Инженерные системы проекта оранжереи в парке-усадьбе Коломенское
Виктория Кизенкова
Одной из проблем парков, расположенных на территории России, является сезонность их посещения. В летнее время, а также в конце весны и начале осени, парки являются сосредоточением людских потоков, приоритетными местами проведения досуга и отдыха, но в остальное время года (6 месяцев в год) парки пустуют. При разработке проекта ставилась основная градостроительная задача, которая заключается в привлечение людей в парк Коломенское круглый год (рис. 1).
В парке предусматривается устройство большой научно-исследовательской оранжереи с дополнительной общественной функцией. В любое время года люди смогут провести свободное время рядом с природой, увидеть новые экзотические растения из разных уголков земного шара, узнать об их особенностях и разнообразии. Это увеличит поток посетителей в холодный период года и будет способствовать решению проблемы сезонности посещения парка-усадьбы Коломенское.
Выбор функции здания можно объяснить, обратившись к истории парка-усадьбы. В 70-е годы XVII века на территории подмосковного села Коломенское царь Алексей Михайлович построил ансамбль Государева двора. Важнейшей его частью были сады с многочисленными плодовыми культурами. В шести садах росли сотни яблонь и груш; белая, красная и черная вишни; кусты малины, смородины, крыжовника.
На сегодняшний день на его территории сохранились только три сада – Казанский, Вознесенский и Дьяковский, все деревья в которых цветут и ежегодно плодоносят.
Главными особенностями действующего парка-усадьбы являются: активный рельеф и наличие на территории уникальных памятников архитектуры: церкви Вознесения Господня в Коломенском и церкви Усекновения Главы Иоанна Предтечи в Дьякове.
Эти особенности сформулировали несколько архитектурных задач. Во-первых, максимально вписать проектируемое здание в контекст окружающей исторической застройки, спроектировать объем, который не будет спорить с вышеупомянутыми историко-архитектурными достопримечательностями парка-усадьбы. Во-вторых, вписать проектируемое здание в существующий рельеф участка.
Концепция объекта заключается в гармоничном внедрении современной архитектуры в окружающее пространство за счет создания внешнего облика здания, который отвечает плавным формам активного рельефа местности и словно сливается с ней, образуя силуэт естественных возвышенностей.
Оранжерея спроектирована, исходя из концепции «здание в здании». Помимо внешней ограждающей конструкции, каждый зал оранжереи накрыт собственной оболочкой. Такое решение стало преимуществом при обеспечении требуемых параметров микроклимата в залах с экзотическими растениями.
Для понимания особенностей системы климатизации в зданиях с двойной оболочкой (концепция «здание в здании») были рассмотрены инженерные системы объектов:
- Калифорнийская Академия Наук в Сан-Франциско (архитектор Ренцо Пиано) (рис. 2);
- Климатический центр Klimahaus в Германии (архитектор Thomas Klumpp).
Несмотря на то, что здания расположены в разных климатических зонах и отличаются друг от друга своей функцией, они имеют важное сходство – возведены по концепции «здание в здании». Калифорнийская Академия Наук имеет функциональное сходство с проектом – тропический лес со своей внутренней оболочкой, а Климатический центр Klimahaus моделирует в своих помещениях климатические условиях разных районов земного шара, что также имеет сходство с проектом.
Сан-Франциско – это город с высокой коллективной ответственностью в вопросах сохранения окружающей среды. Проект значимого для города образовательного и одновременно общественного здания должен был в полной мере отвечать современным требованиям к экологии. Расположение здания в городском парке «Золотые Ворота» обязывало уделить особое внимание к выбору материалов для строительства, планировке пространства и проектированию инженерных систем.
