В 1947 году, американский архитектор "Ричард Бакминстер Фуллер" предложил новую концепцию в архитектуре, полусферический купол из металлических несущих конструкций, имеющих форму сот, с натянутой на металлические ячейки пластиковой пленкой из особого полимера, т. н. "Геодезический купол".
Геодезический купол, легкая прозрачная конструкция способная защитить от ветра и дождя, но в то же время способная накрыть довольно большую площадь и имеющая большой внутренний объем. Купола Фуллера, разительно отличаются от привычных зданий, легкие и прозрачные, они кажутся футуристическими строениями, по сравнению с привычными каменными домами или металлическими корпусами.
Несущий каркас куполов изготовляется из легких металлических балок, как правило, стальных.
Типичный геодезический купол имеет форму полусферы, что позволяет равномерно распределять нагрузку и придает куполам хорошую обтекаемость, Ячейки каркаса имеют форму шестигранников, с некоторым количеством пятигранных элементов, которые способствуют плавному схождению конструкции к центру полусферы.
В ячейки вставляются легкие металлические рамы, на которые натянута пластиковая пленка из особого полимера, «Полиэтилентетрафторэтилена», сополимера полиэтилена и тетрафторполиэтилена – «Фторопласта» из которого делают антипригарное покрытие для сковородок. Полиэтилентетрафторэтилен – «ЭТФЭ» сочетает основные свойства полиэтилена и фторопласта, это прочный и эластичный пластик, негорючий, устойчивый к высокой температуре, не поддающийся разложению и имеющий грязе – пылеотталкивающую поверхность способную самоочищаться. В отличие от полиэтилена ЭТФЭ не твердеет и не трескается на морозе.
Пленочная облицовка куполов достаточно прочная, чтобы выдержать любой ветер, вплоть до ураганного, она свободно выдерживает вес человека. При повреждениях обрывки пленки медленно падают в низ, как обычная полиэтиленовая пленка, при пожаре ЭТФЭ не образует горячих расплавленных капель, подобно полиэтилену.
Купола фуллерна не нашли широкого применения в архитектуре, но они используются при проектировании некоторых зданий инновационного дизайна, получивших репутацию новых архитектурных чудес, таких как:
Купол «Климатрон», построенный в Сент Луисе в 1960 году, диаметром 53 метра, сделанный из алюминиевых несущих рам, служащий для создания микроклимата в оранжереи.
Купол – «Миллениум», «Тысячелетие», созданный в 1999 году в английском «Гринвиче», имеющий 50 метров в высоту и 320 метров в диаметре, со сложной системой поддерживающих тросов.
Ботанический сад – «Эдем», имеющий форму ряда куполов, построенный в 2002 году в Англии, в окрестностях Корнуэлла.
Здание национального пекинского плавательного комплекса в Китае. Построенное в форме квадрата из ассиметричных несущих ячеек, 30 метровой высоты и 170 метров в длину, прозванный «Водяной куб» из за своей геометрии.
Это только некоторые архитектурные сооружения с использованием геодезического купола, получивших славу новых архитектурных чудес.
Но самый внушительный проект, предполагающий строительство купола над центром Хьюстона, предложил сам изобретатель геодезических куполов.
Проект купол над Хьюстоном, предполагает создание гигантского купола полукилометровой высоты, 1600 метров в диаметре и общей площадью 6,5 квадратных километров. Это «Мегасооружение» имеет целью, защитить центр города от постоянных ураганов, сезонных дождей, летней жары и вообще сделать жизнь в городе более комфортной, независимо от капризов погоды.
По замыслу автора проекта, купол над Хьюстоном должен со временем окупиться за счет снижения затрат на коммунальное обслуживание, уборки улиц и отопления. Если такой проект может быть востребован в относительно благополучной климатической зоне США, то тем более он должен быть востребован в северных широтах, где защита от зимних морозов и снегопадов, удушающей летней жары, комаров и сезонных дождей жизненная необходимость.
