автореферат диссертации по строительству, 05.23.21, диссертация на тему:Архитектурное формообразование зданий с использованием средств альтернативной энергетики

МОСКОВСКИЙ АРХИТЕКТУРНЫЙ ИНСТИТУТ (государственная академия)

На правах рукописиу

Рябов Алексей Владиславович

АРХИТЕКТУРНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Специальность 05.23.21 - Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры

- 1 КОЯ 2012

Москва-2012 г.

005054296

005054296

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт (государственная академия)» на кафедре «Архитектура сельских населенных мест»

Научный руководитель: доктор архитектуры, профессор

Новиков Владимир Александрович

Официальные оппоненты: Ильвицкая Светлана Валерьевна

доктор архитектуры, профессор, ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству» (ГУЗ), заведующий кафедрой «Архитектура»

Белкин Александр Николаевич

кандидат архитектуры, профессор, ФГБОУ ВПО «Московская государственная академия коммунального хозяйства и строительства» (МГАКХиС), заведующий кафедрой «Архитектура»

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно-исследовательский

и проектный институт жилых и общественных зданий» (ЦНИИЭП Жилища)

Защита состоится 20 ноября 2012 г. в 14:00 на заседании Диссертационного совета Д 212.124.02 при ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт (государственная академия)» по адресу: 107031, Москва, ул. Рождественка, д. 11/4, корп.1, стр.4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский архитектурный институт (государственная академия)".

Автореферат разослан 19 октября 2012 года.

Учёный секретарь Диссертационного совета кандидат архитектуры

Клименко С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования.

Современный мировой топливно-энергетический комплекс испытывает ряд серьезных проблем, связанных в первую очередь с сырьевым кризисом и загрязнением окружающей среды. Мировое сообщество предпринимает различного рода попытки выхода из кризисной ситуации, среди которых особое место занимает альтернативная энергетика. Власти многих экономически развитых стран уже взяли курс на формирование новой топливно-энергетической промышленности, основанной на освоении экологически чистых неисчерпаемых ресурсов. Причем стратегии развития альтернативной энергетики носят фундаментальный характер, охватывая не только саму отрасль энергетической промышленности, а целый комплекс отраслей производства, в том числе и архитектурно-строительную индустрию.

Темпы развития альтернативной энергетики в России в сравнении с ведущими промышленными странами мира чрезвычайно низки. В отдельных отраслях нетрадиционной энергетики суммарная выработка энергии в России в сотни и тысячи раз ниже, чем аналогичные показатели в странах-лидерах. Крайне медленно идет процесс освоения возобновляемых ресурсов. Однако в последние годы правительство РФ при разработке стратегий модернизации российской экономики стало учитывать вопросы энергосбережения и энергоэффективности, решение которых возложено, в том числе, и на средства альтернативной энергетики. Об этом свидетельствуют нововведения в нормативно-правовую базу и поправки в соответствующих пунктах законодательства. С 2010 года действует государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Помимо федеральной программы, на рубеже десятилетий стали разрабатываться и региональные энергетические стратегии.

Кроме того в последние годы осуществляются попытки перехода на экологические стандарты, в том числе и в строительстве. В России уже существуют отдельные примеры зданий, прошедших сертификацию по «зеленым» стандартам BREEAM и LEED. Это позволяет говорить о начале становления новой отечественной экологической архитектуры. Российским архитекторам и проектировщикам для выхода на конкурентоспособный уровень по отношению к зарубежным коллегам необходимо совершить огромный шаг в направлении освоения инженерно-технической и научной базы в области энергосбережения и энергоэффективности.

Интеграция средств альтернативной энергетики в структуру здания существенно улучшает его энергетические и экологические показатели. Однако этот процесс часто оказывается технически сложным и экономически не оправданным. По этой причине разработка энергоактивных зданий1 подразумевает особый подход к

1 Энергоактивные здания./ Селиванов Н.П., Мелуа А.И., Зоколей C.B. и др.; Под ред. Селиванова Н.П. - М.: Стройиздат, 1988 - стр.59

процессу проектирования. Внедрение средств альтернативной энергетики в структуру здания требует специальных мероприятий по техники безопасности, что сильно отражается на объемно-планировочных решениях. А повышение энергоэффективности системы энергоактивного здания, как правило, зависит от формы его материально-конструктивной структуры. Таким образом, говоря об интеграции средств альтернативной энергетики в структуру здания, мы подразумеваем особый подход к архитектурному формообразованию. Здесь перед архитектором встает задача грамотного синтеза архитектуры и альтернативной энергетики, что требует от него умелого владения передовым научным опытом.

Архитекторы, решая проблемы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий, должны выработать особый аналитический научный подход, используя при этом новейшие системы автоматизированного проектирования. Только освоение передовых технических инструментов позволит развиваться экологической архитектуре, которая помимо сохранения экологии и ресурсов нашей планеты для дальнейших поколений, обязана формировать и воспитывать новое экологическое сознание у поколения нынешнего.

Состояние вопроса.

На сегодняшний день мировой научный опыт располагает значительным количеством материалов по проблеме интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий. Основу большинства научно-исследовательских работ составляют вопросы инженерно-технического характера, без углубления в проблемы архитектуры, тем более с точки зрения процесса формообразования. Так или иначе, альтернативная энергетика в контексте архитектуры рассматривалась многими зарубежными исследователями. Среди авторов наиболее значительных трудов по экологии архитектуры — М. Бауэр, П. Даунтон, П. Мёсле, М. Мэлавер, Ф. Мюллер, Дж. Роберте, С. Роэф, М. Сантамоурис, А. Станг, Э. Уайлхайд, К. Хауторн, М. Шварц, Дж. Юделсон; по проблемам «устойчивости» архитектуры — Д. X. Бэй, Н. Бэйкер, К. Брэйзер, Д. Валлеро, С. Гай, П. Геворкян, J1. Гликсман, П. Дэйви, С. Зоколей, Д. Лин, Ф. Моунселл, Б. J1. Онг, П. Смит, Д. Уильяме, JI. Хайзелбах; по проблемам архитектуры «солнечных» зданий — Б. Андерсон, Н. Гуарьенто, С. Роберте, П. Сабади, К. Схитгич, С. Танака. Р. Томас, С. Уделл, М. Уолл, М. Фордман, Р. Хастингс.

Проблемы архитектуры энергоактивных зданий рассматривались в трудах советских ученых Е.С. Абдрахманова, B.C. Беляева, С.И. Вайнштейна, С.А. Ващенко, В.В. Захарова, А.И. Мелуа, О.С. Попеля, М.Д. Рабиновича, Э.В. Сарнацкого, Н.П. Селиванова, Л.П. Хохлова. В советский период на альтернативную энергетику возлагались определенные надежды, послужившие основой для научно-исследовательской деятельности. Однако энергетической программе СССР не суждено было стать завершенной в виду серьезных социально-экономических и политических перемен в стране. К 2000-м годам в России научная деятельность в области альтернативной энергетики практически прекратилась. Новые энергетические стратегии должны послужить стимулом для нового этапа научной деятельности. Такое положение дел вместе с ростом интереса мирового

сообщества к экологической архитектуре дало основание для значительного ряда научно-исследовательских работ. Сейчас вопросами синтеза альтернативной энергетики и архитектуры занимаются: A.M. Баталов, М.М. Бродач, О.Д. Бреславцев, H.H. Гераскин, A.A. Магай, В.А. Новиков, H.A. Сапрыкина, О.Ю. Суслова, Ю.А. Табунщиков, И.В. Черешнев.

Также проблемы архитектуры энергоактивных зданий были затронуты в диссертационных работах В.В. Алексашиной, М.М. Атаева, O.K. Афанасьевой, Э.И. Баклановой, Ю.Г. Бурханова, М.А. Демидовой, С.А. Молодкина, А.О. Погонина, С.М. Смирновой, H.JI. Тиманцевой, C.B. Ушакова, И.С. Экономова.

В числе наиболее значительных проектов энергоактивных зданий, иллюстрирующих особый подход архитекторов к формообразованию зданий с использованием средств альтернативной энергетики, - Бахрейнский всемирный торговый центр (Шон Килла), офисное здание «Pearl River Tower» (Гордон Гилл, Эдриан Смит), жилая башня «Strata SEI» (BFLS), стадион Всемирных Игр в Гаосюн (Тойо Ито), офисное здание в Доксфорде (Studio Е Architects), офисное здание в Дэчжоу (Himin Solar Group) и др.

Внимание мировой общественности к проблемам экологии и сырьевого кризиса способствует появлению новых энергоактивных зданий. Отдельные научные работы в той или иной мере затрагивают вопросы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий. Однако до сих пор не существует теоретической базы, охватывающей вопросы архитектурного формообразования, где использование средств альтернативной энергетики рассматривалось бы как творческая концепция архитектурной деятельности. Цель работы.

Разработать научно-обоснованные принципы архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики и определить специфические особенности архитектурного проектирования таких зданий. Задачи исследования:

1. Выявить положительные и отрицательные факторы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий и оценить степень их влияние на процесс архитектурного формообразования.

2. Разработать теоретическую модель архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики.

3. Сформулировать принципы архитектурного формообразования при использовании средств всех направлений альтернативной энергетики и определить возможные тенденции для развития архитектуры соответствующих энергоактивных зданий.

4. Проанализировать энергоактивные здания с позиции архитектурного формообразования и предложить научную основу их проектирования.

5. Классифицировать мировой архитектурный опыт использования средств альтернативной энергетики в структуре зданий в зависимости от типа используемых установок и композиционных приемов формообразования.

6. Разработать научно-обоснованные принципы формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики с помощью новейших систем автоматизированного проектирования.

Объект исследования.

Жилые, общественные, сельскохозяйственные здания, промышленные здания и сооружения с интегрированными в их структуру средствами альтернативной энергетики.

Предмет исследования.

Принципы архитектурного формообразования зданий при интеграции в их структуру средств альтернативной энергетики.

Границы исследования.

В работе исследуется отечественная и зарубежная практика использования средств альтернативной энергетики с структуре зданий, начиная с 1930-х гг. Исследование ограничивается зданиями с интегрированными в их структуру активными энергосистемами, входящими в комплекс альтернативной энергетики.

Методика исследования:

- исследование отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства энергоактивных зданий с использованием средств альтернативной энергетики, в том числе инженерно-технические аспекты и научные предпосылки проектирования;

- анализ и систематизация концептуальных решений и реализованных проектов зданий с интегрированными в их структуру средствами альтернативной энергетики;

- графический анализ композиционных решений зданий с интегрированными в их структуру средствами альтернативной энергетики;

- выявление тенденций архитектурного формообразования на основе компьютерного анализа, выполненного с помощью новейших систем автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы:

- выявлены и систематизированы принципы архитектурного формообразования современных энергоактивных зданий, как комплекса мер по борьбе с эксплуатационными и техническими недостатками интегрированных средств альтернативной энергетики, а также по повышению эффективности энергосистемы здания;

- на основе принципов формообразования зданий выявлены творческие концепции архитектурного проектирования зданий с использованием альтернативных источников энергии;

- предложены методы моделирования и анализа формы зданий с помощью новейших систем компьютерного проектирования.

Теоретическая значимость исследования

В работе предложены теоретические модели формообразования энергоактивных зданий, методики оценки влияния средств альтернативной энергетики на форму здания и их эксплуатационных особенностей; даны классификации средств

альтернативной энергетики и энергоактивных зданий; изучены связи технологических особенностей средств альтернативной энергетики с процессом архитектурного формообразования; проведена модернизация существующих моделей формообразования энергоактивных зданий; сформулированы теоретические основы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий и принципы полифункциональности энергоактивных зданий; введены новые понятия и термины с обоснованием необходимости их использования.