Целью архитектора Ренцо Пиано стало создание визуальной и функциональной взаимосвязи с естественным окружением. В качестве внешних стен используется стекло, «что позволяет посетителям осмотреть здание Академии и окружающую зеленую зону парка вдоль осей здания восток-запад и север-юг» [1]. Чтобы усилить ощущение простора и воздуха архитекторами была специально разработана система очень тонких металлических колонн, поддерживающихся тросами для предотвращения изгиба. Для стен и полов используется необработанный бетон, продолжая идею использования натуральных материалов.
Здание Академии проектировалось, как самое экологичное общественно-образовательное здание в мире. Оно максимально оптимизирует использование ресурсов, сводит к минимуму воздействие на окружающую среду и служит примером того, как люди могут жить и работать, имея высокую экологическую ответственность. Здание Калифорнийской Академии Наук «объединяет архитектуру и ландшафт, а также способствует установлению новых стандартов для энергоэффективных и экологичных инженерных систем» [1] в общественных зданиях.
В новом здании Академии архитекторы с целью получения сертификата LEED Platinum спроектировали «живую крышу» площадью более 10 000 м2 и внедрили широкий спектр энергосберегающих технологий и материалов.
Все помещения Академии расположены с учетом естественного освещения и естественной вентиляции (рис. 3). Они организованы вокруг центрального внутреннего двора, который является одновременно вестибюлем и основным залом для экспозиций. Внутренний двор, как центр притяжения накрыт выпукло-вогнутой оболочкой с сетчатой напоминающей паутину структурой, заполненной стеклом по периметру и пустотой в центре (рис. 4, 5).
«Объединяя выставочные пространства, образовательные аудитории и исследовательские лаборатории под одной крышей, Академия также включает в себя центр естествознания, аквариум и планетарий» [2]. Планетарий и музей естествознания накрыты отдельными куполообразными оболочками, которые огибает плоская по периметру зеленая крыша здания (рис. 6).
Наиболее часто используемая битумная кровля ведет к явлению, называемому «городским островом тепла». Бесконечные битумные кровли удерживают тепло, что повышает температуру городского пространства на 6-10 °C относительно окружающих его сельских областей. В результате «1/6 часть всей электроэнергии, потребляемой в США, идет на охлаждение зданий» [3]. В свою очередь применение зеленой крыши сохраняет внутреннее пространство здания в среднем на 10 °C холоднее, чем стандартная крыша.
С целью пассивного охлаждения и экономии электроэнергии архитекторы покрыли здание Калифорнийской Академии Наук «живой крышей». За счет этого оно стало похоже «на часть парка, которая была вырезана и поднята на 10 м над землей» [2]. Крыша плоская по периметру подобно природному ландшафту становится все более волнистой, огибая куполообразные оболочки внутренних помещений. На выпуклых частях крыши над планетарием и тропическим лесом расположены круглые световые люки, которые открываются для вентиляции внутреннего пространства (рис. 7, 8).
Растения, покрывающие «живую крышу» и пополняющие запасы кислорода в воздухе и очищают его, посажены в специальные биоразлагаемые контейнеры из кокосового волокна. «Влажность почвы в сочетании с явлением «Городского острова тепла» значительно охлаждает внутреннее пространство Академии» [2] и помогает избежать необходимости постоянного кондиционирования воздуха внутри здания.
Почва и растения, поглощая дождевую воду, значительно снижают нагрузку на систему водостоков здания, в здание предусматривается повторное использование дождевой воды.
Периметр зеленой крыши окружает стеклянный навес с множеством фотоэлектрических панелей, расположенных между двумя стеклянными пластинами (рис. 9). Фотоэлектрические панели обеспечивают до 10% годовой потребности здания в электроэнергии.
Выбор конструктивных и отделочных материалов, расположение помещений с учетом естественного освещения и естественной вентиляции, пассивное охлаждение здания, альтернативные источники энергии, снижение нагрузки на водосточную систему: все эти решения по использованию инженерного оборудования стали неотъемлемой частью проекта и помогли Калифорнийской Академии Наук получить сертификацию LEED высшего Платинового уровня (рис. 10).
