«ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ АРХИТЕКТУРЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ ...»

Открытое акционерное общество

«Центральный научно-исследовательский и проектный институт

жилых и общественных зданий (ЦНИИЭП жилища)»

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 Диссертация на соискание ученой степени кандидата архитектуры

Научный руководитель:

кандидат архитектуры, профессор А.А. Магай Москва

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНОГО И ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОПЫТА

ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ

ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

ЭНЕРГИИ………………………………………………………………………... 1.1. Предпосылки появления и особенности развития архитектуры высотных зданий в России и за рубежом………………………..…………. 1.2. Анализ существующего состояния проектирования и строительства высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии………..…... 1.3. Основные тенденции и актуальные проблемы в проектировании и строительстве высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии………………………………………………………………………... Выводы по главе 1……………………………………...…………………….

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ……………………... 2.1. Факторы формирования и критерии оценки высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии…………………………..……… 2.2. Определение влияния на архитектуру высотных зданий применения возобновляемых источников энергии………………………………………. 2.3. Классификация и предложения по размещению типов высотных зданий с ВИЭ на территории Российской федерации……………..……… Выводы по главе 2………………………………..………………………….

ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ……………………... 3.1. Принципы формирования архитектуры высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии…………………………..……… 3.2. Методика проектирования высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии………………………………………………………... 3.3. Предложения по размещению энергоустановок в архитектурных решениях высотных зданий и перспективы развития данного типа объектов………………………………………………………………………. Выводы по главе 3……………………………………………...……………. ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………….

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования связана с потребностью в создании научнообоснованных принципов по проектированию высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ). По данным федеральной службы государственной статистики «на территории России происходит постоянное увеличение численности городского населения, что свидетельствует о продолжающемся укрупнении городов» [51]. В связи с расширением территории и уплотнением застройки продолжается активное внедрение в «ткань» города высотных зданий. В нашем исследовании «высотными» приняты здания высотой более 75 метров (Стандарт организации ОАО «ЦНИИЭП жилища» 01422789-001В Москве насчитывается порядка 100 подобных объектов, общее количество по 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 объектов» [100]. 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 сооружениями.

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 (единица измерения топлива или энергии, равная по своей энергетической ценности тонне угля, сокращенно обозначается - т.у.т.), а потребление всего города Ярцево (46 тыс.

чел.), находящего в Смоленской области, составляет 108 877 т.у.т. Большая часть энергии для высотных зданий поставляется из городских сетей, основой которой 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 оказывает негативное воздействие на окружающую среду:

увеличенное потребление древесины, разрастание пустынь, газообразные загрязнения среды при сжигании органических отходов.

«По расчетам Международного энергетического агентства (IEA), добыча нефти и газа из разведанных месторождений к 2030 г. упадет на 40-60 %» [103]. 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, 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» [3]. При прогнозируемом росте населения планеты до 9 млрд. человек в течение ближайших 40 лет у человечества нет иного выбора, кроме как перейти на другие источники энергии.

Одним из решений данной проблемы является развивающееся сегодня направление проектирования и строительства высотных зданий с применением ВИЭ. 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 пополняемые естественным путем, таких как солнечный свет, ветер, дождь, приливы и геотермальная теплота» [87].

«Возобновляемый (альтернативный ископаемому топливу) источник энергии – устройство или сооружение, позволяющее получать требуемый вид энергии» [20].

В США, Китае, странах Европы возведено уже несколько десятков высотных зданий с ВИЭ. 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 нет построенных высотных зданий с использованием 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:

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

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

выполнение 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, Н.Н. Кружкова, А.А. Магая, Л.В. Петровой) и зарубежных (Д. Биндера, П. Мосс, Р. Саксона, A. O’Янг) авторов.

Типологические аспекты зданий, в том числе высотных, исследуют: В.П.

Бандаков, И.В. Григорьева, В.Ю. Дурманов, К.К. Карташова, А.А. 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 В.С. 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, О.К. Афанасьевой. Особенности формирования архитектурно-планировочной структуры биоклиматических городских зданий исследованы в диссертации А.С. Усова. В диссертации С.А. Молодкина сформулированы принципы формирования 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. Х. 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 высотных зданий 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, объемнопространственные 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 возобновляемыми источниками энергии 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 из литературных источников, проектных материалов, интернет-ресурсов для выявления функциональнопланировочных 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 объемнопространственных решений высотных зданий с ВИЭ представлен в табличной форме.

4. Классификация высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии по типам применяемых ВИЭ и их сочетаниям.

Теоретическая значимость исследования включает:

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

принципы формирования архитектуры высотных зданий с использованием ВИЭ;

результаты исследования и предложения автора направлены 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 научнометодическую 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 ВИЭ.

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 47 страниц (всего 2,9 п.л., в том числе лично автором – 2,5 п.л.). Из них пять статей - в изданиях, которые входят в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК. 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, САО, район «Левобережный», микрорайон 2, участок 2б, 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 ( наименования), и графическую часть (41 страница), содержащую иллюстрации к текстовой части, графоаналитические таблицы, схемы, эскизный проект высотного здания с ВИЭ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНОГО И ОТЕЧЕСТВЕННОГО ОПЫТА

ПРОЕКТИРОВАНИЯ, СТРОИТЕЛЬСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ

ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

ЭНЕРГИИ

По данным многих ученых и исследователей (А.Н. Тетиора, Б.С. Истомина, Н.А. Гаряева) «в конце XX века стали заметны признаки глобального экологического кризиса и техногенной эволюции городов. …предлагается только один способ: сократить площадь антропогенно измененных и застроенных земель, возвратить значительную часть (около трети) «освоенных» и загрязненных территорий в естественное состояние. Такой «возврат» невозможен при наблюдающемся росте урбанизированных территорий и возрастании численности человечества» [74].

К качестве альтернативы предлагается «создание принципиально новых объектов (зданий, сооружений, поселений), родственных природе, не отторгаемых ею и включаемых в естественные экосистемы. Это положение делает исключительно актуальной задачу практического применения технологий, использующих возобновляемые источники энергии и использование в проектах архитектурно-строительной экологии» [30].

По данным федеральной службы государственной статистики, на территории России начиная с 1917 г. происходит постоянное увеличение численности городского населения. К 2013 году процентное соотношение городского и сельского населения составило 74 и 26 процентов соответственно [51].

Осваиваются новые территории, развивается инфраструктура, уплотняется застройка, увеличивается этажность объектов. Эти процессы особенно заметны в городах-миллиониках, в центрах которых проектируются и возводятся новые объекты. В связи с высокой концентрацией функций и социальных сценариев жизнедеятельности человека, обоснованным решением становится внедрение в городскую застройку высотных зданий. Возведение высотных зданий в структуре городской среды имеет ряд положительных качеств - повышается плотность функций при минимизации площади, занимаемой зданием; уровень комфорта проживания за счет увеличенной площади квартир и наличия учреждений сферы обслуживания в здании; в районе застройки появляется «знаковое» здание, имеющее большое градостроительное значение [64]. Одним из основных неблагоприятных аспектов эксплуатации подобных зданий является высокое энергопотребление, что приводит к крупным финансовым издержкам при содержании этих сооружений.

1.1.Предпосылки появления и особенности развития архитектуры В каждом из 11 российских мегаполисов с населением более 1 млн. человек на сегодняшний день построены объекты высотой более 75 метров. Строительство высотных зданий в городах России началось в 1990-х годах, в Москве и СанктПетербурге эта тенденция зародилась раньше. Вначале это были бизнес-центры (бизнес-центры «Кобра» и «Сарэт», г. Новосибирск), в дальнейшем появились жилые комплексы (жилой дом «Эдельвейс», жилой комплекс «Континенталь», г.

Москва) и многофункциональные объекты («Челябинск-Сити», г. Челябинск). Для проектирования высотных зданий привлекались зарубежные фирмы. С течением времени отечественные архитекторы перенимали опыт, и строительство объектов велось уже российским специалистами (бизнес-центр «Высоцкий», г.

Екатеринбург) [25]. Пока данный процесс продолжался (освоение практики проектирования высотных зданий в России) в мире появилась новая тенденция – внедрение в объекты ВИЭ. Эта идея в настоящее время доказывает свою эффективность в реальных условиях. Существуют здания, которые на 10-20% обеспечивают себя энергией, в КНР удалось увеличить эту цифру до 60%.

Процесс развития архитектуры высотных зданий и возобновляемой энергетики шел параллельно на протяжении последних 130 лет. Вначале это были независимые явления, однако, под воздействием некоторых факторов эти два направления стали скоординированы. Чтобы обеспечить наглядность установления корреляции между ними, история развития сведена в таблицу. Для большей информативности, добавлена графа, в которой описываются актуальные для каждого временного промежутка энергетические парадигмы (таблица 1).

Периодизация истории развития архитектуры высотных зданий и ВИЭ Врем. Развитие ВИЭ Энергетические Развитие архитектуры (годы) 1880Всемирной появляются первые высотных зданий «Американский потребности стран. Гюстав Эйфель, Париж, солнечной энергии, энергопотребления покрыл кремниевый начался в 1880-х слоем золота, КПД десятилетней такой батареи тогда стабилизацией 1904годы из-за великой возведение высотных перегородили часть конце 1940-х гг., дал высоким в мире в то восточном энергопотребления более 40 лет. «Стилем побережье, но и завершился в высотных объектов работы пришлось конце 1980-х – становится модернизм.

прекратить из-за начале 1990-х Основные представители:

слишком глубокого выделяют устанавливается 1950годов прототипом современного 1960 1940-х проектирование В 1950-х годах началось бурное развитие экономик Японии, Гонконга и Сингапура. В 1960-х годах к ним присоединились Южная Корея и Тайвань.

