повсеместно царит ”мерзость запустения”
Остается множество забвенных территорий на Земле, включая труднодоступные районы Арктики и т.п.
Жилая среда с изолированным микроклиматом для условий циркумполярных регионов
РОМАНЦОВ РОМАН ВЯЧЕСЛАВОВИЧ, магистр, cromwell.rr@gmail.com
КРАСНОБАЕВ ИВАН ВАСИЛЬЕВИЧ tia.kgasu@gmail.com Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 420043, Казань, Зеленая ул., 1
Проведено исследование отечественных и зарубежных концепций по формированию жилой с изолированным микроклиматом для условий полярных регионов. Указаны преимущества и недостатки использования разного рода типов подобных архитектурных решений. Определены примерные технические характеристики собственного проектного предложения для современных условий промышленного освоения полярных регионов. Намечены перспективы использования материалов ETFE (этилен-тетра-фтор-этилена) в его реализации.
Ключевые слова: жилье для Севера; жилая среда с изолированным микроклиматом; широкопролетные перекрытия; города под куполом.
В связи с постоянно растущим вниманием мирового сообщества к освоению территорий Арктики и Антарктиды, и увеличению темпов организации населенных пунктов в этих широтах, необходима активизация исследований, направленных на поиск новых радикальных принципов организации криптоклиматической жилой среды, сочетающей в себе последние достижения науки и строительных технологий. Только такая, наукоемкая архитектура жилого пространства, отвечающая повышенным требованиям экологической безопасности, в современных условиях Арктики и Антарктиды, сумеет выйти на принципиально новый уровень создания комфортной среды для жизни и работы широких слоев населения. Способствуя постоянному притоку людских ресурсов, и разумному расширению ойкумены в высоких широтах земли.
На сегодняшний день одним из подобных перспективных средств формирования криптоклиматической архитектуры является возведение жилой среды, располагающей собственным изолированным микроклиматом, защищенным от негативных внешних воздействий широкопролетными светопрозрачными оболочками облегченной конструкции. Формирование такого типа объемных замкнутых пространств для северных населенных пунктов сможет круглогодично защищать население, здания и территорию вокруг них не только от воздействия экстремального климата, но и от агрессивных форм фауны и вредного ультрафиолетового излучения. Вместе с тем, такая замкнутая жилая среда по большинству критериев будет соответствовать принципу повышенной безопасности для хрупкой экосистемы полярных регионов. [7;5]
Однако многие разработанные и возведенные проекты в этой области рассчитаны на расположение в умеренных климатических широтах, и не могут предоставить комфортную среду для жизни населения циркумполярных регионов. По этой причине необходимо проанализировать опыт данной сферы жилищного строительства и наметить актуальные пути ее проектной адаптации и реализации применительно к современным требованиям процесса циркумполярного освоения.
Данное исследование посвящено изучению того, почему и каким образом архитекторы и другие специалисты по вопросам урбанизации Крайнего Севера с 1950-х годов пытались (…) Одним из ярких примеров таких подходов являются проекты крытых городов под стеклянным (…).
Примером таких решений являются неоднократно публиковавшиеся в средствах массовой информации проекты: «Ковчег» Александра Ремизова, поселение «Умка» для пограничных войск Валерия Ржевского, «Эко-Город 2020» в городе Мирный, совместный проект Отто Фрея и Кензо Танге «Arcticcity». Особенно примечателен проект геодезического купола над центром Хьюсттона площадью 6,5 тысяч квадратных километров, рассчитанного на ураганы 5 категории. [6]
Серьезное распространение в среде проектировщиков и архитекторов идея жилых образований с искусственным микроклиматом начала получать с начала 60-х годов, видимо под действием широкой популяризации космической тематики. При этом многие проекты этих лет отличались высокой степенью проработки, и имели не только развитую идейно-концептуальную составляющую, но и серьезную архитектурно-техническую аргументацию. К наиболее известным градостроительным проектам этого раннего периода можно отнести канадский проект поселения «Фробишер Бэй», защищенного легким полимерным куполом, и советский проект города при руднике «Айхал» [1] .
Одновременно со своей чрезвычайно широкой популяризацией, концепция поселений с изолированным микроклиматом, особенно для полярных регионов, многими не заслуженно воспринимается как продукт утопического мышления, однако, как следует из современного опыта проектирования подобного рода сооружений, их возведение с учетом сегодняшнего развития строительных технологий представляется вполне реализуемой задачей. В особенности это касается куполов геодезической структуры, чья технология строительства за более чем пол века была достаточно проработана, и многократно апробирована на различных сооружениях. (геодезический купол «The Climatron» в Сент-Луисе, алюминиевый купол станции «Амудсен-Скотт» в Антарктиде и.т.д.)
