Одним из актуальных векторов развития современных мегаполисов является освоение подземного городского пространства. Созданию комфорта и безопасности пребывания людей в сооружениях, расположенных ниже уровня земли, способствуют передовые технологические разработки.
В. Л. Беляев
к.т.н., доцент кафедры «Инженерные изыскания и геоэкология», доцент кафедры «Градостроительство» НИУ МГСУ (г. Москва)
Ю. Н. Селянин
генеральный директор ООО «Солар» (г. Краснодар)
С каждым годом человеческое общество испытывает все более острый недостаток энергоресурсов, необходимых для своего существования и развития.
Одним из главнейших и пока неисчерпаемых источников энергии является Солнце.
Максимальная реализация полезного использования солнечной энергии заключается в успешном решении трех глобальных задач.
- Первая из них — это разработка и производство высокоэффективных преобразователей солнечной энергии в электрическую (например, фотоэлектрических панелей с высоким КПД). Эта задача, в свою очередь, требует изготовления современных аккумуляторных батарей, способных сохранять выработанную электроэнергию до наступления темного времени суток.
- Вторая задача состоит в создании высокопроизводительных систем сбора и накопления тепловой энергии, в основе которых лежат процессы поглощения ИК-спектра солнечного излучения.
- Третья задача — создание высокоэффективных систем сбора и передачи видимого спектра солнечного излучения как наиболее здорового и к тому же бесплатного источника освещения внутреннего пространства зданий и сооружений, в которых люди живут и осуществляют свою трудовую деятельность.
Непрерывное увеличение темпов урбанизации в условиях проявления глобальных изменений климата становится одним из основных экологических вызовов современности. Его общественное осознание диктует необходимость корректирования парадигмы пространственного развития городов в направлении повышения их безопасности и жизнестойкости.
Очевидным способом повышения компактности и связанности города, а значит и устойчивости его развития, является градостроительное освоение подземного пространства (ПП).
Такой вариант одновременно снижает некоторые негативные стороны (например, нивелирует эффект «проклятия компактного города») и обеспечивает здоровый уровень плотности застройки. Под термином «освоение подземного пространства» нами понимается развитие под земной части территории города, осуществляемое путем создания подземных зданий и сооружений (ПЗС), которые представляют собой объекты капитального строительства. Очевидность данного способа территориального развития подтверждается практикой подземного градостроительства в Канаде, Финляндии, США, Китае, Сингапуре, Гонконге, Японии, Южной Корее.
Особенности организации естественного освещения с помощью световодов
Важно отметить, что наряду с неоспоримыми преимуществами формирования городского ПП (экологичность, экономия земель и другие) имеют место и недостатки подземной урбанистики, снижающие уровень комфортности и безопасности среды жизнедеятельности людей. Таковыми являются, прежде всего, пространственная замкнутость ПЗС, их изолированность от дневной поверхности, отсутствие солнечного света. Традиционное назначение оконных проемов (как главного проводника дневного света и средства психологического контакта человека с окружающим его внешним миром) под землей теряет смысл (ПЗС цокольного типа в настоящей статье не рассматриваются).
Известно, что искусственное электрическое освещение по своей психофизиологической эффективности не может адекватно заменить солнечный свет, так как не обладает уникальной структурой солнечного спектра в его временной динамике изменения (циркадности), которая, как известно, является необходимым условием активизации фотохромного пигмента меланопсина — биологического детерминанта, оказывающего влияние на качество среды обитания человека. Кроме того, активное использование искусственного освещения противоречит современной тенденции снижения энергопотребления, стимулирующей поиск новых энергосберегающих технологий.
Отмеченные факторы, безусловно, вызывают у людей (особенно предрасположенных к специфическим патологиям — клаустрофобии, неврозам и другим) негативный психоэмоциональный эффект, в том числе при их пребывании в ПП. Это необходимо учитывать и в подземной архитектуре, например при проектировании объектов метрополитена, торговых, выставочных и развлекательных центров, парковок, офисов, учебных пространств (1), а также иных ПЗС и их комплексов. При этом целесообразно руководствоваться одним из основополагающих принципов подземной урбанистики — принципом компенсации объективной ущербности пребывания человека под землей (2). Этому принципу, в частности, объективно (иногда, к сожалению, малоосознанно) подчинена подземная архитектура, которая представляет собой отдельное архитектурно-строительное направление, обеспечивающее человеку психофизиологический комфорт, абсолютную безопасность, и полностью отвечает «зеленым» принципам. Технологическое введение дневного света в ПЗС, по нашему мнению, следует отнести к визуальному типу комплексности освоения ПП.
1 Авторы настоящей статьи являются сторонниками идеи размещения отдельных учебных помещений (классов, спортивных залов, бассейнов, тиров и других) в подземном пространстве.
