Статья №8. Международный опыт использования в архитектуре альтернативных источников энергии. (2013)

Руководитель: проф. канд. арх. С. А. Дектерев

Аспирант: А.С. Канаткин

 

      Энергетическая проблема — одна из главных фундаментальных проблем, стоящая перед человечеством в ХХI веке. Численность населения растет — города расширяются, при всем этом, природные ресурсы медленно исчезают, и возможно больше никогда не возобновятся.

      Основными источниками энергии на сегодня служат: нефть, уголь и газ.  При самых оптимистических прогнозах нефти хватит на 40 лет,  газа на 60 лет и угля на 400 лет.

      В начале 80-х гг., на «Международной энергетической конференции ООН» специалисты выяснили, что самый большой потенциал экономии энергии — у зданий. «Пассивные дома» — это те дома, которые максимально независимы от внешних традиционных источников энергии и дружественны окружающей среде. И вот, уже более 30 лет решается данная задача всеми возможными способами. Например: в 2010 году 5% всей добываемой энергии приходилось на  альтернативную энергетику, тогда как, в 2012 году она увеличилась уже до 12-15% и эти показатели продолжают расти.

    Говоря про мировую ситуацию, которая нависла над всем человечеством, давайте перейдем непосредственно к архитектуре и попытаемся понять и решить данную задачу при помощи профессии архитектора. Но, в начале, мы разберем, какие сегодня существуют виды альтернативной энергетики (схема- 1) :

1. Ветровая;
2. Солнечная;
3. Геотермальная;
4. Гидроэлектростанции (малые);
5. Биотопливо;
6. Биомасса.

      В данной работе мы коснемся только ветровой и солнечной энергетики. Зарубежные архитекторы уже в полную силу строят здания с «чистыми» источниками энергии, которые в свою очередь становятся новым украшением в городах и поселках.

      Каждый из нас, хоть раз в жизни видел ветряк – устройство, которое за счет силы ветра генерирует энергию. Они бывают нескольких типов: лопастные (с вертикальной осью вращения, с горизонтальной осью вращения), парусные, безлопастные (Схема -2). Достоинства данного вида – это экологичность, возобновляемость и эргономичная эффективность. Недостатки на сегодняшний день – это шум, стоимость и нестабильность.

    При помощи инженерных инноваций, архитектура «ветряных мельниц» пошла дальше обыденного понимания. Таким образом, британские архитекторы David Arnold и Alex Ratzlaff предлагают строить специальные небоскребы (рис 1), целью которых будет генерация ветряной энергии, за счет своей формы. Как происходит работа? Ветровые турбины установлены горизонтально по всей высоте здания, на определенном расстоянии, и за счет разгона, ветер будет проходить вдоль всего небоскреба, приводя в движение лопасти ветрогенераторов. Ведь, как известно, на высоте ветер дует сильнее, чем у поверхности земли. Но, как увести такой мощный поток ветра, который разогнался и мчится вниз с бешеной скоростью? – это остается пока не решенной задачей. Как вариант, можно определенным способом развернуть разогнавшийся ветер. И с первого этажа пустить его к верхним этажам по внутренним вент-каналам. Что, в свою очередь, обеспечит здание свежим воздухом.

     Если перейти от теории к практике, то одним из современных реализованных проектов, со встроенными ветротурбинами, будет проект – Strata tower (рис 2). Разработчиками небоскреба является компания – Brookfield Europe. Пять лопастей имеет каждая из трех турбин, в сумме которые способны сгенерировать около 8% энергии необходимой для здания. Данное количество лопастей 5 штук, дает наименьший шум от турбины. Аэродинамика конструкции здания запроектировано таким образом, чтобы максимально эффективно использовать силу ветра в течение всего года. По инженерным расчетам, при скорости ветра в 60 км/ч, проект может обеспечить выработку в 50МВт/ч электроэнергии в год. Здание представляет собой сочетание роскошных пентхаусов и недорогих квартир, со встроенным фитнес-клубом, магазином и парковкой. Общей этажностью 42 этажа при высоте 147 метров.

