CC BY
28Статья поступила в редакцию 10.01.11. Ред. рег. № 922
The article has entered in publishing office 10.01.11. Ed. reg. No. 922
УДК 700-799
ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА КАК НОВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В АРХИТЕКТУРНОМ ФОРМООБРАЗОВАНИИ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ
А.В. Рябов
Московский Архитектурный Институт (ГА) 107031, ГСП, Москва, ул. Рождественка, д. 11 Тел.: 8 916 473 8005, e-mail: ryabovalex@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 25.01.11 Заключение совета экспертов: 04.02.11 Принято к публикации: 14.02.11
В связи с обострением экологических и энергетических проблем крупных городов архитекторы все чаще задумываются об интеграции ветровых энергетических установок в структуру городских зданий. Таким образом, на рубеже веков сформировалось понятие ветроэнергоактивного небоскреба, архитектурное формообразование которого неразрывно связано с мероприятиями по повышению эффективности энергосистемы здания.
Ключевые слова: архитектурное формообразование, ветроэнергоактивное здание, материально-конструктивная структура, концентрирующая поверхность, дефлекторная поверхность, воздухозаборное отверстие.
WIND POWER AS A NEW DIRECTION OF A TALL BUILDINGS ARCHITECTURAL
SHAPE-FORMING
A.V. Ryabov
Moscow Architectural Institute 11 Rozhdestvenka str., Moscow, 107031, Russia Tel.: 8 916 473 8005, e-mail: ryabovalex@mail.ru
Referred: 25.01.11 Expertise: 04.02.11 Accepted: 14.02.11
In the context of ecological and energetic problems' aggravation in the cities architects more often are thinking on the wind power plants' integration in the structure of city buildings. In such a way at the turn of XXth century the notion of wind power active skyscraper has formed. It architectural shape forming is inseparably connected with the measures to improve efficiency of buildings' power systems.
Keywords: architectural shapeforming, wind powered building, material-constructional structure, concentrating surface, deflecting surface, air intake aperture.
Алексей Владиславович Рябов
Сведения об авторе: аспирант кафедры архитектуры сельских населенных мест Московского архитектурного института.
Образование: МАрхИ (2009 г.).
Профессиональный опыт: архитектор в крупном проектном институте (ГУП МНИИТЭП) и ведущих московских проектных организациях (ООО ПТМ Атриум, ЗАО СиАС). Количество публикаций: 3.
Ветроэнергетика - перспективное, стремительно развивающееся направление современной энергетической промышленности. Благодаря совокупности таких факторов, как отсутствие строгой зависимости от природных условий участка и единой энергетической сети, простота производственного цикла без пожаро- и взрывоопасных процессов, отсутствие неблагоприятных выбросов, ветряные энергоустановки нашли применение в структуре здания в непосредственной близости от человека, что недопустимо для большинства традиционных энергетических установок, использующих ископаемые виды топлива. Однако объекты ветроэнергетики имеют опреде-
ленные эксплуатационные недостатки, связанные преимущественно с шумовыми и вибрационными эффектами, а также с опасностью разлета обломков лопастей в случае повреждения ветроприемного устройства. Помимо этого, городское пространство способствует аэродинамическому затенению. Ограниченность участков застройки часто приводит к невозможности использования энергии ветра из-за барьеров для воздушных потоков, создаваемых окружающей застройкой и зелеными насаждениями [1]. Оптимизация сложившегося рельефа, плотной городской застройки, охраняемых объектов дендрологии для организации аэродинамических русел, как
правило, весьма затруднительна в современном городе. Однако подобные проблемы незначительны для высотных сооружений, ведь с высотой скорость ветра возрастает. На высоте свыше 50 метров потоки воздуха, в отличие от приземных воздушных масс, характеризуются стабильностью направления и скорости, не испытывая трения и завихрений от различных барьеров, что создает идеальные условия для интеграции ветряных установок [2]. Тем более что средняя высота общественных зданий в крупных
городах испытывает стремительный рост. Во многих экономически развитых странах увеличивается число небоскребов и высотных сооружений. Их высота исчисляется сотнями метров. Эксплуатация таких зданий связана со значительными выбросами в атмосферу различного рода отработанных веществ, в том числе парниковых газов, и сжиганием ископаемых видов топлива. Именно поэтому на рубеже веков сформировалось понятие экологического небоскреба.
