Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

УЧЁТ ТИПОЛОГИИ ЗДАНИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРИОРИТЕТНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ВЭУ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТАХ

Научная статья
Федоров О.П.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.117.3.012
Выпуск: № 3 (117), 2022
Опубликована:
2022/03/17
PDF

УЧЁТ ТИПОЛОГИИ ЗДАНИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ПРИОРИТЕТНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ВЭУ В РАЗЛИЧНЫХ ОБЪЕКТАХ

Научная статья

Федоров О.П.*

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (oleg_proart[at]mail.ru)

Аннотация

Вопросы экоустойчивости архитектуры, повышения её энергоэффективности, а также глобальные тенденции, выражающиеся в формате новой циркулярной экономики и политике энергоперехода, ставят перед архитекторами новые задачи. Одной из таких задач является изучение возможностей использования средств альтернативной энергетики в архитектуре. В данной статье представлены результаты исследования по формированию рейтинга зданий различного функционального назначения (типологии), отражающего приоритетность применения интегрированных ветроэнергетических установок (ВЭУ). Дано определение понятия интегрированной ветроэнергетической установки. Рассмотрены факторы, влияющие на обоснование и принципы использования интегрированных ВЭУ в застройке. Сформулированы критерии, которые необходимо учитывать при проектировании. Как результат сформирован рейтинг объектов различного функционального назначения, отражающий целесообразность и приоритетность применения решений с интегрированными ВЭУ в соответствующих объектах – от наиболее предпочтительных к наименее.

Ключевые слова: архитектура, экоустойчивая архитектура, ветроэнергетика, интегрированные ветроэнергетические установки (ВЭУ), типология зданий, рейтинг, альтернативная энергетика, энергопереход.

EXAMINING THE TYPOLOGY OF BUILDINGS WHEN DETERMINING THE PRIORITY OF USING INTEGRATED WIND TURBINES IN VARIOUS FACILITIES

Research article

Fedorov O.P.*

Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, Saint Petersburg, Russia

* Corresponding author (oleg_proart[at]mail.ru)

Abstract

The issues of environmental sustainability of architecture, increasing its energy efficiency, as well as global trends such as the format of a new circular economy and energy transition policy, pose new challenges to architects. One of such tasks is to study the possibilities of using alternative energy in architecture. This article presents the results of a study on the formation of a rating of buildings of various functional purposes (typology), reflecting the priority of using wind turbines. The article provides the definition of the concept of a wind turbine, examines the factors influencing the rationale and principles of the use of integrated wind turbines in construction, and  formulates the criteria that must be taken into account during the design stage. As a result, the author forms a rating of objects of various functional purposes, reflecting the expediency and priority of using solutions with integrated wind turbines in the corresponding objects from the most preferred to the least.

Keywords: architecture, eco-sustainable architecture, wind power, integrated wind power plants (wind turbines), building typology, rating, alternative energy, energy transition.

Введение

Особенности использования и интегрирования альтернативных источников энергии в архитектуру зданий и сооружений – тема достаточно специфическая. Её актуальность определяется, с одной стороны, необходимостью учета и изучения архитекторами возможностей современного инженерного оборудования, что определяется пунктом 8 паспорта научной специальности ВАК 2.1.12 «Архитектура зданий и сооружений. Творческие концепции архитектурной деятельности» («роль технологического и инженерного оборудования в архитектуре»), с другой стороны, актуальностью самой темы альтернативной энергетики в контексте современной циркулярной экономики и четвертого энергоперехода [1], [2].

Современная архитектура всё больше стремится к экоустойчивости [3], [4], [5] и энергоэффективности. Большую роль в достижении связанных с этим показателей играют характеристики и принципы энергоснабжения зданий и сооружений. На сегодняшний день альтернативные источники энергии зарекомендовали себя не только как наиболее экологичные, но более дешёвые в масштабе мировой экономики, чем традиционные ископаемые ресурсы [6], [7].

Таким образом встает вопрос об использовании альтернативных источников энергии не только в масштабе крупных электростанций, но и в масштабе малой генерации – при домовладениях, или для снабжения электроэнергией отдельных зданий и комплексов. Данная работа посвящена рассмотрению особенностей использования ветроэнергетических установок (далее – ВЭУ) в архитектуре зданий и сооружений. Основной целью является формирование рейтинга объектов различного функционального назначения (типологии зданий) [8], [9], [10], который бы отражал приоритет в целесообразности применения интегрированных ВЭУ.

