Вертикальная ферма как элемент оптимизации территории опережающего развития на Дальнем Востоке

Размещено на http://allbest.ru

ТОГУ

Вертикальная ферма как элемент оптимизации территории опережающего развития на Дальнем Востоке

Суховеева Е.Е., Дорофеева Н.Н.

г. Хабаровск, Россия

Абстракт

Статья рассматривает идею внедрения «вертикальной фермы» в урбанизированную городскую среду. Кратко обозначены предпосылки к появлению этих объектов в крупных городах с плотной застройкой, достоинства и недостатки данной технологии. Описаны основные принципы формирования архитектуры многоуровневой теплицы и требования, которые следует учитывать при проектировании, в том числе и в России. Приведены примеры из мирового опыта вертикальных ферм в структуре города. Рассматривается возможность внедрения данной технологии на Дальнем Востоке.

Ключевые слова: вертикальная ферма, многоуровневая теплица, урбанизированная городская среда, аэропонная система, гидропонная система, аквапонная система, промышленное производство

Введение

К началу 2050 года численность населения на Земле возрастет до десяти миллиардов, 80 % которых будут жить в городах. Вместе с ростом численности жителей планеты возрастут и потребности человечества, в то время как с каждым годом потенциал природных ресурсов будет снижаться. Одним из способов решения проблемы могут стать вертикальные фермы в черте города. Они не отнимают много городской площади за счет развития в высоту и всегда будут рядом с потенциальным потребителем. Первые реализованные проекты уже показали свою эффективность.

Критики многоуровневых ферм ставят под сомнение их рентабельность. Так, капитальные затраты и дополнительные расходы на отопление и водоснабжение могут превысить выгоду от строительства такого здания. К тому же установка сантехнических и лифтовых систем в высотных зданиях - довольно сложное и дорогостоящее инженерное мероприятие. Хотя фермам в традиционном понимании не нужны подобные технические решения для того, чтобы начать работу с культурой. [6]

При значительных экономических вложениях, фермы с искусственным климатом решают важнейшие задачи:

— круглогодичное производство свежей продукции;

— минимизация расходов по транспортировке;

— защита растений от неблагоприятных факторов внешней среды;

— использование возобновляемых источников энергии;

— строительство вертикальной фермы снижает риск эрозии почвы и нагрузку при интенсивном использование земель.

Принципы формирования архитектуры вертикальной фермы

Проектируемые конструкции многоуровневых теплиц, прежде всего, должны обеспечивать:

— максимальное проникновение внутрь помещения прямого и рассеянного солнечного света (если не предполагается использование освещения типа LED, как основного);

— равномерную без резких колебаний температуру;

— минимальные теплопотери;

— естественный воздухообмен для регулирования температурновлажностного режима, возможность максимальной механизации производственных процессов [9].

По типу применяемых систем для выращивания растений вертикальные фермы подразделяются на:

— аэропонную систему - использование воздушной среды в качестве основного слоя для выращивания без применения почвы;

— гидропонную систему - использование искусственной среды в качестве основного слоя для выращивания без применения почвы. Секторам с такой системой нужно на 70% меньше воды, чем растениям, которые находятся на полях.

Условия для выращивания растений в подобных условиях значительно отличаются от традиционных в лучшую сторону, так как система сама добавляет воду капиллярным способом в необходимых количествах через определенный интервал, в то время как обычная почва поглощает большую часть влаги;

— аквапонную систему - использование водной среды в качестве основного слоя для выращивания без применения почвы;

В проекте может быть заложена одна из этих систем или несколько вариантов. Выбор системы зависит от условий окружающей среды, в которой будет находиться вертикальная ферма, экономического фактора и др.

