Купольное многофункциональное здание
Изобретение относится к области строительства, в частности к купольному многофункциональному зданию. Технический результат заключается в высокоэффективных возможностях повышения энергоемкости и функционирования инженерного обеспечения, позволяющих осуществить автономность купольных зданий повышенного объема при минимизации затрат и расширении вариантов их многофункционального использования. Купольное многофункциональное здание жилого, производственного или комбинированного назначения выполнено с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей средней части внутренний двор. Во дворе выполнена, по меньшей мере, одна расположенная на фундаменте трубная опора купола. Опора содержит каналы обмена воздуха и тепловой энергии между внешней средой, внутренним пространством двора и помещениями периферийно замкнутой постройки. Каналы сообщены по теплу с расположенным в околотрубном пространстве тепловым аккумулятором. Аккумулятор энергетически связан с возобновляемыми, резервными и традиционными источниками энергии здания, а также с системой обеспечения микроклимата в помещениях здания и по высоте пространства двора. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.
Предложение относится к купольным заданиям общественного, жилого или производственного или комбинированного назначения.
Широко известны перекрытые куполами юрты, аквапарки, складские сооружения с жестким или эластичным куполом, образующим защищенное от атмосферы внутреннее пространство [1, листы 4 и 5 на стр.280, 281], в котором размещается, например, производственное оборудование и даже отдельные здания.
Известны также купольные обычно многофункциональные здания с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей центральной части внутренний двор с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки [1, рис. на стр.155]. Такого типа постройки, например, используются как гостиничные или туристические комплексы, позволяя минимизировать затраты тепла на отопление, организуя в перекрытом дворе зоны отдыха для населения. Постройки такого типа актуальны как в холодном, так и жарком климате, поскольку могут обеспечить комфортную среду обитания.
Увеличение энергопотребления таких современных зданий, удорожание энергии, повышение требований к экологической безопасности сооружений требует создания таких их конструкций, которые бы при повышенных строительных объемах обеспечивали энергетическую независимость и автономность их «жизнедеятельности».
Такие здания должны быть оптимизированы для применения систем аккумулирования энергии от различных типов возобновляемых энергоисточников, что и потребовало создания нового технического решения купольного здания с высокоэффективными возможностями повышения энергоемкости и функционирования инженерного обеспечения, позволяющими осуществить автономность купольных зданий повышенного объема при минимизации затрат и расширении вариантов его многофункционального использования.
Поставленная задача согласно предложению решается тем, что купольное многофункциональное здание жилого, производственного или комбинированного назначения с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей центральной части внутренний двор и снабженной системой инженерного обеспечения жизнедеятельности, выполнено со следующими особенностями конструктивного решения:
- во дворе выполнена по меньшей мере одна расположенная на фундаменте трубная опора купола с каналами обмена воздуха и тепловой энергии между внешней средой, внутренним пространством двора и помещениями периферийно замкнутой постройки, сообщенными по теплу с расположенным в околотрубном пространстве тепловым аккумулятором, энергетически связанным с возобновляемыми источниками энергии здания (фотоэлектрическими, солнечными коллекторами, ветровыми, преобразователями сточных вод и отходов в тепловую энергию и топливо), резервными традиционными (например, дизель-электоргенераторы) источниками энергии, а также с системой обеспечения микроклимата в помещениях здания и по высоте пространства двора;
- фундамент трубной опоры выполнен в виде ячеистой и снабженной внутренними каналами и помещениями гидроизолированной от внешней среды периферийно замкнутой конструкции, объединяющей трубную опору, внутренний двор, периферийно замкнутую постройку и тепловой аккумулятор, выполненный с по меньшей мере двумя секциями разного максимального уровня рабочей температуры, причем объем фундамента и его геометрия выбраны из условия обеспечения положительной плавучести всего здания и его остойчивость;
- на крыше периферийно замкнутой постройки выполнен объединяющий постройку вертикальный обруч с окнами прохода света внутрь двора, в верхней своей части связанный нижней опорной частью купола, причем крыша периферийно замкнутой постройки со стороны двора выполнена горизонтальной, преимущественно
двухъярусной с внутренним ярусом, расположенным ниже яруса, примыкающего к обручу;