электростанция в источник энергии. Высотки служили для СССР. Изначально Как следствие того, чтобы выделить она имела мощность значительная часть центр города или для 5 МВт, со временем стран сократила того, чтобы стать ее переоборудовали собственные межевыми знаками на Знаковые постройки того времени:

- «Пензойл Плаза Билдинг», Хьюстон/Техас, Филип Джонсон и Джон Буржи, 1976 г.;

- «AT&T Билдинг», Нью-Йорк, Джонсон / Буржи Аршитектс, 1984 г.;

- «Хумана Билдинг», Луисвилль, Майкл Грэйвс, 1986 г.

«В 1970-х годах в Европе энтузиазм уступил место критике. Офисные высотные блоки стали рассматриваться как негативные символы власти капитала. Районы, состоящие из многофункциональных высотных зданий оставались пустыми значительную часть суток, становясь опасными пороховыми бочками» [62].

- «Гропиусштадт», Берлин, различные архитекторы, 1962-1972 гг.

В течение 1970-1980-х годов в СССР была построена серия высотных зданий 100-метровой высоты.

- «Здание Совета экономической взаимопомощи», Москва, Посохин М.В., 1970 г.

осуществляться в 1972 году в Манчестере, штат Нью-Хемпшир, США архитекторами Николасом Исааком и Эндрю Исааком» [72].

Знаковые постройки того времени:

- «Тур Мэйн Монпарнас», Париж, Е. Бодуэн, 1973 г.

1975вблизи Гавайских содержание понятия стало формироваться островов начала «энергоэффективно положительное работать первая сть». Под ним стали отношение к высотным теплоэнергетическа понимать экономию зданиям. Логичным установки в течение оказываемой с ее постмодернизму Знаковые постройки того времени:

- «Уан Кэнада Сквер», Канару Уарф, Лондон, Цезарь Пелли и партнеры, 1984-1991 гг.;

- «Дойче Банк», Франкфурт-на-Майне, АВВ Ханиг, Шейд, Шмидт, Бекерт, 1984 г.;

- «Мессертум» («Эксибишн-Тауэр»), Франкфурт-на-Майне, Гельмут Ян, Мерфи/Ян, 1984 г.;

- «Белый дом», Москва, Чечулин Д.И., 1981 г.

Происходило продолжение экономического роста стран азиатского региона:

Бангкок, Малайзия, Индонезия и Филиппины. Стремительно сокращалось количество деревень и поселений, росли и укрупнялись города.

«С осуществлением экономических реформ 80-х годов города Китая начали «вырастать». Все самые высокие азиатские здания, построенные в 80-х годах не превышали 300-метровой отметки» [62, 90].

1986развитию изучается проблема России была выдвинута геотермальной эффективности идея создания бизнесэнергетике на использования центра Москва-Сити, придан в 90-е годы с одновременным американской модели»

схемы, технологии Франкфурт-на-Майне, «Геотермальное телохладоснабжение жилых и постановление № проектирования - «Бурж Халифа», Дубай.

прописывающее энергоэффективных - «Штаб-квартира стимулирования того, что качество в Абу-Даби. ОАЭ. 2012 г.;

возобновляемых среды оказывает «Лезвие»), Лондон.

источников энергии непосредственное Великобритания, 2010 г.;

на оптовом рынке, влияние на качество - «Башня Жемчужной явно оживившее нашей жизни как Реки», Гуанчжоу, Китай.

инвестиций в рабочем месте или в - «Бухта Ириса», Дубай, эксплуатацию КошАгачской солнечной электростанции (Республика Алтай).

Мощность КошАгачской СЭС бесперебойного электроэнергией муниципалитетов.

времени, мощность 2015правительства, к будущего высотных эксплуатацию которых (10) оз) мощность текущих тенденций - «Башня-игла», Тайвань.

электростанций прогнозировать - «Башня Золотого доведена до 1,5 ГВт. технологий в Австралия. 2016 г.;

Это отвечает сторону увеличения - «Танцующие драконы», тенденциям. В энергоустановок. - «Лови момент», Париж, году в мире было гибридных систем, - «Бандра Ом», Мумбаи, эксплуатацию взаимодополняющи - «Чистящий небоскреб», электростанции проектируются в Оренбургской, Саратовской, Ростовской, Омской История развития высотных зданий и возобновляемых источников энергии сопоставима по своим хронологическим рамкам. Отправной точкой развития можно считать конец XIX века (1880-е гг.), в это время были созданы первые опытные образцы энергогенераторов и новый тип зданий, который впоследствии получил название «небоскребы». До 1970-х гг. эти два направления не пересекались. Запроектированные и построенные энергоустановки являлись техническими приспособлениями, а не полноценными 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, включая это аспект в проектировании зданий. «Специалисты Международной энергетической конференции ООН (МИРЭК) заявили о том, что современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но исследователи недостаточно изучили особенности формирования их теплового режима, а проектировщики не умеют оптимизировать потоки тепла в зданиях» [73].

Направление развития энергосберегающих зданий появилось как следствие кризиса, оно продолжило свое существование и после преодоления негативной фазы в развитии энергетики. «С течением времени изменялся и расширялся объект изучения — эффективность использования энергии в здании» [73].

Условно можно разделить изменение объекта изучения на следующие этапы:

конец 1980-х годов – принципы и технологии, позволяющие экономить энергию;

середина 1990-х годов – возможности эффективного использования энергии;

конец 1990-х – начало 2000-х годов – качество микроклимата помещений доминирует над идеей энергосбережения.

«В основе концепции проектирования современных зданий лежит идея того, что качество окружающей нас среды оказывает непосредственное влияние на качество нашей жизни как дома, так и на рабочем месте или в общественных пространствах, составляющих основу наших городов» [73].

Таким образом, предпосылка более экономно и совершенно использовать энергоресурсы за сорок лет (с 1974 по 2014 гг.) превратилась в исходный пункт рассуждения о необходимости создания связи объектов человеческой жизнедеятельности (в т.ч. зданий и сооружений) с природной средой. Это положение, в дальнейшем, легло в основу таких направлений в архитектуре как бионика, биоклиматическая архитектура, аркология и т.д. Помимо перечисленных предпосылок (энергетической и экологической) важнейшую роль в появлении высотных зданий сыграли экономика и техника.

Экономическая предпосылка, желание получить при минимальной площади застройки максимальную общую площадь здания, является одной из основ появления высотного строительства. Высотное здание представляет собой консолидированную, единую систему, которая включает в себя одну или несколько «якорных» функций, второстепенные функции и сопутствующие элементы обслуживания. Уменьшается необходимость строительства дополнительных сооружений, для размещения мелких арендаторов; экономится время человека, если место проживания и приложения труда находятся в одном объекте.

Высотное здание – экономически целесообразный объект, главным его минусом всегда были высокие затраты за потребление энергоресурсов. С началом внедрения ВИЭ и энергоэффективных систем, данный недостаток стал постепенно уменьшаться. Целесообразность возведения объекта диктовалась не только размером участка и набором функций, но также технологиями и материалами, которые использовались при строительстве. Здесь возникает четвертая предпосылка появления высотных зданий – техническая.

Первое высотное здание «Хоум Иншуранс Билдинг» (10 этажей, высота метров) было построено в Чикаго в 1885 году (рисунок 1). Город стал застраиваться подобными объектами после пожара 1871 г., который уничтожил значительную его часть. Единственными вертикальными коммуникациями в высотных зданиях были лестницы, электрическое освещение отсутствовало. В городской застройке их отличали значительные размеры, не только высота, но также и глубина корпуса. В середине ХIХ века были освоены новые технологии в строительстве: системы вентиляции и электрического освещения, Э. Отисом был изобретен лифт. «Завершение строительства зданий из кирпича связано со строительством 16-этажного кирпичного здания «Монаднок Билдинг» в 1891 году в Чикаго (см. рисунок 1). Попытка авторов превысить этажность здания, используя традиционную перекрестно-стеновую конструктивную систему, привела к тому, что толщина стен первого этажа по разным литературным источникам достигала от двух до четырех метров» [10]. В конце XIX века началось активное освоение производства конструкций из стали, произошло внедрение каркасной системы. Это позволило уменьшить толщину стен, увеличить этажность зданий, сделать большую часть внутреннего объема полезной. Все эти технологии позволили удешевить возведение зданий и увеличить их высоту.

История строительства показывает значимость технической составляющей при проектировании, возведении и эксплуатации высотных зданий. Без развития строительных материалов невозможен был бы сам факт существования подобных построек. Высотное здание – более сложный объект, чем многоэтажное, что обусловлено комплексом применяемых в нем технологий. Это доказывает важную роль технической предпосылки в появлении данного типа объектов.

Проведенный анализ показал, что высотные здания появились в результате синтеза нескольких факторов. Каждый из них по-своему отразился на развитии данного типа зданий, делая его все более многокомпонетным. В процессе формирования высотных зданий значимость каждой из вышеперечисленных предпосылок выходила на первый план в разное время. В начале развития это были экономическая и техническая предпосылки, в дальнейшем к ним добавились энергетическая и экологическая.

Рис. 1. Общий вид зданий «Хоум Иншуранс Билдинг» и «Монаднок Билдинг»

Источник:

http://classconnection.s3.amazonaws.com/741/flashcards/486741/jpg/lecture_06_img_ 0.jpg, http://im.kommersant.ru/Issues.photo/CORP/2013/08/09/KMO_111307_02387_1_t210.

jpg В настоящее время, идет процесс внедрения технологий, основанных на возобновляемых источниках энергии. Он обусловлен истощением традиционных источников энергии и сочетает в себе все предпосылки, объединяя их и наполняя новым значением, актуальным для решения задач современности.