Климатический центр Klimahaus в Германии
Здание образовательного климатического центра Klimahaus (рис. 11) расположено в старой гавани немецкого города Бременхафен и издалека напоминает огромный корабль. Климатический центр Klimahaus является первым музеем в мире, посвящённым теме климата земли и его изменениям. Посетители проходят через несколько климатических зон вдоль 8-го меридиана. Из Бремерхафена они отправляются поочередно в швейцарские Альпы, Сардинию, затем в Нигер и Камерун, после в Антарктиду и, огибая большой круг через Самоа и Аляску, возвращаются обратно в Германию. На выставочных площадях, занимающих 5 000 м2, поддерживаются климатические параметры умеренно-континентального, континентального, средиземноморского субтропического, тропического пустынного, влажного экваториального, арктического, тропического влажного и субарктического климатов. «Температурно-влажностные параметры меняются при этом в диапазоне от +38 °C при относительной влажности 85 % до –6 °C при очень сухом воздухе» [4]. Гости музея за один день могут ощутить особенности различных климатических зон земного шара (рис. 12).
Климатический центр, как и Калифорнийская Академия Наук, спроектирован по концепции «здание в здании»: состоит из двух отдельных конструкций: внешняя стеклянная оболочка, поддерживаемая алюминиевым каркасом, вмещает в себя внутреннюю железобетонную конструкцию. Используемые «...передовые компьютерные технологии, применяемые для проектирования трехмерных деформированных поверхностей» [5], позволили реализовать сложную форму Klimahaus. Стеклянная оболочка площадью 10 000 м2 состоит примерно из «4 700 стеклянных панелей различной формы, которые были собраны в конструкцию длиной 125 м, шириной 82 м и высотой почти 30 м с допуском всего в несколько миллиметров» [5]. Внешняя конструкция весом 1 200 т, окружающая внутреннюю железобетонную конструкцию, использует элементы рамы и стрингеры (рис. 13, 14).
Архитекторы Klimahaus разработали сложную концепцию эффективного энергопотребления. В здании используются всевозможные нетрадиционные возобновляемые источники энергии, вторичные энергетические ресурсы.
Электроэнергия вырабатывается с помощью ветровых и гидроэлектростанций, а также фотоэлектрических панелей, установленных на стеклянной крыше перед главным входом. В здании используется источник комбинированного производства тепла и электроэнергии – централизованное теплоснабжение, которое вырабатывается в процессе производства электроэнергии на мусоросжигательном заводе Бременхафена, «часть этой тепловой энергии благодаря высокоспециализированной технологии преобразуется в холод» [6].
В здании используются грунтовые теплообменники. 450 из 770 бетонных свай, на которых построено здание, представляют собой энергетические сваи, содержащие трубопроводы с циркулирующей в них жидкостью. Охлаждающая жидкость благодаря «постоянной низкой температуре грунта, расположенного на 25 м ниже Klimahaus, используется для кондиционирования воздуха внутри здания» [6]. Зимой грунтовые теплообменники «используются в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии для теплонасосных установок» [4].
Несмотря на то, что Бременхафен расположен на севере Германии, где относительно прохладно, потребность здания в кондиционировании превышает потребность в отоплении. Причина в том, что значительная часть тепла выделяется телами огромного числа ежедневных посетителей климатического центра. Поэтому в Klimahaus интегрировано несколько различных систем кондиционирования, потребляющих небольшое количество энергии (рис. 15).
Для «естественного» охлаждения в здании используется разница между дневной и ночной температурами воздуха (наружного?). В ночное время вода в градирнях, расположенных на здании, охлаждается за счет прохладной температуры воздуха и циркулирует в трубах, замоноличенных в массивные бетонные перекрытия. В течение дня перекрытия отдают холод в помещения, создавая комфортный температурный режим и снижая нагрузку на холодильные установки (рис. 16, 17).
