Текущий выпуск
1 2017
Главная|Журнал|1 2017|Тепловая защита и системы климатизации зданий в условиях Арктического региона
      

Тепловая защита и системы климатизации зданий в условиях Арктического региона

Павел Мельник, Николай Шилкин

В Арктическом регионе большинство характеристик внешней среды находятся в экстремальной зоне своего распределения: тут и климатический, и ветровой, и инсоляционный, и многие другие режимы.

Суровость климата региона требует от архитектуры ясности формообразования, а от инженерных коммуникаций  – простоты, безопасности, мобильности и устойчивости.

На карте Российской Федерации можно увидеть огромные северные пространства, величественные и суровые. Россия — самая «арктическая» страна планеты. Из 4,6 млн человек, живущих в Арктическом регионе, около 2,5 млн проживают на территории России.

В Арктике производится около 20 % ВВП страны и до 22 % российского экспорта. Более того, по оценкам специалистов, подо льдами Арктики залегают колоссальные объёмы нефти, газа, и помимо углеводородов в регионе имеются уникальные запасы других природных ресурсов. Здесь беспрецедентно высока доля добавленной стоимости добывающих отраслей и предприятий. Она составляет 60 % (например, в Гренландии, Норвегии, Швеции, Финляндии, Исландии – не более 15 %; на Аляске и в арктической Канаде – около 30 %). Две трети общего богатства Арктики создаётся в России.

Условия жизнедеятельности (функционирования объектов и людей) в Арктике во многих отношениях экстремальны.  Природная экстремальность также усиливается негативным действием социально-экономических факторов – транспортной недоступностью, высокими производственными издержками и стоимостью жизни, неразвитостью экономики и тенденциями к её монополизации, изолированностью и дисперсностью расселения.

Доля транспортных издержек в конечной стоимости продукции Арктической зоны доходит до 60 % (в среднем же по стране – 10 %). Жизнеобеспечение населения и хозяйственная деятельность определяющим образом зависят от поставок топлива, продовольствия, промышленных товаров по трассе Северного морского пути в ограниченный период полярной навигации. Экстремальность природных условий  повсеместно в арктических городах и посёлках требует адаптации и создания систем резервирования и страхования.

Системы резервирования включают сеть накопления грузов и товарных ценностей – складское хозяйство нефтебаз, продовольственных грузов, угля в пунктах перевалки, дополнительные источники энергоснабжения, нередко адаптированные к разным энергоносителям для гибкого переключения при необходимости с одного на другой, системы передачи информации, которые одновременно могут работать по кабельным, волоконно-оптическим, спутниковым и радиорелейным линиям.

Прочность, польза, красота (Витрувий), – здесь становится абсолютным единством и составляет основу формирования  «среды обитания» береговой и островной частей Арктики. Суровость климата региона требует от архитектуры ясности и корректности формообразования, почти аскетичной «элегантности стиля», а от инженерных коммуникаций – простоты, безопасности, мобильности, устойчивости и инновационности используемых технологий.

 Основные проблемы строительства

Область вечной мерзлоты занимает около двух третей площади России. Но работают здесь и заводы, и карьеры, и шахты. Тяжёлым трудом проложены дороги, построены аэродромы и порты. На вечномёрзлых грунтах построены целые города, в которых подвиг – возведение каждого дома. Строить на ледяном панцире, который постоянно меняет свою структуру, очень сложно.

 Рыхлые грунты – песчаники, галечники и глины в условиях вечной мерзлоты ведут себя самым непредсказуемым образом. Возведённые на них сооружения нагревают грунт, и он теряет монолитность, начинает подтаивать и смещаться. Так что строить основания зданий на мерзлоте можно, только приняв специальные меры для поддержания постоянной температуры грунта.

Возведение зданий и сооружений в обязательном порядке должно сопровождаться проведением инженерно-геокриологических изысканий с целью прогнозирования поведения грунта при строительстве и последующей эксплуатации постройки.

