Энергоактивные здания - Архитектурная разработка энергоактивных промышленных зданий

1. Архитектурная разработка энергоактивных промышленных зданий

Е. С. Абдрахманов

1. Обоснование архитектурной разработки энергоактивных промышленных зданий. Размещение энергоактивных промышленных зданий связано с анализом и оптимизацией соотношения территориально-градостроительных и энергетических факторов. Дальнейшее развитие энергоактивных промышленных зданий позволит повысить социально-экономическую эффективность строительного комплекса с учетом экологических характеристик — определением суммарного воздействия на природную среду комплекса производства. Один из аспектов оптимизации промышленных комплексов — ограничение отрицательного воздействия на природу: формирование «безотходных» комплексов производств, широкое использование в производственных и бытовых целях возобновляемых источников энергии и вторичных энергоресурсов, рациональное размещение производств в природном комплексе. Учет природных факторов является важной предпосылкой принятия функционально-планировочных и конструктивных решений энергоактивных промышленных зданий по созданию комфортных условий эксплуатации производственных и вспомогательных объектов, удовлетворения экономическим и эстетическим требованиям строительства. Природноклиматическая типология зданий подробно освещена в литературе. В развитие этого вопроса внесли известный вклад КиевЗНИИЭП, ЛенЗНИИЭП, ТбилЗНИИЭП, ТашЗНИИЭП и другие организации. Здесь будут рассмотрены факторы, оказывающие влияние на формирование и развитие современных типов энергоактивных производственных и вспомогательных зданий. Эти вопросы в отечественной практике пока еще не разработаны в достаточной степени. В последнее время наметилась тенденция проектирования крупных комплексов из отдельных элементов-блоков или блоков-зданий, что должно удовлетворять требованиям строительства в сложных горно-геологических условиях (рис. 5.53).

На выбор оптимальных габаритов энергоактивных блоков промышленных зданий помимо учета нормативных требований разрезки существенное влияние оказывает функциональная организация предприятия, основанная на единстве энергоактивных архитектурно-конструктивных систем с современной технологией производства. Рассмотрение промышленного здания как единой теплоэнергетической системы с многообразием составляющих его элементов, в которых протекают различные по физической сущности процессы поглощения, превращения и переноса тепловой энергии, позволяет архитектору использовать новые приемы функционально-планировочной организации здания. Рассмотрим эффективность энергосберегающих мероприятий и проектных решений промышленных зданий (ожидаемая экономия за год дана в % к затрачиваемой в настоящее время энергии)1 [6]:
воспитание у людей сознания необходимости экономного расходования энергии, улучшение культуры обслуживания систем энергоснабжения здания, повышение качества строительства — 6—8%;
реконструкция зданий и систем отопления и вентиляции— 10—15%;
использование для отопления нетрадиционных видов энергии: солнечной радиации, теплоты поверхностных слоев земли, извлекаемой тепловым насосом, — 14—17%;
повышение эффективности системы отопления и вентиляции: использование автоматизированной системы для регулирования подачи теплоты — 20—30%;
утилизация теплоты вентилируемого воздуха— 10—12%;
совершенствование конструкций осветительных установок, рациональное использование искусственного и естественного света — 4—6%;
совершенствование объемно-планировочных решений зданий и их помещений—5—8%;
строительство экспериментальных энергетически экономичных зданий и внедрение результатов экспериментов в типовое проектирование—8%;
совершенствование нормативных документов, теоретических основ и методов расчета — 6—8%.
Определенное влияние на расход тепловой энергии оказывает геометрическая форма здания. В компактном здании теплопотери значительно ниже, чем в зданиях сложной формы. Увеличение протяженности здания с 50 до 150 м уменьшает его теплопотери на 5—7%, увеличение ширины с 12 до 16 м — на 9—10%, увеличение высоты с 5 до 9 этажей — на 3—5%. Уменьшение отношения площади окон к площади стен промышленных зданий с 0,6 до 0,25 сокращает годовые затраты на отопление в 1,5 раза. Функциональная организация предприятия приводит, как правило, к компактной прямоугольной форме плана. Исходя из природно-климатических, конструктивно-технологических условий и требований организации строительного производства энергоактивные блоки- здания также должны приближаться к компактной форме с ограниченными габаритами, позволяющими создавать оптимальную в гелиотехническом отношении ориентацию по гелиотермической оси, освещенность и инсоляцию производственных помещений и применять наиболее рациональную энергоактивную архитектурно-конструктивную систему.
*При совместном применении суммы мероприятий их относительный вклад снижается (Прим. ред.)

