"ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СЛЕД" КАК ФАКТОР ФОРМООБРАЗОВАНИЯ И ГРАДОСТРОИТЕЛЬСТВА

ТЕЗИСЫ

«Энергетический след» жителей города в современных индустриальных городах больше, чем обычно предполагается, если сложить все виды энергии, необходимой для обеспечения жизнедеятельности человека, включая производство продовольствия и транспорт.

В постуглеродном мире, без использования ископаемых источников энергии, потребуются большие площади для удовлетворения всех человеческих потребностей в производстве энергии и питания. В статье содержится концепция проектирования городов и формообразования зданий, которая включает в городскую черту энергетический след человека, состоящий из энергии необходимой для обеспечения жизнедеятельности и транспорта, а также, производства продуктов питания. Концепция предлагает новые условия, новый подход к градостроительству и объемному проектированию. Эти предложения выявляют строгую зависимость формы зданий и планов городов от той энергии, которую они вырабатывают, накапливают и потребляют, что может стать отправной точкой для разработки концепций новых городов и территорий, основанных на способе производства энергии и её использования.

Одной из возможных областей применения этого подхода может стать проектирование убежищ и городов с нуля для сотен тысяч беженцев, например, после природных катастроф, а также, как градостроительная программа для развития пригородных территорий существующих городов и строительства новых городов.

Согласно докладу ООН (United Nation Population) к 2050 население Земли увеличится на 3,3 миллиарда человек и достигнет 9,5 млрд. Наибольший прирост населения ожидается в развивающихся странах. Учитывая, что площадь Земного шара составляет 148 млн. км², средняя плотность населения теоретически составит 64 человека на км², или соответственно на каждого жителя Земли придётся по 1,6 га.

Это очень небольшая площадь, учитывая, что территория должна включать не только место, где человек живёт, но и его «экологический и энергетический след» (пахотные земли, пастбища, леса, промысел, топливо, застроенную территорию необходимую для поддержания жизни), который значительно больше мест непосредственного проживания. Хотя вышеприведённая плотность населения может оказаться ниже, есть ещё три других обстоятельства, осложняющих возможность точного прогнозирования: сможет ли все население Земли жить достойно, с полноценным питанием и перспективой достичь лучших условий жизни в будущем.

Во-первых, как можно проследить из существующей тенденции,  народонаселение будет увеличиваться, в основном, в городах и вокруг городов, как мест, обеспечивающих большую  занятость, сервис и благосостояние.

Во-вторых, только 15% территории суши пригодно для пахоты, если использовать традиционные сельскохозяйственные методы.

В-третьих, с истощением ископаемых источников энергии, все большие потребности в энергии будут покрываться за счёт возобновляемых источников энергии, которые, хотя и имеются в изобилии, покроют большую часть суши и водных просторов (вода, солнце, биомасса из водорослей), если только не будут использоваться возможности накопления и преобразования энергии самими зданиями и городами.

«Человеческий след» станет самым большим вызовом устойчивому будущему на этой планете и решения будут основываться на нетрадиционных приёмах проектирования зданий, планирования городской и пригородной среды с учётом производства энергии, продуктов питания и кормов.

Если мы не сможем решить проблему энергетической самодостаточности, у нас не будет достаточно пространства, энергии и пищи для всех людей. И, так как люди будут жить в городах, то город именно то место, где с этой проблемой придётся столкнуться прежде всего.

Первым ответом на этот вызов будет энергоавтономный город и энергоавтономное здание. Для этого потребуется перейти от планирования, основанного на зонировании территории, к проектированию мультифункционального здания, района, поселения, города, позволяющему по-новому взглянуть на расселение на Земле. Этот подход основан на мировоззрения единства человека и природы, сохранения экологии Земли и рассматривает удовлетворение энергетических потребностей, как основу планирования и проектирования.