1.2.Анализ существующего состояния проектирования и строительства высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии Существуют понятия альтернативная и возобновляемая энергетика. Первая объединяет источники энергии, которые составляют альтернативу традиционным (газ, уголь, нефть). Их спектр весьма широк, от «классических» солнца и ветра, до «необычных»: энергии молнии, торнадо и гигантских воздушных змеев [45].

Вторая имеет более четкие рамки и состав. Под возобновляемыми источниками понимают: энергию солнца, ветра, биомассы, приливную и гео-, гидротермальную (рисунок 2). В данной работе мы будем рассматривать именно эти 5 источников, которые официально определены в Федеральном законе от 26.03.2003 N 35-ФЗ (с изменениями на 21 июля 2014 года) «Об электроэнергетике» [75].

Рис. 2. Доля ВИЭ в энергогенерации в мире за 2013 год «Использование ВИЭ в России имеет длительную историю. Так, в начале XX века их доля в общем топливно-энергетическом балансе страны достигала 90%, причем около 40% приходилось на дрова, около 20% — на ветер и столько же — на торф» [12]. В последующие периоды жизни страны происходило массовое строительство заводов и предприятий, рост городов, энергопотребления в целом, что обусловило необходимость разработки и газовых, нефтяных и угольных месторождений. В настоящее время количество энергии, вырабатываемой установками, работающими на ВИЭ, составляет менее 1 % в общем энергобалансе России.

«Согласно классическим представлениям о возобновляемой энергетике первичных (исходных) ВИЭ всего три: энергия Солнца, Энергия земли и энергия орбитального движения нашей планеты в солнечной системе» [52]. Далее происходит естественное преобразование энергии посредством таких процессов как приливы и отливы, таяние льдов, испарения, осадки, нагрев земли и атмосферы и ряд других. С помощью технических средств, например, гидроэлектростанции, тепловые насосы, солнечные коллекторы, энергия трансформируется в один из трех итоговых видов. Самый распространенный – электроэнергия, на втором – тепловая, и третий вариант – топливо, что характерно для преобразования биомассы (рисунок 3).

Тем не менее, далее будет рассматривать 5 источников: солнце, ветер, земля, вода, биомасса. Остановимся на каждом более подробно.

1. Солнечная энергия. Один из наиболее доступных и экономически рациональных ВИЭ. Современные энергоустановки способны преобразовывать солнечную энергию в электрическую или тепловую как в ясную, так и в пасмурную погоду (но с меньшим КПД). Использование энергии солнца целесообразно не только в районах с большим количеством солнечных, но и со средней величиной последних. В этом случае большей отдачи можно добиться используя инженерное оборудование для теплоснабжения.

2. «Ветер, или перемещение масс относительно поверхности Земли, возникает вследствие неравномерного распределения атмосферного давления и обусловлен особенностями формирования температурного режима различных регионов.

Ветер как энергетический фактор представляет собой производную от солнечной энергии, является носителем механической (кинетической) и тепловой энергии»

[84].

Рис. 3. Виды возобновляемых источников энергии 3. Энергия воды. «По оценкам [82] энергетический потенциал гидросферы (совокупность водных масс океанов, морей, рек и озер) почти в 2 раза превышает уровень современного потребления энергии в мире. В настоящее время используются лишь доли этой энергии, в связи с тем, что такая энергетика до сих пор считалась малоперспективной» [67].

4. Энергия земли. «Ресурсы геотермальной энергии разделяются на гидротермальные (подземные воды, пар и пароводяные смеси) и петротермальные (энергия раскаленных горных пород). Потенциал первых может быть реализован в районах вулканизма и разломов земной коры, энергия второй группы, заключенная в твердых "сухих" горячих породах, составляет около 99% от общих ресурсов подземной тепловой энергии» [56] 5. «Энергия биомассы включает в себя природные и специально выращенные растения и леса (дрова), отходы животноводства, птицеводства, растениеводства, отходы перерабатывающей пищевой промышленности. Особым видом биомассы являются твердые бытовые отходы, сточные воды городов и населенных пунктов, специально выращиваемые водоросли» [52].

«До недавнего времени из-за огромных запасов традиционного энергетического сырья, вопросам развития использования ВИЭ в энергетической политике России уделялось сравнительно мало внимания. В последние годы ситуация стала заметно меняться, в связи с ограниченностью топливных ресурсов на Земле, а также с нарастанием изменений в атмосфере и биосфере планеты появилась необходимость постепенного перехода на ВИЭ» [18].

Проектирование высотных зданий с ВИЭ началось с середины 1970-х годов.

Для выявления основных тенденций необходимо рассмотреть знаковые проекты и здания, которые были новаторскими для своего времени.

Проект первого энергоэффективного здания начал осуществляться в 1972 году в Манчестере, штат Нью-Хемшир, США. Авторы – архитекторы Николас Исаак (Nicholas Isaak) и Эндрю Исаак (Andrew Isaak). Это было федеральное 6-этажное здание общей площадью 16350 м2, с подземной двухъярусной автостоянкой.

В этом здании было применено большое количество энергоэффективных технологий, таких как рекуперация тепла, интеллектуальная система искусственного освещения и ряд других [68]. Объемно-пространственное решение здания представляло собой прямоугольный параллелепипед со скошенными углами (рисунок 4). Крыша здания была плоской, и выступала относительно основного объема сооружения. На ней были расположены солнечные коллекторы.

Рис. 4. Первое энергоэффективное здание в Манчестере, штат Нью-Хемшир, Источник: http://www.els35.ru/assets/images/b1.jpg Попытки использовать солнечную энергию применялись и намного раньше.

Первые проекты гелиоактивных зданий появились в 30-40-х гг. XX века. Среди удачных примеров можно отметить павильон «Дом завтрашнего дня» на выставке в Чикаго. Автором является Джордж Кек, который уже в 1933 году экспериментировал с идеей энергопассивных солнечных домов. В 1980-х годах проектировались здания с гелиоколлекторами: «Солнечный дом Михельсона»

(СССР), «Солнечный дом Селиванова» (СССР), «Масаносуке Янгимачи»

(Япония) и ряд других (рисунок 6). Эти здания были первыми попытками внедрить возобновляемые источники энергии в объемно-планировочное решение объекта. В 1981 году был зарегистрирован патент SU 1262016 А1 «Многоэтажное энергоактивное здание». В нем описано 11-этажное здание с плоским солнечным коллектором, совмещенным с наклонным наружным ограждением. Этот объект можно назвать прообразом будущих высотных зданий, активно использующих энергию солнца (рисунок 5).

Рис. 5. Иллюстрация к патенту SU 1262016 А «Многоэтажное энергоактивное здание»

Рис. 6. Первые проекты гелиоактивных зданий Источник: Энергоактивные здания / [Н. П. Селиванов, А. И. Мелуа, С. В. Зоколей и др.]; Под ред. Э. В. Сарнацкого, Н. П. Селиванова. - М.: Стройиздат, 1988. - До конца XX века энергия ветра, воды, биомассы и геотермальная энергия вырабатывалась в основном с помощью электростанций. Это такие объекты как «Балаклавская ветроэнергостанция», «Саяно-Шушенская гидроэлектростанция», «Паужетская геотермальная энергостанция» и другие. Данные сооружения имели большое значения для развития и совершенствования сферы возобновляемой энергетики, но они являются инженерными сооружениями, поэтому их подробное рассмотрение не входит в границы исследования.

В конце XX века начался бум строительства высотных зданий. Одним из знаковых объектов стало здание «Коммерцбанк» («Commerzbank») во Франкфурте-на-Майне (1997 г.). Его высота составляет 259 метров, высота с антенной - 300 метров (24-е место в мире по высоте в то время). Здание, разработанное студией «Фостер и партнеры» («Foster and Partners»), представляет собой радикальный пересмотр всей концепции строительства высотных зданий.

«Центральная часть здания, в которой обычно располагаются лифтовые шахты, занята огромным треугольным центральным атриумом, проходящим по всей высоте здания. Каждый этаж имеет три крыла, два из которых выделены под офисные помещения, а третье является частью одного из четырехэтажных зимних садов» [71].

В этом здании уже была достигнута значительная экономия средств при эксплуатации, тем не менее, возобновляемые источники энергии еще не были внедрены.

Успешное возведение и эксплуатация «Коммерцбанка» послужили фактическим доказательством реальности постройки высотного здания более низкими издержками, чем это было ранее. Среди множества высотных зданий, запроектированных и построенных в период с 2000 по 2014 годы, можно выделить несколько самых интересных и новаторских для своего времени объектов.

В 2002 году был возведен жилой дом «Здание двадцати террас» («Twenty River Terrace»), расположенный в Нью-Йорке на берегу реки Гудзон. Общая высота здания – 76 метров, оно включает в себя 27 этажей (рисунок 7). В доме более квартир, рассчитанных на проживание 774 человек.

Рис. 7. Общий вид «Здания двадцати террас» и применяемых в нем технологий Источник: http://www.abok.ru/for_spec/articles/10/2061/1.htm В объекте применены фотоэлектрические панели, способные покрыть 5 % от общего расхода электрической энергии. Несмотря на скромный показатель по замещению потребляемой энергии с помощью возобновляемой энергетики, Рис. 8. Фотоэлектр.

панели, интегрированные в западный фасад «Здания стандартную функцию (рисунок 8). Фотоэлектрические двадцати террас»

Источник:

http://www.abok.ru/for_sp цветом воды залива Гудзон.

ec/articles.php?nid= в Бахрейне («Bahrain World Trade Center») автор проекта – архитектурное бюро «Эткинс» («Atkins»). Каждая из двух 50-этажных башен имеет высоту 240 м. «Оба здания соединены по высоте тремя мостами длиной 31,7 м, на каждом из них закреплены ветряные генераторы электроэнергии с диаметром лопастей 29 м.

