Космопорт в формате LEED

М. М. Бродач, профессор МАрхИ, вице-президент НП «АВОК»

Н. А. Шонина, старший преподаватель МАрхИ

Идея проекта

Идея создания космопорта принадлежит британскому миллиардеру сэру Ричарду Бренсону, который является учредителем ряда компаний, в том числе и авиакомпании, специализирующейся на перелетах на дальние расстояния.

Конкурс на лучший дизайн-проект, объявленный в 2005 году, выиграло архитектурное бюро «Фостер и партнеры». Их победа была предсказуема, т. к. бюро имеет опыт проектирования крупных международных аэропортов в Китае, Гонконге, Иордании и Великобритании и знаменито объектами, в которых архитектурные достоинства сочетаются с экологичностью. Футуристичный дизайн, предложенный Норманом Фостером, отличался от привычных архитектурных форм: внешний вид здания психологически настраивает космических туристов на полет в космос.

Концепция проекта

Трехэтажное здание космопорта занимает площадь около 10 тыс. м² и имеет максимальную высоту 18,3 м. В пустынной местности здание не выглядит громоздким, оно органично вписано в окружающую среду благодаря использованию природных форм и удачному цветовому решению.

Одной из задач проекта, с успехом выполненной архитекторами, было разделение служебных помещений и помещений для массового посещения. Подобная схема разделения людских потоков повышает комфортность пребывания пассажиров и экскурсантов и в то же время позволяет персоналу не отвлекаться от работы, а также повышает безопасность объекта в целом. Пассажиры суборбитальных кораблей будут наблюдать за процессом подготовки к полету – потолок зала управления выполнен из прозрачного стекла. Диспетчерская отделена от пассажиров звуконепроницаемым барьером.

Вход в здание космопорта привлекает к себе внимание нестандартным архитектурным и дизайнерским решением. Он представляет собой заглубленный коридор, в котором будет размещена музейная экспозиция, повествующая об истории освоения космоса, а также об истории штата Нью-Мексико, где расположен космопорт. Кроме музейной экспозиции там будут расположены экраны, отображающие информацию о космических рейсах. Подобное конструктивное решение входа не только облегчит управление пассажиропотоком космопорта, но и послужит еще одним элементом безопасности, защищающим людей от обломков в случае возможного падения летательного аппарата.

Климатическая характеристика района строительства

Космопорт расположен на высоте 1 400 м над уровнем моря, в этой местности примерно 330 безоблачных дней в году, над районом отсутствуют воздушные транспортные трассы. Климат Нью-Мексико засушливый. Уровень осадков в среднем составляет 230 мм в год. Лето жаркое и сухое, средняя температура июля 24 °C. Температурный перепад в течение суток значителен, днем температура обычно достигает 32 °C, а ночью может опускаться до 7 °C. Средняя температура июля 25,5 °C. Средняя температура января –4 °C. Объект находится на большом удалении от источников электроснабжения и водоснабжения.

Совокупность климатических параметров и удаленность от инженерной инфраструктуры обуславливает необходимость создания здания с низким ресурсопотреблением и фактически автономной системой жизнеобеспечения.

Энергоэффективные решения

Одной из сложных задач, стоявших перед разработчиками здания, являлось поддержание комфортного микроклимата в здании при минимальном расходе энергии на климатизацию и освещение. Для решения этой задачи был применен комплексный подход к проектированию. Совокупность архитектурных и инженерных решений позволила создать энергоэффективное здание, соответствующее требованиям рейтинговой системы LEED Gold.

Форма и ориентация здания

Форма здания космопорта разработана с помощью методов компьютерного моделирования. Были заданы нагрузки на систему климатизации здания для разных характерных периодов года, анализ совокупности влияний наружного климата на энергопотребление здания позволил определить оптимальную форму здания, его ориентацию и размеры.

Около 20 лет назад в нашей стране были разработаны научные основы проектирования энергоэффективных зданий и предложена методика определения оптимальной формы и ориентации здания с минимальным энергопотреблением, а также предложен метод определения показателя тепловой эффективности проектного решения здания, который характеризует качество выбора формы оболочки здания с точки зрения энергосбережения [1]. Здание рассматривается как единая энергетическая система. Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания может быть оптимизировано за счет выбора формы здания, расположения и площадей заполнения световых проемов, регулирования фильтрационных потоков. Оптимальный выбор ориентации и размеров здания дает возможность в теплый период года уменьшить воздействие солнечной радиации на оболочку здания и, следовательно, снизить затраты на его охлаждение, а в холодный период – увеличить вклад солнечной радиации в тепловой баланс здания и снизить затраты на отопление. Аналогичные результаты будут получены при удачном выборе ориентации и размеров здания по отношению к воздействию ветра на его тепловой баланс и при выборе размеров и местоположения светопрозрачных ограждающих конструкций на расход энергии на освещение здания.

