Статья 'Особенности формирования устойчивой архитектурной среды с использованием зеленых систем на основе фотобиореакторов ' - журнал 'Урбанистика' - NotaBene.ru
по
Меню журнала
> Архив номеров > Рубрики > О журнале > Авторы > О журнале > Требования к статьям > Редакция и редакционный совет > Порядок рецензирования статей > Политика издания > Ретракция статей > Этические принципы > Политика открытого доступа > Оплата за публикации в открытом доступе > Online First Pre-Publication > Политика авторских прав и лицензий > Политика цифрового хранения публикации > Политика идентификации статей > Политика проверки на плагиат
Журналы индексируются
Реквизиты журнала

ГЛАВНАЯ > Вернуться к содержанию
Урбанистика
Правильная ссылка на статью:

Особенности формирования устойчивой архитектурной среды с использованием зеленых систем на основе фотобиореакторов

Казанцев Павел Анатольевич

кандидат архитектуры

профессор по специальности архитектура зданий и сооружений, профессор Департамента архитектуры и дизайна, Дальневосточный федеральный университет

690091, Россия, Приморский край, г. Владивосток, ул. Суханова, 8

Kazantsev Pavel Anatolievitch

PhD in Architecture

Professor, the department of Architecture and Urban Development, Far Eastern Federal University

690091, Russia, Primorskii krai, g. Vladivostok, ul. Sukhanova, 8

pal-antvlad@yandex.ru
Другие публикации этого автора
 

 
Лобачева Мария Андреевна

специалист-архитектор, МКУ "Градостроительное планирование территорий", магистр архитектуры

690003, Россия, Приморский край, г. Владивсоток, ул. Верхнепортовая, 76а

Lobacheva Mariya Andreevna

Architecture Expert, Master's Degree in Architecture, Urban Planning of Territories

690003, Russia, Primorskii krai, g. Vladivsotok, ul. Verkhneportovaya, 76a

mashathedream@mail.ru

DOI:

10.7256/2310-8673.2021.1.35477

Дата направления статьи в редакцию:

11-04-2021


Дата публикации:

19-05-2021


Аннотация: Предметом исследования являются особенности формирования устойчивой городской среды с использованием фотобиореакторов – технических устройств, обеспечивающих условия для жизнедеятельности микроводорослей. В мировой практике данное направление известно как «Algaetecture». Авторы исследования определяют «Algaetecture» как совокупность способов и приемов формирования экологически устойчивой городской среды, на основе интеграции зеленых систем фотобиореакторов в структуру открытых и закрытых городских пространств.В исследовании показано, что пространственные характеристики объектов, содержащих системы фотобиореакторов, напрямую связаны с условиями жизнедеятельности микроводорослей. Моделирование формы в целях обеспечения жизнедеятельности микроводорослей, является одним из ведущих факторов формирования объемно-планировочных характеристик зданий, разработки ландшафтного дизайна прилегающей территории, и архитектурного решения самих систем фотобиореакторов. В результате исследования выявлены основные способы формирования городской среды, обеспечивающие максимальную эффективность интегрированных в здание зеленых систем на основе фотобиореакторов. К ним следует отнести: учет местного климата при формировании пространственных характеристик зданий, в первую очередь для перераспределения солнечной радиации; использование разнообразных приемов формирования многослойной, адаптивной к погодным условиям, оболочки фасадов и кровли зданий; обеспечение взаимосвязи архитектуры внешних систем фотобиореакторов и внутренней среды зданий, для формирования светового и теплового комфорта внутренних пространств; формирование прилегающих открытых пространств и поверхностей здания, содержащего фотобиореакторы, как единой системы регулирующей инсоляционные и ветровые потоки; сочетание различных систем фотобиореакторов и культур микроводорослей, в том числе и в отдельно взятом архитектурном объекте.По итогам исследования предложены варианты решения объема, поверхностей и территории условного здания, включающего системы фотобиореакторов, с учетом специфики муссонного климата южного Приморья. Проработаны предложения по формированию архитектуры систем фотобиореакторов для фасадов зданий, в зависимости от их раскрытия на основные сектора горизонта.


Ключевые слова: интегрирующая микроводоросли архитектура, строительные технологии микроводорослей, зеленые системы микроводорослей, фотобиореактор, системы фотобиореакторов, экологическая архитектура, экологический урбанизм, устойчивая городская среда, устойчивое развитие городов, зеленые системы

Abstract: The subject of this research is the peculiarities of formation of sustainable architectural environment using green photobioreactors – a technical devices that ensures specific conditions for the life cycle of microalgae. In global practice, this direction is known as “Algaetecture”. The authors define “Algaetecture” as a set of measures and means for the formation of environmentally sustainable urban environment, based on the integration of green photobioreactor systems into the structure of open and closed urban spaces. The research demonstrated that the spatial characteristics of objects containing photobioreactor systems are directly associated with the conditions for the life cycle of microalgae. Modelling of the shape for enduring the life cycle of microalgae is one of the leading factors in the formation of volumetric planning characteristics of buildings, development of landscape design of the vicinity, and architectural solution of the photobioreactor systems themselves. As a result, the author determines the main methods of creating urban environment that maximize the efficiency of based on photobioreactors green systems that are integrated into the building. This includes: consideration of local climate peculiarities in development of spatial characteristics of the buildings, namely for redistribution of solar radiation; use of various techniques for the formation of multilayered, weather-adaptive façade envelopes and roofs of the buildings; ensuring the interface between the architecture of external photobioreactor systems and interior environment of the buildings for creating the inside light and heat comfort; formation of the vicinity open spaces and surfaces of the building that contains photobioreactors, as a unified system that regulates insolation and wind streams; combination of different photobioreactor systems and microalgae cultures, including in the one particular architectural object. Based on the acquires results, the author offers solutions for the volume, surfaces and territory of a building that includes photobioreactor systems, considering the specificity of the monsoon climate of Southern Primorye. The recommendations are elaborated on the development of the architecture of photobioreactor systems for the facades of buildings depending on their expansion into the main sectors of the horizon.



