АРХИТЕКТУРА ЭНЕРГОАКТИВНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ И КОМПЛЕКСОВ
Архитектурные и энергетические начала разработки многофункциональных гелиокомплексов
В. В. Захаров
Одно из первых упоминаний о солнечной энергии относится к XV в. до нашей эры. Внутри статуи египетского фараона Аменхотепа III помещалась система воздушных и водяных камер, заставляющая лучи восходящего солнца приводить в действие спрятанный там музыкальный инструмент. В Каирском музее хранится барельеф, выполненный примерно в 1370 г. до н. э. На этом барельефе изображены фараоны Эхнатон и его супруга Нефертити, поклоняющиеся солнечному диску Атону, который благословляет их своими животворными лучами (рис. 5.1).
Энергетический кризис заставил вновь обратиться к заманчивой идее использования неисчерпаемой солнечной энергии. Привлекательность идеи использования солнечной энергии, кажущаяся простота и неограниченность ее источника создают иллюзию возможности немедленной реализации этой идеи.
В действительности проблема солнечной энергетики достаточно сложна и требует комплексного подхода. Несмотря на то, что значительная часть территории СССР расположена на довольно высоких широтах, обширные районы нашей страны по своим климатическим характеристикам благоприятны для активного использования солнечной энергии. К таким районам относятся Средняя Азия, Казахстан, Закавказье, Северный Кавказ, нижнее Поволжье, Молдавия, юг Украины, Приморский край. Это не означает, что остальная территория не пригодна для строительства энергоактивных объектов, просто там задачи солнечной энергии решаются по-другому. При комплексном подходе к проектированию можно получать разнообразные решения объектов и целых градостроительных образований, отвечающих современным техническим и эстетическим требованиям. Техника использования солнечной энергии — гелиотехника — базируется на общих фундаментальных законах природы, широко используя достижения разных отраслей современной науки.
Качественный скачок в проектировании и строительстве солнечных объектов должен последовать после накопления достаточного числа экспериментальных разработок и успешной эксплуатации относительно небольших энергоактивных зданий. В Советском Союзе и ряде других стран возводятся или вступили в строй первые солнечные электростанции (СЭС). Следующая ступень в развитии солнечных объектов состоит в разработке гелиопоселков и гелиокомплексов, а в перспективе — многофункциональных гелиокомплексов, где реализуется принцип перераспределения энергии между объектами при объединении всех гелиоустановок в одну энергосистему или солнечная энергия непосредственно участвует в технологическом процессе.
Для решения вопросов архитектурного формирования многофункциональных гелиокомплексов необходимо:
обобщить современный опыт архитектурного проектирования энергоактивных зданий и гелиокомплексов;
вывести общие закономерности в построении объемно-планировочных структур этих зданий и комплексов;
выявить объемно-планировочные параметры и конструктивные решения, наиболее отвечающие требованиям технологии, и исследовать их с точки зрения перспектив применения;
выявить пластические особенности и возможности создания архитектурного образа. .
Основная задача заключается в определении принципов архитектурного решения таких зданий и комплексов для различных природно-климатических условий.
Объемно-планировочная структура энергоактивных объектов в основном соответствует функциональной структуре, но в то же время она должна играть самостоятельную роль в архитектурном решении. К основным архитектурностроительным факторам традиционно относятся следующие:
выявление объемно-планировочных параметров, разработка габаритных схем и создание на этой основе типовых решений;
четкое зонирование групп подразделений, позволяющее добиться более экономичного и технологически правильного решения;
унификация и стандартизация элементов конструкции;
рациональная организация сетей инженерного обеспечения;
применение эффективных современных материалов и конструкций, улучшающих эксплуатационные качества.
При типизации зданий и сооружений гелиокомплекса в целом или его составляющих возникает задача проектирования с такой степенью гибкости, которая обеспечивала бы разнообразие архитектурных решений. При этом предъявляются два противоречивых требования относительно гибкости проектирования этих комплексов. С одной стороны — требование вариантности состава и градостроительной маневренности, с другой — гибкости внутренней структуры, обеспечивающей возможность изменения назначения подразделений, развития одних функций за счет других, видоизменения пространства интерьеров. Один из возможных путей решения этого противоречия — методика вариантного проектирования с использованием функционально-планировочных элементов, основанная на сочетании типового и индивидуального проектирования.
Комплекс может строиться как единовременно, так и по этапам. При варьировании общей композиции гелиоцентра необходимо обеспечивать, как и в обычных комплексах, архитектурную целостность объемов, фасадов и интерьеров комплекса и зданий, в том числе и на каждом этапе его возведения. Единству архитектурно-планировочного решения должно способствовать общее свободное коммуникационное пространство, объединяющее элементы в целостный комплекс. Многофункциональный гелиокомплекс особенно сложен и многообразен по своей функциональной организации и технологии.
