Деревья поглощают углекислый газ, берегут почву, снижают скорость ветра, влияют на влажность воздуха, а также дают тень - но последнее преимущество часто недооценивают. И напрасно – чтобы показать это и узнать, как тень помогает экономить электроэнергию и защищать от прямых солнечных лучей, научные сотрудники Калифорнийского университета и Лесной службы США начали масштабный эксперимент в столице штата, Сакраменто.
Старт
Климат в Сакраменто – и Калифорнии - схож со средиземноморским. Сухое жаркое лето, влажная мягкая зима и большое количество солнечных дней в году – кондиционеры используются повсеместно, так что любое снижение потребления энергии может дать ощутимый эффект.
В 1990 году благотворительная организация Sacramento Tree Foundation и городское коммунальное хозяйство утвердили программу Sacramento Shade - с целью высадить 500 тысяч деревьев к 2000 году. Ожидалось, что это позволит увеличить площадь тени от городских деревьев - а значит, в перспективе снизить и потребление энергии.
В программу озеленения включили 20 123 жилых участка. Часть деревьев высадили к 1995 году. На этом же этапе эксперимента ученые решили спрогнозировать объем экономической выгоды - создали две компьютерные модели города, по которым рассчитывали площадь тени на зданиях с учетом их состояния и энергопотребления.
Объектом эксперимента стали 254 случайно выбранных дома: их разделили на группы по году постройки и по числу деревьев, растущих неподалеку.
Первый этап: определение площади
На каждый из выбранных для эксперимента домов падала тень от соседних зданий и деревьев. Главной задачей на этом этапе стал поиск способа посчитать затененную площадь: сейчас и через 20-30 лет.
Для создания прогнозов затемнения потребовалось создать 510 компьютерных моделей, имитирующих размер зданий, размах крон деревьев, а также учитывающих местный часовой пояс, широту, долготу и время года. Чтобы упростить подсчет, деревья разделили на три группы: большие (диаметр кроны - более 10 м.), средние (5–10 м.) и маленькие (2–5 м.).
Второй этап: моделирование
От состояния здания и года его постройки зависит многое: какая площадь охлаждается и нагревается, сколько энергии на это уходит. В Сакраменто распространены частный сектор и малоэтажная застройка. Их также разделили на три группы - по годам постройки: до 1978 года (73 дома), в 1978–1983 годы (35 домов) и после 1983 года (146 домов).
Среднестатистический жилой дом в Сакраменто в этой модели представили так: низкий фундамент, один или два этажа, деревянный каркас, навесы. В каждом доме - газовая плита и система отопления, окна затенялись при помощи жалюзи. Летом термостаты настроены на 25°C, а зимой - на 20°C днем и 16°C ночью. Исследователи допустили, что основное время использования кондиционеров и отопительных приборов — с 13:00 до 21:00
Для каждого дома выбрали три главных параметра: энергия охлаждения (кВт/ч), пиковые нагрузки (кВт), энергия нагрева в каждом здании (ГДж).
Также учитывались почасовые средние температуры и данные о затенении от соседних зданий, полученные на первом этапе исследования. В результате еще 765 дополнительных симуляций появилась модель без учета тени деревьев: здесь тень отбрасывали только соседние постройки.
Третий этап: прогноз
Полученные данные помогли исследователям разработать два сценария - как деревья влияли на энергопотребление тогда и как они будут на него влиять через 20–30 лет, когда саженец вырастет. Разница между потреблением энергии в этих сценариях - предполагаемая эффективность новых деревьев.
В начале исследования здания делили по годам постройки. Как оказалось, на все три группы деревья влияли примерно одинаково, поэтому новым основным параметром стала площадь: 71% зданий, участвующих в исследовании, были одноэтажными со средней площадью 159,6 м2. Остальные 29% были двухэтажными, их средняя отапливаемая площадь оценивалась в 192 м2. В районах с более ранней застройкой запланировали меньше новых посадок - как правило, там уже росли деревья.
К третьему этапу упростили и систему подсчета деревьев: стали учитывать не число крон рядом с каждым отдельным домом, а средние значения. В среднем на один исследуемый дом отбрасывали тень 2,8 существующих дерева, 1,4 соседних зданий и 3,1 запланированных к посадке дерева. В моделях для прогнозов с декабря по март деревья были представлены без листьев, учитывалась только тень от стволов и ветвей. Она блокировала 30% зимнего солнца, и это повлияло на увеличение потребления энергии для обогрева.
На таблице ниже представлены итоги двух сценариев, которые получились при объединении моделей:
Для домов, рядом с которыми запланирована посадка 1-2 новых деревьев, ежегодное снижение нагрузки на системы охлаждения в смоделированных сценариях составило 200 кВт/ч (-10%), пиковое потребление энергии снизилось на 0,11 кВт (-3%).
Итог
Исследование только подтвердило предположения: прямое затенение крыш и стен частных домов действительно может снизить потребность в кондиционировании в летнее время. Каждое дерево позволит за год сэкономить от 5,2% до 7,7% энергии и снизить пиковую нагрузку на 1,9–2,5%. Единственное - это может немного увеличить расход энергии для отопления зимой, но - всего на 1–2%.
Высадка в Сакраменто 500 000 деревьев увеличивает площадь тени от крон на 7%, даже с учетом гибели и вырубки старых деревьев. Это снижает среднюю температуру воздуха в домах и на улицах, как следствие - меняет и привычки людей. Уменьшается потребность в использовании кондиционеров летом, термостаты зимой устанавливаются на более низкие температуры, что повышает показатели сэкономленной энергии.
Источник:
Simulation of tree shade impacts on residential energy use for space conditioning in Sacramento, J.R.SimpsonE.G.McPherson, 1996