Такой проект – «Города под куполом», может показаться фантастикой с первого взгляда, но в технических деталях куполов нет ничего фантастического, что многократно доказано на разных сооружениях, в которых был использован геодезический купол. Строительство куполов технически реализуемо, это далеко не самые сложные и не самые дорогие конструкции. Идея закрыть целый город или район гигантским куполом производит впечатление «Мегапроекта», из-за масштабов строительства, а не технических сложностей или стоимости ее реализации.
Идею «Города под куполом» можно сделать более реализуемой, если использовать вместо гигантских куполов километрового диаметра, множество относительно небольших полусфер, диаметром сотни или десятки метров, накрывающих небольшие участки застройки, или отдельные здания.
Но еще более удобной с точки зрения практической целесообразности может быть концепция т. н. «Купольной системы», состоящей из протяженных арочных конструкций накрывающих отдельные дома, и полусфер, сообщающихся между собой изнутри и образующих единый комплекс для поддержания микроклимата, похожий на гигантскую теплицу.
Арочные конструкции и небольшие полусферы, покрывающие отдельные здания, намного проще строить, чем крупные купола, способные закрыть группы домов вместе с дворами и прилегающими территориями. Небольшие конструкции купольных систем будет проще монтировать, так как не понадобятся специальные краны или вертолеты, и они позволяют более рационально использовать внутреннее пространство куполов, накрывающих только полезную площадь.
В отличие от классических полусфер, единственным несущим элементом для которых служит собственный каркас, каркасы купольной системы можно оснастить внутренними поддерживающими конструкциями, опорой для которых служит накрываемое куполом здание. Такой каркас сделает купол более жестким и снимет значительную часть нагрузки с внешней сетчатой оболочки, что позволит делать ее из серийного профиля, который дешев и повсеместно доступен.
Стандартные ячейки с тремя слоями купольной пленки обладают достаточно высокими теплозащитными свойствами, сравнимыми с трехслойными пластиковыми стеклопакетами. Но для севера их можно усилить несколькими дополнительными слоями пленки, до десяти слоев. Чтобы не было большого расхода дорогой пленки из ЭТФЭ, из стандартной прочной этиленфторэтиленной пленки можно сделать только внешние слои, внутренние слои не подверженные действию ветра могут быть и из дешевой тонкой пленки, как фторопластовой, так и из других полимеров. Теплоизоляционные свойства многослойных панелей сравнимы с бетонными плитами или слоем утеплителя, позволяя сохранять тепло даже в сильные морозы.
Купольная система дает большие преимущества в плане сохранения тепла зимой, позволяя в несколько раз снизить расход энергоносителей и эффективно использовать альтернативные источники тепла.
Основное преимущество, которое дает купольная система в плане теплового энергосбережения, это возможность эффективно использовать так называемые – «Низкопотенциальне источники тепла». Источники тепла имеющие низкую температуру, низкий энергетический потенциал, как правило, теряются, бесполезно рассеиваясь в пространстве. Из-за низкого потенциала, их не выгодно использовать в стандартных теплосетях. В стандартных системах отопления нужна высокая температура, иначе перекачивать теплоноситель по системе становится не выгодно. Для поддержания микроклимата в куполах достаточно иметь теплоноситель с комнатной температурой или даже нулевой, такой как речная вода.
Кроме того, что купола сами по себе могут служить дополнительным теплоизолятором, сохраняя тепло идущее от домов, они еще дают возможность с пользой использовать низко потенциальные источники, предотвращая бесполезную потерю энергии на «Нагревание атмосферы» и используя тепло «По второму кругу» за счет теплообменников.
Купол позволяет не только более экономно расходовать тепло от искусственных источников, но и задерживать тепло получаемое от солнца, за счет «Микро парникового эффекта», который может создать специальное покрытие на внутренней стороне пластиковой пленки, отражающее тепловое, инфракрасное излучение обратно под купол, но беспрепятственно пропускающее солнечный свет.