2 Отметим, что, в отличие от некоторых стран, в силу указанных негативных факторов использование ПП для целей жилищного строительства в России не допускается. По нашему мнению, это носит, как минимум, дискуссионный характер, так как необходим учет современных инноваций, и прежде всего в части технологий передачи дневного света в подземные помещения. К этому же типу относится также, например, установление зрительной связи между наземной городской средой и ПЗС путем использования специальных планировочных и конструктивных решений, а также путем введения в ПЗС элементов озеленения.
Следует заметить, что традиционные способы передачи естественного света под землю на незначительную глубину (посредством прозрачных крыш, внутренних атриумов, зенитных фонарей и окон в верхних ограждающих конструкциях) не позволяют обеспечить необходимую безопасность и выполнить иные требования к среде обитания человека применительно к более заглубленным ПЗС. Целесообразным способом передачи естественного света в подобных случаях явля ется применение специальных си-стем, наиболее востребованным представителем которых стала технология полых трубчатых световодов (ПТС), которая ниже рассмотрена более подробно.
Данная технология прежде всего выгодно отличается гибкостью применения в различных архитектурно-планировочных решениях, что открывает архитекторам и проектировщикам широкие возможности для реализации творческого потенциала.
Крайне важно также, что технология ПТС принципиально отличается инновационным характером, активно развивается и находит широкое применение в городском строительстве целого ряда зарубежных стран (в США, Канаде, Австралии, Италии, Великобритании, Германии, Китае, Южной Корее, Нидерландах, Беларуси).
В России и некоторых других странах Евразийского экономического союза технология ПТС активно внедряется с 2004 года во множестве проектов зданий и сооружений от частного домостроения до промышленного строительства благодаря профессиональной работе коллектива компании «Солар».
В обширном списке реализованных компанией проектов есть социально значимые объекты, помещения которых находятся в ПП:
Нижегородская правовая академия — проект реализован в 2017 году, когалымский храм Святой мученицы Татианы — реализован в 2018 году, краснодарская клиника WMT — реализован в 2021 году. Применение ПТС на этих объектах позволило расширить функциональные возможности зданий, перенеся часть значимых помещений в ПП.
Светособирающие купола освещения главного свода (верхнее фото) и подклета
(нижнее фото) храма Святой мученицы Татианы (г. Когалым Ханты-Мансийского
автономного округа)
Полые трубчатые световоды
Как уже было отмечено выше, технология ПТС в последние десятилетия активно используется и находит свое развитие во всем мире.
Ее основными достоинствами являются высокая эффективность сбора и концентрации естественного света, адресная его передача на значительную глубину и мягкое (без эффекта ослепления) рассеивание во внутреннем пространстве ПЗС. Возможность захватывать солнечный свет вне зависимости от ориентации объекта по сторонам света, передавать его во вну тренние помещения без искажения спектральых составляющих с минимальными энергетическими потерями делает данную технологию по сути безальтернативной для использования при строительстве подземных сооружений.
Современные системы естественного освещения на основе ПТС ведущих американских и европейских фирм доведены до высокого уровня совершенства и укомплектованы опциями для создания комфортного светового климата в помещениях, в том числе подземных. Следует отметить конструктивное подобие и примерно равный технический и функциональный уровень различных систем. В этой ситуации лидерство на рынке систем естественного освещения будет определяться преимуществами технологического, эксплуатационного и ценового порядков.
Освещение помещения трапезной, расположенной в подземной части храма Святой мученицы Татианы
Организация естественного освещения подземных помещений медицинской клиники WMT (г. Краснодар)
В то же время, к примеру, системы солнечного освещения Solatube ® имеют некоторые конструктивные особенности и достоинства. В частности, оригинальное устройство светособирающего купола системы Solatube® обеспечивает повышенную эффективность захвата и перенаправления солнечных лучей в световой канал даже при минимальной высоте Солнца над горизонтом.
Бесшовный металлический адаптер-флешинг приспособлен для сопряжения с различными типами кровли, обеспечивая долговечную гидро- и термоизоляцию. Световод (набор стыкуемых алюминиевых труб различной конфигурации), покрыт изнутри многослойной полимерной пленкой с максимальной способностью отражения (99,7 % в диапазоне видимой части солнечного спектра). Светорассеивающий элемент (диффузор), устанавливаемый в потолках ПЗС, формирует высокий уровень рассеяния естественного света и исключает блики. Благодаря высокому качеству материалов и технологичности узлов ПТС Solatube® имеют КПД 83 % и способствуют передаче естественного света на расстояние более 20 м вглубь земли.
Более того, применение систем ПТС позволяет значительно снижать тепловые потери в холодный сезон и тепловые поступления в летний период, что определяет дополнительную экономию энергоресурсов для нужд отопления, вентиляции и охлаждения ПЗС.
При этом существенно снижаются затраты на электрическое освещение ПЗС (в дневное время до 75 %). Оценки эффективности показывают, что передавать солнечное излучение во внутреннее пространство помещения в пятьдесят раз более экономично, чем создавать искусственное освещение. В целом продление использования естественного света на один час в течение суток только в промышленном секторе в масштабе России позволяет сэкономить около трех миллионов киловатт-часов электроэнергии в год.