Существуют два принципа, на которых базируется использование вечномёрзлых грунтов в качестве основания зданий: либо стремятся к тому, чтобы сохранить вечномёрзлый грунт в его естественном состоянии (наиболее популярное и недорогое решение), либо проектировать здание с расчётом, что основание дома будет находиться в оттаивающем (оттаянном) состоянии.  Окончательный выбор делают при сопоставлении технико-экономических расчётов и эффективности рассматриваемых решений.

Особенности прокладки инженерных коммуникаций в условиях крайнего Севера, прежде всего, наличие мерзлоты сильно осложняет обеспечение проектного положения трубопроводов. Значительная – до 2 м и более глубина слоя сезонного протаивания, низкая несущая способность талых грунтов и нестабильность мерзлоты, интенсивные мерзлотные процессы вынуждают прокладывать практически все трубопроводы над поверхностью грунта – на опорах или по эстакадам. Возможен другой способ: в Норильске все трубы уложены под землей на глубине 6 м. Коллекторы проходят в отдалении от домов, чтобы уберечь от теплоты мёрзлые грунты под зданиями. Дорогу, под которой проведены коммуникации, чистят от снега особенно тщательно, чтобы ветер остужал землю.

Трубопровод, проложенный над поверхностью грунта, подвергается гораздо более сильным колебаниям температуры, чем при подземной прокладке. Особенно критичными при этом оказываются зимние холода, когда тепловые потери с поверхности труб возрастают до недопустимых значений, и угроза их замерзания становится более чем реальной. Это вынуждает теплоизолировать трубы, прокладывать водопроводы с теплоспутниками, строить промежуточные котельные на водоводах и т.п.

Все эти меры, во-первых, требуют немалых затрат, во-вторых, не обеспечивают полной безаварийности сетей. Любая остановка подачи воды в зимний период может обернуться аварией с тяжёлыми последствиями, связанными с размораживанием труб и выходом их из строя…

Ещё одна особенность эксплуатации водопроводов и теплотрасс в северных регионах связана с особенностями гидрохимического состава природных вод, характерными для заболоченных ландшафтов, в частности, с низкими значениями рН и высоким содержанием железа. Стальные трубы, транспортирующие такую воду, подвергаются интенсивному зарастанию и служат значительно меньше своего нормативного срока.

Частые метели и сильные ветры – это ещё одна особенность северного климата, к которой необходимо адаптировать здания и сооружения проектировщикам и строителям. На Таймыре, в Норильске крайне тяжелые погодные условия. Скорость ветра в 1 м/с, по ощущениям человека, понижает температуру воздуха на два градуса. Например, когда температура -39 0С и дует ветер в 19 м/с, ощущается температура на уровне -80 0С! Климат в этих регионах по жесткости уступает только антарктическому.

Для борьбы с ветром строения располагают замкнутым контуром, с минимальным числом площадей и узкими разрывами между постройками, компактно (криптоклиматическое размещение). Благодаря этому получается снижать скорость ветра. Фасады и крыши заполярных строений отличаются ровными линиями и простыми профилями - это служит профилактике снежных заносов.

  Пути решения

В Российской Федерации разработан ряд государственных программ по освоению и развитию Арктической зоны, сформированы адресные инвестиционные мероприятия, на период с 2014–2020 годы в сферах:

 •  социально-экономического развития;
 •  транспортного развития;
 • военной безопасности;
 •  науки и технологий;
 • информационных технологий и связи.

Все эти направления должны быть обеспечены «средой обитания», позволяющей выполнять обозначенные направления развития региона в оптимально комфортных условиях жизни. В соответствии с принятой «Стратегией развития в Арктической зоне…» планируется построить 6 военных городков, 13 аэродромов, наземный авиационный полигон, 10 технических позиций для радиолокационных станций и пунктов наведения авиации.

Однако строительство в условиях Арктики осложняется огромной удалённостью от мест производства большинства строительных материалов и конструкций. Зачастую строительство ведётся на островах и для возведения объектов абсолютно все строительные материалы завозят с материка. Для доставки стройматериалов используются три типа транспортировки генеральных грузов и инертных материалов: автомобильный, железнодорожный и водный. При этом доставка возможна только во время летней навигации (всего 4–5 месяцев в году).