- купол выполнен эластичным надувным, при этом трубная опора в верхней части имеет жесткий участок крыши, диаметр и высота расположения которого в месте крепления к эластичному куполу выполнены из условия невозможности образования на эластичной крыше прогибов, задерживающих сток осадков при аварийном сбросе избыточного давления во дворе здания;
- купол здания выполнен прозрачным и преимущественно многослойным, на трубной опоре выполнены ярусами смотровые и технические площадки, светоотражатели проходящего через купол потока света к внутренней поверхности строения и двора, трубная опора также снабжена источниками искусственного освещения двора, вентиляторами, теплообменниками, тепловыми насосами, системой орошения, лифтами и др. оборудованием, обеспечивающим совместно с выполненным по меньшей мере с двумя уровнями температуры тепловым аккумулятором заданное функционирование здания, например, работу здания в режиме мини-ТЭЦ совместно с производственным комплексом здания и оранжереями, преимущественно расположенными на крыше периферийно замкнутой постройки, площадках трубной опоры и в виде окольцовывающей здание снаружи дополнительной теплицы;
- трубная опора снабжена поворотным грузоподъемным устройством для перемещения грузов по всему двору здания, секции периферийно замкнутой постройки снабжены по меньшей мере двумя транспортными проходами, связывающими внутренний двор с внешней средой через периферийно расположенное строение и/или выходящие наружу каналы в фундаменте;
- в верхней части вертикальной трубной опоры над поверхностью купола установлена электрогенерирующая ветроустановка, например, вихревого или поворотного типа, подключенная к тепловому аккумулятору и по меньшей мере к одному вытяжному каналу трубной опоры, по теплу и воздуху сообщенному с системой энергообеспечения и кондиционирования здания;
- тепловой аккумулятор выполнен с по меньшей мере двумя уровнями температуры, сообщен по теплу с паросиловой электрогенерирующей установкой, а также с резервными и традиционными источниками тепловой и электрической энергии, агрегатами систем теплообмена и микроклимата, которые расположены в центральной части двора, вокруг трубной опоры, в самой трубной опоре и энергетически замкнуты между собой через посредство каналов трубной опоры, купола и фундамента;
- тепловой аккумулятор дополнительно снабжен секцией с температурой рабочего тела существенно, например на 20-30°С, ниже, чем нормальная температура в помещениях здания, сообщенный воздуховодами системы микроклимата с помещениями здания, например, хранилищами сельскохозяйственной и др. продукции;
- помещения здания снабжены вентиляционными каналами вывода воздуха из помещений к каналам трубной опоры, каналами отсасывания воздуха для вывода пыли и мелкого мусора из помещений, которые через посредство фильтров и системы утилизации бытовых отходов и сточных вод сообщены с атмосферой через вертикальный выходной канал трубной опоры;
- на внешней поверхности периферийно замкнутой постройки или/и куполе расположены панели преобразования солнечной энергии в тепловую и/или электрическую энергию, сообщенные с тепловым аккумулятором и энергосистемой здания.
На чертеже показаны примеры конструктивного выполнения здания, причем слева от вертикальной оси показан пример выполнения здания производственного назначения, а с правой - вариант жилого здания, например, с зимним садом во дворе.
Опора купола 1 выполнена на крыше 2 двух или более этажной периферийно замкнутой постройки 3, образующей в своей центральной части внутренний двор 4.
Во внутреннем дворе 4 выполнена по меньшей мере одна расположенная на фундаменте трубная опора 5 купола 1 с каналами 6 обмена воздуха и тепловой энергии между внешней средой, внутренним пространством двора 4 и помещениями периферийно замкнутой постройки 3, сообщенными преимущественно с по меньшей мере двухуровневым по температуре тепловым аккумулятором 7, по теплу связанным с возобновляемыми источниками энергии здания, например фотоэлектрическими или солнечными коллекторами 8, ветровыми (например, в виде ветроустановки крышного типа 9) преобразователями сточных вод и отходов в тепловую энергию и топливо (преимущественно выполненными на базе известных технологий высокотемпературного пиролиза - блок 10), резервными традиционными источниками, например в виде дизель-электрогенератора 11. Тепловой аккумулятор 7 также сообщен с системой обеспечения микроклимата 12 в помещениях здания 3 и по высоте пространства двора 4, которую, как и другое инженерное оборудование, предпочтительно располагать в центральном машинном зале 13 и внутри пространства трубной опоры. Устройства 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 системы водоснабжения, канализации, тепловые насосы, теплообменники и др. функционально образуют единый технический комплекс, сообщенный каналами 6 с атмосферой, преимущественно через центральный канал вихревой ветроустановки 9 с пониженным по отношению к давлению в подкупольном пространстве двора 4 давлением.