Методы и материалы

Для достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд задач: дать определение интегрированной ВЭУ, сформировать перечень факторов [11] и определить критерии, влияющие на особенности применения интегрированных ВЭУ в зданиях и сооружениях с учётом характеристик самих ВЭУ и ландшафтного контекста.

Интегрированная ветроэнергетическая установка (интегрированная ВЭУ) – ветроэнергетическая установка, предусмотренная в здании, скрытая или являющаяся частью его объемно-пространственной композиции, запроектированная с учетом основных факторов и критериев, определяющих применение ВЭУ в застройке.

Определен перечень факторов, которые в той или иной степени могут оказывать влияние на принципы интегрирования ветроэнергетических установок и архитектурно-градостроительные решения при размещении ВЭУ на застраиваемых территориях. Данные факторы связаны с тремя критериями и определяемыми ими наборами характеристик ВЭУ и территорий, от которых зависит применение и вид ВЭУ в застройке, зданиях и сооружениях. Все эти характеристики необходимо учитывать и рассчитывать при проектировании, стремиться к максимальным их качественным показателям, учитывая возникающие противоречия между критериями.

Всего выделено шесть блоков таких факторов: природно-климатические, экологические, экономические и инженерно-технологические, политические, социально-культурные, градостроительные факторы.

Основных критерия, на основе которых определяются архитектурные решения в проекте – всего три. Это художественно-композиционный критерий (визуальной значимости), критерий экономической эффективности и критерий экологичности решений. Эти критерии выражаются различными характеристиками, которые связаны с факторами (в соотв. с рис. 1).

1

Рис. 1 – Критерии, определяющие применение и вид ВЭУ в застройке, зданиях и сооружениях

Результаты обсуждения

В рамках проектных задач необходимо стремиться к достижению максимальных показателей каждого из трёх выявленных критериев. Но, как уже было сказано, в определённых ситуациях они могут вступать друг с другом в противоречие.

Так, смысл критерия художественно-композиционной значимости в достижении максимального эстетического эффекта от общей композиции здания, дизайна и стилистических решений, и соответствующей роли в этом интегрированной ВЭУ как одного из элементов здания. Но такие задачи могут входить в противоречие с критерием экономической эффективности, в рамках которого необходимо разработать и принять такие архитектурные и объемно-планировочные решения, которые бы обеспечивали максимальную производительность (выработку электроэнергии) ВЭУ. Этот показатель связан как с внешним видом (дизайном) ветроустановки [12], так и с архитектурной формой самого здания (которая определяет аэродинамику и влияет на скорости потока воздушных масс [13], [14], [15], [16]), а также, с выбором местоположения ВЭУ в общей структуре объекта. Критерий экологичности решений может ограничивать выбор типа ВЭУ – исходя из характеристик и особенностей его производства и утилизации, а также характеристик, влияющих на эмоциональное состояние человека и его здоровье (шум, вибрация, электромагнитное излучение и т. д.).

Разница в типологии зданий, особенностях их функционального назначения и происходящих в них технологических процессах, дает возможность увязать возникающие противоречия в данных критериях с этими особенностями [8], [9], [10]. Это позволяет не только обосновано определить приоритет того или иного критерия, приняв оптимальное решение, но и сформировать рейтинг, который в общем отражает приоритетность объектов различного функционального назначения в части целесообразности применения интегрированных ВЭУ.

Для сравнения определена следующая типологическая классификация зданий: жилые здания – многоквартирные многоэтажные и среднеэтажные, малоэтажные жилые дома; общественные здания – крупные торговые комплексы, культурно-массовые объекты, административно-офисные здания, образовательные учреждения (школы, детские сады), торгово-выставочные павильоны; объекты промышленного и транспортного назначения.

Наиболее предпочтительными для интеграции ВЭУ являются здания и сооружения промышленного и транспортного назначения. Это обусловлено наличием повышенного шума при производственных и эксплуатационных процессах, поэтому позволяет не учитывать соответствующие характеристики используемых ВЭУ в части параметров комфорта архитектурной среды. Кроме того, объекты промышленного строительства, как правило, являются крупномасштабными как по габаритам зданий, так и по территориальным характеристикам, на которых они располагаются. Постоянные производственные процессы, требуют возможности обеспечения энергонезависимости, в случае перебоев поступления энергии из внешних сетей и в целях экономии, поэтому многие производственные объекты сегодня оснащаются ВИЭ.

Следующим по предпочтительности использования интегрированных ВЭУ можно считать такие общественные здания, как крупные торговые комплексы. Они схожи, а зачастую, превосходят по масштабам (габаритам) объекты производственного назначения. Также характеризуются сниженными требованиями в части шумовых характеристик и всегда имеют развитую техническо-транспортную функциональную зону, имеющую потенциал качественно архитектурно-художественного оформления посредством используемых технических и инженерных элементов.

