Оптимизация инженерной инфраструктуры здания. Основные положения

Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, профессор МАрхИ, otvet@abok.ru

Цель этой статьи – представить в системном изложении многотехнологичную по содержаниям и разновидностям инженерную инфраструктуру современного здания и попытаться наметить основные положения ее оптимизации.

При написании статьи автор опирался на собственный многолетний опыт системного анализа здания как единой энергетической системы, а также разработанные под его руководством стандарты оценки среды обитания с позиций зеленого строительства [1–4].

Статья является первым опытом и, безусловно, не претендует на законченность решения проблемы. Более того, в ряде мест она содержит недостаточно точные формулировки, к которым при желании можно придраться и которые можно оспорить. Однако автор уверен, что статью заметят специалисты, а поиски метода оптимизации инженерной структуры здания необходимы и получат дальнейшее развитие – время покажет, в каких формах это произойдет.

Формулировка задачи

Инженерная инфраструктура здания – это комплекс взаимосвязанных инженерно-технических устройств и технологий, обеспечивающих среду обитания человека или возможность проведения технологического процесса. Для примера можно указать основные составляющие инженерной инфраструктуры жилых и общественных зданий: внешние и внутренние системы электро-, тепло-, газо-, водоснабжения и водоотведения, освещения, системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, мусороудаления, телекоммуникационные системы.

Современное инженерно-техническое оборудование и технологии могут обеспечить среду обитания любого уровня качества. Однако даже применение оборудования самой высокой эффективности не является гарантом оптимального решения всей инфраструктуры здания и ее отдельных частей.

Вместе с тем на практике, в зависимости от требований к качеству среды обитания, предъявляют различные требования к его инфраструктуре. Для примера предположим наличие трех уровней качества среды обитания: эконом-класс, бизнес-класс и премиум-класс. Далее можно принять, что, например, инфраструктура отопления, вентиляция и кондиционирования для зданий эконом-класса имеет следующие составляющие или следующие уровни качества:

• микроклимат помещения обеспечивается системой водяного отопления и естественной вентиляцией;
• для зданий бизнес-класса микроклимат помещения обеспечивается системой отопления и механической вентиляцией,
• для зданий премиум-класса микроклимат помещения обеспечивается системой кондиционирования.

Аналогично введем уровни качества для инженерной инфраструктуры мусороудаления здания:

• мусороудаление с помощью контейнеров, расположенных во дворе, – эконом-класс;
• мусороудаление с помощью мусоропроводов, расположенных в здании, – бизнес-класс;
• мусороудаление с помощью сплавной системы – премиум-класс.

Подобную систему уровня качества можно ввести, например, для инженерной инфраструктуры регулирования теплопотребления здания:

• регулирование на центральном тепловом пункте отнесем к эконом-классу;
• регулирование на вводе в здание, на индивидуальном тепловом пункте отнесем к бизнес-классу;
• регулирование поквартирное и покомнатное отнесем к премиум-классу.

Собственно говоря, аналогичным образом можно ввести уровни качества для всех составляющих инженерной инфраструктуры здания.

Самое существенное заключается в том, что каждая составляющая инженерной инфраструктуры здания состоит из взаимосвязанных, взаимодействующих и взаимозависимых частей как по отношению к самой себе, так и ко всей в целом инженерной инфраструктуре.

Выбор той или иной совокупности составляющих инженерной инфраструктуры зависит от качества среды обитания, которое предполагается обеспечить.

Дадим следующие определения оптимизации инженерной инфраструктуры здания: оптимизация инженерной инфраструктуры здания – это определение комплекса взаимосвязанных инженерно-технических устройств и технологий, обеспечивающих выбранный уровень качества среды обитания при минимальных приведенных затратах, или при минимальном потреблении энергии, или при минимизации выделений СО₂.

Оптимизация инженерной инфраструктуры здания – это определение комплекса взаимосвязанных инженерно-технических устройств и технологий, обеспечивающих выбранный уровень качества среды обитания при минимальных приведенных затратах, или при минимальном потреблении энергии, или при минимизации выделений СО₂

Большое значение предлагаемого метода оптимизации инженерной инфраструктуры здания состоит в том, что он позволяет обосновать выбор инженерно-технических устройств и технологий для требуемого качества среды обитания человека в зависимости от климатических и территориальных условий расположения здания, обеспеченности энергетическими и водными ресурсами, наличия технических и экономических возможностей.

Для оптимизации инженерной инфраструктуры здания необходимо установить перечень характеристик качества среды обитания и перечень необходимого для их обеспечения оборудования, технические показатели которого требуется оптимизировать.

