- Проектирование и строительство гелиокомплекса «Солнце»
В. В. Захаров
В ряде научных учреждений СССР проводились исследования в области высокотемпературной технологии с использованием концентрированной солнечной энергии. Трудно сейчас назвать крупную научно-техническую проблему, решение которой не было бы связано с использованием материалов особой чистоты. Такие материалы еще недавно изготовлялись в небольших количествах в научных лабораториях для исследовательских целей. Для изготовления материалов высокой чистоты обычно используются многоступенчатые процессы с последовательным применением химических и физических методов. Сложность их настолько велика, что по мнению одного из видных ученых в этой области академика Н. Б. Сажина, есть все основания считать настоящим научным подвигом разработку технологических методов получения веществ высокой чистоты.
В соответствии с заданием Физико-технического института Академии наук Узбекской ССР запроектирован научно-производственный гелиокомплекс «Солнце» (рис. 5.50), открывающий новую отрасль металлургии (руководитель авторского коллектива — архит. В. В. Захаров). Это комплекс сооружений нового типа. При его разработке возникла необходимость в проведении глубоких исследований в области проектирования, так как методы, получившие широкое распространение при проектировании промышленных зданий, не могли быть полностью перенесены на здания и сооружения, в которых используется солнечная энергия.
Новые типы сооружений потребовали и новых архитектурных форм, выражающих их сущность. Одной из опорных идей пространственной композиции было создание новых типов сооружений для Средней Азии с использованием достижений многих сфер современной науки и техники и в то же время стремление сделать современную архитектуру национальной. При этом учитывалась информативная роль цвета в зависимости от функционально планировочных характеристик сооружений.
Структурная организация комплекса «Солнце» кроме сооружений, в которых непосредственно осуществляется технологический процесс, включает ряд сопутствующих подразделений. К ним относятся отделы, занимающиеся разработкой технологии, теоретическими исследованиями, математическим обеспечением, инженерно-техническим обслуживанием, а также административные подразделения. Структурная организация всех подразделений наряду с технологическим процессом является стержнем объемно-планировочной организации комплекса «Солнце».
Объемно-планировочная структура соответствует функциональной структу ре, но в то же время играет и самостоятельную роль в архитектурном решении. В данном комплексе применен исторически сложившийся в условиях сухого жаркого климата прием замкнутой композиции. Для планировки характерны замкнутая композиция и повышенная плотность застройки, которая обеспечивает максимальную затененность вертикальных и горизонтальных плоскостей.
Особенности функциональной структуры объекта, а также рельеф местности определили необходимость спроектировать научно-производственный комплекс, состоящий из пяти основных подразделений: технологической башни, концентратора, гелиостаточного поля, главного корпуса и инженерного корпуса (вторая очередь).
Технологический процесс осуществляется следующим образом. Поступающие от гелиостатов солнечные лучи, отражаясь от элементов зеркала концентратора, собираются в фокусе на гелиоприемнике солнечной печи, где происходит высокотемпературный технологический процесс. Концентратор устанавливается неподвижно с ориентировкой оптической оси в направлении север — юг. Лучистый поток отражается на концентратор гелиостатами, которые следят за солнцем в течение всего рабочего дня. Почти вся солнечная радиация попадает на параболическую зеркальную поверхность и собирается в фокусную точку диаметром 40 см. Излучение соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре 3700° С.
Рис. 5.49 Разрез плотины ГЭС, совмещенной с концентратором солнечной энергии
Рис 5.46. Плотина, снабженная солнечными батареями
Рис. 5.50. Общий вид гелиокомплекса «Солнце»
Рис. 5.48. Разрез плотины ГЭС с размещением на ней гелиотеплиц
Рис. 5.47. Промышленно-селитебный гелиокомплекс на базе гидроузла
Технологическая башня, предназначенная для установки солнечной печи в фокальной зоне, имеет семь этажей с верхним отсеком и стволом, который соединен с производственным зданием, а верхняя ограждающая грань имеет монтажный проем с раздвижными секциями для замены печей. На торце верхнего отсека башни, обращенного к концентратору, предусмотрены жаропрочные раздвижные створки.
