автореферат диссертации по строительству, 05.23.21, диссертация на тему:Принципы формирования архитектуры высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии

На правах рукописи

СЕМИКИН ПАВЕЛ ПАВЛОВИЧ

ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата архитектуры

4 ДЕК 2014

д _ _ Москва 2014

005556455

005556455

Работа выполнена в ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)» в секторе архитектуры высотных зданий

Научный руководитель: кандидат архитектуры, профессор

Магай Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты: Коротич Андрей Владимирович

доктор архитектуры

Федеральное государственное бюджетное учреждение Ордена «Знак Почета» Уральский научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт Российской академии архитектуры и строительных наук («УралНИИпроект РААСН»), заведующий лабораторией актуальных проблем архитектурного формообразования

Викторова Людмила Александровна

кандидат архитектуры, старший научный сотрудник

ОАО «Центр методологии и стандартизации в нормировании» (ОАО «ЦНС»), главный инженер проектов отдела нормирования и стандартизации

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «23» декабря 2014 года в _15 часов 00 мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.124.02 на базе ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт (государственная академия)» по адресу: 107031, г. Москва, ул. Рождественка, д.11/4, корпус 1, строение 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский архитектурный институт (государственная академия)» и на сайте http://www.marhi.ru

Автореферат разослан: «22» ноября 2014 года

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат архитектуры

у^у'' Клименко С. В.

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследования связана с потребностью в создании научно-обоснованных принципов по проектированию высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии. По данным федеральной службы государственной статистики, «на территории России происходит постоянное увеличение численности городского населения, что свидетельствует о продолжающемся укрупнении городов»'. В связи с расширением территории и уплотнением застройки продолжается активное внедрение в «ткань» города высотных зданий. В данном исследовании «высотными» приняты здания высотой более 75 метров (Стандарт организации ОАО «ЦНИИЭП жилища» 01422789-001-2009). В Москве насчитывается порядка 100 подобных объектов, общее количество в России — более 300. В целом, данный тип застройки занимает значительную долю в общем количестве зданий по России. В настоящее время проектируются и строятся высотные здания в других городах страны (на разных стадиях строительства находятся порядка 200 зданий). Согласно информации Всемирного совета по высотным зданиям и городской среде (CTBUH) «общее количество высотных зданий (высотой более 100 м) составляет в мире более 6000 объектов»2. Эти факты свидетельствуют о востребованности данного типа объектов и применении в практике строительства современных архитектурных, конструктивных и технических решений.

Одной из особенностей эксплуатации подобных зданий является их высокое энергопотребление, по сравнению со средне- и многоэтажными объектами. Затраты энергии на содержание 1 объекта сопоставимы с потребностями небольшого города. Например, «Бурж-Халифа» (самое высокое здание в мире) потребляет ежегодно 53 801 тонну условного топлива (далее т.у.т. - единица измерения топлива или энергии, равная по своей энергетической ценности тонне угля), а потребление города Ярцево в Смоленской области (46 тыс. чел.) составляет 108 877 т.у.т. Большая часть энергии для высотных зданий поставляется из городских сетей, её основой является преобразование традиционных источников энергии. Их основные виды - нефть, уголь и газ, запасы которых сейчас стремительно сокращаются из-за активного потребления человечеством. Использование таких источников, в силу особенностей их преобразования, в первую очередь, сжигания - один из главных факторов изменения климата, а разработка разведанных «дешевых» месторождений может привести к катастрофам, подобным недавнему разливу нефти в Мексиканском заливе. В развивающихся странах применение установок на основе биомассы

1 Официальная статистика/Население/Демография // Федеральная служба государственной статистики. М„ 2013. Систем, требования: Excel. URL: http://www.gks.ru/free_doc/new_site/population/demo/demoll.xls (дата обращения: 08.09.2013)

2 The Skyscraper Center. The Global Tall Building Database of the CTBUH. Buildings 100 m+ in height // Council on Tall Buildings and Urban Habitat. Chicago, 2014. URL:

http://skyscrapercenter.com/create.php7search =yes&page=0&type_building=on&status_COM=on&list_continent= &list_country=&list_city=&list_height=100&list_company=&completionsthrough=on&list_year=(aaTa обращения: 11.04.2014)

оказывает негативное воздействие на окружающую среду: увеличенное потребление древесины, разрастание пустынь, газообразные загрязнения среды при сжигании органических отходов.

«По расчетам Международного энергетического агентства (1ЕА), добыча нефти и газа из разведанных месторождений к 2030 г. упадет на 40-60 %».3 И это на фоне взрывообразного роста потребления энергии в развивающихся экономиках Китая, Индии и Бразилии. Лидерами по потреблению энергии являются Саудовская Аравия, Сингапур и США. При этом, если все страны начнут потреблять столько же энергии, разведанные запасы нефти на земле закончатся уже раньше, чем через 10 лет. «Россия занимает 3 место в мире по объему потребления первичных энергоресурсов, в том числе 2 место по потреблению газа, поэтому эти тенденции могут иметь критичные последствия для нашей страны».4 При прогнозируемом росте населения планеты до 9 млрд. человек в течение ближайших 40 лет у человечества нет иного выбора, кроме перехода на другие источники энергии.

Одним из решений данной проблемы является развивающееся сегодня направление проектирования и строительства высотных зданий с применением возобновляемых источников энергии. Подобные объекты являются одной из перспективных форм застройки городских территорий, что обусловлено их энергетической самостоятельностью и экологически чистыми источниками энергии, которые в них используются.

«Возобновляемая энергия - энергия из источников, которые по человеческим масштабам являются неисчерпаемыми и пополняемыми естественным путем, таких как солнечный свет, ветер, дождь, приливы и геотермальная теплота».5 «Возобновляемый (альтернативный ископаемому топливу) источник энергии - устройство или сооружение, позволяющее получать требуемый вид энергии».6

В США, Китае, странах Европы возведено уже несколько десятков высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии. В будущем, как показывает большое число проектируемых в последние годы объектов, их количество будет увеличиваться, поэтому важно, чтобы наша страна стала активным участником этого глобального процесса.

В России в настоящее время еще нет построенных высотных зданий с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Однако, существует такой пример в многоэтажном строительстве - 17-ти этажный «энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2» (г. Москва).

Актуальность данной темы обусловлена следующими проблемами:

World Energy Outlook // International Energy Agency. Систем, требования: Pdf. URL: http://www.iea.org/media/russian/weo2008_es_russian.pdf (дата обращения: 08.09.2013)

4 Альтернативная энергетика России 2010 // АЭнерджи. М., 2010. URL: http://aenergy ru/report-2010 (дата обращения: 18.09.2014).

' Шейдина О. Зеленая энергия // Зеленеет. Женева, 2012. URL: http://zeleneet.eom/zelenaya-energiya/l 182/ (дата обращения: 18.09.2014)

Для населения / Вопросы и ответы /Альтернативные источники энергии, технологии // Государственная информационная система в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности. М„ 2014. URL: http://gisee.ru/questions-answers/list.php7SECTION_ID-163 (дата обращения: 18.09.2014)

— значительное энергопотребление высотных зданий и, как следствие, увеличенная нагрузка на городские энергосети;

— приближающийся кризис традиционной энергетики в силу истощения разведанных месторождений ископаемых источников энергии;

— задача выполнения принятой в 2013 г. Государственной программы Российской Федерации «Энергосбережение и развитие энергетики», подпрограмма «Развитие использования возобновляемых источников энергии»;

— отсутствие разработанных в настоящее время в России принципов формирования архитектуры высотных зданий с ВИЭ.

Высотные здания с ВИЭ являются современным и востребованным решением для городской застройки. Это уникальные индивидуальные объекты, которые в силу своего масштаба могут изменить энергопотенциал всего города. В будущем их строительство будет носить массовый характер.

