КУПОЛЬНОЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ЗДАНИЕ
DOME MULTIFUNCTIONAL BUILDING

Предложение относится к купольным заданиям общественного, жилого или производственного или комбинированного назначения.
Широко известны перекрытые куполами юрты, аквапарки, складские сооружения с жестким или эластичным куполом, образующим защищенное от атмосферы внутреннее пространство [1, листы 4 и 5 на стр.280, 281], в котором размещается, например, производственное оборудование и даже отдельные здания.
Известны также купольные обычно многофункциональные здания с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей центральной части внутренний двор с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки [1, рис. на стр.155]. Такого типа постройки, например, используются как гостиничные или туристические комплексы, позволяя минимизировать затраты тепла на отопление, организуя в перекрытом дворе зоны отдыха для населения. Постройки такого типа актуальны как в холодном, так и жарком климате, поскольку могут обеспечить комфортную среду обитания.
Увеличение энергопотребления таких современных зданий, удорожание энергии, повышение требований к экологической безопасности сооружений требует создания таких их конструкций, которые бы при повышенных строительных объемах обеспечивали энергетическую независимость и автономность их «жизнедеятельности».
Такие здания должны быть оптимизированы для применения систем аккумулирования энергии от различных типов возобновляемых энергоисточников, что и потребовало создания нового технического решения купольного здания с высокоэффективными возможностями повышения энергоемкости и функционирования инженерного обеспечения, позволяющими осуществить автономность купольных зданий повышенного объема при минимизации затрат и расширении вариантов его многофункционального использования.
Поставленная задача согласно предложению решается тем, что купольное многофункциональное здание жилого, производственного или комбинированного назначения с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей центральной части внутренний двор и снабженной системой инженерного обеспечения жизнедеятельности, выполнено со следующими особенностями конструктивного решения:
- во дворе выполнена по меньшей мере одна расположенная на фундаменте трубная опора купола с каналами обмена воздуха и тепловой энергии между внешней средой, внутренним пространством двора и помещениями периферийно замкнутой постройки, сообщенными по теплу с расположенным в околотрубном пространстве тепловым аккумулятором, энергетически связанным с возобновляемыми источниками энергии здания (фотоэлектрическими, солнечными коллекторами, ветровыми, преобразователями сточных вод и отходов в тепловую энергию и топливо), резервными традиционными (например, дизель-электоргенераторы) источниками энергии, а также с системой обеспечения микроклимата в помещениях здания и по высоте пространства двора;
- фундамент трубной опоры выполнен в виде ячеистой и снабженной внутренними каналами и помещениями гидроизолированной от внешней среды периферийно замкнутой конструкции, объединяющей трубную опору, внутренний двор, периферийно замкнутую постройку и тепловой аккумулятор, выполненный с по меньшей мере двумя секциями разного максимального уровня рабочей температуры, причем объем фундамента и его геометрия выбраны из условия обеспечения положительной плавучести всего здания и его остойчивость;
- на крыше периферийно замкнутой постройки выполнен объединяющий постройку вертикальный обруч с окнами прохода света внутрь двора, в верхней своей части связанный нижней опорной частью купола, причем крыша периферийно замкнутой постройки со стороны двора выполнена горизонтальной, преимущественно
двухъярусной с внутренним ярусом, расположенным ниже яруса, примыкающего к обручу;
- купол выполнен эластичным надувным, при этом трубная опора в верхней части имеет жесткий участок крыши, диаметр и высота расположения которого в месте крепления к эластичному куполу выполнены из условия невозможности образования на эластичной крыше прогибов, задерживающих сток осадков при аварийном сбросе избыточного давления во дворе здания;