Широкопролетные геодезические купольные перекрытия далеко не самые сложные и дорогостоящие конструкции. Например, один из серийных геокуполов при диаметре 50 метров и внутренней площадью 1900 метров имеет стоимость 25 долларов за квадратный метр. Стоимость купола аналогичных габаритов, расположенного на здании, будет в разы выше. [10] Вместе с тем относительная стоимость куполов не велика и в случае их массового индустриального производства она снизится в несколько раз. Одновременно с этим проект купола циркумполярной климатической защиты можно сделать более реализуемым, если взамен гигантских куполов километрового диаметра использовать множество объединенных в единую систему геодезиков, аналогично саду «Эдем».[11]
Наряду с этим небольшие арочные конструкции и полусферы диаметром до 100 метров, накрывающие отдельные здания в условиях полярных регионов возводить значительно проще и дешевле, чем оболочки, рассчитанные на покрытие группы зданий с прилегающей территорией. Подобные небольшие системы перекрытий будет проще доставлять на труднодоступные полярные территории и монтировать, так как не придется задействовать специальные краны и крупногабаритный воздушный транспорт. Использование небольших оболочек, накрывающих только полезную площадь, способствуют более рациональному использованию их внутреннего пространства.[9] В данном случае наиболее перспективным вариантом представляется расположение оболочек цепочкой, между которыми располагаются сегменты озелененной рекреации. [10]
Менее затратным также представляется возведение перекрытий из протяженных арочных конструкций, накрывающих отдельные здания и сообщающихся, из полусфер. Типовые ячейки таких перекрытий имеют более простую конструкцию и состоят из дешевых материалов. Промежуточным вариантом является возведение на наиболее важных участках города последовательности куполов или галерей. [11] Однако не следует забывать, что, чем больше внутренний объем защитной оболочки, тем само сооружение и созданный микроклимат менее подвержены негативным воздействиям внешней среды. Что в свою очередь существенно снижает расходы энергии на поддержание комфортного микроклимата. В частности, система рекуперации воздуха в больших помещениях действует гораздо эффективнее, а также обходится дешевле в производстве и эксплуатации. Вместе с тем, большие объемы теплого воздуха внутри защитной оболочки будут создавать подъемную силу, уменьшающую ее нагрузку на элементы подконструкции и фундаменты опорных зданий сооружения. [8]
На территориях с высокими скоростями ветра и высоким давлением снежных осадков на горизонтальную и вертикальную поверхность, каркасы широкопролетных защитных систем можно будет дополнить внутренними опорными конструкциями, частично в качестве которых могут выступить накрываемые здания.[10]
Главное преимущество жилой среды с изолированным микроклиматом заключается в возможности более рационального использования тепловой энергии. Это позволит значительно уменьшить расходы энергоносителей и, как следствие, повысить энергетическую автономность поселения и снизить токсичные выбросы в окружающую среду.[3]
Купольное перекрытие может выступать в качестве надежного теплоизолятора, задерживая теплые потоки воздуха, поднимающиеся от жилой застройки. Далее избытки тепловой энергии, скапливающиеся на вершине защитной оболочки, будут поступать через специальные деревянные насосы в накопительные аккумуляторы или регенеративные теплообменники для вторичного использования. Образовавшийся таким образом замкнутый тепловой цикл способен максимально снизить энергопотери жилой застройки. В этой связи заслуживает особого внимания система рециркуляции воздушной среды, разработанная академиком Львом Бритвиным для проекта «Ковчег» [1]
Защитные светопрозрачные оболочки способствуют не только более экономичному расходованию тепла от искусственных источников, но также могут эффективно задерживать в атмосфере изолированной среды тепло солнечных лучей. Что достигается за счет специального защитного напыления на их внутренней стороне, пропускающего солнечный свет и отражающего инфракрасное излучение и тепло.
Одновременно с этим существенное преимущество криптоклиматической жилой среды с изолированным микроклиматом состоит в возможности эффективного использования альтернативных, низкопотенциальных источников энергии, совершенно непригодных для использования в обычных отопительных системах. [9]
Речь прежде всего идет о водоемах, широко распространенных как на всей территории Арктики, так и в Антарктиде в виде развитой сети подземных и подледных рек и озер. Эти источники воды на протяжении всей зимы имеют температуру близкую к нулю, однако при их замерзании выделяется большое количество тепловой энергии, вполне достаточной для нагревания воздуха до нужной температуры. Таким образом, использование этого дешевого и распространенного на территории полярных регионов теплоносителя позволит в несколько раз снизить расходы топлива и электроэнергии.