Рис. 5.53. Основы методики проектирования промышленных энергоактивных здании массового строительства

Рис. 5.54. Система модульного формирования промышленного энергоактивного комплекса, повышающая энергетическую эффективность зданий в поле солнечной радиации
Рис. 5.55. Производственный энергоактивный комплекс с использованием в технологическом процессе теплоты сбросовых вод ТЭЦ и АЭС

Рис. 5.56. Модульный энергоактивный блок с покрытием в виде вогнутого отражателя и следящим гелиоприемником, предназначенный для компоновки технологических линии (производств)
Рис. 5.57. Энергоактивные модульные блоки с защитными поворотными экранами отражателями

Рис. 5.58. Система модульного формирования промышленного здания с покрытием, совмещенным с прерывисто-складчатым коллектором солнечной энергии
Рис. 5.59. Решение фасада промышленного энергоактивного здания, объединенного с блоком коллектора и аккумулятора

Рис 5.60. Промышленное здание с аккумулятором теплоты сбросовых вод ТЭЦ и АЭС (система Н. П. Селиванова и Е. С. Абдрахманова)
Рис. 5.61. Производственное здание с пофасадным многоконтурным энергоактивным решением

При разработке методики проектирования, в дальнейшем типового, новых типов энергоактивных промышленных зданий встает задача совершенствования и развития блочной энергоактивности структуры производственных и вспомогательных зданий и учета основных конструктивных и гелиотехнических требований, предъявляемых к энергоактивным элементам-блокам, параметры которых должны отвечать местным условиям строительства (рис. 5.54).
Важная предпосылка к развитию энергоактивных зданий массового строительства — переход к разработке технической документации для типового проектирования. Предполагается разработка энергоактивных зданий многофункционального назначения (рис. 5.55)
В архитектурно-композиционных решениях энергоактивных зданий в отечественной и зарубежной практике наметился определенный штамп: здания отличаются лишь конструкциями и местоположением гелиоэнергосистем при сохранении единообразного художественного образа для всех типов зданий. Такая практика приводит к однообразию внешнего облика зданий и ослаблению интереса проектировщиков.
Практикуемая гелиозастройка оказывает влияние на создание архитектурных ансамблевых решений, привносит значительные акценты в общую композицию зданий на фоне малоэтажной застройки. С переводом зданий на повышенную этажность отдельные гелиодома теряют свое значение. Одно- и двухэтажные гелиодома, как правило, имеющие вид повторяющихся прямоугольных коробок, теряются в огромной массе застройки, а часто из-за плохого качества изготовления и монтажа гелиоэнергосистем, ветроагрегатов и установок диссонируют с окружающей застройкой, имеющей свои архитектурно-композиционные приемы и акценты. Одной из основных причин стереотипного архитектурного решения гелиодомов и быстрого морального старения проектов является укоренившаяся в практике методика «штучного» проектирования гелиодомов с использованием различных типов гелиоэнергосистем, не приведенных в единую энергоактивную архитектурно-конструктивную систему здания. Это ограничивает возможности вариантного архитектурно-композиционного построения и универсального использования здания, а также его расширения на перспективу и создания энергоактивных комплексов, объединяющих промышленные объекты в энергопромышленные комплексы.
Возникает актуальная задача исследования и разработки методов проектирования энергоактивных промышленных зданий с учетом принципов вариантного формообразования и универсальности внутреннего пространства, отвечающих запросам современных социально-экономических и архитектурно-градостроительных требований и условиям создания энергосберегающих технологий производств.
Методика архитектурного проектирования энергоактивных промышленных зданий массового строительства должна строиться на основе следующих принципов:
открытой типизации, дающей полную свободу в выборе энергоактивной архитектурно-конструктивной системы и определяющей архитектурно-планировочное и объемно-композиционные решения зданий (см. авторские архитектурные разработки систем энергоактивных зданий и гелиокомплексов Η. П. Селиванова, рис. 2.1—2.20 в гл. 2);
комплексного охвата всех типов энергоактивных зданий, связанных с застройкой городов и агропромышленных комплексов, что позволяет в процессе проектирования создавать не только отдельные типы энергоактивных зданий и сооружений, но и крупные многофункциональные энерго активные и энергопромышленные комплексы (рис. 5.56; см. также архитектурные разработки автора систем биоэнергоактивных зданий Η. П. Селиванова в гл. 2, рис. 2.18 и 2.19);
использования типизированных унифицированных энергоактивных элементов, позволяющих многовариантное проектирование, замену функционального назначения энергоактивных блоков, дальнейшее развитие энергоактивных зданий и комплексов (рис. 5.57).
При формировании современных типов энергоактивных производственных зданий должны быть решены следующие основные задачи:
анализ научных исследований и практики проектирования и строительства энергоактивных зданий, приемлемых для массового строительства, с целью выявления новых принципов архитектурно-планировочной организации этого типа зданий, определение качественной и экономической эффективности и путей совершенствования типологических решений энергоактивных зданий;
создание базы проектных данных;
разработка на основе обобщения опыта экспериментального проектирования и строительства методики проектирования энергоактивных зданий и комплексов из унифицированных энергоактивных элементов единой энергоактивной архитектурно-строительной системы;
осуществление на практике концепции администрирования баз данных;
выявление направлений перспективного развития энергоактивных промышленных зданий на основе применения новых энергоактивных архитектурно-конструктивных систем, принципов открытой типизации и внедрения методики проектирования,
создание банка данных системы организаций.

