Cтеклянные двойные фасады

Имеют ли смысл, с точки зрения строительной физики, новые разработки фасадов?

K. Gertis, доктор техн. наук, заведующий кафедрой физики строительных конструкций Университета Штутгарта, директор Института строительной физики им. Фраунгофера (Германия)

Предлагаем вашему вниманию окончание статьи Карла Гертиса — директора Института строительной физики им. Фраунгофера (Германия) — в которой отражается критическая точка зрения на концепцию «стеклянного двойного фасада».

Первая часть материала была опубликована в журнале «АВОК» № 7, 2003, с. 10 — основные положения концепции «стеклянного двойного фасада», общие характеристики подобных фасадов и отражение этого вопроса в современной технической литературе. Во второй части статьи («АВОК», 2003, № 8, с. 22) речь шла об акустических, аэрогидродинамических, тепловых характеристиках стеклянных двойных фасадов; тепловых и энергетических параметрах помещений в зданиях со стеклянными двойными фасадами.

В этом номере мы публикуем разделы о противопожарных характеристиках стеклянных двойных фасадов, о параметрах освещения и влажности в помещениях при использовании стеклянных двойных фасадов, а также сделаны основные выводы по целесообразности применения данной технологии.

Параметры освещения при использовании стеклянных двойных фасадов

Параметры освещения при использовании стеклянных двойных фасадов должны быть проанализированы по двум причинам. Во-первых, внешняя стеклянная поверхность ослабляет проникающий в помещение дневной свет на 10–20 % больше, чем традиционный фасад с современной теплоизоляционной системой. Во-вторых, горизонтальные переборки в воздушном зазоре действуют аналогично выступающему козырьку, также уменьшающему дневной свет, поэтому они должны быть полупрозрачными. Последнее возможно только в том случае, если на их нижнюю сторону не устанавливать звукопоглощающие элементы, или если, что еще никогда не делалось, закреплять недавно разработанный прозрачный поглотитель с микроперфорацией. В противном случае на переборках происходит значительное ослабление дневного света. В зазоре между поверхностями стеклянных двойных фасадов могут устанавливаться не только звукопоглощающие, но и отводящие свет элементы в форме отражателей или голографических модулей.

Рисунок 1. (подробнее) Распределение относительной доли дневного света по глубине офисного помещения при различном исполнении фасада

На рис. 1 показано распределение относительной доли проникающего дневного света по глубине офисного помещения в здании со стеклянными двойными фасадами и в здании с традиционным фасадом с современной теплоизоляционной системой. Из рисунка видно, что стеклянные двойные фасады без отклонения света, как правило, обеспечивают наименьшее проникновение дневного света. Обычный фасад обеспечивает наилучшую освещенность при окнах, вытянутых по высоте. При наличии отклоняющих элементов в стеклянных двойных фасадах в непосредственной близости от фасада освещенность немного снижается, но в глубине помещения обеспечивается хорошее освещение. Справедливости ради стоит заметить, что отклоняющие свет элементы могут применяться и с обычными фасадами.

Параметры влажности при использовании стеклянных двойных фасадов

Так как конструкция стеклянных двойных фасадов выполнена из стекла и стали, она не чувствительна к влажности. Однако когда внешняя поверхность охлаждается до точки росы, на ее внутренней стороне может образовываться конденсат. Зимой эта вода замерзает, но как только солнце пригреет, она вновь оттаивает и стекает. Конденсат образуется при следующих условиях:

- При большой влажности в воздушном зазоре между поверхностями стеклянных двойных фасадов, особенно если открыты окна на внутренней поверхности и из помещений выделяется влага.

- При переохлаждении внешней поверхности. Обычно это происходит в ясные ночи при длинноволновом тепловом излучении в полупространство.

- При охлаждении внешней поверхности благодаря резкому падению температуры. Особенно часто это происходит, если душным летним днем при повышенной влажности воздуха внезапно разражается гроза или выпадает град.

Конденсатная вода в первую очередь образуется в местах тепловых перемычек внешней поверхности. В зависимости от статического или конструктивного исполнения с внешней поверхностью соприкасаются в точке или плоскостью различные металлические анкеры, крепления или рельсы. На рис. 2 схематически представлены такие места, критические для образования конденсата. Вначале необходимо при помощи одной из известных двух- или трехмерных программ расчета тепловых перемычек определить температуру внутренней поверхности n_0i в этом месте. Затем при помощи указанной сверху на рис. 1 формулы для безразмерной температуры точки росы Q, и используя диаграмму для соответствующих граничных условий, можно проверить возможность образования конденсата. Например, (см. стрелку на рисунке) при температуре наружного воздуха 1 °С в месте с Q = 0,5 и относительной влажностью воздуха 50 % на внутренней стороне внешней поверхности зазора между поверхностями стеклянных двойных фасадов образуется конденсат.

