Концепция Eq энергогенерирующей фасадной системы

КОНЦЕПЦИЯ ЭНЕРГОГЕНЕРИРУЮЩЕЙ ФАСАДНОЙ СИСТЕМЫ

Н.И. Рукобратский, канд. тех. наук, доцент О.П. Федоров, старший преподаватель Н.Ю. Шитухина, студент

Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Аннотация. Данная тема посвящена актуальной сегодня проблеме повышения энергоэффективности архитектуры. В статье описывается фасадная система, которая использует прямой пьезоэлектрический эффект и является энергогенерирующей конструкцией. Рассмотрена данная технология, приведены проектные разработки, выявлены реализованные проекты с использованием потенциального художественного приема и дана классификация в зависимости от варианта исполнения фасадных элементов и конструктивных решений. Рассматриваемая фасадная система обладает не только большой энергоэфективностью, но и добавляет архитектурным сооружениям динамики, необычности и выразительности на фоне статичных объектов.

Ключевые слова: энергоэффективные технологии, формообразование, ветроэнергетика, фасадные технологии, альтернативная энергия, архитектура.

Чем же отличаются новые технологии и изобретения XXI века в архитектуре по сравнению прошлым веком? Безусловно, XXI век отличается тем, что в нем предложены уникальные технологии и изобретения, в которых более явно можно отследить адаптацию к современным коммуникациям и тесное взаимопонимание искусственной среды с окружающей природой. Затрачивая большое количество средств на проектирование и строительство подобного рода зданий, заказчики получают, помимо финансовой прибыли, ценный социальный эффект, а именно совершенствование восприятия человеком правильного отношения к окружающему миру [1].

Отрасль ветроэнергетики стала ответом на потребность людей в создании экологичной среды и в источниках возобновляемой энергии. Ветровые электростанции становятся выше, а их лопасти длиннее и легче, что позволяет им генерировать энергию даже при слабом ветре. Объекты устанавливаются в благоприятных для выработки энергии местах, а именно где потоки ветра наиболее активны. Даже в современных мегаполисах проектировщики и архитекторы стараются включить в конструкции небоскребов ветрогенерато-ры [2]. Однако, люди, которые проживают рядом с такими объектами, не всегда остаются удовлетворенными. Самой главной

проблемой является высокий показатель шума и низкочастотных колебаний. Второй, но менее критичной претензией, является то, что большое количество ветрогенераторов не могут являться эстетически привлекательными объектами и не украшают окружающую среду.

Чтобы найти решение этой проблемы нью-йорская дизайн-студия Atelier DNA предложила проектное предложение устройства, которое способно преобразовывать энергию ветра без помощи привычных лопастей. Задумка системы «Windstalk» включает в себя 1200 гибких столбов-стеблей без традиционных лопастей, установленных на земле. Каждый стебель состоит из углеродного волокна и имеет высоту более 50 метров (рис. 1). У основания толщина полюса стебля составляет порядка 30 см, к вершине диаметр сужается до 5 см. При сгибании происходит его деформация и пьезоэлектрические диски подвергаются сжатию, благодаря чему они вырабатывают электричество [3].

Шведские архитекторы студии Belatchew Arkitekter разработали проектное предложение небоскреба, верхняя часть которого при ветряной погоде способна самостоятельно вырабатывать электричество, позволяющее обеспечить энергией большую часть здания (рис. 1). Такая система считается более безопасной, чем

установка на здании ветровых турбин. В щий поляризацию диэлектрика под дейст-этом проекте также используется прямой вием механических напряжений [4]. пьезоэлектрический эффект предполагаю-

Рис. 1. Слева- система «Windstalk» студии Atelier DNA, справа - проект студии

Belatchew Arkitekter

Впервые феномен «пьезоэлектричества» был описан и наглядно представлен Джексоном и Пьером Кюри в 1880 году. Это явление было продемонстрировано на кристаллах турмалина и кварца. Саму же теории о пьезоэлектрических явлениях сформулировал С.А. Бугуславский в 1914 г. Пьезоэлектрический эффект объясняется тем, что усилие, которое будет приложено к образцу из пьезоэлектрического материала, приведет к появлению на электродах разности потенциалов. Но мы можем наблюдать обратный пьезоэлектрический эффект. Если поместить образец в электрическое поле, то произойдет его деформация, стремясь пьезоэлектрическим эффектом ослабить это поле. Термин «пье-зогенераторы» обуславливается направлением преобразования энергии, а не эффективностью ее превращения. Именно явлением, связанным с электрогенерацией при внешнем механическом воздействии на пьезоэлектрический материал, заинтересовались в наши дни ученые, проектировщики и архитекторы. Рассматривая подробнее физику процессов, происходящих в пьезоэлектрике, мы видим, что при меха-

ническом воздействии на пьезоэлемент наблюдается смещение атомов в несимметричной кристаллической решетке материала. Именно от смещения атомов зависит возникновение электрического поля, которое индуцирует (наводит) заряды на электродах пьезоэлемента. Сравнивая этот процесс с конденсатором, обкладки которого позволяют сохранять заряды энергии достаточно долго, заряды пьезоэлемента будут сохраняться только до тех пор, пока на них действует механическая нагрузка. Именно в это время элемент вырабатывает энергию самостоятельно. Когда снимается нагрузка исчезают и сами индуцированные заряды. Отдельные пьезоэлементы вырабатывают высокое напряжение, которое прорывает разрядный промежуток, и ток поступает на выпрямитель, а затем в накопительное устройство (аккумулятор) [5, с. 104-115].

Рассматривая эту систему и накладывая ее на представленные ранее художественные приёмы в проектах, мы можем получить примерную схему работы данных волокон (рис. 2).

