Суперокна и их модификации для крупных помещений

В суперокнах применяются невидимые прозрачные высокотехнологичные пленки, отделяющие видимое излучение от инфракрасного (теплового). Видимый свет проходит через окно; инфракрасное излучение отражается. Сейчас существуют суперокна с сотнями тысяч различных «оттенков», причем каждый отдельный вариант предназначен для конкретного климата, здания и ориентации. Опытные проектировщики «настраивают» окна здания, впуская много света и тепла с северной стороны и минимизируя накопление тепла с солнечной южной стороны, и т. п. Все эти варианты суперокон выглядят одинаково, но их способность отражать инфракрасное излучение различна. Управляя входящими в здание и выходящими из него с каждой стороны потоками тепла и света, проектировщик может повысить комфорт, значительно уменьшить потребность в нагревательном и охлаждающем оборудовании и в энергии, необходимой для работы такого оборудования, и тем самым сократить как строительные, так и эксплуатационные затраты.

Суперокна стали появляться на рынке США только в начале 80-х годов. В штаб-квартире ИРМ, вероятно, был реализован первый коммерческий проект, в котором суперокна сочетали в себе спектрально-селективные тонкие пленки с тяжелым газом в роли тепло-изолирующего наполнения. Улучшенные многослойные конструкции, испытанные в ИРМ в начале 80-х годов, появились на рынке несколько лет спустя. Тепловое зеркало, покрытое с обеих сторон пластмассовой пленкой и обеспечивающее улучшенное качество при уменьшенной толщине, стало выпускаться только в ноябре 1993 г. Производство же его аналогов в Европе отстало на много лет — современные суперокна достаточно приемлемой толщины, имеющие умеренную цену, начали появляться только в 1993—1994 гг.

* По существу, все европейские суперокна все еще предназначаются для максимального увеличения температуры в помещениях в холодную, пасмурную погоду. Но оборудование для охлаждения стоит намного дороже, чем оборудование для обогрева зданий. Поэтому гораздо более ценной является оптимизация выпускаемых большинством фирм США суперокон, предназначенных для районов с жарким и с более прохладным климатом. Последнее относится к большей части крупных современных административных зданий: в Торонто или Стокгольме приходится использовать кондиционирование воздуха даже при -10°С!

Традиционно окна для жаркого климата делают либо отражающими, в результате чего снаружи возникает раздражающий ослепительный блеск, либо темными и поглощающими тепло, но при этом половина тепла все равно переизлучается внутрь. Оба решения ограничивают проникновение не только нежелательного тепла, но и желаемого дневного света. С темнотой приходится бороться с помощью электрического освещения. Лампы потребляют электричество, что приводит к выделению тепла внутри здания, и таким образом мы возвращаемся почти туда же, откуда начинали. Но суперокна можно сконструировать так, чтобы они пропускали дневной свет и в то же время в значительной мере блокировали доступ нежелательного тепла. Некоторые последние конструкции, в которых используется стекло, слегка подкрашенное в цвет морской волны или в зеленоватый цвет, пропускают видимый свет примерно в 2 раза лучше, чем всю солнечную энергию. Это почти идеально: лучше и не сделаешь, поскольку половину солнечной энергии составляет инфракрасное излучение.

Суперокна для жаркого климата помогут обеспечить тепло зимой. Их изолирующие свойства определяются заполнением тяжелым газом и способностью спектрально-селективных пленок отражать обратно в здание инфракрасные лучи, которые стремятся ускользнуть, лишая жильцов ценного тепла. Таким образом, можно выбрать суперокна, обеспечивающие отличные теплоизоляционные характеристики в течение всего года в условиях климата как с жарким летом, так и с холодной зимой.

Обычно считается, что суперокна целесообразно использовать только при строительстве новых зданий. Кто же захочет тратиться на замену существующих окон, особенно на верхних этажах многоэтажного здания? Действительно, иногда дополнительные ценные качества окна не стоят затрат на них, в частности, расходов на оплату труда по установке окна. Но есть важные исключения.