Как правило, образование конденсата не наносит ущерба конструкциям фасада, но оно повышает эксплуатационные расходы и затраты на очистку, т. к. стеклянную поверхность необходимо часто очищать. В стеклянных двойных фасадах нужно очищать четыре стеклянные поверхности, в отличие от обычного фасада, в котором нужно чистить окна только с двух сторон. Кроме того, очищаемые поверхности в стеклянных двойных фасадах имеют существенно большую площадь. До сих пор ни в одной публикации по этой теме не приводились данные по связанным с этим увеличенным эксплуатационным затратам.

Рисунок 2. (подробнее) Безразмерная температура точки росы на внутренней, обращенной к зазору стороне стеклянной внешней поверхности стеклянных двойных фасадов в зависимости от температуры наружного воздуха и от относительной влажности воздуха в зазоре   Пример (согласно параметрам, указанным стрелкой) При Q = 0,5 и влажности в зазоре 50 % при падении температуры наружного воздуха до 1°С в зазоре образуется конденсат. Значение Q зависит от влияния тепловых перемычек крепления стеклянной внешней поверхности

Противопожарные характеристики стеклянных двойных фасадов

Стеклянные двойные фасады обладают большим числом параметров, определяемых конструктивным исполнением, влияющих на способность длительно выдерживать огонь и противостоять распространению пожара и дыма. Воздушный зазор между поверхностями стеклянных двойных фасадов представляет особую опасность для помещений, находящихся сверху от места возникновения пожара. Эта опасность связана с возможностью распространения огня, непосредственным контактом с пламенем, тепловым излучением и поднимающимися раскаленными дымовыми газами. В исследовательском центре по обеспечению противопожарной безопасности в Карлсруэ была начата программа исследования, в рамках которой в приложении к стеклянным двойным фасадам должны пересматриваться следующие вопросы:

- выделение тепла при пожаре;

- состав дымовых газов в зоне пожара;

- температура в помещениях, в промежуточном пространстве фасада, у окон и элементов остекления;

- тепловое излучение на окнах, расположенных на верхних этажах над зоной пожара;

- состав дымовых газов в отходящем газе промежуточного пространства фасада;

- расход воздуха и дымовых газов в приточных и вытяжных каналах зазора между поверхностями стеклянных двойных фасадов;

- эффективность гашения и потребность воды для противопожарной установки.

Особое внимание было уделено возможности выхода из строя теплозащитного остекления внутренней поверхности и защитных стекол внешней поверхности.

Предшествовавшие исследования показали, что в стеклянных двойных фасадах, не имеющих перегородок в воздушном зазоре, необходимо считаться с возможностью быстрого распространения огня и дыма. В зданиях со стеклянными двойными фасадами в помещениях (не в зазоре) обязательно должны устанавливаться автоматические спринклерные установки и установки гашения туманом. Размещение противопожарных установок в зазоре между поверхностями стеклянных двойных фасадов не предусматривается, т. к. они не могут препятствовать распространению пожара, а импульсные разбрызгивающие устройства загоняют дым на нижние этажи, затрудняя тем самым удаление дыма из помещений.

В зазоре между поверхностями стеклянных двойных фасадов должны применяться огнестойкие перегородки. Следует отметить, что в общем контексте стратегия применения перегородок весьма неоднозначна и, как видно из нижеследующего, малопригодна для компромиссных решений:

- Исходя из требований правил противопожарной безопасности, перегородки должны быть огнестойкими, т. е. должны быть изготовлены из негорючих или, по крайней мере, с трудом воспламеняющихся материалов.

- Исходя из необходимости обеспечения хорошего освещения, принципиально не должно быть никаких перегородок. Если же все-таки перегородки присутствуют, они должны быть прозрачными.

- Для снижения уровня шума перегородки должны быть обязательно. Они должны поглощать звук, т. е. они не должны быть прозрачными либо должны применяться прозрачные материалы с микроперфорацией. С другой стороны, эти материалы горючи.

- Для обеспечения необходимых потоков воздуха и тепловых характеристик перегородок (горизонтальных) не должно быть, т. к. они препятствуют тепловой подъемной силе и, тем самым, отводу излишнего тепла в летнее время.