Мосты имеют специальные конструкции, которые позволяют зданиям двигаться на 0,5 м по отношению друг к другу» [29]. Архитектурная форма обеих башен позволяет усилить скорость ветра, проходящего через турбины, до 30 %. Этот комплекс был первым крупным объектом, использующим масштабные ветрогенераторы. Они вырабатывают 11-15 % от годового потребления энергии (рисунок 9).

Источник: http://skm.ae/img/content/projs/large/world_trade_centre_bhn.jpg В 2009 году построен многоэтажный жилом дом в Вэст-Энде. Это многофункциональный комплекс, состоящий из 22 надземных и 5 подземных этажей. В проекте применен солнечный коллектор площадью 126 м2 и четыре ветрогенератора с диаметром лопастей 3,65 метров расположенные на крыше Рис. 10. Общий вид многоэтажного здания в ВэстСтрата» («Strata Tower») в Лондоне (2010 г., Энде Источник:

http://solar.calfinder.com/assets/bl Лоуренс» («Flanagan Lawrence»). Башня имеет og/images/indigo-twelve-west.jpg высоту 147 метров, состоит из 42 этажей.

стали расположенные в верхней части три отверстия с энергогенераторами, каждый из которых имеет диаметр 2,8 м. В целом они производят 50 МВтч энергии, покрывая 8 % потребностей объекта. «Встроенные турбины здания имеют пять, а не три, как это бывает обычно, лопастей, что позволяет значительно снизить уровень шума и вибрации. Аэродинамика конструкции была спланирована таким образом, чтобы ветер вращал турбины с максимальной эффективностью в течение всего года» [35]. Здание по форме напоминает электробритву. Расположенные в верхней части высотного здания отверстия позволили создать запоминающийся и легко узнаваемый силуэт объекта.

Функционально объект представляет собой жилой комплекс с торговыми площадями, парковочными местами и спортивным клубом (рисунок 11).

Рис. 11. Общий вид высотного здания "Башня Страта". Отверстие с энергогенератором в верхней части объекта Источник: http://www.architectofdesign.com/ 4 января 2010 года в городе Дубае (Объединенные Арабские Эмираты, ОАЭ), было открыто самое высокое здание в мире «Бурдж-Халифа» («Burj Khalifa»), архитектурное бюро «Skidmore, Owings and Merrill» («SOM»). Высота объекта составляет 818 метров, количество этажей – 162. Башня частично покрывает собственную потребность в электроэнергии (точных данных нет, на стадии проекта планировалась полная энергонезависимость). Для этого используются:

ветротурбина диаметром 61 метр, расположенная в шпиле объекта, а также большое количество солнечных панелей (площадь составляет 15 000 м), которыми облицована часть фасадов высотного здания. Гелиопанели сплошным слоем покрывают часть фасада здания, использована технология, позволяющая совмещать в оконном стекле несколько свойств одновременно. Оно способно преобразовывать солнечный свет в электроэнергию, сохраняя прозрачность, и отражая излишки тепла для предотвращения перегрева помещений (рисунок 12).

Рис. 12. Общий вид здания «Бурж Халифа»

Источник: http://documental.su/uploads/posts/2012-03/1332749309_0.jpeg http://i.ytimg.com/vi/cn7AFhVEI5o/maxresdefault.jpg Другой пример – «Башня Жемчужной Реки» («Pearl River Tower»), Гуанчжоу, КНР, архитектурное бюро «SОМ», 2013 год. Она должна была стать первым энергетически автономным высотным зданием [50]. В здании используется большое количество различных энергогенерирующих и энергоэффективных технологий, вот некоторые из них:

— использование вентилируемого двойного фасада с механизированными жалюзи;

— широкомасштабная интеграция фотоэлектрической системы в южный фасад здания;

— ветротурбины, способные вырабатывать энергию от любых потоков воздуха, вращающиеся во всех направлениях;

— системы рециркуляции воздуха, воды;

— 50 мини-электростанций (в контуре здания), способных работать на керосине, биогазе, дизельном топливе, метане, пропане и природном газе.

В реальности объект обеспечивает себя 60 % необходимой энергии. В объемнопланировочном решении высотного здании предусмотрены отверстия, для усиления скорости движения ветровых потоков. Благодаря этому данный объект сегодня является эталоном в аспекте собственного энергообеспечения (рисунок 13).

Рис. 13. Общий вид высотного здания "Башня Жемчужной Реки" Источник: http://c1038.r38.cf3.rackcdn.com/group1/building2340/media/media_19.jpg В настоящее время можно выделить несколько проектов высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии с высоким процентом самообеспечения энергий.

Компания «Эткинс» («Atkins») разработала для Дубаи (ОАЭ) офисное высотное здание «Маяк» («Lighthouse»). Запроектировано здание высотой 400 метров, которое будет потреблять электроэнергии на 60-65 % меньше в сравнении с объектами, имеющими сходные объемно-пространственные параметры. Это будет достигнуто применением трех ветротурбин диаметром 29 метров (мощность каждой составит 225 кВт) и 4 тыс. фотоэлектрических панелей, размещенных на южном фасаде высотного здания. Особая конструкция лопастей ветрогенераторов позволит им приспосабливаться к ветровым потокам для достижения максимального КПД. В высотном здании планируется размещение атриумов с системой вертикальных садов (рисунок 14).

Источник: http://www.origindesignstudio.co.uk/blog/wpcontent/uploads/2011/10/lighthouse-tower.jpg «Бурж Аль-Таква» («Burj Al-Taqa») – башня, запроектированная для ОАЭ, немецким архитектором Экхардом Гербером высотой 322 метра (68 этажей). В ней будет реализовано несколько десятков современных технологий.

Важнейшими из них являются: естественное кондиционирование помещений, как с помощью ветра с внешнего фасада, так и из центрального атриума;

поступающий воздух будет предварительно охлаждаться через фильтры с морской водой; специально разработанной вакуумное остекление должно быть на 60 % эффективнее современных технологий; вращающийся экран, занимающий 1/6 часть здания, может обеспечить тень и в тоже время, на нем установлены фотоэлектрические панели, для производства электроэнергии; на вершине здания установлена ветровая турбина. Высотное здание будет потреблять на 60 % меньше энергии, чем сопоставимые с ним аналоги (рисунок 15).

Источник: http://ecogadget.net/wp-content/uploads/2007/10/burj1.jpg Башня «Игла», спроектированная в Тайваньской гавани командной из I.A.Lab Тайваньского Университета. «Зеленая» башня будет использовать несколько передовых технологий: опреснение морской воды, генерацию энергии за счет ветра и солнца и переработку отходов порта. Фасад здания планируется покрыть водорослями, которые за счет солнца и кислорода будут производить биотопливо.

«Небесная деревня Бангару» модульный гексагональный высотный Основой модуль – треугольник. Формирование комплекса происходит путем комбинирования и сочетания этой формы. Она взята из-за геометрической жесткости элемента и возможности размещения в нем необходимых помещений.

Для соединения модулей между собой архитектор предложила использовать крестообразные узлы, которые имеют название «паучьи сочленения». Подобная система позволяет создавать башни разной конфигурации и высоты.

Перемещение между корпусами комплекса может осуществляться по «мостам», которыми они соединены на различной высоте. Функционально высотное комплекс содержит в себе жилую, торговую, туристическую и сельскохозяйственную функции. В нем запроектированы ветроустановки и солнечные электростанции (рисунок 16).

Рис. 16. Общий вид комплекса «Небесная деревня Бангару»

Источник: http://3trend.ru/gorod-budushhego-bez-mashin/ Рассмотренные проекты и здания позволяют выделить тенденцию изменения объемно-пространственных решений высотных зданий при использовании возобновляемых источников энергии. Вначале своего развития это были здания простой формы, в которых были использованы энергоустановки. При этом они не были интегрированы в архитектурное решение объекта, а присутствовали как элемент инженерно-технического решения высотного объекта. С течением времени, совершенствовались технологии преобразования энергии, нарастала необходимость снижения затрат на энергообеспечения таких объектов. Это привело к тому, что в архитектуре последних проектов используются возобновляемые источники энергии как часть объемно-планировочного и художественного решений высотных зданий.

Обратимся к российскому опыту. В России сегодня нет высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии. Однако, существуют примеры многоэтажных зданий. Первым является 17-тиэтажный «энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2» в г. Москве, разработанный и реализованный в период с 1998 по 2002 гг. Второе – жилое здание по Красностуденческому проезду, состоящее из четырех секций по 18 этажей каждая. Это здание обладает весьма продуманными и экономически целесообразными системами отопления и вентиляции, но в нем не применяются возобновляемые источники энергии. Исходя из темы исследования рассмотрим первый объект (рисунок 17).

«Проект выполнен под научным руководством доктора технических наук

, член-корреспондента РААСН Ю.А. Табунщикова и под общим руководством доктора технических наук, генерал-лейтенанта В.Ф. Аистова. Базовой серией для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых домов 111- Министерства обороны России как наиболее полно отвечающая требованиям энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемно-планировочных решений» [8].