Keywords:

sustainable urban environment, ecological urbanism, sustainable architecture, photobioreactor systems, photobioreactor, algae green systems, algae building technology, algaetecture, sustainable city development, green systems

Введение

Озеленение древесной растительностью, кустарниками и травами городской территории и включение зеленых систем в архитектуру зданий сегодня являются основными способами формирования экологически-устойчивой городской среды. Тем не менее, в высокоплотной городской застройке размещение традиционных зеленых систем не всегда способно дать ожидаемый эффект. В том числе это приводит к ограничению способности урбанизированной среды утилизировать углекислый газ и смог из городского воздуха. Необходимо найти новые способы сохранения и восстановления природных экосистем в плотной городской среде, без ущерба для городского образа жизни (Рис.1.).

Одним из таких способов может быть использование биотехнологий, в частности размещение культур микроводорослей в структуре зданий и на прилегающей территории. Использование микроводорослей в архитектуре – это новая и еще недостаточно изученная технология. Но известно, что микроводоросли смогут существенно снижать концентрацию СО₂, поглощать городской смог, вырабатывать энергию и быть основой для производства продуктов питания и лекарств. Эффективность таких зеленых систем на основе фотобиореакторов - специальных конструкций различных типов, позволяющих культивировать в них микроводоросли - в оздоровлении городской среды, по отдельным показателям в 4 раза превышает эффективность традиционных систем озеленения городской среды. Водоросли являются самым быстрорастущим органическим материалом на планете – в десять раз быстрее, чем деревья, – причем более эффективные виды удваивают свой объем каждые 6 часов. [22]

Рис. 1. Изменение природных ландшафтов в процессе их градостроительного освоения, Владивосток, п-в Шкота. Очевидно, что в условиях высокоплотной застройки полуострова восстановление утраченных зеленых систем невозможно.

В современном градостроительстве и архитектуре данное направление формирования экологически устойчивой городской среды определяется термином «Algaetecture» или «Algae architecture» [12, 24] (от лат. algae – водоросли и architecture - архитектура), или как «Algae Building Technology» [19,20]. «Algaetecture» в данной статье рассматривается как совокупность способов и приемов формирования экологически устойчивой городской среды, на основе интеграции систем фотобиореакторов в структуру открытых (фасады, кровли зданий и прилегающая территория) и закрытых (интерьеры) городских пространств.

Проводимое в данной статье исследование ограничено вопросами взаимодействия архитектурной формы с системами на основе фотобиореакторов, с целью выявления специфики формирования архитектуры зданий и прилегающей территории, включающих подобные системы, в природно-климатических условиях южного Приморья. При этом рекомендации по применению данных технологий в городской среде в условиях юга Приморья опираются на результаты исследований Лаборатории морской микробиоты Национального научного центра морской биологии им. А.В. Жирмунского (ННЦМБ ДВО РАН), и наличие в центре биобанка, содержащего 31 вид и 39 штаммов морских микроводорослей, относящихся к разным систематическим группам [3].

Опыт формирования устойчивой городской среды с использованием фотобиореакторов

Рассматриваемое направление «algaetecture» - сравнительно новое явление в мировой архитектуре, и практически не исследуется отечественными специалистами. Устоявшегося русскоязычного термина, фиксирующего данное направление научных исследований и проектирования, еще нет. Как отечественными, так и зарубежными специалистами до настоящего времени преимущественно рассматриваются инженерные и технологические аспекты проблемы культивирования микроводорослей. В меньшей степени, затрагиваются вопросы взаимодействия архитектурной среды и интегрируемых в городские пространства технологий «algaetecture» под влиянием природно-климатических факторов того или иного региона, хотя число таких исследований растет. Например, эти вопросы рассмотрены для жаркого климата центральных районов Ирана [11], умеренного и теплого климата регионов Великобритании и Австралии [10, 16, 17, 19, 20]. Также следует отметить, что реализации проектов реновации городской среды и строительства новых зданий с использованием фотобиореакторов единичны.

Если рассматривать основные тенденции внедрения технологий фотобиореакторов в архитектуру и градостроительство за последние годы, то можно выделить 3 основных направления, а именно: - экспериментальное и конкурсное проектирование; - рабочее проектирование и реализация объектов «algaetecture»; - футуристические проектные работы. Прежде всего необходимо выделить исследования и выполненные на их основе проектные работы следующих научно-проектных коллективов и авторов:

- EcoLogicStudio (дизайн-студия, Лондон, Великобритания) проводит исследования разнообразных систем фотобиореакторов, и на их основе предлагает проекты интеграции фотобиореакторов в городскую среду, фасады и внутреннее пространство зданий. Часть экспериментальных проектов была реализована стартапом PhotoSynthetica™ [15, 23];

- Splitterwerk Architects (проектная компания, Грац, Австрия), исследуют здания с интегрированными в фасад фотобиоректорами. Были предложены проекты зданий и инженерно-техническое решение «двойного» фасада с системой фотобиореакторов [21];

- Chezare Griffa (архитектор, Турин, Италия) занимается исследованием и проектированием полномасштабных прототипов фасадов, содержащих системы с микроводорослями [14];

- Ермаченко П. А. (ЮРГПУ им. М.И.Платова, Новочеркасск) развивает новый подход к созданию энергонезависимых систем жизнеобеспечения, интегрированных в архитектурные оболочки зданий методами генеративного проектирования [2];

- Широкий спектр футуристических решений и концептуальных проектов можно видеть в результатах конкурса «Algae Competition», проведенного Algae Industry Magazine в 2011 г. [9];

Большинство проектов упомянутых коллективов отличает региональный подход к формированию архитектуры интегрированных в здания систем фотобиореакторов, для создания комфортных условий жизнедеятельности микроводорослей.

Исходные данные, учитываемые при формирования зеленых систем на основе фотобиореакторов.

В процессе своей жизнедеятельности микроводоросли посредством поглощения углекислого газа, солнечного света и питательных веществ наращивают биомассу. В процессе фотосинтеза выделяется кислород, а при нехватке серы в питательной массе – водород. Из биомассы в дальнейшем вырабатывается множество видов продукции, такие как масла, нутрицевтики, корм для скота, удобрения и другие вещества [7].