Эскиз главного фасада космопорта

Архитектурно-конструктивные решения

Форма здания космопорта куполообразная. Сплошное остекление на главном фасаде позволяет значительную часть времени использовать естественное освещение для помещений, экономя электроэнергию. Массивная крыша здания снабжена козырьком, значительно выступающим над остеклением для предотвращения попадания прямых солнечных лучей и перегрева помещений в летнее время. Помещения, расположенные внутри здания, освещаются с помощью световых фонарей, расположенных на крыше. Эффективная фасадная система обеспечивает максимальный обзор и прохождение дневного света, но в то же время не дает прямым солнечным лучам нагревать помещения в теплый период года.

В центральной части здания расположен атриум. Он покрыт фотоэлектрическими панелями для выработки дополнительной электроэнергии. Также на крыше находятся солнечные коллекторы, служащие для нагрева воды для системы ГВС. Западная часть здания заглублена в землю, так оно защищено от воздействия палящих лучей заходящего солнца и так снижаются затраты энергии на охлаждение, т. к. в пустыне температура грунта днем значительно ниже, чем температура окружающего воздуха. Массивные ограждающие конструкции здания позволяют использовать перепад наружных температур в течение суток для охлаждения здания днем и обогрева ночью.

Аэродинамическая форма здания оптимизирует и сглаживает воздушные и ветровые потоки внутри и вокруг здания. Также ориентация здания позволяет использовать для естественной вентиляции западные ветра, которые являются менее горячими, чем ветры остальных направлений.

Рисунок (подробнее) Проект использования энергосберегающих решений

Инженерные системы здания

Внутренние инженерные системы здания представляют собой взаимосвязанную структуру, цель которой – обеспечить комфортные параметры микроклимата внутри здания с минимальными энергозатратами.

В здании применены следующие энергоэффективные инженерные решения:

• сочетание механической и естественной вентиляции;
• низкоскоростная вытесняющая вентиляция;
• использование охлаждающих балок в общественных зонах;
• использование тепловых насосов;
• грунтовые воздуховоды под насыпным фундаментом для предварительного охлаждения приточного воздуха;
• панельно-лучистое охлаждение и отопление, встроенное в пол.

Вентиляция

При благоприятных параметрах наружного воздуха в здании имеется возможность организовать приток свежего воздуха с помощью естественного проветривания не только для помещений, расположенных по периметру здания, но и для внутренних помещений, оснащенных световыми фонарями. При открывании приточных устройств естественной вентиляции отопление и механическая вентиляция в данном помещении отключаются автоматически, что позволяет минимизировать потери энергии. При неблагоприятных погодных условиях используется механическая вентиляция.

Наружный воздух, поступающий в систему механической вентиляции, предварительно охлаждается в бетонных каналах большого диаметра и большой протяженности, проложенных под насыпным фундаментом. В ночное время насыпной фундамент охлаждается и накапливает холод. Днем по этим каналам проходит воздух с небольшой скоростью, охлаждается и поступает в вентиляционные установки, где проходит систему фильтрации, состоящей из песколовки (для предупреждения попадания песка во время пыльных бур, возможных в пустынных районах) и систему фильтров тонкой очистки. Далее воздух при необходимости увлажняется, подогревается (в холодный период) или охлаждается (в теплый период года). Для экономии энергии, затрачиваемой на увлажнение и нагрев/охлаждение приточного воздуха, в приточно-вытяжной установке расположен гигроскопичный роторный рекуператор. Подобные рекуператоры предназначены специально для установки в странах с жарким климатом. При вращении секторы рекуператора, заполненные аккумулирующей массой, попеременно пересекают каналы приточного и удаляемого воздуха. С помощью гигроскопичного наполнителя происходит перенос тепла и влаги между вытяжным и приточным воздухом.

Механическая приточно-вытяжная вентиляция здания космопорта организована по схеме вытесняющей вентиляции. Приточный воздух подается в вертикальный вентиляционный канал, расположенный в центральной части здания, откуда на каждом этаже распределяется по помещениям по горизонтальным воздуховодам, расположенным в пространстве под фальшполом. Раздача воздуха в помещения осуществляется через воздухораспределительные решетки, расположенные в рабочей зоне в стенах по периметру пола. Удаление воздуха осуществляется из верхней зоны помещения. Организация воздухообмена по схеме вытесняющей вентиляции позволяет обеспечить более высокое качество воздуха в обслуживаемых помещениях, т. к. приточный воздух подается непосредственно в рабочую зону. Также подобная система вентиляции снижает затраты энергии по сравнению с традиционной схемой перемешивающей вентиляции.

Охлаждение

Пассивные методы защиты здания от негативных воздействий наружного климата, таких как резкие суточные перепады температуры, позволили отказаться в здании космопорта «Америка» от энергозатратных систем охлаждения и отопления здания и сделали возможным использование только альтернативных источников энергии.

Система замоноличенных в пол труб, по которым циркулирует теплоноситель, при необходимости подогревает или охлаждает помещения космопорта. В таких системах панельно-лучистого отопления чрезвычайно удобно использовать тепловые насосы, которые обеспечивают низкотемпературным теплоносителем. Преимуществом панельно-лучистого отопления является то, что данная система создает равномерное распределение температуры в помещении. В качестве источника теплохолодоснабжения используется геотермальная энергия. В водоносный слой ведут две скважины: одна для подъема воды, другая, на удалении около километра, служит для закачки воды обратно под землю. Погружной насос выкачивает воду из глубин на поверхность. В специальном теплообменнике она отдает свое тепло или холод и после фильтрации возвращается обратно под землю. Полученная тепловая энергия используется инженерными системами космопорта с помощью теплового насоса.

