В статье произведен анализ методов использования альтернативных видов энергии для высотных зданий и предложен способ использования ветроэнергоустановок помещенных в застекленные капсулы для использования в условиях воздействия нескольких расчетных направлений ветра.
Анализ современного развития проектирования высотных зданий ведущими архитектурными бюро мира показывает, что наиболее распространенным в настоящее время является использование ветровой и солнечной энергии.
В настоящее работе анализируются основные принципы использования ветроэнергоустановок с целью разработки универсального проектного решения, позволяющего их использование не только для одного преобладающего ветрового воздействия, а для нескольких разных расчетных направлений ветра. При этом анализируется и опыт применения фотогальванических панелей и элементов в высотных зданиях для их наиболее эффективного использования.
Наибольшее распространение в высотных зданиях получили горизонтально расположенные ветроэнергоустановки, которые используются только при одном преобладающем направлении ветра. Основными вариантами проектированных высотных зданий с ветроэнергоустановками, являются :
здание, имеющее сквозные проёмы и форму технических этажей, обеспечивающую улавливание ветра и интенсификацию поступления воздушных потоков к элементам ветроколеса или системы ветроколес внутри здания;
здание, в котором часть наружных стен используется в качестве опоры для крепления на крыше ветроэнергоустановки;
комплекс зданий в виде двух башен эллипсовидной или круглой в плане нормы, с размещением между ними ветроэнергоустановки;
здание, имеющее ветроэнергоустановки, установленные в отверстиях наружной железобетонной стены на участках расположенных выше крыши внутреннего остекленного металлического каркаса.
Дальнейшее повышение эффективности использования энергии ветра зданиями может быть обеспечено различными градостроительными приемами .
1. На основании изучения статистических метеорологических данных, характера рельефа, степени открытости площадки и согласно требований экспериментальных данных, полученных в результате обследования в вихревом воздушном потоке в аэродинамической трубе, выявляют зоны наибольшей обеспеченности энергией ветра на территории микрорайона или города, в пределах которой может быть привязано проектируемое энергоактивное здание. Привязку здания осуществляют в зоне, наиболее обеспеченной энергией ветра и ориентируют его с учетом розы ветров.
Общий вид застекленной капсулы с ветроэнергогенератором
Архитектурная выразительность высотного многофункционального центра
2. Определяют природно-экономические факторы оптимизации рельефа местности с целью организации аэродинамических русел и использования их для снабжения ветроэнергоустановок зданий более интенсивными потоками ветровой энергии.
3. Если намечается одновременное или последовательное строительство нескольких зданий, из которых одно или более относятся к ветроэнергоактивным, рассматривают возможности такого их взаимного расположения, которое усиливало бы общий аэродинамический эффект, направленный на интенсификацию подачи воздушных потоков к ветроэнергоустановке или системе ветроэнергоустановок зданий, образующих в совокупности строительный ветроэнергоактивный комплекс.
Для установки ветровых турбин форма зданий должна обеспечивать максимальную скорость господствующего ветра с учетом типа местности: а- открытые побережья морей, озер и водохранилищ, сельские местности, в том числе с постройками высотой менее 10м, пустыни, степи, лесостепи, тундра; в- городские территории, лесные массивы, и другие местности равномерно покрытые препятствиями высотой более 10м; с- городские районы с плотной застройкой зданиями высотой более 25м. При этом сооружение считается расположенным в местности данного типа, если эта местность сохраняется с наветренной стороны на расстоянии 2 км при высоте сооружения h>60м .
Для определения оптимальной формы зданий для установки ветровых турбин используют результаты исследований аэродинамики высотных зданий. Аэродинамические характеристики зданий и сооружений существенно зависят от их геометрических формы и размеров, от характера и структуры набегающего потока, от окружающей застройки и от некоторых других факторов.
В связи с этим, за исключением одиночно стоящих зданий, схемы которых приведены в , аэродинамические коэффициенты сил, моментов, внутреннего и внешнего давлений, должны определяться на основе данных модельных испытаний, проводимых в специализированных аэродинамических трубах. При проведении модельных аэродинамических испытаний должны быть выполнены определенные условия (критерии) подобия, которые обеспечивают получение наиболее достоверной информации о действующих на здание ветровых нагрузках .