Для того чтобы добиться наибольшей продуктивности микроводорослей, необходимо выдерживать следующие параметры внешней среды, а именно:

1. Освещенность. Свет может быть разной природы (естественный или искусственный) и интенсивности, разной длины волны, и эти параметры могут улучшать либо ухудшать условия для произрастания того или иного вида микроводорослей.

2. Температура. Повышение температуры увеличивает темп роста микроводорослей. Оптимальная температура для роста большинства культур микроводорослей составляет от +17 до +30⁰С.

3. Газообмен. Биомасса в процессе роста адсорбирует посредством фотосинтеза около 40-50% углекислого газа. Углекислый газ может подаваться из производственных зданий, жилых и общественных помещений, его источником могут быть и выхлопные газы автомобилей.

4. Вода. Микроводоросли могут произрастать в любой воде: пресной, солёной, технической и фильтрованной сточной. Выбор водной среды зависит от штамма микроводорослей. Отдельные виды микроводорослей могут обитать в гиперсоленой среде, что делает их оптимальными для использования в открытых зеленых системах зимой.

5. Стрессовые условия. Ими являются: высокая интенсивность солнечного излучения и его тепловой составляющей в жаркие погоды летом, слишком высокая концентрация кислорода, низкий уровень кислотности водных растворов [5].

Для культивации микроводорослей в искусственных условиях используют фотобиореактор – систему светопрозрачных конструкций и обеспечивающих устройств. Основным элементом конструкции фотобиореактора является светоприемное устройство (реактор) - емкость, облучаемая естественным или искусственным источником освещения, содержащая питательную среду и биомассу микроводорослей. Фотобиореактор также включает побудитель движения жидкости (насос или аэролифт) и газомассообменную систему [18]. В процессе развития и совершенствования технологий выращивания биомассы микроводорослей были предложены различные типы фотобиореакторов, на основе которых и формируются сегодня интегрированные в урбанизированную среду зеленые системы [6].

Рис.2. Основные характеристики плоскопанельных и трубчатых фотобиореакторов

Основными техническим фактором, влияющим на расположение фотобиореакторов на той или иной поверхности, является форма светоприемного устройства – плоская в виде прозрачной панели (плоскостные фотобиореакторы, преимущественно в виде прямоугольных пластин - панелей, размещаемых вертикально), или в виде светопрозрачных цилиндров и трубок (преимущественно трубчатые фотобиореакторы различных типов, размещаемые вертикально, горизонтально, наклонно, или в виде спиралей). Основные характеристики трубчатых и плоскопанельных фотобиореакторов представлены на рис. 2.

Учет инсоляционного и теплового режима в архитектуре зданий при размещении систем фотобиореакторов

Среди наиболее детально разработанных проектов, архитектура которых учитывает специфику интеграции зеленых систем на основе фотобиореакторов, можно выделить: - проекты, в которых размещение фотобиореакторов непосредственно повлияло на объемное решение здания: AlgaeHouse by University of Cambridge (1), FSMA Tower by Dave Edwards (2) и Algae Biofuel Research Centre by Chris-studio (3); - проекты, в которых суточное и сезонное изменение условий инсоляции учтено адаптивной архитектурой самих фасадных систем: BIQ House, Германия, Гамбург, реализован (4) и Bio-City by Stefan Shaw & John Dent, (6); - проекты, в которых неравномерное распределение инсоляции компенсировано мобильным характером сооружения: Hydrogenase by Vincent Callebaut Architectures (7), (Рис.3). В проекте Algae Urban Farm, EcoLogic Studio (5), наиболее ярко выражен прием использования фасадных систем фотобиореакторов, как средства регулирования теплового и светового комфорта внутренних пространств.

Рис.3. Учет инсоляционного и теплового режима в архитектуре зданий, интегрирующих системы фотобиореакторов

1. AlgaeHouse by University of Cambridge, Кембридж, Великобритания[10]. В проекте индивидуального жилого дома фотобиореакторы выполнены в виде трубок, объединенных в секции по 3-9 штук в каждой. Они имеют размеры в высоту 3 метра и диаметр 5 см. Фотобиореакторы расположены внутри помещения за панорамным остеклением оконного проема. Каждая из трубок в секции соединена с остальными последовательно. Биоадаптивный фасад с интегрированными в него трубчатыми фотобиореакторами, использует окружающий воздух, перенасыщенный выхлопными газами. СО₂ подается в фасадную систему, где он питает микроводоросли, которые в свою очередь производят биотопливо для дальнейшего использования.

Для размещения фотобиореакторов был выбран ориентированный на юг фасад здания, обеспечивающий наибольшую продолжительность инсоляции системы, но получающий избыточное количество ее тепловой составляющей летом. Условия инсоляции в различные сезоны года, их сочетание с годовым ходом температурного режима, непосредственно повлияли на архитектуру южного фасада и здания в целом. В первую очередь эта взаимосвязь выражена: - в расположении и размерах козырька, перекрывающего доступ прямых солнечных лучей при летнем высоком солнце; - в угле наклона трубчатых реакторов, раскрытых на отраженные от поверхности бассейна лучи, с низкой составляющей теплового излучения, в то время как прямые солнечные лучи даже в период зимнего солнцестояния падают на систему под острым углом; - в полуциркульном фасаде здания, обеспечивающем более равномерную инсоляцию системы в течении светового дня.

2. FSMA Tower by Dave Edwards, Лондон, Великобритания [16]. Система фотобиореакторов встроена в южный фасад башни, и также защищена от перегрева наклоном южного фасада наружу, по углу летнего солнцестояния. Избыток тепла от фотобиореакторов отводится через тепловые насосы в грунт, для использования зимой. Система используется не только для очистки воздуха, но и для очистки сточных вод лондонского метро. В проекте приводятся расчетные данные, подтверждающие эффективность системы на широте Лондона: 21100 м² панелей фотобиореакторов поглощают 250 000 тонн CO₂ в год, и производят 450 тонн био-дизельного топлива (что достаточно для обеспечения энергией 120 жилых домов средних размеров).