Количество трубных опор определяется архитектурой купольного здания. Так, при выполнении купольного здания вытянутым по одной из осей симметрии таких опор может быть две или более. При этом в каждой из опор могут выполняться или все функциональные каналы 6 или только их часть, т.е. две-три трубных опоры могут выполнять функции одной опоры, рассмотренной в примере выполнения по фиг.1.
Фундамент 14 трубной опоры 5 выполнен в виде ячеистой и снабженной внутренними помещениями гидроизолированной от внешней среды периферийно замкнутой конструкции, объединяющей трубную опору 5, внутренний двор 4, периферийно замкнутую постройку 3, тепловой аккумулятор 7 и машинный зал 13. Объем фундамента и его геометрия выбраны из условия обеспечения положительной плавучести всего здания и его остойчивости. На крыше 2 (справа от оси) периферийно замкнутой постройки 3 для обеспечения естественного освещения двора 4 (например, при выполнении купола непрозрачным) выполнен объединяющий постройку вертикальный обруч 15 (с окнами 16), в верхней своей части связанный с нижней опорной частью купола 1, причем крыша 2 периферийно замкнутой постройки со стороны двора 4 выполнена горизонтальной, преимущественно с двумя по высоте ярусами 17 с внутренним ярусом, расположенным ниже яруса, примыкающего к обручу, что, например, рационально для выполнения общественных зданий с зонами отдыха на этих ярусах.
Купол 1 может быть выполнен жестким (прозрачным или непрозрачным) или в виде надувной эластичной, например, многослойной оболочки 18, расправляющейся при некотором избыточном давлении воздуха внутри двора 4. При этом трубная опора 5 в верхней части снабжена жестким участком 19 крыши, диаметр и высота расположения которого в месте крепления к эластичному куполу 18 выполнены из условия невозможности образования на эластичной крыше прогибов, задерживающих сток осадков при аварийном сбросе избыточного давления во дворе здания.
На трубной опоре 5 ярусами могут быть расположены смотровые и технические площадки 20 и светоотражатели 21 проходящего через купол 1, 18 потока света к внутренней поверхности строения и двора 4.
Площадки 20 могут быть использованы для расположения садовых растений и выполнения двора 4 как зимнего сада.
Трубная опора 5 с площадками 20 может снабжаться источниками искусственного освещения двора, фонтанами, аппаратурой создания лазерного шоу, вентиляторами, теплообменниками, тепловыми насосами, системой орошения, лифтами и др. известным применяемым в строительстве зданий оборудованием (не показано), обеспечивающим заданное функционирование здания, например работу здания в режиме мини-ТЭЦ, совместно с производственным комплексом здания и оранжереями, например, выполненными на верхних этажах постройки 3-21, ярусах 17, площадках 20, а также и в виде окольцовывающей снаружи периферийную постройку 3 дополнительной теплицы 22.
Трубная опора 5 может быть снабжена поворотным грузоподъемным устройством 23 для перемещения грузов по всему двору 2 здания и его этажам. По меньшей мере часть секций периферийно замкнутой постройки 3 выполнены с связывающими внутренний двор 4 с внешней средой радиальными проходами 24, которые могут быть выполнены и в фундаменте 14 здания.
Электрогенерирующая ветроустановка 9, например, вихревого или поворотного типа по теплу и воздуху может быть сообщена с системой энергообеспечения и кондиционирования здания, включающей в свой состав тепловой аккумулятор 7 и другое инженерное оборудование.
По меньшей мере аккумулятор 7 может быть снабжен секциями с двумя уровнями температуры - 7в и 7н, что позволяет за счет перепада температур приводить в действие электрогенератор, например, посредством паровой машины или двигателя Стирлинга. При дополнении теплоаккумулятора секцией 7х с температурой рабочего тела существенно, например на 20-40°С, ниже, чем нормальная температура в окружающей среде или помещениях здания, холод этой секции может быть использован для охлаждения производимой продукции, системы микроклимата помещений здания и двора 4.
