Учредитель журнала

Повышение энергоэффективности зданий в условиях редевелопмента городской среды

УДК 621.31
EDN: FYGPIE

Давыдкин Павел
Магистрант кафедры
ИСТАС НИУ МГСУ
E-mail: davydkin.pp@gmail.com

Адамцевич Любовь
Доцент кафедры
ИСТАС НИУ МГСУ
E-mail: AdamtsevichLA@mgsu.ru

Введение

Современная строительная отрасль отвечает за значительную долю глобального потребления энергии и связанного с этим воздействия на окружающую среду. Вместе с тем научно-­техническое развитие человечества не стоит на месте и позволяет снижать это воздействие за счет применения технологий четвертой промышленной революции или так называемой Индустрии 4.0.
Данная концепция впервые была презентована немецким правительством в 2011 г. и собрала в себя такие понятия, как интернет вещей, технологии информационного моделирования, цифровые двой­ники, аддитивное строительное производство и пр.
Проведем комплексный анализ применения технологий информационного моделирования для повышения энергоэффективности зданий, снижения воздействия на окружающую среду, а также описано влияние технологий информационного моделирования на решение задач, связанных с экологическим планированием города и вопросами редевелопмента городской среды.

Применение технологий информационного моделирования для повышения энергоэффективности зданий и сооружений

Энергоэффективные здания. На повестке дня энергетической политики Европейского союза понятие энергоэффективности впервые появилось в 1970‑х гг., однако постепенно трансформировалось параллельно изменению глобальной и европейской политики и приоритетов в области энергетики и климата [1]. Начиная с 2002 г., директива по энергоэффективности зданий (Energy Performance of Buildings Directive, далее – директива EPBD) является ключевым законодательным актом Европейского союза, предусматривающим сокращение потребления энергии зданиями. Директива EPBD устанавливает требования для государств – членов ЕС о принятии мер и инструментов для обеспечения рационального использования энергетических ресурсов.
При этом в Европе лидером по реализации строительных проектов с повышенными показателями энергоэффективности зданий является Германия. Существующие законодательные нормы и правила, а в большей степени, практика строительной отрасли этой страны, приближаются к реализации объектов капитального строительства с минимальным уровнем энергопотребления в зданиях. В 2007 г. был введен энергетический паспорт для зданий, находящихся на этапе эксплуатации. Основная цель документа заключается в информировании о потребляемой зданием энергии для последующего анализа показателей энергоэффективности и планирования мер оптимизации или модернизации энергоэффективности здания.
Примеров реализации проектов энергоэффективных зданий, как в Европе, так и в мире, много. Например, здание Мейнтауэр в Германии представляет собой сдвоенную башню, одна из них квадратная, высота которой составляет 170 м, вторая – круглая, ее высота составляет 200 м. Общая площадь помещений с учетом подземных этажей оценивается в 101 705 м2. Энергоэффективность здания обеспечивается за счет использования автономных источников энергосбережения, а также тепла земли.
Башня Перл-­Ривер в Китае представляет собой сверхвысотное здание 309 м высотой. Для выработки электроэнергии в здании используются солнечные батареи, а для ее аккумулирования и сохранения предусмотрены особые коллекторы. Дополнительным источником энергии служат ветрогенераторы, интегрированные в конструкцию технических этажей зданий.
Здание Сити-холл в Великобритании возведено на берегу Темзы недалеко от Тауэрского моста, в нём десять этажей, а его высота составляет 45 м. При возведении объекта применен ряд энергосберегающих решений, включающие форму здания, которая позволяет минимизировать теплопоступления в теплое время года, а также потери тепла в период холодов; наружные светопрозрачные ограждающие конструкции, которые позволяют максимально использовать естественное освещение; специально подобранные теплоизоляционные материалы и пр.
Отечественных примеров энергоэффективных домов значительно меньше, а практическое применение стандартов по энергоэффективности, а также «зеленых» стандартов заметно ниже [2]. Тем не менее, в России также ведется активная деятельность по внедрению энергоэффективных проектов, а политика по повышению энергоэффективности зданий во многом основывается на следующих «зеленых» стандартах:
– ГОСТ Р 57274.1–2016/EN 15643–1:2010 «Устойчивое развитие в строительстве»;
– ГОСТ Р 54964–2012 «Оценка соответствия. Экологические требования к объектам недвижимости»;
– ГОСТ Р 70346–2022 ««Зеленые стандарты». Здания многоквартирные жилые «зеленые». Методика оценки и критерии проектирования, строительства и эксплуатации».
При этом все больше внимания уделяется вопросам использования технологий информационного моделирования при обеспечении энергоэффективности зданий [3].
Технологии информационного моделирования для проектирования энергоэффективных зданий. Анализ существующего опыта использования технологий информационного моделирования (далее – ТИМ) при проектировании энергоэффективных зданий свидетельствует о том, что энергетическая модель здания может быть сгенерирована из информационной модели, таким образом, процесс энергетического моделирования заметно упрощается. Данному вопросу посвящено множество работ. Так, например, в исследовании [4] оценивается точность и целостность моделирования энергопотребления на основе ТИМ с использованием ПО Autodesk Revit в сочетании с такими программами моделирования энергопотребления, как DesignBuilder и Virtual Environment (IES-ve). В результате исследования авторами отмечается, что процесс преобразования информационной – BIM-модели (Building informational model) в модель энергетическую – BEM-модель (Building energy model) – не является стандартизированной практикой и до сих пор не применяется для этапов жизненного цикла здания. В исследовании [5] авторами использован новый подход к расчету энергопотребления с использованием разработанного для этой цели BIM-шаблона, а, на основе системы расчета (1) проведен анализ энергопотребления здания с применением солнечных панелей и без них.