Архитектурное формирование энергоактивных промышленных зданий.

Формирование энергоактивной застройки, решенное на основе принципов укрупнения, кооперирования и блокирования, определяют три основные тенденции:
на градостроительном уровне — создание энергоактивных комплексов, включающих группу зданий и сооружений, образующих единую энергоактивную систему, объекты которой дополняют друг друга по принципу взаимного перераспределения централизованно собранной и аккумулированной солнечной, ветровой, геотермальной энергии в зависимости от ее дефицита или избытка;
на уровне структуры энергоактивного сооружения — энерготехнологическая интеграция различных типов зданий и создание крупных межвидовых энергоактивных комплексов [2];
на уровне внутреннего пространства — организация многофункционального энергоактивного пространства, объединяющего различные объемы в единый структурный организм.
В области функционального зонирования энергоактивных зданий возможно использование двух принципов организации пространства:
создание жестких, определенных технологией, ограниченных в пространстве энергоактивных зон, располагаемых в наиболее удобных местах с точки зрения гелиотехнического и монтажного исполнения и взаимосвязи с основными коммуникациями здания;
свободное зонирование, организация универсального трансформируемого энергоактивного пространства, используемого под различные технологические, эстетические, производственные цели в зависимости от возникающей в различное время потребности. Все энергоактивные архитектурно-конструктивные системы должны отвечать принципам свободной планировки. Следовательно, необходимо добиваться мобильности энергоактивных систем.