В 1988 г. ИРМ изучал по заданию тогдашнего губернатора Арканзаса Клинтона возможности сбережения электроэнергии в этом штате (Ловинс, 1988). Применительно к типичному деревянному односемейному дому комплекс из примерно 20 тщательно выбранных мероприятий мог сэкономить 77% годового потребления электроэнергии и 83% электроэнергии, расходуемой в часы пиковой нагрузки (а также 60% газа просто благодаря лучшей изоляции, без усовершенствования газовых приборов), окупив себя лишь за три года. Ключом к решению проблемы явилось добавление теплоизолирую-щих суперокон поверх существующих — незатененных одинарных прозрачных оконных стекол. Это нововведение уменьшало мощность, расходуемую на охлаждение, в гораздо большей степени, чем любое другое. В результате размер устанавливаемого кондиционера уменьшился в 3 раза. С увеличенной в 2 раза эффективностью и уменьшенным в 3 раза временем осушения он стоил практически столько же, так что экономия электроэнергии достигалась почти бесплатно. Если учесть все соотношения между размером, стоимостью и эффективностью различных мероприятий, то использование относительно дорогостоящих суперокон намного увеличило общую экономию электроэнергии при уменьшении расходов на одну треть.

В 1994 г. ИРМ вернулся к этой концепции и реализовал ее в еще большем масштабе (Ловинс, 1995). Владелец крупной корпорации производил реконструкцию целиком остекленной башни, в которой располагались офисы. Это 13-этажное здание общей площадью в 18 587 квадратных метров было построено близ Чикаго 20 лет назад. Оно представляло собой стандартную конструкцию начала 70-х годов: на стальной раме были заподлицо установлены большие окна, причем прозрачные «смотровые стекла» чередовались с окрашенными в темный цвет «заграждающими стеклами», которые заслоняли стальные и бетонные элементы междуэтажных перекрытий. Каждый вид стекла покрывал половину площади боковой поверхности здания. Поскольку смотровое стекло было двойным, а заграждающее — одинарным и неизолированным, то средняя теплоизоли-рующая способность оболочки здания была меньше, чем изолирующая способность двух листов стекла, что крайне недостаточно для сурового в течение всего года климата; кроме того, в помещение проникали воздух и вода. Несмотря на огромные системы отопления и охлаждения, внутренний комфорт оставлял желать много лучшего.

Блоки с двойным остеклением имеют недостаток: герметичность соединения их кромок в конечном счете нарушается, в результате чего они изнутри запотевают. У лучших сегодняшних блоков ресурс уплотнения составляет 23 года; у более дешевого вида — 12 лет. Двадцать лет назад такие уплотнения были еще хуже. Поэтому, когда в ИРМ установили, что 8% из 900 блоков с двойным остеклением уже вышли из строя, эксперты предложили провести специальные испытания на запотевание для остальной части блоков. Как оказалось, практически любой из них может потребовать замены в течение ближайших шести лет — серьезная неприятность для будущих арендаторов. Поэтому владелец решил заново застеклить все здание, прежде чем сдавать его в аренду.

Существовавшее остекление представляло собой темный бронзовый стеклопакет с серой солнцезащитной пленкой, пропускала только 9% дневного света, создавая «пещерное» настроение и изолируя обитателей от внешнего мира. Более того, такое остекление настолько дорого, что покупка суперокон едва ли обошлась бы дороже, а их установка стоила бы чуть меньше. В то же время суперокно изолировало бы тепло в три раза лучше, пропускало бы дневного света в шесть раз больше и препятствовало бы проникновению солнечной энергии настолько эффективно, что вместе с экономичными лампами и оргтехникой охлаждающую нагрузку можно было бы уменьшить вчетверо — с 750 до менее чем 200 тонн кондиционирования.