Практическая значимость работы.

Результаты исследования нацелены на использование не только в учебном и экспериментальном проектировании, но и в реальной практике. Выявленные принципы объемно-планировочных решений зданий необходимо использовать для повышения энергоэффективности интегрированных установок. Предложены приемы архитектурного формообразования, нацеленные на снижение эксплуатационных и технических недостатков различных средств альтернативной энергетики. Подробно описанные методы выбора энергоустановок и алгоритмы компьютерного анализа формы энергоактивных зданий обеспечивают научно-обоснованный подход к проектированию с использованием передовых технологий.

Апробация и внедрение результатов работы.

Основные результаты исследования были изложены в докладах на научных конференциях МАРХИ (2010, 2011 и 2012 гг.), на международном симпозиуме «Устойчивая архитектура: настоящее и будущее» (2011 г.), а также опубликованы в 12 научных статьях и тезисах докладов.

Опубликовано учебно-методическое пособие для студентов архитектурных ВУЗов и факультетов, в котором изложены результаты исследования с учетом особенностей современного процесса обучения по специальности «Архитектура» (2012 г.). С 2012 года пособие используется в учебном процессе по курсу «Архитектурное проектирование» на кафедре Архитектуры сельских населенных мест МАРХИ.

На защиту выносятся:

- классификация зданий по типу композиционного решения в зависимости от характера использования в их структуре средств альтернативной энергетики;

теоретическая модель архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики;

- принципы архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики (полифункциональное использование энергоустановок, зонирование помещений в зависимости от энергопотребления, создание оптимальной рабочей поверхности интегрированных энергоустановок и др.);

- методика использования компьютерных программ в процессе проектирования зданий с использованием средств альтернативной энергетики.

Структура диссертации:

Диссертационное исследование состоит из двух томов. Первый том включает введение, четыре главы, заключение в виде обобщающих выводов,

библиографический список. Основной текст исследования изложен на 135 страницах, библиография содержит 212 наименования. Второй том включает иллюстрации и таблицы с методическим приложением (77 страниц).

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Введение.

Во введении даны основные положения по актуальности, задачам, границам и методике исследования. Даны оценки научной новизне, практической значимости работы.

Глава I. Виды современных средств альтернативной энергетики и их использование в структуре зданий.

В первой главе даются общие сведения, определяющие понятие альтернативной энергетики, ее роль в современной энергетической промышленности. Определяются актуальность, объект и границы исследования. Выявляются различные степени возможного взаимодействия зданий со средствами альтернативной энергетики. Проводится оценка положительных и отрицательных эксплуатационных факторов, а также технических недостатков, характерных для каждого отдельного направления альтернативной энергетики, в результате чего выявляются энергоустановки, наиболее подходящие для интеграции в структуру зданий.

1.1 Современное понятие альтернативной энергетики.

Понятие современной альтернативной энергетики не имеет точного определения в связи с большим количеством в современном топливно-энергетическом комплексе нетрадиционных подходов к производству энергии. Для обозначения границ исследования в настоящей работе принимается наиболее частое определение альтернативной энергетики как отрасли топливно-энергетической промышленности, объединяющей следующие нетрадиционные направления: ветроэнергетику, гелиоэнергетику, альтернативную гидроэнергетику (с использованием энергии малых рек, водопадов и океана, в т.ч. градиентов солености и температуры вод), геотермальную, водородную, биотопливную энергетики. Понятие альтернативной энергетики не идентично понятию систем на возобновляемых источниках энергии и является более подходящим для рассмотрения в контексте вопросов архитектуры, так как охватывает достаточно определенные виды энергосистем, преимущественно пригодных для интеграции в структуру зданий.

Под средствами альтернативной энергетики в настоящей работе понимается комплекс инженерно-технических средств для приема, переработки, трансформации и распределения между потребителями энергии на основе энергетических ресурсов, соответствующих выше перечисленным направлениям альтернативной энергетики. В связи с этим в качестве объекта исследования взяты исключительно энергоактивные инженерно-технические средства, преобразующие первичную энергию, получаемую в виде топлива или энергоресурсов, во вторичную, как правило, электрическую или тепловую энергию.

1.2 Альтернативная энергетика в современной топливно-энергетической

промышленности.

Анализ современного топливно-энергетического комплекса, произведенный в данном разделе на основании данных компетентных информационных агентств, иллюстрирует хорошие перспективы для развития альтернативной энергетики. Однако роль этого направления энергетической промышленности в современном топливно-энергетическом комплексе, основанном на использовании горючих ископаемых, до сих пор остается незначительной. Развитие альтернативной энергетики в России идет медленными темпами в сравнении с индустриально развитыми странами. Однако альтернативная энергетика способствует фундаментальному решению основных задач современного топливно-энергетического комплекса, среди которых особо острыми являются проблемы экологии и сырьевого кризиса. Помимо этого альтернативная энергетика решает проблему автономного энергоснабжения, крайне актуальную для регионов России. Имея различного рода недостатки, помимо тарифов и относительно низкой инвестиционной привлекательности, связанные с особенностями энергетического потенциала нетрадиционных энергоресурсов и эксплуатацией оборудования, альтернативная энергетика стремительно развивается, укрепляя свое положение в мировом топливно-энергетическом комплексе.

13 Основные виды современных средств альтернативной энергетики.

Современный комплекс альтернативной энергетики располагает чрезвычайно широким разнообразием инженерно-технических средств. Причиной этому является различная физическая природа энергетических ресурсов для каждого отдельного направления альтернативной энергетики. Помимо этого один и тот же ресурс может иметь принципиально разный подход к его преобразованию в рамках одного направления. Так, например, в гелиоэнергетике солнечное излучение может использоваться посредством как фотоэлектрического, так и теплового преобразования. Это определяет многообразие средств альтернативной энергетики. В данном разделе предпринята попытка систематизировать различные инженерно-технические средства в той мере, насколько это может оказаться полезным при изучении вопроса их интеграции в структуру зданий.

Так альтернативная гидроэнергетика делиться на океанскую энергетику, где среди основных средств следует назвать приливные электростанции, преобразователи океанских течений, температурного градиента и поверхностных волн, и малую гидроэнергетику. В комплекс малой гидроэнергетики входят гидроэлектростанции, которые делятся в зависимости от мощности на малые и микро-ГЭС и в зависимости от методов создания напорного фронта на плотинные, деривационные и на ГЭС на готовом напорном фронте. Среди средств ветроэнергетики выделяются ветроприемные установки с горизонтальной осью вращения крыльчатого типа и с вертикальной осью вращения роторно-карусельного типа, роторно-барабанного типа, типа Савонниуса и типа Дарье. Биоэнергетические установки делятся на три типа по характеру получения энергии - термохимические, биохимические и агрохимические. Среди широкого разнообразия преобразователей тепловой энергии

земли выделяются геотермальные коллекторы, компрессионные и абсорбционные тепловые насосы и геотермальные станции на сухом паре, горячей воде и нагретых сухих пародах. Средства солнечной энергетики делятся на фотоэлектрические преобразователи и на термические преобразователи. Установки, использующие тепловую энергию солнца, могут быть абсорбирующими или концентрирующими. Среди бытовых водородных установок выделяются установки, использующие протон-обменную технологию и твердо-оксидную технологию. Такая классификация позволяет системно оценить многообразие инженерно-технических средств альтернативной энергетики, что крайне важно для выявления и систематизации различных приемов интеграции энергоустановок в структуру здания.

1.4 Средства альтернативной энергетики в структуре зданий.

Положительные и отрицательные факторы внедрения.

Благодаря совокупности таких факторов как автономность и возможность использования мобильного топлива, отсутствие строгой зависимости от природных условий участка, отсутствие неблагоприятных выбросов, простота производственного цикла и пр., некоторые средства альтернативной энергетики целесообразно использовать непосредственно в структуре здания. В данном разделе проводится оценка потенциальной возможности использования средств альтернативной энергетики в структуре зданий в зависимости от эксплуатационных и технических недостатков.

Выявляются неблагоприятные факторы при эксплуатации средств энергетики, которые делятся на факторы постоянного действия (шумы, вибрации, электромагнитное и радиоактивное излучение), временные факторы с определенной цикличностью (вредные выбросы, транспортировка сырья и отходов) и потенциальные факторы единичного характера (пожаро- и взрывоопасность, возможность техногенной аварии). По степени отрицательного воздействия на человека неблагоприятные факторы условно поделены на первичные, вторичные и третичные, после чего для каждого отдельного направления альтернативной энергетики проводятся оценка положительных и отрицательных факторы при потенциальной интеграции его инженерно-технических средств непосредственно в структуру зданий. На основе этого выявляются виды энергоустановок наиболее подходящие для подобной интеграции (геотермальные коллекторы, средства гелиоэнергетики и средства ветровой энергетики), а также определяются виды тех энергоустановок, использование которых в структуре зданий нежелательно или невозможно (геотермальные станции, преобразователи энергии океана).

Помимо этого среди дополнительных положительных факторов эксплуатации средств альтернативной энергетики в структуре зданий следует назвать независимость от сетевых сбоев, отсутствие ЛЭП, бережное отношение потребителя к энергозатратам, возможность самообслуживания и личного технического контроля энергосистемы потребителем и возможность продажи избытка энергии.

Возможность появления того или иного энергетического средства в среде постоянного пребывания человека в первую очередь зависит от характера его

взаимодействия с участком. В этом отношении все виды энергогенерирукмцих предлагается поделить на две группы - использующие природную энергию участка и использующие мобильное топливо или транспортируемую сетевую энергию. В СВОЮ очередь, последнюю группу можно условно поделить на энергогенерирующие средства с производственным процессом, независящим от природных условий участка, и на энергогенерирующие средства с производственным процессом, подразумевающим специальные природные особенности участка. Энергогенерирующие средства с использованием природной энергии участка, в свою очередь, делятся на средства, использующие энергетические ресурсы с редкой областью распространения, характерные для отдельных участков земного шара, и на средства, использующие энергетические ресурсы с широкой областью распространения, характерные почти для всей поверхности земного шара. Очевидно, что энергоустановки последней группы (гелиоустановки, ветряные установки, геотермальные коллекторы) наиболее целесообразно интегрировать в структуру здания.

В итоге, все здания, по характеру взаимодействия со средствами альтернативной энергетики, предлагается разделить на две группы: здания с энергетическими установками, расположенными вне их материально-конструктивной структуры, и здания с энергетическими установками, расположенными в их материально-конструктивной структуре. В первой группе следует выделить здания, использующие транспортируемую энергию, как правило, по энерго- или теплосетям, от дистанцированного энергогенирирующего узла, и здания с отдельно расположенными энергетическими установками, в непосредственной близости, и, как правило, нацеленными на энергоснабжение данного конкретного здания. Такого рода установки, не оказывают влияние на объемно-планировочное решение здания и на его материально-конструктивную структуру, выступая в качестве периферийного элемента. Однако вместе они формируют единый функциональный комплекс. Ко второй группе относятся здания, использующие энергетические установки в качестве периферийных устройств. Энергогененирующие установки здесь выступают в роли дополнительных инженерно-технических элементов, не оказывающих влияние на объемно-планировочные решения зданий и на их структуру в целом. Также, ко второй группе относятся технические здания в структуре производственного объекта. Такие здания сами по себе выполняют второстепенное функциональное назначение, не являясь самостоятельным объектом, и полностью подчинены работе энергогенерирующей установки. Наибольшее значение для данной работы, имеют объекты, также относящиеся ко второй группе, в которых энергетические установки формируют их материально-конструктивную структуру. Такие здания, по большому счету, составляют единое целое с энергогенерирующим средством, образуя функциональный синтез.

