Здание биоклиматической архитектуры – «Городские ворота Дюссельдорфа»

Энергосберегающая концепция здания

В инновационном проекте здания «Городские ворота Дюссельдорфа» реализована особая концепция энергосберегающего здания, основанная на следующих основных положениях:

– двойной вентилируемый проходной фасад с регулируемыми наружными ограждениями;

– повышенная теплозащита и солнцезащита наружных ограждений за счет отличных теплофизических характеристик применяемых материалов и конструкций;

– естественная вентиляция помещений на протяжении продолжительного периода;

– использование панелей, размещенных на потолке, для отопления и охлаждения помещений, отказ от отопительных приборов системы отопления, размещаемых под окнами из-за снижения потерь теплоты в холодное время года – расчетный расход теплоты на отопление составляет всего 2,87 МВт;

– пониженная до минимально необходимого уровня производительность системы кондиционирования воздуха за счет снижения теплопоступлений в помещения в теплое время года и использования естественной вентиляции;

– максимальное использование источников возобновляемой энергии: холода грунтовых вод, теплоты удаляемого воздуха.

Двойной вентилируемый фасад с регулируемыми воздушными клапанами обеспечивает:

1. Уменьшение и регулирование разности давления по обе стороны ограждения при большой скорости ветра и в условиях высотного здания.

2. Снижение расхода теплоты на отопление в холодное время года не только за счет улучшенных теплотехнических качеств ограждения (k_F=1,0 Вт/(м² • °C) или 0,2 ≤ k_eq,F ≤ 0,95 Вт/(м² • °C)), но и путем регулирования воздушных клапанов.

3. Снижение расхода холода в системе кондиционирования воздуха путем проветривания двойного фасада наружным воздухом.

Здание «Городские ворота Дюссельдорфа»

Естественная вентиляция

Одним из основных принципов концепции энергосбережения является использование естественной вентиляции помещений за как можно более длительный период в течение года с целью обеспечения теплового комфорта в помещениях. Тем самым могут быть значительно сокращены затраты энергии в системе кондиционирования воздуха. На основании характеристик, полученных прилабораторном моделировании, а также результатов компьютерного расчета, удалось разработать оптимальный вариант естественной вентиляции офисных помещений и атриума.

Применение естественной вентиляции ограничивается экстремальными значениями температуры наружного воздуха и слишком большой скоростью ветра. В диапазоне изменения температуры наружного воздуха от 5 до 20 °С можно обеспечить высокий уровень теплового комфорта в помещениях здания путем естественной вентиляции, правда при условии отсутствия сквозняков. Возникновение сквозняков при проветривании зависит, с одной стороны, от степени открытия оконных створок и, с другой, от перепада давления по обе стороны ограждения здания, в том числе и вызванного действием ветра. Влияние последнего фактора в здании «Городские ворота Дюссельдорфа» снижено благодаря особой планировке и наличию атриума в середине здания. Офисные помещения обеих башен контактируют с наружным воздухом через двойной фасад только с одной стороны, на противоположной стороне они граничат с атриумом. Поэтому сквозное проветривание определяется перепадом давления на наружном фасаде и в атриуме. Через расположенные сверху и снизу группы отверстий в фасаде атриума с одинарным остеклением производится как естественная вентиляция атриума, так и регулирование давления воздуха в атриуме при ветровой нагрузке так, чтобы обеспечивался наименьший перепад давления, действующий на офисные помещения. Процедура открытия и закрытия воздушных клапанов в фасаде атриума в зависимости от направления ветра моделировалась в аэродинамической трубе. В результате обдува модели здания потоком воздуха доминирующего юго-западного направления определено, что при большой скорости ветра для поддержания минимально возможного перепада давления между атриумом и офисными помещениями воздушные клапаны на наветренной стороне атриума должны быть закрыты. В этом случае офисные помещения, за исключением угловых помещений на северо-западной стороне, даже при очень высокой скорости ветра могут подвергаться естественному проветриванию из атриума. При закрытии воздушных клапанов в фасаде атриума на наветренной стороне и открытии воздушных клапанов в фасаде на заветренной стороне во всем атриуме формируется пониженное давление, характерное для заветренной стороны, которое лишь незначительно отличается от пониженного давления на наружных ограждениях офисных помещений, поэтому перепад давления имеет небольшое значение. Благодаря этому сквозняки в офисах, вызывающие дискомфорт, могут возникать только при очень большой скорости ветра (v ≥ 18 м/с). Поэтому проветривание путем открывания окон при юго-западном направлении ветра может проводиться практически круглый год.

Снижение перепада давления между атриумом и внешним фасадом важно также для легкого открытия или закрытия дверей в коридор. Считается, что дверь легко открывается, если при открытии прилагается усилие не более 50 Н.