При стандартной схеме теплоснабжения дома отапливаются горячей водой, полученная от теплоносителя энергия рассеивается в атмосфере через стены и окна и уходит с теплым воздухом через систему вентиляции. Купола образуют дополнительный барьер, сохраняющий внутри тепло уходящее через стены, и дает возможность возвращать тепло потраченное на нагрев воздуха за счет теплообменников. Проходя через регенеративные теплообменники – «Рекуператоры», теплый воздух из вентиляции и из-под купола отдает свое тепло свежему атмосферному воздуху, поступающему в систему вентиляции, создавая замкнутый тепловой цикл, сводящий к минимуму потери энергии.
Под купола, так же можно направить низко потенциальное тепло от других источников. Котельные, и производственные предприятия выделяют довольно много тепла, которое слишком рассеянное для систем теплоснабжения, но его можно направить под купол. Сколько энергии теряется в виде горячего дыма из труб котельных? Одной рекуперации тепла «Из трубы» достаточно чтобы отапливать ближайшие дома. Сколько тепла могут выделять промышленные предприятия, находящиеся на периферии городов? А тепло из многочисленных точек общепита и пекарен, расположенных в черте города? Они используют мощные печи, но тепло от них большей частью бесцельно рассеивается в атмосфере. Сколько горючего можно сэкономить, если направлять в купола рассеянное тепло от всех доступных источников?
Рекуперация низко потенциального тепла позволяет использовать даже тепло от проточной воды зимой, потенциал которой совершенно непригоден для стандартного отопления, но его достаточно для куполов. Зимой вода из естественных водоемов имеет температуру близкую к нулю, но при замерзании этой воды выделяется большое количество тепловой энергии, которая позволяет нагревать воздух до нулевой температуры. Вода при этом превращается в жидкую суспензию мелких льдинок – «Шугу». Зимой в морозы воздух нулевой температуры вполне пригоден для создания микроклимата под куполами. И нагревать воздух от нулевой температуры до комнатной, значительно проще, чем от минус десятков градусов, во время зимних морозов. Используя проточную воду зимой, можно в два три раза экономить топливо за счет практически дарового источника тепла.
Традиционные тепловые сети не позволяют в полной мере использовать возможности куполов, из-за того что системы теплоснабжения рассчитаны только на высокопотенциальное тепло. А тепло от низко потенциальных источников сможет обогревать только ближайшие здания, теплый воздух в системе куполов трудно перемещать на большие расстояния.
Но этот недостаток может быть устранен при проектировании северных городов специально из расчета на купольную систему, что дает возможность использовать в качестве централизованного теплоснабжения не трубы, а каналы с водой.
На северной земле много рек, и большинство городов стоят на берегу рек или вблизи крупных ручьев. При проектировании «С нуля», можно подбирать места с подходящими источниками проточной воды. Обилие проточной воды позволяет в качестве основной тепло распределительной системы использовать сеть подземных каналов, подобную ливневой канализации, связанную с теплоэлектроцентралями и мощными промышленными источниками тепла. Вода имеет большую теплоемкость и при подходящем рельефе местности может перетекать самотеком, без затрат энергии, и на большие расстояния. Каналы в отличие от труб имеют большую пропускную способность, большой объем теплоносителя позволяет снизить его минимальную необходимую температуру, вплоть до комнатной. Отбирать тепло из каналов можно через систему рекуперации, отдельную для каждого дома, и направлять его в квартиры через внешнюю, водную или воздушную распределительную сеть. Что сводит к нулю риски известковых отложений в системе труб или затопления квартир, при использовании теплого воздуха еще и значительно снизится энергопотребление, так как нагретый воздух будет поступать на верхние этажи самотеком.
Если проектировать город с таким расчетом, чтобы система тепло распределительных каналов проходила сначала через основные промышленные предприятия, получая от них рассеянное тепло аккумулированное под куполами через рекуператоры, а затем по необходимости дополнительно подогреваемая теплом от основных городских тепло электроцентралей, можно свести к минимуму затраты на отопление в зимний период.
Кроме того система тепло распределительных каналов, позволяет использовать принципиально новые источники отопления, биологические источники тепла.
