ПРИМЕНЕНИЕ БИОАДАПТИВНЫХ ФАСАДНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГЕ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Применение биоадаптивных фасадных систем для высотных зданий в Санкт-Петербурге

Гаевская Злата Анатольевна

к.а.н. ВШПГиДС, СПБПУ Петра Великого, gaevskaya.za@spbstu.ru Стрелец Ксения Игоревна

к.т.н. ВШПГиДС, СПБПУ Петра Великого, strelec.ki@spbstu.ru Фалалеева Екатерина Владимировна

студент ВШПГиДС СПБПУ Петра Великого, falaleeva.ev@edu.spbstu.ru

Целью данного исследования является определение целесообразности применения биоадаптивной энергоэффективной фасадной системы «SolarLeaf» для здания, расположенного в г. Санкт-Петербург. Выполнено моделирование солнечной инсоляции и радиации в программном комплексе Rhinoceros 3D с помощью инструментов визуального моделирования Grasshopper, Ladybug Tools и Heron, для обоснования расположения биоадаптивной системы на фасаде здания в зависимости от климатических особенностей района расположения. Получены значения количества солнечных дней и количества солнечной инсоляции в кВтч/м2, выявлены участки фасада, на которых благоприятнее расположить биоадаптивную систему. Количество солнечных часов на южной и восточной стороне фасада 22 июля составляет 10 часов, на северной стороне фасада - 8 часов. Для сравнения был проведён расчёт в зимнем месяце - 11 января. Количество солнечных часов на южной и восточной стороне фасада 11 января составляет 7 часов, на северной стороне фасада - 3 часов. Среднее числовое значение воздействия солнечных лучей на южный и восточный фасад здания летом составило 10,25 часов. Для микроводорослей требуется следующий оптимальный уровень освещения (точка компенсации (рост водорослей прекращается)- с 18 часов до 8 часов и точкой светового насыщения (микроводоросли насыщаются и не могут адсорбировать больше солнечного света - с 8 часов по 15 часов). Расчетные данные по солнечным часам, показывают, что применение системы «SolarLeaf» возможно для условий Санкт-Петербурга летом, так как оптимальная температура для роста микроводорослей составляет +17...+30 градусов.

Ключевые слова: биоадаптивные фасадные системы; биадаптивные фасады; солнечная инсоляция; солнечная радиация.

Неэффективное использование энергетических ресурсов является одной из наиболее актуальных проблем строительства XXI века. В связи с такими проблемами как истощение природных ресурсов и парниковых эффект, необходимость экономии энергоресурсов в условиях формирования комфортной жилой среды, отвечающей требованиям энергоэффективности и эко-логичности, объявлена одной из приоритетных государственных задач. В решении этой проблемы особый интерес представляет биотопливо, поскольку при его сжигании в атмосферу выбрасывается минимальное количество парниковых газов, а также его получают из природных ресурсов, тем самым, не загрязняя окружающую среду.

Биологическая адаптация - это способность системы приспосабливаться, т. е. удовлетворять заданным требованиям, в том числе при изменении условий окружающей среды. Строительные оболочки (ограждающие конструкции), обладающие этим свойством, способны самостоятельно реагировать на изменение окружающих их условий, в частности солнечное излучение, скорость и направление ветра, температура воздуха, осадки и т. д. Таким образом удаётся сократить энергопотребление по сравнению с традиционными статичными зданиями, т. к. ценные источники энергии будут эффективно использоваться, только когда они действительно необходимы [1].

Проект <^о!а^еаЬ был представлен в качестве первого в мире фасада биореактора из водорослей на Международной строительной выставке 2013 года в Гамбурге. Микроводоросли выращиваются в стеклянных фасадных элементах, которые вырабатывают тепло и биомассу. Биомасса и тепло, вырабатываемые фасадом, транспортируются по системе замкнутого цикла в центр управления энергопотреблением здания, где биомасса собирается путем флотации, а тепло - теплообменником. Поскольку система полностью интегрирована со службами здания, избыточное тепло фото биореакторов (PBR) можно использовать для снабжения горячей водой или обогрева здания, а также для последующего использования. Преимущество биомассы заключается в том, что ее можно гибко использовать для производства электроэнергии и тепла, а также хранить практически без потерь энергии. Более того, выращивание микроводорослей в плоских PBR не требует дополнительного землепользования и не зависит от погодных условий. Кроме того, углерод, необходимый для питания водорослей, может быть получен из любого близлежащего процесса сжигания, например, из котла в соседнем здании. Для микроводорослей требуется следующий оптимальный уровень освещения (точка компенсации (рост водорослей прекращается)- с 18 часов до 8 часов и точкой светового насыщения (микроводоросли насыщаются и не могут адсорбировать больше солнечного света - с 8 часов по 15 часов). Расчетные данные по солнечным часам, показывают, что применение системы <^о!а^еаЬ> возможно для условий Санкт-Петербурга летом, так как оптимальная температура для роста микроводорослей составляет +17...+30 градусов. Разработчиками системы предусмотрено, что система может эксплуатироваться круглый год (с эффективностью преобразования света в биомассу в 10%, а света в тепло - 38%).