Рис. 17. Общий вид жилого дома в микрорайоне «Никулино-2»

Источник: http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid= ограждающих конструкций, систем отопления и вентиляции важным для нас моментом является применение теплонасосной установки для горячего водоснабжения, использующей тепло грунта и удаляемого вентиляционного воздуха [61]. В зарубежной практике нечасто в высотном строительстве применяется оборудование, использующее энергию земли, в этом плане, это достаточно уникальный объект [28]. Применение данного возобновляемого источника оказывает влияние на планировочное решение здания, не затрагивая объемно-пространственного решения. «В результате осуществления проекта по расчетам специалистов головной научной организации НП АВОК удалось снизить энергопотери здания на 34%, а экономия энергии по сравнению с энергоэффективный жилой дом был построен и введен в эксплуатацию в 2001 г.

по адресу: г. Москва, мкр. Никулино-2, ул. Академика Анохина, д. 62.

возобновляемыми источниками энергии в большом количестве субъектов Российской Федерации. Чаще всего это экспериментальные постройки, дома на одну семью, например, «Активный дом» в Наро-Фоминском районе Московской области (рисунок 18). Возводятся дома высотой 2-3 этажа, с несколькими подъездами, для проживания большего числа семей (Свердловская, Курская, распространения использования возобновляемой энергетики на территории России [86].

Для выявления функционального состава и приоритетов в применении возобновляемых источников энергии было рассмотрено 55 высотных зданий и проектов. Для удобства и наглядности анализа все данные были сведены в таблицу. Были получены следующие результаты:

наибольшую долю среди всех источников возобновляемой энергии, применяемых в высотных зданиях, занимает энергия солнца – 47,82 %, далее ветровая энергия – 31,52 %, энергия воды – 8,69 %, геотермальная энергия – 6, % и энергия биомассы – 5,45 % (рисунок 19);

Рис. 18. Общий вид «активного дома» в Подмосковье Источник: http://greentrends.ru/1st-aktivniy-dom-v-rossii/ Рис. 19. Процентное соотношения применения ВИЭ в высотных зданиях для выявления взаимосвязи функционально-планировочного решения высотного здания и выбора ВИЭ определен их функциональный состав:

многофункциональные здания – 70 %, офисная функция – 17 %, жилая – 10 %, гостиничная – 3 %. Определены доля и частота применения функций в группе многофункциональных объектов [40]. Можно выделить основные функции, такие как жилая, 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 % (рисунок 20).

Рис. 20. Соотношение существующих функций в высотных зданиях. Доля и частота применения функций в многофункциональном объекте 1.3. Основные тенденции и актуальные проблемы в проектировании и строительстве высотных зданий с возобновляемыми источниками энергии Высотные здания, в силу своего масштаба, часто критикуются, что порождает в обществе массу обоснованных и не очень «мифов» об их характеристиках, системах, здоровье людей, находящихся в них. Исходя из анализа зарубежного и отечественного опыта проектирования и эксплуатации высотных зданий, были выделены актуальные тенденции и проблемы [14]:

1. Высокое энергопотребление. Энергопотребление высотных зданий сопоставимо с обеспечением энергией небольшого населенного пункта. Здание «Страховой компании КНР» («Headquarter of China Insurance Group») расходует 4 166 т.у.т. в год, «Коммерцбанк» («Commerzbank») - 5 380 т.у.т. / год, «Башня Сирс» («Sears Tower» / «Willis Tower») - 10 411 т.у.т. / год, «Бурж Халифа» («BurjKhalifa») - 53 801 т.у.т. / год. Для сравнения энергопотребление малого города (например, Ярцево) – 108 877 т.у.т. / год, крупного города (Смоленск) – 1 т.у.т. / год, крупнейшего города (Москва) – 28 239 000 т.у.т. / год (рисунок 21).

Рис. 21. Сравнение энергопотребления высотных зданий и городов Данные свидетельствуют о том, что современные высотные здания фактически становятся «вертикальными городами», приближаясь по объему потребляемых ресурсов к обычным городам. Решением этой проблемы может стать внедрение технологий, использующих возобновляемые источники энергии, а также систем, позволяющих снизить энергопотребление (рекуперация тепла, использование двойного фасада, интеллектуальные системы освещения и климат-контроля) [42].

2. Пожаротушение и эвакуация людей. В связи с увеличивающейся год от года высотой объектов, существует проблема быстрой и надежной эвакуации людей. С момента появления высотных зданий решения для данной задачи постоянно совершенствуются. Традиционными решениями являются: устройство незадымляемой лестницы, лифта для доставки пожарных подразделений с отдельной системой энергоснабжения [78]. «Узким» моментом является необходимость подачи воды на верхние этажи. Частично эта задача решается с помощью вертолетов, самолетов, и усовершенствования пожарных машин. В последние годы нередко в верхней части объекта предусматривается внушительный резервуар с водой, которая в случае пожара оперативно может быть подана на нужный этаж. Еще одним из вариантов является создание противопожарных этажей, где верхнее и нижнее перекрытия обладают повышенной огнестойкостью, т.е. создание зоны безопасности. В современных высотных зданиях устраиваются зоны безопасности через каждые 20-30 этажей.

Перекрытия, между которыми они располагаются, выдерживают воздействие высоких температур до 2 часов. Этого времени достаточно для устранения основных очагов пожара и эвакуации людей.

Существуют экспериментальные разработки, предусматривающие самостоятельную эвакуацию человека с помощью индивидуальных спасательных устройств: канатно-спускное устройство, различного вида и конструкции кошки и самостоятельного использования подобных приспособлений людьми, особенно в Источник: http://www.samospas.ru/fotos/img-album/monospas/monospas_07.jpg 3. Негативное влияние пребывания в высотном здании на здоровье человека.

психофизиологическими особенностями организма человека» [24]. Этажность здания, его объемно-планировочное решение, площади и высота помещений, связь квартир с природным окружением через окна или посредством устройства балконов и лоджий — везде важны аспекты восприятия среды человеком.

Существуют отечественные исследования по определению влияния пребывания человека в высотном здании на его психофизиологическое состояние:

«ЛенНИИпроект» (научно-исследовательский и проектный институт по жилищно-гражданскому строительству) в 1970-1980-х годах ХХ века провел полный статистический анализ негативных воздействий пребывания человека в высотном здании на основании медицинских карт. Был определен перечень и частота самых распространенных заболеваний. С 1980-х годов по настоящее время результаты исследований засекречены и проходят под грифом «для служебного пользования»;

«ЦНИИЭП жилища» (центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий) с 1960-х по 1980-е гг. ХХ века также проводил исследования, основами которых были наблюдения за людьми, находящимися в высотных зданиях, а также периодические опросы населения.

Результаты исследований частично рассекречены, в той части, где отсутствует значимый фактический и статический материал.

Таким образом, данные о состоянии здоровья людей в высотных зданиях накоплены и систематизированы, но находятся в закрытом доступе. Обратимся к зарубежному опыту.

За рубежом около 15-20 лет назад был введен термин «синдром «больного»

здания» («Sick Building Syndrome»), чтобы описать состояние, когда человек заболевает, просто находясь в высотном здании (таблица 2).

Воздействия «больных зданий» на здоровье и жизнь человека стрессовое состояние;

боль в горле;

приступы астмы;

В результате анализа и обобщения данных о психофизиологическом состоянии людей в высотных зданиях, а также мероприятиях, способных его улучшить, разработана таблица. Она представляет собой актуализированную и расширенную версию «синдрома «больного» здания» 20-летней давности. Добавилась графа «время пребывания», которая в зависимости от длительности нахождения человека в высотном здании позволяет дифференцировать различные симптомы плохого самочувствия, выбрать пути купирования подобных состояний.

Необходимо отметить, что возникновение симптомов, описанных в таблице, индивидуально и зависит от особенностей каждого человека (таблица 3).

Влияние пребывания человека в высотном здании Краткосрочное - головокружение; - резкая смена - ежедневные (от 1 до 24 часов) - головные боли; пространства, - отдых в Среднесрочное - частые мигрени; - вибрации здания - переселение в пребывание мигрени; искусственного и профилактические (от 1 до 14 часов) - хронические недостаток осмотры у врача;

В.А. Харитонов в своей книге «Надежность строительных объектов и безопасность жизнедеятельности человека» описывает психофизиологические воздействия высотных зданий на человека. Автор выделяет 3 группы факторов, влияющих на состояние человека: природные опасности (ветер, резкие перепады давления и температур и т.д.), техногенные угрозы (аварии, пожары) и антропогенные угрозы («человеческий фактор»). Однако, купировать все эти угрозы возможно путем применения систем двойного контроля за самочувствием человека, составом воздуха внутри здания и состоянием конструкций, внедрением в структуру объекта зеленых садов, проектирование атриума, разбиение внутреннего пространства на сомасштабные с размерами человека элементы и т.д.

В дальнейшем В.А. Харитонов пишет «Наиболее высокие здания (Бурж г. Дубай, Тайбей и др.) соответствуют этим требованиям, но это связано и с увеличением строительных и эксплуатационных затрат» [43]. Данное утверждение автора показывает, что при грамотном подходе возможно создать комфортные условия для проживания человека в высотном здании. Кроме того, во всем мире дороже оцениваются квартиры на верхних этажах. Они при этом достаточно быстро покупаются, что свидетельствует о привлекательности возможности проживания на высоте [89].

Стоит отметить еще один негативный аспект, который был признан официально. «Статистика показывает, что 80% людей, совершающих суициды, проживает выше 9-го этажа» [26]. «В качестве примера можно привести японскую столицу Токио, где в конце 70-х был построен квартал жилых небоскребов — Такасимадаира. Поначалу проект вызвал небывалый ажиотаж, но через некоторое время оказалось, что квартал – лидер по числу самоубийств» [57]. Как позже выяснили эксперты, основной причиной было однообразие домов и квартир, отсутствие персонализации личности. Следствием стало психическое нарушение, переросшее у определенного числа людей в суицидальные желания. Однообразие ритмо-метрического визуального ряда, отсутствие выразительных объемнопространственных решений зданий, «маркеров индивидуализации» элементов пространства – все это угнетающе действует на самочувствие человека вне зависимости от этажности объектов (рисунок 23). Выразительное архитектурнохудожественное решение высотных зданий, внедрение в их структуру атриумов и зеленых насаждений, различные функционально-планировочные решения на этажах способны решать выявленную проблему и создать позитивный психологический фон у людей, находящихся внутри вертикально развитых объектов.