Микроорганизмы, питающиеся биомассой, в виде водной суспензии выделяют большое количество тела. Такое же количество теплоты можно получить при сжигании этой же органической массы в котельных, но «Биологическое сжигание» более удобно по многим параметрам. В котельных можно использовать только сухое и высококалорийное топливо, древесина например, горит хорошо, но не все виды органического топлива хорошо подходят для сжигания. Во первых, котельное топливо должно быть с низким содержанием воды, его нужно сушить, затраты тепловой энергии на сушку снижают суммарный КПД. Во вторых, не все виды органического топлива поддаются сушке и хорошо горят даже в высушенном состоянии. К примеру, пищевые отходы будут иметь низкую температуру горения даже высушенные, притом, что сушить их довольно сложно и едва ли не вся энергия, получаемая от такого топлива, уйдет его же сушку. В котельных велики тепловые потери, особенно при использовании топлива с низкой температурой горения, у биотоплива она, как правило, не высокая. При сжигании мусора в котельных выделяется много высокотоксичных веществ, что делает использование этого вида топлива опасным и затратным.
При биологическом сжигании биотоплива – «Метаболизации» невозможно получить высокую температуру, но этот недостаток сводится на нет при отборе тепла через систему каналов. Во всех остальных отношениях только преимущества. Топливо не нужно сушить, можно использовать сырое естественное сырье, например, хвою, листву, древесные и сельскохозяйственные отходы. Можно использовать мусор и пищевые отходы, причем без предварительной переработки и без образования токсичных продуктов, соответственно и без затрат на обеззараживание. Метаболизация органических веществ, проходит в две стадии, первая – «Анаэробное разложение», или брожение, которое идет без доступа воздуха, с образованием горючего газа, метана, метан можно использовать как горючее для силовых установок и электрогенераторов. Вторая – «Аэробное разложение», которое требует принудительной подачи воздуха, но дает очень много тепла. Температура, которую дает жизнедеятельность микроорганизмов, 35 – 40 градусов Цельсия, достаточна для нагревания воды в тепло распределительных каналах.
Генерация тепла при помощи метаболизации, дает возможность использовать сырую биомассу пищевые отходы и бытовой мусор, с высокой эффективностью. Тепло генераторами могут служить городские очистные сооружения, летом очищающие канализационные стоки, а зимой переходящие в режим тепло генераторов. «Топливом» могут служить мусор и отходы, накапливаемые летом на промежуточных полигонах, различные виды биологического сырья. Вместе со специальным органическим топливом биологические тепло генераторы могут «Сжигать и канализационные стоки». Ил, получаемый как конечный продукт биологического разложения, может использоваться в качестве удобрения.
Система тепло распределительных каналов может соседствовать с системой каналов с холодной водой, которые зимой можно использовать для предварительного подогрева воздуха до нулевой температуры. А летом каналы с холодной водой могут служить естественным централизованным кондиционером, снижая температуру воздуха в купольной системе в жаркие дни. Что позволит поддерживать благоприятный микроклимат в системе куполов в любое время года и при любой погоде.
