресурсів, в першу чергу енергії. Наприклад, у головному офісній будівлі корпорації «Такенака» (Токіо) використані «інтелектуальні» системи для економії енергії, створення сприятливого світлового середовища (світлові колодязі, через які у внутрішню частину будівлі надходить регульований сонячне світло, у тому числі акумульований); «дихаючі» зовнішні стіни використані для керованої природної вентиляції; регулюється температурна і акустичне середовище. За допомогою «інтелектуальних» систем в будівлі ефективно використовується природний світло (для покращення освітлення), вітер (для природної вентиляції і створення постійних потоків свіжого повітря) і висока температура (для введення її в інтер'єр будівлі). Використана «дихаюча» зовнішня стіна, від якої до внутрішньої частини будівлі і до робочих місць йде постійний потік повітря. Утилізується теплота, вироблена людьми і механізмами всередині будівлі. У вечірній час функції «інтелектуальних» систем переходять до використання кристалічного льоду (бак зберігання льоду) і до води в баку зберігання гарячої води.
Кондиціювання та системи опалення зберігають енергію і зменшують поточні витрати. Гаряча вода зберігається в баках і використовується протягом пікових годин. Абсорбційні газові нагрівальні (охолоджуючі) генератори виробляють охолоджену і нагріту воду (потім - лід). На 30% площі стандартних поверхів, замість охолодженої води, установки СН5 використовують приховане перетворення високої температури. Використовуються природна вентиляція, природне освітлення, і сонячна енергія. Свіже повітря в системі природної вентиляції надходить зі спеціальних решіток у десяти місцях на кожному поверсі, з гарним зволоженням, чотирма способами, які змінюються автоматично: природна вентиляція, вентиляція та кондиціонування повітря (гібридне кондиціонування повітря), охолодження свіжого повітря і кондиціювання повітря. Кожен кондиціонер використовує один експлуатаційний спосіб, управляє зволожувачами і провітрюються об'ємом повітря згідно погоді поза будівлею (температура, вологість, злива, напрямок вітру та швидкість) і внутрішньому середовищі (температура й вологість). Хоча віддано пріоритет природної вентиляції, її не завжди достатньо, тому вентиляція виконана з кондиціонуванням повітря (гібридне кондиціювання повітря).
Одна з особливостей цієї будівлі - використання природного верхнього освітлення у світлових колодязях і відкритих сходах. Щоб більш ефективно використовувати сонячне світло у світлових колодязях, спеціальні пристрої для акумулювання і розподілу денного світла були встановлені у верхній частині колодязів. Датчики освітленості поверхів по периметру світлових колодязів дозволяють економити електроенергію. Рівень освітленості регулюється також і у внутрішніх зонах. Крім того, датчики світла, що реагують на появу людини, були встановлені в туалетах і місцях відпочинку, і якщо там нікого немає - освітлення не включається.
Цікавий проект інтелектуальної будівлі майбутнього, виконаний фірмою Phillips.
Розумна шкіра хмарочоса "вбирає" навколишній світ.
Шанувальники біоніки люблять проводити паралелі між живими істотами і незвичайними машинами. І так само часто з живим організмом порівнюють цілі будівлі. У цьому випадку таке порівняння не здасться перебільшенням. Проект хмарочоса, що живе в повній згоді з природою, пропонують голландські дизайнери.
Фахівці компанії Philips вирішили помріяти, яким буде житлова будівля в китайському мегалополіс в 2020 році. Це одна з найбільш швидко країн світу, урбанізація в якій йде колосальними темпами.
У проекті найважливіше значення відведено екологічності та енергоефективності будівлі, майбутня будівля повинна сама забезпечувати себе електроенергією, світлом і водою.
У загальних рисах такий підхід не новий. Здавалося б, що тут складного? Додати сонячні батареї та вітряки, системи збору дощової води і «транспорту» природніх сонячних променів вглиб будови.
Philips вирішила, що функцію збору світла і води потрібно рівномірно розподілити по всіх зовнішніх стін. Не потрібні ні басейни на даху, ні величезні вітряки в арках, не треба затінювати сонячними батареями фасади або витрачати внутрішній обсяг башти на суперсистеми зберігання і розподілу енергії.
Все це повинен забезпечувати кожен квадратний метр стін, які, за задумом голландців, повинні представляти собою щось, що нагадує шкіру живого організму або мембрану клітини.