X X

о го А с.

X

го m

о

2 О

м

CJ

fO

сч

0 cs

in

01

о ш m

X

<

m О X X

Щ f

о

nth phcxobiorcactor

®

l=F"C31

П

1=1 О

p

Таблица 1

Оптимальный угол падения солнечных лучей и количество солнечной инсоляции для г. Санкт-Петербург

№ п/п Месяц Солнечная инсоляция, кВтч/м2 Оптимальный угол наклона, °

1 Январь 1,13 76

2 Февраль 2,31 67

3 Март 3,5 54

4 Апрель 4,57 38

5 Май 5,52 23

6 Июнь 5,76 14

7 Июль 5,51 16

8 Август 4,67 30

9 Сентябрь 3,34 48

10 Октябрь 2,16 62

11 Ноябрь 1,46 74

12 Декабрь 0,87 79

Рисунок 1. Визуализация энергоэффективной биоадаптивной фасадной системы «во!агЬеаЬ>

Немецкими учёными была разработана система стеклянных фасадов со встроенными фото биореакторами, так называемый биоэнергетический фасад. Существуют три различных элемента фасада:

• Полупрозрачный вариант, который позволяет ощутить зелёную окраску водорослей в интерьере;

• Непрозрачное решение, в котором водоросли служат элементом дизайна на внешнем фасаде;

• Прозрачная рамка, которая обеспечивает беспрепятственный обзор.

Санкт-Петербург и его окрестности относятся к атлантико-континентальной области умеренного пояса. Климат города имеет черты и морского, и континентального, с умеренно мягкой зимой и умеренно тёплым летом. Климатические характеристики г. Санкт-Петербурга представлены в Табл. 2.

Таблица 2

№ Средняя го- Наиболее Наиболее Относитель- Относитель-

п/п довая темпе- холодный теплый ная влаж- ная влаж-

ратура, °С месяц, °С месяц, °С ность летом, ность зимой,

% %

1 +5; +6 -7,9; -10,4 19,5 60-70 80-96

Применение данной биоадаптивной фасадной системы является экспериментальной в выбранных широтах. Был выполнен тестовый расчёт солнечной инсоляции и радиации в программном комплексе Rhinoceros 3D. С помощью приложения QGIS была произведена выгрузка местности, на которой планируется строительство здания. Далее, с помощью плагина Heron и инструмента Grasshopper была смоделированная реальная окружающая застройка выбранного участка в соответствии с реальным масштабом.

С помощью плагина Ladybug построена модель солнечного пути на выбранном участке местности, основанная на климатических данных района.

Рисунок 2. Конструктивная составляющая биоадаптивной энергоэффективной фасадной системы «SolaгLeaf»

Солнечная инсоляция - это облучение поверхностей солнечным светом (солнечной радиацией), облучение поверхности или пространства пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент центр солнечного диска. Измеряется инсоляция в кВтч/м2, то есть количество энергии солнца, полученное одним квадратным метром поверхности в течение одного часа. Чем больше угол падения солнечных лучей, тем сильнее нагревается поверхность. И наоборот, чем меньше угол падения лучей, тем меньше нагревается поверхность. Косой солнечный луч распространяет свою энергию на площадь в два раза большую, чем луч, перпендикулярный к принимающей поверхности, а, следовательно, на единицу площади в единицу времени будет поступать вдвое меньше энергии. В Табл. 1 представлен оптимальный угол наклона поверхностей попадания солнечных относительной земной поверхности для города Санкт-Петербург [4].

Рисунок 3. Моделирование солнечного пути с помощью инструмента визуального программирования Ladybug

Далее были выбраны внешние поверхности фасада здания, задана сетка расчёта и был смоделирован расчёт солнечной инсоляции, показывающий движение солнечного диска и количество часов воздействия солнечной радиации.