Рис. 23. Застройка квартала «Такасимадаира», Япония На сегодняшний день в открытых источниках отсутствуют официальные данные о влиянии пребывания людей в высотных зданиях. Существует теория об эффектах атмосферного электричества, проявляющихся особенно активно на высоте, и то, что оно «в десятки раз ускоряет процесс коррозии и угнетающе действует на жильцов дома» [57]. Профессор Икрам Керимов считает что «опасность сейсмических излучений угрожает только жителям высотных домов, а не тем, кто в них работает, поскольку во время работы мозг человека находится в активном состоянии и противостоит негативным излучениям» [57].

Высказывались мнения о нежелательности проживания в высотных зданиях гипертоникам и детям, однако, «Александр Бабляк, кардиохирург, кандидат медицинских наук, эти заявления — просто сказки. По его словам, единственной проблемой, которая может возникать у людей с болезнями сердца и сосудов, является неисправность лифтов, когда нужно подниматься к квартире по лестнице» [47].

4. Отсутствие нормативной базы для проектирования высотных зданий в России. Высотные здания представляют собой новый тип застройки, нуждающийся в индивидуальном подходе при разработке норм и правил проектирования, строительства и эксплуатации. Следует отметить, что некоторые шаги в решении этих проблем уже сделаны. На сегодняшний день в России существуют следующие нормы [41]:

В 2002 году изданы «Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м», где были четко прописаны противопожарные мероприятия, которые должны учитываться при разработке технических условий при проектировании высотных жилых зданий. Этот документ был согласован с Главным управлением Государственной противопожарной службы (ГУ ГПС МЧС РФ) и зарегистрирован Росстроем РФ в качестве практического руководства (письмо за № 9-29/ 318, от 19. 04. 02.).

В 2005 году по инициативе ГУ МЧС по г. Москве и при участии научноисследовательских учреждений пожарно-технического профиля (ВНИИПО МЧС, Академии ГПС МЧС РФ) были разработаны новые региональные нормы градостроительного проектирования.

В 2005 году изданы «МГСН 4.19-2005» — «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий — комплексов в г.

Москве».

В 2005 году также изданы «МГСН 1.04-2005» — «Временные нормы и правила проектирования планировки и застройки участков территории высотных зданий — комплексов, высотных градостроительных комплексов в г. Москве».

Разработка данных нормативов велась в соответствии с Градостроительным кодексом РФ и законом г. Москвы № 64 (от 03.10.2001 г.) «О градостроительных нормах и правилах города Москвы».

В 2009 году издан стандарт организации СТО 01422789-001- «Проектирование высотных зданий», который подготовлен в открытом акционерном обществе «Центральный научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий» (ОАО «ЦНИИЭП жилища»).

Для Санкт-Петербурга разработаны территориальные строительные нормы ТСН-31-332-2006 «Жилые и общественные высотные здания». Приняты и введены в действие распоряжением Комитета по строительству Правительства Санкт-Петербурга от 23.12.2005 N 68.

В 2012 году НОСТРОЙ разработал ряд стандартов организации по высотным зданиям. В этот перечень вошли: СТО НОСТРОЙ 2.15.70- «Инженерные сети высотных зданий. Устройство систем теплоснабжения, отопления, вентиляции, кондиционирования и холодоснабжения», СТО НОСТРОЙ 2.15.71-2012 «Инженерные сети высотных зданий. Устройство систем водоснабжения, водоотведения и водяного пожаротушения», СТО НОСТРОЙ 2.15.72- электрооборудования, автоматизации и диспетчеризации».

Московские государственные строительные нормы (МГСН) в настоящее время утратили свою силу. Стандарты СТО является «внутренними» документами, не утвержденным на уровне страны. Содержащиеся в этих нормах требования являются дополнительными по отношению к действующим строительным нормативам и нормативам по эксплуатации высотных зданий и комплексов. На каждое уникальное здание (высотой более 75 метров и заглублением более метров) обязательно составляются специальные технические условия на проектирования (СТУ). В настоящее время отсутствует единый принятый документ, регламентирующий проектирование высотных зданий в России.

5. Отсутствие критерия «высотности» зданий, общепринятой системы определения высоты объекта. Высотность – субъективная характеристика. В разное время под ней понимали различные величины. В античность доминирующими по вертикали сооружениями были храмы, к которым более применялся термин «величие». В Средние века традиция продолжилась, но кроме религиозных построек появились также масштабные объекты – замки. В конце XIX века в связи с научно-технической революцией и разрастанием городов в США появились первые высотные объекты. Тогда ими считались 9-этажные здания. Сегодня в России массовое распространение получили жилые объекты и более этажей. По всему миру строятся здания более 500 метров. Существуют проекты высота которых должна превышать 1 километр. Несмотря на это, в мире отсутствует единое регламентированное определение «высотного здания».

Каждый человек визуально примерно может оценить высоту здания, внутреннее соотнести его с «мало- средне-, многоэтажным», «высотным» и т.д.

Но все люди разные и подобные оценки не могут служить общепринятым объективным критерием высотности. В связи с этим, многие крупные фирмы и организации предлагают свои варианты, помогающие оценить вертикально развитые объекты.

«Технический комитет ASHRAE («Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха») по высотным зданиям дал такое определение: это здание, высота которого превышает 91 м. Совет по высотным зданиям и городской среде (CTBUH) определяет его как здание, в котором высотность непосредственно определяет планирование проекта или сферу использования здания» [49]. Высотными зданиями в России, согласно ТСН 31-332-2006, МГСН 4.19-2005 и МГСН 1.04-2005 (сейчас эти нормы отменены), считаются общественные здания высотой более 50 м и жилые здания высотой более 75 м. согласно стандарту организации СТО 01422789-001- «Проектирование высотных зданий» (ОАО «ЦНИИЭП жилища»), в России высотными считаются жилые и общественные здания от 75 м и выше. В компании «Emporis» - одном из крупнейших агентств по сбору информации о высотном строительстве и недвижимости есть свои определения «высотных зданий» и «небоскребов». «Высотные здания – многоэтажные структуры 35-100 метров, или здания с неизвестной высотой состоящие из 12-39 этажей» [95]. «Небоскребы – это здания высотой минимум 100 метров» [96].

«Впрочем, понятие высотности можно измерять не только количественно, но и, скажем так, ситуационно. В 1971 году на Международной конференции по пожаробезопасности высотных зданий высоткам дали другое определение.

Высотное здание – это здание, в котором в экстренной ситуации эвакуация невозможна, а при пожаре с огнем можно бороться лишь изнутри. Хотя эта неутешительная характеристика была дана высотке более 30 лет назад» [23].

Таким образом, каждая организация, компания или комитет трактует понятие «высотности» индивидуально. Тем не менее, у проектировщиков сложились негласные и недокументированные критерии высотности. В России – это здания выше 75 метров, за рубежом – выше 100 метров. В будущем, в связи с тенденцией увеличения количества высотных построек, можно прогнозировать введение общих характеристик, включающих и высоту объектов, для упрощения взаимодействия различных организаций, участвующих в проектировании, строительстве и эксплуатации высотных зданий.

6. Отсутствие унифицированных элементов, необходимость применения индивидуально Высотное здание, как правило, представляет собой уникальный объект, для которого в каждом отдельном случае разрабатываются конструктивная, энергетическая и другие системы [13]. Тем самым, строительство новых высотных зданий стимулирует развитие научно-технического прогресса, результаты которого могут быть в дальнейшем использованы в других областях. Поэтому не существует понятия «типовое высотное здание». Тем не менее, китайская компания «BSB» разработала технологию, позволяющую возводить 30-этажное здание за 15 дней (360 часов). «Секрет» скоростного возведения в том, что вначале на заводах производятся готовые конструкции, которые затем доставляются на стройплощадку и, как в детском конструкторе, насаживаются друг на друга» [77]. На международном форуме "Дни высотного строительства в России: высотные здания на базе высоких технологий", который прошел в Москве 17 и 18 декабря 2013 года присутствовала представитель компании Жюльетт Цзян. Она отметила, что несмотря на скорость монтажа и сейсмоустойчивость, здание обладает низкой архитектурной выразительностью, фактически, это большой прямоугольный параллелепипед (рисунок 24). Данный пример наглядно иллюстрирует сложность возведения высотного здания из унифицированных элементов с высокой архитектурной выразительностью объемнопространственного решения.

Рис. 24. Общий вид здания, возведенного компанией «BSB» за 360 часов Источник: http://p3.publico.pt/sites/default/files/china.jpg Описанные проблемы в последние годы находятся в процессе решения. Это касается совершенствования технического и инженерного оборудования, попыток разработки единого нормативного документа, различных объемнопланировочных и интерьерных решений, уменьшающих психологический дискомфорт, находящихся внутри людей. Высотные здания становятся все более «дружелюбными» к людям и окружающей среде. В зарубежной литературе и проектной практике подобные явления описываются словосочетаниями «дружелюбное здание» («people friendly building») и «экологичное здание» («eco friendly building»).

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. На стыке XX-XXI веков появился новый тип зданий – высотное здание.