*Идея строительных комплексов, включающих энергоактивные здания, работающие как единая энергетическая система, выдвинута и научно обоснована Η. П. Селивановым с дальнейшей архитектурной разработкой автора.
Первый принцип функциональной организации энергоактивных промышленных зданий применяется в комплексах, связанных со сложными технологическими и функциональными процессами, где требуется строгая взаимосвязь отдельных групп помещений и их определенное размещение. Второй принцип применим для организации крупных энергоактивных комплексов и при решении отдельных пространств, предназначенных для универсального использования.
Комплексная оценка проектных решений отдельных энергоактивных объектов по градостроительным, функционально-планировочным, эстетическим и экономическим критериям показала, что энергоактивные здания и комплексы, решенные на основе прогрессивных принципов архитектурной организации, прежде всего укрупнения и кооперирования, приобретают новые качества, соответствующие современным архитектурным требованиям, и экономически более эффективны по сравнению с традиционными типами зданий.
Основные причины недостаточных объемов строительства энергоактивных зданий — слабое развитие существующих баз по производству необходимых энергоактивных конструкций, применение методики «штучного» проектирования энергоактивных зданий с использованием различных типов гелиоэнергосистем, не приведенных в единую энергоактивную архитектурно-конструктивную систему здания, а также некоторое превышение стоимости строительства по сравнению с традиционными зданиями.
Опыт строительства и эксплуатации зданий, спроектированных на основе энергоактивных конструктивных решений, уже сейчас выявляет некоторые негативные стороны, присущие этой архитектурно-конструктивной системе. К ним следует отнести жесткость энергоактивного каркаса в планировочном отношении, а также наличие инженерных систем, входящих в интерьеры помещений и затрудняющих организацию «свободного плана», трансформацию помещений и универсальное использование внутреннего пространства, которое позволяло бы реагировать на все изменения функциональной структуры сооружения. Однако эти причины временные и не могут служить тормозом в развитии строительства энергоактивных зданий.
Такие энергоактивные системы, отработанные конструктивно и технологически, несмотря на отмеченные недостатки, в настоящее время внедряются повсеместно. И это закономерно, так как другой конкурентоспособной методики проектирования и строительства данного типа зданий, которая могла бы ее заменить, пока не имеется, а простота изготовления и монтажа конструкций, чет кость планировочной и монтажной сетки, ограниченная номенклатура изделий свидетельствует о том, что эта система в течение ближайших лет будет господствующей в строительстве энергоактивных зданий. Для решения отмеченных противоречий необходимо дальнейшее совершенствование энергоактивной архитектурно-конструктивной системы промышленных зданий.
Первый этап совершенствования системы — улучшение ее конструктивного решения — практически завершается. Однако мероприятия по усовершенствованию энергоактивной системы относятся к области конструирования, изготовления и монтажа гелиотехнических изделий и почти не затрагивают вопросов улучшения системы в архитектурно-типологическом отношении. Необходимо дальнейшее совершенствование энергоактивного каркаса здания с позиций удовлетворения современным архитектурным требованиям в условиях, максимально приближенных к требованиям типового проектирования (рис. 5.58).
Совершенствование энергоактивного каркаса в архитектурно-типологическом плане может идти по четырем направлениям:
введение укрупненных энергоактивных элементов;