Владелец получил бы еще одно преимущество. Оборудование для кондиционирования воздуха обычно нуждается в ремонте каждые 20 лет, поскольку движущиеся детали, такие как вентиляторы и насосы, изнашиваются. Кроме того, в 90-е годы владельцу пришлось бы столкнуться со сворачиванием производства используемого в больших холодильниках хладоагента хлорфтороуглерода (фреона). Но вместо обычной замены на такой же агрегат, стоящей порядка 800 долларов за тонну, владелец мог бы заменить всю систему охлаждения помещений и кондиционирования воздуха на улучшенную и почти в 4 раза более эффективную конструкцию при стоимости всего 2 тысячи долларов за тонну. Это удачная покупка: стоимость за тонну возрастает примерно в 2,5 раза, но количество требуемых тонн — величина производительности кондиционирования — падает почти в 4 раза. Затраты на строительство снижаются. Экономию, достигнутую при обновлении системы кондиционирования, владелец может использовать для оплаты работы по модернизации электроосвещения и дневного освещения.

Расчеты ИРМ дали поразительный результат. Потребление энергии в часы пик (оно больше всего волнует коммунальные предприятия, так как определяет, сколько дорогостоящего оборудования надо построить) сократилось бы на 76%. Годовое потребление электрической энергии уменьшилось бы по меньшей мере на 72%, а может быть, и больше. Существенно улучшились бы благоустройство и эстетика, что намного облегчило бы привлечение арендаторов помещений:

здание установило бы совершенно новый стандарт комфорта, тишины и красоты. Эксплуатационные расходы сократились бы на 12 долларов за квадратный метр в год — примерно в 10—20 раз по сравнению с конкурентной разницей в арендной плате, что дало бы первопроходцам громадное преимущество на рынке. Сопоставив все затраты на строительство и достигнутую экономию, можно сказать, что реконструкция в целом, сберегающая три четверти энергии, окупила бы себя за 5—9 месяцев, т. е. практически мгновенно.

Проект не был реализован, но заложенные в нем принципы по-прежнему не утратили своей актуальности. При его анализе использовались общепринятые подходы и предположения, подтвержденные в реальных условиях. Аналогичные нововведения остаются выгодной возможностью для более чем 100 тысяч больших зданий со стеклянными стенами той же эпохи (достаточно старых, построенных около 20 лет назад, требующих восстановления окон и механического оборудования)в США, и, вероятно, для еще большего числа зданий за границей.

Почему же за столь выгодную возможность не ухватились владельцы зданий, которые первыми попросили провести такое исследование? Из-за неудач на рынке, которые мы более подробно обсудим в части II. Здесь же назовем следующие причины:

q отсутствие в то время путей распределения сэкономленных средств между владельцами и арендаторами, а также способов вознаграждения проектировщиков за их работу по обеспечению таких больших сбережений; нужны были дополнительные усилия, чтобы объяснить арендаторам выгодность повышения эффективности ламп и оргтехники;

q неправильный акцент на выжимание экономии из каждого отдельно взятого компонента здания вместо сбережений по всему сооружению в целом;

q в данном конкретном случае было еще одно мелкое препятствие: местное арендное агентство, которое управляло собственностью, стремилось поскорее заселить здание арендаторами и не желалооткладывать получение своих комиссионных от этих сделок на срок, достаточный для осуществления реконструкции.

В итоге здание было отремонтировано старым, неэффективным способом. Оно оказалось слишком дорогостоящим и непривлекательным для рынка и, будучи непригодным для сдачи в аренду, было продано за ничтожную цену — вот к чему привело игнорирование новых возможностей при реконструкции здания. ИРМ, однако, не теряет надежды: ведь можно достаточно легко найти контакт с конкурирующим владельцем другого здания на той же улице. Рано или поздно, владелец осознает, что выгодно с точки зрения рынка. Конкуренция со стороны более эффективно работающих хозяйств может заставить соображать лучше.

Здание Королевы» — новый инженерный корпус Университета Де Монфора, Лестер, Соединенное Королевство

Официально открытое в декабре 1993г. королевой Елизаветой II, это британское учебное здание, спроектированное Аланом Шортом и Брайеном Фордом из компании «Пик, Шорт и партнеры», пребывает во впечатляющей гармонии с природой (см. илл. 3 на вкладке). Архитекторы были готовы взять на себя в одном и том же проекте решение как экологической, так и архитектурной задачи, а не пренебрегать одной ради другой. Ответственность за окружающую среду — это не декорация.