Культурно-массовые и административно-офисные объекты также обладают большим потенциалом использования интегрированных ВЭУ. Специфика общественных зданий данной типологии, позволившая объединить их в один блок по приоритетности использования интегрированных ВЭУ в том, что здесь появляются повышенные требования к шумовым характеристикам, а значит это повлечёт за собой ограничения по использованию интегрированных ВЭУ исходя из их технических показателей.

Следующими по приоритетности использования интегрированных ВЭУ определены жилые индивидуальные дома и небольшие торговые или выставочные павильоны. Главной и важнейшей при использовании интегрированных ВЭУ их характеристикой является небольшой масштаб объекта, что позволяет рассчитывать на возможность максимального сокращения используемой энергии из внешних сетей при использовании ВИЭ в архитектурных решениях. Кроме того, в жилых домах единственный пользователь самостоятельно определяет преимущества и предпочтительность наличия интегрированного ВЭУ на своей территории, в своём доме. При этом, минимальные шумовые характеристики, габариты и внешний дизайн являются принципиальными при определении типа и модели ВЭУ для интегрирования в такие объекты.

Образовательные учреждения являются объектами, в которых происходят как образовательные, так и воспитательные процессы, поэтому использование ВЭУ в таких объектах актуально ещё и с идеологической точки зрения. Могут возникать дополнительные сложности, связанные с выбором наименее шумных ВЭУ, а также наличием дополнительных компетенций у обслуживающего персонала таких объектов.

Жилые многоквартирные многоэтажные дома идут следующими в ранге приоритетности использования интегрированных ВЭУ в зданиях различной типологии с силу специфики типологии – требованиям к параметрам шума и вибрации. При этом многоэтажное жильё является наиболее привлекательным относительно всех жилых объектов с точки зрения эффективности выработки энергии интегрированным ВЭУ, т.к. в нём могут использоваться крупногабаритные ВЭУ (наиболее производительные) и на больших высотах наблюдаются более сильные ветровые потоки. Поэтому, завершающими в «линейке» приоритетности являются многоквартирные среднеэтажные и малоэтажные жилые дома.

Конфликт интересов Не указан. Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