Консервативность строительного комплекса России, который живет и трудиться во вчерашнем дне в части применения современных технологий, оборудования и конструкций особенно остро ощущается при строительстве в сложных климатических условиях и, в частности, в районах Крайнего Севера и в других регионах на многомёрзлых грунтах. Достаточно назвать две основных технологии сегодняшнего строительства – монолитный и традиционный сборный железобетон, либо каменная кладка. Строить здания по таким технологиям в условиях Арктического региона – анахронизм.

Поэтому все более востребованными становятся модульные здания. Быстровозводимые или модульные здания – это некое подобие «конструктора». У модульных зданий есть множество достоинств:

        •          оптимальный срок возведения;

        •          хорошие показатели по энергоёмкости и трудозатратам;

        •          отличные логистические характеристики (вес, габариты);

        •          повышенная конструктивная безопасность, устойчивость зданий и сооружений с фундаментами на многолетних мёрзлых      грунтах;

        •          высокая экологическая и пожарная безопасность;

        •          долговечность зданий и сооружений;

        •          улучшение качества жизни и комфорта;

        •          энергосбережение при эксплуатации;

        •          оптимизация стоимости строительства.

В силу всех вышеперечисленных причин модульные здания очень популярны в условиях Севера. Такие здания имеют сравнительно недолгую историю применения, но сама идея использовать для жилья и технических нужд небольшой блок-контейнер, поставленный на полозья или колеса, относится еще к XIXв. и даже более ранним временам. Балки геологов и топографов появились в Сибири еще в 20-е гг. прошлого века, но прошло немало времени, прежде чем им на смену пришел сначала комфортабельный блок-контейнер, а затем и здания контейнерного типа.

Первоначально они нашли широкое применение при освоении районов Крайнего Севера и создании первых научных станций в Антарктиде. Причиной тому была их высокая мобильность и максимально сжатые сроки установки в заданном месте, поскольку здания из контейнеров можно было возводить за считанные дни. Там, где суровые условия окружающей среды не способствуют возведению каменных домов, для строительства временного жилья и других объектов быстровозводимые здания из модулей – лучшее решение.

Современный конструкционный блок-контейнер представляет  собой модуль и состоит  из внешней обшивки (профилированного стального листа), несущих стальных конструкционных деталей, теплоизолирующих минеральных материалов и панелей внутренней отделки. Довольно часто модули собирают  из сэндвич-панелей,  обладающих  большой прочностью  и долговечностью. Вариантов конструкции достаточно много, а потому и модульные быстровозводимые здания могут иметь самые различные объёмно-пространственные характеристики и элегантный, современный внешний облик.

Быстровозводимые модульные здания, как правило, сегодня строятся во всем мире следующих типов:

- административные здания и административно-бытовые комплексы для нужд строительных организаций;

- жилые комплексы для размещения строительных бригад, исследовательских групп, рабочих нефтегазовой и других добывающих отраслей;

- жилые комплексы для дислокации сил МЧС и временные медицинские центры;

- гостиницы и общежития;

- школы и дошкольные учреждения;

- мастерские и склады;

- мини-электростанции;

- котельные;

- санитарно-гигиенические блоки;

- сушильные камеры;

- ангары;

- научные лаборатории;

- торговые павильоны;

- развлекательные центры и др.

Самые высокие темпы строительства достигаются при возведении   блочно-модульных зданий, поскольку их можно пострить в срок от  одного–двух дней, до  одной – полутора недель и  ввести  в эксплуатацию, что называется «с колёс». Таким образом, строительство модульных зданий решает целый комплекс наиболее сложных проблем, связанных с  потребностью в перекрытых площадях для жилых, бытовых, административных, производственных и коммерческих нужд. Быстровозводимые модульные здания и комплексы обладают не только высокими эксплуатационными свойствами.