Совершенствование проектирования предполагается в направлении индивидуализации общего архитектурного решения комплекса, более гибкого и всестороннего учета конкретных условий строительства: градостроительной ситуации, природно-климатических условий, строительной базы, окружающей среды, создания образа многофункционального научно-производственного гелиокомплекса.
В настоящее время все острее возникает потребность в большей увязке каждого строящегося комплекса с местными многообразными условиями и, следовательно, в разнообразии их архитектурных решений.
В социальном аспекте архитектура в значительной степени ослабила связи с национальными, эстетическими, демографическими традициями и требованиями, которые на протяжении тысячелетий определились конкретными климатическими условиями и духовными потребностями человека. Если внимательно проанализировать исторический опыт формирования народного жилища, выявить последовательность и законы этого процесса, влияние природно-климатических условий на формирование традиционных типов народного жилища, можно убедиться, что творения, например, древнерусских зодчих создавались с учетом законов энергоактивности Народные постройки восхищали и восхищают нас на редкость гармоничными соотношениями своих частей, логичностью архитектурного замысла, сочетанием комплекса функциональных требований к объекту с естественной красотой его форм.
Архитектура энергоактивных зданий и комплексов — это создание среды обитания и трудовой деятельности в новых гелиодомах и технологических гелиокомплексах, построенных с учетом природно-климатических условий и региональных традиций народного зодчества. Энергоактивные здания и гелиокомплексы, в которых потенциал пластической разработки заложен в самом конструктивном решении, можно рассматривать как конкретное воплощение органического синтеза утилитарного и эстетического.
На смену экспериментальному проектированию и строительству солнечных зданий пришло время тщательного анализа уже осуществленных и будущих разработок. Энергоактивные гелиосистемы должны рассматриваться в тесной связи с архитектурно-планировочными и конструктивными решениями самих зданий. Необходим поиск нового подхода к методу работы с архитектурным пространством под углом зрения энергетических функций зданий или комплексов.
Комплексное решение задач при проектировании многофункционального гелиокомплекса «Сатурн»
В. В. Захаров
Многофункциональные промышленные предприятия имеют ряд особенностей. которые значительно усложняют формирование ансамбля. В отличие от ансамблей жилых и общественных зданий, которые состоят из композиционно связанных между собой объектов, сохраняющих, однако, внутреннюю завершенность и независимость, промышленное предприятие представляет собою систему, каждый элемент которой — лишь звено в технологической цепи. Производственный процесс имеет заранее определенные компоненты: здания основного и вспомогательного назначения, административно-бытовые и складские здания, сооружения инженерных служб. Более того, направление грузопотоков, социальная и техническая инфраструктура, а также проблемы, связанные с гелиоэнергетикой предприятия, диктуют определенную последовательность и взаимное расположение объектов. Чем ярче выражена функциональная взаимосвязь элементов многофункционального промышленного комплекса, тем легче он воспринимается как единое целое.
Однако архитектурная организация всего комплекса застройки предприятия осложняется тем, что элементы многофункциональных промышленных гелиокомплексов очень разномасштабны и разнохарактерны. Здесь и крупномасштабные по площади производственные подразделения, и схожие по архитектуре с гражданскими административно-бытовые здания, и разнообразные по силуэту, форме и размерам инженерные сооружения и гелиосооружения: концентраты, гелиостаты, солнечные батареи, высотные сооружения с парогенераторами и др.
Обеспечение архитектурного единства застройки, состоящей из многообразных, подчас трудно сочетаемых объектов, — одна из главных проблем при формировании промышленного ансамбля многофункционального характера. При проектировании гелиокомплексов с разнородными и разнообразными по назначению и планировке сооружениями требуется также привязка к природно-климатическим условиям района строительства. Архитектор должен быть объединяющим и организующим началом — «композитором» и «дирижером». В тех случаях, когда разнообразие свойств элементов застройки гелиокомплекса положено в основу архитектурно-художественного замысла, создаются предпосылки для формирования выразительного, гармоничного ансамбля.
5.1. Барельеф, выполненный в 1370 г. до н. э. Фараон Эхнатон и его супруга Нефертити поклоняются богу солнца Атони
Рис 5.3. Основная зона комплекса «Сатурн»
Рис 5.2 Общий вид гелиокомплекса «Сатурн» (макет)
Примером, иллюстрирующим это положение, может служить проект перспективного научно-производственного типового гелиокомплекса «Сатурн» (рис. 5.2), отмеченный дипломом СА СССР на III Всесоюзном конкурсе на лучший проект года (руков. автор, коллектива архит. В. В. Захаров). В проекте определены роль и место каждого компонента, благодаря чему они в сочетании повышают «ценность» друг друга и развивают общую композиционную идею. Благодаря дифференциации компонентов по их свойствам и назначению в ансамбле образовалась система, на основе которой может строиться множество разнообразных композиций. Это особенно важно при формировании крупных многофункциональных многообъектных гелиокомплексов, в застройке которых достичь ансамблевости наиболее трудно.