Так і з'явився проект «Екологічно раціональне житло 2020» (Sustainable Habitat 2020) - зелене у всіх сенсах будівля, обтягнуте «біонічної шкірою». Його компанія розробила в рамках своєї ініціативи Design Probes, покликаної намацати контури майбутнього нашої техногенної цивілізації.
Світло. Активна шкіра будівлі реагує на сонячне світло і автоматично направляє його в саму ефективну позицію для отримання енергії. Збираючи і направляючи природне світло, не потрібно ніякого електрики протягом дня для освітлення. Освітлення природним світлом не тільки зберігає електроенергію, але і забезпечує всі переваги для здоров'я й комфортного існування. Частина зібраного світла потрапляє на вбудовані сонячні елементи, що дає електричну енергію.
Тисячі осередків стіни, немов живі клітини, повинні вирішувати відразу кілька інших завдань. На основі невеликих квіток-концентраторів, «що виростають» зі стін і повертаються у бік сонця, тут виконано безліч систем.
Повітря. Активна шкіра будівлі реагує на вітер. Пропускаючи повітря і вітер через шкіру будівлі, виробляється енергія, і фільтрується повітря для забезпечення чистого повітря всередині будівлі. Стискаючись та розсіву через воронки, повітря також буде охолоджуватися для природного кондиціонування, також повітря крутить мініатюрні вітрові турбіни, видаючи знову-таки електрику, а ще проходить через фільтр і потрапляє в приміщення. Перш ніж вийти з будинку назовні. Повітря очищається і позбувається CO 2.
Ті ж квітки не відмовляться від третьої функції: їх чашечки збирають дощову воду, що направляється у резервуари всередині башти. У поєднанні з фільтрацією води (зокрема буде застосовуватися знезараження ультрафіолетом) і повторним використанням там, де це можливо, води технічної це рішення скоротить потреба споруди у воді, яка поставляється ззовні. Крім цього, будівля забирає вологу з повітря навіть у сухий період. Завдяки очищенню, фільтрації і повторному використанню вода використовується в закритому циклі, і таким чином оптимізується споживання прісної води.
І ще голландці згадують вбудовану систему захоплення вуглекислого газу. Але й на цьому дива будівлі-мрії від Philips не закінчуються. Скажімо, в ньому немає звичних вікон. Універсальні «клітинки шкіри» займають всю поверхню стіни. Але жителі будинку все ж зможуть помилуватися пейзажами і впустити природне світло у свої кімнати. Справа в тому, що стінні блоки виконані прозорими, з керованим електронікою світлопоглинаючим шаром.
Одне натискання кнопки, і перед власником квартири з'являється вікно. Причому людина зможе довільно змінювати його розмір і навіть малюнок, викликаючи до життя ті чи інші візерунки.
Нарешті, в стіни ж приміщень повинні бути вбудовані мініатюрні реактори, що виробляють біогаз з органічних відходів. Він використовується для обігріву будинку і для готування.
Відходи. Відходи життєдіяльності людини та інші органічні відходи будуть перетворені в енергію біогазу. Біогаз може використовуватися для нагрівання та приготування їжі, а також для забезпечення гарячою водою.
Для сучасних технологій кожна така система по окремо не становить «таємниці». Тільки ось інтеграція всього цього в межах універсальних стінних блоків - завдання не з легких. Як будуть сплетені всі ці повітряні і водяні артерії, та ще й світловоди?
Не менший питання - баланс енергії та води в Sustainable Habitat. Наскільки подібне будівля дійсно може бути самостійним? Оточувати адже його будуть такі ж велетні, жадібно перехоплюють і світло, і вітер, і косі потоки злив? Мабуть, від традиційного підведення електричних кабелів і водопроводу в такому незвичайному спорудженні відмовлятися все одно не доведеться.
До 2020 року ще є час, щоб відповісти на ці питання. Але одне вже можна сказати зараз: ідея децентралізації «систем життєзабезпечення» хмарочосів заслуговує уваги. Щонайменше, як допоміжний комплекс, що знижує навантаження від будівлі на навколишнє середовище.
Список літератури
1. Тетиор О.М. Міська екологія: навч. посібник для студ. вищ. навч. закладів .- К.: Видавничий центр «Академія», 2008.
2. Тетиор О.М. Архітектурно-будівельна екологія: навч. посібник для студ. вищ. навч. закладів .- К.: Видавничий центр «Академія», 2008.
3. http:// www. abok. ru
4. http:// www. wikipedia. ru
5. http:// www. planetaklimata. com