Проектируя здание, район или город, мы должны принимать во внимание не только  место строительства, но и «энергетический след», связанный с его использованием. В то же время, градостроительство будет становиться все более комплексным в связи с быстро растущими городскими взаимосвязями. В градостроительстве с каждым годом возрастает сложность городских коммуникаций. Городскую территорию следует рассматривать, как комплексную систему. Из экологии мы знаем, что лучшим качеством комплексной системы является способность к самоорганизации. С точки зрения проектирования это означает, что городская среда должна быть разработана таким образом, чтобы люди, населяющие её, вместе со структурами её формирования, могли бы взаимодействовать для направления развития города по пути удовлетворения изменяющихся потребностей (включая энергетику). Биологическая эволюция показывает, что это качество достижимо, если поток энергии постоянно проходит через систему, создавая новые структуры, то есть, когда структуры системы не являются «жёсткими».

В случае с нефтью и газом, мы говорим о форме энергии, которая не может использоваться в том же месте, где добывается. Её должны производить в специальных отведённых местах (подверженных загрязнению и опасных) вдали от города, а затем доставлять в город. Энергетическая сеть, основанная на ископаемых источниках энергии должна рассматриваться как «жёсткая» структура.

Из этого можно заключить, что изменение вида энергии, которую мы используем, переходя от ископаемых видов энергоресурсов к обществу с возобновляемыми ресурсами является проблемой нашего времени и целью городского планирования. Это сильно влияет также на формообразование зданий и городских территорий, так как изменение вида энергии меняет и форму сооружений и города в целом. Это означает, что мы должны преодолеть традиционное городское планирование, основанное на различии функций (жилье, энергетические объекты, торговые зоны, транспорт и так далее) к модели, построенной на интеграции мест потребления и мест производства. Эта модель должна иметь энергетические технологии, которые могут приспосабливаться к нуждам потребителей. Эти положения можно также отнести к отдельным зданиям. В России примером такого подхода может служить проект энергоавтономного биоклиматического здания «Ковчег» архитектурной мастерской Remistudio. Конструкция здания является единой энергетической системой работающей на энергии от возобновляемых источников и на энергии, вырабатываемой самим зданием. Архитектурная форма продиктована энергетическими задачами и биоклиматическими решениями по созданию здорового микроклимата внутри. Такие здания вырабатывают избыточную энергию, снабжая ею «зелёный транспорт» и прилегающие здания. Все отходы перерабатываются внутри методом бескислородного пиролиза. Наиболее важной задачей при переходе на альтернативные источники энергии становится не столько производство, сколько рациональное использование и аккумулирование энергии. В «Ковчеге» предусмотрены сезонные накопители энергии в виде тепловых, электрических и водородных аккумуляторов. Жизнеобеспечение таких зданий не зависит от внешних погодных условий.

Отсутствие выбросов СО₂ при эксплуатации и утилизация всех отходов внутри позволили спроектировать такие здания на водной поверхности, что должно привести к ещё большей свободе в расселении людей на суше и воде. Стоит отметить, что этот проект получил первое место на международном конкурсе в США по радикальным инновациям в архитектуре гостиниц, и был отобран от России Академической комиссией Конгресса Международного Союза Архитекторов в Токио для презентации и устного доклада.

Современная эпоха предлагает нам большие технологические возможности, предоставленные возобновляемыми источниками энергии, средствами накопления и трансформирования различных видов энергии, которые делают цель достижимой, открывая новые перспективы в проектировании зданий и городов. Когда мы говорим о возобновляемых источниках энергии, мы говорим о технологиях, позволяющих трансформировать энергию солнца и тепла в электро- и термоэнергию с помощью прямого (солнечная энергия) или косвенного (ветер и биомасса) процесса трансформации. Эти технологии можно классифицировать в соответствии с иерархией, которая оценивает возможность их применения, как можно ближе к месту потребления и возможность удовлетворять любые требования.

Можно построить иерархию, где на первый план будут выдвинуты способы сохранения и преобразования энергии. Среди технологий производства энергии энергия, вырабатываемая самим зданием, займёт первое место, при наличии аккумуляторов и преобразователей энергии, фотовольтаика займёт второе место, так как она может быть интегрирована в оболочку здания, и может производить электричество для всех служб здания. Также в оболочку здания могут быть интегрированы солнечные коллекторы, но они производят вид энергии менее важный, чем электричество.