Рис. 1. Основные направления в архитектурном формообразовании высотных ветроэнергоактивных зданий Fig. 1. Reference directions in architectural shape forming of wind-powered tall buildings
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Архитекторы все чаще задумываются об интеграции в структуру экологических небоскребов средств ветровой энергетики. Этому способствуют не только благоприятные условия для эксплуатации ветряных установок в структуре такого рода сооружений, но и возможность решения энергетических и экологических задач в масштабе как отдельного здания, так и города в целом. К тому же высота многих башен и небоскребов позволяет установить ветряные установки с соблюдением санитарных требований в отношении шумовых и вибрационных эффектов. На высоте несколько десятков метров аэродинамические и механические шумы ветроприемного устройства сливаются с общим шумовым фоном и доходят до городских улиц в ослабленном состоянии, не создавая дискомфорта для прохожих и жителей окружающей низкоэтажной застройки. Что касается самих зданий, использующих средства ветроэнергетики, и рядом находящихся высотных общественных зданий, то их помещения, расположенные на высоте в несколько десятков и сотен метров, изолируются от внешних аэродинамических, термических и акустических воздействий вне зависимости от наличия или отсутствия ветряных установок. Причем поверхность ограждающей материально-конструктивной оболочки таких зданий хорошо использовать в качестве концентрирующей воздушные потоки поверхности из-за неподвижности ее светопрозрачных заполнений, открывание которых снижает аэродинамические показатели поверхности и создает опасность негативного воздействия высокого аэродинамического давления на различного рода процессы, связанные с социальной деятельностью людей во внутреннем пространстве здания.
Ветроэнергоактивные небоскребы как особое направление в архитектурно-строительной индустрии находятся на стадии своего становления. Примеры, иллюстрирующие новый подход проектировщиков к архитектурному формообразованию и реализованные на практике, на сегодняшний день единичны. В мировом архитектурно-строительном опыте существует всего четыре введенных в эксплуатацию небоскреба с ветроэнергетическими установками. Они дают наглядное представление об основных направлениях в формообразовании ветроэнергоактивных зданий: это здания с использованием башен-концентраторов, здания с воздухозаборными отверстиями, здания с де-флекторной поверхностью (рис. 1). Соответствующая аэродинамическая форма ограждающей конструкции здания как один из основных факторов повышения энергоэффективности ветроэнергоактивных зданий -главный формообразующий принцип, характерный для всех трех направлений. Как правило, в одном здании могут проявляться черты сразу нескольких направлений. Поэтому рассмотрение того или иного объекта в контексте определенного направления говорит о доминирующей роли данного направления, но не о его исключительной роли в процессе формообразования.
Первое направление характеризуется комплексом отдельных зданий или элементов башенного типа в структуре одного здания, выполняющих роль улавливателей и концентраторов воздушных потоков. Такие сооружения объединяются конструктивными элементами, на которых крепятся ветроприемные устройства. Здания этого типа могут быть односторонней ориентации, в районах с постоянным направлением ветра, или многосторонней ориентации для районов с переменным направлением ветра. В последнем случае в качестве ветроприемного устройства, как правило, выступает ветряная турбина с вертикально ориентированной осью.
