Анатомия здания: Энергия прибрежной пустыни

Открытый в апреле 2008 г. Бахрейнский центр международной торговли сразу стал достопримечательностью и предметом национальной гордости столицы самого маленького арабского государства – Манамы. Его незамедлительно ждало международное признание: здание стало победителем в номинации «Лучшее высотное здание на Ближнем Востоке и в Африке» ежегодной премии CTBUH Awards – 2008, подведение итогов которой состоялось в ноябре 2008 г. в Чикаго.

Комплекс Бахрейнского ЦМТ омолодил существующую зону отелей и торговых центров в престижном деловом районе на берегу Персидского залива. За счет продления границ существующего шопинг-молла к морю были образованы «торговые галереи». Концептуальный дизайн башен ЦМТ был навеян традиционными арабскими «ветровыми башнями» в форме, которая позволяет использовать дующий с залива ветер как возобновляемый источник энергии для здания.

Паруса Бахрейна

Две 42-этажные офисные башни в форме паруса высотой 240 м служат опорой для трех ветровых турбин. Башни гармонично расположены на 3-этажном подиуме-основании, в котором расположены торговый центр, рестораны, офисные здания и парковки. Общая площадь здания составляет 120 000 кв. м.

Эллиптический план основания и башни в форме паруса выполняют функции аэродинамического профиля, направляя береговой ветер между башнями, а также создавая отрицательное давление позади них, что увеличивает скорость ветра между башнями. Вертикальная форма башен также служит для аэродинамики. Снизу вверх аэродинамические профили уменьшаются. В сочетании с увеличенной скоростью ветра на высоте это создает почти одинаковый режим скорости ветра на всех трех турбинах. Понимание и использование этого феномена стало одним из ключевых факторов, которые позволили вписать генераторы ветровых турбин в дизайн коммерческого здания. Испытание в ветровой трубе подтвердило, что форма и пространственные взаимосвязи башен формируют так называемый воздушный поток S, в результате чего центр ветрового потока остается почти перпендикулярным турбине в пределе 45-градусного ветрового азимута с каждой стороны от центральной оси. Это увеличивает потенциал турбин, а также сокращает изнашиваемость металла на лопастях.

Новаторские идеи и гуманные цели

Заказчик проекта с готовностью принял новаторские идеи архитекторов, чтобы заявить: Бахрейн нашел решение, позволяющее сократить потребность в традиционных источниках энергии. Решение, бесспорно, станет революционным для проектирования городов и зданий в условиях пустыни.

Авторы проекта Бахрейнского ЦМТ – компания WS Atkins & Partners – внимательно исследовали концепцию применения встроенных ветровых турбин в уже существующих проектах. Ветровой климат в Персидском заливе с его доминирующим береговым бризом позволяет использовать энергию ветра и дает проектировщикам возможность отойти от традиционных решений турбин, действующих при любом направлении ветра, сделав ставку на ветровые турбины, действующие при одном направлении ветра (что в ряде случаев облегчило бы их монтаж на зданиях).

В ходе исследований было выявлено, что главными причинами отказа от установки турбин на зданиях являются высокая стоимость процесса (удорожание проекта на 30%) и необходимость адаптации дизайна здания, а также высокая стоимость собственно исследований и разработки особых турбин. Поэтому авторы проекта Бахрейнского ЦМТ сконцентрировались на разработке формы зданий, которая бы благоприятствовала поступлению ветра на турбины. При таком решении и использовании привычных технологий стоимость проекта увеличивалась только на 3%.

Изначально проект Бахрейнского ЦМТ не был рассчитан на решение проблемы понижения выбросов углекислого газа согласно европейским и другим международным стандартам. Однако помимо турбин он содержит некоторые проектные решения, которые сокращают выбросы СО2 по сравнению с другими зданиями на Ближнем Востоке. Вот примеры подобных решений.

Создаются буферные пространства между наружной средой и кондиционированными помещениями. Например, крытая парковка, расположенная сверху и с южной стороны торгового центра, позволит уменьшить температуру воздуха на солнце и создаст тень.

Наличие крыши из песка (гравия) обеспечивает динамическую изоляцию вследствие того, что эти материалы сильно нагреваются под солнцем и теплый воздух над ними идет вверх, против направления теплового потока. Системы двойного дренажа позволят разделить грязную и отработанную воду и перерабатывать «серую воду», чтобы впоследствии сбрасывать ее в водосток. А наличие бассейнов при входе в здание обеспечивает местное охлаждение при испарении воды.