- купол здания выполнен прозрачным и преимущественно многослойным, на трубной опоре выполнены ярусами смотровые и технические площадки, светоотражатели проходящего через купол потока света к внутренней поверхности строения и двора, трубная опора также снабжена источниками искусственного освещения двора, вентиляторами, теплообменниками, тепловыми насосами, системой орошения, лифтами и др. оборудованием, обеспечивающим совместно с выполненным по меньшей мере с двумя уровнями температуры тепловым аккумулятором заданное функционирование здания, например, работу здания в режиме мини-ТЭЦ совместно с производственным комплексом здания и оранжереями, преимущественно расположенными на крыше периферийно замкнутой постройки, площадках трубной опоры и в виде окольцовывающей здание снаружи дополнительной теплицы;
- трубная опора снабжена поворотным грузоподъемным устройством для перемещения грузов по всему двору здания, секции периферийно замкнутой постройки снабжены по меньшей мере двумя транспортными проходами, связывающими внутренний двор с внешней средой через периферийно расположенное строение и/или выходящие наружу каналы в фундаменте;
- в верхней части вертикальной трубной опоры над поверхностью купола установлена электрогенерирующая ветроустановка, например, вихревого или поворотного типа, подключенная к тепловому аккумулятору и по меньшей мере к одному вытяжному каналу трубной опоры, по теплу и воздуху сообщенному с системой энергообеспечения и кондиционирования здания;
- тепловой аккумулятор выполнен с по меньшей мере двумя уровнями температуры, сообщен по теплу с паросиловой электрогенерирующей установкой, а также с резервными и традиционными источниками тепловой и электрической энергии, агрегатами систем теплообмена и микроклимата, которые расположены в центральной части двора, вокруг трубной опоры, в самой трубной опоре и энергетически замкнуты между собой через посредство каналов трубной опоры, купола и фундамента;
- тепловой аккумулятор дополнительно снабжен секцией с температурой рабочего тела существенно, например на 20-30°С, ниже, чем нормальная температура в помещениях здания, сообщенный воздуховодами системы микроклимата с помещениями здания, например, хранилищами сельскохозяйственной и др. продукции;
- помещения здания снабжены вентиляционными каналами вывода воздуха из помещений к каналам трубной опоры, каналами отсасывания воздуха для вывода пыли и мелкого мусора из помещений, которые через посредство фильтров и системы утилизации бытовых отходов и сточных вод сообщены с атмосферой через вертикальный выходной канал трубной опоры;
- на внешней поверхности периферийно замкнутой постройки или/и куполе расположены панели преобразования солнечной энергии в тепловую и/или электрическую энергию, сообщенные с тепловым аккумулятором и энергосистемой здания.
На чертеже показаны примеры конструктивного выполнения здания, причем слева от вертикальной оси показан пример выполнения здания производственного назначения, а с правой - вариант жилого здания, например, с зимним садом во дворе.
Опора купола 1 выполнена на крыше 2 двух или более этажной периферийно замкнутой постройки 3, образующей в своей центральной части внутренний двор 4.
Во внутреннем дворе 4 выполнена по меньшей мере одна расположенная на фундаменте трубная опора 5 купола 1 с каналами 6 обмена воздуха и тепловой энергии между внешней средой, внутренним пространством двора 4 и помещениями периферийно замкнутой постройки 3, сообщенными преимущественно с по меньшей мере двухуровневым по температуре тепловым аккумулятором 7, по теплу связанным с возобновляемыми источниками энергии здания, например фотоэлектрическими или солнечными коллекторами 8, ветровыми (например, в виде ветроустановки крышного типа 9) преобразователями сточных вод и отходов в тепловую энергию и топливо (преимущественно выполненными на базе известных технологий высокотемпературного пиролиза - блок 10), резервными традиционными источниками, например в виде дизель-электрогенератора 11. Тепловой аккумулятор 7 также сообщен с системой обеспечения микроклимата 12 в помещениях здания 3 и по высоте пространства двора 4, которую, как и другое инженерное оборудование, предпочтительно располагать в центральном машинном зале 13 и внутри пространства трубной опоры. Устройства 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 системы водоснабжения, канализации, тепловые насосы, теплообменники и др. функционально образуют единый технический комплекс, сообщенный каналами 6 с атмосферой, преимущественно через центральный канал вихревой ветроустановки 9 с пониженным по отношению к давлению в подкупольном пространстве двора 4 давлением.