Рис. 2. Шон Килла, Бахрейнский всемирный
торговый центр, Манама, Бахрейн, 2008 Fig. 2. Shaun Killa. Bahrain World Trade Center, Manama, Bahrain, 2008
На практике этот метод был реализован архитектором Шоном Киллой из международной строительной фирмы «Atkins» в здании Бахрейнского всемирного торгового центра [3]. Здание было построено в 2008 году в столице Бахрейна Манаме. Оно представляет собой две 240-метровых башни-близнеца парусообразной формы (рис. 2). Такое композиционное решение не случайно. Оно принято с расчетом на эффективную работу расположенных между башнями ветровых турбин. Архитектор разработал аэродинамическую форму, улавливающую и концентрирующую ветер, дующий с Персидского залива, на берегу которого расположен торговый центр [4]. Направление ветра связано с неравномерным нагреванием поверхности острова относительно поверхности вод Персидского залива. Ветер в данном участке острова характеризуется высокой скоростью и постоянностью направления. Архитектор исполь-
зовал эти природно-климатические особенности участка, совместив башни торгового центра с ветряной электростанцией. Три ветровые турбины, разработанные инженером Оле Сэнгелом, крепятся одна над другой на специальных У-образных мостах между башнями, выполненными по проекту инженера Ларса Торбека. Ветроприемные трехлопастные колеса диметром 29,2 метра вращаются со скоростью до 38 об/мин и соединяются с электрогенераторами суммарной мощностью 675 кВт, вырабатывающими 1,1-1,3 ГВт-ч электроэнергии в год. Для равномерной работы ветряных установок Шон Килла придал башням конусообразную форму, напоминающую парус. Таким образом, с увеличением высоты увеличивается ветер и уменьшается площадь этажей. То есть с усилением ветра уменьшается площадь концентрирующей поверхности, в качестве которой выступают фасады здания, выполненные из двойных стеклянных панелей с тонированным покрытием, снижающим тепловой эффект солнечного излучения на 85%. Форма башен и их взаимное расположение позволяет улавливать ветровые потоки, движущиеся под углом 45° к зданию, увеличивая их мощность в зоне ветроприемных установок в среднем на 20% [5]. Помимо решения технологических задач проектировщики сталкивались с множеством эксплуатационных проблем, ведь торговый центр в Манаме -это первое ветроэнергоактивное здание такого масштаба. Кроме вибрации, шума и светового мерцания, проектировщики должны были свести к минимуму возможность аварии. Разрушение лопасти массой в полторы тонны, вращающейся со скоростью до 38 об/мин в нескольких метрах от общественного здания, может обернуться катастрофическими последствиями. Архитекторам и инженерам проекта удалось преодолеть сложности и довести проект до конца. Бахрейнский всемирный торговый центр демонстрирует полифункциональное использование ограждающих конструкций здания в качестве концентрирующей поверхности ветряных установок.
В объемно-композиционной схеме ветроэнерго-активных зданий с воздухозаборными отверстиями принцип концентрации воздушных потоков в зоне ветроприемных устройств имеет первостепенное значение. 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 придается форма, способствующая улавливанию, концентрации и нагнетанию воздушных масс в воздухозаборное отверстие, в котором расположена ветряная установка. Установка оказывается в своего рода сквозной аэродинамической трубе. Такое расположение ветроприемных колес получило определенный отклик в работах архитекторов, в частности из-за меньшего риска аварийной ситуации, связанной с разлетом наледи или лопастей из-за неисправности ротора. Помимо этого,
уровень шума от ветряной установки в аэродинамической трубе не столь высок, как при ее использовании в открытом виде, а помещения здания не подвергаются световому мерцанию.
В небоскребе «Pearl River Tower» в китайском городе Гуанчжоу четко прослеживаются основные принципы формообразования зданий с воздухоза-борными отверстиями [6]. Здание было завершено в 2010 году. Проект был разработан всемирно известной компанией «SOM» под руководством архитектора Эдриана Смита при участии Гордона Гилла. «Pearl River Tower» имеет высоту 310 метров. В 71-этажном здании расположен офис национальной китайской табачной компании и другие офисные помещения, сдаваемые в аренду. Характерной чертой данного проекта являются сложные изогнутые формы ограждающих поверхностей. Южный фасад здания имеет трехчастную структуру. Он формируется тремя стеклянными объемами, изогнутыми как по вертикали, так и по горизонтали. Такая форма фасада концентрирует воздушные потоки в образующихся между стеклянными объемами щелях, в середине которых расположены выгнутые стеклянные объемы, выполняющие роль дефлекторов. Воздушные массы, разбиваясь о поверхность дефлектора, направляются в воздухозаборные отверстия, где установлены ветряные турбины [7]. Функции концентрирующей и дефлекторной поверхности выполняют элементы ограждающей оболочки здания, что характеризует ее как полифункциональный элемент, который помимо своих прямых назначений является элементом ветряных установок. Оригинальная форма здания является следствием синтеза материально-конструктивных и технологических решений (рис. 3).
