Полярная станция «Команданте Феррас» Второе рождение
Александра Выворотнюк,Николай Шилкин
В разных уголках мира есть места, где природные условия неблагоприятны для проживания человека. Эту проблему можно решать, используя различные инженерные технологии и подходы, конечно, не забывая об эстетической составляющей. Достижение благоустроенности людей в суровых условиях как Антарктики, так и Крайнего Севера – это нечто большее, чем создание просто комфорта и безопасности, это также оборудование помещений удобными и функциональными рабочими пространствами.
СПРАВКА
Estação Antártica Comandante Ferraz (или Команданте Феррас) – бразильская антарктическая станция, которая была открыта 6 февраля 1984 года на берегу Адмиралтейского залива (62°05' ю. ш. 58°24' з. д.) на острове Ватерлоо (Кинг-Джордж) (Южные Шетландские острова). Название станция получила в честь морского офицера, гидрографа и океанолога Луиса-Антонио ди Карвальо Ферраса, дважды посещавшего Антарктику, участника программы изучения Антарктиды. На станции работает около 100 сотрудников летом и около 50 зимой. 25 февраля 2012 года станция была уничтожена пожаром. Огонь вспыхнул в помещении с генераторами, откуда распространился на всю станцию. В настоящее время завершаются работы по восстановлению данной антарктической станции.
Первым шагом для восстановления станции Команданте Феррас (см. справку) стал анализ территории: географических и климатических условий региона. При выборе нового здания станции из предлагаемых проектов был выбран вариант, который учитывает помимо прочих факторов потребности сохранения в районе жизни животных и растений. Соблюдение условий, предусмотренных экологическим зонированием использования, позволяет минимизировать воздействие на природу.
Новая станция состоит из секторов, которые организованы в блоки, предназначенные для выполнения различных функций. В верхнем блоке (9,10 м над уровнем земли) располагаются каюты, служебные помещения, столовые/жилые зоны. Нижний блок (5,95 м над уровнем земли) состоит из лаборатории, а также зоны эксплуатации и обслуживания. В этом же блоке находится центральный амбар и гаражи (2,50 м над уровнем земли).
Поперечный блок (5,95 м над уровнем земли) содержит общественные пространства. В этой части размещены видеозал/зрительный зал, зал для фуршетов, конференц-зал/видеоконференция, библиотека и гостиная.
Блоки подвешены на регулируемых колоннах, что позволяет конструкциям адаптироваться к изменениям, вызванным сменой температуры и оттаиванием грунта.
Основные блоки вместе с эстакадой, вертолетной площадкой, парковкой и топливными баками составляют логистический квадрат, расположенный к северу от главного комплекса. Завершает процесс развертывания станции установка фотоэлектрических панелей, ориентированных на север, а также ветрогенераторов VAWT, ориентированных на юго-запад.
При проектировании станции Команданте Феррас была учтена необходимость предварительной сборки и производства строительных компонентов. В связи с этим решено использовать для большинства зданий единый конструктивный профиль. Была выбрана стратегия внедрения одинаковых компонентов и систем зданий, созданных на основе передового опыта, позволяющих при сборке обеспечить высокую производительность и рационализацию производственного процесса.
При выборе материалов для строительства станции предпочтение отдавалось образцам, которые удовлетворяют требованиям экологической эффективности, учитывающим климат Антарктики.
В результате для опорных конструкций использована сталь с высокой коррозионной и морозостойкой устойчивостью, обработанная таким образом, чтобы минимизировать потребность в техническом обслуживании при ее эксплуатации.
Различные компоненты могут быть предварительно изготовлены в виде модулей. Таким образом, можно доставить эти части, уже собранные из Бразилии.
Что касается поведения грунтовых почв под фундаментом, то на основании интерпретации трехосных испытаний будет определяться верное решение. Сейчас очевидна необходимость стабилизации (сдержанности) грунта по краям области новой станции, а также обеспечения дренажа, способного отводить как поверхностные, так и грунтовые воды.
При достижении экологического комфорта акцент был сделан на то, чтобы получить максимальную производительность станции при минимальной потере тепла.
Важной задачей стало определение индивидуальных температурных профилей в каждом помещении. Программа решения этой задачи была составлена с учетом трех факторов: 1 – профиль температуры, 2 – деятельность в течение дня, 3 – сезонность занятий (отличие функций, выполняемых в летний период и в течение остального времени). Исходя из этих начальных параметров, было проведено сравнительное симуляционное тестирование потенциала теплопроводности изоляционных материалов.