- Исходя из требований создания оптимальных климатических характеристик, должны быть горизонтальные перегородки, т. к. при отсутствии горизонтальных перегородок через вентиляционные форточки на внутренней поверхности запахи и табачный дым будут распространяться преимущественным образом по вертикали из одного помещения в другое.

Из этого краткого перечня видно, что эти требования практически не совместимы друг с другом.

Выводы и оценка

Стеклянные двойные фасады в последние десять лет в небывалом масштабе и чрезвычайно быстро завоевали современную архитектуру Европы. В этом нашло свое выражение господствующее стремление максимального использования в строительных конструкциях стекла и стали. Кроме этого, за последние десять лет было выпущено множество публикаций о стеклянных двойных фасадах, имевших вначале поверхностно-описательный характер. Однако в последние три года все больше стало появляться объективных, взвешенных работ, приведших к началу критического диалога по поводу стеклянных двойных фасадов. Были представлены результаты отдельных расчетов, основанных на моделировании стеклянных двойных фасадов. К этим результатам надо относиться с известной осторожностью, т. к. в них отсутствуют данные о точных граничных условиях. Без информации о таких граничных условиях нельзя вести какую-либо серьезную дискуссию, т. к. в этом случае «модельные» результаты не могут обобщенно классифицироваться и интерпретироваться. Результаты моделирования сомнительны также и по той причине, что в их основе лежит основанное на потоках представление, не учитывающее фактически нестационарный характер потока в зазоре между поверхностями стеклянных двойных фасадов. То же самое относится и к лабораторным измерениям на модельных элементах. Наряду с этим, практически отсутствуют результаты очень нужных практических измерений на уже построенных объектах со стеклянными двойными фасадами.

В представленной работе проведено систематизированное упорядочение многих видов стеклянных двойных фасадов. Эта оценка была дополнена результатами собственных исследований. Были собраны многие параметры стеклянных двойных фасадов, и на их основе были получены обобщенные характеристики, которые затем сравнивались с показателями традиционных фасадов, оснащенных окнами с современными теплозащитными стеклами, а также современной теплоизоляционной системой. Результаты таких сравнений представлены в таблице. Из таблицы видно, что стеклянные двойные фасады имеют несколько лучшие показатели звукозащиты, чем традиционные фасады с современной теплоизоляционной системой. По зимнему потреблению энергии на отопление, если речь идет о высотных зданиях с большой внутренней тепловой нагрузкой, оба вида фасадов имеют приблизительно одинаковые показатели. Что же касается летней теплозащиты и затрат энергии на охлаждение, стеклянные двойные фасады имеют в этой области очень плохие показатели. Установлено, что в зданиях со стеклянными двойными фасадами без систем кондиционирования воздуха нельзя обеспечить приемлемые внутренние климатические параметры, и такие системы в указанных условиях неработоспособны. Кроме этого, с зазором между поверхностями стеклянных двойных фасадов связаны такие проблемы, как выделение конденсата, ослабление дневного света, значительная пожароопасность. Наряду с этим, стеклянные двойные фасады требуют гораздо больших инвестиционных и эксплуатационных затрат, чем традиционные фасады с современной теплоизоляционной системой и теплозащитным остеклением.

Из представленных ранее результатов исследований, которые должны быть еще дополнены результатами практических измерений на уже построенных объектах, следует, что применение стеклянных двойных фасадов в нашем климате — не рассматривая особые случаи — с точки зрения строительной физики не имеет никакого смысла. Требуют особого изучения специальные случаи, например, пристройка стеклянных двойных фасадов к старому зданию, которое должно использоваться во время реконструкции. При этом обязательно необходимо применять наработки строительной физики. Утверждение К. Дениельса (K. Daniels) о том, что при интегральном планировании таких сооружений привлечение специалистов по строительной физике не имеет смысла, следует рассматривать как весьма эксцентричное и неприменимое в серьезной дискуссии о стеклянных двойных фасадах. Стеклянные двойные фасады предоставляют широкое поле деятельности большому кругу специалистов для решения проблем, которых бы не было, если бы никаких стеклянных двойных фасадов не возводилось. Но фасад здания со стеклянной двойной поверхностью нельзя рассматривать только как частную проблему или как выражение стремления максимального использования стекла и стали, характерное для определенного временного периода истории архитектуры. Если бы это было так, эту проблему можно было бы легко отправить на библиотечную полку истории архитектуры как очередную причуду моды.