Для создания и поддержания необходимого микроклимата в помещении необходимо обеспечить контроль температуры, углекислого газа и влажности воздуха. Полная энергетическая независимость фермы может быть достигнута при помощи применения солнечных батарей и генераторов на биогазе, которые смогут производить до 56 миллионов киловатт энергии, в то время как для полноценного функционирования здания нужно всего 26 миллионов киловатт. Для достижения энергоэффективности рекомендуется при выборе места размещения учесть участки, которые дают возможность использования нетрадиционных источников энергии: геотермальные воды, низкопотенциальное сбросное тепло ГРЭС, АЭС, газокомпрессорных станций и др [9]. При выборе потенциального участка для строительства, следует руководствоваться картой градостроительного, функционального зонирования для конкретного города, и учитывать, что зона производства - это промышленная территория. Для России санитарная зона таких объектов составляет 100 м [8]. Также нужно учесть то, как повлияют коэффициенты изменения скорости ветра (по сравнению с данными розы ветров) на аэрационный режим участка, в зависимости от плотности застройки и условий рельефа. Промышленную зону желательно располагать с подветренной стороны от жилой застройки по отношению к господствующему направлению ветра. Кроме того, участок лучше отвести на ровном возвышенном (по отношению к жилой застройке), а потому хорошо продуваемом ветрами любых направлений месте [7]. В идеале многоуровневая ферма должна быть дешевой, легко возводимой. Модульная система легко обеспечивается необходимыми источниками энергии. Основная цель создания таких сооружений заключается в экономии земли и природных ресурсов [1]. Примером выбора типа конструкции комплекса может стать бионическая архитектура. Такой тип архитектуры имеет ряд характеристик, которые помогут решить значительное количество вопросов:

— климатическое формообразование;

— эффективность использования ресурсов при возведении и эксплуатации зданий и сооружений;

— уподобление работе систем живого организма;

— интеллектуальные системы управления зданием;

— оптимизация жизненного цикла здания.

Использование бионических принципов в формообразовании повышает прочностные характеристики конструкций, позволяет уменьшить объем используемых материалов, вследствие чего уменьшается и стоимость конструкций. Цифровые бионические модели позволяют ускорить процесс строительства и избежать лишних затрат [11]. На сегодняшний день существуют такие строительные материалы и технологии которые позволяют реализовать подобные проекты: фасадные кассеты с гибкими поверхностями; индивидуальные опалубки для криволинейных конструкций из бетона; разного вида стальные арматуры; искривленные и легко сочленяемые с типовыми [5].

Мировые примеры проектов вертикальных ферм

Первыми странами, в которых применили технологию вертикальной фермы, стали Сингапур и Южная Корея.

Urban Skyfarm. Проект Urban Skyfarm выполнила фирма Aprilli (рис. 1). Участок для строительства располагается в центре Сеула рядом с рекой Чхон- гечхон. Эта территория является зоной плотной городской застройки в деловом районе города. Urban Skyfarm - прототип вертикальной фермы с гидропонной системой, проект которой в основном будет направлен на поддержку местного производителя продуктов питания и на улучшение качества окружающей среды за счет фильтрации воды, воздуха и использования источников возобновляемой энергии. В основе формообразования лежит биологический образ дерева.

Рис. 1. URBAN SKYFARM by Aprilli [3]

Конструкция включает в себя четыре основных компонента: основание, «ствол», «ветви» и «листья». Каждая часть здания имеет свою функцию и свои особенные характеристики. Благодаря тому, что уровень основного поля для выращивания растений поднят высоко над отметкой земли, обеспечивается большое количество естественного солнечного освещения и свежего воздуха. Пешеходный уровень, находящийся на уровне земли остается свободным затененным общественным пространством. Система водоканалов включает в себя водосборные установки, фильтры и установки для пост-обработки ливневой воды. Далее после обработки вода распределяется либо для орошения, либо возвращается в реку [3].

Skyfarm. Проект выполнила фирма Rogers Stirk Harbour + Partners (рис. 2). Многоэтажная структура изготовлена из легкого бамбука, создает жесткую круговую раму, что позволяет максимально увеличить воздействие солнечного света на производственные этажи.

Рис. 2. Skyfarm [2]

Эта башня поддерживает аквапонную систему, которая позволяет выращивать растения и рыбу вместе в системе рециркуляции; Питательные вещества, полученные из рыбных отходов, подаются к корням растений, а растения обеспечивают фильтр для рыб. Структура здания функционально поделена на зоны так, чтобы наилучшим образом использовать энергетические ресурсы, а также эффективно распределять вес воды внутри башни. Над уровнем земли, находится большой прозрачный резервуар, в котором выращиваются пресноводные рыбы.

Кроме того, в проекте дополнительно используется аэропонная система. В верхней части башни находятся резервуары для воды и ветряные турбины. Гиперболоидная форма башни позволяет легко использовать технологию в различных масштабах. Десятиметровая версия может быть построена в городской зоне. Геометрия комплекса также адаптируется в зависимости от географического расположения и количества солнечного света. В более прохладном климате для создания оптимальных условий производства можно добавить двойную фасадную оболочку для того, чтобы поддержать нужную температуру внутри здания [2].