Рис. 3. Эдриан Смит, Гордон Джилл, Pearl River Tower, Гуанчжоу, Китай, 2010
Fig. 3. Adrian Smith, Gordon Gill, Pearl River Tower, Guangzhou, China, 2010
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Рис. 4. BFLS. Жилая башня «Strata SE1», Лондон, 2010 Fig. 4. BFLS. Dwelling tower «Strata SE1», London, 2010
Рис. 5. Waugh Thitelston, Рэмсгейт Стрит, Лондон, 2010 Fig. 5. Waugh Thitelston, Ramsgate Street, London, 2010
Жилая башня «Strata SE1» в Лондоне считается первым зданием в мире с внутриструктурным использованием ветряных энергетических установок [8]. 43-этажный небоскреб высотой 148 метров был сдан в эксплуатацию в июне 2010 года. Проект был разработан архитектурной компанией «BFLS». Башня «Strata SE1» включает 408 жилых квартир и является самым высоким жилым зданием в Лондоне. Южный фасад башни представляет собой выгнутую плоскость. Такая форма способствует концентрации воздушных потоков в трех воздухозаборных отверстиях, расположенных в верхней части здания. Каждое отверстие имеет 9 метров в диаметре. В них расположено по одному пятилопастному ветрогенера-тору мощностью 15 кВт. Общая производительность ветряных установок должна составить 50 МВтч энергии ежегодно. С северной стороны верхушка здания «срезана» под углом 45°, что уменьшает интенсивность областей пониженного давления и способствует движению воздушных масс в ветрозабор-ных отверстиях с необходимой скоростью [9]. В августе 2010 года здание было признано самым уродливым новым зданием в Лондоне. У лондонцев оно получило прозвище «бритва» из-за схожести с электрическим бритвенным прибором, которую придают зданию ветряные турбины, установленные в трех воздухозаборных отверстиях. В любом случае небоскреб «Strata SE1» вобрал в себя передовые экологические идеи, а его архитектурный облик иллюстрирует формообразующие возможности интеграции ветряных установок в структуру здания (рис. 4).
К группе зданий 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. Вообще возведение ветроэнергоактивных зданий с дефлекторными свойствами поверхности целесообразнее при плотной городской застройке. Такое решение возможно при меняющихся ветровых руслах и не способствуют излишней турбулизации воздушных масс. В плотной лондонской застройке и был реализован один из проектов такого рода зданий. Офисно-жилой комплекс на Рэмсгейт Стрит в Далстоне, одном из районов Северного Лондона, был построен в 2010 году по проекту архитектурного бюро «Waugh Thistleton» (рис. 5). Здание состоит из офисного блока и жилого 14-этажного корпуса, вмещающего 66 квартир. Жилой корпус имеет в плане форму вытянутого треугольника со скругленными углами. Такая форма здания обусловлена градостроительным аспектом и расчетами, произведенными проектировщиками в гидрогазодинамических компьютерных
программах. Ориентируясь на эффект Бернулли, проектировщики придали зданию форму схожую с крылом самолета, установленным в вертикальном положении вдоль господствующего направления ветра. Здание рассекает ветровые потоки и увеличивает их скорость в месте изгиба южного фасада, где были установлены четыре ветряные турбины с вертикальной осью вращения. Установки системы «Рше^еуо1Ш:юп» характеризуются достаточно низким уровнем шума, чтобы быть интегрированными в структуру жилого здания, тем более что за ним расположен лестнично-лифтовой узел с хозяйственными и техническими помещениями. Планируется, что комплект ветряных турбин будет производить до 40 МВтч энергии ежегодно. Помимо всего прочего, архитекторы облицевали фасады глазурованной керамической плиткой для снижения трения воздушной массы о стены здания. Архитекторам удалось объединить в здании градостроительные условия, аэродинамические функции дефлектора, повышающие эффективность работы энергосистемы, и оригинальный архитектурный образ.