Сегодня «средний» объект по затратам энергии сопоставим с небольшим населенным пунктом. Поэтому включение ВИЭ в структуру высотных зданий стало закономерным этапом их развития. Это позволяет создавать здания с более выразительным архитектурным обликом, а также сократить количество вредных выбросов, получаемых при применении традиционных источников энергии и минимизировать ущерб, наносимый природной среде.

2. В результате анализа развития ВИЭ, энергетических парадигм и высотных зданий в России и за рубежом выявлено 10 этапов, охватывающих временной отрезок с 1880 по 2020 гг.

Точкой отсчета можно считать конец XIX века. В это время в Чикаго стали появляться высотные здания, а в Европе – экспериментальные установки, работающие на возобновляемой энергии. До 1930-го года продолжался первый этап развития мировой энергетики. Время опытных разработок, конструирование энергоустановок, при относительно невысоком потреблении энергии человечеством. Высотное строительство переживало период становления в Чикаго.

С 1930 по 1990 гг. – второй цикл развития мировой энергетики. Характерный тем, что перед человечеством встала проблема истощения традиционных природных источников энергии (нефть, уголь, газ). Стали появляться здания, в том числе высотные, с инженерным оборудованием, позволяющим преобразовывать энергию из возобновляемых источников. Высотные здание в то время представляли из себя «экспериментальную площадку», на которой проходили апробация разного рода решения и технологии.

Начиная с 2000-х годов потребности человечества в области энергии начали расти в геометрической прогрессии. Увеличенные поставки сырья в страныпотребители, повышенные темпы выработки месторождений, рост энергопотребления высотных зданий, весь этот комплекс факторов стимулировал развитие и совершенствование процесса преобразования возобновляемой энергии.

Установки стали внедряться непосредственно в здания, обеспечивая их энергией на 10-30%. Архитектура высотных зданий получила новый виток в развитии, при внедрении ВИЭ. Данное направление активно развивается в настоящее время.

3. Определено процентное соотношение применения ВИЭ в высотных зданиях:

энергия солнца – 47,82 %, ветра – 31,52 %, воды – 8,69 %, земли – 6,52 %, биомассы – 5,45 %.

4. Рассмотренные проекты и здания позволяют выделить тенденцию использовании ВИЭ. Примером могут служить высотные здания, позволяющие увеличить скорость ветра, путем включение в объемно-планировочное решение вертикальных, горизонтальных отверстий, строительства нескольких корпусов комплекса для создания «ловушки» для ветра; либо здания, с наклонными поверхностями, двойными фасадами (включая динамические) имеющими фотоэлектрических панелей.

5. Действующая система правил и стандартов не обеспечивает необходимую нормативную базу для проектирования зданий с ВИЭ, а лишь устанавливает параметры микроклимата и контроль нормируемых теплотехнических и регламентирующие проектирование и строительство высотных зданий, носят многоэтажных зданий на региональном или городском уровне.

6. В связи с большой протяженностью территории и многообразием природноклиматических условий Российская Федерация обладает большими запасами возобновляемой энергии. За последние 5-10 лет во многих регионах страны были построены здания, использующую нетрадиционную энергетику. Утверждение государственных стандартов на возобновляемые источники энергетики и создание регламента для возможности продажи «чистой» электроэнергии в общую сеть, свидетельствуют об активном развитии данной сферы в масштабах России [69].

ГЛАВА 2. ОСОБЕННОСТИ АРХИТЕКТУРЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

С ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭНЕРГИИ

При проектировании высотных зданий (и зданий в принципе) существует совокупность решений, которые присутствует в каждом объекте. К ним относятся: градостроительное, объемно-планировочное, функциональнопланировочное, архитектурно-художественное, конструктивное, инженерное решения. Если в проекте применяются ВИЭ, то они оказывают влияние на перечисленные аспекты, степень которого – различна. Наиболее масштабное влияние, затрагивающее все виды решений объекта, оказывают энергоустановки на основе ветра и солнца. Это обусловлено тем, что инженерное оборудование для преобразования данных ВИЭ может размещаться в любой части здания, даже на прилегающей к объекту территории. Далее следует установки, преобразующие градостроительное, функционально-планировочное, архитектурнохудожественное, инженерное решения. Наиболее распространенный тип установок – приливные электростанции. Размещаться они могут только в нижней части объекта. Требуют наличия акватории, т.е. прибрежного местоположения здания и серьезным образом не отражаются на объемно-планировочном решении.

Инженерное оборудование, позволяющее преобразовывать энергию биомассы и земли также оказывает незначительное влияние на внешний облик высотных зданий, отражаясь на функционально-планировочном, инженерном и в случае с биомассой, еще и градостроительном решениях. Данные выводы были сделаны исходя из имеющегося мирового опыта внедрения инженерных устройств в реальном строительстве и их технологических особенностях ВИЭ, таких как необходимость постоянного подвоза сырья, как в случае с энергией биомассы.

Для более детального понимания процесса формирования высотных зданий с ВИЭ рассмотрим, оказывающие влияние на данный процесс.

2.1 Факторы формирования и критерии оценки высотных зданий с В первой главе были выявлены 4 основных предпосылки, оказавших большое энергетическая, техническая и экологическая В дальнейшем, они усложнились и преобразовались в ряд факторов, влияющих на формирование высотного здания с ВИЭ.

Градостроительные факторы:

1) Территориальная организация участка. Несмотря на вертикальную развитость высотных зданий изначально они воспринимаются с уровня продуманного ландшафта прилегающей к объекту территории. Для высотных зданий, в которых располагаются штаб-квартиры крупных компаний, создают фирменный стиль и индивидуальный логотип, последний часто воссоздается рядом с объектом с помощью зеленых насаждений и малых архитектурных форм.

композиции с контрастными элементами. Также возможно плавное «перетекания»

здания с высоты непосредственно на прилегающий участок. Грамотная работа с поверхностями разного уровня (выступающие или западающие элементы, ступени, пандусы) и текстурами дорожного покрытия способна дополнить общий архитектурный замысел объекта и «связать» его с уровнем земли.

2) Оптимизация транспортно-пешеходной сети. Большинство современных высотных зданий – многофункциональные объекты. Помимо продуманной работы вертикальных коммуникаций, необходимо предусмотреть отдельные подходы к входным группам якорных функций. Например, «Всемирный Торговый Центр» в Шанхае имеет отдельные входы для офисной, гостиничной функций, дорогу для въезда на парковку, а также несколько подъездов для доставки грузов в здание. Общая организация участка обеспечивает минимальное пересечение путей движения пешеходов и автомобилей, несмотря на то, что они находятся в одном уровне. При возведении высотных зданий необходимо проводить перерасчеты всей транспортной системы города, для сохранения допустимой пропускающей способности дорог и магистралей [98]. Набирающим популярность становится решение, позволяющее развести потоки людей и машин.

Речь идет о создании «второго этажа» - дополнительного пространства, поднятого относительно уровня земли на 4-5 метров, которое предназначено для пешеходов.

Автомобилям остается дорога и вся инфраструктура внизу. Данный подход может быть использован для создания выразительного архитектурного решения объекта.

Стилобатная часть высотного здания объединяется с уровнем земли, появляется возможность размещения функций, открытых для горожан, в силу рационально организованной транспортно-пешеходной сети [97].

3) Вписывание объекта в окружающую застройку. Современные города очень быстро развиваются. Сносятся старые здания, на их месте возводятся новые. В случае с высотными объектами особенно важно грамотно вписать их в существующую застройку. Значительную роль при этом играет архитектурное решение стилобатной части, как наиболее близкой по этажности к окружающим зданиям. Высотное здание является визуальной доминантной, поэтому форма его силуэта должна быть узнаваема издалека и служить ориентиром для горожан.

Эффектным решением может стать строительство подобного здания на пересечении нескольких дорог, или возведение объекта недалеко от въезда в город, как «визитной карточки».

Архитектурные факторы:

1) Функционально-планировочное решение. Определяет набор функций в объекте и взаимосвязи между ними. Кроме общего функционального наполнения выстраиваются также отдельные технологические «цепочки» такие как места общественного питания с полным циклом приготовления продукции, магазины, производящие и реализующие товары (пекарни, сувенирные лавки). Каждая функция соотносится с необходимыми площадями помещений. Осуществляется зонирование каждого этажа и общее вертикальное функциональное зонирование, что особенно значимо в высотном здании.

2) Объемно-планировочное решение. Размещение помещений в объеме здания и определение их параметров – формы, высоты, ширины и т.д. Это построение внутренней структуры объекта, когда определено функционально-планировочное решение. Компоновка узла вертикальных коммуникаций, выявление допустимой глубины помещений, возможность внедрения атриума в его структуру, применения этажей с углом поворота и т.д. Определение основных характеристик помещений таких как необходимость инсоляции, возможность создания двухуровневых пространств. Создается объемно-планировочное решение, учитывающее размещаемые функции, фактически это набор пространствкубиков», которые пересекают линии вертикальных коммуникаций. Это решение определяет общие габариты высотного здания, но практически не отражается на его внешнем облике.

Объемно-пространственное решение. Построение внешней формы объема здания, объемной композиции. Это решение включает в себя два предыдущих и определяет визуальную составляющую высотного объекта. Возможно придание общей формы, снижающей воздействие ветровых потоков, для предотвращения колебаний на верхних этажах. Другим вариантом является устройство отверстий для усиления скорости ветра и установки соответствующих энергогенераторов.

Также могут применяться наклонные кровли, выступающие или западающие части фасада. Существует практика придания общей формы, согласующейся с национальными канонами архитектуры, примерами являются высотные здания «Тайбэй 101» и Башня «Джин Мао», оба расположены в КНР (рисунок 25).