Здания из блок-контейнеров выдерживают как низкие температуры в районах Крайнего Севера, так и высокие температуры южных районов. Модульные здания не боятся ливней и сильных ветров. В зданиях из блок-модулей, благодаря современным теплоизолирующим экологически чистым материалам, зимой тепло, а летом прохладно. Современные системы отопления, энерго- и водоснабжения, канализации и вентиляции позволяют добиваться максимального уровня комфорта в здании быстрой сборки, а возможность свободно комбинировать жилые, бытовые и технические зоны, делают модульные здания чрезвычайно удобными. Вместе с тем, быстровозводимые здания имеют прекрасный внешний облик, и из них можно построить визуально привлекательный архитектурный ансамбль, способный украсить собой любой район современного города. Однако самое главное преимущество модульного домостроения заключается в его высокой мобильности.

Комплекс зданий может простоять на одном месте несколько лет, после чего максимум за 2 недели он разбирается и каждый модульный блок перевозится на другое место вместе с элементами фундамента.

Модульные здания – это вложение средств в качественные и относительно недорогие решения. Каждый блок-контейнер состоит из нескольких элементов. Что касается размеров подобных зданий, то чаще всего они оказываются унифицированными. Строение и его каркас изготавливают как по признанным стандартам, так и в соответствии с пожеланиями заказчиков.

Чаще всего  блок-контейнер производится полностью замкнутым, но возможны и различные варианты. Так, например, отсутствие одной из стен или потолка позволяет увеличить размер помещений при стыковке зданий. Подобные строения чаще всего  используют для  возведения офисных или жилых зданий в несколько этажей.

Внутренняя отделка может быть  разнообразной. В качестве напольного покрытия можно использовать доски или ламинат, а также линолеум, ПВХ-материалы и даже керамическую плитку. Для отделки стен чаще всего применяют гипсокартон, вагонку, ПВХ. Полы в таких модульных зданиях трёхслойные.

Наиболее удачным вариантом для отделки потолков являются подвесные или реечные конструкции. Зачастую такие блок-модули обустраивают ещё на стадии их производства, что значительно ускоряет процессы монтажа. Временные здания подобного типа имеют ещё одно неоспоримое и довольно значимое преимущество –  относительно недорогую стоимость.  По уровню комфорта современные модульные здания для Севера практически ничем не уступают стандартным офисным и жилым помещениям.  Здания обладают дополнительной тепло- и влагоизоляцией.  Теплоизоляция блок-контейнеров устраивается с помощью полимерных материалов, пенопласта или пенополиуретановой плиты. Они должны быть водонепроницаемы и экологически безопасны даже в случае сильного нагрева. Усилить теплоизоляционный эффект можно с помощью ДВП или фанеры. Защиту от сильного ветра обеспечивает обшивка кровли и стен профнастилом, имеющим оцинкованное или полимерное покрытие.  Проживание людей и работа производственных предприятий в условиях Крайнего Севера связано с огромными транспортными издержками и изолированностью, что вынуждает развивать энергосберегающие технологии.

Это, во-первых, автоматическое регулирование теплового режима зданий и применение альтернативных, в том числе возобновляемых источников энергии (солнечные батареи, тепловые насосы и др.).  Во-вторых, это использование нового техрегламента по освещению с отказом от традиционных ламп накаливания, что позволит сэкономить до 40 % электроэнергии. В-третьих, утилизация тепловой энергии  . Мы впустую тратим теплоту, сливая горячую воду в канализацию.

По строительным нормам в большей части помещений должен быть обеспечен один воздухообмен в час, а это значит, зимой нужно нагреть воздух, к примеру, от – 40 ºС до 21 ºС. Принимая во внимание объём здания, можно представить, сколько требуется энергии только на отопление. Эту тепловую энергию можно использовать. Если реализовать всё вышеперечисленное, можно сэкономить (по разным оценкам) от 15 % до 40 % энергии.