Приведем примерный перечень характеристик качества среды обитания: интеллектуализация здания; рациональное водопользование; комфорт и качество микроклимата; энергосбережение и энергоэффективность; качество санитарной защиты и утилизации отходов; экология создания, эксплуатации и утилизации объекта; качество подготовки и управления объектом и т. д.

Введем примерный перечень инфраструктур здания, обеспечивающих среду обитания: внешние системы электроcнабжения, внутренние системы электроcнабжения; внешние системы теплоснабжения; внутренние системы теплоснабжения; внешние системы водоснабжения и водоотведения, внутренние системы водоснабжения и водоотведения; внешние системы газоснабжения; внутренние системы газоснабжения; системы мусороудаления; телекоммуникационные системы; вертикальный транспорт и другие.

Следующий этап состоит в том, чтобы каждой составляющей инфраструктуры здания придать весовой коэффициент ее значимости для данного объекта. Очевидно, что этот коэффициент зависит от района расположения объекта и обеспеченности энергетическими и водными ресурсами, назначения здания и требований к его микроклимату и технологическому процессу в нем и т. д. Например, если проектируется жилой дом для Крыма и имеет место дефицит энергии и воды, то, видимо, весовые коэффициенты для этой категории будут наиболее значимыми.

Примем условно, что имеют место 14 составляющих инфраструктуры и сумма всех весовых коэффициентов равна 1000. На рис. 1 представлен пример возможного распределения весовых коэффициентов инженерной инфраструктуры жилого здания, проектируемого для строительства в Крыму.

Весовые показатели качества среды обитания

Группа специалистов дает экспертную оценку составляющей инфраструктуры, например, «Внешние системы электроснабжения» и оценивает предложенные решения в весовых коэффициентах в зависимости от конкретного места строительства:

• электроснабжение от ТЭЦ;
• электроснабжение от индивидуального генератора;
• электроснабжение от солнечной электростанции аккумулятором энергии и т. п.

Необходимо иметь в виду, что внутри той или иной составляющей может быть значительно больше элементов, чем в приведенном примере. Так, например, для составляющей качества среды обитания «Интеллектуализация здания» могут быть как минимум следующие элементы:

• автоматизированный контроль над всеми системами жизнеобеспечения здания;
• контроль отдельных элементов систем жизнеобеспечения здания;
• применение комнатных контроллеров;
• применение термостатических клапанов (без установки комнатных контроллеров);
• применение датчиков освещенности;
• применение датчиков концентрации углекислого газа;
• применение датчиков присутствия людей;
• применение метеостанций для автоматизированного регулирования параметров микроклимата помещений и т.д.

Чем больше элементов будет представлено в той или иной составляющей, тем больше возможностей для оптимизации инженерной инфраструктуры объекта. Это, наверное, главное обстоятельство для оптимизации.

Уровень качества среды обитания оценивается суммой экспертных оценок каждого элемента инфраструктуры объекта из максимально возможного числа.

Теперь приступаем к оптимизации. Оценку того или иного инженерного решения будем выполнять по величине приведенных затрат или по индексу доходности (ИД).

Индекс доходности определяет чистый доход на 1 руб. вложений за период времени Т. Период времени Т может быть заданным сроком окупаемости рассматриваемого инженерного решения или его жизненным циклом:

ЧДД – величина чистого дисконтируемого дохода, отнесенная к рассматриваемому инженерному решению;

К – капитальные затраты на реализацию данного инженерного решения.

Если величина индекса доходности не удовлетворяет, то выбираем другие технические решения, но в любом случае сумма весовых коэффициентов должна соответствовать уровню принятого качества среды обитания.

Этапы оптимизации

Теперь можно представить соображения по этапам оптимизации инженерной инфраструктуры проектируемого или реконструируемого здания.

Этап 1. Принимаем к рассмотрению проектируемый или реконструируемый строительный объект.

Этап 2. Задаемся уровнем качества среды обитания, например: эконом-класс, бизнес-класс или премиум-класс.

Этап 3. Определяем перечень составляющих инфраструктуры, обеспечивающих среду обитания.

Этап 4. Определяем группу экспертов, задачей которой является назначение каждой составляющей инженерной инфраструктуры весового коэффициента.

Этап 5. Группа экспертов устанавливает перечень оборудования и технологий в каждой составляющей инженерной инфраструктуры и присваивает весовые коэффициенты таким образом, чтобы весовой коэффициент уровня лучшего качества среды обитания был равен весовому коэффициенту, установленному экспертами для данной категории.