Степень разработанности темы

История проектирования и строительства высотных зданий представлена в трудах российских (В .П. Генералова, H.H. Кружкова, A.A. Магая, JT.B. Петровой) и зарубежных (Д. Биндера, П. Мосса, Р. Саксона, А. О'Янг) авторов.

Типологические аспекты зданий, в том числе высотных, исследуют: В.П. Бандаков, И.В. Григорьева, В.Ю. Дурманов, К.К. Карташова, A.A. Магай, Т.Г. Маклакова, С. Пэйфу, В.П. Этенко.

Регулированию микроклимата в высотных зданиях архитектурными и техническими средствами посвящены исследования Ю.А. Табунщикова, М.М. Бродач, Н.В. Шилкина, Г.П. Васильева.

Проблемы архитектуры энергоактивных зданий были рассмотрены в трудах B.C. Беляева, Э.В. Сарнацкого, Н.П. Селиванова, О.С. Попеля, В.В. Захарова, А.И. Мелуа, Л.П. Хохлова, Е.С. Абдрахманова, С.А. Ващенко.

Изучению особенностей применения ВИЭ в архитектуре зданий посвящены диссертации А. В. Рябова, O.K. Афанасьевой. Особенности формирования архитектурно-планировочной структуры биоклиматических городских зданий исследованы в диссертации A.C. Усова. В диссертации С.А. Молодкина сформулированы принципы формирования архитектуры энергоэффективных жилых высотных зданий.

Проблемы биоклиматического проектирования высотных зданий рассмотрены в трудах О. Васкеса, Г. Мерката, П. Мюсле, К. Янга.

Проблемы повышения энергоэффективности и экологичности зданий и сооружений являлись предметом деятельности ученых, архитекторов и инженеров: В. К. Лицкевича, К. В. Александера, М. Кольмара, С. Масетти, Д. Росса, Н. Р. Фостера, Э. X. Цайдлера, Г. А. Михайлова, Ф. Л. Райта, Ле Корбюзье, П. Сольери, Р. Б. Фуллера, С.С. Смирновой.

Несмотря на разностороннюю направленность работ, посвященных исследованию эффективности использования энергии в процессе эксплуатации различных объектов, отсутствует комплексное научное

изучение принципов формирования архитектуры рассматриваемых высотных зданий на основе использования ВИЭ. Следовательно, возникает необходимость обобщения опыта их формообразования и выявления особенностей объемно-планировочной организации на базе изучения построенных высотных зданий и проектно-теоретического материала в целях совершенствования архитектурных решений высотных объектов путем внедрения инновационных технологий обеспечения энергией зданий на основе ВИЭ.

Объект исследования - высотные здания с ВИЭ.

Предмет исследования - архитектурно-планировочные, объемно-пространственные и архитектурно-технические решения высотных зданий с ВИЭ.

Цель исследования - разработать принципы формирования архитектуры высотных зданий с применением ВИЭ.

Задачи исследования:

— провести анализ научно-теоретических, проектных разработок и выявить особенности архитектуры высотных зданий с применением ВИЭ;

— определить факторы, влияющие на формирование архитектуры высотных зданий с ВИЭ;

— сформировать критерии оценки архитектурных решений, классифицировать высотные здания с ВИЭ и дать предложения по их использованию в отечественной научной и проектной практике;

— разработать принципы и методику формирования архитектуры высотных зданий с ВИЭ;

— дать предложения по созданию архитектурных решений высотных зданий, повышающих рациональность использования ВИЭ в их структуре;

— определить основные направления перспективного развития архитектуры высотных зданий с ВИЭ.

Границы исследования:

1. Архитектурно-планировочные: рассматриваются здания выше 75 метров, соответствующие определению «высотные».

2. Географические: в работе рекомендуются решения высотных зданий с ВИЭ на территории России.

3. Энергетические: энергоактивные технологии преобразования ВИЭ. Они позволяют улавливать прямую, рассеянную энергию из возобновляемых источников и превращают ее в требуемый вид энергии.

Методы исследования:

1. Сбор информации о высотных зданиях в мире из литературных источников, проектных материалов, интернет-ресурсов для выявления функционально-планировочных решений и их корреляции с используемыми ВИЭ.

2. Сравнительный анализ архитектурно-технических решений для выявления типов и долевого соотношения применения инженерного оборудования, работающего на ВИЭ.

3. Сравнительный анализ архитектурно-планировочных и объемно-пространственных решений высотных зданий с ВИЭ представлен в табличной форме.

4. Классификация высотных зданий по типам применяемых ВИЭ и их сочетаниям.

Теоретическая значимость исследования состоит в:

— предложениях по решению проблем, связанных с потреблением высотными зданиям энергоресурсов из городских сетей, средствами архитектуры;

— принципах формирования архитектуры высотных зданий с использованием ВИЭ;

— результатах и предложениях автора, направленных на реализацию Энергетической стратегии России на период до 2030 года и основных задач, предусмотренных Федеральным законом от 23 ноября 2009 г. №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».

Практическое значение результатов диссертационного исследования заключается в возможности:

— внедрения результатов, полученных в ходе данного исследования, в научно-методическую работу в образовательном процессе (составление лекций, методических пособий для студентов);

— применения разработанной методики в практике проектирования;

— применения выводов и результатов исследования при разработке нормативных документов для проектирования высотных зданий.

Научная новизна:

— определены и систематизированы факторы, влияющие на формирование архитектуры высотных зданий с ВИЭ;

— разработаны критерии оценки и классификация высотных зданий с ВИЭ;

— разработана карта зонирования территории России с предложениями по применению конкретных типов высотных зданий с ВИЭ;

— разработаны предложения по архитектурным решениям высотных зданий, позволяющие размещать в структуре объектов энергогенераторы на основе ВИЭ;

— сформулированы принципы и методика формирования архитектуры высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии.

Апробация и внедрение результатов работы

Материалы диссертации апробированы при их представлении на следующих конференциях:

— международной научно-практической конференции «Региональные архитектурно-художественные школы», ноябрь 2011 г.;

— международной научно-практической конференции «Проблемы и направления развития градостроительства», октябрь 2013 г.;

— международной научно-практической конференции «Региональные архитектурно-художественные школы», январь 2014 г.

По теме диссертации опубликовано 10 работ общим объемом 2,9 п.л., в том числе лично автором - 2,5 п.л. Из них четыре статьи - в изданиях, которые входят в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК при Минобрнауки России. Опубликовано учебное пособие «Энергоэффективные аспекты архитектурно-градостроительного проектирования»,

предназначенное для магистрантов по направлению подготовки 270100.68 «Архитектура». Объем пособия - 6,5 п.л., в том числе лично автором - 4,3 п.л.

Участие автора в проектных работах, реализующих некоторые положения диссертации:

— многофункциональное высотное здание с ВИЭ (56 этажей, 220 метров). Город Новосибирск, участок на пересечении Каменской и Октябрьской магистралей, улиц Кирова и Шевченко. Эскизный проект (2011 г.), степень участия - автор проекта;

— специальные технические условия на проектирование высотного жилого здания по адресу: г. Москва, CAO, район «Левобережный», микрорайон 2, участок 26, корпус 7-7а (высотой 101,91 и 110,50 метров; 2013 г.), степень участия - консультант.

Научные результаты, выносимые на защиту:

— критерии оценки и классификация высотных зданий с ВИЭ;

— карта зонирования территории России с предложениями по применению конкретных типов высотных зданий с ВИЭ;

— принципы и методика формирования архитектуры высотных зданий с ВИЭ.

Объем и структура работы

Диссертация, представленная в одном томе, включает в себя текстовую часть (112 страниц), состоящую из введения, трех глав, заключения, библиографии (104 наименования), и графическую часть (41 страница), содержащую иллюстрации к текстовой части, графоаналитические таблицы, схемы, эскизный проект высотного здания с ВИЭ.

СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены основные понятия, используемые в работе, сформулированы объект и предмет исследования, поставлены цель и задачи, указаны методы исследования, выявлены научная новизна полученных результатов, теоретическая и практическая значимость диссертации.

В первой главе проведен исторический анализ развития архитектуры высотных зданий и ВИЭ. В данном исследовании предложено 5 наиболее массово применяемых в строительстве возобновляемых источников: энергия солнца, ветра, биомассы, воды и reo-, гидротермальная. Они официально определены в Федеральном законе от 26.03.2003 N 35-Ф3 (с изменениями на 21 июля 2014 года) «Об электроэнергетике». Отправной точкой развития высотного строительства и возобновляемой энергетики с высоким техническим уровнем применяемого оборудования можно считать конец XIX века (1880-е гг.). В это время были созданы первые опытные образцы энергогенераторов и новый тип зданий, которые впоследствии получили название «небоскребы». До 1970-х годов эти два явления: развитие ВИЭ и становление высотной архитектуры происходили параллельно Запроектированные и построенные энергоустановки являлись техническими сооружениями, а не жилыми или общественными зданиями.

В 1973 - 1974 годах наступил энергетический кризис, страны-экспортеры нефти перестали ее поставлять на западные рынки, одновременно подняв цены на этот энергоноситель. Европейские страны отреагировали на это увеличением внимания к сфере энергосбережения, внедряя этот аспект в проектирование зданий. «С течением времени изменялся и расширялся объект изучения — эффективность использования энергии в здании»7. Условно можно охарактеризовать изменение энергетических приоритетов в мире следующими этапами:

— конец 1980-х годов — развитие принципов и технологий, позволяющие экономить энергию;

— середина 1990-х годов — исследование возможностей эффективного использования энергии;

— конец 1990-х - начало 2000-х годов — вопрос обеспечения качества микроклимата помещений доминирует над идеей энергосбережения.

Таким образом, предпосылка более экономно и эффективно использовать энергоресурсы за сорок лет (с 1974 по 2014 гт.) превратилась в исходный пункт рассуждения о необходимости взаимосвязи объектов человеческой жизнедеятельности (в т.ч. зданий и сооружений) с ресурсами природной среды. Это положение в дальнейшем легло в основу таких направлений как бионическая, биоклиматическая архитектура, аркология и т.д. Помимо перечисленных предпосылок (энергетической и экологической), важнейшую роль в появлении высотных зданий с ВИЭ сыграли также экономическая и техническая.

Проведенный анализ показал, что современным высотным зданиям тождественен синтез нескольких предпосылок. Выделено 10 этапов, в каждом из которых происходили изменения в рассматриваемых областях. В настоящее время идет процесс внедрения технологий, основанных на ВИЭ.

7 Табунщиков Ю. А. Энергоэффективные здания / Ю. А. Табунщиков, Бродач М. М., Шилкин Н. В. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. - 192 е.: ил.

Он обусловлен истощением традиционных источников энергии и сочетает в себе все предпосылки, объединяя их и наполняя новым значением, актуальным для решения задач современности.

В результате анализа международного опыта проектирования и строительства высотных зданий, особое внимание уделено объектам, которые вырабатывают более 10 % потребляемой энергии, как примерам наиболее удачного сочетания архитектуры и энергетики. К подобным объектам относятся:

— башня «CIS», Великобритания. Более 7000 солнечных панелей установлено на фасаде. Они имеют насыщенный синий цвет и создают равномерную прямоугольную «фактуру» на облицованной плоскости. Энергия, вырабатываемая панелями, способна покрыть 10 % потребностей здания;

— «Всемирный Торговый Центр» в Бахрейне. Объект состоит из 2 высотных зданий, имеющих форму паруса, позволяющую усиливать ветровые потоки между корпусами, которые соединены горизонтальными связями-мостами на трех разных уровнях. На каждом из мостов расположены массивные ветротурбины (диаметр каждой 29 метров), которые крутятся за счет постоянной скорости и направления ветра. Мощности ветрогенераторов достаточно для обеспечения 11-15 % энергопотребления объекта;

— башня «Жемчужная река» в Китае. Форма здания продумана таким образом, что потоки ветра усиливаются и проходят через горизонтальные отверстия в технических этажах, в которых установлены ветрогенераторы. Такое решение вкупе с использованием фотоэлектрических панелей позволяет покрывать 60 % энергопотребностей высотного здания;

— «Башня энергии» («Бурж-аль-Таква») в Объединенных Арабских Эмиратах (ОАЭ) сейчас находится на стадии закладки фундамента. Здание будет полностью независимо от внешних источников питания: всю необходимую электроэнергию оно будет вырабатывать самостоятельно (100

используя при этом возобновляемые ресурсы — солнечный свет и ветер. Внешний образ объекта ассоциируется с горящей свечой. Венчает здание огромная ветряная турбина высотой 61 метр, силуэт которой напоминает язык пламени. На всю высоту здания смонтирован динамический фасад, занимающий 1/6 часть от общей площади поверхности и покрытый солнечными панелями. Помимо выработки электроэнергии фасад защищает помещения от солнца, благодаря возможности менять свое местоположение.

Данные здания наглядно иллюстрируют возможность значительного замещения энергозатрат за счет использования ВИЭ. Для максимального результата необходимо внедрять крупные системы. Их интеграция в объекты возможна при использовании нестандартных объемно-пространственных решений.

Несмотря на положительные характеристики такого типа зданий, существует и ряд отрицательных. Так, на основе проведенного анализа

и

объектов и проектов были выявлены актуальные тенденции и проблемы (таблица 1).

Таблица 1

Тенденции при проектировании и эксплуатации высотных зданий Проблемы при проектировании и эксплуатации высотных зданий

Увеличение высоты зданий, появление объектов свыше 500 м. Высокое энергопотребление, сложность пожаротушения и эвакуации людей, влияние пребывания человека в высотном здании на его здоровье

Отсутствие единой общепринятой нормативной базы для проектирования высотных зданий с ВИЭ в России. Проектирование каждого объекта по индивидуальным нормам, монополизация рынка проектирования отдельными ведущими фирмами.

Каждая из представленных проблем в настоящее время находится на той или иной стадии решения.

Для определения существующих правил, регламентирующих проектирование высотных зданий, использующих ВИЭ, проведен анализ отечественной и зарубежной нормативной базы. Проектирование высотных зданий в Евросоюзе и в России регламентируется по-разному. В Европе применяются такие стандарты как ISO, DIN. В России на каждое высотное здание обязательно составляются специальные технические условия на проектирование. Московские городские строительные нормы в настоящее время утратили свою силу. Существующие стандарты организаций (СТО) не утверждены на федеральном уровне. Таким образом, в настоящее время отсутствует единый принятый документ, регламентирующий проектирование высотных зданий в России. Документом, обозначающим основные приоритеты в развитии энергетики, в том числе возобновляемой, можно считать «Энергетическую стратегию России на период до 2030 года».

На данный момент сложилась следующая ситуация, «при населении

России, составляющем 2,4 % от мировой численности населения, наша

страна обладает 12 % мировых запасов нефти, 35 % мировых запасов газа, 16

% мировых запасов угля и 14 % урана»8. Это порождает миф о том, что

можно обойтись ископаемым топливом, не развивая отрасль возобновляемой

энергетики. Тем не менее, при развитой традиционной энергетике

значительная часть регионов России испытывает дефицит энергии. «Сегодня

в стране газифицировано только около 50 % населенных пунктов, а свыше 75

% территории не имеет централизованного энергоснабжения и туда

8

приходится завозить топливо» .

При этом потенциал ВИЭ в России внушителен и составляет примерно четверть внутреннего потребления энергоресурсов. Практически в каждом

8 Александр Карасев: «Переход на альтернативные источники — это уже необходимость» // Алтапресс -новости Барнаула и Алтайского края. Барнаул, 2012. URL: http://altapress.ru/story/87987 (дата обращения: 23.09.2014).