Ну а в связи с тем, что Север потребляет намного больше энергии, мероприятия по экономии  приобретают ещё большее значение. Например, расчётная температура при проектировании зданий в Москве составляет – 28 ºС, в Красноярске – а это ещё не Север, показатель уже – 40 ºС, в Богучанах дома строят, рассчитывая на – 46 ºС, в Игарке ориентируются на – 49 ºС, в Эвенкии принимают в расчет – 55 ºС. Этот показатель рассчитывается по средней температуре самой холодной пятидневки. Помимо этого существует такая характеристика, как градусо-сутки отопительного периода, показывающая длительность отопительного периода и его среднюю температуру. Так вот, если для Москвы этот показатель составляет 4 943 градусо-суток, то в Красноярске он равен 6 575, а в поселкё Ессей – 11 532 (почти в три раза больше, чем в столице).

    Мероприятия по энергосбережению для инженерных сетей

 Возможными способами рационального использования особенностей сурового климата и мерзлотных факторов являются следующие:

  •  Использование льда для теплоизоляции сооружений и водопроводов в холодный период года. Высокие теплоизоляционные свойства льда, наносимого на наружные поверхности сооружений и трубопроводов, позволяют ограничиться их минимально необходимой стационарной теплоизоляцией, т.е. снизить их термическое сопротивление и стоимость. Используется в качестве меры теплозащиты внутритрубное оледенение водоводов, получившее солидное теоретическое обоснование и аппаратурное обеспечение.
  • Создание в вечномёрзлых массивах полостей (ёмкостей) для хранения запасов хозяйственно-питьевых вод, консервации сточных вод и жидких отходов, хранения реагентов и др. Горные выработки, образуемые, как правило, средствами гидромеханизации, достигают значительных объёмов. Существуют методики теплотехнического расчёта таких полостей при различных наполнениях водой, а также условий замерзания водных масс или поддержания их в жидком состоянии.
  •  Охлаждение оборотных и циркуляционных вод с использованием ресурсов холода вечномёрзлых толщ.


 Особенности охраны окружающей среды в условиях Крайнего Севера. Подходы к проведению строительных работ в условиях вечной мерзлоты должны быть основаны на выполнении принципов экологической безопасности, технической надёжности и экономической целесообразности.

Высокая чувствительность северных ландшафтов и слагающих их мерзлых пород к техногенным воздействиям – негативная сторона строительства на мерзлоте. Как правило, освоение новых территорий начинается с создания дорожно-транспортной инфраструктуры. Однако применение автомобильного и гусеничного транспорта для сооружения грунтовых насыпей разрушает торфомоховой покров, что приводит к деградации вечной мерзлоты и образованию термокарста. Вездеходные гусеницы даже после однократного прохода оставляют на хрупком растительном слое тундры рваные раны, превращающиеся в болота или мелкие озера.

Во избежание этого следует более тщательно разрабатывать  генпланы в составе проектов организации строительства, заранее планировать маршруты движения строительной техники, размещение площадок складирования стройматериалов и, по возможности, минимизировать территорию движения транспорта.


 

ОБ АВТОРАХ

 Павел Мельник – магистр МАрхИ, архитектор.

 Николай Шилкин – канд. техн. наук, профессор МАрхИ.


 

Литература

1. Сапрыкина Н.А. Мобильное жилище для Севера / Ленинград. Стройиздат. Ленинградское отделение.  1986.

2. К. Смирнов, журнал «Строительный эксперт», «Институт промышленного и гражданского проектирования «2К».

3. СП 131.13330.2012 Строительная климатология.

4. СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.

5. Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу  окружающей среды (Росгидромет)/Доклад об особенностях климата на территории Российской Федерации за 2006 год.

6. http://www.200stran.ru/13.

7. http://www.ecosystema.ru

8. http://eastrussia.ru/

9.  http://www.rohmer.nl/

10.  http://www.hbarchitects.co.uk/

11.  http://ru.wikipedia.org

12. http://ria.ru/infogra ka/

 


Теплохолодоснабжениетеплозащита