Потребление энергии / День (кВт·ч) =
Энергопотребление (Ватт/1000) х
Используемые часы / День (1)

Новый шаблон расчета Autodesk Revit встроен, как часть программного обеспечения, чтобы анализировать проекты могли как обычные пользователи, так и профессиональные специалисты, например, архитекторы, достигая, в том числе, показателей с нулевым энергопотреблением, заменяя все электрические устройства стандартными фотоэлектрическими солнечными панелями [5].
Однако, представленные примеры основываются на использовании зарубежного программного обеспечения (далее – ПО), и в современных реалиях возникает актуальная задача адаптации отечественного ПО для решения задач энергоэффективности зданий с использованием технологий информационного моделирования.

Экологическое планирование и редевелопмент городской среды

Процесс содействия принятию решений по освоению земель с учетом природной среды, социальных, политических, экономических факторов и факторов управления для достижения целей устойчивого развития называется экологическим планированием. Под редевелопментом городской среды принимается непрерывный процесс, в ходе которого устаревшие части города, включая промышленные территории, преобразовываются в жилые кварталы, бизнес-­центры, лофт-пространства с различным функционалом, а главное с учетом новых требований, не действующих ранее, в том числе с учетом требований по энергоэффективности.
В Москве основным типом «редевелопмента» является массовое строительство жилых комплексов. И, как правило, это проекты, реализуются точечно и локально. На участке одной бывшей ранее промышленной зоны может проводиться возведение зданий и сооружений несколькими застройщиками, что может привести к отсутствию единого экологического и социально-­развитого пространства.
В своем исследовании Шепитко Э. Э. выявляет проблемы деятельности государственных органов власти по благоустройству территории и предлагает интеграцию ТИМ, прежде активно применяемых для соответствующих целей в промышленном и – затем, в жилищном строительстве, а теперь и в системе управления большим городом [6]. Авторами статьи предлагается изменить процесс разработки проектов редевелопмента промышленных зон или других территорий, предназначенных для комплексного освоения, за счет разработки общего проекта благоустройства территории в виде информационной модели (включая не только 3D-визуализацию объекта, но и наполнение информационной модели земельного участка информацией о будущих реализуемых решениях, например, таких элементов, как малые архитектурные формы). Кроме того, в процесс разработки проектов предлагается включить наполнение информационных моделей зданий показателями энергоэффективности. Такие меры позволят заметно упростить проведение плановых работ по поддержанию благоприятной среды после сдачи в эксплуатацию жилых зданий или комплексов, за счет использования актуальных сведений о состоянии объектов благоустройства в информационной модели, в том числе, связанной с подосновой ГИС. Показатели энергоэффективности, определенные еще на этапе проектирования, могут обеспечить оптимизированное энергопотребление на этапе эксплуатации и привести к увеличению экологичности будущей застраиваемой или реконструируемой территории.
Представление данных о состоянии городской среды с использованием технологий информационного моделирования. На основе геопространственных данных, таких как, тип территории, картографирование видов и биотопов, могут быть выявлены конфликты с запланированными к строительству техническими сооружениями или инфраструктурными объектами, и должны быть определены соответствующие экологические меры. Результаты этого процесса документируются и визуализируются на планах, описывающих все конфликтные ситуации и мероприятия, связанные со строительным проектом.
Следовательно, интеграция экологического планирования в процесс создания информационной модели означает интеграцию цифровых представлений планируемых зданий или инфраструктурных работ и цифрового представления их экологического контекста. В то время как данные о строительстве поступают из инструментов разработки ТИМ, экологический контекст, включая экологические конфликты и запланированные меры по охране окружающей среды, поддерживаются с помощью географических информационных систем (ГИС). При этом планирование выполняется как минимум в 3D, а время и стоимость являются двумя дополнительными измерениями. Для экологического планирования это приводит к переходу от 2D-планирования к многомерному подходу к планированию, который должен отражаться информационной моделью.
Зарубежный опыт экологического планирования весьма развит. Большинство информационных систем для экологического планирования наделены возможностью анализа таких аспектов, как потребление энергии, выбросы углерода, естественная вентиляция, анализ солнечной энергии и освещения, акустика и использование воды.
Что касается моделирования городского пространства, то наиболее заметной в этой области является проект The City Geography Markup Language (CityGML), развивающийся с 2002 г. и представляющий базу данных для описания трехмерных моделей городов, а также язык разметки, подобный расширяемому языку разметки (XML) [7,8]. Единый, унифицированный для международного использования формат хранения данных, предусматривает возможность обмена между различными системами. В модели данных CityGML каждый объект имеет собственное описание трехмерной геометрии, а также текстуры, задающие качественные характеристики его поверхности.
Ни рис. 1 представлен вариант (в виде UML диаграммы) структуризации элементов в информационной системе экологического планирования на основе CityGML. Оранжевым цветом выделены элементы вновь создаваемые; зеленым цветом – существующие классы CityGML, расширенные атрибутами; голубым цветом – расширенные классы основного модуля CityGML.
При этом в CityGML могут использоваться данные, полученные с помощью лазерного сканирования LIDAR, обработанные по координатам относительно поверхности для первоначальной классификации [9].