регионе страны находятся источники нескольких видов возобновляемой энергии. В целом, в России представлены все 5 видов ВИЭ, однако, доля электроэнергии, получаемой с помощью этой отрасли энергетики, в общем балансе страны в настоящее время составляет лишь 0,5-0,7 %.

«Развитие ВИЭ в Российской Федерации, несомненно, будет способствовать решению проблемы энергетической независимости страны, социальных проблем, развитию бизнеса, повышению качества жизни населения»9. Включение ВИЭ в структуру высотных зданий в России является не только целесообразным, но и актуальным вопросом. Это возможно при создании объемно-пространственных решений объектов, позволяющих повысить КПД установок, работающих на ВИЭ, что сэкономит финансовые средства на их содержание.

В результате анализа зданий и проектов было выявлено следующее процентное соотношение применения ВИЭ в высотных зданиях. Наибольшую долю занимает энергия солнца - 47,82 %, далее - ветровая энергия - 31,52 %, энергия воды - 8,69 %, геотермальная энергия - 6,52 % и энергия биомассы — 5,45 %.

Для выявления взаимосвязи между функционально-планировочными решениями высотных зданий и выбором ВИЭ определен их функциональный состав: многофункциональные здания - 70 %, офисная функция - 17 %, жилая - 10 %, гостиничная - 3 %. Также, определены доля и частота применения функций в группе многофункциональных объектов. Можно выделить основные функции: офисная, торговая, гостиничная, которые занимают 73,3 % от общего количества. Второстепенные функции: общественное питание, с/х фермы и лаборатории, рекреация, выставки и спортивно-оздоровительная функция в целом составляют 26,7 %.

Основные выводы по первой главе:

1. В результате анализа истории развития ВИЭ и архитектуры высотных зданий в России и за рубежом выявлено 10 этапов, охватывающих временной отрезок с 1880 по 2020 гг. Определены основные предпосылки появления высотных зданий с ВИЭ.

2. Рассмотренные проекты и здания позволяют выделить тенденцию изменения объемно-пространственных решений высотных зданий при использовании ВИЭ. Примером могут служить высотные здания, позволяющие увеличить скорость ветра путем включение в объемно-планировочное решение вертикальных и горизонтальных отверстий, строительства нескольких корпусов комплекса для создания «ловушки» (отверстия с сужением) для ветра; либо здания с наклонными поверхностями, двойными фасадами (включая динамические), имеющими упорядоченную геометрическую «текстуру» за счет применения фотоэлектрических панелей.

Виллемс П. Современное состояние и перспективы развития возобновляемых источников энергии в России // Energy Bulletin: электронный журнал. 2008. - № 2. - С. 31-38. Систем, требования: Pdf. URL: http://esco.co.ua>journal/2009_4/art 157.pdf (дата обращения: 24.09.2014)

3. Определено процентное соотношение применения ВИЭ в высотных зданиях.

4. Выявлен ряд проблем в проектировании и эксплуатации высотных зданий с ВИЭ. Предложены возможные варианты решения.

Во второй главе были выявлены и ранжированы 6 групп факторов, влияющих на формирование высотных зданий с ВИЭ: градостроительные, архитектурные, природно-климатические, социально-экономические, инженерно-технические, экологические (рисунок 1). Три первых — определяющие для развития данного типа объектов. Градостроительные: территориальная организация участка, оптимизация транспортно-пешеходной сети, вписывание объекта в окружающую застройку. Архитектурные включают в себя функционально-планировочное, объемно-планировочное и объемно-пространственные решения; природно-климатические: скорость и направление ветровых потоков, количество солнечных дней в году, наличие геотермальных источников, водоема с движениями водных масс, запасов сырья для производства биомассы. Остановимся на двух последних группах факторов более подробно. Рассмотрим особенности архитектуры в зависимости от вида ВИЭ.

В настоящее время существует большое количество различного оборудования, позволяющего использовать и преобразовывать энергию ветра. Важный параметр - расположение оси вращения ветроустановки относительно поверхности земли. Он отражается на объемно-планировочном решении высотного здания при использовании в его структуре ветрогенераторов. Большее число ветровых потоков — горизонтально направленные. Поэтому вертикальная развитость объекта наиболее предпочтительна для применения ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения. В большинстве случаев - это несколько устройств, установленных в верхней части объекта, где скорость ветра максимальна. Существуют объекты с точечным, консольным размещением установок, со сквозными отверстиями. Меньше разнообразия при использовании ветрогенераторов с вертикальной осью вращения. Они монтируются либо на крыше высотного здания, либо на кровле стилобатной части, либо в основном объеме. В последнем случае это энергогенератор, который находится в сквозном отверстии в объекте или же установлен между двумя его корпусами. «Современные ветроустановки с горизонтальной осью и высоким коэффициентом скорости имеют КПД 46-48 %, приближаясь по этому показателю к традиционным тепловым станциям»10. «Лопасти английской турбины имеют размах 60 метров и она производит примерно 3 МВт энергии (72 МВт-ч)»". При среднем энергопотреблении высотного здания в 50 ООО МВт-ч подобная турбина или аналог из нескольких сможет обеспечить около

10 Альтернативная энергия: ветроэнергетика // Научно-производственная компании Scienmet Group. M., 2014. URL: http://www.scienmet.ru/ru/occupation/vetroenergetika (дата обращения: 18.09.2014)

" Ветрогенератор // Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. 2009. URL: http://www.powerinfo.ru/wind-generator.php (дата обращения: 18.09.2014)

10 % от общего энергопотребления объекта. Стоимость подобной системы примерно 120-150 млн. рублей. Срок окупаемости 10-15 лет.

Следующий рассматриваемый ВИЗ - солнце. Основной параметр - тип получаемой энергии. Самый распространенный вариант - перевод солнечной энергии в электрическую с помощью нагрева кремниевого состава, напыленного на пластину. Второй вариант - перевод солнечной энергии в тепловую посредством нагрева теплоносителя в трубках. Недавно появилось новое поколение гелиопанелей - «Интегрируемые строительные фотоэлектрические модули». Их основная особенность - возможность монтажа на любую поверхность здания: кровля, наклонная плоскость, вертикальная стена или остекление. Особый интерес представляют прозрачные панели, которые способны пропускать дневной свет и при этом преобразовывать солнечную энергию в электрическую. Современные гелиоустановки обладают коэффициентом полезного действия равным 20-25 %, существуют опытные образцы с показателем в 35-40 %. Вычислив среднее арифметическое от высот всех проанализированных объектов, получаем здание высотой 290 м. Если брать стандартную панель, вырабатывающую 80 кВт-ч/день, то потребуется площадь порядка 7000-8000 шт. или около 10000 м для обеспечения 56 МВт-ч энергии, что составит 8-10 % от общего необходимого количества. Стоимость массива панелей около 50-70 млн. рублей. Примерный срок окупаемости 10-15 лет. Существуют данные, согласно которым при увеличении КПД устройства сокращается срок его окупаемости.

Был проведен анализ 55 построек и проектов высотных зданий с ВИЭ. Базируясь на нем, составлена классификация типов. В ее основу положено разделение зданий по количеству и набору ВИЭ. Осуществлено крупное деление на моноэнергетические и полиэнергетические объекты (рисунок 2). В первых применен один из пяти источников, во второй группе - несколько, в разных сочетаниях. Каждая из групп разбивается на отдельные типы. Моноэнергетический тип высотных зданий (объекты, использующие один из видов ВИЭ) является одним их самых распространенных объектов. Это связано с простотой внедрения системы, работающей на ВИЭ, и ее увязке с другим инженерным оборудованием здания. Однако, имея спектр из пяти основных возобновляемых источников, проектировщики пришли к идее их симбиоза в одном объекте. Так возникли полиэнергетические типы высотных зданий:

— Тип 1. Энергия солнца и ветра. Сочетание источников позволяет получать энергию в связи с увеличенной скоростью ветра на высоте и достаточной (для преобразования в энергию) интенсивностью солнечного света на значительной территории планеты («Бурж Халифа» и «Башня Мераас», ОАЭ). В верхней части объема высотного здания размещается крупная ветроэнергоустановка или отверстия, в которых расположены ветрогенераторы, южная, юго-западная и юго-восточная части фасада облицовываются солнечными панелями. Решения, использующие энергию

ветра, опираются на эффект Вентури (усиление скорости и силы потоков ветра при их прохождении через суженную часть отверстия).