Глава II. Средства альтернативной энергетики как факторы архитектурного

формообразова ния.

Во второй главе предлагается теоретическая модель архитектурного формообразования зданий, учитывающая специфику интеграции средств

11

альтернативной энергетики. На ее основе выявляется зависимость процесса формообразования от специфики различных энергогенерирующих устройств, и дается обзор ключевых примеров мирового архитектурного опыта с попыткой выявить принципиальные приемы моделирования формы зданий с использованием средств альтернативной.

2.1 Теоретическая модель формообразования современных зданий.

Современные здания представляют собой сложные материально-организованные структуры, сформированные в соответствии с широким спектром социально-функциональных требований. В целом факторы, определяющие формообразование современного здания условно делятся на три группы: архитектурно художественные факторы, инженерно-конструктивные факторы и социально-функциональные факторы. Под архитектурно-художественными факторами понимаются историко-культурные, социально-культурные, социально-экономические, градостроительные и природно-климатические условия. Инженерно-конструктивные факторы объединяют конструктивные системы и методы возведения зданий, а также, строительные материалы и инженерное оборудование. В социально-функциональные факторы объединяют социально-демографические, национально-этнографические и санитарно-гигиенические характеристики потребителей, их жизнедеятельность и поведение, а также, технология услуг для производства.

Таким образом, три группы факторов формируют три основных требования к зданию: функциональную целесообразность, техническую целесообразность и архитектурно-художественную выразительность. В свою очередь эти три основных требования играют доминирующую роль в формировании одного из трех основных видов пространства, на которые можно условно разделить здание. Именно, внешнее, ограждающее и внутреннее пространства являются тремя основными элементами, взаимно дополняющими и имманентными друг другу, вместе определяющими форму здания. Таким образом, современное здание формируется внутренним, ограждающим и внешним пространствами, определяющими для которых являются социально-функциональные, инженерно-конструктивные и архитектурно-художественные факторы соответственно.

В настоящем разделе предлагается модель формообразования, обобщающая вышеперечисленные положения и учитывающая специфику процесса формообразования энергоактивных зданий. Так, общая структура архитектурного формообразования зданий наглядно представлена в виде условной графической схемы. Здание формируется внутренним, ограждающим и внешним пространствами. Внешнее и внутреннее пространства изображены в виде равновеликих соприкасающихся (взаимодействующих) элементов. Их объединяет расположенное в центре ограждающее пространство. Внутреннее пространство условно поделено на основные, а также, на технические и хозяйственные помещения, которые занимают около трети пространства в современных гражданских зданиях. Внешнее пространство представлено в виде архитектурного образа и условно разбито и первичные, вторичные и третичные факторы восприятия, в зависимости от силы визуального воздействия. Так, к первичным факторам, оставляющим первое

впечатление об объекте в процессе восприятия, отнесены силуэт здания и контуры объемов. К вторичным факторам относятся характеристики геометричности здания (размеров и форм элементов, пластики ограждающих конструкций). К третичным факторам относятся фактурные и текстурные характеристики видимого поля материально-конструктивной оболочки (цвет, визуальные качества материалов). Такая модель позволяет наглядно в графическом виде оценить роль средств альтернативной энергетики в процессе формообразования того или иного здания.

2.2 Влияние средств альтернативной энергетики на архитектурное

формообразование.

Интеграция средств альтернативной энергетики в структуру здания может оказывать определенное влияние на такие факторы формообразования как планировка помещений, тепловое зонирование, ориентация здания по сторонам света, планировка участка, и на такие элементы формы как внешнее и внутреннее инженерное оборудование, наружные ограждающие конструкции, специальные несущие конструкции энергоустановок, рельеф участка и пр. (приложение 1, таблица 1). Средства альтернативной энергетики могут выступать как периферийные инженерно-технические элементы здания, не влияющие на общее объемно-пространственное решение здания. Как правило, это одноцелевые энергоустановки, выполняющие исключительно энергопроизводственную функцию. Для повышения эффективности энергосистемы элементы структуры здания могут способствовать улучшению работы энергоустановок. В этом случае отдельные элементы материально-конструктивной структуры здания совмещаются с элементами энергоустановок, образуя единую полифункциональную структуру (приложение 1, таблица 2).

Таким образом, полифункциональность, как свойство элементов здания одновременно выполнять функцию энергоустановки и функцию ограждающих, реже несущих, конструкций - основной принцип архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики. При полифункциональном использовании средств альтернативной энергетики, специфика соответствующего инженерно-технического оборудования может являться отправной точкой и фундаментальным определяющим параметром процесса архитектурного формообразования. Задача архитектора заключается в создании оптимальной формы здания для наиболее эффективного функционирования энергосистемы.

Методы достижения такого результата значительно варьируются в зависимости от используемых энергоустановок. Так в случае использования фотоэлектрических солнечных батарей архитектору необходимо повысить облученность здания путем создания гелиоприемной поверхности с наибольшей полезной площадью, что осуществляется путем совмещения фотоэлектрических элементов с ограждающими конструкциями, оптимизации формы облучаемой части внешней оболочки, имитации процесса гелиослежения.

При использовании термических солнечных преобразователей архитектору необходимо обеспечить требуемый угол падения солнечных лучей на рабочие

элементы энергоустановок при помощи оптимальной ориентации концентрирующих поверхностей и создания гелиоприемной поверхности с наибольшей полезной площадью, совмещая концентраторы, гелиостаты, коллекторы и прочие элементы с ограждающей конструкцией здания.

При использовании преобразователей поверхностных волн архитектору следует создать здание, форма которого концентрировала бы волны, стабилизировала бы их амплитуду и увеличивала бы их мощность, что достижимо при использовании отдельных элементов здания в качестве дамб и волновых концентраторов.

Увеличение мощности напора водного потока является важной задачей при использовании ПЭС и малых ГЭС. В этом случае архитектору следует предусмотреть элементы, формирующие искусственный напорный фронт и искусственные каскады, а также элементы, выполняющие роль плотинных укреплений и деривационных сооружений.

Эффективное распределение выработанного тепла - важнейшая задача при использовании геотермальной энергии, а также при сжигании биотоплива и водорода. В случае интеграции в структуру здания соответствующего оборудования архитектору следует уделить особое внимание рациональному зонированию помещений в зависимости от характера потребления теплоты. При использование грунтовых коллекторов архитектору также следует достичь наиболее эффективного распределения выработанного тепла, совмещая коллектор с ограждающей конструкцией здания. Здесь целесообразным оказывается использование насыпных грунтовых коллекторов.

Для повышения эффективности интегрированных ветряных установок архитектору необходимо оптимизировать форму здания так, чтобы она обеспечивала повышение скорости и мощности ветровых потоков, а также их стабилизацию. Для этого ограждающие конструкции здания должны выполнять функцию дефлекторов и концентраторов. Для борьбы с эксплуатационными недостатками отдельных энергоустановок целесообразно использовать комбинированные энергосистемы, интеграция которых в структуру здания подразумевает совмещение соответствующих методов формообразования. Перечисленные методы могут служить основой для объемно-пространственной структуры здания. Их использование обязательно подразумевает научно-обоснованные методы конструирования и моделирования с использованием современных расчетно-вычислительных программных комплексов. Интеграция средств альтернативной энергетики в структуру здания, определяя процесс формообразования, дает богатую почву для творческой деятельности архитектора (приложение 3, таблица 2).

23 Архитектурный опыт использования средств альтернативной энергетики

в качестве формообразующего фактора.

Практика синтеза архитектуры и альтернативной энергетики довольно частое явление в современной архитектурно-строительной индустрии. За время существования альтернативной энергетики как отрасли промышленности было реализовано не мало проектов интеграции соответствующих средств в структуру

зданий. Малые гидроэлектростанции, водородные и биотопливные установки, геотермальные электростанции нередко становятся элементом материально-конструктивной структуры здания, однако случаи использования энергогенерирующих установок в качестве элемента архитектурного формообразования единичны. Среди ключевых зданий и сооружений, характерных для определенного направления альтернативной энергетики, иллюстрирующих специфические принципы архитектурного формообразования, следует назвать жилой дом с микробиологической рециркуляционной системой по проекту К.Г. Голюка и Дж. Освальда, жилой дом на энергии водорода по проекту К. Пойнта, общественный центр «Перлан», а также здания ПЭС в Аннаполисе и берегового преобразователя морской энергии LIMPET.

Низкопотенциальная тепловая энергия фунта достаточно часто используется в энергосистемах гражданских зданий - различного рода тепловые насосы и теплообменники, выполненные в виде системы труб или иных каналов с жидкостным или воздушным теплоносителем. Такое оборудование в основном располагается под землей и имеет специальные технические приспособления в хозяйственных помещениях здания, не оказывая влияния на его архитектурно-художественный образ. Однако использование в качестве геотермального коллектора массива грунта может серьезно отразиться на объемно-планировочных решениях зданий. Искусственная насыпь или природный массив могут выступать как формообразующие факторы. На сегодняшний день существует немало примеров такого использования тепла земли. В числе наиболее значительных построек следует назвать жилые дома по проектам архитекторов К. Бедойи, Н. Дорвал-Борий, Ф. Месы, Р. Белатчью, Л. Лонги, Б. Игнатова, Дж. Майнка и пр. Как правило, при использовании насыпных грунтовых коллекторов здание оказывается вписанным в окружающий его ландшафт, олицетворяя принципы органической архитектуры. Таким образом, насыпные геотермальные коллекторы выступают связующим элементом между основным объемом здания и окружающей природной средой, формируя непрерывность архитектурного пространства.

Наибольшее количество энергетических установок, используемых в качестве архитектурного элемента, относится к солнечной и ветровой энергетике. Характерной чертой ветряных и солнечных установок является то, что форма здания оказывает непосредственное влияние на эффективность их работы. Этот фактор заставил архитекторов прибегать к архитектурным решениям, улучшающим эксплуатационные характеристики энергетической системы проектируемого сооружения. Отдельные примеры реализованных за последнее десятилетие зданий объединяют в себе технические и гражданские функции, иллюстрируя тенденцию взаимодействия средств солнечной и ветровой энергетики с объемно-планировочными и архитектурно-художественными приемами формообразования. Среди них - Бахрейнский всемирный торговый центр (Шон Килла), офисное здание «Pearl River Tower» (Гордон Гилл, Эдриан Смит), жилая башня «Strata SEI» (BFLS), стадион Всемирных Игр в Гаосюн (Тойо Ито), офисное здание в Доксфорде (Studio Е Architects), офисное здание в Дэчжоу (Himin Solar Group) и др. Предлагаемый в

разделе анализ наиболее значительных примеров энергоактивных зданий из мирового архитектурного опыта направлен на выявление творческих концепций архитектурной деятельности при интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий.

Глава III. Архитектурное формообразование зданий с использованием

средств солнечной энергетики.

В главе на основании анализа мирового архитектурного опыта и технических особенностей средств гелиоэнергетики выявляются основные направления в процессе архитектурного формообразования, формулируется принцип полифункционального использования средств солнечной энергетики в структуре здания, делаются предложения по оптимизации формы гелиоэнергоактивных зданий, систематизируется мировой архитектурный опыт с выявлением основополагающих приемов архитектурного формообразования.