После чего был выбран и задан один летний день, самый длинный световой день, высшее и низшее положение Солнца относительно небесного экватора в видимом годичном движении Солнца по эклиптике - 22 июля. Далее получен расчёт итогового результата воздействия солнечной инсоляции в выбранный день.

Рисунок 4. 11 января, южная часть фасада здания

Рисунок 4. 22 июля, южная часть фасада здания

\

Рисунок 5. 11 января, северная часть фасада здания

I

Рисунок 2. 22 июля, северная часть фасада здания

Рисунок 3. 22 июля, юго-восточная часть фасада здания

Количество солнечных часов на южной и восточной стороне фасада 22 июля составляет 10 часов, на северной стороне фасада - 7 часов. Для сравнения был проведён расчёт в одном зимнем месяце года. Наиболее короткий световой день имеет 11 января.

Рисунок 7. 11 января, юго-восточная часть фасада здания

Количество солнечных часов на южной и восточной стороне фасада 11 января составляет 7 часов, на северной стороне фасада - 3 часов. Исходя из этого, целесообразнее биоадаптивные системы расположить на южной и восточной части фасада здания, где значения часов инсоляции выше.

Солнечная радиация, падающая на произвольно ориентированную поверхность, складывается из прямой радиации от Солнца, диффузной от неба и отраженной от поверхности земли. В свою очередь диффузная радиация от неба состоит из ореольной диффузной радиации, то есть радиации из зоны неба, находящейся непосредственно вокруг диска Солнца и фоновой диффузной радиации, которую считают равномерно распределенной по всему полусферическому небосводу [9].

X X

о

го А с.

X

го т

о

2 О

м

Сл>

Количество солнечной радиации, поступающей на южную и западную часть фасада, составляет в среднем около 3,18 кВтч/м2.

со

CS

о

CS

in

О Ш

m

X

<

m о x

X

Рисунок 8. Числовое значение количества солнечных часов, приходящее на поверхность здания

Для микроводорослей требуется следующий оптимальный уровень освещения (точка компенсации (рост водорослей прекращается)- с 18 часов до 8 часов и точкой светового насыщения (микроводоросли насыщаются и не могут адсорбировать больше солнечного света - с 8 часов по 15 часов). Расчетные данные по солнечным часам, показывают, что применение системы «SolarLeaf» возможно для условий Санкт-Петербурга летом, так как оптимальная температура для роста микроводорослей составляет +17...+30 градусов. Разработчиками системы предусмотрено, что система может эксплуатироваться круглый год (с эффективностью преобразования света в биомассу в 10%, а света в тепло - 38%). Следовательно, биоадаптивная фасадная система вполне подходит для выбранного региона. Расположение биоадаптивой фасадной системы возможно с южной и восточной стороны здания. Количество солнечных часов на южной стороне фасада 22 июля составляет 10 часов, количество солнечных часов на южной и восточной стороне фасада 11 января составляет 7 часов. Количество солнечной радиации, поступающей на южную и восточную часть фасада, составляет в среднем около 3,18 кВт-ч/м2. Числовое значение количества солнечных часов, приходящее на поверхность здания в наиболее благоприятный временной и климатический период составляет 10,25. Использование инновационной технологии биоадаптивной энергоэффективной фасадной системы «SolarLeaf» может быть целесообразно для выбранного региона, но также требуется изучение его функционирования в зимнее и ночное время.

Литература

1. Loonen R. C. G. M. Climate Adaptive Building Shells, 2014

2. Christiane Herr, Elizaveta Blokhina Designing Biodiverse High-Rise Façade Microbiomes for Healthy Urban Environments // CTBUH Journal. - 22. - №4

3. Биоадаптивная оболочка здания // URL: https://ppt-online.org/461620 (дата обращения 20.05.2023)

4. Характеристики климата Санкт-Петербурга // Экологический портал Санкт-Петербурга URL: https://www/infoeco.ru/index.php?id=1091 (дата обращения 25.03.2023)

5. BIQ House+SolarLeaf - the use of microalgae URL: https://pocacito.eu/sites/default/files/BIQhouse_Hamburg.pdf (дата обращения 4.03.2023)

6. Значение солнечной инсоляции в г. Санкт-Петербург (Санкт-Петербург) // ENERGY Альтернативная энергия uRL: https://www.betaenergy.ru/insolation/sankt-peterburg/ (дата обращения 24.05.2023)

7. Мартынова Т. С., Сологачев Н. А., Дайнеко Д. Ю., Об-рядин А. С., Вакуров А. Е. Источник альтернативной энергии в строительстве // Бюллетень науки и практики. - 2019. - №6