— Тип 2. Энергия солнца и земли. Применение двух данных ВИЭ энергии рационально в связи с отсутствием у них отрицательных эксплуатационных недостатков, например, вибрации у ветрогенераторов (высотное здание «Кактус» в Катаре). Возведение зданий с этими источниками возможно вблизи водных акваторий, что помимо энергетической составляющей также положительно сказывается на композиционной характеристике высотного здания и возможности психологической разгрузки посетителей в связи с расположенной рядом водой. Преобразование солнечной энергии может быть обеспечено путем облицовки (может быть частичной) фасадов здания, наклонных частей, выступающих фальшьэлементов гелиопанелями.

— Тип 3. Энергия солнца, ветра и воды. Основной архитектурной особенностью является, как правило, плавная бионическая форма, возможно наличие динамических деталей. Это связано в тем, что данный прием позволяет перенаправить ветровые потоки и одновременно дать необходимый изгиб и наклон части фасада для восприятия солнечного света («Вертикальный город» в ОАЭ). Форма высотного здания позволяет интенсифицировать выработку ВИЭ.

— Тип 4. Энергия солнца, ветра, воды и земли. Для данного типа характерны внушительные размеры высотного здания, как правило, с развитой стилобатной частью. Возможно применение масштабных решений, например, размещение гелиополя или массива ветрогенераторов на крыше стилобатной части, применение прозрачной фотоэлектрической пленки в окнах объекта, или фасада, преобразующего солнечную энергию и раскрывающемуся подобно бутону цветка, в зависимости от интенсивности освещения («Экологичная башня», Китай; «Башня-игла», Тайвань).

— Тип 5. Энергия солнца, ветра, воды, земли и биомассы. Фактически - это «вертикальные города». Энергозатраты на такую систему будут колоссальными, в проект закладывается возможность применения всех ВИЭ, вертикального озеленения и ряда других решений. Возможным становится применение экспериментальных разработок, таких как облицовочные панели, наполненные раствором с водорослями, способные играть роль солнцезащиты и одновременно преобразовывать свет в электрическую энергию. Также перспективным направлением является возможность применения модульной архитектуры, что позволяет достраивать как функциональные ячейки, так и дополнять энергосистему объекта необходимым количеством энергетических модулей, преобразующих ВИЭ. Форма этих ячеек может быть различной, наиболее часто встречаются в проектах 3 типа: шарообразная, треугольная и гексагональная. Примерами могут служить «Логистический город», Китай, «Небесная деревня Бангару», Австралия.

В настоящее время в мире примерно равное соотношение полиэнергетических и моноэнергетических зданий. В каждой группе есть свои «лидеры». Для моноэнергетических зданий это объекты, использующие энергию солнца (50 %) или ветра (40 %), для полиэнергетических - тип 1 (72 %). Установлена корреляция с функциональным решением. Анализ показывает, что в функциях с постоянным или долговременным пребыванием человека в нерабочее время (жилая, гостиничная, рекреационная) не применяются ветрогенераторы и установки, перерабатывающие биомассу. Последний источник также отсутствует в офисах и точках общественного питания. В остальных функциях (торговая, выставочная, с/х фермы и лаборатории) применяются все 5 ВИЭ.

Разработаны критерии оценки архитектурных решений высотных зданий с ВИЭ. Они опираются на архитектурный и инженерно-технический факторы. Критерии позволяют производить оценку разных характеристик высотных зданий по балльной шкале. Чем выше балл, тем более сложные и современные архитектурные и инженерные решения применены в объекте. Оцениваются следующие параметры: высота объекта, поворот этажа, форма плана, отверстия для усиления ветра, ветроулавливающая форма здания, внешний продуваемый каркас, интегрируемые фотоэлектрические модули, системы, следящие за траекторией солнца, пьезоэлектрические элементы, динамическое вращение здания и наличие ВИЭ. Были проанализированы 55 зданий и проектов, максимальную сумму в 13 баллов набрал проект «Вертикальный город» в Дубае (ОАЭ). Это объясняется масштабом данного проекта. По задумке архитекторов, это должно быть здание более 1 километра в высоту, этажи которого поворачиваются примерно на 3-5 градусов каждый относительно предыдущего, используется энергия солнца, ветра и воды. На втором месте группа объектов, среди которых «Штаб-квартира инвестиционного совета» и «Бурж-Халифа», оба объекта находятся также в ОАЭ. Основная масса объектов и проектов набрала от 5 до 7 баллов. Это свидетельствует о том, что в настоящее время наиболее распространены высотные объекты среднего размера, в которых применяются 1-2 ВИЭ.

На основе анализа и наложения карт энергоресурсов России были разработаны предложения по зонированию территории нашей страны с учетом ВИЭ (рисунок 3). На карте выявлены наиболее благоприятные зоны концентрации энергии ветра и солнца, с максимальным потенциалом геотермальной энергии, приливных гидроресурсов и коренных типов экосистем. Регионами, сочетающими наибольшие показатели для каждого ВИЭ, являются: Краснодарский, Ставропольский, Приморский края, Дагестан, Чечня, часть Читинской и Магаданской областей, а также республика Крым. Более значительная часть территории страны попадает в зону со средними показателями. Тем не менее, строительство зданий с ВИЭ там является рациональным, поскольку объемно-планировочным решением возможно компенсировать относительно невысокие скорость ветра и продолжительность солнечного сияния. Даны рекомендации по внедрению

полученных в результате классификации типов высотных зданий на территории России, базируясь на сводной карте энергоресурсов (см. рис. 3).

Основные выводы по второй главе:

1. Определены 6 основных групп факторов, влияющих на формирование высотных зданий с ВИЭ. Получено 20 отдельных характеристик, охватывающих большую часть решений при создании высотных зданий. Выявлена взаимосвязь выбора ВИЭ от функционального решения объекта, которая в общем виде заключается в разделении функций по времени нахождения и фазам активности человека12.

2. Разработаны критерии оценки архитектурных решений высотных зданий с ВИЭ. Их применение позволило ранжировать проанализированные объекты по применяемым решениям в балльной системе.

3. На основе анализа 55 объектов и проектов составлена классификация типов высотных зданий с ВИЭ. Она включает в себя 5 моноэнергетических и 5 полиэнергетических типов зданий.

4. Составлена карта наиболее благоприятных зон возобновляемой энергетики России. Выявлены 4 зоны, в них максимален потенциал всех источников энергии. Зоны включают в себя 8 субъектов Российской Федерации. Даны предложения по размещению выявленных в результате классификации типов зданий в России.

5. Установлено, что включение в структуру высотного здания инженерного оборудования, работающего на энергии ветра и солнца, оказывает комплексное влияние на архитектуру здания. Решения, использующие энергию воды, земли и биомассы влияют на функционально-планировочное, архитектурно-художественное и градостроительные решения.

В третьей главе на основе анализа комплекса факторов, выявленных типов и классификации высотных зданий с ВИЭ, формулируются принципы, методика проектирования подобных объектов, выдвигаются предложения по размещению гелио- и ветроэнергоустановок и определяются перспективы дальнейшего развития объектов. Рассмотрим разработанные принципы (рисунок 4).