3. Algae Biofuel Research Centre by Chris-studio, Ноттингем, Великобритания [8]. Центр изучения и производства биотоплива на основе микроводорослей в заповеднике Аттенборо, Ноттингем - пример решения интегрированного био-фасада на основе металлического каркаса и модульной системы фотобиореакторов. Ступенчатая конфигурация системы обеспечивает равномерное поступление рассеянной солнечной радиации (число солнечных дней в Ноттингеме изменяется в месяц от 2 до 8, с осадками от 14 до 26). Размещение фотобиореакторов протяженными лентами также обеспечивает мягкую инсоляцию внутренних пространств. Архитектурное решение здания обеспечивает ориентацию систем фотобиореакторов на юг и юго-восток, что благоприятно для защиты от преобладающих зимних западных ветров. Избытки тепла из питательного раствора могут утилизироваться в системе теплообменников и используются для нужд центра.

4. BIQ House by Splitterwerk Architects , Colt GmbH , Arup GmbH , Гамбург, Германия,жилое здание, реализован[13]. Система из плоских поворотных фотобиореакторов занимает юго-восточный и юго-западный фасады, общей площадью 200 м². Система включает 129 панелей емкостью 24 литра каждая, что вмещает примерно 3000 литров биомассы. Сбор биомассы осуществляется каждые 7-10 дней. Он осуществляется одновременно, путем циркуляции биомассы в центральный узел здания. Там проходит процесс осаждения клеток микроводорослей и разделения их с питательной средой. После отделения массы питательный раствор возвращается в системы здания, продолжая замкнутый цикл.

Локальные условия инсоляции учтены как в конструкции и размещении фасадной системы, так и в наличии теплообменника, утилизирующего избыток тепла питательного раствора. Размещение систем на юго-восточном и юго-западном фасадах обеспечивает максимальный приход солнечной радиации, а поворотная конструкция реакторов позволяет гибко реагировать на суточные и сезонные изменения инсоляционного режима (например, характерный для Гамбурга почти пятикратный контраст числа часов солнечного сияния между зимними и летними месяцами). Защиту от перегрева также обеспечивает циркуляция жидкости, находящейся в полостях реактора, через центральный энергетический узел с теплообменным устройством. Нагретая в теплообменнике вода может использоваться для отопления здания, а ее избытки могут быть собраны и накоплены в подземных хранилищах для последующего применения, или могут быть отданы в городские сети.

5. Algae Urban Farm , EcoLogic Studio , Тегеран, Иран, конкурсный проект [11]. Проект интересен тем, что фасадная система фотобиореакторов рассматривается как один из элементов системы пассивного охлаждения здания, расположенного в сухом жарком климате центрального Ирана. В проекте на этом свойстве фасадной системы сделан особый акцент. Несмотря на то, что в конфигурации здания учтено направление гелиотермической оси (юго-запад, максимальный суточный перегрев, здание развернуто острым углом по данному направлению), юго-юго-восточный фасад интенсивно перегревается. Но равномерное распределение фотобиореакторов по поверхности здания, независимо от ориентации, позволяет использовать неравномерный прогрев системы для охлаждения, за счет интенсивной циркуляции питательного раствора с биомассой между инсолируемыми и затененными участками фасадов. Также избытки тепла могут утилизировать теплообменники, использующие тепловую массу ограждающей конструкции здания и грунта, и значительный суточный градиент дневных и ночных температур. Решетчатая «проницаемая» структура системы, помимо защиты от перегрева, обеспечивает мягкий световой климат в интерьерах здания

6. Bio-City by Stefan Shaw & John Dent Бирмингем, Великобритания [22]. Фотобиореакторы занимающие 1 850 000 м² также равномерно распределены по фасадам здания, независимо от их ориентации, и сам комплекс трех башен развернут вдоль гелиотермической оси. Но в отличии от примера (6), и аналогично примеру (4), фасадные системы реагируют на суточный ход инсоляционного режима при помощи поворота пластин, набранных их горизонтальных пластиковых трубок. При этом динамические фотобиореакторы встроены в двойной фасад, что должно обеспечить больший климатический контроль за системой в разные сезоны года.

7. Hydrogenase by Vincent Callebaut Architectures [25]. Футуристический проект парящей над землей фермы микроводорослей, обеспечивающих производство водорода. Прежде всего проект предлагается как транспортная система, но его башня высотой 400 м также может включать жилье, офисы, научные лаборатории и уровни культурно-бытового обслуживания. Система фотобиореакторов равномерна распределена по фасадам, что в данном случае оправдано мобильностью самого «здания». Отсутствие жесткой связи с поверхностью земли позволяет обеспечивать равномерную инсоляцию всех фасадов в течение светового дня, или контролировать изменение инсоляционного режима при изменении широты расположения проекта, за счет возможного изменения скорости вращения оболочки.

Основные способы формирования архитектуры зданий при размещении систем фотобиореакторов

В рассматриваемых проектах можно выделить следующие основные способы формирования архитектуры зданий, обеспечивающие комфортную среду для жизненного цикла микроводорослей, и, следовательно, максимальную эффективность интегрированных в здание зеленых систем на основе фотобиореакторов:

1. Учет местного климата при формировании пространственных характеристик здания. Необходимость обеспечения максимальной эффективности зеленых систем на основе фотобиореакторов определяет зависимость формы здания, включающего такие системы, от широты местности, особенностей годового хода инсоляционного режима, и ориентации размещаемых систем по сторонам горизонта. Учет ветрового режима также может быт полезен, в целях корректировки теплового микроклимата поверхностей, используемых для размещения систем фотобиореакторов.

2. Использование разнообразных приемов формирования многослойной адаптивной оболочки фасадов и кровли зданий. Архитектура фасадов и кровли должна обеспечивать изменение исходного спектра солнечного излучения на благоприятный для воспроизводства микроводорослей. Это могут быть различные солнцезащитные системы избыточно инсолируемых поверхностей, системы перераспределения солнечных лучей на теневые поверхности, в сочетании с технологиями двойного фасада и поворотными фотобиореакторами. Сезонная или суточная трансформация таких систем обеспечивает оптимальные условия жизнедеятельности систем фотобиореакторов.

3. Обеспечение взаимосвязи внешней и внутренней среды зданий . К этому направлению в первую очередь следует отнести варианты использования самих систем фотобиореакторов, как средства регулирования теплового и светового комфорта внутренних пространств (Иран, Гамбург). При размещении систем фотобиореакторов в интерьерах зданий требования обеспечения необходимых условий инсоляции должны быть учтены в архитектуре фасадов и кровли.