Гелиокомплекс «Сатурн» состоит из двух функциональных зон — зоны основных зданий и зоны вспомогательных зданий и сооружений. Основная зона решена в центрической композиции, в которую входят семь корпусов, расположенных по окружности. В центральной части образуется внутреннее открытое пространство, в геометрическом центре которого расположен рекреационный блок с конференц-залом, объединенный по оси симметрии с административным блоком, к которому примыкает крытая автостоянка. Каждый из семи корпусов представляет собой самостоятельный блок, функционально связанный со всеми другими (рис. 5.3).
Вспомогательная зона включает производственные, гелиоэнергетические, хозяйственные, складские и другие объекты, объединенные системой инженерных коммуникаций, сгруппированные на прямоугольном участке, ось симметрии которого является продолжением оси осимметрии основной зоны.
Цель архитектурно-строительной части проекта — повышение надежности, улучшение основных эксплуатационных качеств, повышение экономичности за счет снижения энергетических нагрузок от внешних воздействий на системы и объекты комплекса, повышение их пространственной жесткости и сейсмостойкости. Кроме того, одной из задач проектирования было стремление соединить в общем композиционном решении функционально разные, но взаимосвязанные сооружения, создать образ многофункционального научно-производственного гелиоцентра.
Часть объемов основной зоны комплекса выполнена встречно-наклонными. Блоки изогнуты в плане по дугам окружности разного радиуса и концентрично размешены в противоположных секторах условного круга. Аналогично встречно-наклонными выполнены спаренные блоки, имеющие протяженную прямоугольную конфигурацию в плане. Основной несущий элемент каркаса встречнонаклонных блоков, как прямолинейных, так и искривленных по дугам в плане, изготовлен в виде жестких рам, конфигурация надземной части которых имеет вид параллелограмма с наклонными боковыми гранями и горизонтальными основаниями. Рамы концентрически изогнутых блоков комплекса размещены в вертикальных радиальных плоскостях, ориентированных к центру, а рамы всех блоков в уровне горизонтальных ригелей связаны жесткими дисками. Между встречно-наклонными блоками образована относительно затененная зона с переменным затенением горизонтальной площадки между блоками и постоянным затенением в летний период встречно-наклонных граней блоков (рис. 5.4, 5.5). Здесь можно говорить об интегрированном использовании конструкций. Они выполняют несущие, солнцезащитные и ограждающие функции, что позволяет превратить их в основной композиционной элемент фасада и укрупнить масштабное решение этих относительно небольших зданий.
Рис. 5.5. Главный вход комплекса
Основной материал несущих конструкций — монолитный железобетон. Одна сторона наружного ограждения блоков внешней окружности и одна сторона наружного ограждения внутренней окружности условного круга снабжены солнцезащитой, включающей несущую конструкцию и прикрепленные к ней экраны. Относительно малый собственный вес системы дал возможность крепить ее на расстоянии от фасада здания, что создает вертикальный проветривающий воздушный поток, исключающий передачу горизонтального теплового потока от солнцезащитного устройства к зданию. С целью повышения энергетической эффективности панели экранов могут быть снабжены солнцезащитой в виде дискретно-прерывистых или сплошных экранов, которые в свою очередь могут быть снабжены отражателями, коллекторами солнечной энергии или солнечными батареями с фотоэлектрическими или другими преобразователями лучистой энергии солнца и сообщены по энергоносителю между собой, с потребителем или с аккумулятором энергии.
Центральный блок выполнен с каркасом в виде пространственной четырехветвевой рамы, ветви которой соответствуют ребрам условной четырехгранной пирамиды, жестко связаны друг с другом в вершине, жестко защемлены в основании и раскреплены по высоте двумя горизонтально ориентированными дисками (рис. 5.6).
Для оптимизации микроклимата на площадке между блоками комплекса и улучшения условий проветривания пространства, окружающего блоки, комплекс ориентирован осью, проходящей через плоскость симметрии наружного блока внешней окружности и центра, в направлении, совпадающем с направлением наиболее интенсивных ветров в расчетный период, т. е. вдоль наиболее нагруженного направления зимней розы ветров региона строительства комплекса, тем самым максимально защищаясь от них.
Технические решения основной зоны научно-производственного гелиокомплекса обеспечивают повышение надежности его работы и улучшение основных эксплуатационных качеств в различных климатических и геофизических условиях, включая различные уровни сейсмичности. Повышение надежности достигается за счет увеличенной жесткости каркаса и криволинейной формы части объектов, образующих концентрические системы жесткости, этим же достигается экономичность, определяемая снижением материалоемкости объектов комплекса и энергетической нагрузки на ограждения, системы кондиционирования и другие инженерные системы строительных блоков. По предварительным данным, экономический эффект от внедрения одного многофункционального строительного гелиокомплекса составит 1,5—1,9 млн. руб.