I. Принцип формирования архитектуры в зависимости от природно-климатических факторов. Принцип основан на использовании позитивных условий климата (большое количество солнечных дней, сильные преобладающие ветра, положительная среднегодовая температура) путем применения карты зонирования территории России с учетом ВИЭ. Его основное отличие от одноименного принципа, используемого сейчас, заключается в ориентировании на получение максимального потенциала ВИЭ, включенных в структуру объекта.

12 Суточные ритмы человека // Биофайл. Научно-информационный журнал. 2014. URL: http://biofile.ru/bio/2497.html (дата обращения: 18.09.2014).

2. Принцип выбора ВИЭ для различных функционально-планировочных решений. Суть принципа состоит в разделении функций по времени нахождения в них человека и фазам его активности. Например, в функциях с долгосрочным пребыванием человека (жилая, гостиничная и рекреационная) и пассивной фазой (отдых, сон, лечебные процедуры) не рекомендуется использовать ветроэнергоустановки (вследствие возникающих шумов и вибрации при большом размере) и биомассу (необходимость подвоза сырья нарушает режим отдыха жильцов и требует отдельного подъезда к объекту). Активная фаза, среднесрочное пребывание — офисы и общественное питание (все источники, кроме биомассы), активная фаза, краткосрочное пребывание - торговая, выставочная функции и сельскохозяйственные фермы (все 5 ВИЭ).

3. Принцип учета в архитектурно-планировочном решении специального инженерного оборудования основан на внедрении ВИЭ, выбранных с учетом природно-климатических особенностей местности и функционального наполнения здания. Он предполагает выбор и использование различных видов энергогенераторов, состав которых определяется в каждом случае индивидуально. На этом этапе формируется объемно-планировочное решение.

4. Принцип размещения ВИЭ в объемно-планировочной структуре здания, специфика которого заключается в создании объемно-пространственного решения объекта, усиливающего выработку возобновляемой энергии. Это может быть высотное здание, объем которого представляет собой «отделенные» блоки, между которыми в отверстиях установлены ветрогенераторы. Другой вариант - создание наклонной поверхности на всю высоту объекта, облицованную фотоэлектрическими панелями с определенной текстурой.

5. Принцип формообразования высотных зданий с ВИЭ, который заключается в изменении объемно-пространственного и архитектурно-художественного решений для максимальной выразительности объекта. Он предусматривает создание изрезанного или пластичного фасада, применение ломаных и наклонных фалыпьэлементов, динамических, модульных частей здания, способствующих эффективной работе ВИЭ. Возможно формирование комплекса объектов, объединенных общим решением и принципом построения объемно-пространственных решений.

Принципы концентрируют внимание проектировщика на важных аспектах будущего объекта, что повышает уровень ответственности при выполнении проекта и в дальнейшем позволяет создать качественную комфортную среду для проживающих и работающих в высотном здании людей.

На базе данных принципов сформулирована методика проектирования высотных зданий с ВИЭ, которая состоит из пяти основных пунктов:

1. Определение оптимального местоположения объекта согласно разработанной автором карте зон с наибольшим потенциалом ВИЭ в России.

2. Градостроительная ориентация объекта для использования природно-климатических особенностей местности (согласно розе ветров и траектории движения солнца).

3. Определение функционального состава объекта и возможных применяемых ВИЭ. Формируется объемно-планировочное решение, включающее в себя общие габариты помещений, этажей, высотного здания в целом. Производится вертикальное и поэтажное функциональное зонирование объекта. Определяется состав «якорных» арендаторов, исходя из которого подбираются возможные источники энергообеспечения.

4. Определение концепции расположения инженерного оборудования, работающего на ВИЭ. Выбирается местоположение по высоте, по типу, размер и количество применяемых энергогенераторов.

5. Синтез объемно-пространственного решения объекта с учетом используемых ВИЭ. Архитектурное решение объекта корректируется для интенсификации работы инженерного оборудования, работающего на «чистой» энергии.

Применение данной методики упрощает процесс проектирования высотного здания с ВИЭ. Позволяет архитектору использовать все средства (функционально-планировочные, объемно-пространственные,

технологические, организационные и др.) для создания объекта, не только соответствующего действующим нормативам, но и учитывающего градостроительные, географические, климатические, энергетические и другие аспекты.

Разработаны предложения по размещению ветроэнергоустановок в архитектурных решениях высотных зданий. Большая часть решений высотных зданий, использующих ветроэнергетику, подчиняется эффекту Вентури (открыт итальянским физиком Джовани Вентури). Эффект (в применении к высотным зданиям) заключается в перераспределении воздушных потоков: 60 % мощности уходит в верхний поток и порядка 40 % - в нижний. Средняя часть объекта является неблагоприятным участком для размещения ветрогенераторов. Можно выделить две основных группы зданий, использующих энергию ветра: объекты со сквозными отверстиями, в которых установлены ветрогенераторы, и объекты с ветроустановками, смонтированными на открытых частях здания. Все они делятся по местоположению (рисунок 5):

— самым оптимальным, с точки зрения эффекта Вентури, является размещение инженерного оборудования в верхней и нижней частях здания. Примеры подобных проектов: «Башня Страта» в Великобритании, «Башня-Маяк» в ОАЭ;

— при необходимости размещения ветрогенераторов в средней части объекта, эффективным приемом является создание формы, которая будет ускорять и направлять потоки ветра. Такой тип объектов получил названия «ветроулавливающие» высотные здания, примерами могут служить

«Всемирный торговый центр» (Бахрейн), «Башня Жемчужной Реки», (Китай), «Спиральный небоскреб» (Индия);

— комбинированное размещение включает в себя точечное размещение ветрогенераторов и отверстий в высотных зданиях («Здание-концентратор», Евросоюз), а также предполагает динамическую архитектуру. Автором этого направления является Дэвид Фишер. Он разработал систему, при которой этажи здания находятся в постоянном движении с малой скоростью, чтобы не создавать дискомфорт у проживающих людей13. Между этажами расположены лопасти ветрогенераторов. Из-за постоянной ротации меняется направление ветра и форма потоков, что позволяет, по словам автора, увеличить КПД, получаемый от преобразования ветра.

Для корреляции с энергией ветра также рассмотрим четыре основных местоположения солнечных панелей в высотных зданиях (см. рисунок 5):

— в верхней части объекта возможно применение фотоэлектрических панелей, которые могут находиться на наклонной поверхности кровли здания. Частым приемом является остекление фасада здания, в т.ч. верхней его части, фотоэлектрическими панелями, либо применение стекла с внедренной в состав пленкой, позволяющей преобразовывать солнечный свет в электроэнергию (Энергетический цветок «Калла», Китай). Другим решением выступает специально созданная наклонная поверхность, размещаемая на плоской кровле объекта («Экобашня Азури», Израиль);

— в средней и нижней (в т.ч. стилобатной) частях высотных зданий применяется отделка фасада фотоэлектрическими панелями, реже -солнечными коллекторами. Возможно размещение отдельно стоящих солнечных панелей. Примерами являются «Солнечное общежитие» (Великобритания), «Солнечная башня» (Чикаго);

— комбинированное расположение предполагает применение фасада с фрагментами стекла, улавливающего солнечный свет. Другое решение -динамическая внешняя часть двойного фасада. Примером может служить построенный «Комплекс инвестиционного совета» в Абу-Даби (ОАЭ). Это два здания, имеющие бочкообразную форму, в которых элементы внешнего фасада подобно цветкам, раскрываются в зависимости от интенсивности солнечного света.

