Здания, отапливаемые человеческим теплом

Молочно-белый фасад семиэтажного углового здания гармонично сочетается со своими соседями на улице Бобур в самом сердце Парижа. Этот район известен своими более заметными обитателями — всего в нескольких минутах ходьбы находится Центр Помпиду, современный музей и экстравагантное архитектурное сооружение 20-го века. Для сравнения, дом номер два на улице Бобур выглядит скромно, но, пожалуй, еще более необычен по своему дизайну, хотя снаружи это незаметно. С 2015 года здание берет тепло от ближайшей станции метро. Температура воздуха в тоннеле метро примерно на 10 градусов выше, чем на улице. 

«Это тепло в основном исходит от человеческих тел, движущихся на станции, и от тепла, производимого поездами», — говорит Женевьев Литто, специалист по климату и энергетике в компании по строительству социального жилья Paris Habitat, разработавшей систему отвода тепла.

«Лестница соединяет подвал здания с тоннелем метро», ​​- говорит Литто. «Установка отбирает теплый воздух из туннеля метро через существующий проход, поскольку теплый воздух проходит через теплообменник для производства горячей воды, которая используется для отопления помещений».

Это отработанное тепло обеспечивает до 35% тепла, необходимого для 20 квартир в Бобур-билдинг и коммерческого помещения на нижнем этаже. Литто добавляет, что это помогает минимизировать дальнейшие выбросы углерода за счет использования системы централизованного теплоснабжения, которая более эффективна, чем отопление зданий по отдельности.

Парижский проект в этом отношении далеко не единственный. По всему миру появляются различные инновационные проекты с энергосберегающим дизайном, направленные на сокращение выбросов углерода. На здания и сооружения приходится более одной трети мирового потребления энергии и почти 40% выбросов углерода, связанных с энергетикой. По данным Международного энергетического агентства (МЭА), в настоящее время только десятая часть энергии, используемой для отопления, поступает из возобновляемых источников. Таким образом, потенциал сокращения выбросов от отопления огромен, особенно с учетом того, что половина общего потребления энергии в мире используется для отопления домов и других зданий. Но до сих пор переход к возобновляемым источникам энергии был вялым — МЭА предсказало, что доля чистых технологий отопления должна удвоиться к 2030 году, чтобы с 50% вероятностью удержать глобальное изменение климата на уровне ниже 1,5 ° C.

Чистое отопление

Одним из наиболее распространенных источников тепла внутри зданий, конечно же, является человеческое тело. А здания, где, по крайней мере, в обычное время, собираются в большом количестве люди, обладают наибольшим потенциалом, чтобы использовать этот душный, согретый людьми воздух с пользой. Оживленные вокзалы, в частности, оказались популярным местом для экспериментов с использованием тепла человеческого тела.

Швеция сделала себе имя для улавливания тепла тела на своей загруженной центральной станции Стокгольма — около 250 000 человек проходили через нее каждый день, до Covid-19. Это тепло используется для обогрева расположенного поблизости 17-этажного здания под названием Kungsbrohuset, что помогает снизить энергопотребление здания до 10%.

«Мы забираем морскую воду для охлаждения вентиляции в Kungsbrohuset и Центральном вокзале Стокгольма», — говорит Роджер Бьорк, технический менеджер Folksam, владеющего Kungsbrohuset. «Когда вода возвращается, она довольно горячая [нагревается теплом тела]. Затем мы рециркулируем воду для выработки тепла в нашей системе централизованного теплоснабжения».

Система централизованного теплоснабжения использует ряд других устойчивых источников помимо тепла тела, включая геотермальное тепло, сжигание неочищенной биомассы — древесные отходы, солому, лесные отходы и т. д. — и избыточное тепло от промышленных зданий. Это тепло затем распределяется по домам и зданиям по всей стране по подземным трубам.