Наличие секции 7х существенно упрощает систему поддержания микроклимата в различных помещениях и снижает затраты энергии на кондиционирование. По теплу все секции 7 теплового аккумулятора могут сообщаться посредством реверсивных, преимущественно установленных в энергоблоке 13, тепловых насосов известных типов. Это позволяет оптимальным образом перераспределять тепловую энергию в системе жизнеобеспечения здания и по производственному технологическому процессу, например при работе здания в режиме мини-ТЭЦ и/или тепличного комплекса, минимизировать расход потребления электроэнергии.
Секция 7в может заряжаться теплом, вырабатываемым системой пиролиза 10, а также за счет тэнового разогрева от внешних электроисточников: фотоэлементов 8, электрогенератора ветроустановки 9 и др. источников, например, до температуры +800- 1000°С. Секция 7н воспринимает низкотемпературное тепло, например до +80-100°С, и может использоваться для конденсирования пара паросиловой установки.
Помещения здания могут быть снабжены вентиляционными каналами вывода воздуха непосредственно во двор 4 (для жилого здания) или непосредственно в выходные каналы 6 трубной опоры 5 (для энерго- и производственного здания), а также блоком радиальных каналов 25 (вода, канализация, отопление и др.) с системами 10, 11, 12.
С выходными каналами 6 непосредственно также сообщены выходы дизель-генератора, каналы вывода пыли и мелкого мусора из помещений, которые через посредство фильтров и систему утилизации бытовых отходов 10 и сточных вод (расположены в 13) сообщены с атмосферой через трубную опору 5. Это техническое решение полностью защищает двор 4 от проникновения в его воздушное пространство различных запахов от производственных процессов. Подвод воздуха из атмосферы, например, к системе обеспечения микроклимата 12 осуществляется от воздухозаборника 26 (например, за счет скоростного напора ветра) ветроустановки 9 по напорным каналам 6 трубной опоры 5 (через широко известную систему фильтров, не показанную на чертеже)
Энергоаккумулирующая система здания преимущественно располагается в фундаментной околотрубной части трубной опоры 5, к которой непосредственно прилегает и энергоблок 13, что минимизирует затраты на строительство, упрощает обслуживание инженерного комплекса, предотвращает выделение вредных и пахучих газов непосредственно во двор и помещения за счет их непосредственного выхода в отсасывающие каналы 6 трубной опоры.
При выполнении купольного задания в виде общественного сооружения, гостиницы, туристического комплекса, медицинского центра двор здания может быть выполнен в виде зимнего сада с расположением растений на ярусах трубной опоры 5, непосредственно на поверхности двора и балконах строения 3, выходящих во двор 4, что способствует поддержанию комфортного микроклимата и высокого качества воздуха независимо от состояния воздуха в окружающей здание воздушной среде.
При строительстве здания трубная опора может использоваться как опора монтажного крана, например 23, которым здание может впоследствии комплектоваться для перемещения грузов во дворе здания и их перемещения по этажам периферийно замкнутой постройки, что особенно рационально при использовании здания как производственного комплекса.
В целом такого типа здания позволяют рациональным образом решать социальные, энергетические, экологические, продовольственные задачи, обеспечивая безопасность проживающего в нем населения [2].
Источники информации
1. Джангар Б.П. Архитектура мироздания. М.: изд. ООО «ПКЦ Альтекс». 2006. С.310.
2. Бритвин Л.Н. Энергосберегающие системы автономных жилых комплексов на базе аккумуляторов тепла и альтернативных источников энергии. Сб. научных трудов и инженерных разработок РАН, РФФИ, ИМАШ. М.2006 (7-я специализированная выставка «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК), стр.177-180.
1. Купольное многофункциональное здание жилого, производственного или комбинированного назначения с опорой купола на крыше двух или более этажной периферийно замкнутой постройки, образующей в своей средней части внутренний двор, отличающееся тем, что во дворе выполнена, по меньшей мере, одна расположенная на фундаменте трубная опора купола с каналами обмена воздуха и тепловой энергии между внешней средой, внутренним пространством двора и помещениями периферийно замкнутой постройки, сообщенными по теплу с расположенным в околотрубном пространстве тепловым аккумулятором, энергетически связанным с возобновляемыми источниками энергии здания: фотоэлектрическими, солнечными коллекторами, ветровыми, преобразователями сточных вод и отходов в тепловую энергию и топливо, резервными и традиционными, например, дизель-электрогенераторы, источниками энергии, а также с системой обеспечения микроклимата в помещениях здания и по высоте пространства двора.
2. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что фундамент трубной опоры выполнен в виде ячеистой и снабженной внутренними каналами и помещениями гидроизолированной от внешней среды периферийно замкнутой конструкции, объединяющей трубную опору, внутренний двор, периферийно замкнутую постройку и тепловой аккумулятор, выполненный с, по меньшей мере, двумя секциями разного максимального уровня рабочей температуры, причем объем фундамента и его геометрия выбраны из условия обеспечения положительной плавучести всего здания и его устойчивости.
3. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что на крыше периферийно замкнутой постройки выполнен объединяющий постройку вертикальный обруч с окнами прохода света внутрь двора, в верхней своей части связанный с нижней опорной частью купола, причем крыша периферийно замкнутой постройки со стороны двора выполнена горизонтальной, преимущественно двухъярусной с внутренним ярусом, расположенным ниже яруса, примыкающего к обручу.
4. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что купол выполнен эластичным надувным, при этом трубная опора в верхней части имеет жесткий участок крыши, диаметр и высота расположения которого в месте крепления к эластичному куполу выполнены из условия невозможности образования на эластичной крыше прогибов, задерживающих сток осадков при аварийном сбросе избыточного давления во дворе здания.
5. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что купол здания выполнен прозрачным и преимущественно многослойным, на трубной опоре выполнены ярусами смотровые и технические площадки, светоотражатели проходящего через купол потока света к внутренней поверхности строения и двора, трубная опора также снабжена источниками искусственного освещения двора, вентиляторами, теплообменниками, тепловыми насосами, системой орошения, лифтами и оборудованием, обеспечивающим совместно с выполненным, по меньшей мере, с двумя уровнями температуры тепловым аккумулятором заданное функционирование здания, например, работу здания в режиме мини-ТЭЦ совместно с производственным комплексом здания и оранжереями, преимущественно расположенными на крыше периферийно замкнутой постройки, площадках трубной опоры и в виде окольцовывающей здание снаружи дополнительной теплицы.
6. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что трубная опора снабжена поворотным грузоподъемным устройством для перемещения грузов по всему двору здания, секции периферийно замкнутой постройки снабжены, по меньшей мере, двумя транспортными проходами, связывающими внутренний двор с внешней средой через периферийно расположенное строение и/или выходящие наружу каналы в фундаменте.
7. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что в верхней части вертикальной трубной опоры над поверхностью купола установлена электрогенерирующая ветроустановка, например, вихревого или поворотного типа, подключенная к тепловому аккумулятору и, по меньшей мере, к одному вытяжному каналу трубной опоры, по теплу и воздуху сообщенному с системой энергообеспечения и кондиционирования здания.
8. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что тепловой аккумулятор выполнен с, по меньшей мере, двумя уровнями температуры, сообщен по теплу с паросиловой электрогенерирующей установкой, а также с резервными и традиционными источниками тепловой и электрической энергии, агрегатами систем теплообмена и микроклимата, которые расположены в центральной части двора, вокруг трубной опоры, в самой трубной опоре и энергетически замкнуты между собой посредством каналов трубной опоры, купола и фундамента.
9. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что тепловой аккумулятор дополнительно снабжен секцией с температурой рабочего тела существенно, например на 20-30°С, ниже, чем нормальная температура в помещениях здания, сообщенный воздуховодами системы микроклимата с помещениями здания, например, хранилищами сельскохозяйственной продукции.
10. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что помещения здания снабжены вентиляционными каналами вывода воздуха из помещений, каналами отсасывания воздуха для вывода пыли и мелкого мусора из помещений, которые посредством фильтров и системы утилизации бытовых отходов и сточных вод сообщены с атмосферой через вертикальный выходной канал трубной опоры.
11. Купольное многофункциональное здание по п.1, отличающееся тем, что на внешней поверхности периферийно замкнутой постройки или/и куполе расположены панели преобразования солнечной энергии в тепловую и/или электрическую энергию, сообщенные с тепловым аккумулятором и энергосистемой здания.