Апробация разработанных принципов и методики была осуществлена в результате проектирования высотного здания для города Новосибирска с ВИЗ (рисунок 6). С первого до 56-го этажа план поворачивается на 360 градусов, при этом его площадь на последнем этаже уменьшается относительно первоначальной в 10 раз. С точки зрения объемно-планировочного решения выделяется «зеленая спираль», которая обвивает все здание полностью. Наклонный пассажирский лифт с вертолетной площадкой «опоясывает» здание и создает «противовес» «зеленой спирали», что в целом делает пространственное решение объекта более

13 Одного солнца нам мало (Кинетическая архитектура Дэвида Фишера) // AIR: Архитектура, Информация, Россия. М„ 2008. URL: http://www.archinfo.ru/publications/item/495/(дата обращения: 18.09.2014)

уравновешенным и гармоничным. Архитектура высотного здания выполнена в бионическом стиле. Основой объемно-пространственного решения стала ориентация объекта по сторонам горизонта и использование скругленных форм, как наиболее энергетически рациональных. Высотное здание представляет собой пластичный объем, в остекление которого интегрированы гелиоустановки, а ветроэнергостанция представляет собой «нарост» на здании со стороны преобладающего направления ветра (юго-запад), который композиционно компенсируется развитой стилобатной частью. Высотный объект использует геотермальную энергию и энергию биомассы для обогрева помещений, а также дождевую воду, которая собирается с помощью специальных установок и используется для технических целей. В результате проектирования высотного здания подтверждена эффективность и целесообразность применения сформулированных принципов.

Опираясь на выявленные типы и ряд трудов современных архитекторов, определены перспективы развития высотных зданий с ВИЭ. Развитие высотных зданий в будущем будет осуществляться в сторону дальнейшего «использования экологически чистых ВИЭ, сохранения водных ресурсов, применения строительных материалов повторного использования, улучшения качества среды обитания человека»14. «В мае 2013 года были начаты работы по возведению Башни Королевства (Бурдж-аль-Валид) в Джидде (Саудовская Аравия) высотой более 1 км. В конце 2014 года ожидается открытие небоскреба «Шанхайского Небесного города» в Китае высотой 838 метров»15. Результаты конференций, проведенных CTBUH за последние 5 лет, позволяют прогнозировать постепенное появление вертикальных городов с ВИЭ. Здания вмещают все больше людей, все их системы укрупняются и усложняются, поэтому такой объект уже становится небольшим городом с собственной инфраструктурой. Энергопотребление в таком случае выходит на новый уровень. Включение ВИЭ в архитектурные, конструктивные и инженерные решения является необходимым условием создания подобных объектов. Совершенствованием этой идеи стала концепция «здания с нулевым энергетическим балансом» («Net Zero Energy Building»), Это означает что объект может быть полностью энергетически самодостаточен, продавая излишки энергии в общегородскую сеть. Другой активно развивающейся тенденцией является специализация высотных зданий с ВИЭ. Это могут быть вертикальные сельскохозяйственные фермы, автостоянки, электростанции, мусороперерабатывающие, опресняющие воду объекты. В Милане заканчивается строительство двух башен, основная функция которых — высотные парки, прогулочные места для горожан.

14 Табунщиков Ю. А. От энергоэффективных к жизнеудерживающим зданиям / Ю.А. Табунщиков // АВОК -2003.-№3,-С. 8.

15 Самые высокие башни мира // Интернет-портал «Ради Дома Про». М., 2014. URL: ht^://www.radidomapro.ni/ryedktzij/nedvijimost/konrmertcheskaya/vysotchajschuiu-baschniu-mira-natchnut-stroitg-tch-8264.php (дата обращения: 18.09.2014)

Основные выводы по третьей главе:

1. Разработана методика проектирования высотных зданий с ВИЭ. Сформулированы 5 принципов формирования архитектуры данного вида объектов.

2. Даны предложения по использованию гелио- и ветрогенераторов в высотных зданиях. Определено 4 основных местоположения по размещению энергооборудования: в верхней, средней, нижней частях объекта и комбинированное. Приведены схемы и конкретные примеры по каждому варианту.

3. Разработанные принципы и методика апробированы в эскизном проекте высотного здания в г. Новосибирске. В нем применены 4 ВИЭ: ветер, солнце, земля и биомасса. Полученный многофункциональный объект имеет высоту 220 метров, покрывает потребности в энергии примерно на 20 % и соотносится с масштабом окружающей застройки города.

4. Определены основные перспективы развития архитектуры высотных зданий с ВИЭ:

— здания, решающие прикладную социально-экономическую задачу в городе, стране;

— энергетически полностью самодостаточные здания;

— возведение «вертикальных городов» для подчеркивания имиджа города, страны и решения проблемы уплотнения городской застройки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Проведен анализ российского и зарубежного опыта проектирования и строительства высотных зданий с ВИЭ:

— установлено процентное соотношение применения видов ВИЭ в высотных зданиях;

— определен функциональный состав высотных зданий с ВИЭ.

2. Определены группы факторов, влияющие на формирование архитектуры высотных зданий с ВИЭ. По степени влияния они ранжированы следующим образом: градостроительные, архитектурные, природно-климатические, социально-экономические, инженерно-технические, экологические.

Установлено, что комплексное влияние на архитектуру высотных зданий оказывает применение инженерного оборудования, работающего на энергии солнца и ветра. Основными приемами формирования архитектуры при использовании данных ВИЭ является варьирование местоположения энергоустановок в структуре высотного здания, применения различных типов и размеров устройств - форм и видов ветрогенераторов, возможности имитации рисунков и текстур фасадов с помощью гелиопанелей.

3. Разработаны критерии оценки архитектуры высотных зданий с ВИЭ. Они разделяются на 4 группы: использование ВИЭ, особенности объемно-планировочного, объемно-пространственного и инженерно-технического

решений. Произведена оценка 55 объектов и проектов, составлена таблица ранжирования согласно набранным баллам.

Составлена классификация высотных зданий с ВИЭ на основе анализа 55 проектов и объектов, которая выявила 10 типов зданий по виду используемого источника. Пять из них - моноэнергетические объекты, использующие один ВИЭ, еще пять - полиэнергетические, в составе которых 2 и более ВИЭ. По результатам многофакторной оценки составлена сводная карта зонирования территории России с учетом рассматриваемых ВИЭ. Предложены варианты размещения типов высотных зданий по составленной классификации на территории страны.

4. Сформулированы принципы формирования архитектуры высотных зданий на основе выявленных особенностей ВИЭ и классификации типов объектов. Они позволяют создавать объемно-пространственное решение, позволяющее повысить эффективность выработки ВИЭ

Разработана методика проектирования высотных зданий с ВИЭ. Практическое применение разработанной методики получено при проектировании высотного здания с ВИЭ в г. Новосибирске. Объект имеет спиралевидную форму, что позволяет интенсифицировать генерацию ВИЭ.

5. Разработаны схемы размещения гелио- и ветрогенераторов в высотных зданиях. Для установок, преобразующих энергию ветра наиболее выгодными является расположение в верхней и нижней частях, для солнечной энергии — в средней и верхней частях. Высокоэффективный прием

— внедрение динамических частей в архитектурное решение высотного здания.

6. Определены основные перспективы проектирования и строительства высотных зданий с ВИЭ: стремление к энергетической самодостаточности, увеличение размеров объекта, появление «узкоспециализированных» объектов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ: Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России:

1. Семикин П.П. Тенденции развития архитектуры энергоэффективных высотных зданий в России и за рубежом. Международная конференция молодых ученых и студентов "Актуальные проблемы архитектуры и дизайна

- 2010" [Электронный ресурс] // Архитектон: известия вузов. - 2010. - №30 (Приложение). - Режим доступа: Ьир://агсЬуи/.т/аи1Ьог$/тГоптГ?1с1=455 (Дата обращения: 24.08.2011).

2. Семикин П.П. Этапы и перспективы развития энергоэффективных высотных зданий. Международная студенческая научная конференция "Актуальные проблемы архитектуры и дизайна-2011" [Электронный ресурс] // Архитектон: известия вузов. - 2011. - №34 Приложение. — Режим доступа: http://archvuz.ru/numbers/2011 22/015 (Дата обращения: 25.08.2011).