Рис. 1. Структура расширенного домена информационной системы экологического планирования

Исследование ученых из Технического университета Мюнхена описывает EnvPlan ADE (Environmental Planning Application Domain Extension) – расширенный домен приложения для экологического планирования, который поддерживает интеграцию экологического планирования с информационными моделями зданий в отношении следующих аспектов:

  1. В подходе CityGML используется модель, объединяющая на одной платформе как данные о строительстве, так и данные об окружающей среде.
  2. Осуществлено объединение требований экологического планирования для их интеграции в комплексную информационную модель, а EnvPlan ADE можно использовать для стандартизации требуемой экологической информации данных.
  3. Осуществлено пространственно-­временное представление: EnvPlan ADE позволяет использовать 4D информационную модель для экологического планирования.

Ведение деятельности по экологическому планированию с использованием стандарта CityGML в совокупности с информационными системами по анализу экологических параметров местности позволит облегчить интеграцию городских геоданных для различных приложений для умных городов и городских цифровых двой­ников, включая городское и ландшафтное планирование [10].

Функции технологии информационного моделирования для решения экологических проблем в строительстве

Информационные системы, рассмотренные ранее, разработаны для анализа устойчивости и таких как показателей, как энергоэффективность, выбросы CO2 и освещения. Отдельные системы могут быть использованы для обеспечения экономии воды и улучшения качества воздуха в помещении. Однако большинство этих ПО разработаны специально для одного типа анализа и не могут использоваться для других целей. Таким образом, возникает необходимость в разработке общей интегрированной информационной системы, которая позволила бы систематически анализировать общую экологическую устойчивость здания и планировать экологическое развитие территории. На рис. 2 обобщены основные функции ТИМ для экологического анализа.

Рис. 2. Основные функции ТИМ для экологического анализа

Информационные системы в экологическом планировании послужат для предоставления визуальной информации, касающейся производительности и процесса строительства, и, таким образом, позволят участникам проекта, проектировщикам, подрядчикам, акционерам, чиновникам и т. д. принимать более безопасные для окружающей среды решения. Важно отметить, что такие информационные системы должны быть направленны именно на комплексное освоение территорий или объединять в себе несколько проектов строительства или редевелопмента для общей и совокупной работы над экологическим планированием.

Заключение

Представлен комплексный анализ применения технологий информационного моделирования для повышения энергоэффективности зданий, снижения воздействия на окружающую среду, а также описано влияние технологий информационного моделирования на решение задач, связанных с экологическим планированием города и вопросами редевелопмента городской среды. Рассмотрены примеры энергоэффективных зданий, отмечено также, что в нашей стране также ведется активная деятельность по внедрению энергоэффективных проектов, а политика по повышению энергоэффективности зданий во многом основывается на «зеленых» стандартах.
Предложена структура расширенного домена информационной системы экологического планирования на основе CityGML, где выделены элементы вновь создаваемые, существующие классы CityGML, расширенные атрибутами, и расширенные классы основного модуля CityGML.
Кроме того, сделан вывод о том, что в современных реалиях возникает актуальная проблема адаптации отечественного ПО для решения задач по обеспечению энергоэффективности зданий с использованием технологий информационного моделирования.
В области интеграции технологий информационного моделирования в строительную отрасль новым вектором для научно-­практической деятельности становится направление по внедрению ТИМ в экологическое планирование, которое является частью градостроительной и энергетической политики.