Vertical Harvest. Комплекс многоуровневой теплицы находится в городе Джексон, штат Вайоминг, и является примером одной из первых в мире вертикальных теплиц, расположенная в плотнозастроенной городское среде на малой площади (рис. 3).

Рис. 3. VERTICAL HARVEST[4]

Форма этой конструкции обусловлена границами участка и четко разделенной линейной системой городской застройки, в которой расположено здание. Трехэтажная теплица общей площадью 13 500 кв. футов использует 1/10 акров для выращивания годового количества продукта, эквивалентного количеству продукции выращиваемой на пяти акрах традиционного сельского хозяйства. Vertical Harvest заменяет 100 000 фунтов продукции, ежегодно привозимой в город. Комплекс поддерживает гидропонную систему для выращивания растений с использованием минеральных питательных растворов. Вода повторно циркулирует в системе. Таким образом используется на 90 % меньше воды, чем в традиционном сельском хозяйстве. Vertical Harvest был разработан специально для конкретного участка города Джексон. В 2010 году, в начале проектирования, был получен грант, предоставленный Деловым советом штата Вайоминг. Компания Vertical Harvest провела годовое технико-экономическое исследование, чтобы определить, можно ли построить данный объект в Jackson Hole. В докладе, подготовленном Центром архитектуры, науки и экологии E / Ye Design, был сделан вывод о том, что размещение теплицы в Джексоне возможно. Внутри Vertical Harvest специальный центральный общественный атриум конструктивно отделен стеклянными стенами от основных производственных помещений. На первом этаже Vertical Harvest будет небольшой класс, в нем планируется выращивать ограниченное количество культур, в качестве общественной и образовательной программы. В дополнение к производимой продукции Vertical Harvest дает городу рабочие места, предлагает возможность стажировки и образования [4].

Перспективы развития концепции в России и на Дальнем Востоке

На сегодняшний день наша страна, являясь самой большой по площади в мире, не ограничена в земельных ресурсах. Можно сказать, что самыми перспективными территориями для внедрения технологии вертикальных ферм являются пустынные регионы, тайга и плотно населенные мегаполисы. Развитие в сельскохозяйственной отрасли в первую очередь получили те территории, которые наиболее благоприятны для жизни. На сегодняшний день около 90% населения страны проживает на одной третьей ее территории. Демографическая ситуация требует расширения географических границ сельскохозяйственной деятельности [7].

Значительная часть территории России неблагоприятна для ведения традиционного сельского хозяйства. Особенные сложности возникают на территории Дальнего Востока, в условиях сурового климата, где также наблюдается высокий уровень урбанизации и депопуляция деревень и поселков. Каждый год в городе Хабаровск происходят потери трудовых ресурсов и отрицательные миграции [10].

В большинстве случаев, миграция обусловлена экономическими причинами - когда городская экономика процветает, люди стремятся жить в этом городе. Засухи и наводнения влияют на огромные площади земель и провоцируют упадок сельского хозяйства, все это в свою очередь влияет на городскую экономику и приводят к массовой миграции рабочего класса. Создание в городе вертикальной фермы дает возможность обеспечить дополнительные рабочие места для людей в отрасли сельского хозяйства и улучшить состояние экономики [1]. Что касается природно-географических условий для внедрения этой технологии, нужно отметить, что Хабаровский край, находясь в VII световой зоне, имеет самый высокий показатель суммы ФАР (фотосинтетически активная радиация - часть солнечной энергии, которая может использоваться растениями для фотосинтеза) по стране, что составляет 2370 - 3450 кал/см² (Районирование территории России по притоку естественной ФАР, проникающей в теплицы в осеннезимний период) [9]. вертикальный ферма теплица архитектура

В качестве потенциального участка для строительства вертикальной фермы предлагается рассмотреть территорию ТОСЭР (территория опережающего социально-экономического развития в Российской Федерации), которая находится в черте города Хабаровска (рис. 4).