3.1 Классификация зданий с использованием средств солнечной энергетики

В разделе предлагается классификация систем солнечного энергообеспечения и гелиоэнергоактивных зданий. Все солнечные энергосистемы делятся на пассивные и активные. Пассивные системы, используя парниковый эффект и теплофизические свойства объекта-потребителя, улучшают тепловые показатели здания. Помимо таких устройств как стена-коллектор, термопруды и термосифоны к пассивным энергосистемам можно отнести солнечные окна, фонари верхнего света, теплицы, оранжереи и другие исторически возникшие традиционные типы солцеприемников. Пассивные системы не являются средствами альтернативной энергетики, так как используют прямой солнечный обогрев и естественное аккумулирование тепла без специальных технических средств преобразования энергии. Активные гелиосистемы, используя фотоэффект, а также оптический и парниковый эффекты, преобразуют первичную энергию в виде солнечной радиации, во вторичную энергию - в виде тепловой и электрической энергии. В таких системах используются специальные преобразователи (средства альтернативной энергетики) - плоские и трубчатые вакуумные коллекторы, коллекторы-концентраторы, фотоэлектрические батареи.

Все гелиоэнергоактивные здания классифицируются, исходя из типа используемой энергосистемы. Здания с термическими преобразователями предлагается делить на здания с вакуумными абсорбирующими коллекторами плоского и трубчатого типа и на здания с коллекторами концентраторами, которые в свою очередь делятся на здания с концентраторами башенного типа и на здания с параболическими и параболо-цилиндрическими концентраторами. Здания с фотоэлектрическими преобразователями предлагается делить на здания с покрытием из фотоэлектрических ячеек и на здания с плоскими солнечными батареями. Исходя из этого, проводится классификация гелиоэнергоактивных зданий в зависимости от солнечной энергосистемы, послужившей прототипом интегрированной установки. Такая классификация помогает выявить закономерности в процессе формообразования гелиоэнергоактивных зданий и

определить возможные пути оптимизации объемно-пространственных решений зданий.

3.2 Основные принципы и особенности архитектурного формообразования зданий с полифункциональным использованием средств солнечной энергетики.

В данном разделе средства солнечной энергетики рассматриваются как полифункциональные элементы, совмещенные с материально-конструктивной структурой здания, выполняющие функцию ограждающих конструкций (приложение 2, таблица 1). Объемно-пространственное решение гелиоэнергоактивных зданий значительно зависит от вида используемых преобразователей. Часто в качестве прообраза композиционной схемы гелиоэнергоактивного здания могут выступать соответствующие энергогенерирующие средства или солнечные электростанции.

Основные особенности формообразования гелиоэнергоактивных предлагается рассматривать как методы борьбы с энергоресурсными недостатками гелиоэнергетики. Так при использовании в структуре здания коллекторов-концентраторов определяющими параметрами которых являются температура окружающей среды, продолжительность прямого солнечного сияния, интенсивность теплового солнечного потока, архитектору необходимо попытаться создать концентрирующую поверхность с наибольшей отражающей площадью и наибольшим ежесуточным рабочем временем. Для этой цели методами повышения эффективности энергосистемы можно считать совмещение концентратора с ограждающими конструкциями здания, использование эффекта гелиослежения для концентратора, использование гелиоследящих гелиостатов, совмещение конструкций приемных башен и гелиостатов с материально-конструктивной структурой здания. В этом случае можно использовать следующие приемы архитектурного формообразования: использование зеркальной поверхности концентраторов в композиционном решении здании, использование гелиопримной башни в объемно-пространственной композиции здания, использование гелиостатов в качестве шедовых конструкций.

Фотоэлектрические батареи и плоские термические коллекторы, будучи абсорбирующими установками, имеют схожие эксплуатационные характеристики. Определяющими параметрами при использовании первых являются протяженность светлого времени суток и удельная мощность солнечного излучения, а для плоских коллекторов - продолжительность прямого солнечного сияния и интенсивность теплового солнечного потока. При их интеграции в структуру здания следует предусмотреть решение следующих задач: создание гелиоприемной поверхности с наибольшей рабочей площадью, ориентацию гелиоприемной поверхности перпендикулярно солнечному вектору, избежание самозатенения для трубчатых коллекторов. Среди методов повышения эффективности энергосистемы следует назвать совмещение гелиоприемных устройств с ограждающими конструкциями здания, использование гелиослежения, адаптация формы неподвижных гелиоприемных поверхностей с учетом наибольшего ежесуточного облучения (имитация эффекта гелиослежения). Соответствующими приемами архитектурного

формообразования в этом случае можно считать специальное моделирование пластики внешних ограждающих конструкций с учетом наибольшего облучения, создание солнечной крыши и солнечной стены с оптимальным уклоном к солнечному вектору, совмещение солнечной кровли и солнечной стены в единой гелиоприемной поверхности, создание шедовой крыши с солнечными коллекторами и батареями, использование фотоячеек и вакуумных трубок в качестве шедовых конструкций.

Говоря об особенностях формообразования гелиоэнергоактивных зданий, мы имеем в виду те особенности, которые связаны с моделированием оптимальной формы здания для максимально эффективной работы устанавливаемых на нем средствах солнечной энергетики. В этом случае формообразование зависит особенно от естественного освещения, как прямого солнечного, так и рассеянного диффузного и отраженного, и от интенсивности солнечной радиации. Моделирование гелиоприемной оболочки гелиоэнергоактивного здания с оптимальной естественной освещенностью солнцем здания является фундаментальной задачей, которую необходимо в этом случае решить архитектору.

33 Мировой опыт использования средств солнечной энергетики в качестве

формообразующего фактора.

Гелиоэнергоактивные здания уже не являются редкостью. В данном разделе сделана попытка систематизировать весь архитектурный опыт на основе анализа ключевых проектов. С учетом специфики архитектурного формообразования все примеры делятся на здания с концентрирующими установками (параболическими, параболоцилиндрическими и башенными концентраторами) и на здания с абсорбирующими установками. Здания с параболоцилиндрическими концентраторами делятся на здания с горизонтальными, вертикальными и наклонными концентраторами. Здания с параболическими концентраторами делятся на здания с вертикальным концентратором в структуре стены, на здания с горизонтально расположенными концентраторами в структуре крыши и на здания с одноцелевыми концентраторами вне основной структуры здания. Среди зданий с башенными концентраторами выделяются здания либо с горизонтально, либо с вертикально ориентированными башнями. В числе примеров — башни «10 мегаваггт»и «Элмейсен» по проектам Роберта Фарри, солнечная кухня по проекту Джона Харпера, здание солнечной печи по проекту В. Захарова и др.

Для систематизации зданий с абсорбирующими установками, все примеры рассмотрены в контексте единой схемы взаимосвязи и трансформации специфических приемов архитектурного формообразования, характерных для данного типа гелиоэнергоактивных зданий. В ходе анализа мирового архитектурного опыта выявляются такие основополагающие приемы формообразования как использование наклонной солнечной стены с ломаной или изогнутой конической пластикой, использование наклонной солнечной кровли и гелиоприемной кровли с цилиндрической пластикой, использование солнечной стены и солнечной кровли, объединенных в едином элементе, использование ■горообразных гелиоприемных поверхностей, использование ленточных

гелиоприемных элементов в структуре фасада и в качестве солнцезащитных экранов, использование специальных конструкций с расположением гелиоприемников в ряд ( типа "жалюзи"), применение солнцезащитных экранов на террасной структуре, одноцелевых гелиоприемников с самостоятельной несущей конструкцией, гелиоприемников в структуре шедовой крыши, гелиоследящих элементов и комбинированных структур. В числе характерных примеров - стадион Всемирных Игр в Гаосюн по проекту Тойо Ито, офисное здание "Himin Solar" в Дэчжоу, здание «Солнечного офиса» в Сандерленде, здание солнечной академии SMA по проекту Манфреда Хаггера и Понтера Шлейфа, здание управы в Итоман по проекту Нихона Сэккэя, энергоэффективное здание университета Дзинь-Гуа по проекту Марио Кучинеллы, энергетический центр в Кайлуа-Кона по проекту Билла Брука, дом «Гилиотроп» по проекту Рольфа Диха, дом «Гемини» по проекту Роланда Мёсла и др.

Глава IV. Архитектурное формообразование зданий с использованием

средств ветровой энергетики.

В главе определяются особенности ветроэнергоактивных зданий и принцип полифункционапьного использования средств ветроэнергетики в структуре здания. Специфика формообразования ветроэнергоакивных зданий формулируется как комплекс мероприятий по борьбе с негативными эксплуатационными факторами при интеграции средств ветроэнергетики. Проводится анализ мирового архитектурного опыта с систематизацией основных направлений и выявлением принципиальных композиционных приемов.

4.1 Методы повышения энергоэффективности ветровых установок в

структуре здания как фактор архитектурного формообразования.

Взаимодействие здания с ветровыми потоками рассматривается в данном разделе как важнейший аспект архитектурного проектирования. Здания, использующие технические средства, перерабатывающие кинетическую энергию ветра в тепловую и электрическую энергию, частично или полностью покрывая при этом энергетические потребности здания и компенсируя ресурсы энергосети, определяются как ветроэнергоактивные здания. Формулируется понятие полифункциональности интегрированных в структуру здания установок. Средства ветровой энергетики в структуре здания делятся на одноцелевые и полифункциональные. В первом случае ветроприемные устройства, системы монтажных конструкций и средства повышения эффективности ветровых потоков, составляющие ветряную энергетическую систему здания, используются исключительно по своему прямому назначению. В случае полифункционального использования ветряных энергетических систем их отдельные элементы могут объединять в себе комплекс различных функций: помимо прямых технологических функций они могут играть роль несущих и ограждающих конструкций здания (приложение 2, таблица 2). Полифункциональность средств ветроэнергетики в структуре здания определяется как основной метод повышения их энергоэффективности.

Полифункциональность ветряных установок заключатся в специальных свойствах отдельных элементов материально-конструктивной структуры здания, повышающих аэродинамические характеристики внешней оболочки и, соответственно, энергоэффективность ветроприемных устройств. Таким образом, эффективность энергосистемы ветроэнергоактивного здания напрямую зависит от его объемно-пространственного решения.

Особенности архитектурного формообразования ветроэнергоактивных зданий рассматриваются как комплекс мероприятий по борьбе эксплуатационными недостатками инженерно-технического и энергоресурсного характера. Неблагоприятные факторы условно делятся на три группы: потенциальные (единичного характера), временные (с определенной цикличностью) и постоянного действия. Потенциальные факторы связаны с авариями в результате разлета элементов лопастей, наледи, возгоранием в результате трения рабочих частей ветроприемного устройства, представляющими опасность для жизни человека и угрозу разрушения элементов здания. Задачей архитектора в этом случае следует считать обеспечение безопасности здания и окружающего пространства от механических повреждений. Архитектору следует избегать смежного расположения рабочих элементов ветряной установки с помещениями с постоянным пребыванием людей и не допускать устройства зон с постоянным пребыванием людей рядом со зданием под ветроприемным устройством, а также предусматривать использование защитных сеток перед ветроприемными устройствами.