Система естественной вентиляции помещений при открытии или закрытии оконных створок во внутренней части фасада с целью создания теплового комфорта и экономии энергии и система управления воздушными клапанами двойного фасада работают в зависимости от параметров наружного климата в следующих режимах:

1) Низкие значения температуры наружного воздуха в холодный период года.

Воздушные клапаны внешней части фасада закрыты, подача наружного воздуха осуществляется центральной системой кондиционирования воздуха с регенерацией теплоты удаляемого воздуха, автоматически поддерживаются параметры теплового комфорта в помещении.

2) Теплый период года, дневное время.

Воздушные клапаны внешней части фасада открыты для снятия перегрева в двойном фасаде, оконные створки внутренней части фасада закрыты, из-за большой потребности в холоде работает система кондиционирования воздуха с охлаждающими панелями, вентиляционные воздушные клапаны в атриуме открыты с учетом направления и скорости ветра. В зависимости от температуры воздуха в атриуме комфортные условия в офисных помещениях, граничащих с атриумом, создаются естественной вентиляцией из атриума или с помощью системы кондиционирования воздуха.

3) Теплый период года, ночное время.

Воздушные клапаны и поворотные оконные створки двойного фасада открыты для ночного охлаждения помещений, воздушные клапаны в атриуме открыты.

4) Переходный период года.

– восточный ветер

При скорости ветра примерно до 10 м/с – естественная вентиляция при открытых воздушных клапанах внешней части фасада и открытых оконных створках, при этом усилие на дверь ≤ 50 Н на высоте 50 м, вентиляционные воздушные клапаны атриума открыты.

– юго-западный ветер

При скорости ветра примерно до 15 м/с – естественная вентиляция при открытых воздушных клапанах внешней части фасада и открытых оконных створках, при этом усилие на дверь ≤ 50 Н на высоте 50 м, вентиляционные воздушные клапаны на северо-восточной стороне атриума открыты.

Таким образом, естественная вентиляция в офисных помещениях, выходящих на улицу или граничащих с атриумом, при значениях температуры наружного воздуха в диапазоне от 5 до 20 °С и скорости ветра, при которой дверь (оконная створка) легко открывается, с учетом ограничений на работу системы кондиционирования воздуха, указанных в пунктах 1) и 2), оказалась возможна на протяжении 60–65 % рабочего времени в течение года, что обеспечивает значительное снижение затрат энергии в системе кондиционирования воздуха.

Энергоэффективная система кондиционирования воздуха

Для обеспечения теплового комфорта людей, работающих в здании, предусмотрено кондиционирование воздуха в офисных помещениях, имеющих наружные ограждения и граничащих с атриумом в то время, когда проведение естественной вентиляции там невозможно, а также в помещениях внутренних зон, в которых кондиционирование воздуха должно осуществляться круглый год. Принята водовоздушная система кондиционирования воздуха, которая состоит из воздушной и водяной системы с отопительными и охлаждающими панелями в качестве местных агрегатов.

Центральная воздушная система кондиционирования воздуха с постоянным расходом воздуха производительностью 150 000 м³/ч обеспечивает подачу обработанного наружного воздуха в размере двукратного воздухообмена в помещения периметральной зоны, четырехкратного воздухообмена в помещения внутренней зоны. В качестве способа организации воздухообмена принята перемешивающая вентиляция – приточный воздух поступает в помещения через щелевые воздухораспределители. Для охлаждения воздуха в теплое время года используется принцип косвенного испарительного охлаждения. Вода, охлажденная при ее распылении в потоке удаляемого воздуха, поступает в поверхностный воздухоохладитель, установленный в потоке приточного воздуха.

В водяной системе отопления и охлаждения офисных помещений потолочные панели, площадь которых составляет одну треть общей площади всех панелей, размещены в ближайших к фасаду зонах и включены в гидравлический контур, который может переключаться на режим охлаждения или отопления. Применение отопительных панелей ведет к значительной экономии затрат по сравнению с обычными отопительными приборами и позволяет более эффективно использовать внутреннее пространство помещения. Остальные панели, площадь которых составляет две трети общей площади, используются исключительно для охлаждения. При среднем значении соответственно тепловой нагрузки на отопление или расхода холода в этом здании 15 Вт/м² (при двукратном воздухообмене) максимальное значение удельной теплоотдачи отопительных панелей составляет 35 Вт/м² и охлаждающих панелей – 45 Вт/м². Источником теплоты является безопасная для окружающей среды система централизованного теплоснабжения.