На участке в настоящее время располагается индустриальный парк «Авангард», на территории которого имеется ряд обыкновенных тепличных конструкций. Этот участок имеет высокий потенциал развития и особый статус, на прилегающей к нему территории проектируется магистраль, которая обеспечит связь с городом и другими участками ТОСЭР на Дальнем Востоке. Эти зоны имеют льготные налоговые условия и другие привилегии в России, созданы специально для привлечения инвестиций, ускоренного развития экономики и улучшения жизни населения.

Рис. 4. Участок ТОСЭР на карте градостроительного зонирования городского округа г. Хабаровска

Внедрение данной технологии позволит снизить нагрузку на земли, отведенные под сельскохозяйственное производство; предотвратить исчезновение местных видов и загрязнение окружающей среды; понизить процент детской заболеваемости, причиной которой служит нехватка витаминов в осенне-зимний период в связи с удалённостью региона.

Заключение

В последние годы активно идут поиски новых форм аграрного производства, которое можно интегрировать в урбанизированную городскую среду. Ведется разработка экономически эффективных моделей, а также инженерных и архитектурных решений, с использованием возобновляемых источников энергии, инновационных материалов и современных программ для расчета конструкций [10]. Это даст возможность решить такие задачи как: в первую очередь, снижение стоимости производства; всесезонное производство продукции; минимизация расходов по транспортировке; защита растений от неблагоприятных погодных факторов; улучшение качества производимой продукции.

Библиографические ссылки на источники

1. Despommier. D. The Vertical Farm. Feeding the World in the 21st Century. New York : THOMAS DUNNE BOOKS ; St. Martin's Press, 2010. 293 p.

2. Skyfarm Rogers Stirk Harbour + Partners // [Электронный ресурс]. Режим доступа : URL: https://www.rsh-p.com/projects/skyfarm/ (дата обращения 11.12.17).

3. URBAN SKYFARM. Aprilli // [Электронный ресурс] : Режим дотупа : URL: http://www.aprilli.com/urban-skyfarm/ (дата обращения 11.12.17).

4. VERTICAL HARVEST // [Электронный ресурс] : Режим доступа : URL: https://www.verticalharvestjackson.com/ (дата обращения 11.12.17).

5. Витюк Е. Ю., Уморина Ж. Э. Бионическая архитектура как направление развития экологического подхода в архитектуре и градостроительстве // Новые идеи нового века : материалы международной научной конференции ФАД ТОГУ. Хабаровск : Изд-во Тихоокеан. гос. ун-та, 2017. Т. 2. С. 60-63.

6. Как работает вертикальная ферма. AGGEK // [Электронный ресурс] : Режим доступа : URL: http://aggeek.net/ru/technology/id/kak-rabotaet-vertikalnaja-ferma-092/ (дата обращения 11.12.17).

7. Кононович Ю. И., Потапов А. Д. Основы экологического планирования градостроительной деятельности : учеб. пос. М. : МХУ, 1999. 103 с.

8. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов (с изменениями на 25 апреля 2014 года). М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологиии Роспотребнадзора, 2008.

9. СП 107.13330.2012. Теплицы и парники. Актуализированная редакция СНиП 2.10.04-85 (с Изменением N 1). М.: Минрегион России, 2012.

10. Тюкавкина И. Л., Грин И. Ю. Поиски вариантов возможности включения аграрных элементов в урбанизированную среду // Новые идеи нового века : материалы международной научной конференции ФАД ТОГУ. Хабаровск. 2016. Т. 1. С. 330-335.

11. Уморина Ж. Э. Природоподобные конструкции бионической архитектуры // Новые идеи нового века : материалы международной научной конференции ФАД ТОГУ. Хабаровск. 2017. Т. 3. С. 378-382.

Abstract

Vertical farm as an optimization element of the territory of sustainable development on the Far East

Sukhoveyeva E. E. Dorofeeva N. N.

PNU, Khabarovsk, Russia

This article considers the idea of introducing a "vertical farm" into urban environment. Prerequisites of these objects' appearance in large cities with dense housing, advantages and disadvantages of this technology are outlined. The main principles of a multi-level greenhouse's building and the requirements that should be taken into account during design, including in Russia, are described. The article gives examples from the world experience of integrating vertical farms into the city structure. The possibility of introducing this technology on the Far East is considered.

Keywords: vertical farming, multi-level greenhouse, urban environment, aeroponic system, hydroponic system, aquaponic system, industrial production.

Размещено на Allbest.ru