Каркас технологической башни состоит из металлоконструкций, смонтированных с опиранием на фундаментную плиту подземного блок-этажа. Ограждающие конструкции выполнены из легких навесных панелей типа «сэндвич» с окантовкой оксидированным алюминием, в качестве утеплителя применяют минераловатные плиты.
Концентратор (рис. 5.51) представляет собой прямоугольную «высечку» из параболоида вращения с зеркальной отражающей поверхностью и предназначен для фокусирования падающего на него лучистого потока в заданной фокальной плоскости, в которой расположена приемно-рабочая камера технологической. башни, предназначенная для использования лучистой энергии потока. Оптическая ось концентратора направлена с юга на север. При этом его фокальная плоскость находится с северной стороны. Ограждающая зеркальная поверхность набирается из отдельных зеркальных элементов — фацет — размером 0,45X0,45 м. Каждая фацета крепится к каркасу с помощью устройства, обеспечивающего возможность юстировки. Для подъема на площадки концентратора предусмотрен грузопассажирский лифт грузоподъемностью 500 кг. Открытая лестница соединена с обслуживающими площадками легкими открытыми переходами. В центре концентратора имеется пирометрическая лаборатория. Для предохранения несущих металлоконструкций концентратора от прямых солнечных лучей против деформации сверху с торцов и с южной стороны сооружение закрывается солнцезащитой с цветными экранами, создающими два концентрических круга — эмблему комплекса, выполненную средствами суперграфики. На верхней отметке концентратора устроена смотровая площадка, а завершает сооружение блок светящихся красных визирных марок, которые необходимы для юстировки 62 гелиостатов.
Строительная конструкция концентратора солнечной энергии состоит из опорной части, выполненной в виде системы попарно объединенных встречнонаклонных разновысоких ферм, поярусно раскрепленных горизонтальными связевыми фермами. Каждая пара встречно-наклонных ферм смещена в плане относительно смежных таким образом, что одноименные опорные элементы ферм системы размещены в плане на двух условных параллельных параболах.
Главная вертикальная оптическая плоскость совмещена с плоскостью симметрии концентратора, который с тыльной стороны снабжен вертикально установленной лестнично-лифтовой башней.
Общая жесткость и устойчивость сооружения обеспечивается тем, что металлокаркас концентратора жестко связан двумя фундаментными плитами, выполненными из монолитного железобетона.
Гелиостатное поле — система отдельно стоящих гелиостатов, которая должна обеспечивать направление отраженных от нее солнечных лучей, параллельное оптической оси гиперболического параболоида, независимо от положения солнца на небосводе. Площадь зеркальной поверхности каждого гелиостата равна 50 см2. При слежении за солнцем зеркала будут поворачиваться как по вертикали, так и по горизонтали.
В память ЭВМ заложено управление движением гелиостатов на каждый день. В соответствии с движением солнца будут автоматически меняться скорость и углы перемещения зеркал.
Для объекта «Солнце» применена азимутально-зенитная схема слежения за солнцем. В этой схеме предусматривается раздельное вращение зеркал вокруг двух пересекающихся взаимно перпендикулярных осей. Зеркало гелиостата совершает составное движение, представляющее собой два вращательных движения. Вращение вокруг вертикальной оси вместе с горизонтальной — переносное, вращение вокруг горизонтальной оси — относительное.
Гелиостатное поле имеет ступенчатую форму. Для уменьшения взаимного затенения гелиостаты располагаются в шахматном порядке на специальных террасах.
В конструкцию сооружения входят уложенная на основание железобетонная плита, имеющая в продольном сечении ломаное очертание и общий уклон террас 1:5, выполненная в виде монолитной железобетонной платформы, и подпорные стены. Подпорная стена содержит вертикальные элементы — монолитные сердечники и контрфорсы коробчатого сечения, образующие ниши, которые служат фундаментами под гелиостаты, а также используются как помещения для установки щитов управления. Покрытие гелиостатного поля выполнено из бетонных плит трех цветов, образующих рисунок ковра национального орнамента.