Очень существенно при этом, что, например, может быть несколько разновидностей лучшего оборудование для премиум-класса и это верно для инженерного оборудования бизнес- и эконом-класса.

Этап 6. Группа экспертов устанавливает перечень оборудования и максимальное число весовых коэффициентов, соответствующих уровню качества премиум-класса, или бизнес-класса, или эконом-класса.

Этап 7. Специалист в области оптимизации инженерной инфраструктуры (его надо обучить!) выбирает по каждой составляющей инфраструктуры различное оборудование и технологии с соответствующими весовыми коэффициентами так, чтобы в сумме был выдержан выбранный уровень качества и вычисляет по каждому из них индекс доходности. Вместо индекса доходности, как указано выше, может быть использован другой критерий, например: минимум потребления энергии или мининум выделения парниковых газов.

Выводы

В заключение статьи становится очевидным, что реализация предлагаемой оптимизации инженерной структуры здания должна основываться на следующих документах:

• свод правил или стандарт по оптимизации инженерной инфраструктуры здания (аналогично стандарту рейтинговой оценки зданий зеленого строительства);
• руководство по использованию свода правил или стандарта по оптимизации инженерной инфраструктуры здания.

Типы и виды объектов инженерной инфраструктуры

1. Объекты инженерной инфраструктуры подразделяются на объекты водоснабжения, водоотведения, тепло-, энергоснабжения, электроснабжения, топливоснабжения, информатики и связи.

Объекты инженерной инфраструктуры каждого типа подразделяются на линейные объекты и сооружения.

Линейные объекты – трубопроводы, кабельные линии, каналы, коллекторы для инженерных коммуникаций, предназначенные для транспортировки инженерных ресурсов от источников и инженерных сооружений до потребителей и для транспортировки сточных вод от потребителей и городских территорий до водоприемников.

Инженерные сооружения – сооружения, предназначенные для производства, аккумулирования, перераспределения ресурсов, управления системами технического обеспечения и безопасности в инженерных системах и для очистки питьевой и сточной воды.

Линейные объекты и сооружения каждого типа подразделяются на виды объектов инженерной инфраструктуры.

2. Подземные инженерные сети следует размещать преимущественно в пределах поперечных профилей улиц и дорог под тротуарами или разделительными полосами в траншеях или тоннелях (проходных коллекторах). В полосе между красной линией и линией застройки следует .размещать газовые сети низкого и среднего давления и кабельные сети (силовые, связи, сигнализации, диспетчеризации и др.).

При ширине проезжей части более 22 м следует предусматри­вать размещение сетей водопровода по обеим сторонам улиц.

В условиях реконструкции проезжих частей улиц и дорог, под которыми расположены подземные инженерные сети, следует предусматривать их вынос под разделительные полосы и тротуары. Допускается сохранение существующих и прокладка новых сетей под проезжей частью при устройстве тоннелей.

3. Прокладку подземных инженерных сетей в тоннелях (проходных коллекторах) следует предусматривать, как правило, при необходимости одновременного размещения тепловых сетей диаметром 500 — 1000 мм, водопровода до 500 мм, кабелей (связи и силовых, напряжением до 10 кВ) — свыше 10 кВ, а также на пересе­чениях с магистральными улицами и железнодорожными путями. Совместная прокладка газо — и трубопроводов, транспортирующих легковоспламеняющиеся и горючие вещества, с кабельными линиями не допускается.

В зонах реконструкции, в охранных зонах исторической застройки или при недостаточной ширине улиц устройство тоннелей (коллекторов) допускается при диаметре тепловых сетей от 200 мм.

В районах распространения вечномерзлых грунтов при осу­ществлении строительства с сохранением грунтов в мерзлом состоянии следует предусматривать размещение теплопроводов в тоннелях независимо от их диаметра.

На участках застройки в сложных грунтовых условиях (лес­совые, просадочные) необходимо предусматривать прокладку инже­нерных сетей, как правило, в тоннелях в соответствии со СНиП 23-01-99*, СНиП 2.04.02 – 84*, СНиП 2.04.03 — 85 и СНиП 41-02-2003.

Примечание. В виде исключения при невозможности подземного размещения тепловых сетей или как временное решение допускается наземная прокладка сетей при проведении специального обоснования и согласования в установленном порядке .