Следует отметить, что на данный момент многие тепловые сети не позволяют эффективно использовать преимущества изолированной жилой среды. Большие объемы воздуха как низкопотенциального источника под широкопролетной оболочкой трудно перемещать в пространстве. Этот недостаток может быть решен проектированием поселений, изначально рассчитанных на применение защитных оболочек, что подразумевает использование в качестве централизованного теплоснабжения специальных водных проток.[9]
При этом система теплораспределительных каналов должна изначально проходить через участки застройки, для которых характерны наиболее интенсивные теплопотери в атмосферу; котельные, производственные предприятия, бассейны и.т.д.
Однако следует учитывать, что для полярных регионов из всех доступных альтернативных источников энергии наиболее перспективными для децентрализованного энергоснабжения как мобильных так и стационарных поселений с изолированным климатом остается широко распространенная, не имеющая локальной привязки для случая геотермальной энергии.
Другим постоянным низкопотенциальным источником энергии для обогрева изолированной воздушной среды могут служить анаэробные биологические реакторы, перерабатывающие органические отходы. В дополнении к этому для переработки неорганических отходов, без привлечения кислорода, будут применяться установки непрерывного пиролиза. Такая система переработки отходов, выделяющая в процессе функционирования большие объемы тепла, может быть объединена в единый блок, и установлена на нижних уровнях жилого образования.
Так как в период длительного полярного дня приходящая солнечная радиация в центральной части Антарктиды иногда превосходит свои экваториальные показатели, представляется рациональным применение гелиостатических установок. Эти установки большой общей площади, расположенные вокруг жилой среды с изолированным микроклиматом, будут способны нагревать ее замкнутую воздушную среду отраженной и концентрированной лучистой энергией. [16]
Помимо сокращения затрат на отопление, широкопролетные оболочки позволят существенно снизить стоимость проведения строительных работ в условиях сурового климата [1;7;5]. Благодаря надежной защите от внешних климатических воздействий, внутренние здания можно будет возводить с уменьшенным слоем теплоизоляции, весом ограждающих конструкций, большей площадью оконных проемов, простой наружной отделкой и.т.д, Возможен вариант, при котором здания под климатическими оболочками будут возводиться из одних отделочных материалов, что конечно сделает их уязвимыми в случае повреждения оболочки, но позволит снизить стоимость застройки в 5, 10 раз, что сделает их себестоимость меньше стоимости жилой среды открытого типа.[7;9]
Одновременно с этим для широкого распространения в сфере полярного жилищного строительства, технология широкопролетных оболочек климатической защиты должна пройти стадию инкубации на самых инвестиционно-привлекательных постройках, таких как офисные комплексы, и торгово- развлекательные центры. Подобное постепенное развитие и внедрение технологии не приведет к серьезным экономическим рискам, ограничившись стандартным финансированием.
В целом большепролетные герметические оболочки способны выступить в качестве барьера между хрупкой полярной экосистемой и средой многоаспектной хозяйственной деятельности человека. Они могут покрывать огромные карьеры по добычи полезных ископаемых, не допуская распространения токсичной пыли и сажи. Защищать тонкий озоновый слой от продуктов горения углеводородного топлива и углекислого газа, что особенно актуально для Антарктиды. К тому же оболочки способны локализовать и изолировать серьезные техногенные катастрофы, в ядерной и химической промышленности.
Активизация поверхностной добычи полезных ископаемых на территории полярных регионов приведет в ближайшем времени к большому числу заброшенных открытых карьеров и шахт, способных из-за своих масштабов существенно поколебать сложившийся экологический баланс в регионе. Для предотвращения этой угрозы на их месте возможно обустройство вертикальных агропромышленных комплексов, перекрытых широкопролетными перекрытиями, выравнивающими искусственные неровности ландшафта. Ближайшие аналоги реализации подобного подхода - проект «Эко-город» 2020, располагающййся на месте кимберлитовой трубки «Мир» глубиной 550 метров и диаметром около 1,2 км, а также проект подземного небоскреба Мэтью Фромболати в карьере Лаванда возле г.Бисби, штат Аризона.
Следует отметить, что помимо куполов геодезической структуры, существует не менее перспективный способ формирования изолированного микроклимата-посредством многопоясных тросовых систем. Эта относительно дешевая и простая технология была разработана в 2012 году в России, и пока не получила широкого распространения. Ее основные технически параметры и преимущества должны быть взяты за основу при дальнейшей разработке новых типов светопрозрачных большепролетных перекрытий для циркумполярной жилой среды.