Выпрямитель Фильтр Аккумулятор Инвертор

Рис. 2. Вариант схемы технологии данной системы, представленный автором статьи

Данная фасадная система, с точки зрения внешнего вида необычна и характерна. В качестве примера такого «пушистого» фасада, можно привести Британский павильон от студии Heatherwick. Павильон в виде куба представляет собой 20 метровый объект, на фасаде которого находится около 60000 преломляющих свет волосков-трубочек. На протяжении всего дня эти волоски впитывают в себя солнечные лучи, чтобы обеспечить освещение внутри в вечернее время. Подобное дизайнерское решение можно увидеть в проекте Sitooterie II. «Sitooterie». Ночью этот объект малой архитектурной формы превра-

щается в некое подобие кометы, благодаря своим маленьким и длинным тонированными окнам-трубочкам из стекла оранжевого цвета. Объект открыт для посещения в 2007 году как один из экспонатов коллекции National Malus Collection в Графстве Эссекс в Великобритании [4].

Ниже представлены еще несколько примеров, обладающих похожими визуальными характеристиками (рис. 3). То есть, потенциал данного художественного приема будет гораздо выше при объединении его с дополнительной функцией использования энергии ветра.

' Потенциал в аналогах;

1- I т—-1

Павильон Hammer Museum Petat Glass Sitooterie II ЭКСПО 2010, Los Angeles ................... .

ni В И-1 ЯН

Рис. 3. Наглядный перечень проектных решений, с использованием «пушистого»

художественного приема

Если данную концепцию реализовать в реальной жизни, необходимо будет произвести классификацию этих волокон для разных нужд и для разных видов зданий. В

зависимости от варианта исполнения и конструктивных решений, можно классифицировать волокна по нескольким разделам (рис. 4).

Рис. 4. Вариант классификации по разделам пьезоэлектрических волокон, представленный

автором статьи

Не менее важной отличительной чертой характеризующей здания с внедрением предлагаемой системы, являются выразительность, индивидуальность образов и высокое качество архитектурных решений. Интеграция таких «волосков» в фасадную систему непременно оживит внешний вид и даст новую жизнь зданию. Благодаря постоянному движению волосков на фасаде создается динамичный пейзаж. Волокна на ветру постоянно вносят изменения и трансформируют фасад, а эффект движения в ночное время можно дополнить сменой цвета и освещением на кончике каждого волоска [6]. Разрушив стандартное представление о ветрогенераторе, можно создать экспериментальную мягкую элек-трогенерирующую структуру. Однотипная ритмическая организация современных зданий и пространства пробуждает в человеке отрицательно эмоционально-эстетическую реакцию на окружение. Подобное введение людей в жесткие рамки абсолютно статических вещей сказывается не только на внешней атмосфере города, но и на восприятия этого города самим человеком. Своеобразие предложенной кон-

цепции в том, что «пьезоэлектрический ветряк-соломинку» можно установить прямо в городской среде, избегая недовольства со стороны проживающих рядом людей и не вступая в конфликт с окружением.

Основополагающие моменты в современной архитектуре и в строительстве -это энергоэффективность самого здания, его автономность и экологичность. Самый главный аспект - это самообеспечение постройки, автономность и его самостоятельность как полноценного живого организма, которая в совокупности с новыми технологиями позволяет разрабатывать проект в самых разных местах. В России подобные технологии стали известны недавно и еще не успели приобрести большую популярность у строителей, дизайнеров и архитекторов. Энергоэффективные архитектурные решения, кроме всего прочего, являются частью современных направлений, которые ориентированы на жизненные циклы. Независимость здания от внутренних и внешних факторов, может существенно упростить нашу жизнь и улучшить экологию.

Библиографический список

1. Инновационные технологии в области архитектуры на примере организации лабораторного комплекса в СПбГАСУ / О.Е. Ковзель, Л.Л. Конакова, А.И. Юнусова, О.П. Федоров // Актуальные проблемы архитектуры: Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых и докторантов/СПбГАСУ. - СПб., 2013. - С. 59-60.

2. Федоров О.П. Современные энергосберегающие технологии в архитектуре. Использование ветровых турбин // Актуальные проблемы современного строительства: сб. материалов 61-й Международной научно-технической конференции молодых ученых / Санкт-Петербургский государствнный архитектурно-строительный университет. - СПб., 2008. - Ч. 2. - C. 35-39.

3. Atelier DNA. Design Laboratory. Windstalk - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://atelierdna.com/windstalk/ (дата обращения: 19.01.2016).

4. Belatchew Arkitekter - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// belatchew.com/en/strawscraper/ (дата обращения: 04.01.2016).

5. Калашников С.Г. Электричество: учебное пособие для вузов. - Москва: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 1977. - С. 104-115

6. Федоров О.П. Трансформация и динамика в архитектуре // Актуальные проблемы современного строительства: сб. материалов 62-й Международной научно-технической конференции молодых ученых / Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. - СПб., 2009. - В 5 ч. Ч. II. - C. 39-44.

THE CONCEPT OF POWER GENERATING FACADE SYSTEMS

N.I. Rukobratskij, candidate of technical sciences, associate professor O.P. Fedorov, senior lecturer N.Ju. Shituhina, student

Saint Petersburg state university of architecture and civil engineering

Abstract. This topic is devoted to the urgent problem of today to improve energy efficiency architecture. The article describes the facade system, which uses a direct piezoelectric effect and a power generating structure. We consider this technology, given the development of the project, identified the realized projects with the potential of art and receive a classification depending on the version of facade elements and design solutions. Consideredfaçade system not only has high energy efficiency, but also adds to the architectural structures of the dynamics, and the unusual expression against a background of static objects.

Keywords: energy-efficient technologies, forming, wind energy, facade technologies, alternative energy, architecture.