Для общественных зон, где могут быть повышенные выделения тепла при скоплении значительного количества людей, для дополнительного охлаждения используются системы с климатическими балками. Пассивные климатические балки представляют собой теплообменник, подключенный к системе подачи холодоносителя. Принцип их работы основан на естественной конвекции воздуха у корпуса балки. Теплый внутренний воздух, контактируя с балкой, охлаждается и опускается вниз в рабочую зону. Балки устанавливаются непосредственно под потолком. При нехватке электроэнергии и возможности использования альтернативных источников энергии система с климатическими балками окупается быстрее традиционных систем, т. к. единственным потребителем электроэнергии в системе с пассивными климатическими балками является насос, перекачивающий холодоноситель; в то время, как в традиционных системах выработка холода идет за счет использования электроэнергии, что дает значительную нагрузку на энергетическую систему здания. Также система не требует значительных затрат на эксплуатацию и более надежна, т. к. в ней отсутствуют вентиляторы.

Система водоснабжения и водоочистки

Систему водоснабжения и водоотведения проектировала фирма Albuquerque AUI Inc, специализирующаяся на проектировании систем с высоким водосбережением.

Система водоснабжения включает: четыре скважины, стальной резервуар для хранения воды на 5000 м³, насосную станцию, систему хлорирования воды, а также внутренний водопровод для бытовых нужд и пожаротушения. Системы водоснабжения здания оборудованы водосберегающей сантехнической арматурой.

Насосная станция, предназначенная для подачи воды в здание космопорта, состоит из четырех многоступенчатых насосов, трех вертикальных консольных центробежных насосов, а также предусмотрено место для установки четвертого в случае необходимости.

Мощность насосной станции и насосы, установленные на ней, были подобраны особо тщательно с целью экономии электроэнергии. Все насосы оснащены частотными регуляторами, позволяющими менять расход воды. Принимался во внимание график потребления воды в течение суток как на начальном этапе эксплуатации космопорта, так и с учетом его дальнейшего развития. Это помогло добиться максимальной энергоэффективности насосов.

В здании запроектирована система рециркуляции и повторного использования очищенных сточных вод.

До 85 м³ сточных вод в день сбрасываются в две отдельные системы очистки сточных вод. Первая система очистки сточных вод состоит из резервуара усреднителя на 190 м³, который также выполняет функцию аварийно-регулирующего резервуара; затем следуют восемь ступеней очистки в аэротенках. После них сточные воды попадают в резервуар анаэробной обработки объемом 110 м³. Откуда очищенные воды поступают в бак-накопитель объемом 20 м³, и уже оттуда вода отбирается для вторичного использования на технические нужды. Излишки сбрасываются на поле фильтрации площадью 3 га. Техническую воду предполагается использовать для орошения взлетной полосы для ее охлаждения в жаркие безоблачные дни.

Вторая система очистки сточных вод для центра управления полетами состоит из септика на 5 м³, после которого вода выбрасывается на поле инфильтрации площадью 0,014 га.

По требованиям санитарных норм штата, количество общего азота в сточных водах не должно превышать 200 кг/га в год, чтобы не нанести вред грунтовым водам, которые являются основным источников водоснабжения всей области.

Дефицит грунтовых вод является серьезной проблемой для всего штата Нью-Мексико. При строительстве космопорта изначально были пробурены четыре водозаборные скважины, забирающие воду из одного и того же водяного горизонта. При выдаче разрешения на бурение местные власти считали, что количество грунтовых вод достаточно для нужд строительства космопорта «Америка» и что строительство не окажет никакого неблагоприятного воздействия на фермерские хозяйства, расположенные по соседству. Но через некоторое время фермеры стали жаловаться, что их скважины иссякают.

Для того чтобы уровень вод восстановился, подрядным организациям, занимавшимися вопросами водоснабжения, пришлось прекратить отбор из двух скважин и пробурить две новые, забирающие воду с другого водоносного горизонта. После этого уровень вод восстановился, но этот случай получил огласку в СМИ.

Литература

1. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий. М., 2002.
2. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий // AВОК. 1998. № 1.
3. Бродач М. М. Теплоэнергетическая оптимизация ориентации и размеров здания // Тепловой режим и долговечность зданий: Науч. тр. НИИСФ. М., 1987.
4. Табунщиков Ю. А. Основы математического моделирования теплового режима здания как единой энергетической системы: Дис. д-ра техн. наук. М., 1983.
5. Табунщиков Ю. А., Хромец Д. Ю., Матросов Ю. А. Тепловая защита ограждающих конструкций зданий и сооружений. М., 1986.
6. Вытесняющая вентиляция в непроизводственных зданиях: Справ. руководство REHVA. М., 2003.
7. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М., 2003.
8. Бродач М. М., Вирта М. К., Устинов В. В. Климатические балки: проектирование, монтаж, эксплуатация. М., 2012.