  1. Геополитика "Зеленой сделки" Европейского союза / М. Леонард, Ж. Пизани-Ферри, Д. Шапиро и др. //Вестник международных организаций: образование, наука, новая экономика. – 2021. – Т. 16. – № 2. – С. 204-235. – DOI17323/1996-7845-2021-02-10.
  2. Матвеев, В. А. Китай в перекрестье текущих трендов мировой энергетики / В. А. Матвеев // Китай в мировой и региональной политике. История и современность. – 2020. – Т. 25. – № 25. – С. 321-332. –DOI 10.24411/2618-6888-2020-10019.
  3. Федоров, О. П. "Экоустойчивая архитектура" как профессиональный термин в архитектурной деятельности / О. П. Федоров // Вестник гражданских инженеров. – 2016. – № 6(59). – С. 86-90.
  4. Sun, Wind and Light: Architectural Design Strategies, 3rd edition / DeKay, Mark Brown, G. Z .Wiley, 2014. - 432 pp. - ISBN 978-0-470-94578-8.
  5. Ilvitskaya, S. V. Philosophy of unity with nature as basis of energy-efficient house architecture / S. V. Ilvitskaya, V. Lobkova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Chelyabinsk, 26–28 сентября 2018 года. – Chelyabinsk: Institute of Physics Publishing, 2018. – P. 012161. – DOI 10.1088/1757-899X/451/1/012161.
  6. International Energy Agency [Electronic resource]: - URL: https://www.iea.org / (accessed: 22.01.2022).
  7. International Agency for Renewable Energy Sources [Electronic resource]: - URL: https://www.irena.org / (accessed: 22.01.2022).
  8. Гельфонд, А. Л. Архитектурная типология в аспекте жизненного цикла здания / А. Л. Гельфонд // Academia. Архитектура и строительство. – 2011. – № 2. – С. 40-47.
  9. Гельфонд, А. Л. Общественное здание и общественное пространство. Дуализм отношений / А. Л. Гельфонд // Academia. Архитектура и строительство. – 2015. – № 2. – С. 18-31.
  10. Панова, Д. Г. Зачем и как создавать единую типологию зданий в России / Д. Г. Панова // Применение современных ресурсосберегающих инновационных технологий в АПК : VI Международная научно-практическая конференция, Ставрополь, 08–12 февраля 2016 года. – Ставрополь: Издательство "АГРУС", 2016. – С. 104-105.
  11. Гельфонд, А. Л. Архитектурное проектирование общественных зданий : Учебник / А. Л. Гельфонд. – Москва : Общество с ограниченной ответственностью «Научно-издательский центр ИНФРА-М», 2016. – 368 с. – (Магистратура). – ISBN 978-5-16-010739-4.
  12. Федоров, О. П. Принципы использования ветроэнергетических установок как композиционного элемента при интегрировании их в архитектурную среду / О. П. Федоров // Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Градостроительство : сборник статей / под ред. М.И. Бальзанникова, К.С. Галицкова, Е.А. Ахмедовой; Самарский государственный архитектурно-строительный университет. – Самара : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Самарский государственный архитектурно-строительный университет", 2016. – С. 179-185.
  13. Груничев, И. А. Интеграция малых ветроэнергетических установок в архитектурную форму малоэтажного жилого здания / И. А. Груничев // Вестник гражданских инженеров. – 2021. – № 3(86). – С. 15-22. – DOI23968/1999-5571-2021-18-3-15-22.
  14. Табунщиков Ю. А. Аэродинамика застройки и зданий / Ю. А. Табунщиков, М. Н. Ефремов // АВОК. Инженерные системы зданий. 2015. № 4. C. 48-56
  15. Федоров, О. П. Методика определения выборки моделей архитектурных форм для исследований аэродинамических характеристик зданий и сооружений / О. П. Федоров, Е. В. Семенова, М. В. Кун //Современные подходы и методики научно-исследовательской работы в архитектуре : Сборник научных трудов по результатам I и II Круглых столов за 2020-2021 годы, Санкт-Петербург, 18 февраля 2021 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2021. – С. 68-80.
  16. Агекян А. Л. Актуальность и способы определения ветрового режима городской среды и аэродинамических характеристик при проектировании зданий / А. Л. Агекян, П. С. Токарева, Д. С. Куршева и др.// Искусство и дизайн: история и практика : Материалы V Всероссийской научно-практической конференции, Санкт-Петербург, 30 мая 2020 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургская Государственная Художественно-Промышленная Академия имени А. Л. Штиглица, 2020. – С. 205-211.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Geopolitika "Zelenojj sdelki" Evropejjskogo sojuza [The geopolitics of the "Green Deal" of the European Union] / Leonard, J. Pisani-Ferry, D. Shapiro et al. // Vestnik mezhdunarodnykh organizacijj: obrazovanie, nauka, novaja ehkonomika [Bulletin of International Organizations: education, science, new economy]. - 2021. - Vol. 16. - No. 2. - pp. 204-235– DOI 10.17323/1996-7845-2021-02-10 [in Russian]
  2. Matveev, V. A. Kitajj v perekrest'e tekushhikh trendov mirovojj ehnergetiki [China in the crosshairs of current global energy trends] / V. A. Matveev // Kitajj v mirovojj i regional'nojj politike. Istorija i sovremennost' [China in world and regional politics. History and modernity]. - 2020. - Vol. 25. - No. 25. - pp. 321-332. - DOI 10.24411/2618-6888-2020-10019 [in Russian]
  3. Fedorov, O. P. "Ehkoustojjchivaja arkhitektura" kak professional'nyjj termin v arkhitekturnojj dejatel'nosti ["Eco-sustainable architecture" as a professional term in architectural activity] / O. P. Fedorov // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov [Bulletin of Civil Engineers]. – 2016. – № 6(59). – Pp. 86-90 [in Russian]