Будущие машиностроители изучают здесь нарисованные мелом на доске схемы холодильников, которых нет в этом здании, а студенты электротехнических специальностей овладевают премудростями проектирования электроосвещения, находясь в помещениях, освещаемых естественным дневным светом. «Нам казалось, — говорили проектировщики, — что ощущение естественного ритма внешнего мира помогает достичь спокойной сосредоточенности и что школа для инженеров, которая добивается значительной экономии энергии, сама может быть инструментом обучения и орудием для проведения исследований».

Место для нового корпуса тщательно выбиралось — он расположен вдоль дороги, идущей на северо-восток. Большая часть участка оставлена открытой и естественно сочетается с территорией университета, благодаря парку, разбитому с южной стороны. Первоначальный проект здания включал три основных принципа:

q использование традиционных трудоемких методов строительства с тем, чтобы обеспечить занятость местных рабочих;

q демонстрация инновационных концепций, создающих отличную среду для обучения и бросающих вызов традиционной архитектурной практике;

q использование более чистой и более «зеленой» технологии.

Проект сделан под явным впечатлением от Тринити лейн — средневековой улицы в Кембридже. Здания дополнены рядом внутренних дворов, которые также используются как классы для занятий на открытом воздухе, поэтому территория площадью 10223 квадратных метра не подавляет своими размерами. Это очаровательное сооружение считается первым удачным примером возрождения готической архитектуры за последние 100 лет. Жившие здесь каменщики, многим из которых нужна была работа в округе, создали прекрасную многоцветную кирпичную кладку, замечательную разнообразием традиционных фрагментов и деталей из кирпича.

«Здание Королевы» — самое большое в Великобритании строение с естественной вентиляцией. Дневной свет глубоко проникает в него с двух сторон, обеспечивая естественное освещение. Практически целиком пассивное перемещение воздуха происходит как за счет поперечной вентиляции, так и благодаря подъему теплого воздуха по восьми большим декоративным дымоходам, которые увенчаны украшенными орнаментом металлическими башенками. Частично поддержанные правительством проектировочные работы, включавшие картографирование потоков, физические макеты и компьютерное моделирование, обеспечили схему пассивной вентиляции для аудиторий, в которых можно открывать или закрывать окна с тем, чтобы добиться наиболее комфортных условий. Для этого используется 60% площади стен. Автоматическая система управляет заслонками, вытяжными отверстиями и регуляторами обогрева.

Выступы крыши и массивные кирпичные стены сводят охлаждение к минимуму, а вся конструкция здания значительно ограничивает потребность в тепле и кондиционировании. Тепло обеспечивается главным образом пассивным солнечным обогревом, внутренним накоплением тепла от работы значительного количества приборов и от присутствия тысячи сотрудников и студентов. Эти тепловые нагрузки могут быть достаточно высокими — от 84 ватт на квадратный метр для оборудования в электротехнической лаборатории до 100 ватт на квадратный метр в механической лаборатории. В типичных административных зданиях Великобритании оборудование и работники создают тепловые нагрузки не более 25—32 ватт на квадратный метр. Дополнительное тепло дает природный газ.

Все эти подходы минимизируют потребление электроэнергии, что уменьшает размеры оборудования или даже устраняет необходимость в нем, давая экономию как энергии, так и капитальных затрат. По сравнению с типичными капитальными затратами в 34—40%, объем капитальных затрат на механические и электрические системы в «Здании Королевы» составил лишь 24%. Здесь используется только 25—30% топлива, необходимого для эквивалентного здания. Общие затраты на здание с отделкой и полным оборудованием составили всего 12 миллионов долларов, или 1980 долларов за квадратный метр, а без отделки — 1184 доллара за квадратный метр. В любом случае это чрезвычайно низкая цена.