3. Семикин П.П. Классификация типов высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии [Текст] / П.П. Семикин // Научно-теоретический журнал «Известия высших учебных заведений. Строительство» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) // 2013. - № 10. С. 91-96.

4. Семикин П.П. Критерии отбора высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии [Текст] / П.П. Семикин // Научно-теоретический журнал «Известия высших учебных заведений. Строительство» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) // 2014. - №3. С. 88-92.

Статьи, учебные пособия и материалы конференции:

5. Семикин П.П. Особенности формообразования высотных зданий под влиянием конструктивных систем. Межвузовская научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири». Современные проблемы гуманитарных и социально-экономических наук: материалы конференции - Новосибирск: НГАХА, 2009. - С. 43.

6. Семикин П.П. Предпосылки появления энергоэффективных высотных зданий. Современные проблемы гуманитарных и социально-экономических наук: материалы межвузовской научной студенческой конференции - 2010 «Интеллектуальный потенциал Сибири». - Новосибирск: НГАХА, 2010. - С. 47.

7. Семикин П.П. Этапы развития энергоэффективных высотных зданий. Современные проблемы гуманитарных и социально-экономических наук: материалы межвузовской научной студенческой конференции - 2011 «Интеллектуальный потенциал Сибири». - Новосибирск: НГАХА, 2011. - С. 36-37.

8. Семикин П.П. Архитектурный силуэт современного Новосибирска. Современный архитектурно-градостроительный образ сибирского города : материалы научно-практической конференции, 2011 / Под ред. E.H. Лихачева; НГАХА. - Новосибирск, 2011. - С. 128-131.

9. Семикин П.П. Энергоэффективные и энергосберегающие здания как перспективный тип застройки Сибирских городов. Современный архитектурно-градостроительный образ сибирского города : материалы научно-практической конференции, 2012 / Под ред. E.H. Лихачева; НГАХА. -Новосибирск, 2012.-С. 102-107

10. Архитектура высотных сельскохозяйственных ферм / П.П. Семикин, A.A. Магай // Становление современной науки-2013: материалы IX международной науч.-практич. конф., 27 сентября - 5 октября 2013 г. Прага, 2013. - С.48-53.

11. Энергоэффективные аспекты архитектурно-градостроительного проектирования: учебное пособие / П.П. Семикин, A.A. Магай, П.В. Семикин; под. общ. ред. П.П. Семикина; Новосиб. гос. архит.-худ. акад. -Новосибирск, 2014.-104 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Территориальная организация участка

Оптимизация транспортно-пешеходной сети Вписывание объекта в окружающую застройку

о

Количество солнечных дней в году

Повторяемость, направление и скорость ветровых потоков

Наличие геотермальных источников

Водоем с движениями водных масс (приливы)

Запасы сырья для производства биомассы

Инженерно-технические

I Применение возобновляемых у источников энергии

Энергетическая система ▼ комбинированного типа

Архитектурные

Функционально-планировочное решение

Объемно-планировочное решение

Объемно-пространственное решение !

Социально-экономические

Наличие заинтересованных финансовых структур

Социальных комфорт среды проживания

Уменьшение потребления энергии из городских сетей

Срок окупаемости энергосистемы и объекта в целом

Экологические

:Снижение количества вредных! выбросов в атмосферу

Применение экологичных материалов и технологий

Рис. 1. Факторы, влияющие на формирование высотных зданий с ВИЭ

«Башня Страта», Великобритания

Здания, использующие энергию солнца

«Чикагская солнечная башня». США Здания, использующие энергию воды

«Башня золотого побережья», Австралия Здания, использующие энергию земли

«Императорская башня», Индия

Здания, исп-щие энергию биомассы

Вертикальная с/х ферма, Великобритания

Здания, использующие энергию ветра

Тип 1

«Башня Мераас», ОАЭ

Тип 2

«Офисы корпорации PNC». США

Тип 3

«Бурж Апь-Таква», ОАЭ

Тип 4

«Экологичная башня», КНР

Тип 5

«Логистический город», КНР

Рис. 2. Моно- и полиэнергетические типы высотных зданий с ВИЭ

• Mypwa't

• Санкт-Петербург

О Москва

• Сыктыиклр

tfi/адан^ ^

Петропавловск •Камчатский ^

Иркутс»

Тип здания

Используемый ВИЭ

Тип здания

Тип здания Используемый ВИЭ

Здание, работающее на энергии биомассы □

Тип здания Используемый ВИЭ

Здание, работающее на энергии ветра В

Тип здания Используемый ВИЭ

Здание, работающее на энергии солнца ■тар

Тип здания Используемый ВИЭ

Здание, работающее на энергии земли

Тип здания Используемый ВИЭ

Тип Используемый

здания ВИЭ

Тип 1

i В

Тип Используемый /

здания ВИЭ

Здание, работающее на энергии аоды

Карта наиболее благоприятных зон возобновляемой энергетики России

аА&РД)

Дудинка

г У*»-'

Тип здания

Используемый ВИЭ

Используемый ВИЭ

Тип 2

Тип 5

Продолжительность солнечного сияния / среднегодовая скорость ветра

- менее 1700 часов в год / менее 3 м/с

- от 1700 до 2000 часов в год / от 3 до 5 м/с 1НШШ - более 2000 часов в год / более 5 м/с

Г ~ - технический потенциал геотермальной энергии

более 20 млн. т.у.т. в год i I 500-730 т/га коренных типов экосистем

Рис. 3. Карта зонирования территории России с учетом с ВИЭ

ПРИНЦИП УЧЕТА В АРХИТЕКТУРНО-ПЛАНИРОВОЧНОМ РЕШЕНИИ

ПРИНЦИП ФОРМИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРЫ

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

ПРИНЦИП ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ВИЗ

ПРИНЦИП РАЗМЕЩЕНИЯ ВИЗ В ОБЪЕМНО-ПЛАНИРОВОЧНОЙ СТРУКТУРЕ ЗДАНИЯ

Итоговая форма здания

Первоначальная форма здания

Изменение формы здания при внедрении ВИЗ

ПРИНЦИП ВЫБОРА ВИЗ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ПЛАНИРОВОЧНЫХ РЕШЕНИЙ

Рис. 4. Принципы формирования архитектуры высотных зданий с ВИЭ

ЭНЕРГИЯ ВЕТРА

ЭНЕРГИЯ СОЛНЦА

В

тз

Я з н 0) я

43

к

Я

"а п Ы а

с

*

г» Я

к

¡а

я о

43 Й ё я £

£ п>

■о я 3 3

П5

0 Э

4 Н

3 "а

В о

х и

ё -з

1 з

«ей

Н ш

я о ш о я

МвСТОПОПОЖвИМЭ •ОЭОбммя «лиого хск^мияв энергии В ВМСОТМОи ЗЛ8МИИ

ВЕРХНЯЯ ЧАСТЬ ЗДАНИЯ

(в т.ч. завершение, шпиль)

СРЕДНЯЯ ЧАСТЬ ЗДАНИЯ

НИЖНЯЯ ЧАСТЬ ЗДАНИЯ

(в т.ч. стилобат)

КОМБИНИРОВАННОЕ РАЗМЕЩЕНИЕ

Примеры зданий и проектов

ЬяиляСтрятл Вддобвиддд

Здам>%в-»стц<жтрагор. Евросоюз

Вкгая асгрякаи башня (В-вшкобршакпя)

БЭШКЯ Ж*н*<уж»»<м ро«и. КНР

Схема размещения

Примеры эдакий и проектов

Энергетический цввго» «Калла»

Солнечное обта«и'ио. Великобритания

Солнечная батин Чикаго

Схема размещения

Ш/

\ V

V

- бионическая форма

- текстура фасадов

- двойной фасад

- поворот плана этажа

Ветроэнергоустановка

Рис. 6. Эскизный проект многофункционального высотного здания с ВИЭ в г. Новосибирске