устройство многовариантных энергоактивных систем, позволяющих заменять морально или материально устаревшие элементы на новое поколение изделий с повышенными эксплуатационными и эстетическими качествами;
добавление в номенклатуру изделий, дающих возможность развития энергоактивности систем;
введение в номенклатуру дополнительных энергоактивных изделий наружных ограждающих панелей и архитектурных деталей простенков, окон, солнцезащитных устройств, повышающих в зависимости от назначения энергоресурсы элементов зданий в поле солнечной радиации и позволяющих проектировщику свободно оперировать архитектурным образом сооружения (рис. 5.59).
Построенные энергоактивные здания через 20—30 лет уже не будут нас удовлетворять с точки зрения функциональной организации сооружения, требований к технологии и оборудованию, возможности изменения функций рабочих площадей, трансформации. Поэтому энергоактивные здания целесообразно проектировать на основе универсальной энергоактивной архитектурно-конструктивной системы с укрупненными структурными энергоактивными элементами, меняющими во времени свои функции. Укрупнение энергоактивных элементов, составляющих каркас здания, и устройство вариантного энергоактивного зонирования структуры сооружения помимо улучшения архитектурно-типологических качеств оказывает определенное влияние на снижение массы и материалоемкости сооружений, дает новые планировочные возможности в решении сложных функционально-технологических узлов, а также большую по сравнению с традиционными решениями свободу в объемно-пространственной организации и создании пластических композиций зданий (рис. 5.60).
Что касается проблемы дальнейшего совершенствования номенклатуры энергоактивных навесных ограждающих панелей стен, то для ее решения наиболее вероятны следующие пути:
улучшение существующей номенклатуры энергоактивных навесных панелей и архитектурных элементов (оконных и входных проемов, солнцезащитных устройств, козырьков, террас и др.), что является первоочередной задачей на ближайший период;
создание новой номенклатуры энергоактивных панелей «на этаж» из легких конструкций и материалов с применением алюминия, пластмасс, легких утеплителей и с введением разнообразных форм оконных проемов — квадратной, круглой, прямоугольной и др. Параллельно могут применяться и ленточные навесные гелиотехнические панели (по существующей номенклатуре изделий). Эта задача ставится на последующий период.
Не заменяя несущей части каркаса как основы системы, можно значительно улучшить и разнообразить его архитектурные качества путем замены наружного стенового ограждения на легкие энергоактивные навесные панели с применением новейших эффективных конструкций и материалов. При этом следует повысить качество исполнения отделки поверхностей энергоактивных панелей, как наружной, так и внутренней, применяя алюминиевые, пластмассовые или дерево-алюминиевые столярные изделия, алюминиевые гелиотехнические элементы из прокатных листов (или более дешевого материала) и т. д., а также разнообразить номенклатуру панелей с целью организации вариантных решений фасадов. При совершенствовании номенклатуры энергоактивных изделий не следует забывать и криволинейные архитектурные формы, которые почти исключены из отечественной практики энергоактивного строительства. Архитектурная проработка автором элементов ветроэнергоактивных и других систем зданий Η. П. Селиванова (см. гл. 2, рис. 2.7, 2.8, 2.11 — энергетические ловушки, полифункциональные элементы ветроагрегатов в конструкциях защиты светопроемов и др.) показала, что круглые и иные криволинейные формы не только эффективны как энергоактивные конструкции, но и несут большую декоративную и эстетическую нагрузку.