    Проанализированные выше небоскребы могут с легкостью решить проблему нехватки энергии. Но, дальше мы рассмотрим, как еще можно применять ветрогенераторы в архитектуре.

    И первый такой пример – придорожные ветряки (рис 3-4). Все мы замечали ситуацию — когда проезжающий мимо нас автомобиль после себя создает определенную турбулентность и в зависимости от скорости машины — мы остаемся, спокойно стоять, либо нас просто «сдувает». Такую идею подхватил дизайнер Pedro Gomes и предлагает использовать подобного рода турбулентность для выработки «зеленой» энергии. Для ее реализации нужно установить вдоль больших автострад специальные ветряные турбины, улавливающие этот поток ветра, который оставляют после себя машины. Этот замысел позволит освещать те самые автомагистрали и автобаны.

    Обратим свое внимание на самые романтические места любого города – это парки и скверы. Можно ли при помощи зеленых территории добывать «зеленую» энергию? Оказывается не просто, можно, но и нужно, так решил индустриальный дизайнер Arttu-Matti Immonen. Он создал концепт уличных светильников, совмещенных с ветро-турбинами (рис 5-6).  Которые в своем замысле днем работают как ветрогенераторы, а ночью, как светильники.  Актуальнейший проект, дизайн, которого может быть представлен в разных вариантах, что обеспечит парки и скверы новой урбанизацией городского пространства.

   Те страны, которые соседствуют с морями и океанами, могут взять во внимание проект профессора Yuji Ohya из японского Kyushu University, который задумал построить большой искусственный остров, созданный специально для выработки электроэнергии (рис 7).

    Сети электропередач установлены во всех частях нашей необъятной страны. Но мало кто мог помыслить парадоксально — использовать электрические столбы, не только для передачи электроэнергии, но и как стойку для ветрогенераторов (рис 8). И таким образом французы оказались впереди планеты всей, а именно дизайнеры: Nicola Delon, Julien Choppin и Raphael Menard.  Данный проект предполагает, что можно будет отказаться от существующих электростанций, так как, опоры будут сами вырабатывать электричество и транспортировать его по стране. Из выше сказанного, можно сделать вывод, что мы можем обеспечить «чистой» энергией даже самые далекие населенные пункты.

    Продолжая тему, представляем вашему вниманию, ветряного рекордсмена – Aerogenerator (рис 9).  Британская инженерная компания Arup, планирует построить самый большой и мощный ветряк в мире. Его размеры от основания до вершины составят 275 метров, а предполагаемая мощность составит – 10МВт/ч. Что позволит обеспечить «зеленой» энергией около 5-10 тысяч частных жилых домов.

     Переходя от темы энергии ветра к энергии солнца. Стоить отметить, что применение ветрогенераторов широка в использовании и актуальна во всех уголках земного шара.

    Солнечная энергетика — направление нетрадиционной энергетики, основанное на непосредственном использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде[5].  Каждую секунду Солнце вырабатывает такое количество энергии, которое человечество не выработало за всю свою историю существования.

    Солнечные батареи бываю нескольких типов (схема-3):  фотоэлектрический преобразователь, гелио электростанция и солнечный коллектор. Преимущества всех видов заключается в общедоступности, безопасности и неисчерпаемости. Недостатки на сегодняшний день это зависимость от погодных условий, аккумуляция и высокая стоимость.

   Фотоэлектрические солнечные батареи, в 2008 году были установлены во всем мире, с суммарной мощностью 5750 МВт. Испания, Германия и США,  на  эти три страны приходилось около 80% всей мощности (рис 10). Стоит отдать честь советским изобретателям, ведь именно они создали первую в мире наземную солнечную электростанцию, и было это в 1964 в г. Каракумах.  И только после этого Европа перехватила эстафету по добычи солнечной энергетики.

    В архитектуре на сегодняшний день солнечные батареи применяются чаще, чем все остальные виды альтернативной энергетики. И это понятно, потому что они более лаконичны в использовании: они могут быть маленькими либо большими, гнущимися либо твердыми, прозрачными либо зеркальными и могут принимать практически любую форму.

