Артём Агекян, Диана Куршева
Современная архитектура несет в себе разнообразие стилей, концепций, подходов. Все чаще в проектах наблюдается стремление архитекторов повлиять на решение глобальных проблем, с которыми сталкивается человечество. Одновременно одной из главных тенденций и задач в архитектуре и строительстве является достижение энергоэффективности проектируемых зданий и сооружений.
В условиях складывающейся ситуации экологического кризиса во многих регионах планеты использование возобновляемой альтернативной энергетики необходимо. По прогнозам финансовой группы БКС «в настоящее время нефть составляет около 33% мировых энергетических потребностей. Уголь обеспечивает их примерно на 30%, а природный газ — на 24%. Вместе это составляет около 87% глобальных энергетических потребностей». По прогнозам нефтегазовой компании British Petroleum мы исчерпаем главный энергетический источник человечества, нефть, к 2070 году. Добыча и переработка вышеперечисленных ресурсов негативно влияет на окружающую среду, увеличивая экологический след, который оставляет за собой человечество в результате жизнедеятельности на планете.
Одним из актуальных используемых методов выведения планеты из кризисного состояния является популяризация использования альтернативной энергетики по всему миру, начиная с глобального уровня отдельных стран и международных соглашений и вплоть до использования альтернативной энергетики отдельными пользователями. Так, 206 например, по словам специалистов, пустыня Сахара является источником колоссального объема возобновляемой энергии, а если быть точнее, то не сама пустыня, а количество солнечного света, поступающего в данный регион Земли. «На каждый квадратный метр поступает в среднем от 2 000 до 3 000 кВт⋅ч солнечной энергии в год», а профессор университета Ноттингем Трент Амина Аль-Хабайбе предполагает, что энергии, накапливающейся в пустыне, хватит для обеспечения ею всей нашей планеты.
На сегодняшний день созданы технологии, позволяющие использовать множество видов возобновляемой энергии, к которым относятся энергия течения рек (гидроэнергетика), энергия приливов и отливов, энергия волн, геотермальная энергия, солнечная энергия, энергия ветра. Одним из самых популярных в мире альтернативных источников энергии на сегодня является энергия ветра. Ветровая генерация занимает 11,6% от общего количества выработки электроэнергии в странах ЕС; в США — 30%, Германия — чуть менее 20%, Дания — 44%, Ирландия — 24% и т. д. А «Работающие сегодня в мире ветряные турбины вырабатывают более 5% мировой электроэнергии». Ветроэнергетика — одна из отраслей возобновляемой энергетики, основанная на «преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, использование которой стремительно развивается по всей планете и становится все больше востребованным среди людей. Так, по прогнозам Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики (NREL), затраты на ветроэнергетику сократятся на 50% к 2030 году, а производительность установок значительно увеличится. Таким образом, поняв, насколько ветроэнергетика важна для всей планеты, и учитывая, что данный вид отрасли может стать более доступным (в том числе и для индивидуальных пользователей, которые смогут использовать ветрогенераторы (ВЭУ) с меньшими затратами), можно прийти к выводу, что данное направление может дать большой толчок в сфере ВИА. В свою очередь, для архитектуры эффективное использование ветроэнергетики непосредственно связано с вопросами аэродинамики.
Архитектурно-градостроительная отрасль, как одна из наиболее энергозатратных отраслей человеческого хозяйства, отслеживает и использует современные технологические тенденции и тренды в части энергообеспечения. Поэтому все чаще современные здания оборудуются ветроэнергетическими установками, солнечными батареями, геотермальными насосами и т. д. Для оптимального выбора места расположения ветроустановки на здании или в городской среде необходимо учитывать аэродинамические свойства самого здания, а также характеристики окружающей среды, влияющие на формирование ветровых потоков. В первую очередь на такие свойства будет влиять форма (геометрия) объекта и объемнопространственные характеристики среды. При этом актуальность изучения аэродинамических характеристик городской среды, зданий и сооружений на этапе проектирования обуславливается не только необходимостью использования возобновляемых источников энергии. При проектировании объектов без использования ветроэнергетических установок, аэродинамический расчет также может помочь решить ряд задач. Общими словами, аэродинамика — это наука, изучающая движение ветровых потоков и их воздействие на определенный объект. Так как Землю невозможно представить без ветров, а движение любого объекта — без взаимодействия с воздушной средой, то эта дисциплина появляется в очень большом количестве индустрий: в автомобилестроении, судостроении, авиастроении, разработке всех космических объектов, метеорологии.
В сфере архитектуры одной из традиционных и обязательных задач в части использования аэродинамических расчетов является учет ветровых нагрузок для определения конструктивных решений зданий и сооружений. Помимо вопросов, связанных с устойчивостью и надежностью несущих конструкций здания, надо учитывать возможность повреждения фасадных конструкций и материалов и, как результат, недолговечность зданий и сооружений в целом. С другой стороны, предварительный расчет формы здания на предмет ее аэродинамических характеристик, помимо возможности избежать вышеобозначенных проблем, может позволить сэкономить в результате повышения энергоэффективности 207 объекта. Так, правильная форма здания и его расположение с учетом преобладающих направлений ветровых потоков способны обеспечить лучшую энергоэффективность и даже снизить экономические затраты на строительство. Например, при строительстве того или иного сооружения наветренная сторона здания может быть облицована материалом с одним, более высоким показателем прочности и способностью сопротивления к разрушению и деформации, а с подветренной с более низкими, что позволит значительно сэкономить на самом строительстве. Тоже самое касается теплотехнических характеристик наружных ограждающих конструкций.
Аэродинамические характеристики влияют и на показатели комфортности и безопасности архитектурной среды. При проектировании комплексов зданий, кварталов, районов необходимо учитывать тот факт, что здание может защищать человека от опасного или неблагоприятного воздействия окружающей среды как внутри, так и снаружи. Такие проблемы, как образование снежных заносов — сугробов, формирование «сквозняков» сильного ветра, осложняющих процесс открытия и закрытия окон, наружных дверей и просто создающих дискомфортное пространство во дворах и общественных местах, решаются посредством проведения аэродинамических расчетов при выборе объемнопланировочных решений во время разработки архитектурного проекта. Также следует понимать, что здание должно соответствовать санитарно-эпидемиологическим характеристикам. Нужно понимать, что важнейшими аспектами здоровой среды являются грамотная инсоляция, комфортный для человека размер пространства и, наконец, хорошее проветривание.