4. Формирование прилегающих открытых пространств и поверхност ей здания, содержащего фотобиореакторы, как един ой систем ы. Учитывает зависимость систем фотобиореакторов от характеристик искусственных поверхностей и естественных покрытий прилегающего к зданию участка, пространственных характеристик окружающей застройки и растительности, и возможностей их изменения. Такой подход к проектированию позволяет расширить перечень приемов по изменению спектра приходящей на фотобиореакторы отраженной и рассеянной солнечной радиации.

5. Сочетание различных систем фотобиореакторов . Авторы считают, что перечисленные направления можно дополнить приемами использования комбинированных систем фотобиореакторов различных типов. Возможное увеличение трудоемкости монтажа и обслуживания двух-трех автономных систем должно быть компенсировано повышением их результирующей эффективности. Например, плоские поворотные фотобиореакторы более всего подходят для перегревных фасадов южной ориентации. В то время как рассеянная радиация северной полусферы небосвода, нарастающая к зениту, предопределяет горизонтальное ступенчатое размещение инсолируемых поверхностей реакторов на фасадах северной ориентации. Для этих целей лучше подходят трубчатые типы фотобиореакторов.

Перечень принимаемых решений также должен включать: - сезонную смену культур микроводорослей; - использование разных культур микроводорослей в одном здании, в зависимости от ориентации фасадов; - коррекцию светового режима фотобиореакторов включением в их конструкцию светодиодов; использование теплообменников для утилизации и хранения избытков тепла из питательного раствора в массивах грунтов под зданием и в конструкциях самого здания.

Особенности архитектурного решения зданий при размещении систем фотобиореакторов в условиях юга Приморья

В условиях резкого контраста сторон горизонта по приходу прямой и рассеянной солнечной радиации как в суточном, так и годовом измерении, характерного для муссонного климата южного Приморья [1], обеспечение комфортных условий жизнедеятельности микроводорослей средствами архитектуры может стать одним из основных направлений формирования устойчивой городской среды. Архитектура здания и планировка территории, архитектура самих зеленых систем на основе фотобиореакторов, будут в значительной степени определены необходимостью перераспределения солнечной радиации, для контроля интенсивности ее воздействия на реакторы с микроводорослями [4]. Такой подход наиболее ярко иллюстрирует проект AlgaeHouse [10], в котором архитектура южного фасада здания и планировка территории перед ним практически полностью определены требованием обеспечения комфортных условий для жизнедеятельности микроводорослей за счет перераспределения солнечной радиации (рис.4А).

Рис.4. Взаимосвязь архитектуры южного фасада, ландшафтной организации территории и системы трубчатых фотобиореакторов на примере AlgaeHouse (А). Ограничения, накладываемые на размещение систем фотобиореакторов при различной ориентации фасадов на юге Приморья (В).

К специфичным чертам инсоляционного климата юга Приморья, влияющим на особенности архитектурного решения зданий, интегрирующих системы фотобиореакторов, и на архитектуру самих зеленых систем на основе фотобиореакторов, следует отнести: - высокие значения прямой солнечной радиации, приходящей на вертикальные и наклонные (до 45⁰) поверхности южной ориентации в осенне-зимний период; - избыточную инсоляцию вертикальных поверхностей западной и юго-западной ориентации и ее умеренные значения для поверхностей восточной ориентации летом; - значительную составляющую рассеянной солнечной радиации, особенно в сроки действия первой стадии летнего муссона. При проектировании зеленых систем на основе фотобиореакторов также следует учитывать характерные для муссонного климата: - ветровое выхолаживание поверхностей северо-западной ориентации зимой, и поверхностей юго-восточной ориентации - в первой половине лета; - высокую суточную и сезонную амплитуду колебаний температуры поверхностей, открытых ветровому и инсоляционному воздействию (рис.4В).

Варианты решения объема, поверхностей и территории условного здания, включающего системы фотобиореакторов, с учетом перечисленных климатических характеристик, представлены на рис. 5. В основу предложенных вариантов трансформации были положены требования: максимального использования рассеянной и отраженной солнечной радиации (северо-восточный, северный и северо-западный фасады); защиты от перегрева с западного и юго-западного секторов горизонта (низкое солнце) системами двойного фасада или использованием поворотных систем фотобиореакторов; защита от перегрева с южного направления (высокое солнце) включая затенение за счет трансформации самого объема здания. Использования внешней оболочки на основе систем поворотных фотобиореакторов, как регулятора теплового и светового микроклимата здания, в южном Приморье возможно для южного фасада зимой, и фасадов юго-западной и западной ориентации летом (с обязательным включением в систему теплообменников, использующих массивы грунта или конструкций здания). Предложенные варианты также актуальны при формировании фасадов городских улиц и открытых пешеходных пространств, отдельно стоящих элементов наполнения пешеходных пространств, с дополнением вариантами сочетания систем фотобиореакторов с фонарями верхнего света комбинированных моллов (пассажей) и атриумов (рис.6).

Более детально проработаны предложения по формированию архитектуры систем фотобиореакторов для фасадов жилых и административных зданий, при их раскрытии на основные сектора горизонта (рис.7.). При раскрытии фасадов на север и юг, предложено использование двух культур микроводорослей - Хлорелла (Chlorella) для южного фасада, и Дуналиелла солоноводная (Dunaliella salina) - для северного. Dunaliella salina обитает в водоемах с высокой концентрацией соли, и может выдерживать воздействие низких температур, что характерно для затененного и продуваемого зимой северного фасада здания. Chlorella - основная культура, используемая для производства кислорода, в т.ч. и в замкнутых экосистемах. Для помещений двусторонней ориентации система фотобиореакторов, расположенная с наветренной стороны здания, будет естественным фильтром для городского смога. В систему, расположенную с подветренной стороны, может поступать отработанный и загрязненный в помещениях воздух.

Рис.5. Расположение систем фотобиореакторов в городской среде с учетом суточного и годового хода инсоляционного режима юга Приморья, фасады и кровля здания

Рис.6. Расположение систем фотобиореакторов в городской среде с учетом суточного и годового хода инсоляционного режима юга Приморья, улицы и площади

Рис.7. Предложения по размещению и архитектуре фасадных систем фотобиореакторов для условий южного Приморья

Заключение.