Система панельного отопления известна уже давно, но используемые до недавнего времени формы ее исполнения были очень не совершенными, что прежде всего было связано с высокой температурой на поверхности панелей, необходимой для отопления помещения. Однако из-за малых потерь теплоты через двойной фасад вследствие того, что в холодный период года вентиляционные воздушные клапаны закрываются, требуемый расход теплоты на отопление здания составляет лишь малую часть аналогичного расхода в зданиях с традиционными ограждающими конструкциями и системами отопления. Малые нагрузки на систему отопления позволяют снизить температуру на поверхности отопительных панелей до 30–35 °С, благодаря чему обеспечиваются лучшие условия теплового комфорта в помещении. Одним из показателей оценки состояния теплового комфорта человека является локальная асимметрия результирующей температуры. Этот показатель особенно важен для помещений с охлажденными и нагретыми поверхностями. Показатель определяют как разность результирующих температур в точке помещения, определенных шаровым термометром, характеризующих совместное влияние температуры воздуха, радиационной температуры и скорости движения воздуха для двух противоположных направлений. Холодные стены и горячие поверхности отопительных панелей воспринимаются как источники особого дискомфорта, поэтому экстремальных температур на этих поверхностях следует избегать. Предложенная проектировщиками система панельного отопления в сочетании с регулируемым вентилируемым двойным фасадом не приводит к большой разности температуры внутренних охлажденных и нагретых поверхностей.

Для проверки принятых технических решений, реализующих энергосберегающую концепцию, уже на самом раннем этапе проектирования были проведены моделирование и соответствующие лабораторные испытания. В рамках такого моделирования рассчитывался тепловой баланс помещений, который затем уточнялся при лабораторных испытаниях. В результате было показано, что система низкотемпературного панельного отопления, как это и было запроектировано, может нормально работать и обеспечивать тепловой комфорт даже при самой низкой температуре наружного воздуха (–12 °С) в г. Дюссельдорф.

Для системы кондиционирования воздуха используется природный источник холода, безопасный для окружающей среды, а именно: грунтовая вода, которая поступает из двух артезианских скважин. Холодная вода от источника с начальной температурой 12 °С нагревается на 1,5–4,0 °С в теплообменнике и возвращается в три накопительные колодца. Перед возвратом слегка загрязненная грунтовая вода пропускается для очистки через установку с водяным фильтром из активированного угля. Принята независимая схема холодоснабжения: вторичный гидравлический контур с охлаждающими панелями отделен теплообменником от первичного контура источника холода. В качестве дополнительного источника холода в системе кондиционирования воздуха в теплое время года предусмотрено применение также безопасной для окружающей среды абсорбционной холодильной машины, т. к. в этом случае не используются озоноразрушающие хладагенты. В генератор абсорбционной холодильной машины подводится теплота из системы централизованного теплоснабжения.

В здании предусмотрена система управления на уровне автоматического регулирования и контроля системы кондиционирования воздуха, систем тепло- и холодоснабжения, воздушных клапанов двойного фасада.

Эта система дает пользователю возможность ручного, полуавтоматического или автоматического режима управления естественной вентиляцией.

Экологические аспекты энергосберегающих решений

Для ответа на вопрос – может ли применение двойного фасада способствовать экономии энергии – были проведены обширные предварительные исследования путем моделирования энергетического баланса здания, в ходе которого потребление энергии в здании определялось для расчетных условий в соответствии с нормами строительной физики, а также с учетом параметров используемой в здании климатической техники. а

Энергоэффективность двойного фасада определялась путем сравнения вариантов. Поэтому был выбран вариант здания с одинарными нерегулируемыми ограждениями из высококачественного солнцезащитного стекла и с внутренними солнцезащитными устройствами (с общим коэффициентом проникания потока солнечной радиации – 0,28). В обоих вариантах были приняты одинаковые размеры и площадь светопрозрачных эле-ментов фасада.

Для упрощения расчетов был принят тип установок кондиционирования воздуха одинаковой производительности. Предполагалось, что в здании с нерегулируемым ограждением установки кондиционирования воздуха работают круг-лый год, а в здании с двойным фасадом они включаются только тогда, когда естественная вентиляция становится невозможной.

В здании с двойным фасадом расход теплоты на отопление при температуре свыше 5 °С из-за энергетически более затратного режима естественной вентиляции оказался немного выше, чем в здании с нерегулируемыми ограждениями.

Это объясняется экономией теплоты на нагревание приточного воздуха за счет регенерации теплоты удаляемого воздуха в системах механической вентиляции. Расход холода при одинарном фасаде приблизительно на 750 МВт/ч в год выше, чем в здании с двойным фасадом, что составляет примерно одну треть потребления холода в здании с одинарным фасадом. Отмечено также разительное отличие расхода потребляемой электроэнергии для перемещения воздуха. В здании с нерегулируемыми эле-ментами фасада потребляется в два раза больше электроэнергии, чем в здании с двойным фасадом, или больше на 485 МВт/ч в год. Преимущества двойного фасада, выражающиеся в значительной экономии энергии, объясняются тем, что в таком здании в связи с использованием естественной вентиляции установки кондиционирования воздуха работают гораздо меньшее время.