С точки зрения экономической целесообразности, купольные системы могут не только окупать себя за счет снижения затрат на отопление, но и позволяют экономить на строительстве. Микроклимат, создаваемый куполами избавляет жилые дома от действия ветра, дождей и сильных перепадов температуры. Что позволяет строить под куполами здания облегченного типа, основу которых составляют не тяжелые строительные материалы, такие как бетон и кирпич, а легкие каркасы из металлических и бетонных балок, обшитые трехслойными панелями, не несущими, но легкими и дешевыми. Здания из «Сендвич» панелей на металлических каркасах одно из новых направлений в строительстве, такие дома дешевые и быстровозводимые. Легкие панели, несмотря на малый вес, обладают хорошими тепло шумоизолирующими свойствами. Купола практически исключают попадание воды в стыки между панелями и перепады температур, которые могут приводить к разрушению внешних стен и коррозии несущих балок, делая здания облегченного типа не менее долговечными, чем капитальное жилье. Панельные здания стоят в несколько раз дешевле бетонных, в то же время стоимость самих куполов не так велика по сравнению с домами. Стоимость квадратного метра серийных куполов, как правило, в пределах нескольких сотен долларов за квадратный метр, это немного по сравнению с ценами на жилье, стоимость арочных куполов будет еще ниже, так как их ячейки имеют более простую геометрию и могут быть изготовлены из дешевых материалов. Один из серийных куполов подходящих габаритов имеет диаметр 50 метров внутреннюю площадь, около 1900 метров и стоимость 50000 евро, что в пересчете на квадратный метр составляет около 25 евро. У похожего купола на жилом доме стоимость метра будет в разы выше, так как высота купола будет больше, а покрываемая площадь меньше. Но все равно можно, можно с уверенностью сказать, что относительная стоимость куполов не велика и с массовым освоением этой технологии она снизится еще в несколько раз. С некоторым риском оказаться от зависимости от микроклимата купола, внутренние здания можно делать вообще из одних отделочных материалов, что делает их уязвимыми при сильных повреждениях купола, но зато позволяет снизить стоимость застройки в 5, 10 раз, по сравнению с традиционным жильем.
Технология накрытия зданий куполами сначала должна пройти стадию инкубации на самых инвестиционно привлекательных постройках, таких как торгово развлекательные центры и офисные здания, когда она станет отработанной и подешевеет, куполами начнут накрывать жилые застройки и производственные помещения. В отличие от «Мегапроектов», большой стоимости и рассчитанных на длительный срок окупаемости, постепенное развитие концепции купольных систем, не предполагает больших затрат и рассчитано на постепенное развитие и стандартное финансирование.
По всей вероятности, технология куполов начнет свое развитие не с покрытия целых зданий, а с фасадов. Накрыть куполом фасад здания стоит относительно не дорого, в то же время такой «Односторонний купол», удобен для посетителей, давая убежище от капризов погоды, грязи и шума дорог. Строительство куполов на фасадах ближе к отделочным, декоративным работам, но это потенциально самое востребованное направление, с которого может начаться массовое распространение куполов.
Самые инвестиционно привлекательные здания, рассчитанные на массовое привлечение клиентов, могут накрываться куполами целиком с прилегающими территориями, без полумер, или проектироваться сразу из расчета на купольную конструкцию. Крупные купола могут обеспечить большую полезную площадь с открытым пространством, они эстетичны и в то же время относительно дешевы. Купольные конструкции хорошо подходят для проектирования крупных торговых центров, таких как центр «Хан шатыр» в Астане: http://www.khanshatyr.com/
 
Купольные конструкции в дизайне публичных зданий известны задолго до изобретения геодезического купола, центральный универмаг, бывший еще в царской России крытым рынком, многие другие здания крытых рынков и вокзалов конструировались из расчета на прозрачные купола, дающие много света и внутреннего пространства при умеренных затратах. Геодезический купол позволяет продолжить эту тенденцию, сводя к минимуму тяжелые каменные постройки.
После того как технология куполов пройдет стадию инкубации на рейтинговых зданиях, она станет достаточно распространенной и доступной для рядовых застроек. К использованию купольных систем на севере может побуждать снижение расхода топлива на отопление, в среднем на человека расходуется около 4 тонн топлива в год, стоящие около тысячи долларов, приблизительная цена купола в пересчете на квартиру несколько тысяч долларов, купол позволяет экономить до 50% и более энергии на отопление. Купола должны окупаться за 5 – 7 лет, за счет экономии топлива, но этот срок может уменьшиться за счет новых, более рациональных технологий строительства.
Сейчас купола прошли первую стадию инкубации на экспериментальных зданиях, созданных больше для новизны, чем для практического использования. Концепция купольной системы делает идею накрытия городов куполами более доступной, реализуемой и инвестиционно привлекательной. Практическая реализация этой концепции может сделать северные города оазисом микроклимата, подобием вечнозеленого сада «Эдема» в окружении вьюг и морозов.
Николай Агапов.
Обсудить на форуме: http://cosmosclub.forum2x2.ru/t3-topic#3
|