Результаты проведенного исследования показали, что:

1. «Algaetecture», как самостоятельное направление формирования экологически устойчивой городской среды на основе интеграции зеленых систем фотобиореакторов в структуру открытых (фасады, кровли зданий и прилегающая территория) и закрытых городских пространств, оформилось сравнительно недавно, примерно 15 лет назад. Но учитывая высокую эффективность микроводорослей в сравнении с традиционными системами озеленения, а также то, что вопросы формирования комфортной среды для жизнедеятельности разнообразных культур микроводорослей достаточно подробно рассмотрены отечественной и зарубежной биологической наукой, а сами культуры широко используются в различных хозяйственных целях, данное направление может стать ведущим в формировании устойчивой городской среды.

2. Основными способами формирования архитектуры зданий и прилегающих пространств, обеспечивающие комфортную среду для жизненного цикла микроводорослей, и, следовательно, максимальную эффективность интегрированных в здание зеленых систем на основе фотобиореакторов, следует считать: - учет местного инсоляционного (в первую очередь) и ветрового климата при формировании пространственных характеристик здания; - использование разнообразных приемов формирования многослойной адаптивной оболочки фасадов и кровли зданий; - обеспечение взаимосвязи архитектуры внешних систем фотобиореакторов и внутренней среды зданий, для формирования светового и теплового комфорта внутренних пространств; - формирование прилегающих открытых пространств и поверхностей здания, содержащего фотобиореакторы, как единой системы регулирующей инсоляционные потоки; - сочетание различных систем фотобиореакторов и культур микроводорослей, в том числе и в отдельно взятом архитектурном объекте.

3. В наибольшей степени на жизненный цикл микроводорослей в системах фотобиореакторов, в условиях юга Приморского края будут влиять: - высокие значения прямой солнечной радиации, приходящей на вертикальные и наклонные (до 45⁰) поверхности южной ориентации в осенне-зимний период; - значительная составляющая рассеянной солнечной радиации; - высокая суточная и сезонная амплитуда колебаний температуры воздуха открытых поверхностей (что связано не только с инсоляционным, но и ветровым воздействием). Данные климатические характеристики являются векторными, направленными, и, следовательно, поддаются регулированию при изменении пространственных характеристик архитектурной формы. Моделирование формы объекта с учетом характеристик векторных факторов для обеспечения комфортной среды жизнедеятельности микроводорослей влияет на формирование конструктивных и объемно-планировочных особенностей здания, ландшафтный дизайн прилегающей территории, расположение и особенности архитектурного решения самих систем фотобиореакторов. В условиях резкого контраста сторон горизонта, характерного для муссонного климата южного Приморья, размещение зеленых систем на основе фотобиореакторов может стать одним из ведущих факторов формирования архитектурного облика устойчивой городской среды.