В помещениях последнего этажа здания, из-за невозможности охлаждения плиты покрытия, в качестве «естественного» охлаждения использованы подвесные охлаждающие потолки, холодная вода в которые поступает из грунтовых теплообменников.
Важную роль для обеспечения требуемых параметров микроклимата играет наличие двух отдельных конструкций – внешней стеклянной оболочки и внутренней железобетонной конструкции (концепция «здание в здании»). Пространство между ними «является частью системы климатизации» [4].
Во-первых, через внешнюю стеклянную оболочку происходит естественная вентиляция здания. Естественный приточный воздух поступает в пространство между внешней и внутренней конструкциями через проемы у основания здания. «В форме естественного восходящего потока за счет постепенного естественного нагревания» [4] приточный воздух поднимается наверх и удаляется через вентиляционные отверстия в крыше наружной оболочки. Эти отверстия используются также для дымоудаления при пожаре.
Во-вторых, посредством механической системы вентиляции происходит забор прохладного приточного воздуха из пространства между отдельными конструкциями в помещения выставочных залов. Постепенно нагреваясь, он поднимается наверх и удаляется вытяжной механической вентиляцией.
При низких наружных температурах циркулирующий между конструкциями воздух способствует снижению теплопотерь внутренней железобетонной конструкции, а при высоких температурах дополнительно снижает теплопоступления от солнечной радиации. Для снижения основных теплопоступлений на внутренней стороне внешней оболочки установлены солнцезащитные устройства, не препятствующие проникновению естественного освещения (рис. 18).
Проект оранжереи в парке-усадьбе Коломенское
Здание Оранжереи разделено на 4 функциональные зоны, в каждой из которых обеспечиваются оптимальные и допустимые параметры к микроклимату в помещениях.
Зона 1. Залы постоянной экспозиции: зал тропической растительности и зал средиземноморской растительности.
Микроклимат внутри залов зависит от размещенных растений. В зале тропической растительности предполагается поддержание влажного тропического климата со средней температурой в летний период около 30 °C, в зимний период около 12 °C и количеством осадков - 2 500 мм/год. В зале средиземноморской растительности предполагается поддержание сухого субтропического климата со средней температурой в летний период около 25 °C, в зимний - около 10 °C и количеством осадков - 500 мм/год.
Зона 2. Обслуживающие помещения 6-й категории с временным пребыванием людей: вестибюли, гардеробные, коридоры, лестницы, санузлы, магазины и т .п. Оптимальные величины показателей микроклимата в обслуживаемых помещениях приведены в таблице 1.
Зона 3. Научно-исследовательские кабинеты и лаборатории. Категория работ в этой группе помещений — 1б, т. е. работы, производимые сидя и сопровождающиеся незначительным физическим напряжением. Здание на участке расположено с учетом необходимой ориентации научно-исследовательских кабинетов и лабораторий на запад и восток. Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах производственных помещений приведены в таблице 2.
Зона 4. Административные помещения (рис. 19). Категория работ в этой группе помещений — 1а, т. е. работы, производимые сидя, стоя или связанные с ходьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением. Оптимальные величины показателей микроклимата в административных помещениях приведены в таблице 3.
В проекте предусмотрена комбинированная система кондиционирования воздуха.
Подключение объекта к системе городского теплоснабжения осуществляется через индивидуальный тепловой пункт (ИТП), который расположен на техническом этаже здания. Также в здании предусмотрено использование дополнительного источника для работы систем отопления и кондиционирования — геотермальные тепловые насосы «Вода-Грунт».
Из-за тесного взаимодействия здания с ландшафтом, наружные железобетонные конструкции полностью утоплены в рельеф, за счет чего они накапливают в себе «тепло» и передают его в помещения.
Основной тип отопления, применяемый в здании, – воздушное канальное. В качестве источника тепла выступают ИТП и геотермальные тепловые насосы (рис. 21).