Количество трубных опор определяется архитектурой купольного здания. Так, при выполнении купольного здания вытянутым по одной из осей симметрии таких опор может быть две или более. При этом в каждой из опор могут выполняться или все функциональные каналы 6 или только их часть, т.е. две-три трубных опоры могут выполнять функции одной опоры, рассмотренной в примере выполнения по фиг.1.
Фундамент 14 трубной опоры 5 выполнен в виде ячеистой и снабженной внутренними помещениями гидроизолированной от внешней среды периферийно замкнутой конструкции, объединяющей трубную опору 5, внутренний двор 4, периферийно замкнутую постройку 3, тепловой аккумулятор 7 и машинный зал 13. Объем фундамента и его геометрия выбраны из условия обеспечения положительной плавучести всего здания и его остойчивости. На крыше 2 (справа от оси) периферийно замкнутой постройки 3 для обеспечения естественного освещения двора 4 (например, при выполнении купола непрозрачным) выполнен объединяющий постройку вертикальный обруч 15 (с окнами 16), в верхней своей части связанный с нижней опорной частью купола 1, причем крыша 2 периферийно замкнутой постройки со стороны двора 4 выполнена горизонтальной, преимущественно с двумя по высоте ярусами 17 с внутренним ярусом, расположенным ниже яруса, примыкающего к обручу, что, например, рационально для выполнения общественных зданий с зонами отдыха на этих ярусах.
Купол 1 может быть выполнен жестким (прозрачным или непрозрачным) или в виде надувной эластичной, например, многослойной оболочки 18, расправляющейся при некотором избыточном давлении воздуха внутри двора 4. При этом трубная опора 5 в верхней части снабжена жестким участком 19 крыши, диаметр и высота расположения которого в месте крепления к эластичному куполу 18 выполнены из условия невозможности образования на эластичной крыше прогибов, задерживающих сток осадков при аварийном сбросе избыточного давления во дворе здания.
На трубной опоре 5 ярусами могут быть расположены смотровые и технические площадки 20 и светоотражатели 21 проходящего через купол 1, 18 потока света к внутренней поверхности строения и двора 4.
Площадки 20 могут быть использованы для расположения садовых растений и выполнения двора 4 как зимнего сада.
Трубная опора 5 с площадками 20 может снабжаться источниками искусственного освещения двора, фонтанами, аппаратурой создания лазерного шоу, вентиляторами, теплообменниками, тепловыми насосами, системой орошения, лифтами и др. известным применяемым в строительстве зданий оборудованием (не показано), обеспечивающим заданное функционирование здания, например работу здания в режиме мини-ТЭЦ, совместно с производственным комплексом здания и оранжереями, например, выполненными на верхних этажах постройки 3-21, ярусах 17, площадках 20, а также и в виде окольцовывающей снаружи периферийную постройку 3 дополнительной теплицы 22.
Трубная опора 5 может быть снабжена поворотным грузоподъемным устройством 23 для перемещения грузов по всему двору 2 здания и его этажам. По меньшей мере часть секций периферийно замкнутой постройки 3 выполнены с связывающими внутренний двор 4 с внешней средой радиальными проходами 24, которые могут быть выполнены и в фундаменте 14 здания.
Электрогенерирующая ветроустановка 9, например, вихревого или поворотного типа по теплу и воздуху может быть сообщена с системой энергообеспечения и кондиционирования здания, включающей в свой состав тепловой аккумулятор 7 и другое инженерное оборудование.