Следует отметить, что, если направление ветра составляет с фасадом здания угол порядка 45°, у наветренных кромок покрытия возникают сильные завихрения . Высокие скорости воздушного потока в этих завихрениях обуславливают достаточно сильное разрежение (отрицательное давление) у краев покрытия, как, например, в случае сильных ветров. Следовательно, в указанной зоне с подветренной стороны также рационально предусмотреть установку ветровых генераторов.
Сильные завихрения воздушных масс у кромок покрытия на крышах высотных зданий использованы для установки в указанных местах ветровых турбин в проекте COR building.
Возрастание скорости ветра между двумя высотными зданиями использовано в проекте Bahrain World Trade Center Tower .
Между соседними зданиями скорости воздушных потоков возрастают, так, если средняя скорость господствующего ветра составляла 3,3 м/с, скорость воздушного потока между зданиями возрастала примерно до 4,0-4,6 м/с.
Примеры наиболее распространенных форм высотных зданий, имеющих ветроэнергоустановки, которые используются только при одном преобладающем направлении и ветра, приведены ниже. 1. Здание, имеющее сквозные проёмы и форму технических этажей, обеспечивающую улавливание ветра и интенсификацию поступления воздушных потоков к элементам ветроколеса или системы ветроколес внутри здания.
Так, проектом здания "Башни жемчужной реки" (Pearl River Tower) в городе Гуаньджоу, Китай, на фасаде 69-этажного здания в технических этажах предусмотрены горизонтальные щели обтекаемой формы для доступа к установленным внутри в сквозных проемах 4 пятиметровым ветровым турбинам, а фасад ориентирован в сторону преобладающего ветра. При этом используются обтекаемые формы фасада здания, четко направляющие воздух в сквозь проемы на 2 технических этажах расположенных 1/3 и 2/3 по высоте здания .
2.Здание, в котором часть наружных стен используется в качестве опоры для крепления на крыше ветроэнергоустановки.
Strata SE1 (Castle House) является первым небоскребом в Лондоне на крыше которого установлены ветровые турбины. Турбины с горизонтальной осью вращения имеют 5 лопастей вместо обычных 3 для снижения уровня шума и вибрации. Турбины закреплены на металлических конструкциях, установлены тонное основание и имеют 4 антивибрационных демпферных устройства. В качестве преимущества установки ветровых турбин на крыше на высоте 148м (43 этаж) является то, что скорость ветра на такой высоте почти постоянно достигает значительных значений.
3. Комплекс зданий в виде двух башен эллипсовидной или круглой в плане формы с размещением между ветроэнергоустановки.
Две башни Bahrain World Trade Center Towers соединены между собой тремя металлическими связями (мостами ) на которых смонтированы ветровые турбины мощностью по 225 кВт. Закругленные, вытянутые эллипсовидные в плане формы зданий, парусообразные очертания их фасадов по обе стороны от ветровых предназначены для образования аэродинамической поверхности и создания между ними воронки для «захвата» прибрежного бриза, а увеличивающееся отрицательное давление с обратной стороны башен, повышает скорость ветра проходящего через турбины .
Испытания в аэродинамической трубе подтвердили, что формы и пространственное расположение башен создают S-образный воздушный поток, в силу чего центр потока ветра остается почти перпендикулярным по отношению к турбине в пределах 45° азимута ветра на любой из сторон центральной оси. Это значительно увеличивает их потенциал для выработки электроэнергии [7].
4. Здание, имеющее ветроэнергоустановки, установленные в отверстиях наружной железобетонной стены на участках, расположенных выше крыши внутреннего остекленного металлического каркаса.
Сама форма здания офисного центра COR building. Майами, США довольно интересна и необычна, внутренний остекленный металлический каркас закрыт от солнечного воздействия наружной железобетонной стеной с достаточно крупными круглыми отверстиями.
Перспектива 1 высотного многофункционального центра
Перспектива 2 высотного многофункционального центра
Последние 12 метров наружной железобетонной стены здания возведены выше крыши здания. При этом отверстия полностью продуваемы насквозь сильными потоками ветра, поэтому, расположенные в отверстиях ветряные турбины с горизонтальной осью вращения, работают достаточно эффективно . Кроме того, нахождение ветровых турбин выше уровня крыши, уменьшает звуковое воздействие на внутренние остекленные помещения. Передача вибрационных нагрузок от ветровых турбин непосредственно на наружную самонесущую железобетонную стену также значительно уменьшает вибрационное воздействие от ветровых турбин на внутренний остекленный металлический каркас.