Основным объективным недостатком систем ПТС является суточный дисбаланс естественной освещенности (ее отсутствие в темное время суток). Логичный шаг к его преодолению — развитие систем совмещенного освещения (ССО).
Импульсом к их развитию явилось конструкционное сочетание ПТС (ретрансляторов естественного света) и светодиодов (источников искусственного света). Этому, в свою очередь, способствовало появление прорывных технологий по созданию материалов с почти абсолютными значениями (99,7 %) коэффициента отражения.
Гибридные осветительные комплексы
Отрадным в текущей политико-экономической обстановке является тот факт, что появление и развитие идеи ССО осуществлено в России на базе интеграции ресурсов естественного света (ПТС Solatube® как базовой составляющей) и энергоэффективного искусственного освещения (светодиодных источников), объединенных системой автоматического управления (САУ). Причем каждый компонент такого гибридного осветительного комплекса (ГОК) выполняет свою роль: ПТС проводит естественный свет, блок с современными светодиодами равноценно дополняет (компенсирует) естественный компонент в темное время суток, САУ непрерывно и плавно (незаметно для глаз) регулирует динамику и баланс светового излучения ГОК. Заметим, что именно качество САУ определяет преимущества разработанного и запатентованного комплекса перед традиционной светотехникой и даже зарубежными аналогами.
Важно отметить, что экспериментальное внедрение прототипа данной технологии осуществлено при подготовке и реализации проекта реконструкции одного из крупных объектов — семейного торгового центра «МЕГА-Адыгея».
Технико-экономический анализ данного пилотного проекта показал высокие уровни окупаемости капитальных вложений в ГОК (срок окупаемости менее трех лет) и энергоэффективности.
Декомпозиция ГОК SolarWay® на базе ПТС Solatube® М74:
- коллектор ПТС Solatube® М74 серии SkyVault
- внешний купол;
- внутренний защитный купол;
- элемент защиты от проникновения;
- бордюрный флешинг;
- кольцо фиксации световода;
- световод верхней ступени оптического каскада;
- светодиодный блок искусственного света (СБИС);
- световод нижней ступени оптического каскада;
- кольцо для фиксации рассеивателя;
- призматический рассеиватель
Пример применения ПТС и гибридных систем освещения в торговом центре «МЕГА-Адыгея» (г. Краснодар)
Разработанный под руководством компании «Солар» источник совмещенного света ГОК уже производится и начал применяться в проектах на российском рынке под товарным знаком SolarWay®.
В настоящее время в условиях санкций, которые препятствуют наличию некоторых компонентов Solatube® на российском пространстве, создалась благоприятная ситуация для производства гибридных осветительных комплексов SolarWay® из отечественных компонентов. В направлении импортозамещения в целом, как известно, проводится большая работа, что обнадеживает в отношении перспектив применения рассматриваемых отечественных систем освещения.
Несколько иная картина наблюдается в российской системе строительного нормирования. При наличии отдельных позитивных подвижек в содержании нормативных технических документов по использованию систем ПТС при строительстве и реконструкции объектов, в том числе и при создании ПЗС, к сожалению, преобладает формальное отношение к процессу внесения изменений в СП 52.13330.2011 (доминирова- ние приоритета консервативных в этом отношении требований СанПин), которое существенно затрудняет легитимную возможность применения ССО на базе ГОК в ПЗС.
Таким образом, процесс разработки и внедрения энергоэффективной технологии ГОК опережает процесс совершенствования и утверждения нормативных документов, требования и рекомендации которых в данном случае не учиты- вают инновации (3). Это порождает на практике новые барьеры и в итоге снижает уровень устойчивости пространственного развития, в частности, препятствуя созданию современных высокоэффективных, комфортных и безопасных ПЗС.
3 В то же время выполнение таких требований носит обязательный характер, и они, в частности, отражаются в составе ТЗ на разработку (актуализацию) любых СП.
Очевидно, что для стабильного территориального развития современных городов необходимо более полное использование потенциала подземного пространства в сочетании с созданием иных благоприятных условий жизнедеятельности человека. При регулировании вопросов освоения подземного пространства Минстрою России и другим уполномоченным ведомствам целесообразно ориентироваться на системный подход с приоритетом внедрения в практику современных инновационных отечественных решений, и в отмеченной текущей ситуации это, действительно, более чем актуально. К таким решениям относятся, в частности, и системы передачи естественного света в ПЗС как необходимое условие комфортного и безопасного пребываниялюдей в подземных помещениях.
Универсальным техническим средством для обеспечения естественного и совмещенного освещения является гибридный осветительный комплекс.
По мнению авторов настоящей статьи, следует инициировать и обеспечить включение моделей ПТС и ГОК в федеральные и региональные перечни (реестры и каталоги): энергоэффективного оборудования, инновационных технологий и технических решений, строительной продукции, экспериментального проектирования и строительства, а также вносить тематику по их совершенствованию и практическому применению в планы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и планы осуществления нормативно-технического регулирования Минстроя России.