Ветер – двигатель прогресса

Для выработки электроэнергии на здании Бахрейнского ЦМТ были установлены три ветровые турбины с горизонтальными осями, направленными навстречу направлению ветра. Если раньше архитекторы исследовали только турбины с горизонтальными осями, то теперь предстояло освоить турбины с вертикальными осями, которые могут работать при любом направлении ветра. Впрочем, на момент разработки проекта большинство существующих турбин с вертикальными осями не подходило для установки на здание. С самого начала работы над проектом создавалась форма зданий, позволяющая улавливать ветер и перераспределять его между башнями.

Пространственная модель ветрового тоннеля показала, что поступающий ветер закручивается башнями в поток S-образной формы, который проходит через пространство между башнями под углом, допустимым для ветровой турбины. Инженерное прогнозирование показало, что турбина сможет работать при направлении ветра от 270 до 360 градусов, однако в результате принятых мер предосторожности вышеозначенный диапазон был сокращен до 285–345 градусов. Когда ветер выходит за эти рамки, турбина автоматически отключается.

Эффект воронки между башнями увеличивает скорость движения ветра у турбин на 30%. Этот эффект наряду с особой формой башен (больший эффект внизу) и профилем скорости ветра (самая низкая внизу) позволяет балансировать выработку энергии так, что верхняя и нижняя турбины вырабатывают 109% и 93% соответственно, в то время как средняя турбина вырабатывает 100%. Корпусы турбин спроектированы для установки наверху моста, а не внутри, чтобы показать функционирование турбин. Каждый корпус действует самостоятельно и не подвержен опасности от аварий других турбин.

Полная мощность (~225 кВт) достигается при скорости ветра 15–20 м/с в зависимости от плотности воздуха. В случае чрезвычайно высокой скорости ветра при рабочем или выключенном режиме наконечник лопасти выдвигается под действием центробежной силы и поворачивается, действуя как саморегулирующийся тормоз.

Ключевыми параметрами турбин являются мосты. Мосты имеют овальное сечение по соображениям аэродинамики и представляют собой сложные взаимосвязанные конструкции, поскольку они объединяют действие свободных опор, где они соединены со зданиями, чтобы позволить зданиям двигаться на 0,5 м относительно друг друга. Кроме того, мосты длиной 31,7 м, поддерживающие корпуса массой по 11 т, были спроектированы, чтобы выдерживать и амортизировать колебания, вызываемые ветром и турбинами. Мост небольшой, V-образный в плане (угол – 173 градуса), чтобы учесть отклонение лопастей при экстремальных условиях работы, обеспечить необходимый зазор и избежать удара. При таких условиях зазор между лопастями и мостом достигает 1,12 м. Худший сценарий – с выдвинутыми наконечниками лопастей – дает коэффициент безопасности 1,35, но и при этих условиях достигается необходимый зазор. Дополнительно включена лазерная система мониторинга положения лопасти, что позволит выключить турбину, если лопасти слишком отклонятся.

Расчет конструкций на прочность и усталость предполагает определение воздействия нагрузок на ротор, через корпус и далее – на мосты и здания. Методика расчета нагрузок для этого проекта была предложена консультантом по проектированию мостов совместно с производителем турбин. В результате для испытаний использовалась специально адаптированная версия лучшего симулятора турбин Flex 4. Все 199 различных ситуационных нагрузок были смоделированы и подтверждены расчетами, проведенными в обоснование теории о том, что турбины и мосты способны выдержать нагрузки без чрезмерной усталости.

Механизм работы турбин регулируется Системой контроля ветровой турбины – промышленной системой контроля качества, которая специально разработана для мониторинга и контроля ветровых турбин. Она надежна и кроме своих основных функций может безопасно отключать турбины в случае неблагоприятных погодных условий или вследствие действия форс-мажорных обстоятельств. Это интерактивная система, позволяющая оператору дистанционно получить доступ к оперативным данным после соответствующей авторизации. Она имеет встроенную независимую систему контроля безопасности и чрезвычайных ситуаций, которая отслеживает возможные неисправности в турбине и условия окружающей среды на каждый момент и в случае необходимости отключает турбину. Эта система стоит во главе системы электронного контроля. Кроме того, она получает данные об условиях работы турбины с помощью системы мониторинга самого здания. Наконец, система хранит основные данные, касающиеся работы турбины, и обеспечивает материал для расчетов (анализа).

Судьба проектов-пионеров неоднозначна, но главное, что в них подкупает, – новаторство мысли, благодаря которому их плодами впоследствии могут воспользоваться многочисленные последователи. «Бахрейнский ЦМТ, вероятно, самое дерзкое сооружение прошедшего со времен строительства Норманом Фостером здания Commerzbank десятилетия, – говорит исполнительный директор Всемирного совета по высотным зданиям и городской среде (Council on Tall Buildings and Urban Habitat, CTBUH) профессор Энтони Вуд. – Это здание озвучивает вызовы, с которыми мы сталкиваемся, возможности, которые нам открываются, и все растущее число храбрецов, устремленных в будущее».