  4. Sun, Wind and Light: Architectural Design Strategies, 3rd edition / DeKay, Mark Brown, G. Z .Wiley, 2014. - 432 pp. - ISBN 978-0-470-94578-8.
  5. Ilvitskaya, S. V. Philosophy of unity with nature as basis of energy-efficient house architecture / S. V. Ilvitskaya, V. Lobkova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Chelyabinsk, September 26-28, 2018. – Chelyabinsk: Institute of Physics Publishing, 2018. – P. 012161. – DOI 10.1088/1757-899X/451/1/012161.
  6. International Energy Agency [Electronic resource]: - URL: https://www.iea.org / (accessed: 22.01.2022).
  7. International Agency for Renewable Energy Sources [Electronic resource]: - URL: https://www.irena.org / (accessed: 22.01.2022).
  8. Gelfond, A. L. Arkhitekturnaja tipologija v aspekte zhiznennogo cikla zdanija [Architectural typology in the aspect of the building life cycle] / A. L. Gelfond // Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and construction]. - 2011. - No. 2. - pp. 40-47 [in Russian]
  9. Gelfond, A. L. Obshhestvennoe zdanie i obshhestvennoe prostranstvo. Dualizm otnoshenijj [Public building and public space. Dualism of relations] / A. L. Gelfond // Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo [Academia. Architecture and Construction]. - 2015. - No. 2. - pp. 18-31 [in Russian]
  10. Panova, D. G. Zachem i kak sozdavat' edinuju tipologiju zdanijj v Rossii [Why and how to create a unified typology of buildings in Russia] / D. G. Panova // Primenenie sovremennykh resursosberegajushhikh innovacionnykh tekhnologijj v APK : VI Mezhdunarodnaja nauchno-prakticheskaja konferencija, Stavropol' [Application of modern resource-saving innovative technologies in AGRICULTURE : VI International Scientific and Practical Conference, Stavropol], February 08-12, 2016. - Stavropol: "AGRUS", 2016. - pp. 104-105 [in Russian]
  11. Gelfond, A. L. Arkhitekturnoe proektirovanie obshhestvennykh zdanijj : Uchebnik [Architectural design of public buildings: A Textbook] / A. L. Gelfond. - Moscow : INFRA-M, 2016. - 368 p. - (Master's degree). – ISBN 978-5-16-010739-4 [in Russian]
  12. Fedorov, O. P. Principy ispol'zovanija vetroehnergeticheskikh ustanovok kak kompozicionnogo ehlementa pri integrirovanii ikh v arkhitekturnuju sredu [Principles of using wind power plants as a composite element when integrating them into the architectural environment] / O. P. Fedorov // Tradicii i innovacii v stroitel'stve i arkhitekture. Gradostroitel'stvo : sbornik statejj [Traditions and innovations in construction and architecture. Urban planning : a collection of articles] / edited by I. Balzannikova, K.S. Galitskova, E.A. Akhmedova; Samara State University of Architecture and Civil Engineering. - Samara : Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education "Samara State University of Architecture and Civil Engineering", 2016. - pp. 179-185 [in Russian]
  13. Grunichev, I. A. Integracija malykh vetroehnergeticheskikh ustanovok v arkhitekturnuju formu maloehtazhnogo zhilogo zdanija [Integration of small wind power plants into the architectural form of a low - rise residential building] / I. A. Grunichev // Vestnik grazhdanskikh inzhenerov [Bulletin of Civil Engineers]. – 2021. – № 3(86). – pp. 15-22– - DOI 10.23968/1999-5571-2021-18-3-15-22 [in Russian]
  14. Tabunshchikov Yu. A. Aehrodinamika zastrojjki i zdanijj [Aerodynamics of buildings and buildings] / A. Tabunshchikov, M. N. Efremov // AVOK. Inzhenernye sistemy zdanijj [AVOK. Engineering systems of buildings]. 2015. № 4. pp. 48-56 [in Russian]
  15. Fedorov, O. P. Metodika opredelenija vyborki modelejj arkhitekturnykh form dlja issledovanijj aehrodinamicheskikh kharakteristik zdanijj i sooruzhenijj [Methodology for determining the selection of models of architectural forms for the study of aerodynamic characteristics of buildings and structures] / O. P. Fedorov, E. V. Semenova, M. V. Kun // Sovremennye podkhody i metodiki nauchno-issledovatel'skojj raboty v arkhitekture : Sbornik nauchnykh trudov po rezul'tatam I i II Kruglykh stolov za 2020-2021 gody, Sankt-Peterburg, 18 fevralja 2021 goda [Modern approaches and methods of research work in architecture : A collection of scientific papers on the results of the I and II Round Tables for 2020-2021, St. Petersburg, February 18, 2021]. - Saint Petersburg: Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering, 2021. - pp. 68-80 [in Russian]
  16. Agekyan A. L. Aktual'nost' i sposoby opredelenija vetrovogo rezhima gorodskojj sredy i aehrodinamicheskikh kharakteristik pri proektirovanii zdanijj [Relevance and methods of determining the wind regime of the urban environment and aerodynamic characteristics in the design of buildings] / A. L. Agekyan, P. S. Tokareva, D. S. Kursheva, et al. // Iskusstvo i dizajjn: istorija i praktika : Materialy V Vserossijjskojj nauchno-prakticheskojj konferencii, Sankt-Peterburg, 30 maja 2020 goda [Art and design: History and practice : Materials of the V All-Russian Scientific and Practical Conference, St. Petersburg, May 30, 2020]. - St. Petersburg: St. Petersburg State Academy Of Art And Industry named after A. L. Stieglitz, 2020. - pp. 205-211 [in Russian]