Концепция EQ энергогенерирующей фасадной системы

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 этом проекте также используется прямой пьезоэлектрический эффект предполагаю- щий поляризацию диэлектрика под дейст вием механических напряжений [4].

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 «пьезогенераторы» 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).

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.

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 движе- ния в ночное время можно дополнить сменой цвета и освещением на кончике каждого волоска [6]. Разрушив стандартное представление о ветрогенераторе, можно создать экспериментальную мягкую электрогенерирующую структуру. Однотипная ритмическая организация современных зданий и пространства пробуждает в чело- веке отрицательно эмоциональноэстетическую 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 самостоя- тельность 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.