Рис. 5.62. Формирование производственных зданий из энергоактивных модульных блоков (система Η. П. Селиванова и Е. С. Абдрахманова )

Рис. 5.63. Использование рельефа места строительства при формировании энергоактивных промышленных зданий (энергоактивное здание Η. П. Селиванова)

Рис. 5.64. Комплекс промышленных энергоактивных зданий с системой перераспределения избыточной собранной солнечной энергии со вспомогательного здания в производственный блок для использования в технологическом процессе

Рис. 5.65. Аграрно-индустриальный энергоактивный комплекс (коллектив авторов —  Е. С. Абдрахманов. А. А. Баланюк. В. В. Захаров, руководитель Η. П. Селиванов)

Рис. 5.66. Приемы композиционного решения промышленных энергоактивных зданий. Единая энергоактивная архитектурно-конструктивная система комплекса зданий (гелиокомплекс Η. П. Селиванова)

Рис. 5.67. Определение взаимовлияния элементов природно-технической системы (точками обозначен природный, штриховыми ли ниями — антропогенный ландшафт)

Поэтапная реализация предложений по совершенствованию энергоактивной системы в архитектурно-планировочном аспекте создает предпосылки организации универсальной энергоактивной системы (рис. 5.58, 5.61), позволяющей обеспечить большую гибкость и свободу планировки при энергоактивном зонировании, а также широкую вариантность объемно-пространственных решений энергоактивных зданий. Разработки могут вестись в различных направлениях: использование номенклатуры существующих энергоактивных изделий и их технологии изготовления;
комбинированное применение традиционных гелиотехнических конструкций типа «горячий ящик» с усовершенствованной номенклатурой энергоактивных конструкций нового поколения;
создание специальной энергоактивной архитектурно-конструктивной системы для различных типов зданий.
Для энергоактивных зданий массового строительства наиболее приемлемы архитектурно-планировочные решения блочной структуры из энергоактивных функциональных ячеек или энергоактивных блоков-зданий, так как эти элементы создают лучшие условия для стандартизации энергоактивных изделий и уменьшения их количества. Характер первоочередных приобретают задачи создания Единого каталога энергоактивных изделий, унификации объемнопланировочных параметров энергоактивных зданий, изучения функциональных требований к различным типам энергоактивных зданий (рис. 5.62, 5.63).
В архитектурной практике принято, что образ сооружения определяется формой, при этом упрощенно рассматривается система «конструкция— форма». Но образ промышленного здания прежде всего связан с назначением сооружения, с технологическими процессами, которые в нем происходят, иначе говоря, с функцией сооружения. Для каждого типа сооружения характерен свой образ. При этом конструкция не является основным компонентом в процессе создания формы сооружения массового строительства. Внедрение новых энергоактивных архитектурно-конструктивных систем, переход к строительству энергоактивных зданий качественно влияют на организацию структуры, форму и внешний облик зданий (рис. 5.64), позволяют расширить поиски образа энергоактивного сооружения. При архитектурном формировании энергоактивных промышленных зданий, производственных и вспомогательных, отличающихся этажностью и объемно-планировочным решением, формула «конструкция — форма» недостаточна для оптимального художественного решения промышленного здания. Необходимо использовать формулу: «функция (технологический процесс) — энергоактивная конструкция — форма — современный образ» с учетом региональных условий и народных приемов строительства.
Рассмотрим цепь взаимоотношений отдельных категорий архитектуры, связанных с художественной выразительностью энергоактивных промышленных зданий [7].
Функциональное назначение энергоактивного промышленного здания обусловливает взаимосвязь «функция — энергоактивные конструкции» (Фн→ЭК). Помимо функции промышленного здания на энергоактивные конструкции оказывают большое влияние местные условия и народные приемы строительства: устройство навесов, козырьков, элементов солнцезащиты, крутых крыш в горных районах с большими осадками, применение местных строительных материалов, гелиоэнергоресурсы зданий, возобновляемые источники энергии. Возникает взаимосвязь «условия строительства — энергоактивные конструкции» (УС→ЭК). Принятая энергоактивная конструктивная система является одним из основных определяющих факторов пространственной формы энергоактивного промышленного здания, что характеризуется взаимосвязью «энергоактивная конструкция — энергоактивная форма» (ЭК→ЭФр). Функциональная структура энергоактивного промышленного здания и местные условия строительства помимо влияния на конструкции оказывают воздействие непосредственно на пространственную форму сооружения. Возникают взаимосвязи «функция — энергоактивная форма» (Фн→ЭФр) и «условия строительства — энергоактивная форма» (УС→ЭФр). На организацию пространственной формы энергоактивного промышленного здания воздействуют средства гармонизации, основанные на особенностях психофизиологии восприятия формы и способствующие выразительности, — симметрия и асимметрия, ритм, соразмерность пропорций, статичность и динамика композиции, масштаб, цвет. Появляется взаимосвязь «средства гармонизации — энергоактивная форма» (СГ→ЭФр).

Полученная архитектурная форма энергоактивного промышленного здания является источником и носителем образа здания. Отсюда возникает прямая последовательность «энергоактивная форма — современный образ» (ЭФр→СО).
На основе этих простых взаимосвязей отдельных компонентов архитектуры можно изложить единую формулу процесса становления образа энергоактивного сооружения:
Комплексный учет этих компонентов на базе функционально-планировочного решения здания может определить качество архитектуры энергоактивного промышленного здания, его эстетические достоинства.
Каковы пути совершенствования архитектурной практики в формировании образа энергоактивных промышленных зданий?
На развитие современных типов энергоактивных промышленных зданий должны оказать влияние прогрессивные принципы архитектурной организации, подразделяющиеся на четыре основные категории в зависимости от области их применения (общей структуры здания, внутреннего пространства, энергоактивной системы и эстетики):
принципы объемно-планировочной организации — укрупнение блоков, ко оперирование производств, блокирование зданий (рис. 5.65);
принципы функциональной организации — зонирование, универсальность, специализация;
принципы энергоактивных архитектурно-конструктивных решений—прогрессивность энергоактивных конструкций, трансформативность, инженернотехническая оснащенность;
принципы художественной выразительности — гармонизация энергоактивной формы, синтез искусств, использование народных приемов строительства (рис. 5.66).
При дальнейшей разработке типов энергоактивных зданий использование принципа открытой типизации может стать одним из ведущих в развитии массовых типов энергоактивных промышленных зданий.