Особенность архитектурно-конструктивного решения зданий вспомогательной зоны заключается в том, что несущие элементы блоков выполнены в виде пространственных металлических рам треугольного сечения, которые вынесены за пределы здания и с одной стороны остеклены или снабжены коллекторами солнечной энергии. Таким образом сокращаются объемы зданий, а основные конструкции выполняют несущие, солнцезащитные, ограждающие функции, обеспечивают необходимую освещенность, являются энергоактивными элементами здания и создают композиционный строй фасадов, перекликающийся с фасадами основной зоны (рис. 5.7).
Энергоактивные здания вспомогательной зоны включают покрытие, совмещенное с прерывисто-складчатым коллектором солнечной энергии; этот коллектор выполнен с наклонными гранями, остеклен и снабжен регулируемой солнцезащитой. Между каждыми двумя смежными гранями складок покрытия, которые обращены к солнцу и совмещены с коллектором, размещены наклонные грани, которые снабжены отражателями направленного типа. Допускается применение отражателя, нижняя по скату часть площади которого или вся площадь выполнена диффузно отражающей. Коллектор в пределах складки имеет вид системы панелей с гелиоприемником активного или пассивного типа.
Энергоактивные здания допускают различную ориентацию на местности относительно стран света: от энергетически оптимальной в средних и южных районах широтной ориентации до энергетически оптимальной в северных районах меридиональной ориентации с включением, если это необходимо по градостроительным требованиям, всех промежуточных ориентаций. При этом предпочтительно ориентировать складки энергоактивного покрытия коньком в направлении с запада на восток (широтная ориентация) во всех случаях привязки здания относительно нулевого азимута.
Рис. 5.6. Поперечный разрез комплекса по центральному блоку
Рис. 5.7. Архитектурно-конструктивное решение зданий вспомогательной зоны
Рис. 5.8. Генеральный план комплекса «Солнце» с размещением функциональных зон по продольной оси
1 — главный корпус; 2 — инженерный корпус; 3 — технологическая башня, 4 — концентратор, 5 — гелиостатное поле, 6 — градирни; 7 — компрессорная, 8 — склад, 9 — гелиоприемники; 10 — ветроагрегаты, 11 — автостоянка; 12 — скульптурная группа «Гелиос»
Грани складок с коллектором и отражателем наклонены в разные стороны, а складка с отражателем наклонена под углом к горизонту, не превышающим максимальную зимнюю высоту солнца. Складка с коллектором наклонена к горизонту таким образом, что угол между нормалью к гелиоприемной поверхности и горизонталью также не превышает максимальной зимней высоты солнца. Первое необходимо для того, чтобы исключить затенение в отопительном сезоне в периоды наиболее интенсивного поступления солнечной радиации на приемные поверхности ограждения, а второе — для оптимизации площади экспонирования в солнечных лучах гелиоприемной поверхности коллектора и, в конечном счете, для повышения к. п. д. коллектора. В летний период высокие солнечные лучи попадают непосредственно на коллектор. Кроме того, дополнительно к нему поступает часть лучей от отражателя, другая же часть лучей отводится от отражателя в окружающее пространство, в результате чего снижается нежелательная энергетическая нагрузка на покрытие. В осенний и зимний периоды большая часть солнечных лучей под более оптимальным углом попадает к гелиоприемникам коллектора.
По данным предварительных технико-экономических расчетов энергоактивные здания вспомогательной зоны повышают эффективность и экономичность коллектора при неоптимальной пространственной ориентации здания и покрытия в целом в 1,29—2,18 раза по сравнению с известными решениями за счет относительного уменьшения площади коллектора и повышения плотности его снабжения солнечной энергией вследствие введения и регламентированного расположения отражателя в системе энергоактивного покрытия. Здесь покрытие играет роль как ограждения здания, так и его оборудования.
В последнее время со стороны заказчиков все чаще поступают предложения о более активном использовании солнечной энергии для энергетических нужд многофункциональных комплексов. Особенно это касается районов строительства с жарким климатом. В проекте гелиокомплекса «Сатурн» предложен вариант термодинамического преобразования солнечной энергии, т. е. превращения энергии солнечного излучения сначала в механическую, а затем в электрическую по паротурбинному циклу. Для этого потребовалось создать поле солнечных гелиостатов, расположенных на северном от центра склоне, построить высотное сооружение с солнечным парогенератором и установить турбины генератора, системы автоматического слежения за солнцем и системы теплового аккумулирования.