Новые типы защитных оболочек должны иметь пространственную рамную конструкцию повышенной жесткости, препятствующей прогибу в результате вертикального или горизонтального давления больших снеговых масс. При это они должны быть рассчитаны на установку целого комплекса дополнительного оборудования: солнечных батарей, снегоочистительных механизмов, каналов удаления осадков, систем антиобледенения.
Оболочка должна иметь высокую ремонтнопригодность, Что может быть достигнуто главным образом за счет унификации ее конструктивных элементов и упрощения доступа ко всем участкам оболочки, посредством конструкции самой системы.[14]
Для снижения разрушительного воздействия окружающей среды на пространственную конструкцию перекрытия, ее необходимо проектировать скрытой под оболочкой защитного сооружения.
Защитные перекрытия должны предусматривать вариант использования в качестве основных опорных конструкций здания различной этажности и габаритов. Это может существенно сократить расходы на ее возведение, а также способствовать гибкой адаптации оболочки к сформировавшейся ткани городской среды.
Техническая перспектива возведения изолированной жилой среды под широкопролетной оболочкой в условиях полярных регионов в немалой степени зависит от внедрения новых строительных материалов. При этом главные критерии их пригодности для целей циркумполярного строительства должны выражаться в низком (удельном) весе, большой износостойкости и повышенных теплоизоляционных качествах. В этой связи наиболее оптимальным материалом для ячеек светопрозрачных покрытий могут выступить многослойные пневматические мембраны из [[1]]а ETFE. Данный материал обладает высокими теплоизолирующими и амортизирующими свойствами, благодаря чему его идеально использовать для ячеек купольных перекрытий, взамен стандартного архитектурного стекла. [15] Так же за счет своего химического состава ETFE может надежно предохранять экосистему и население от характерного для полярных регионов вредного ультрафиолетового излучения. В свою очередь выполненная из данного материала система Texlon может гибко изменять свою светопропускную способность, создавая для населения в период длительного полярного дня ощущение нормального суточного цикла.
Использование пневматических мембран из ETFE позволит избежать образования конденсата на внутренней поверхности оболочки, возникающей из-за большой разницы температур, наружного и внутреннего воздуха. В данном случае мембраны ETFE, закаченные газом по типу аргона, смогут выступить в качестве промежуточного слоя высокой термоизоляции. В целом данный материал может избавить конструкцию оболочек климатической защиты от массы разнообразного оборудования, повысив тем самым их аэродинамические качества.
Несмотря на очевидные преимущества, применение в условиях полярных регионов жилой среды с изолированным климатом имеет ряд недостатков.
Известно, что для некоторых районов Арктики и Антарктиды характерен относительно длительный период с положительной температурой наружного воздуха, во время которого население стремиться к разнообразным и интенсивным контактам с природным окружением. При этом любая искусственная среда не выдерживает конкуренции с естественной природой.[1;2]
Жилая среда с изолированным климатом исключает возможность использования многих стандартных видов транспорта, загрязняющих воздух, и делает практически невозможным применение воздушного транспорта. В случае необходимости их место займут экологичные средства внутреннего передвижения населения - миниэлектромобили, велосипеды, движущиеся дорожки, наклонные лифты и.т.д; а транспорт для внешних поездок будет размещаться преимущественно на парковках в опорном контуре защитного сооружения; [8] В другом случае подобная жилая среда станет местом прерогативы пешеходов, где все важные для жителя объекты будут располагаться друг от друга на расстоянии не более 300 метров.[3;4]
Жилая среда, защищенная большепролетными светопрозрачными оболочками, более уязвима во время военных конфликтов, в особенности в случае применения боевых отравляющих веществ.[10]
Обрушение широкопролетного купольного перекрытия по своим масштабам может стать катастрофой большого масштаба.
Большепролетные купольные являются прекрасным ориентиром и целью для авиационных и артиллерийских ударов в случае возникновения военных конфликтов. По этой причине следует предусмотреть систему их надежной маскировки.
Опорный контур купола требует выделения круглого участка земли, что в условиях плотной застройки северных городов может существенно нарушить систему сложившихся коммуникаций и потребовать сноса близко расположенных к опорам зданий. Из этого следует, что применение большепролетных купольных перекрытий наиболее оптимально в поселениях, возводящихся с нуля.[9]
Для возведения широкопролетных геодезических куполов потребуется создание новых индустриальных мощностей для поставки не производящихся на данный момент в необходимом объеме строительных материалов и оборудования.