Если мы перейдём от оболочки здания (геометрический след) к территории города, то увидим возможность применения других энергетических технологий в этом месте (функциональный след здания). Здесь возможно также получение энергии из ветра и биомассы. В то же время, развитие технологий позволяет увеличить урожайность пищевой продукции. Например, высокотехнологичные теплицы производят больше продовольствия, чем производится на открытом грунте.

Как же эти технологии влияют на градостроительство?

Предлагается в качестве исходных данных использовать «энергетический след человека» при планировании и проектировании города с его энергетическими потребностями.

При определении «энергетического следа», для упрощения рассмотрения вопроса, которое не повлияют на общие выводы, остановимся на потребностях жителей в энергии и питании. «Энергетический след» может быть определён как сумма площадей, необходимых для производства электрической и тепловой энергии от возобновляемых источников и, как сельскохозяйственная площадь для производства продуктов питания.

Чтобы подсчитать количественное значение «энергетического следа» человека, обратимся к некоторым параметрам (в частности потребление энергии), которые типичны для современных больших городов развитых стран Европы. Во-первых, учтём энергетические потребности каждого человека, включая питание.  Во-вторых, подсчитаем способность основных возобновляемых источников (солнце, вода, биомасса) производить энергию, которые будут соотнесены с потребной площадью (плотность мощности, квт/ч/м²). Соотношение второго (квт/ч/год/м²) со первым (квт/ч/год/человек) мы определим, как “энергетический след человека”, измеряемого м²/человек. Цель состоит в том, чтобы сделать видимым, что площадь, необходимая для создания самодостаточной и устойчивой городской среды и энергоавтономных экоустойчивых зданий гораздо больше, чем та, которая воспринимается как «полезная» в традиционном планировании.

Мы можем рассмотреть энергетическую потребность города (квт/год), в зависимости от числа жителей на м². Эта энергия может быть произведена за счёт объёма здания и дополнительной площади (энергетический след) которая является участком, чьи размеры и форма зависят от используемой технологии. Каждая отдельная технология, в зависимости от эффективности, представлена фактором, позволяющим переводить энергетический запрос в территорию (это площадь, необходимая для производства и накопления определённого количества энергии, с использованием конкретной технологии).

Эти участки производства энергии должны быть достаточно большими для покрытия всех энергетических потребностей города. Конечно же эти участки являются неотъемлемой частью формы здания и города. Форма и площадь могут зависеть от вида производства энергии обеспечивая соответствующие объёмные объекты (технологии и формы).

Таким образом, структура города должна включать, как участки потребления так и участки производства. Эти включённые участки устанавливают границы города, с учётом включения «энергетического следа» человека. Если применить этот упрощённый метод к потреблению и сохранению энергии сегодня, то получим интересные результаты.

Отправной точкой будет подсчёт энергетических потребностей человека в типичном городе в промышленно развитой стране. Мы рассмотрим питание (также в энергетическом смысле), энергию для производства электричества, отопления или охлаждения и энергию для транспорта.

Таблица 1.

МОДЕЛЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ

Основания для расчёта: площадь помещения для проживания: 25 м²/чел,
годовое потребление энергии для отопления и охлаждения зданий: 100 kWh/год/м2,ежегодное потребление электроэнергии 1 МВт-ч/чел, питание 3,2кВт-ч(2700ккал) в сутки, транспортные потребности 15 км/день внутригородские и 40 км/день пригородные. Общественный и частный транспорт работает на 100% биотоплива. Потребление частного автомобиля: 7л/100km; электрического автомобиля 100kWh/10км. Сельскохозяйственные продукты: выход энергии 150ГДж/га/год. Выход энергии ветра предполагает площадь равной площади области ротора.

Отталкиваясь от вышеприведённых значений потребности в энергии, мы должны рассмотреть различные варианты производства энергии в соответствии с требуемой площадью. Опираясь на эти результаты, возможно структурировать городские территории завтрашнего дня, исходя из технологии производства и сохранения энергии. Таким образом можно объединить энергетические вопросы и вопросы проектирования и градостроительства в единой форме с учётом, также, традиционных инструментов проектирования.