В числе негативных факторов постоянного действия следует назвать турбулентность в зоне ветроприемного устройства, световое мерцание, аэродинамические и механические шумы, низкочастотные вибрации. В случае с повышенной турбулентностью архитектору следует попытаться избежать нарушения теплового и воздушного режимов в зонах постоянного пребывания людей. Путем зонирования помещений и с помощью инженерно-технических средств стабилизации воздушных и тепловых режимов архитектор должен обеспечить нормальное регулирование воздушного и теплового режимов без открывания окон в помещениях, расположенных в зоне значительной турбулентности. В случае с низкочастотными вибрациями архитектору требуется снизить уровень вибраций в зоне постоянного пребывания людей (в том числе вне здания) путем использования упругих амортизирующих элементов в несущих конструкциях ветряных установок, избегая смежного расположения рабочих элементов ветряной установки с помещениями с постоянным пребыванием людей, а также предусмотреть монтаж рабочих элементов ветряной установки на максимально возможной высоте для снижения уровня вибраций вокруг здания. Для борьбы с аэродинамическими и механическими шумами архитектору требуется расположить рабочие элементы ветряной установки как можно дальше от мест постоянного пребывания людей, обеспечить нормальное регулирование воздушного и теплового режимов внутри помещений без открывания окон, использовать ограждающие конструкции с хорошей звукоизоляцией, предусмотреть максимально высокий монтаж рабочих элементов ветряной установки для снижения уровня шума

вокруг здания. При световом мерцании архитектору требуется избежать затенения световых проемов лопастями ветроприемного устройства, путем использования многобашенной структуры здания с установкой ветроприемных устройств в межбашенном пространстве и ориентацией в сторону установки технических и хозяйственных помещений, лестнично-лифтовых узлов, а также путем использования в структуре здания воздухозаборных отверстий с глухими концентраторами и с расположенными внутри ветроприемными устройствами, а также путем установки ветроприемных устройств на глухих стенах или над крышей здания.

Энергоресурсные недостатки средств ветроэнергетики преимущественно связаны с флуктуацией ветровых потоков. При нестабильности и нерегулярности ветровых потоков архитектору требуется обеспечить требуемые аэродинамические параметры конструкций зданий для концентрации, усиления и перенаправления воздушных масс. С этой целью архитектор должен предусмотреть устройство на здании в зоне ветроприемных устройств концентрирующих или дефлекторных поверхностей, а также монтаж ветроприемных устройств на максимально возможной высоте. Для борьбы с ежесуточными и сезонными сменами преобладающих направлений ветра задачей архитектора является организация постоянное бесперебойное вращение ветроприемных устройств путем обеспечения доступа к ним воздушных русел с разными направлениями. Для решения этой задачи архитектор может использовать многобашенную структуру здания, ветроприемные устройства с вертикальной осью вращения и обеспечить возможность смены их ориентации.

Принципы оптимизации аэродинамических показателей внешней оболочки здания, направленные на повышение эффективности энергосистемы, а также на снижение эксплуатационных и технических недостатков интегрированных средств ветроэнергетики, должны определять подход проектировщиков к процессу формообразования, выступая в качестве отправной точки для творческих концепций архитектурной деятельности при проектировании ветроэнергоактивных зданий.

4.2 Архитектурный опыт использования средств ветровой энергетики в

качестве формообразующего фактора

Анализируя мировой архитектурный опыт ветроэнергоактвных зданий, следует отметить, что использование полифункциональных ветряных энергосистем заключается в организации различного рода поверхностей со специфическими концентрирующими, дефлекторными и перенаправляющими свойствами. В связи с этим можно выделить три основных типа зданий с полифункциональными ветряными установками: здания с башенными концентраторами, здания с воздухозаборными отверстиями и здания с дефлекторными поверхностями. В числе ключевых проектов, рассмотренных в диссертации, - жилая башня "Strata SEI" в Лондоне, небоскреб "Pearl River Tower" в Гуанчжоу, Бахрейнский всемирный торговый центр в Манаме, жилой комплекс «Рэмсгейт Стрит» в Лондоне, здание гаража «Гринвэй Сэлф Парк» в Чикаго и др.

Одноцелевые ветряные установки, как правило, состоят из ветроприемного ротора, электрогенератора и несущей подсистемы. Их использование в структуре здания отражается на процессе формообразования, затрагивая такие составляющие элементы как силуэт и контур объемно-пространственной структуры, при этом не оказывая влияние на объемно-планировочные решения. По этой причине влияние одноцелевых ветряных установок на процесс архитектурного формообразования ветроэнергоактивных зданий нельзя считать полноценным.

В данном разделе рассматриваются ключевые проекты из мирового архитектурного опыта, дающие наглядное представление об основных направлениях в архитектурном формообразовании ветроэнергоактивных зданий. Помимо реализованных проектов также исследуются концептуальные разработки, иллюстрирующие передовые тенденции в развитии экологической архитектуры. На основе анализа процесса архитектурного формообразования для каждого отдельного здания делается попытка выявить приемы проектировании формы ветроэнергоактивных зданий.

Выводы по диссертации:

1. Выявлены положительные и отрицательные факторы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий.

Благодаря отсутствию таких неблагоприятных эксплуатационных качеств как вредные выбросы, шум, вибрация, пожаро- и взрывоопасность, транспортировка топлива, многие средства альтернативной энергетики целесообразно использовать непосредственно в структуре зданий. Современная альтернативная энергетика располагает чрезвычайно широким спектром различных инженерно-технических средств, поэтому каждое отдельное направление на предмет интеграции в структуру здания следует рассматривать отдельно. Анализ неблагоприятных эксплуатационных качеств инженерно-технических средств свидетельствует о нецелесообразности интеграции в структуру зданий средств альтернативной гидроэнергетики, биотопливной энергетики, водородной энергетики (за исключением небольших стационарных установок). Целесообразны для использования в структуре зданий средства геотермальной энергетики (геотермальные коллекторы и тепловые насосы), а также средства ветроэнергетики и гелиоэнергетики.

2. Предложена теоретическая модель архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики.

В основу концепции проекта энергоактивного здания может быть взят комплекс мероприятий, направленных на повышение эффективности энергосистемы здания или на снижение неблагоприятных технических и эксплуатационных факторов интегрированных средств альтернативной энергетики. В этом случае в основе процесса формообразования энергоактивного здания должен лежать принцип полифункциональности энергоустановки. Средство альтернативной энергетики следует считать формообразующим, если оно подчиняет себе материально-

конструктивную структуру здания и оказывает влияние не только на его инженерно-технические решения, но и на . объемно-пространственные, формируя геометрическую форму и размер элементов, силуэт, контур объемов здания и пр. Этот принцип отражен в теоретической модели, наглядно иллюстрирующей исследуемую тенденцию и позволяющую схематично оценить влияние средств альтернативной энергетики на форму каждого отдельного энергоактивного здания.

3. Сформулированы принципы архитектурного формообразования при использовании средств геотермальной энергетики и определены возможные тенденции для развития зданий с интегрированными геотермальными установками.

Геотермальные коллекторы, входящие в комплекс мероприятий по повышению энергоэффективности современных "пассивных" и "активных" зданий, представляют собой устройства, использующие низкопотенциальную тепловую энергию дисперсных грунтов для тепло- и холодоснабжения с помощью систем теплообмена. Различного рода тепловые насосы, выполненные в виде системы труб или каналов с жидкостным или воздушным теплоносителем, устанавливаются в толще грунта и имеют специальные технические приспособления в хозяйственных помещениях здания, не оказывая при этом значительного влияния на архитектурное решение. Однако в качестве геотермального коллектора может использоваться массив грунта в виде искусственной насыпи или естественного рельефа, выполняющий роль ограждающей конструкции. Такое решение существенно влияет на архитектурный образ, в особенности малоэтажных зданий, где массив грунта зачастую формирует основную часть внешней материально-конструктивной структуры.

Сформулированы принципы архитектурного формообразования при использовании средств солнечной энергетики.

Для средств солнечной энергетики, в отличие от большинства других направлений альтернативной энергетики, определяющую роль играет внешняя контактная поверхность приемного устройства. Исходя из этого сформулирован основной принцип формообразования гелиоэнергоактивных зданий, заключающийся в создании оптимальной формы оболочки здания на основе использования полифункциональных средств солнечной энергетики.

Определены возможные тенденции для развития архитектуры зданий с интегрированными гелиоустановками.

Из всех средств гелиоэнергетики наиболее целесообразно использовать в структуре здания плоские фотоэлектрические батареи и вакуумные коллекторы (интеграция в структуру зданий средств солнечной энергетики с использованием концентрированной тепловой энергии подразумевает целый ряд технических сложностей). Необходимость создания плоской приемной поверхности с наибольшей полезной площадью определяет целесообразность таких композиционных приемов как солнечная кровля и солнечная стена. Остальные тенденции в архитектурном формообразовании гелиоэнергоактивных зданий с

плоскими элементами связан с созданием внешний оболочки, имитирующей процесс гелиослежения.

Сформулированы принципы архитектурного формообразования при использовании средств ветровой энергетики и определены возможные тенденции для развития зданий с интегрированными ветряными установками.

Полифункциональность ветряных установок заключается в специальных свойствах отдельных элементов материально-конструктивной структуры здания, повышающих аэродинамические характеристики внешней оболочки и, соответственно, энергоэффективность ветроприемных устройств. Таким образом, эффективность энергосистемы ветроэнергоактивного здания напрямую зависит от его объемно-пространственного решения.

4. Проведен подробный анализ энергоактивных зданий с позиции архитектурного формообразования и предложена научная основа их проектирования.

Принципы оптимизации внешней оболочки здания, направленные на повышение эффективности энергосистемы, а также на снижение эксплуатационных и технических недостатков интегрированных средств энергетики, должны определять подход проектировщиков к процессу формообразования, выступая в качестве отправной точки для архитектурного образа ветроэнергоактивных и гелиоэнергоактивынх зданий и других зданий с использованием средств альтернативной энергетики.

Большинство регионов РФ характеризуются непостоянностью природно-климатических особенностей отдельных участков, что определяет нестабильность большинства природных энергоресурсов. По этой причине альтернативную энергетику в контексте архитектурного проектирования следует рассматривать как комплекс мер, направленных на объединение нескольких отраслей в одном объекте (создание комбинированной энергосистемы) (приложение 3, таблица 1). Таким образом, энергоактивное здание может объединять в себе композиционные приемы, оптимальные при использовании инженерно-технических средств различных направлений альтернативной энергетики.

5. Проведена подробная классификация мирового архитектурного опыта использования средств альтернативной энергетики в структуре зданий с учетом выявленных принципов формообразования (полифункционального использования энергоустановок; рационального зонирования помещения в зависимости от энергопотребления; создания оптимальной рабочей поверхности интегрированных энергоустановок и др.).

6. Разработаны научно-обоснованные принципы формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики с помощью новейших систем автоматизированного проектирования.

Процесс формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики должен основываться на результатах работы передовых систем автоматизированного проектирования (ANSYS, Autodesk Algor Simulation, Autodesk Project Vasari, CFDesign и др.) может гарантировать правильное объемно-пространственное решение здания даже на стадии его концептуальной разработки.

24

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ РАБОТЫ:

В рецензируемых журналах и изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России:

1. Рябов А.В. «Объекты альтернативной энергетики в современной архитектурной среде» / Рябов А.В./ / Международный электронный научно-образовательный журнал "Architecture and Modem Information Technologies" «Архитектура и современные информационные технологии». — 2010, №2 (11) [Электронный ресурс]. URL: httD://www.marhi.ru/AMIT/2010/2kvartl0/Rvabov/Abstract.php

2. Рябов А.В. «Ветроэнергетика как новое направление в архитектурном формообразовании высотных зданий» / Рябов А.В./ / Альтернативная энергетика и экология. - 2011, №1. - С. 45-50.

3. Рябов А.В. «Альтернативная энергетика в формировании современной архитектуры Китая»/ Рябов А.В. // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2011, №3 — С. 32-40.

В других изданиях:

4. Рябов А.В. «Объекты альтернативной энергетики в архитектуре зданий» / Рябов А.В./ / Наука, образование и экспериментальное проектирование в МАРХИ. Тезисы докладов научно-практической конференции. — Архитектура-С. Москва: МАРХИ, 2010 r.-T.l.-C. 231-232.