По меньшей мере аккумулятор 7 может быть снабжен секциями с двумя уровнями температуры - 7в и 7н, что позволяет за счет перепада температур приводить в действие электрогенератор, например, посредством паровой машины или двигателя Стирлинга. При дополнении теплоаккумулятора секцией 7х с температурой рабочего тела существенно, например на 20-40°С, ниже, чем нормальная температура в окружающей среде или помещениях здания, холод этой секции может быть использован для охлаждения производимой продукции, системы микроклимата помещений здания и двора 4.
Наличие секции 7х существенно упрощает систему поддержания микроклимата в различных помещениях и снижает затраты энергии на кондиционирование. По теплу все секции 7 теплового аккумулятора могут сообщаться посредством реверсивных, преимущественно установленных в энергоблоке 13, тепловых насосов известных типов. Это позволяет оптимальным образом перераспределять тепловую энергию в системе жизнеобеспечения здания и по производственному технологическому процессу, например при работе здания в режиме мини-ТЭЦ и/или тепличного комплекса, минимизировать расход потребления электроэнергии.
Секция 7в может заряжаться теплом, вырабатываемым системой пиролиза 10, а также за счет тэнового разогрева от внешних электроисточников: фотоэлементов 8, электрогенератора ветроустановки 9 и др. источников, например, до температуры +800- 1000°С. Секция 7н воспринимает низкотемпературное тепло, например до +80-100°С, и может использоваться для конденсирования пара паросиловой установки.
Помещения здания могут быть снабжены вентиляционными каналами вывода воздуха непосредственно во двор 4 (для жилого здания) или непосредственно в выходные каналы 6 трубной опоры 5 (для энерго- и производственного здания), а также блоком радиальных каналов 25 (вода, канализация, отопление и др.) с системами 10, 11, 12.
С выходными каналами 6 непосредственно также сообщены выходы дизель-генератора, каналы вывода пыли и мелкого мусора из помещений, которые через посредство фильтров и систему утилизации бытовых отходов 10 и сточных вод (расположены в 13) сообщены с атмосферой через трубную опору 5. Это техническое решение полностью защищает двор 4 от проникновения в его воздушное пространство различных запахов от производственных процессов. Подвод воздуха из атмосферы, например, к системе обеспечения микроклимата 12 осуществляется от воздухозаборника 26 (например, за счет скоростного напора ветра) ветроустановки 9 по напорным каналам 6 трубной опоры 5 (через широко известную систему фильтров, не показанную на чертеже)
Энергоаккумулирующая система здания преимущественно располагается в фундаментной околотрубной части трубной опоры 5, к которой непосредственно прилегает и энергоблок 13, что минимизирует затраты на строительство, упрощает обслуживание инженерного комплекса, предотвращает выделение вредных и пахучих газов непосредственно во двор и помещения за счет их непосредственного выхода в отсасывающие каналы 6 трубной опоры.
При выполнении купольного задания в виде общественного сооружения, гостиницы, туристического комплекса, медицинского центра двор здания может быть выполнен в виде зимнего сада с расположением растений на ярусах трубной опоры 5, непосредственно на поверхности двора и балконах строения 3, выходящих во двор 4, что способствует поддержанию комфортного микроклимата и высокого качества воздуха независимо от состояния воздуха в окружающей здание воздушной среде.
При строительстве здания трубная опора может использоваться как опора монтажного крана, например 23, которым здание может впоследствии комплектоваться для перемещения грузов во дворе здания и их перемещения по этажам периферийно замкнутой постройки, что особенно рационально при использовании здания как производственного комплекса.
В целом такого типа здания позволяют рациональным образом решать социальные, энергетические, экологические, продовольственные задачи, обеспечивая безопасность проживающего в нем населения [2].
Источники информации
1. Джангар Б.П. Архитектура мироздания. М.: изд. ООО «ПКЦ Альтекс». 2006. С.310.
2. Бритвин Л.Н. Энергосберегающие системы автономных жилых комплексов на базе аккумуляторов тепла и альтернативных источников энергии. Сб. научных трудов и инженерных разработок РАН, РФФИ, ИМАШ. М.2006 (7-я специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК), стр.177-180.