Таблица 2.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ СЛЕД ЧЕЛОВЕКА

На основании вышеизложенных данных можно сделать некоторые выводы, которые создают совершенно иную модель для проектирования зданий, городского планирования и территориального развития, если «энергетический след» будет в пределах 1000 м² на человека.

1. Из-за их крайне низкой эффективности использования энергии, города должны быть свободны от автомобилей, работающих на двигателях внутреннего сгорания. Более того площадь парковочного места достигает 20м² на один автомобиль возле дома и 20м² возле работы. 

2. Прогноз энергетического спроса на электроэнергию, отопление и охлаждение показывает больший рост потребления, чем сегодня. Потребуется более радикальный подход к энергоэффективности новых и реконструируемых зданий, разработка мер по рациональному использованию и аккумулированию энергии зданиями и городами в различных формах.

3. Существующая модель производства продуктов питания в индустриально развитых странах не может в дальнейшем развиваться. Сложный и тяжёлый переход к производству продуктов питания, который потребует меньший сельскохозяйственный след, будет неизбежен, что ставит под сомнение современные тенденции разведения крупного рогатого скота для производства молока и мяса.

Использование «энергетического следа» человека в проектировании и градостроительстве предполагает следующие рекомендации:

1. По возможности возобновляемые источники энергии должны показывать высочайшую эффективность использования объёма здания и территории города, интегрируясь в здания и городскую ткань, занимая как можно меньше площади (солнечные крыши), применяя тройное использование земли (рассредоточивая солнечные фермы,  ветрогенераторы и тепловые насосы). Сохранение и накопление энергии выходят на первый план.

2. Использование биомассы для производства энергии не будет иметь долгосрочной перспективы из-за увеличения потребности в энергии и питании. Значительный рост урожайности может быть достигнут в теплицах, вертикальных фермах или в океане на фермах по разведению морских водорослей.

3. Так как производство электроэнергии из ветра, солнца, геотермальных источников, наряду с сохранением энергии зданиями и городами имеет наивысший потенциал и эффективность при использования земли, должен произойти переход от способов производства энергии к её рациональному использованию и накоплению в сезонных аккумуляторах заменив, в частности транспортировку энергоресурсов.

4. Эффективные методы ведения сельского хозяйства на плодородных землях в городе и на окраинах и использование технологичных теплиц могут снизить напряжённость в производстве продуктов питания.

Эти выводы можно рассматривать, как набор требований для городского планирования и проектирования зданий, которые не соответствуют классическому подходу в градостроительстве с приоритетом планирования городов с высокой плотностью населения. Новый подход имеет преимущество в энергонезависимости и гибкости планировочных решений.  Города сегодня ещё развиваются по-другому пути. Из-за перегруженности и несовершенной технологии автомобилей энергетическая эффективность частных поездок находится на самом низком уровне, и среда обитания городов давно уже не служит местом жизни людей и создаёт огромное количество вынужденных поездок. Продажа товаров все чаще происходит в агломерациях огромных торговых центров в периферийных районах города, которые доступны только для частного автотранспорта.

Форма города будущего должна учитывать паттерн, который включает энергетический след в городскую ткань. Паттерн должен быть разработан с учётом баланса потребления и производства энергии.

Эта модель должна учитывать плотность населения (от которой зависит интенсивность потребления энергии) и «энергетический след», связанный со всей городской территорией. Следует отдавать предпочтение градостроительным решениям, которые, во-первых, выбирают технологии получения энергии создающие хорошее качество жизни в городе, во-вторых используют те энергетические технологии, которые сокращают расстояние между потребителями и местом производства.

Такого рода "пространственный" и энерго-технологический паттерн может рассматриваться, как отправная точка для разработке градостроительных планов и проектирования зданий, которые также должны соответствовать всем другим потребностям традиционного городского планирования и архитектурного проектирования зданий.