Для возведения столь масштабных сооружений в специфических условиях полярных регионов, будет необходим длительный поиск и дополнительное обучение большого числа специалистов высотного монтажа, способных на корректную установку всех силовых элементов конструкции в экстремальных климатических условиях.
Широкопролетные геодезические купола очень уязвимы на первых этапах их строительства, на протяжении которых их чрезвычайно сложно защитить от сильнейших ураганов и других разрушительных погодных явлений, характерных для полярных регионов.
- Широкопролетные геодезические купола в условиях полярных регионов с течением времени не будут иметь необходимых возможностей для архитектурно-художественного развития своей оболочки.
Концепция формирования изолированной среды под оболочками на месте отработанных карьеров и шахт также имеет серьезные недостатки. Вероятно, что во многих областях крайнего Севера зона вечной мерзлоты будет располагаться гораздо ниже уровня расположения таких образований, что серьезно ограничит возможность использования тепловых потоков из недр земли. Кроме того, существует угроза, что грунт основания подобного сооружения в результате своего протаивания потеряет несущую способность, вызывая деформации по всей конструкции. К этому следует добавить риск образования конденсата на стенках сооружения. Подобные угрозы могут быть исключены проектированием термоизоляционного слоя между обитаемой средой и грунтом, или возведением конструкции на сваях, однако подобное решение исключит возможность использования тепла земли по всему периметру сооружения.
- Следует отметить, что замкнутые пространства серьезно ограничивают контакты населения с природным окружением. Формируя «тепличные условия», они в долговременной перспективе негативно сказывается на адаптации человека к суровым условиям полярных регионов. Следует также учитывать проблему большой концентрации населения в ограниченном пространстве, которая приводит к чувству однообразия групповых связей и угнетает психофизическое состояние человека. [1;2] Все это требует проведения большого объема предварительных исследований физиологического и психического состояния человека и [социум]а в подобных изолированных условиях.
Из всего изложенного выше следует, что применение жилищ с изолированной средой обитания на сегодняшний день обоснованно лишь в особо экстремальных условиях Арктики и Антарктики. Для большей части полярных регионов жилые комплексы целесообразно решать по «закрыто-открытому» принципу, обеспечивающему как полную изоляцию жилой среды в холодный период года, так и ее связь с природным окружением в кратковременный теплый период. Обоснованность подобного решения подтверждается опытом эксплуатации экспериментальных жилых комплексов, разработанных в СССР для различных районов Севера (дома-комплексы для Норильска и Воркуты, поселки-комплексы Удачный, Айхал, Анадырь, Депутатский и др.). [2] Вместе с тем возведение жилых комплексов по «закрыто-открытому» принципу, способному обеспечить разнообразные контакты населения с природным окружением в теплый период года, нерационально без изпользования специальных архитектурных приемов улучшения микроклимата на всей территории жилой застройки. [1;2;3]
Список использованной литературы и интернет ресурсов
1.Одновалов С.П., Цимбал М.В. Архитектура населенных мест с искусственным микроклиматом // Проблемы Севера. Вып.10. 1964)
2.Поздняков П.П. Жилище нового типа для Севера. Л., 1978.
3. Римская-Корсакова Т.В. Предложения но развитию систем и форм рас- селения в различных районах сурового климата Крайнего Севера. Л., 1972.
4.Римская-Корсакова Т.В. Структура селитебной территории населения мест Крайнего Севера // Проблемы Севера. Вып. 10. 1964. С. 63-70.
5.URL: http://architect.3dn.ru. Большепролётные светопрозрачные здания и защитные сооружения
6.URL:http://www.greenpacks.org/2009/06/09/the-houston-dome-will-save-the-city-from-peril-may-help-environment-The Houston Dome Will Save the City from “Peril”, May Help Environment
7. URL: http://stroy-ua.net/arkhytektura-y-hradostroytelstvo/mnohopojasnye-y-svetoprozrachnye.html. Многопоясные тросовые системы и светопрозрачные оболочки.
8.URL:http://www.mydome.ru/construction/Large_span_translucent_dome -Большепролётные светопрозрачные купола для комфортной жизни.
9.URL:http://spaceexpansion.ucoz.ru/publ/quot_kupolnaja_sistema_quot_dlja_severnykh_gorodov/1-1-0-9-"Купольная система" для северных городов.
10. URL: http://turchin.livejournal.com/547816.html-Города под куполом
11. URL: http://free-dome.ru
12. URL: http://www.youtube.com/watch?v=vJxJWSmRHyE Мегастройки:Купол над Хьюстоном
14.URL: http://www.google.com/patents/WO2013058675A1?cl=ru
15.URL:http://www.ecorussia.info/ru/ecopedia/transperent-films