Улла Янсон, старший преподаватель отдела строительных услуг Лундского университета, говорит, что системы централизованного теплоснабжения стали мощным способом обогрева зданий. Половина всей потребности Швеции в отоплении в жилищном секторе в 2017 году была удовлетворена в основном за счет использования тепловых насосов и утилизации отработанного тепла в централизованном теплоснабжении. По словам Янсон, именно энергетический кризис 1970-х годов, когда войны на Ближнем Востоке побудили арабских производителей нефти ввести эмбарго на экспорт нефти в США и Нидерланды, что привело к резкому росту цен на нефть, подтолкнул Швецию к творчеству.

 «Централизованное теплоснабжение — это часть шведского пути решительного государственного вмешательства, когда система оказывается естественной частью развития города».

Железнодорожные вокзалы — не единственные общественные места, в которых много людей используется для отопления. Новаторский торговый центр в Миннесоте в США также частично зависит от тепла человеческого тела, которое обогревает здание. В торговом центре Mall of America не было центрального отопления с момента его открытия в 1991 году — смелый выбор, учитывая, что типичный январский минимум этого штата составляет -15,5 ° C. Вместо этого торговый центр улавливает достаточно тепла от тепла тела своих более чем 109 000 посетителей в день, более восьми акров световых окон и тепла от тысяч огней и светильников, чтобы поддерживать комфортную температуру в течение зимы.

«В определенный день в здании может находиться от 8 000 до 12 000 сотрудников», — говорит Дэн Джаспер, вице-президент по коммуникациям Mall of America. «Многие начинают работать рано утром, поэтому к тому времени, когда большинство сотрудников вошли в здание между 6 и 8 часами утра, торговый центр бывает нагрет до очень приятной температуры».

Конструкции, которые полагаются на улавливание случайных источников тепла, подвергаются испытанию по мере того, как тепловые требования здания становятся более строгими. Больница, например, представляет собой большую проблему для терморегулирования, так как там много людей перемещается и много энергоемких инструментов, вырабатывающих тепло, но его необходимо точно распределить, чтобы обеспечить постоянную комфортную и безопасную температуру, особенно для уязвимых пациентов. Но шестиэтажная больница во Франкфурте, Германия, Klinikum Frankfurt Hoechst, тем не менее, приняла этот подход.

В здании было установлено более 1000 окон с тройным остеклением, что стало первой больницей, использовавшей такую ​​конструкцию. Потребление энергии в больнице, в которой имеется около 1000 коек , в три-четыре раза выше, чем в жилом здании сопоставимого размера, из-за более высокого спроса на энергию со стороны больничного оборудования.

В палатах для пациентов должна поддерживаться температура 22 ° C, что обеспечивается улучшенной теплоизоляцией. Поскольку окна с тройным остеклением не позволяют холодному воздуху проникать в здание, это снижает потребность в энергии, необходимой для обогрева здания. В больнице также используется система вентиляции, которая предварительно нагревает свежий воздух, прежде чем он попадет в комнату, для поддержания температуры в помещении и предотвращения неприятных запахов.

Уютные дома

В то время как большие, загруженные здания, такие как больницы или станции, могут обогреваться множеством тел, индивидуальные жилища с небольшим количеством людей также могут получить выгоду от тепла тела. Эта форма дизайна, подогреваемого человеком, возникла несколько десятилетий назад. Немецкий архитектор Вольфганг Файст построил первое здание в 1990 году с тем, что он назвал «пассивным домом», целью которого является резкое снижение потерь тепла.

«В конце 1970-х мы поняли, что более трети всей энергии, потребляемой в Европе, используется только для отопления зданий. На физическом факультете, где я проводил исследования, мы очень хорошо знали, что лучшая изоляция может спасти почти все это», — говорит Файст.