Главный корпус состоит из нескольких зданий, сблокированных между собой, — двух производственных, двух лабораторных и административного здания со столовой, конференц-залом, библиотекой и парадным четырехсветным атриумом. Конструкции главного корпуса выполнены из стандартных железобетонных элементов антисейсмических серий ИИС-20 и ИИС-04. Ограждающие конструкции — навесные керамзитобетонные панели с фактурным слоем из белого цемента с белой мраморной крошкой. Глухие плоскости стен облицовываются белым мрамором местных месторождений. Для защиты зданий от перегрева устроены проветриваемые кровли и применена солнцезащита в виде трех мерной стальной кадмированной решетки с горизонтальными и вертикальными солнцезащитными экранами (в зависимости от ориентации зданий), представляющими собой солнцеотражающее стекло. Внутри главного корпуса находится большой двор с розарием и площадками для отдыха, а в геометрическом центре двора предусмотрены бассейн и фонтаны (рис. 5.52). Вокруг бассейна будет создан цветной ковер из живых цветов. Внутренний двор через четырехпролет ный проем объединяется с обширным плато, которое расположено с южной стороны комплекса, ограниченной подпорной стеной. Перед главным входом запроектирована накопительная площадь, замыкающая поперечную с запада на восток магистраль. На площади справа от входа располагается скульптурная группа «Гелиос».
Проектом предусмотрено дальнейшее расширение комплекса. Инженерный корпус будет состоять также из нескольких зданий, сблокированных между собой: лабораторного здания с блоком экспериментальных печей, криогенного здания и здания ВЦ. Конструкция инженерного корпуса выполняется из элементов антисейсмических серий ИИС-20 и ИИС-04 с частичным применением монолитного железобетона и металла. Солнцезащита решена единой для главного и инженерного корпуса. Ее орнаментальный характер помогает объединить все здания и сооружения в единый комплекс, делает их объемы легкими, воздушными, хорошо вписывающимися в ландшафт местности и создает эффект «слияния» объемов зданий с окружающим пространством.
Внутренний двор инженерного корпуса заглублен по отношению к главному корпусу и частично затенен перголой. Последняя представляет собой структуру с солнцезащитными экранами, которые могут быть тонкослойными солнечными батареями. По краям структур устроены две галереи, соединяющие два корпуса по третьему этажу. Южный фасад центрального объема решен в виде вогнутого зеркального экрана, позволяющего использовать солнечную энергию для энергообеспечения здания.
Проектируемые подразделения объединены в несколько групп. Разработаны крупные объемно-пространственные модули с унифицированной планировкой на целый этаж, составившие основу построения всего комплекса.
Рис. 5.52. Внутренний двор гелиокомплекса
Гелиокомплекс выполняется из материалов, применяемых в строительстве и гелиотехнике, с использованием для строительных конструкций бетона, железобетона, металлов, жаростойких сплавов, а для гелиотехнических элементов — полированных зеркал, стекла, пластических материалов.
При решении интерьеров учитывались все факторы пространственного и микроклиматического окружения, в соответствии с чем были выбраны ограждающие конструкции и внутренняя отделка помещений. В интерьерах используется резьба по ганчу, орнаментальные росписи, керамика, гобелены, мозаичные панно, цветные витражи. Орнаментальное покрытие, зелень, декоративная скульптура должны не только обеспечить условия для отдыха, но и создать высокий уровень визуального комфорта, благотворно влияющий на творческое состояние работающего человека.
При проектировании комплекса авторы стремились создать современную архитектуру с учетом национальных традиций, опираясь при этом не на внешние проявления национальной художественной культуры, а на ее глубинные, устоявшиеся и сохранившие свою жизненность особенности, на соблюдение пропорций, излюбленной колористической гаммы и других «способов видения» окружающего мира, так как основой в решении проблемы развития национальных форм является традиция в единстве с современной техникой.
Проработка социальных, функциональных и конструктивно-строительных проблем помогла в конечном счете сформировать эстетический образ гелиокомплекса «Солнце». Объект со столь разнообразными характеристиками отдельных своих частей, обобщенных в едином комплексе, при правильной композиционной обработке, основанной на определенной творческой концепции с учетом национальных традиций, должен получить новое эстетическое выражение.
Проект научно-производственного гелиокомплекса «Солнце», представленный на II Всесоюзный смотр-конкурс на лучший проект года в Союз архитекторов СССР, получил высшую оценку жюри и отмечен золотой медалью. На III Всемирном конкурсе-смотре Биеннале-85 в Софии проект стал лауреатом и награжден медалью и дипломом.