В качестве высотных зданий, использующих солнечную энергию, наибольший интерес представляют:
1. Здания с закрепленными за непрозрачные ограждения фотогальваническими панелями.
2. Здания с использованием фотоэлектрических стеклянных блоков в виде светопрозрачных ограждений.
3. Здания с фотогальваническими панелями, закрепленными на крыше.
4. Здания, имеющие поворачивающиеся солнечные коллекторы, закрепленные на металлическом каркасе, расположенном с наружной стороны по периметру здания.
При проектировании высотных зданий с фотогальваническими панелями и солнечными коллекторами фотогальванические панели устанавливают: путем закрепления с наружной стороны за непрозрачные ограждения фасадов зданий, путем использования в светопрозрачных ограждениях стеклянных блоков с горизонтально расположенными внутри фотогальваническими элементами, на крышах зданий, на металлических фермах выше уровня крыш. Получили также распространение поворачивающиеся солнечные коллекторы, закрепленные на металлическом каркасе, расположенном по периметру здания с наружной стороны.
Примеры способов применения фотогальванических элементов в высотных зданиях приведены ниже.
1. Здания с закрепленными фотогальваническими панелями за непрозрачные ограждения.
На главном и боковых фасадах здания "Башни жемчужной реки" (Pearl River Tower) в городе Гуаньджоу, Китай, размещены солнечные панели двух видов. Размещение панелей со стороны главного фасада - в нижней части приемных отверстий ветрогенераторных установок и на крыше здания, а также на боковом фасаде здания с южной стороны .
2. Здания с использованием фотоэлектрических стеклянных блоков в виде светопрозрачных ограждений.
Особенность конструкции фотоэлектрических стеклянных блоков (Photovoltaic Glass Unit - PVGU) - совмещение выработки энергии с практически беспрепятственным обзором изнутри здания. Внутри стеклянных блоков имеются светопрозрачные призмы, которые направляют часть прямых солнечных лучей на тонкие полоски фотогальванических элементов, расположенные горизонтально.
3. Здания с фотогальваническими панелями, закрепленными на крыше.
Китайский экопроект Wuhan Energy Flower архитектора Jos van Eldonk - (архитектурное бюро Soeters Van Eldonk architects), представляет собой гигантскую башню в виде лилии высотой около 140 метров, где разместится научно-исследовательский центр, а листочки у подножия башни – помещения лабораторий. Проектом предусмотрено размещение фотогальванических панелей на крыше и использование ветряных турбин в центральной части. Необходимо отметить, что с целью уменьшения ветровой нагрузки крыша имеет округлую форму, небольшую ширину и небольшой наклон. Наклон также важен для получения большего количества солнечной энергии.
4. Здания, имеющие поворачивающиеся солнечные коллекторы, закрепленные на металлическом каркасе расположенном с наружной стороны по периметру здания.
Проект Solar Tower for Chicago, США, выполненный Zoka Zola Architects, предусматривает установку солнечных коллекторов на металлическом цилиндрическом каркасе расположенном с наружной стороны по периметру здания. Специальная система позволяет солнечным коллекторам в течении дня поворачиваться, чтобы быть под прямым углом по направлению к солнцу, что повышает их эффективность.
При разработке архитектурного проекта многофункционального высотного центра в г. Киеве ставилась задача использования ветроэнергоустановок для нескольких разных расчетных направлений ветра при совместном использован фотогальванических элементов.
Проектное решение заключалось в использовании ветроэнергоустановок, расположенных в сферических капсулах (по 3 на этаж) и одной мощной поворачивающейся ветроэнергоустановки на крыше, а также совместном использовании светопрозрачных фотоэлектрических стеклянных блоков на южной, юго-западной и юго-восточной поверхностях фасада.
Участок для проектирования выбран для максимального использования энергии солнца, потому что рядом отсутствуют другие высотные сооружения, способные создавать тень, а существующие пятиэтажные здания расположены на значительном расстоянии.
Форма капсул с ветроэнергоустановками и места их установки обеспечивают комфортность прилегающих пешеходных зон, чтобы скорость ветра в порыве на уровне 1,5м и продолжительность появления скоростей ветра не превышали предельно допустимых значений согласно требований МДС 20-1.2006 (табл.1) .
