Внедрение высоких технологий – механизм влияние на градостроительство
Полина Неустроева, Юрий Моисеев, Николай ШилкинИ сегодня высокие инженерные системы позволяют повысить уровень комфорта и благополучия городов. Рассмотрим развитие инженерных технологий в аспекте их будущего влияния на рисунок проектного полотна.
Для определения влияния высоких технологий на рисунок проектного полотна рассмотрим только некоторые составляющие внешней системы инженерной инфраструктуры населённых пунктов, а именно системы: электроснабжения, теплоснабжения, газоснабжения, водоснабжения, отопления, телекоммуникации. Итак, с развитием технологий происходит, во-первых, «расползание» проектного полотна (рис. 1), во-вторых, образование «чёрных дыр» (рис. 2), которые начинают отрицательно влиять на благополучную территорию (рис. 3). Территория на 40 % используется не эффективно.
Электроснабжение
В электроснабжении все имеющиеся тенденции развития можно разделить на два основных направления: использование альтернативных источников энергии и энергосбережение.
Альтернативные источники энергии способствуют «расползанию» системы расселения. В советский и постсоветский период жизнь «следовала» за электрическими проводами. Альтернативные источники энергии освобождают от привязки к общей системе электроснабжения. Конечно, у них, как у всякой новой технологии, много несовершенств, например, есть проблемы с накоплением (аккумулированием) энергии солнечных батарей, однако их применение все-равно увеличивается (рис. 4).
Энергосберегающие градостроительные решения включают:
Теплоснабжение
Тенденции развития в теплоснабжении тоже идут в двух направлениях: первое - оптимизация и экономия тепловой энергии, второе - извлечение тепловой энергии с помощью альтернативных источников.
При использовании теплонасосных технологий независимо от типа теплового насоса (ТН) и типа привода компрессора на единицу затраченного исходного топлива потребитель получает в 1,2–2,5 раза больше тепла, чем при прямом сжигании. Столь высокая эффективность достигается благодаря тому, что ТН преобразует в тепловую энергию низкопотенциальное тепло естественного происхождения (тепло грунта, грунтовых вод, природных водоемов, солнечную энергию) и техногенных источников (промышленных отходов, очистных сооружений, вентиляции и т. д.) с температурой от +3 до +40 °C, т. е. тепло, которое не может быть напрямую использовано для теплоснабжения.
Большим преимуществом схем теплоснабжения, создаваемых на базе теплонасосных установок (ТНУ) с электрическим приводом, является их высокая экологическая эффективность. Производство тепла с помощью ТНУ характеризуется весьма значительным энергосберегающим эффектом (20–70 % в зависимости от типа ТНУ и замещаемого теплоисточника). Кроме того, оно позволяет приблизить тепловые мощности к местам потребления, т. е. минимизировать протяженность тепловых сетей.
Использование математического моделирования для построения графиков работы теплосетей и систем отопления зданий на основе прогнозов погоды позволяет сделать еще один шаг в развитии инженерных технологий. Например уже сегодня существует облачная программная технология, разработанная финской компанией Leanheat, позволяющая в автоматическом режиме оптимизировать работу сети теплоснабжения.
Газоснабжение
Достойных энергетических конкурентов у газа на данный момент нет. Единственный его недостаток – это конечность ресурса для будущих поколений. Сегодня актуальны: цифровизация газового хозяйства, усовершенствование оборудования, оптимизация расхода. Повсеместно на газораспределительных пунктах внедряется система контроля, устанавливаются специальные датчики, сигналы с которых поступают на котроллеры, расположенные на объектах. Данные о состоянии оборудования передаются в диспетчерский пункт, где они обрабатываются, архивируются и постоянно отслеживается их динамика. Собранные данные передаются в геоинформационную систему и отображаются на электронной карте. Результатом такого взаимодействия является постоянный контроль ситуация на объектах сетей газоснабжения.
Водоснабжение
Все большее внимание в настоящее время уделяется поиску перспективных методов очистки воды: более компактных, дешевых и простых в эксплуатации. К числу таких методов подготовки питьевой воды относятся мембранные методы: ультрафильтрация и нанофильтрация. Различие в методах состоит в уровне очистки воды.
В Париже, а также в некоторых городах США, Швеции, Голландии имеется опыт строительства крупных мембранных установок по улучшению качества воды производительностью от 2 000 до 10 000 м3/ч. Воду после «классических» очистных сооружений пропускают через мембраны, в результате гарантируется ее чистота от болезнетворных бактерий, вирусов и ряда растворенных хлорорганических соединений. В настоящее время ведутся работы по созданию мембранной станции на московских очистных сооружениях.
Одной из проблем городского водоснабжения является состояние самих водопроводных сетей, которые могут загрязнять уже очищенную воду. Поэтому в мировой практике начинает широко использоваться доочистка воды, поступающей из городского водопровода. Применяются мембранные системы и в домашнем водоснабжении. Это многочисленные системы «у крана», системы подготовки питьевой воды в столовых, ресторанах, больницах и т. д.
Неразумное использование источников пресной воды может привести к распространению систем генерации воды, которые пока актуальны лишь в регионах с сухим, жарким климатом. Известны способы регенерации воды из воздуха, добыча воды из айсбергов, технологии сбора дождевой воды и почти фантастические «ловцы облаков».
Телекоммуникационные системы
Самый большой прорыв в последнее время наблюдается в области цифровых технологий. Все более доступными становятся системы Умного дома, разрабатываются концепции перехода от умного дома к умному городу.