4. Расстояния по горизонтали (в свету) от ближайших подземных инженерных сетей до зданий и сооружений следует принимать в соответствии с нижеследующей таблицей. Минимальные расстояния от подземных (наземных с обвалованием) газопроводов до зданий и сооружений следует принимать в соответствии с СНиП 42-01-2002.

Инженерные сети	Расстояние, м, по горизонтали (в свету) от подземных сетей до
фунда- ментов зданий и соору- жений	фунда- ментов ограж- денийпредпри-ятий, эстакад, опор контактной сети и связи, железных дорог	оси крайнего пути	бортового камня улицы, дороги (кромки проез- жей части, укреп- ленной полосы обочины)	наружной бровки кювета или подошвы насыпи дороги	фундаментов опор воздушных линий электропередачи напряжением
железных дорог колеи 1520 мм, но не менее глубины траншеи до подошвы насыпи и бровки выемки	желез- ных дорог колеи 750 мм и трамвая	до 1 кВнаруж- ногоосве- щения, контакт- ной сети трамваев и трол- лейбу-сов	св. 1 до 35 кВ	св. 35 до 110 кВ и выше
Водопровод и напорная канализация	2,8
Самотечная канализация (бытовая и дождевая)	1,5	2,8	1,5
Дренаж	2,8	1,5
Сопутствующий дренаж	0,4	0,4	0,4	0,4	—	—	—	—
Тепловые сети:
от наружной стенки канала, тоннеля	2 (см. прим.3)	1,5	2,8	1,5
от оболочки бесканальной прокладки	1,5	2,8	1,5
Кабели силовые всех напряжений и кабели связи	0,6	0,5	3,2	2,8	1,5	0,5*	5*	10*
Каналы, коммуника- ционные тоннели	1,5	2,8	1,5	3*
Наружные пневмо-мусоро- проводы	3,8	2,8	1,5
* Относится только к расстояниям от силовых кабелей. Примечания*: Для климатических подрайонов IА, IБ, IГ и IД расстояние от подземных сетей (водопровода, бытовой и дождевой канализации, дренажей, тепловых сетей) при строительстве с сохранением вечномерзлого состояния грунтов оснований следует принимать по техническому расчету. Допускается предусматривать прокладку подземных инженерных сетей в пределах фундаментов опор и эстакад трубопроводов, контактной сети при условии выполнения мер, исключающих возможность повреждения сетей в случае осадки фундаментов, а также повреждения фундаментов при аварии на этих сетях. При размещении инженерных сетей, подлежащих прокладке с применением строительного водопонижения, расстояние их до зданий и сооружений следует устанавливать с учетом зоны возможного нарушения прочности грунтов оснований. Расстояния от тепловых сетей при бесканальной прокладке до зданий и сооружений следует принимать как для водопровода. Расстояния от силовых кабелей напряжением 110-220 кВ до фундаментов ограждений предприятий, эстакад, опор контактной сети и линий связи следует принимать 1,5 м. Расстояния по горизонтали от обделок подземных сооружений метрополитена из чугунных тюбингов, а также из железобетона или бетона с оклеечной гидроизоляцией, расположенных на глубине менее 20 м (от верха обделки до поверхности земли), следует принимать до сетей канализации, водопровода, тепловых сетей — 5 м; от обделок без оклеечной гидроизоляции до сетей канализации — 6 м, для остальных водонесущих сетей — 8 м; расстояние от обделок до кабелей принимать: напряжением до 10 кВ — 1 м, до 35 кВ — 3 м. В орошаемых районах при непросадочных грунтах расстояние от подземных инженерных сетей до оросительных каналов следует принимать (до бровки каналов), м: 1 — от газопровода низкого и среднего давления, а также от водопроводов, канализации, водостоков и трубопроводов горючих жидкостей; 2 — от газопроводов высокого давления до 0,6 МПа (6 кгс/см ), теплопроводов, хозяйственно-бытовой и дождевой канализации; 1,5 — от силовых кабелей и кабелей связи; расстояние от оросительных каналов уличной сети до фундаментов зданий и сооружений — 5 м.

5. Расстояния по горизонтали (в свету) между соседними инженерными подземными сетями при их параллельном размещении следует принимать в соответствии с нижеследующей таблицей, а на вводах инженерных сетей в зданиях сельских поселений — не менее 0,5 м. Минимальные расстояния от подземных (наземных с обвалованием) газопроводов до сетей инженерно-технического обеспечения следует принимать в соответствии с требованиями СНиП 42-01-2002.