Природно-климатические факторы:

1) Количество солнечных дней в году. Определяется общая продолжительность часов солнечного сияния в год. Другой важной характеристикой является количество солнечной энергии, падающей на 1 м2 поверхности. Эти параметры показывают насколько рациональным является применение в данной местности гелиоэнергоустановок.

Рис. 25. Общий вид высотного здания «Тайпэй 101»

Источник: http://www.urbansplatter.com/wp-content/uploads/2012/07/Taipei_101.jpg Характеристики определяются с помощью розы ветров. Она показывает также и сезонность ветров. Совокупность параметров позволяет применить определенный тип ветрогенераторов и наиболее грамотно вписать его в объемнопространственное решение высотного здания.

3) Наличие геотермальных источников. Определяется с помощью геологических изысканий или соответствующей карты. В зависимости от полученных результатов устанавливается целесообразность применения данного ВИЭ. Следует учитывать, что при строительстве высотных зданий часто используется свайное поле, поэтому нужно заранее предусмотреть корректное расположение гео-, гидротермальных скважин.

4) Водоем с движениями водных масс (приливы). Примерами могут служить моря и океаны, реже - реки. Основную сложность представляет интеграция подобной установки в структуру высотного здания. Как показывает практика, наибольшую эффективность приливные электростанции показывают когда располагаются на некотором отдалении от береговой линии. Тем не менее, существует несколько проектов высотных зданий, в которых заявлено применение энергии движущихся водных масс (например, Башня Золотого Побережья в Мельбурне, Австралия).

5) Запасы сырья для производства биомассы. Список материалов, которые могут служить сырьем для биомассы обширен: отходы деревообрабатывающей промышленности, сельского хозяйства, органические элементы и т.д.. Важным аспектом использования этого ВИЭ является необходимость постоянного подвоза градостроительную устройство отдельного подъезда к установке, Социально-экономические:

1) Наличие заинтересованных финансовых структур. Высотное здание всегда возводятся на средства конкретных Заказчиков. Ими могут выступать крупные корпорации («Штаб-квартира Международной Финансовой Корпорации», КНР), государства, города («Башня Шанхай», КНР) или отдельные физические лица («Башня Трампа», США). В связи с высокими финансовыми затратами, как правило, в высотное здание инвестируют средства несколько крупных девелоперов, которые определяют якорных арендаторов в будущем (рисунок 26).

инфраструктуре. Высотное здание – «вертикальный город», который для своего жителя создает комфортные условия: парикмахерская, стирка и химчистка, магазины, даже театры и церкви. Все эти учреждения размещаются в современных объектах, для того, чтобы человек мог реализовывать собственные потребности. Кроме того, варьируется уровень комфортности самих жилых помещений. В зависимости от финансовых возможностей каждый человек может найти подходящее по классу жилье.

3) Уменьшение потребления энергии из городских сетей. Использование ВИЭ позволяет частично покрывать энергозатраты объекта. Это уменьшает нагрузку на общегородские сети и позволяет экономить финансовые средства.

Рис. 26. Слева направо: «Штаб-квартира Международной Финансовой Корпорации», «Башня Шанхай», «Башня Трампа»

Источник: http://forum.skyscraperpage.com/showthread.php?t= 4) Срок окупаемости энергосистемы и объекта в целом. Эти показатели рассчитываются на первых стадиях проектирования высотного здания. Срок окупаемости объекта зависит от его класса, престижности местоположения, арендаторов. «Среднемировой показатель – около 15 лет» [70]. Сроки окупаемости энергосистем с ВИЭ колеблются в пределах 10-15 лет. Таким образом, их применение в высотном здании оправдано, даже с точки зрения совпадения времени возврата вложенных средств.

Инженерно-технические:

1) Применение ВИЭ. Использование в высотном здании инженерного оборудования работающего на энергии солнца, ветра, воды, земли и биомассы. В некоторых случаях оправдано спроектировать объект так, чтобы архитектурное решение максимально усиливало выработку одного источника энергии.

Например, при постоянных господствующих ветрах логично использовать их в большей степени, чем другие источники. Другой вариант – вертикальная сельскохозяйственная ферма, гармоничной частью которой может служить установка, для переработки биомассы.

суммирование традиционной энергосистемы объекта и ВИЭ. Основная идея – получение энергии из разных источников, при определенных условиях. К примеру, если мы нагреваем воду с помощью солнца, то логично ее пустить в отопительную систему, а не использовать в санузлах, из-за малого количества.

Если в высотном здании установлены постоянно работающие ветрогенераторы, разумно будет запитать от них энергосберегающее освещение, а для остальных нужд использовать энергию из обычных источников.

1) Снижение количества вредных выбросов в атмосферу. При сжигании традиционных видов топлива выделяются вредные вещества. Замещая их в энергобалансе здания возобновляемыми источниками, можно уменьшить процент выбросов в атмосферу.

2) Применение экологичных материалов и технологий. Подобная практика все больше распространяется при возведении высотных зданий за рубежом.

Максимально ограждается участок строительства, чтобы не разрушать сложившийся рельеф местности. Применяются не автомобильные или рельсовые конструкциям здания и позволяют производить монтаж вышележащих этажей.

Используются вторично переработанные материалы, например, арматура или металлические конструкции, устройства для выполнения строительных работ (тросы, опалубка), созданные на базе вторсырья.

3) Взаимосвязь природной и искусственной среды. Проживание на верхних этажах высотного здания позволяет получить доступ к эффектным видам из окон, однако, лишает контакта человека с землей, зелеными насаждениями.

Проектировщики решают эту задачу с помощью устройства сети зеленых садов внутри здания [93]. Во многих работах Кена Янга (архитектор, приверженец биоклиматического и экологического подходов) прослеживается принцип «зеленой спирали»: «внутри высотного здания создается система зеленых садов, идущих по всей его высоте с поворотом через каждые 3-4 этажа» [94]. В стилобатной части спираль, превращается в длинный озелененный отрезок, который плавно «входит» в природный ландшафт (рисунок 27). Создается иллюзия того, что здание «вырастает» из существующих зеленых насаждений с уровня земли [104].

Выявленные группы факторов определяют характеристики высотных зданий с ВИЭ по шести основным направлениям. Наиболее важными являются градостроительные, архитектурные, природно-климатические и инженернотехнические факторы (таблица 4). Эти группы оказывают влияние на будущее архитектурное решение объекта.

Разработаны критерии оценки архитектурных решений высотных зданий с ВИЭ. Они опираются на архитектурный и инженерно-технический факторы.

Рис. 27. Общий вид «Башни Чонгкинг». Источник: http://www.arhinovosti.ru/ Критерии позволяют производить оценку разных характеристик высотных зданий по балльной шкале. Чем выше балл, тем более сложные и современные решения применены в объекте. Оцениваемые параметры были разбиты на четыре группы.

1. Использование ВИЭ. Самая очевидная характеристика. Количество получаемых зданием баллов соответствует применяемым источникам энергии.

Максимальное количество баллов – 5.

2. Объемно-планировочное решение.

Высота объекта. Взяты критерии высотности «Всемирного совета по высотным зданиям и городской среде» [92]. Чем выше здание, тем больше количество баллов. Максимально – 3 балла.

Поворот этажа. Этот параметр позволяет улавливать восходящие ветровые потоки, а также может увеличивать площадь освещаемой солнцем поверхности фасада. Критерий позволяет оценить степень поворота плана этажа относительно оси (рисунок 28). Возможный максимум >15 градусов – 3 балла.

Форма плана. С помощью развитой формы (2 балла) плана возможна реализация оригинального архитектурного решения высотного здания. В сложный, изрезанный план сложнее вписать необходимые функции, узлы коммуникаций и другие элементы. Большая площадь поверхности фасадов позволяет реализовать больший потенциал ВИЭ.

Источник: http://img.photobucket.com/albums/v417/speedracer7/Strata-Tower.jpg 3. Объемно-пространственное решение.

Отверстия для усиления скорости ветрового потока. «При отношении диаметров входного и выходного отверстий конфузора 8-10 … коэффициент усиления конфузора по скорости воздушного потока составит 5,0-5,5» [53].

«Конфузор - профилированный сужающийся канал, в котором дозвуковая скорость жидкости или газа возрастает в результате преобразования потенциальной энергии в кинетическую» [1]. Таким образом, отверстия в высотном здании могут быть применены для усиления ветра (рисунок 29). Их внедрение в объемно-пространственное решение способно существенно увеличить скорость ветрового потока. Максимальное количество баллов – 2.

Ветроулавливающая форма здания. На английский язык переводится как «Wind-catcher» - «ловец ветра». За рубежом здания этого типа проектируются с различными объемно-пространственными решениям, но подчиненными цели «поймать» и направить потоки ветра. Высотные объекты могут иметь форму спирали, гиперболоида, сверла и т.д. Возможен вариант применения ветрогенераторов и усиления потоков с помощью двух частей одного высотного комплекса. Здания размещаются таким образом, чтобы усиливался проходящий через пространство между ними поток ветра (рисунок 30). Максимальное количество баллов – 3.

Источник: http://www10.aeccafe.com/blogs/arch-showcase/files/2012/02/Cor_3.jpg Рис. 30. Общий вид «Спирального небоскреба» в Индии Источник: http://www.archina.com/uploadfile/2012/0112/20120112030148935.jpg Интегрируемые фотоэлектрические модули (BIPV). Возможна установка на крыше, наклонной поверхности, стене или остеклении фасада. Модули выполняются различных типоразмеров и могут выполнять функцию стекла в оконном проеме, позволяя при этом вырабатывать электроэнергию. Комбинируя прозрачные и глухие панели можно создавать рисунки, узоры и текстуры на фасадах высотного здания. Наибольшее количество баллов – 3.