«Умный город» можно определить, как интеграцию технологий в окружающую среду, результатом которой является увеличение уровня эффективности процессов во всех областях жизнедеятельности, в целях обеспечения устойчивого развития, безопасности, здоровья населения, а также качества жизни. В основе такой интеграции используется Интернет вещей (Internet of Things, IoT). Установка датчиков, сенсоров и прочих цифровых устройств, их взаимосвязь, позволяют аккумулировать большие данные, анализ которых позволяет выявлять потребности жителей, определять проблемные места в инфраструктуре города, а также дает возможность системам реагировать на возникающие происшествия в автономном режиме, либо же на основе собранной информации сообщать о случившемся в специализированные службы для ликвидации инцидента и его последствий. Кроме того, сами устройства позволяют реализовывать специфические проекты (например, онлайн выборы), что отражается на повышении уровня жизни.
В рассматриваемый концепт входит множество подсистем в зависимости от целей, которые ставятся в качестве результата интеграции технологий. К таким подсистемам можно отнести в различных вариациях «Умное правительство», «Умная энергетика», «Умная экономика», «Умный транспорт», «Умное образование», «Умные дома» и т. п.
Однако ни один город не может стать по-настоящему «умным» без обеспечения безопасности его населения. Поэтому в отдельную подсистему выделяется направление «Безопасный город» («Safe city»), а в некоторых случаях оно рассматривается как отдельный концепт, связанный со «Smart city». «Безопасный город» может включать в себя решения, касающиеся здравоохранения, регулирования движения транспорта и пешеходов, поиска, наблюдения, идентификации и обнаружения, «кризис-менеджмента», промышленности и энергетики и т. д. К этому числу можно отнести и безопасность в сфере газоснабжения и газопотребления.
В свою очередь, безопасность в «Умном городе» должны обеспечивать специализированные, основанные на IoT-технологиях, устройства: камеры наружного наблюдения с установленной системой распознавания лиц, «умные» светофоры и системы координации трафика, позволяющие реагировать на изменения в городском дорожном движении, а также корректировать скоростной режим в реальном времени. Помимо этого могут (и должны) использоваться устройства, отслеживающие состояние городских систем жизнеобеспечения, промышленности, опасных производственных объектов, а также обычных зданий и помещений (в том числе и нежилых). IoT технологии – это двигатель, обеспечивающий появление полностью интегрированных систем безопасности граждан. Они ориентированы на удовлетворение потребностей посредством создания удобных интеллектуальных сервисных приложений.
IoT-связанные системы управления информацией основываются на следующих принципах:
1. Мультисервисная интеграция. Подсистемы, подключенные к IoT, включая видеонаблюдение, контроль доступа, территории и системы пожарной сигнализации, подключены и управляются централизованно. Мощные возможности управления доступом используются для интеграции этих подсистем в области управления данными, сигнализации, передачи мультимедиа и терминальных приложений.
2. Использование больших групп датчиков. Системы безопасности и защиты полагаются на большое количество всевозможных устройств, предназначенных для сбора информации из «физического» мира. В зависимости от желаемой функциональности датчики могут отличаться по форме, доступным возможностям, режимам соединения между собой и системой, а также по формату собираемых и передаваемых данных.
3. Координация на основе установленных правил. В случае получения оповещения о тревоге или аварийной ситуации, система безопасности, подключенная к IoT, выполняет пошаговую, скоординированную обработку полученных данных на основе предустановленных правил, которые определяют действия, подлежащие выполнению соответствующими подсистемами в различных обстоятельствах.
4. Визуализация команд и диспетчеризации. Система безопасности и защиты, подключенная к IoT, должна отображать в 2D и 3D графическую информацию о чрезвычайных ситуациях. Работа с географической информационной системой (ГИС), подключенная к IoT-системе, позволит улучшить оценку места расположения и масштаба инцидента, его последствий, посредством использования визуализированного командно-диспетчерского интерфейса для персонала аварийных служб.
IoT – это платформа для появления цифровой схемы инженерных сетей, которая в свою очередь станет частью цифрового генерального плана, работающего в режиме реального времени.
В настоящий момент взаимодействие инженерных систем выглядит линейно: водоснабжение переходит в водоотведение и канализацию, потребление продуктов – в отходы, энергетическая сфера часто является источником отходов (Рис 5). Динамика этих взаимодействий, скорее отрицательная. Необходимы глобальные изменения, которые будут направлены на взаимодействие всех инженерных систем, превращая городские системы в одну единую.
Предугадать, каким будет мир через десятилетия очень сложно, но можно осознать, каким мы хоти его видеть, и сделать для этого соответствующие шаги. Эти шаги должны касаться взаимодействия, общего метаболизма всех инженерных систем, их оптимизации, внедрения новых технологий.
Все системы будут заложены в один цифровой генеральный план, который может корректироваться в режиме реального времени. Конечно, это отразится и на инертных законодательных процедурах, но подарит больше времени каждому отдельному человеку на жизнь.
1. Глазычев В. Л. Урбанистика.- 2-е издание, стереотипное. –М.: Издательство «Европа», 2017.
2. Лаппо, Г. М. Урбанизация и формирование систем расселения / Г. М. Лаппо. - М.: 1978.
3. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.
4. Программа Организации Объединенных Наций по населенным пунктам (ООН-ХАБИТАТ). Планирование устойчивых городов: направления стратегии. – Лондон, 2009.
5. Организация Объединенных Наций по промышленному развитию.- Rapport sur le developpement industriel. Role de la technologie et de l’innovation dans le dйveloppement industriel inclusif et durable. Vue d’ensemble. - Vienne.: 2016. ●
ОБ АВТОРАХ
Неустроева Полина Константиновна, магистратура МАРХИ, главный архитектор проекта, «Гипрогор»
Моисеев Юрий Михайлович, научный руководитель, доктор архитектуры, профессор МАРХИ
Шилкин Николай Васильевич, канд. техн. наук, руководитель дисциплины «Инженерные системы и среда в архитектуре», профессор МАРХИ