Таким образом, интеграция в структуру высотного здания вносит свои коррективы в процесс проектирования, зачастую подразумевая прямо противоположные решения извечных аэродинамических задач, связанных с возведением и эксплуатацией небоскребов. Ведь кинетическая энергия ветра при взаимодействии с неподвижными элементами материально-конструктивной структуры высотного здания преобразуется в аэродинамическое давление, а инфильтрация холодного воздуха во внутреннее пространство ведет к теплопотерям во время отопительного сезона и созданию дискомфортной обстановки в помещениях [10]. Такое положение дел ставит ветер при процессе проектирования в число негативных природно-климатических факторов. Однако в ветроэнергоактивных зданиях наличие ветра - это не только благоприятный для эксплуатации фактор, но и необходимость, от которой зависит функционирование энергосистемы. В связи с этим эксплуатация многих ветроэнергоактивных зданий связана с различными мероприятиями по повышению энергоэффективности посредством перенаправления, распределения и концентрирования ветровых потоков.
При определенных сложностях и недостатках ветряные установки подходят для использования в структуре высотных зданий для оптимизации энергетического баланса. Помимо интеграции одноцеле-вых установок, использующихся в качестве периферийных технических средств, позволяющих в боль-
шей или меньшей степени компенсировать энергозатраты здания, проектировщики в ряде случаев разрабатывают целый комплекс мероприятий, связанных в первую очередь с объемно-планировочным решением небоскреба. Для создания полноценного ветроэнергоэффективного здания, особенно при его значительных масштабах, нестабильности воздушных потоков и ограниченности окружающего пространства, проектировщикам необходимо как можно эффективнее оптимизировать природные ресурсы ветра. В этом случае объемно-планировочные решения здания нацелены на повышение энергоэффективности ветряных установок и средства ветроэнергетики выступают как факторы архитектурного формообразования.
Список литературы
1. Peinke J., Schaumann P., Barth S. Wind energy: proceedings of the Euromech colloquium. USA, NY, New York: Springer, 2007. P. 57-59.
2. Johnson G.L. Wind energy systems. Electronic edition. Manhattan, KS, 2001. P. 2-23 - 2-25.
3. Best Tall Buildings 2008: CTBUH International Award Winning Projects. Edited by Wood A. USA, Il, Chicago: Architectural Press, 2008.
4. Рябов А.В. Объекты альтернативной энергетики в современной архитектурной среде // Наука, образование и экспериментальное проектирование. Труды МАрхИ. Том 1: Архитектура-С. М., 2010. С. 203-206.
5. Smith R.F., Killa S. Bahrain World Trade Center (BWTC): The First Large-Scale Integration of Wind Turbines in a Building. CTBUH / Wiley Tal Journal,
2007. P. 429-439.
6. Li F., Antell J., Reiss M. Pearl River Tower, Guangzhou: Fire Protection Strategies for an Energy Efficient High-Rise Building. CTBUH 8th World Congress, Dubai. March 3-5, 2008. P. 716-722.
7. Frechette R., Gilchrist R. Towards Zero Energy: A Case Study of the Pearl River Tower, Guangzhou, China. CTBUH 8th World Congress, Dubai. March 3-5,
2008. P. 252-262.
8. Афанасьева О.К. Архитектура малоэтажных жилых домов с возобновляемыми источниками энергии. Диссертационная работа на соис. уч. степ. канд. арх. М., 2009. Том 2, табл. 3.5.
9. Spittels D. You're the tops. Homes & Property. Wednesday, 30, September, 2009. P. 4.
10. Селиванов Н.П., Мелуа А.И., Зоколей С.В. и др. Энергоактивные здания / Под ред. Селиванова Н.П. М.: Стройиздат, 1988. С. 69-73.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