Библиография
1.
Деркачева Л.Н., Русанов В.И. Климат Приморского края и его влияние на жизнедеятельность человека. Владивосток: Изд-во ДВО АН СССР, 1990. 133 с.
2.
Булгаков А.Г., Бузало Н.С., Ермаченко П.А. Параметрическая оптимизация фотобиологических архитектурных оболочек в условиях городской застройки // Строительство и реконструкция. 2015, № 2 (58) С.68-75.
3.
Лаборатория морской микробиоты Национального научного центра морской биологии им. А.В. Жирмунского ДВО РАН. Основные результаты исследований. URL: http://www.imb.dvo.ru/misc/wwwimb/struct/r_lab06.htm (дата обращения: 5.04.2021).
4.
Лобачева М. А. Формирование устойчивой архитектурной среды с использованием фотобиореакторов в условиях юга Приморского края: дис. …магистра по направлению подготовки: 07.04.01 Архитектура / Дальневост. федеральн. ун-т. Владивосток, 2017. 77 с. URL: https://nauchkor.ru/pubs/formirovanie-ustoychivoy-arhitekturnoy-sredy-s-ispolzovaniem-fotobioreaktorov-vusloviyah-yuga-primorskogo-kraya-5b8ed0c37966e1073081bc9c (дата обращения: 5.04.2021).
5.
Лукьянов В.А., Стифеев А.И., Горбунова С.Ю. Научно обоснованное культивирование микроводорослей // Вестник Курской ГСХА. 2013. №9. С.55-57.
6.
Складнев Д.А. Очерк эволюции фотобиореакторов // Коммерческая биотехнология. 14.07.2007. URL: http://cbio.ru/page/43/id/3433 (дата обращения 5.04.2021).
7.
Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. Биотехнология микроводорослей. М.: Научный Мир, 2012. 182 с.
8.
Algae Biofuel Research Centre by Chris-studio: Christopher CS Lee. URL: http://chris-studio.blogspot.com/2011/05/algae-biofuel-research-centre.html ¬¬– 5.04.2021.
9.
Algae Competition // Algae Industry Magazine, The Biofuel Media Group LLC. 2011. URL: https://www.algaeindustrymagazine.com/tag/algae-competition/ ¬¬– 5.04.2021.
10.
Algae House by University of Cambridge: Kenya Architect, Urban Savannah Design Studio. URL: http://www.urbansavannah.com/projects/research – 5.04.2021.
11.
Algae Urban Farm competition design, Tehran, Iran: EcoLogic Studio. URL: http://www.ecologicstudio.com/v2/project.php?idcat=3&idsubcat=59&idproj=53 – 5.04.2021.
12.
Algaetecture: Carlo Ratti Associati SRL, Carlo Ratti design studio, Torino, Italy. URL: https://carloratti.com/project/algaetecture/– 5.04.2021.
13.
BIQ House Humburg: Splitterwerk Architects, Colt GmbH, Arup GmbH. Architonic AG. 2013. URL: https://www.architonic.com/en/project/arup-biq-house/5101636 – 5.04.2021.
14.
Chezare Griffa architetto, Torino, Italy. URL: https://cesaregriffa.com/ – 5.04.2021.
15.
EcoLogicStudio, (Marco Poletto, Claudia Pasquero), London, United Kingdom. URL: http://www.ecologicstudio.com/v2/index.php – 5.04.2021.
16.
FSMA Tower, London, United Kingdom: Dave Edwards Design Ltd. URL: https://dave-edwards-design.com/work#/fsma/ – 5.04.2021.
17.
Nimish Biloria, Yashkumar Thakkar. Integrating algae building technology in the built environment: A cost and benefit perspective. Frontiers of Architectural Research. 2020 (9, 2): 370–384. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095263519300962 – 5.04.2021.
18.
Pulz, O. Photobioreactors: Production Systems for Phototrophic Microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology. 2001 (57): 287–293. URL: http://dx.doi.org/10.1007/s002530100702 – 5.04.2021.
19.
Sara Wlkinson, Paul Stoller, Peter Ralph, Brenton Hamdorf. Feasibility of Algae Building Technology in Sydney. University of Technology Sydney. 2016. 53 p. URL: https://apo.org.au/sites/default/files/resource-files/2016-05/apo-nid130056.pdf – 5.04.2021.
20.
Sara Wilkinson, Peter Ralph, Nimish Biloria. Algae Building: Is This the New Smart Sustainable Technology? Data-driven Multivalence in the Built Environment. 2019: 245–266. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-12180-8_12
21.
Splitterwerk Architects (Edith Hemmrich, Mark Blaschitz and Josef Roschitz). Graz, Austria. http://www.splitterwerk.at/database/ –5.04.2021.
22.
Stefan Shaw, John Dent. Bio-City, Birmingham, United Kingdom. eVolo Architecture Magazine. 2009 (12). URL: https://www.evolo.us/bio-city/ –5.04.2021.
23.
The first bio-smart building cladding system: EcologicStudio, PhotoSynthetica™. URL: https://www.photosynthetica.co.uk/system –5.04.2021.
24.
Qiu F. Algae Architecture. Master's thesis for the program Architectural design. Delft University of Technology. 2014. 63 p. URL: https://oatd.org/oatd/record?record=oai%5C%3Atudelft.nl%5C%3Auuid%5C%3Ab0b6e05d-49d8-4cc0-9e28-f510b0a8b215 –5.04.2021.
25.
Vincent Callebaut. Hydrogenase, Paris, France. Vincent Callebaut Architectures. URL: https://vincent.callebaut.org/object/100505_hydrogenase/hydrogenase/projects –5.04.2021.
References (transliterated)
1.
Derkacheva L.N., Rusanov V.I. Klimat Primorskogo kraya i ego vliyanie na zhiznedeyatel'nost' cheloveka. Vladivostok: Izd-vo DVO AN SSSR, 1990. 133 s.
2.
Bulgakov A.G., Buzalo N.S., Ermachenko P.A. Parametricheskaya optimizatsiya fotobiologicheskikh arkhitekturnykh obolochek v usloviyakh gorodskoi zastroiki // Stroitel'stvo i rekonstruktsiya. 2015, № 2 (58) S.68-75.
3.
Laboratoriya morskoi mikrobioty Natsional'nogo nauchnogo tsentra morskoi biologii im. A.V. Zhirmunskogo DVO RAN. Osnovnye rezul'taty issledovanii. URL: http://www.imb.dvo.ru/misc/wwwimb/struct/r_lab06.htm (data obrashcheniya: 5.04.2021).
4.
Lobacheva M. A. Formirovanie ustoichivoi arkhitekturnoi sredy s ispol'zovaniem fotobioreaktorov v usloviyakh yuga Primorskogo kraya: dis. …magistra po napravleniyu podgotovki: 07.04.01 Arkhitektura / Dal'nevost. federal'n. un-t. Vladivostok, 2017. 77 s. URL: https://nauchkor.ru/pubs/formirovanie-ustoychivoy-arhitekturnoy-sredy-s-ispolzovaniem-fotobioreaktorov-vusloviyah-yuga-primorskogo-kraya-5b8ed0c37966e1073081bc9c (data obrashcheniya: 5.04.2021).
5.
Luk'yanov V.A., Stifeev A.I., Gorbunova S.Yu. Nauchno obosnovannoe kul'tivirovanie mikrovodoroslei // Vestnik Kurskoi GSKhA. 2013. №9. S.55-57.
6.
Skladnev D.A. Ocherk evolyutsii fotobioreaktorov // Kommercheskaya biotekhnologiya. 14.07.2007. URL: http://cbio.ru/page/43/id/3433 (data obrashcheniya 5.04.2021).
7.
Tsoglin L.N., Pronina N.A. Biotekhnologiya mikrovodoroslei. M.: Nauchnyi Mir, 2012. 182 s.
8.
Algae Biofuel Research Centre by Chris-studio: Christopher CS Lee. URL: http://chris-studio.blogspot.com/2011/05/algae-biofuel-research-centre.html ¬¬– 5.04.2021.
9.
Algae Competition // Algae Industry Magazine, The Biofuel Media Group LLC. 2011. URL: https://www.algaeindustrymagazine.com/tag/algae-competition/ ¬¬– 5.04.2021.
10.
Algae House by University of Cambridge: Kenya Architect, Urban Savannah Design Studio. URL: http://www.urbansavannah.com/projects/research – 5.04.2021.
11.
Algae Urban Farm competition design, Tehran, Iran: EcoLogic Studio. URL: http://www.ecologicstudio.com/v2/project.php?idcat=3&idsubcat=59&idproj=53 – 5.04.2021.
12.
Algaetecture: Carlo Ratti Associati SRL, Carlo Ratti design studio, Torino, Italy. URL: https://carloratti.com/project/algaetecture/– 5.04.2021.
13.
BIQ House Humburg: Splitterwerk Architects, Colt GmbH, Arup GmbH. Architonic AG. 2013. URL: https://www.architonic.com/en/project/arup-biq-house/5101636 – 5.04.2021.
14.
Chezare Griffa architetto, Torino, Italy. URL: https://cesaregriffa.com/ – 5.04.2021.
15.
EcoLogicStudio, (Marco Poletto, Claudia Pasquero), London, United Kingdom. URL: http://www.ecologicstudio.com/v2/index.php – 5.04.2021.
16.
FSMA Tower, London, United Kingdom: Dave Edwards Design Ltd. URL: https://dave-edwards-design.com/work#/fsma/ – 5.04.2021.
17.
Nimish Biloria, Yashkumar Thakkar. Integrating algae building technology in the built environment: A cost and benefit perspective. Frontiers of Architectural Research. 2020 (9, 2): 370–384. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095263519300962 – 5.04.2021.
18.
Pulz, O. Photobioreactors: Production Systems for Phototrophic Microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology. 2001 (57): 287–293. URL: http://dx.doi.org/10.1007/s002530100702 – 5.04.2021.
19.
Sara Wlkinson, Paul Stoller, Peter Ralph, Brenton Hamdorf. Feasibility of Algae Building Technology in Sydney. University of Technology Sydney. 2016. 53 p. URL: https://apo.org.au/sites/default/files/resource-files/2016-05/apo-nid130056.pdf – 5.04.2021.
20.
Sara Wilkinson, Peter Ralph, Nimish Biloria. Algae Building: Is This the New Smart Sustainable Technology? Data-driven Multivalence in the Built Environment. 2019: 245–266. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-030-12180-8_12
21.
Splitterwerk Architects (Edith Hemmrich, Mark Blaschitz and Josef Roschitz). Graz, Austria. http://www.splitterwerk.at/database/ –5.04.2021.
22.
Stefan Shaw, John Dent. Bio-City, Birmingham, United Kingdom. eVolo Architecture Magazine. 2009 (12). URL: https://www.evolo.us/bio-city/ –5.04.2021.
23.
The first bio-smart building cladding system: EcologicStudio, PhotoSynthetica™. URL: https://www.photosynthetica.co.uk/system –5.04.2021.
24.
Qiu F. Algae Architecture. Master's thesis for the program Architectural design. Delft University of Technology. 2014. 63 p. URL: https://oatd.org/oatd/record?record=oai%5C%3Atudelft.nl%5C%3Auuid%5C%3Ab0b6e05d-49d8-4cc0-9e28-f510b0a8b215 –5.04.2021.
25.
Vincent Callebaut. Hydrogenase, Paris, France. Vincent Callebaut Architectures. URL: https://vincent.callebaut.org/object/100505_hydrogenase/hydrogenase/projects –5.04.2021.