    Давайте спустимся в Поднебесную наших соседей, и посмотрим, как они применяют солнечную энергию. В Китае есть самое большое здание на Земле с установленными на нем солнечными батареями (рис 11). Многофункциональное офисное здание общей площадью 75 000 м²  работает полностью от солнечной энергии. Алтарь Солнца и Луны – так называют жители провинции Шаньдун.  В нем используются передовые технологии устройства крыши и утепления стен. 95% своих энергетических потребностей будет окупаться. На комплексе установлено 5000 м² солнечных панелей.  За счет солнечных батарей здание имеет горячее водоснабжение и солнечную опреснительную систему.

     Проект архитектурной студии Paolo Venturella & MenoMenoPiu Architects(США) — Solar Loop (рис 12), представляет собой масштабную солнечную батарею и  многоцелевой павильон. Цель проекта: в течение всего светового дня захватить максимальное количество солнечных лучей, этому способствует форма самого здания. В проекте предусмотрены помещения для проведения концертов, спортивных мероприятий и лекций. Интеграция различных поверхностей друг на друга в этом и состоит Solar Loop. На солнце всегда находится одна из поверхностей, а вторая, зеркальная, в это время отражает окружение, умножая дневной свет, распределяя его под закрытой частью павильона.

      Обратите свое внимание, когда сегодня пойдете в магазин, возможно, в хозяйственном отделе вы увидите солнечные батареи, имитирующие побеги плюща. Батареи, которые создала и выпустила в продажу компания SMIT (рис 13).  Система Solar lvy – представляет собой небольшие гальванические пластины, собранные во множество листьев и генерирующие дневное освещение в энергию (рис 14).  Конструкция имеет легкий вес и легко крепиться к любой стене. При помощи ветра пластины вертятся в разные стороны, что повышает общую производительность. Пару стен 3-х этажного дома с Solar lvy помогут обеспечить около 40% всей потребляемой электроэнергии здания.

    Могут ли солнечные батареи быть прозрачными? Пять лет назад нам сказали бы: «это не возможно!» Но в быстро развивающемся мире, сегодня такую задачу уже решили. И тому подтверждение Нью-Йоркский центр архитектуры, науки и технологии (CASE), который разработал прозрачные солнечные панели (рис 15). Ими можно увешивать фасады домов, при том, что ни какого ущерба для дневного освещения внутри здания они не несут (рис 16). Конструкции панелей легкие и быстро монтируются.

    Подводя итог, представляем вашему вниманию эко-проект многофункционального жилого комплекса «Жар-птица» (рис 17), разработанного нами, для условий Уральского региона. Проект, в плане имеет форму квадрата, занимает площадь 6,25 га. Этажность составляет от 5 до 25 этажей. Площадь квартир варьируется от 80 до 250 м². В нем представлены такие инновации как: солнечные батареи, ветрогенераторы, био-фермы (для выращивания овощей и фруктов круглый год), геотермальная энергетика и концентраторы энергии для гармонизации окружающего пространства. В комплексе проект представляет собой модель города будущего, где он может обеспечивать себя всей необходимой энергией круглый год.

     Вывод: если сбережём природу — сбережём самих себя и своих потомков от катастрофы истощения природных ресурсов. Давайте построим для них новый «плот» из «чистых» материалов при помощи «чистой» энергии, чтобы Жизнь на Земле продолжалась вечно.

Литература:

 

1. Телеканал Россия 24. Серия фильмов: «Технология жилья». Выпуск от 9 марта 2013 года.
2. Телеканал Россия 24. Серия фильмов: «Технология жилья». Выпуск от 13 апреля 2013 года.
3. http://www.novate.ru
4. http://time-innov.ru
5. http://techvesti.ru
6. http://ru.wikipedia.org/wiki/солнечная_энергетика
7. http://trendymen.ru/blogs/friendly/726

 

Схема-1

Схема-2

рис. 1

рис. 2

рис. 3

рис. 4

рис. 5

рис. 6

рис. 7

рис. 8

рис. 9

схема — 3

рис. 10

рис. 11

рис. 12

рис. 13

рис. 14

рис. 15

рис. 16

рис. 17