5. Рябов А.В. «Опыт Великобритании в использовании возобновляемых источников энергии для решения экологических проблем архитектуры» / Рябов А.В. // Энергетика за рубежом — 2011, №3 — С. 3-11.

6. Рябов А.В. «Архитектурное формообразование ветроэнергоактивных зданий» / Рябов А.В. // Наука, образование и экспериментальное проектирование. Тезисы докладов международной научно-практической конференции. — Архитектура-С. - М.: МАРХИ, 2011 г. -Т.2. - С. 19-20.

7. Рябов А.В. «Особенности архитектурного формообразования зданий с использованием средств солнечной энергетики» / Рябов А.В. // Наука, образование и экспериментальное проектирование. Тезисы докладов международной научно-практической конференции. — Архитектура-С. - М.: МАРХИ, 2011 — Т.2. - С. 20-21.

8. Рябов А.В. «Ветряные установки в структуре зданий как факторы объемно-планнровочного решения» / Рябов А.В. // Устойчивая архитектура: настоящее и будущее. Тезисы докладов международного симпозиума 2011 г. — М.: МАРХИ, группа КНАУФ СНГ, 2011. - С. 123.

9. Рябов А.В. " «Формообразование зданий с использованием средств ветроэнергетики» /Рябов А.В. / LAP Lambert Academic Publishing GmbH & Со. — Саарбрюккен, Германия, 2011, 108 с.

10. Рябов А.В. «Объекты альтернативной энергетики в архитектуре зданий»/ Рябов А.В. / Учебно-методическое пособие — М.: МАРХИ, 2012, 76 с.

11. Рябов А.В. «Использование систем автоматизированного проектирования при разработке учебных проектов энергоактивиых зданий» / Рябов А.В. И Наука, образование и экспериментальное проектирование в МАРХИ: Тезисы докладов научно-практической конференции, профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов. —М.: МАРХИ, 2012 г. — С.189-190.

12. Рябов А.В. «Геотермальные коллекторы в архитектуре малоэтажных зданий» / Рябов А.В. // Наука, образование и экспериментальное проектирование В МАРХИ: Тезисы докладов научно-практической конференции, профессорско-преподавательского состава, молодых ученых и студентов. - М.: МАРХИ, 2012 г. — С. 190.

Таблица 1

Схема потенциального влияние на процесс архитектурного формообразования средств альтернативной энергетики при их интеграции в структуру здания

ОСАДКИ (до*дь. снег град)

к 4 і і

^ 4

/ СОСТОЯНИЕ АТМОСФЕРЫ (температура, впажиость. химические вещества)

СОЛНЕЧНАЯ РАДИАЦИЯ

Таблица 2

Принцип полифункционального использования средств

альтернативной энергетики в структуре здания

ДАВЛЕНИЕ ГРУНТА (на подземные элементы]

ГРУНТОВАЯ ВЛАГА

/ материальной

i конструктивная '.+) структура

здания у

ТЕПЛО ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

конструктивная нагрузка

солнечная

радиация

^С??.1".........

»о^ность ВНЕШНЕ£ "•

Таб/іица і

Принципиальная схема полифункционального использования средств солнечной энергетики в структуре здания

Таблица

Принципиальная схема полифункционального использования средств ветроэнергетики в структуре здания

Таблица 2

Формула становления архитектурного образа энергоактивного здания

Таблица

Принцип использования комбинированных энергосистем как фактор стабилизации энергетического баланса здания. Энергоактивные здания с комбинированными энергосистемами объединяют в себе композиционные приемы свойственные зданием с использованием соответствующих средств альтернативной энергетики

Подписано в печать 18.10.2012 Тираж 100 экз. Отпечатано: Отдел оперативной полиграфии МАРХИ 107031, г. Москва, улица Рождественка, дом 11/4, корпус 1, строение 4

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ВИДЫ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СТРУКТУРЕ ЗДАНИЯ.

1.1 Современное понятие альтернативной энергетики.

1.2 Альтернативная энергетика в современной топливно-энергетической промышленности.

1.3 Основные виды средств альтернативной энергетики.

1.4 Средства альтернативной энергетики в структуре зданий. Положительные и отрицательные факторы внедрения.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА II. СРЕДСТВА АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ КАК ФАКТОРЫ АРХИТЕКТУРНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ.

2.1 Теоретическая модель формообразования современных зданий.

2.2 Влияние средств альтернативной энергетики на архитектурное формообразование.

2.3 Архитектурный опыт использования средств альтернативной энергетики в качестве формообразующего фактора.

Выводы по главе II.

ГЛАВА III. АРХИТЕКТУРНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

3.1 Классификация зданий с использованием средств солнечной энергетики.

3.2 Основные принципы и особенности архитектурного формообразования зданий с полифункциональным использованием средств солнечной энергетики.

3.3 Мировой опыт использования средств солнечной энергетики в качестве формообразующего фактора.

3.3.1 Мировой опыт использования средств солнечной энергетики на основе термического преобразования в качестве формообразующего фактора.

3.3.2 Мировой опыт использования средств солнечной энергетики на основе фотоэлектрического преобразования в качестве формообразующего фактора.

Выводы по главе III.

ГЛАВА IV. АРХИТЕКТУРНОЕ ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЗДАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СРЕДСТВ ВЕТРОВОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.

4.1 Методы повышения энергоэффективности ветровых установок в структуре здания как фактор архитектурного формообразования.

4.2 Архитектурный опыт использования средств ветровой энергетики в качестве формообразующего фактора.

4.2.1 Здания с использованием башен-концентраторов.

4.2.2 Здания с воздухозаборными отверстиями.

4.2.3 Здания с дефлекторной поверхностью.

4.2.4 Одноцелевые системы ветряных установок как фактор архитектурного

Формообразования.

Выводы по главе IV.

Актуальность исследования.

Современный мировой топливно-энергетический комплекс испытывает ряд серьезных проблем, связанных в первую очередь с сырьевым кризисом и загрязнением окружающей среды. Мировое сообщество предпринимает различного рода попытки выхода из кризисной ситуации, среди которых особое место занимает альтернативная энергетика. Власти многих экономически развитых стран уже взяли курс на формирование новой топливно-энергетической промышленности, основанной на освоении экологически чистых неисчерпаемых ресурсов. Причем стратегии развития альтернативной энергетики носят фундаментальный характер, охватывая не только саму отрасль энергетической промышленности, а целый комплекс отраслей производства, в том числе и архитектурно-строительную индустрию.

Темпы развития альтернативной энергетики в России в сравнении с ведущими промышленными странами мира чрезвычайно низки. В отдельных отраслях нетрадиционной энергетики суммарная выработка энергии в России в сотни и тысячи раз ниже, чем аналогичные показатели в странах-лидерах. Крайне медленно идет процесс освоения возобновляемых ресурсов. Однако в последние годы правительство РФ при разработке стратегий модернизации российской экономики стало учитывать вопросы энергосбережения и энергоэффективности, решение которых возложено, в том числе, и на средства альтернативной энергетики. Об этом свидетельствуют нововведения в нормативно-правовую базу и поправки в соответствующих пунктах законодательства. С 2010 года действует государственная программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Помимо федеральной программы, на рубеже десятилетий стали разрабатываться и региональные энергетические стратегии.

Кроме того в последние годы осуществляются попытки перехода на экологические стандарты, в том числе и в строительстве. В России уже существуют отдельные примеры зданий, прошедших сертификацию по зеленым» стандартам BREEAM и LEED. Это позволяет говорить о начале становления новой отечественной экологической архитектуры. Российским архитекторам и проектировщикам для выхода на конкурентоспособный уровень по отношению к зарубежным коллегам необходимо совершить огромный шаг в направлении освоения инженерно-технической и научной базы в области энергосбережения и энергоэффективности.

Интеграция средств альтернативной энергетики в структуру здания существенно улучшает его энергетические и экологические показатели. Однако этот процесс часто оказывается технически сложным и экономически не оправданным. По этой причине разработка энергоактивных зданий1 подразумевает особый подход к процессу проектирования. Внедрение средств альтернативной энергетики в структуру здания требует специальных мероприятий по техники безопасности, что сильно отражается на объемно-планировочных решениях. А повышение энергоэффективности системы энергоактивного здания, как правило, зависит от формы его материально-конструктивной структуры. Таким образом, говоря об интеграции средств альтернативной энергетики в структуру здания, мы подразумеваем особый подход к архитектурному формообразованию. Здесь перед архитектором встает задача грамотного синтеза архитектуры и альтернативной энергетики, что требует от него умелого владения передовым научным опытом.

Архитекторы, решая проблемы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий, должны выработать особый аналитический научный подход, используя при этом новейшие системы автоматизированного проектирования. Только освоение передовых технических инструментов позволит развиваться экологической архитектуре, которая помимо сохранения экологии и ресурсов нашей планеты для дальнейших поколений, обязана формировать и воспитывать новое экологическое сознание у поколения нынешнего.

1 Энергоактивные здания./ Селиванов Н.П., Мелуа А.И., Зоколей C.B. и др.; Под ред.

Селиванова Н.П. - М.: Стройиздат, 1988 - стр.59

Состояние вопроса.

На сегодняшний день мировой научный опыт располагает значительным количеством материалов по проблеме интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий. Основу большинства научно-исследовательских работ составляют вопросы инженерно-технического характера, без углубления в проблемы архитектуры, тем более с точки зрения процесса формообразования. Так или иначе, альтернативная энергетика в контексте архитектуры рассматривалась многими зарубежными исследователями. Среди авторов наиболее значительных трудов по экологии архитектуры - М. Бауэр, П. Даунтон, П. Мёсле, М. Мэлавер, Ф. Мюллер, Дж. Роберте, С. Роэф, М. Сантамоурис, А. Станг, Э. Уайлхайд, К. Хауто р ,н М. Швар ц Дж. Юделсо ц по пр о &мам «устойчивости» архитектуры - Д. X. Бэй, Н. Бэйкер, К. Брэйзер, Д. Валлеро, С. Гай, П. Геворкян, JI. Гликсман, П. Дэйви, С. Зоколей, Д. Лин, Ф. Моунселл, Б. JI. Онг, П. Смит, Д. Уильяме, JI. Хайзелбах; по проблемам архитектуры «солнечных» зданий - Б. Андерсон, Н. Гуарьенто, С. Роберте, П. Сабади, К. Схиттич, С. Танака. Р. Томас, С. Уделл, М. Уолл, М. Фордман, Р. Хастингс.

Проблемы архитектуры энергоактивных зданий рассматривались в трудах советских ученых Е.С. Абдрахманова, B.C. Беляева, С.И. Вайнштейна, С.А. Ващенко, В.В. Захарова, А.И. Мелуа, О.С. Попеля, М.Д. Рабиновича, Э.В. Сарнацкого, Н.П. Селиванова, Л.П. Хохлова. В советский период на альтернативную энергетику возлагались определенные надежды, послужившие основой для научно-исследовательской деятельности. Однако энергетической программе СССР не суждено было стать завершенной в виду серьезных социально-экономических и политических перемен в стране. К 2000-м годам в России научная деятельность в области альтернативной энергетики практически прекратилась. Новые энергетические стратегии должны послужить стимулом для нового этапа научной деятельности. Такое положение дел вместе с ростом интереса мирового сообщества к экологической архитектуре дало основание для значительного ряда научно-исследовательских работ. Сейчас вопросами синтеза альтернативной энергетики и архитектуры занимаются: A.M. Баталов, М.М.