В зданиях с такой конструкцией большое внимание уделяется теплоизоляции, включая воздухонепроницаемую оболочку здания, двойное или тройное остекление, систему вентиляции с рекуперацией тепла и предотвращение так называемого «теплового моста». Тепловой мост — это область в ограждающей конструкции здания, которая имеет более высокую теплопроводность, чем окружающие материалы, и позволяет теплу выходить из дома. Сохраняя как можно больше тепла внутри, он может снизить потребность в отоплении в здании, которая затем может быть удовлетворена за счет «пассивных» источников, таких как солнечное излучение и тепло от людей внутри и технических устройств. Тепло тела — это лишь один из многих элементов дизайна пассивного дома, но он очень важен. 

«Мой коллега из Дании однажды пошутил по этому поводу: «В прогнозе погоды сказали, что в выходные будет холоднее. Может, пригласим друзей, чтобы согреть дом?», — смеется Файст.

Институт пассивного дома, основанный Файстом, утверждает, что такие здания потребляют примерно на 90% меньше тепловой энергии, чем обычные здания, и на 75% меньше энергии, чем средние новые постройки. По оценке Файста, дополнительные затраты на такой дизайн для односемейного пассивного дома составляют до 8%.

Начиная с 1990-х годов, многие страны приняли дизайн пассивных домов. По состоянию на январь 2020 года институт зарегистрировал 25000 сертифицированных устройств по всему миру. По словам Янсон, проектирование пассивных домов — это не что иное, как способ строительства энергоэффективных зданий с хорошим климатом в помещении круглый год.

«Проект [пассивного] дома предназначен для поддержания хорошего климата в помещении круглый год, иначе это не пассивный дом. Он работает как термос, так же хорошо, как удерживает тепло внутри», — объясняет она.

Дизайн человека

Хотя тепло тела является инновационным и устойчивым источником энергии, оно имеет свои ограничения. Литто из Paris Habitat говорит, что самая большая проблема для проектов, стремящихся использовать тепло от инфраструктуры, такой как вокзалы, — это найти пространство. 

«Этот тип проекта особенно подходит для некоторых новых построек рядом с расширением линии метро, ​​где первоначальное планирование может быть интегрировано с решением восстановления метро с самого начала», — говорит она. 

Но такое перспективное планирование — редкость, и ее компания не смогла найти другой реальной возможности реализовать аналогичный проект во Франции.

Помимо расположения, тепло человеческого тела не может быть единственным источником тепла в здании. 

«Я не думаю, что тепло тела могло бы быть основным источником тепла [в здании], но оно должно сочетаться с теплом от электроприборов, готовки, холодильников и так далее», — говорит Леон Гликсман, профессор строительных технологий и машиностроение в Массачусетском технологическом институте в Бостоне, штат Массачусетс.

Энергосберегающее проектирование зданий не всегда ценится, особенно в странах, где отсутствует зрелое понимание экологических проблем. 

«Все больше людей строят дома по экологическим стандартам, но нет единого мнения о том, сколько энергии это может сэкономить. [Таким образом] до сих пор существует нежелание использовать такой дизайн», — говорит Гликсман. «Некоторые люди очень бережливы, когда дело касается энергии, в то время как другие тратят очень много энергии. Даже если мы спроектируем очень энергоэффективные здания, если люди не будут знать, как их использовать, это не будет эффективно».

Гликксман предполагает, что правительства могут устанавливать стандарты энергосбережения и проводить эффективные и доступные демонстрации, которые отслеживаются для демонстрации их возможностей в области энергосбережения.

Несмотря на препятствия, Янсон говорит, что будущее этого типа энергии многообещающее. 

«Тепло человеческого тела может не удовлетворить общую потребность в энергии для обогрева помещений, но это хороший вклад, и он часто используется в теплообменнике для предварительного нагрева приточного воздуха или повторно используется в тепловом насосе», — говорит она. «Тепло от людей всегда учитывается при моделировании энергии здания, поэтому будущее уже здесь».

Обычно мы можем рассматривать здания как нечто, спроектированное для нас, но когда мы становимся частью дизайна, результатом становится более устойчивое здание, а также более комфортное место для жизни.