Инженерные сети	Расстояние, м, по горизонтали (в свету) до
Тепловыхсетей
водопро вода	каннализации бытовой	дренажа и дож девой кана лизации	кабелей силовых всех напряже- ний	кабелей связи	наружная тенка канала, тоннеля	оболочка бесканальной прокладки	канналов, тоннелей	наружных пневмому- соропроводов
Водопровод	см. прим	см. прим.	1,5	0,5*	0,5	1,5	1,5	1,5
Канализация бытовая	см. прим	0,4	0,4	0,5*	0,5
Дождевая канализация	1,5	0,4	0,4	0,5*	0,5
Кабели силовые всех напряжений	0,5*	0,5*	0,5*	0,1- 0,5*	0,5	1,5
Кабели связи	0,5	0,5	0,5	0,5	—
Тепловые сети:
от наружной стенки канала, тоннеля	1,5	—	—
от оболочки бесканаль-ной прокладки	1,5	—	—
Каналы, тоннели	1,5	—
Наружные пневмо- мусоропроводы	1,5	—

* В соответствии с требованиями разд.2 Правил устройства электроустановок (ПУЭ), утвержденных Минэнерго СССР по согласованию с Госстроем СССР.

Примечания: При параллельной прокладке нескольких линий водопровода расстояние между ними следует принимать в зависимости от технических и инженерно-геологических условий в соответствии со СНиП 2.04.02-84*.

Расстояние от бытовой канализации до хозяйственно-питьевого водопровода следует принимать, м: до водопровода из железобетонных и асбестоцементных труб — 5; до водопровода из чугунных труб диаметром до 200 мм — 1,5, диаметром свыше 200 мм — 3; до водопровода из пластмассовых труб — 1,5.

Расстояние между сетями канализации и производственного водопровода в зависимости от материала и диаметра труб, а также от номенклатуры и характеристики грунтов должно быть 1,5 м.

При пересечении инженерных сетей между собой расстояния по вертикали (в свету) следует принимать в соответствии с требованиями СНиП II-89-80*.

6. Пересечение инженерными сетями сооружений метрополитена следует предусматривать под углом 90 0 , при реконструкции допускается уменьшать угол пересечения до 60 0 . На участках пересечения трубопроводы должны иметь уклон в одну сторону и быть заключены в защитные конструкции (стальные футляры, моно­литные бетонные и железобетонные каналы, коллекторы, тоннели). Расстояние от наружной поверхности обделок сооружений метропо­литена до защитных конструкций должно быть не менее 10 м в каждую сторону, а расстояние по вертикали (в свету) между обделкой или подошвой рельса (при наземных линиях) и защитной конструкцией – не менее 1 м.

На участках пересечения трубопроводы должны иметь уклон в одну сторону и быть заключены в защитные конструкции (стальные футляры, монолитные бетонные или железобетонные каналы, коллекторы, тоннели). Расстояние от наружной поверхности обделок сооружений метрополитена до конца защитных конструкций должно быть не менее 10 м в каждую сторону, а расстояние по вертикали (в свету) между обделкой или подошвой рельса (при наземных линиях) и защитной конструкцией — не менее 1 м.

Прокладка газопроводов под тоннелями не допускается.

7. Переходы инженерных сетей под наземными линиями метрополитена следует предусматривать с учетом требований ГОСТ 23961-80. При этом сети должны быть выведены на расстояние не менее 3 м за пределы ограждений наземных участков метрополитена.

Примечания: В местах расположения сооружений метрополитена на глубине20 м и более (от верха конструкции до поверхности земли), а также в местах залегания между верхом обделки сооружений метрополитена и низом защитных конструкций инженерных сетей глин, нетрещиноватых скальных или полускальных грунтов мощностью не менее 6 м изложенные требования к пересечению инженерными сетями сооружений метрополитена не предъявляются, а устройство защитных конструкций не требуется.

В местах пересечения сооружений метрополитена напорные трубопроводы следует предусматривать из стальных труб с устройством с обеих сторон участка пересечения колодцев с водовыпусками и установкой в них запорной арматуры.

8. При пересечении подземных инженерных сетей с пешеходными переходами следует предусматривать прокладку трубопроводов под тоннелями, а кабелей силовых и связи — над тоннелями.

9. Прокладка трубопроводов с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, а также со сжиженными газами для снабжения промышленных предприятий и складов по селитебной территории не допускается.

Магистральные трубопроводы следует прокладывать за пределами территории поселений в соответствии со СНиП 2.05.06-85*. Для нефтепродуктопроводов, прокладываемых на территории поселения, следует руководствоваться СНиП 2.05.13-90.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.