Чтобы обеспечить высокие характеристики теплозащиты в непрозрачных элементах ограждающих конструкций, проектировщики решили использовать ПИР (полиизоцианурат – термореактивный полимерный материал с закрытыми ячейками, обладающий достаточно высокой степенью жёсткости и используемый, как правило, в качестве жёсткой теплоизоляции. Его химический состав близок к составу полиуретана). Толщина слоя была установлена на уровне 25 см и зависела от конкретного моделирования и сравнительных данных.
Чтобы оценить работу отопительной системы станции, для моделирования было использовано программное обеспечение EnergyPlus. Цель – определить уровень снижения потребления тепловой энергии станцией путем сравнения варианта с индивидуально заданными значениями температуры в помещениях различного назначения с вариантом, когда температура, которой должна достичь отопительная система, одинакова во всех помещениях станции.
Первый смоделированный вариант – станция с заданной постоянной температурой (21 °C) во всех помещениях, – потреблял на отопление 28 009,13 кВт•ч в год. Во втором варианте станции были приняты индивидуальные температуры для каждого конкретного помещения. В этом случае станция расходует на отопление 14 933,6 кВт•ч в год, т. е. на 47 % меньше по сравнению с первым вариантом.
Чтобы понять влияние некоторых важных параметров на теплопотребление станции, было проведено параметрическое моделирование. В число исследуемых параметров были включены: толщина теплоизоляции наружных стен, воздухопроницаемость и кратность воздухообмена. Эти параметры варьировались в пяти различных симуляциях. Порядок моделирования: рассматривали наихудшую ситуацию, а затем улучшали один из параметров для каждого нового моделирования.
Поскольку воздухообмен необходим для поддержания качества воздуха в помещении и его снижение неприемлемо, то вместо этого было предложено предусмотреть предварительный подогрев наружного воздуха, использовать экологичные материалы для потолков и покрытий, а также установить датчики концентрации CO2.
Поскольку питьевая вода на станции является дефицитным ресурсом, то были разработаны системы повторного использования сточных вод и обработки серых сточных вод. Центральная очистка воды и сточных вод расположена ниже верхнего блока. Именно в этом секторе сконцентрированы санузлы и кухня, поэтому требуется больше воды, в том числе технической.
Что касается энергии для поддержания работы станции, предлагается модель энергоснабжения на основе когенерации. В число источников энергии входят фотоэлектрические элементы, ветровые установки (VAWT), а также жидкое топливо. Выбор ветровой системы VAWT, а не традиционной ветровой турбины, основан на следующих преимуществах: не требует глубокого фундамента (система может быть закреплена на металлической поверхности), способна модулироваться, низкий уровень шума.
Система автоматизации DPMS обеспечивает баланс между этими источниками: в случае, если ветер стих и зашло солнце, то система генераторов, работающая на этаноле, включается на полную силу.
Другой мерой, которая значительно сокращает потребление энергии, является запрограммированное «выключение» некоторых помещений, например таких, в которых расположены лаборатории, когда они не используются. В этих секторах в зимнее время температура внутреннего воздуха может поддерживаться на уровне 5 °C для того только, чтобы предотвратить промерзание труб.
Системы и установки
Для отопления предусмотрена система с отопительными приборами, установленными в каждом помещении станции. Радиаторы подключаются индивидуально с датчиками присутствия и термостатами, которые, в свою очередь, отправляют информацию в систему автоматизации.
Нагрев воды на бытовые нужды осуществляется в котле, который дополнен баком-аккумулятором. Кроме того предусмотрена рекуперация тепла в генераторах, мусоросжигательных установках, а также в сети сбора горячей воды (душевые и краны).
Противопожарная защита станции
Предлагаемая стратегия обеспечения безопасности станции Команданте Феррас в случае возгораний основана на следующих принципах:
- секционирование/локализация воспламенения,
- установка огнеупорных барьеров,
- наличие дополнительных систем для борьбы с пожарами.
В здание станции организованы независимые сектора, которые имеют индивидуальные системы пожаротушения. Основная система пожаротушения – спринклеры. Однако для тушения огня в некоторых конкретных местах (там где установлены двигатели, котлы, генераторы и системы управления) могут использоваться, специальные модули пожаротушения, использующие газовое огнетушащее вещество FM‑200, которое помимо высокой эффективности тушения огня обладает уникальным набором свойств, делающим его по-настоящему «чистым» агентом: оно безопасно не только для оборудования и предметов в помещении, но также для персонала и окружающей среды. Для предотвращения распространения очага горения, стены секторов станции выполнены из ячеистых бетонных конструкций толщиной 10 см, которые могут выдерживать до 380 минут открытого огня. Также в секторах расположены основные аварийные выходы.