Воздушные каналы проложены внутри стен на высоте 0,3–0,5 м от поверхности пола. Теплый воздух, поступающий с нижних частей помещений, стремится вверх, вследствие чего происходит достаточно быстрое перемешивание воздушных масс и помещения прогреваются быстрее. В результате получается эффективное отопление с низким потреблением электроэнергии (рис. 22).
Основным преимуществом воздушного отопления для данного проекта является возможность контролировать температуру в каждой зоне отдельно. За счет увлажнителей воздуха, входящих в состав канальной системы отопления, создается и поддерживается необходимая растениям влажность внутри залов оранжереи.
Та же система отопления в жаркий период года служит системой кондиционирования воздуха. Вместо теплого воздуха в воздушные каналы подается холодный воздух, охлаждая помещения.
Для поддержания необходимого климата в залах оранжереи предусмотрена установка центрального кондиционера, расположенного в специально выделенном помещении под залами оранжереи. Несмотря на то, что центральный кондиционер занимает большую площадь и потребляет много энергии, он очищает воздух, подогревает или охлаждает его, увлажняет или осушает и подает в помещения. Он поддерживает требуемые параметры очень точно. Для дополнительного увлажнения большого зала оранжереи спроектирован декоративный водоем, который является частью искусственно созданного ландшафта и интерьера зала тропических растений.
Концепция «здание в здании» имеет большую значимость при обеспечении требуемых параметров микроклимата внутренних помещений оранжереи. Пространство между наружной и двумя внутренними оболочками является частью системы климатизации. При комфортных наружных температурах воздуха используется естественное проветривание через отверстия, имеющиеся в каждой оболочке. Теплота солнечной радиации подогревает приточный воздух. Отверстия в оболочках одновременно предназначены для обеспечения дымоудаления в случае возгорания.
В жаркий период охлаждаемый системой кондиционирования воздух между внешней и внутренними оболочками позволяет снизить теплопоступления от солнечной радиации в дневное время. Ночью система используется для предварительного подогрева ночного воздуха (рис. 23).
В холодный период пространство двойной оболочки снижает значительный перепад температур между наружным естественным воздухом и искусственно созданным климатом в большом и малом залах оранжереи (рис. 24).
Литература
1. Fairs Marcus. California Academy of Sciences by Renzo Piano Building Workshop // DEZEE. 2008 – [Электронный ресурс] https://www.dezeen.com/2008/10/03/california-academy-of-sciences-by-renzo-piano/ (Дата обращения: 30.03.2019)
2. CALIFORNIA ACADEMY OF SCIENCES – [Электронный ресурс] http://www.rpbw.com/project/california-academy-of-sciences (Дата обращения: 05.04.2019) (Перевод мой)Renzo Piano's California Academy of Science – [Электронный ресурс] https://www.designboom.com/architecture/renzo-pianos-california-academy-of-science/ (Дата обращения: 05.04.2019) (Перевод мой)
3. Шилкин Н. В. Климатический центр Klimahaus в Бремерхафене // АВОК. 2012. № 2. — [Электронный ресурс] http://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5181 (Дата обращения: 20.03.2019).
4. Ten years of Klimahaus Bremerhaven, the climate change museum — [Электронный ресурс] https://www.floornature.com/blog/ten-years-klimahaus-bremerhaven-climate-change-museum-14563/ (Дата обращения: 24.04.2019)
5. MIT EINEM BESONDEREN ENERGIEKONZEPT DAS KLIMA SCHÜTZEN — [Электронный ресурс] https://www.klimahaus-bremerhaven.de/ueber-uns/das-klimahaus/unser-energiekonzept.html (Дата обращения: 26.04.2019)
6. Шилкин Н. В. Термоактивные системы отопления и охлаждения зданий // АВОК. 2012. № 5. — [Электронный ресурс] https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=5292 (Дата обращения: 28.04.2019). ●