Результаты процедуры рецензирования статьи

В связи с политикой двойного слепого рецензирования личность рецензента не раскрывается.
Со списком рецензентов издательства можно ознакомиться здесь.

Представленная к публикации статья «Особенности формирования устойчивой архитектурной среды с использованием зеленых систем на основе фотобиореакторов» посвящена актуальной теме урбанистических процессов в современном мире и в России с позиции трансформации городской среды и развития фотобиореакторов в качестве культуры микроводорослей, которая позволяет решать разнообразные задачи: снижать концентрацию СО₂, поглощать городской смог, вырабатывать энергию и быть основой для производства продуктов питания и лекарств. На сегодняшний день, с учетом развития экологического фактора, может быть полезным знать об «…оздоровлении городской среды, по отдельным показателям в 4 раза превышает эффективность традиционных систем озеленения городской среды».
Предмет исследования у автора явно не обозначен. Но можно сделать вывод, что предметом исследования является – влияние фотобиореакторов (микроводорослей) на архитектуру отдельных сооружений. Представлена методология исследования, которая заключается в: изучении библиографических источников и интернет-ресурсов; исследовании концептуальных и реализованных проектных решений и их аналогов; графоаналитическом методе систематизации материала.
Автором обозначены основные рассматриваемые вопросы исследования: «…взаимодействия архитектурной формы с системами на основе фотобиореакторов, с целью выявления специфики формирования архитектуры зданий и прилегающей территории, включающих подобные системы, в природно-климатических условиях южного Приморья». Цель автором не указана. Автор намекает на актуальность исследования: " Рассматриваемое направление «algaetecture» - сравнительно новое явление в мировой архитектуре, и практически не исследуется отечественными специалистами ".
В основной части исследования, автор выделяет 3 основных направления, а именно: - экспериментальное и конкурсное проектирование; - рабочее проектирование и реализация объектов «algaetecture»; - футуристические проектные работы. И конкретизирует первое направление. Выделяет 5 параметров внешней среды (освещенность, температура, газообмен, вода стрессовые условия) с их краткой характеристикой. Анализирует различные архитектурные проекты, и выделяет «…следующие основные способы формирования архитектуры зданий, обеспечивающие комфортную среду для жизненного цикла микроводорослей, и, следовательно, максимальную эффективность интегрированных в здание зеленых систем на основе фотобиореакторов», состоящие из 5 условий. Также обозначает Особенности архитектурного решения зданий при размещении систем фотобиореакторов в условиях юга Приморья. Автор вставил 7 рисунков, которые иллюстрируют фотобиореакторы в системе жилых зданий.
Научная новизна и результаты также не представлена автором.
Выводы исследования обозначены состоят из 3-х пунктов: 1. ««Algaetecture», как самостоятельное направление формирования экологически устойчивой городской среды на основе интеграции зеленых систем фотобиореакторов в структуру открытых и закрытых городских пространств…»; 2. Про основные способы формирования архитектуры зданий и прилегающих пространств, обеспечивающих комфортную среду для жизненного цикла микроводорослей; 3. Про «размещение зеленых систем на основе фотобиореакторов…».
Замечания: полное отсутствие структуры текста. Необходимо во ведении представить: предмет и объект исследования, цели и задачи методологию исследования, актуальность, научную новизну. И добавить результаты исследования.
Библиография содержит 25 наименований, в основном состоящая из зарубежных авторов. Статья рассчитана на широкий круг читателей интересующихся проблемами и перспективами развития современной архитектуры с точки зрения экологических факторов, городской среды, специалистов-практиков в области градостроительства и картографии, архитекторов, реставраторов, урбанистов, студентов архитектурных вузов.
Заключение: работа в целом отвечает требованиям, предъявляемым к научному изложению и рекомендована к публикации после доработки.
Ссылка на эту статью

Просто выделите и скопируйте ссылку на эту статью в буфер обмена. Вы можете также попробовать найти похожие статьи


Другие сайты издательства:
Официальный сайт издательства NotaBene / Aurora Group s.r.o.
Сайт исторического журнала "History Illustrated"