Бродач, О.Д. Бреславцев, H.H. Гераскин, A.A. Магай, В.А. Новиков, H.A. Сапрыкина, О.Ю. Суслова, Ю.А. Табунщиков, И.В. Черешнев.

Также проблемы архитектуры энергоактивных зданий были затронуты в диссертационных работах В.В. Алексашиной, М.М. Атаева, O.K. Афанасьевой, Э.И. Баклановой, Ю.Г. Бурханова, М.А. Демидовой, С.А. Молодкина, А.О. Погонина, С.М. Смирновой, H.JI. Тиманцевой, C.B. Ушакова, И.С. Экономова.

В числе наиболее значительных проектов энергоактивных зданий, иллюстрирующих особый подход архитекторов к формообразованию зданий с использованием средств альтернативной энергетики, - Бахрейнский всемирный торговый центр (Шон Килла), офисное здание «Pearl River Tower» (Гордон Гилл, Эдриан Смит), жилая башня «Strata SEI» (BFLS), стадион Всемирных Игр в Гаосюн (Тойо Ито), офисное здание в Доксфорде (Studio Е Architects), офисное здание в Дэчжоу (Himin Solar Group) и др.

Внимание мировой общественности к проблемам экологии и сырьевого кризиса способствует появлению новых энергоактивных зданий. Отдельные научные работы в той или иной мере затрагивают вопросы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий. Однако до сих пор не существует теоретической базы, охватывающей вопросы архитектурного формообразования, где использование средств альтернативной энергетики рассматривалось бы как творческая концепция архитектурной деятельности.

Цель работы.

Разработать научно-обоснованные принципы архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики и определить специфические особенности архитектурного проектирования таких зданий.

Задачи исследования:

1. Выявить положительные и отрицательные факторы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий и оценить степень их влияние на процесс архитектурного формообразования.

2. Разработать теоретическую модель архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики.

3. Сформулировать принципы архитектурного формообразования при использовании средств всех направлений альтернативной энергетики и определить возможные тенденции для развития архитектуры соответствующих энергоактивных зданий.

4. Проанализировать энергоактивные здания с позиции архитектурного формообразования и предложить научную основу их проектирования.

5. Классифицировать мировой архитектурный опыт использования средств альтернативной энергетики в структуре зданий в зависимости от типа используемых установок и композиционных приемов формообразования.

6. Разработать научно-обоснованные принципы формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики с помощью новейших систем автоматизированного проектирования.

Объект исследования.

Жилые, общественные, сельскохозяйственные здания, промышленные здания и сооружения с интегрированными в их структуру средствами альтернативной энергетики.

Предмет исследования.

Принципы архитектурного формообразования зданий при интеграции в их структуру средств альтернативной энергетики.

Границы исследования.

В работе исследуется отечественная и зарубежная практика использования средств альтернативной энергетики с структуре зданий, начиная с 1930-х гг. Исследование ограничивается зданиями с интегрированными в их структуру активными энергосистемами, входящими в комплекс альтернативной энергетики.

Методика исследования:

- исследование отечественного и зарубежного опыта проектирования и строительства энергоактивных зданий с использованием средств альтернативной энергетики, в том числе инженерно-технические аспекты и научные предпосылки проектирования;

- анализ и систематизация концептуальных решений и реализованных проектов зданий с интегрированными в их структуру средствами альтернативной энергетики; графический анализ композиционных решений зданий с интегрированными в их структуру средствами альтернативной энергетики;

- выявление тенденций архитектурного формообразования на основе компьютерного анализа, выполненного с помощью новейших систем автоматизированного проектирования.

Научная новизна работы: выявлены и систематизированы принципы архитектурного формообразования современных энергоактивных зданий, как комплекса мер по борьбе с эксплуатационными и техническими недостатками интегрированных средств альтернативной энергетики, а также по повышению эффективности энергосистемы здания;

- на основе принципов формообразования зданий выявлены творческие концепции архитектурного проектирования зданий с использованием альтернативных источников энергии;

- предложены методы моделирования и анализа формы зданий с помощью новейших систем компьютерного проектирования.

Теоретическая значимость исследования

В работе предложены теоретические модели формообразования энергоактивных зданий, методики оценки влияния средств альтернативной энергетики на форму здания и их эксплуатационных особенностей; даны классификации средств альтернативной энергетики и энергоактивных зданий; изучены связи технологических особенностей средств альтернативной энергетики с процессом архитектурного формообразования; проведена модернизация существующих моделей формообразования энергоактивных зданий; сформулированы теоретические основы интеграции средств альтернативной энергетики в структуру зданий и принципы полифункциональности энергоактивных зданий; введены новые понятия и термины с обоснованием необходимости их использования.

Практическая значимость работы.

Результаты исследования нацелены на использование не только в учебном и экспериментальном проектировании, но и в реальной практике. Выявленные принципы объемно-планировочных решений зданий необходимо использовать для повышения энергоэффективности интегрированных установок. Предложены приемы архитектурного формообразования, нацеленные на снижение эксплуатационных и технических недостатков различных средств альтернативной энергетики. Подробно описанные методы выбора энергоустановок и алгоритмы компьютерного анализа формы энергоактивных зданий обеспечивают научно-обоснованный подход к проектированию с использованием передовых технологий.

Апробация и внедрение результатов работы.

Основные результаты исследования были изложены в докладах на научных конференциях МАРХИ (2010, 2011 и 2012 гг.), на международном симпозиуме «Устойчивая архитектура: настоящее и будущее» (2011 г.), а также опубликованы в 12 научных статьях и тезисах докладов.

Опубликовано учебно-методическое пособие для студентов архитектурных ВУЗов и факультетов, в котором изложены результаты исследования с учетом особенностей современного процесса обучения по специальности «Архитектура» (2012 г.). С 2012 года пособие используется в учебном процессе по курсу «Архитектурное проектирование» на кафедре Архитектуры сельских населенных мест МАРХИ.

На защиту выносятся:

- классификация зданий по типу композиционного решения в зависимости от характера использования в их структуре средств альтернативной энергетики;

- теоретическая модель архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики;

- принципы архитектурного формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики (полифункциональное использование энергоустановок, зонирование помещений в зависимости от энергопотребления, создание оптимальной рабочей поверхности интегрированных энергоустановок и др-); методика использования компьютерных программ в процессе проектирования зданий с использованием средств альтернативной энергетики.

Структура диссертации:

Диссертационное исследование состоит из двух томов. Первый том включает введение, четыре главы, заключение в виде обобщающих выводов, библиографический список. Основной текст исследования изложен на 135 страницах, библиография содержит 212 наименования. Второй том включает иллюстрации и таблицы с методическим приложением (77 страниц).

Выводы по главе IV

1 .Здания, использующие технические средства, перерабатывающие кинетическую энергию ветра в тепловую и электрическую энергию, частично или полностью покрывая при этом энергетические потребности здания и компенсируя ресурсы энергосети, принято называть ветроэнергоактивными зданиями.

2. Средства ветровой энергетики интегрированные в структуру здания можно разделить на одноцелевые и полифункциональные. В первом случае ветроприем-ные устройства, системы монтажных конструкций и средства повышения эффективности ветровых потоков и, составляющие ветряную энергетическую систему здания, используется исключительно по своим прямым назначениям. В случае полифункционального использования ветряных энергетических систем их отдельные элементы могут объединять в себе комплекс различных функций: помимо прямых технологических функций они могут играть роль несущих и ограждающих конструкций здания. Как правило, это относится к элементам, повышающим аэродинамические характеристики здания и энергоэффективность вет-роприемных устройств.

3. Средства ветроэнергетики, при интеграции в структуру здания полифункциональных ветряных энергосистем, выступают в качестве формообразующего фактора. В современном архитектурном опыте следует выделить основные четыре направления в процессе архитектурного формообразования ветроэнергоактивных зданий: здания с использованием башен-концентраторов, здания с воздухозабор-ными аэродинамическими отверстиями, здания с дефлекторными поверхностями и здания с одноцелевыми формообразующими ветряными энергосистемами.

4. Основной композиционный принцип ветроэнергоактивных зданий с использованием башен-концентраторов сводится к организации объемно-пространственной структуры из двух или более сооружений башенного типа, улавливающих и концентрирующих ветровые потоки в межбашенном пространстве, где установлены ветроприемные устройства. Этот прием реализован архитектором Шоном Киллой в Бахрейнском международном торговом центре в 2008 году.

5. Композиционно-технологический принцип проектирования ветроэнергоактивных зданий с воздухозаборными отверстиями сводится к организации концентрирующего воздушные потоки пространства. Однако в данном случае для этой цели используются не башни-концентраторы, а специальная концентрирующая форма ограждающей оболочки с подветренной стороны здания. Отдельным участкам поверхности материально-конструктивной структуры здания предается форма, способствующая улавливанию, концентрации и нагнетанию воздушных масс в воздухозаборное отверстие, в котором расположена ветряная установка. Примером может служить небоскреб «Pearl River Tower», построенный по проекту Эд-риана Смита в Гуанчжоу в 2010 году.

6. К зданиям с дефлекторной поверхностью следует отнести ветроэнергоактивные здания, внешняя материально-конструктивная оболочка которых, разбивая или рассекая воздушную массу, меняет направления ветровых потоков таким образом, что они, огибая поверхность здания, задевают внешние ветроприемные устройства. Отличительной чертой таких сооружений является отсутствие концентрирующих поверхностей, во всяком случае, четко выраженных, и расположение ветряных установок не в теле здания, а на его поверхности. Примером реализации данного метода можно считать офисно-жилой комплекс на Рэмсгейт Стрит в Далсто-не, одном из районов Северного Лондона, построенный в 2010 году по проекту архитектурного бюро «"\Лгаи§11 Т1ш1:1е1:оп».

7. Помимо полифункциональных ветряных энергосистем определенный вклад в формообразование могут вносить и одноцелевые энергетические установки. Они не участвуют в формировании объемно-планировочной структуры здания, однако могут играть определяющую роль в архитектурно-художественном решении, формируя архитектурный образ здания.

8. Процесс формообразования ветроэнергоактивных зданий является синтезом технологических и архитектурно-художественных факторов, вбирающих в себя передовые идеи современной архитектуры и науки. Проекты ветроэнергоактив-ные здания иллюстрируют тенденции развития архитектурной и инженерной мысли в контексте новой экологической архитектуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Использование средств альтернативной энергетики в структуре зданий важнейший аспект современной экологической архитектуры, способствующий снижению неблагоприятных выбросов и борьбе с сырьевым кризисом, а также открывающий новые возможности автономного энергоснабжения.

2. В целом, все здания, по характеру взаимодействия со средствами альтернативной энергетики, можно разделить на следующие группы: здания, использующие транспортируемую по сети энергию; здания с отдельно расположенными энергетическими установками, образующие вместе единый функциональный комплекс; здание в структуре производственного объекта, занимающие второстепенную функциональную роль; здания, использующие энергетические установки в качестве периферийных устройств; здания с интегрированными в их материально-конструктивную структуру полифункциональными энергетическими установками.

3. Благодаря отсутствию таких неблагоприятных эксплуатационных качеств как неблагоприятные выбросы, шум, вибрация, пожаро- и взрывоопасность, транспортировка топлива, многие средства альтернативной энергетики целесообразно использовать непосредственно в структуре зданий. Современная альтернативная энергетика располагает чрезвычайно широким спектром различных инженерно-технических средств, поэтому каждое отдельное направление на предмет интеграции в структуру здания следует рассматривать отдельно.