8. Александра Кашицына, Марианна Бродач Ресурсосберегающие технологии в концепциях экспериментального проектирования // Здания высоких технологий «sustainable building technologies». - 2019. - №1

9. Б. И. Назаров, М. А. Салиев, А. Н. Махмудов, С. Ф. Аб-дуллаев Расчёт потока суммарной радиации на наклонную плоскость солнечных приёмников в условиях аэрозолього загрязнения атмосферы // Доклады академии наук Республики Таджкистан. - Физико -технический институт им. С. У. Умарова АН Республики Таджикистан, *Центр инновационного развития науки и новых технологий АН Республики Таджикистан, 2015

10. Zalata E.S., Shavrov Yu.Yu., Strelets K.I., Emelyanova M.S. Produc- tivity of microalgae as biofuel for bioadaptive systems of facades // Magazine of Civil Engineering.

Application of adaptive facade systems for high-rise buildings in St. Petersburg Gaevskaya Z.A., Strelec K.I., Falaleeva E.V.

SPBPU Peter the Great

JEL classification: L61, L74, R53_

The purpose of this study is to determine the feasibility of using a bioadaptive energy-efficient facade system "SolarLeaf" for a building located in St. Petersburg. The simulation of solar insolation and radiation in the Rhinoceros 3D software package was performed using the visual modeling tools Grasshopper, Ladybug Tools, and Heron to justify the location of the bioadaptive system on the facade of the building, depending on the climatic features of the location area. The values of the number of sunny days and the amount of solar insolation in kWh/m2 were obtained, the sections of the facade on which it is more favorable to place a bioadaptive system were identified. The number of hours of sunshine on the south and east sides of the facade on July 22 is 10 hours, on the north side of the facade - 8 hours. For comparison, the calculation was carried out in the winter month - January 11. The number of hours of sunshine on the southern and eastern sides of the facade on January 11 is 7 hours, on the northern side of the facade - 3 hours. The average numerical value of exposure to sunlight on the southern and eastern facade of the building in summer was 10.25 hours. Microalgae require the following optimal level of illumination (compensation point (algae growth stops) - from 18 hours to 8 hours and the point of light saturation (microalgae are saturated and cannot absorb more sunlight - from 8 hours to 15 hours). The calculated data on the sundial show that the use of the "SolarLeaf1 system is possible for the conditions of St. Petersburg in the summer since the optimal temperature for the growth of microalgae is +17 ... +30 degrees. Keywords: bioadaptive facade systems; bioadaptive facades; solar insolation; solar

radiation. References

1. Loonen R. C. G. M. Climate Adaptive Building Shells, 2014

2. Christiane Herr, Elizaveta Blokhina Designing Biodiverse High-Rise Façade

Microbiomes for Healthy Urban Environments // CTBUH Journal. - 22. - №4

3. Bioadaptive building shell // URL: https://ppt-online.org/461620 (Accessed

20.05.2023)

4. Characteristics of the climate of St. Petersburg // Ecological portal of St. Petersburg

URL: https://www/infoeco.ru/index.php?id=1091 (accessed 25.03.2023)

5. BIQ House+SolarLeaf - the use of microalgae URL: https://pocacito.eu/sites/default/files/BIQhouse_Hamburg.pdf (accessed 03/04/2023)

6. The value of solar insolation in St. Petersburg (St. Petersburg) // ENERGY

Alternative energy URL: https://www.betaenergy.ru/insolation/sankt-peterburg/ (accessed 24.05.2023)

7. Martynova T. S., Sologachev N. A., Daineko D. Yu., Obryadin A. S., Vakurov A. E.

Source of alternative energy in construction // Bulletin of Science and Practice. -2019. - No. 6

8. Alexandra Kashitsyna, Marianna Brodach Resource-saving technologies in the

concepts of experimental design // Buildings of high technologies "sustainable building technologies". - 2019. - No. 1

9. B. I. Nazarov, M. A. Saliev, A. N. Makhmudov, S. F. Abdullaev Calculation of the

total radiation flux on the inclined plane of solar receivers under conditions of aerosol pollution of the atmosphere // Reports of the Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan. - Physico-technical Institute. S. U. Umarova Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, "Center for Innovative Development of Science and New Technologies of the Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan, 2015

10. Zalata E.S., Shavrov Yu.Yu., Strelets K.I., Emelyanova M.S. Productivity of microalgae as biofuel for bioadaptive systems of facades // Magazine of Civil Engineering.