План 1 -го этажа высотного многофункционального центра
Здание предусматривает офисные помещения, которые находятся на 5-33 этаже, торговые помещения, которые занимают 1-4 этаж, и подземный паркинг на 4-х подземных этажах.
Выбор оптимальной формы проектируемого здания с использованием ветроэнергоустановок осуществлен с учетом исследовательских работ выполненных ранее в области аэродинамики зданий и использования ветроэнергоустановок в зонах пересечения наветренной поверхности и боковых стен высотных зданий .
Анализ результатов обтекания потоком ветра в аэродинамической трубе ламинарным потоком некоторых форм зданий: цилиндра, квадратной призмы, квадратной призмы с закругленными углами и восьмиугольной призмы показал, что максимальные ветровые потоки зафиксированы по углам зданий в местах пересечения наветренной поверхности и боковых стен сооружений, причем, наиболее длинные участки с максимальным ветровым потоком зафиксированы в зданиях цилиндрической формы. Итак, на зданиях цилиндрической формы в местах пересечения наветренной поверхности и боковых стен можно разместить наибольшее количество ветровых турбин работающих в максимальном режиме. При этом, сами ветровые турбины в указанных местах помещаются так, чтобы максимально эффективно использовать силу ветра для вращения ветровой турбины.
Согласно патента США 2012/0080884А1 максимальные ветровые потоки также зафиксированы по углам зданий в местах пересечения наветренной поверхности и боковых стен сооружений.
В разработанном архитектурном проекте многофункционального высотного центра в г. Киеве для большей архитектурной выразительности, размещение ветроэнергоустановок предусмотрено в застекленных сферических капсулах, имеющих входное и выходное отверстия, внутри которых находится ветровая турбина. По сравнению с патентом США 2012/0080884А1, преимущество предлагаемого решения заключается в лучшей архитектурной выразительности, меньшем уровне шума и меньшей передачи вибрации на здание, возможности использования значительно большего диаметра колеса ветровой турбины, наличии защитных элементов от попадания птиц .
Закрепление указанных ветроэнергоустановок предусмотрено в местах пересечения наветренной поверхности и боковых стен здания для нескольких расчетных направлений ветра. Нахождение ветрового колеса внутри застекленной капсулы упрощает крепление ее к месту установки, что позволяет использовать капсулы, как для строящихся высотных зданий, так и для реконструируемых. Вращением ветрогенераторных установки, расположенной на крыше здания, и застеклённых капсул вокруг вертикальной оси, возможно обеспечить работу ветрогенераторных установок в максимальном режиме при изменении направления ветра.
Разрез А- А высотного многофункционального центра
Главная перспектива, перспектива 1 и 2, план 1-го этажа, фасады, разрез А-А многофункционального высотного центра с использованием альтернативных источников энергии показаны на рисунках.
Для использования солнечной энергии, в качестве светопрозрачных ограждений с южной, юго-западной и юго-восточной сторон здания, предусмотрено применение фотоэлектрических стеклянных блоков Photovoltanic Glass Unit, внутри которых имеются прозрачные призмы и горизонтально размещенные фотогальванические элементы.
Фасады высотного многофункционального центра
Указанное проектное решение было разработано в дипломном проекте магистра Киевского Национального Университета Строительства и Архитектуры «Влияние альтернативных энерготехнологий на архитектуру высотных зданий» который был удостоен диплома 1 степени и специального диплома за творческое решение экологической тематики и современных технологий на ХXI смотре-конкурсе дипломных проектов архитектурных и художественных специальностей высших учебных заведений Украины проходившем в октябре 2012 в г. Харькове.
Выводы.
1. Размещение застекленных капсул с ветроэнергоустановками в местах пересечения наветренной
поверхности и боковых стен здания, а также на крыше здания, позволяет эффективно использовать их для нескольких расчетных направлений ветра, как для строящихся высотных зданий, так и для реконструируемых.
2. Использование ветрогенераторных установок в специальных застеклённых капсулах уменьшает вибрацию и шум, а также обеспечивает уровень комфортности прилегающих пешеходных зон согласно требовани-МДС20-1.2006.
3. Использование фотоэлектрических стеклянных блоков внутри которых имеются прозрачные призмы и горизонтально размещенные фотогальванические элементы, позволит увеличить общую выработку альтернативных видов энергии.