4. Анализ неблагоприятных эксплуатационных качеств инженерно-технических средств свидетельствует о нецелесообразности интеграции в структуру зданий средств альтернативной гидроэнергетики, биотопливной энергетики, водородной энергетики (за исключением небольших стационарных установок). Хорошо подходят для использования в структуре зданий средства геотермальной энергетики (геотермальные коллекторы и тепловые насосы), а также средства ветроэнергетики и гелиоэнергетики.

5. В концепцию проекта энергоактивного здания может быть взят комплекс мероприятий, направленных на повышение эффективности энергосистемы здания или на снижение неблагоприятных технических и эксплуатационных факторов интегрированных средств альтернативной энергетики. В этом случае в основе процесса формообразования энергоактивного здания должен лежать принцип полифункциональности энергоустановки. Средство альтернативной энергетики следует считать формообразующим, если оно подчиняет себе материально-конструктивную структуру здания и оказывает влияние не только на его инженерно-технические решения, но и на объемно-пространственные, формируя геометрическую форму элементов, силуэт, контур объемов здания и пр.

6. Геотермальные коллекторы, входящие в комплекс мероприятий по повышению энергоэффективности современных "пассивных" и "активных" зданий, представляют собой устройства, использующие низкопотенциальную тепловую энергию дисперсных грунтов для тепло- и холодоснабжения с помощью систем теплообмена. Различного рода тепловые насосы, выполненные в виде системы труб или каналов с жидкостным или воздушным теплоносителем, устанавливаются в толще грунта и имеют специальные технические приспособления в хозяйственных помещениях здания, не оказывая при этом значительного влияния на архитектурное решение. Однако в качестве геотермального коллектора может использоваться массив грунта в виде искусственной насыпи или естественного рельефа, выполняющий роль ограждающей конструкции. Такое решение существенно влияет на архитектурный образ, в особенности малоэтажных здания, где массив грунта зачастую формирует основную часть внешней материально конструктивной структуры.

7. Для средств солнечной энергетики, в отличие от большинства других направлений альтернативной энергетики, определяющую роль играет внешняя контактная поверхность приемного устройства. Исходя из этого, формулируется основной принцип формообразования гелиоэнергоактивных зданий, заключающийся в создании оптимальной поверхностной формы здания на основе использования полифункциональных средств солнечной энергетики.

8. Гелиоэнергоактивное здание является сложным объект объединяющим в себе солнечную энергосистему и непосредственно материально-конструктивную структуру здания. Таким образом, принципы формообразования гелиоэнергоак-тивных зданий имманенты объемно-пространственным приемам в организации соответствующих солнечных энергосистем, являющихся в данном случае композиционными прототипами.

9. Из всех средств гелиоэнергетики наиболее целесообразно использовать в структуре здания плоские фотоэлектрические батареи и вакуумные коллекторы. Необходимость создания плоской приемной поверхности с наибольшей полезной площадью определяет целесообразность таких композиционных приемов как солнечная кровля и солнечная стена. Остальные тенденции в архитектурном формообразовании гелиоэнергоактивных зданий с плоскими элементами связан с созданием внешний оболочки, имитирующей процесс гелиослежения.

10. Интеграция в структуру зданий средств солнечной энергетики с использованием концентрированной тепловой энергии подразумевает целый ряд технических сложностей. Главный принцип архитектурного формообразования таких зданий заключается в организации концентрирующей параболической поверхности. Также в процессе формообразования могут активно участвовать гелиоприем-ники или гелиостаты.

11. Помимо полифункциональных средств гелиоэнергетики, на объемно-пространственные характеристики гелиоэнергоактивных зданий могут оказывать значительное влияние и одноцелевые энергоустановки, активно участвуя тем самым в процессе архитектурного формообразования.

12. Принципы архитектурного формообразования, основанные на создании оптимальной формы приемной поверхности, как необходимости повышения эффективности энергосистемы, должны лежать в основе проектирования гелиоэнергоактивных зданий и формировать базис творческих концепций архитектурной деятельности.

13. Системы ветровой энергетики в структуре здания можно разделить на одноце-левые и полифункциональные системы. В первом случае ветроприемные устройства, системы монтажных конструкций и средства повышения эффективности ветровых потоков и, составляющие ветряную энергетическую систему здания, используется исключительно по своим прямым назначениям. В случае полифункционального использования ветряных энергетических систем их отдельные элементы могут объединять в себе комплекс различных функций: помимо прямых технологических функций они могут играть роль несущих и ограждающих конструкций здания.

14. Полифункциональность ветряных установок заключатся в специальных свойствах отдельных элементов материально-конструктивной структуры здания, повышающих аэродинамические характеристики внешней оболочки и, соответственно, энергоэффективность ветроприемных устройств. Таким образом, эффективность энергосистемы ветроэнергоактивного здания напрямую зависит от его объемно-пространственного решения.

15. Использование полифункциональных ветряных энергосистем заключается в организации различного рода поверхностей со специфическими концентрирующими, дефлекторными и перенаправляющими свойствами. В связи с этим можно выделить три основных типа зданий с полифункциональными ветряными установками: здания с башенными концентраторами, здания с воздухозаборными отверстиями и здания с дефлекторными поверхностями.

16. Одноцелевые ветряные установки, как правило, состоят из ветроприемного ротора, электрогенератора и несущей подсистемы. Их использование в структуре здания отражается на процессе формообразования, затрагивая такие составляющие элементы как силуэт и контур объемно пространственной структуры, при этом не оказывая влияние на объемно-планировочные решения. По этой причине влияние одноцелевых ветряных установок на процесс архитектурного формообразования ветроэнергоактивных зданий нельзя считать полноценным.

17. Принципы оптимизации аэродинамических показателей внешней оболочки здания, направленные на повышение эффективности энергосистемы, а также на снижение эксплуатационных и технических недостатков интегрированных средств ветроэнергетики, должны определять подход проектировщиков к процессу формообразования, выступая в качестве отправной точки для творческих концепций архитектурной деятельности при проектировании ветроэнергоактивных зданий.

18. Большинство регионов РФ характеризуются непостоянностью природно-климатических особенностей отдельных участков, что определяет нестабильность большинства природных энергоресурсов. По этой причине альтернативную энергетику в контексте архитектурного проектирования следует рассматривать как комплекс мер, с возможностью объединения нескольких отраслей в одном объекте (создание гибридной энергосистемы). Таким образом энергоактивное здание может объединять в себе композиционные приемы оптимальные при использовании инженерно-технических средств различных направлений альтернативной энергетики.

19. Подход к процессу формообразования зданий с использованием средств альтернативной энергетики должен быть научно-обоснованным. Только привлечение к процессу проектирования передовых систем автоматизированного проектирования ( ANSYS, Autodesk Algor Simulation, Autodesk Project Vasari, CFDesign и др.) может гарантировать правильное объемно-пространственное решение здания даже на стадии его концептуальной разработки.

1. Акопджанян В. А. Проблемы проектирования жилых домов с системами солнечного энергоснабжения. / Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры, М., 1981.

2. Алексашина В.В. Экологические основы архитектурного формирования промышленных предприятий и их комплексов в городе. / Диссертация на соиск. уч. степ, доктора архитектуры: М., 2006.

3. Андерсон Б. Солнечная энергия. М.: Стройиздат, 1982.

4. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Л.: Наука, 1989.

5. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П., Секторов В.Р. Ветроэлектрические станции. М., Л.: Государственное энергетическое издательство, 1960.

6. Архитектура гражданских и промышленных зданий. Учебник для ВУЗов в 5 т. Под общей ред. В.М. Предтеченского. ТII. Основы проектирования. М.: Стройиздат, 1976.

7. Архитектурное проектирование общественных зданий и сооружений: Учебник для вузов / Адамович В.В., Бархин Б.Г., Варежкин В.А. и др.; под общ. ред. Рожина И.Е., Урбаха А.И. М.: Стройиздат, 1984.

8. Атаева М.М. Малоэтажное энергоэффективное жилище в аридной зоне (на примере Туркменистана). / Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры: М., 1996.

9. Афанасьева O.K. Архитектура малоэтажных домов с использованием возобновляемых источников энергии. / Учебное пособие.(МАРХИ) М., 2007.

10. Афанасьева O.K. Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии./ Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры, М., 2009.

11. Ахмедов Р.Б., Баум И.В., Пожарнов В.А., Чаховский В.М. Гелиоэнергети-ка. Том 1. Солнечные электрические станции. М.: ВИНИТИ, 1986.

12. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз. Теория и практика. М.: Колос, 1982.

13. Бакланова Э.И. Экологические основы проектирования малоэтажных жилых зданий для городов западной Сибири./ Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры,: М., 1994.

14. Белокопытов В.М., Семашко H.H., Хромов П.Д. Термоядерные энергетические реакторы и станции. М.: Издательство МЭИ, 1996.

15. Беляев B.C., Хохлова Л.П. Проектирование энергоэкономичных и энергоактивных гражданских зданий,- М.: Высшая школа, 1991.

16. Берман Э. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978.

17. Биомасса как источник энергии./ Под ред. Соуфера С., Заборски О. М.: Мир, 1985.

18. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. М.: Агро-промиздат, 1987.

19. Буга П.Г. Гражданские, промышленные и сельскохозяйственные здания -М.: Высшая школа, 1987.

20. Бурханов Ю.Г. Экологический подход в проектировании жилых зданий для городов Крайнего Севера./ Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры,: JL, 1990.

21. Веревкин С.И., Корчагин В.А. Газгольдеры. М.: Стройиздат, 1966.

22. Вершинин В.И. Эволюция промышленной архитектуры. М.: Архитекту-ра-С, 2007.

23. Вершинский Н.В. Энергия океана. М.: Наука, 1986.

24. Ветроэнергетика. Под ред. Д. де Рензо, М.: Энергоатомиздат, 1982.

25. Витрувий М.П. Десять книг об архитектуре / Пер. с лат. Ф.А. Петровского. -М.: Изд. Всесоюзной академии архитектуры, 1936.

26. Гидроэнергетика. Обрезков В.И., Малинин Н.К., Кароль K.JI. и др.; под ред. Обрезкова В.И./М.: Энергоиздат, 1981.

27. Глиберман А.Я., Зайцева А.К. Кремниевые солнечные батареи. M.-JL: Госэнергоиздат, 1961.

28. Голицын М.В., Голицын A.M., Пронина Н.М. Альтернативные энергоносители. М.: Наука, 2004.

29. Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции. М.:Наука, 1986.

30. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройздат, 1991.

31. Демидова М.Ю., Архитектурно-типологические основы формирования энергобиологического комплекса безотходного типа./ Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры: М., 1989.

32. Дэвис А., Шуберт Р. Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании./ Под ред. Сарнацкого Э.В. М.: Стройиздат, 1983.

33. Захидов М. М. Исследование влияния элементов системы солнечного теплоснабжения на объемно-планировочные решения сельских малоэтажных жилых зданий./ Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры: М., 1982.

34. Зоколей С. Солнечная энергия и строительство: Пер. с англ. -М.-.Стройиздат, 1979.

35. Колодин К.И. Формообразование объектов загородной среды. М.: Ар-хитектура-С, 2004.

36. Коробков В.А. Преобразование энергии океана. Л: Судостроение, 1986.

37. Крюкова Е.Р. Солнцезащитные средства как элементы архитектурной композиции (на примере общественных зданий Узбекистана)./ Диссертация на соиск. уч. степ, кандидата архитектуры: Ташкент, 1984.

38. Ляшков В.И., Кузьмин С.Н. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Тамбов.: Издательство ТГТУ, 2003.

39. Магомедов A.M. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. Махачкала: АОЗТ «Юпитер», 1996.40.43,44,45.48