На стадии проектирования здания «Городские ворота Дюссельдорфа» было рассчитано предполагаемое потребление всех видов энергии и выделение углекислого газа, связанное с выработкой потребляемой энергии в здании. Приводимые ниже данные действительны для офисных помещений, включая внутренние зоны, в которых кондиционирование воздуха должно проводиться круглый год. В результате расчета получены следующие значения:

– предполагаемое энергопотребление – около 115 кВт/(ч • м²) в год; в обычном здании, имеющем одинарный фасад без регулируемых элементов, установку кондиционирования воздуха, обеспечивающую двукратный воздухообмен в час и использующую охлаждающие панели, парокомпрессионные холодильные машины и газовое отопление, предполагаемое энергопотребление составляет около 180 кВт/(ч • м²) в год, что примерно на 56 % больше, чем при использовании инновационных решений;

– предполагаемое потребление электроэнергии: около 75 кВт/(ч • м²) в год; в обычном здании, потребление электроэнергии составляет около 225 кВт/(ч • м²) в год, что примерно в 3,5 раза больше, чем при использовании инновационных решений;

– предполагаемое выделение углекислого газа: около 19 кг/м² в год; в здании с одинарным фасадом – около 49 кг/м² в год (более чем в 2,5 больше, чем при использовании инновационных решений). Снижение выделения СО₂ за год – в общей сложности около 1 000 тонн.

Если бы в высотном доме предусматривались традиционные системы кондиционирования воздуха, соответствующие современному уровню климатической техники, показатели потребления электроэнергии и выделения СО₂ были бы, очевидно, в 2,5–3,5 раза хуже результатов, полученных для здания «Городские ворота Дюссельдорфа».

В свою очередь, величина энергетических затрат была бы значительна, кроме того, отмечалось бы отрицательное воздействие на окружающую среду. При использовании энергосберегающей концепции предполагаемые значения энергопотребления и выделения СО₂ составили только малую долю значений, характерных для используемых в настоящее время традиционных систем кондиционирования воздуха.

Экономическая эффективность энергосберегающих решений

Как правило, сооружение двойных фасадов требует больших единовременных затрат. На стадии проектирования были выполнены расчеты экономической эффективности устройства двойного фасада. Так, в зависимости от выбранной конструкции и методов строительства, один квадратный метр двойного фасада стоил от 500 до 1 500 евро. Предполагая, что двойной фасад используется в течение 30 лет и при годовом проценте на капитал 8 % (ставка дисконтирования), получена ежегодная сумма приведенных капитальных затрат и амортизационных отчислений от 53 до 160 евро на м² фасада. Кроме того, были учтены дополнительные затраты на поддержание конструкций фасада в исправном состоянии и на очистку, которые составили соответственно от 3 до 8 евро на м² в год и 8 евро на м² в год при очистке поверхностей фасада, выходящих во внутреннее пространство, два раза в год. Итого, получены общие годовые затраты: от 64 до 176 евро на м² поверхности фасада.

Дополнительным единовременным затратам на устройство двойного фасада было противопоставлено снижение единовременных и экс-плуатационных затрат, связанное со следующими факторами: экономия энергии, снижение капитальных затрат благодаря улучшенной звукоизоляции, снижение капитальных затрат на установки кондиционирования воздуха. При уровне шума снаружи здания V = 71–75 дБ полностью застекленная внутренняя часть фасада может быть выполнена не в соответствие с классом звукоизоляции 4 (40–44 дБ), а в соответствии с классом 2 (30–34 дБ). Экономия капитальных затрат при этом составила около 195 евро на м² поверхности фасада в год или около 18 евро на м² поверхности фасада в год для капитальных затрат и амортизационных отчислений. При отказе от кондиционирования воздуха и использовании исключительно естественной вентиляции путем открытия окон капитальные и дополнительные расходы в офисном здании с обычной высотой потолков 3,60 м могут быть снижены приблизительно на 195 евро на м² поверхности фасада в год, что обеспечит экономию, но заметно уменьшит тепловой комфорт в помещениях. а

В проекте «Городские ворота Дюссельдорфа» устройство двойного фасада доказало свою экономическую эффективность. Затраты на его сооружение не превысили стоимость высококачественного фасада с одинарной оболочкой, обладающего аналогичными теплофизическими характеристиками. Это обусловлено, с одной стороны, простотой принятых решений и большим объемом проведенных предварительных работ по оптимизации конструктивных параметров, а с другой, хорошими ценами за работу, которые предложил подрядчик.

Определение экономической эффективности энергосберегающих решений производили при сравнении экономических показателей здания «Городские ворота Дюссельдорфа» с данными для обычного здания. При сравнении исключили факторы, не оказывающие воздействия на экономическую эффективность энергосберегающих решений. Учитывались следующие группы затрат: капитальные затраты и амортизационные отчисления, эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание здания.

Инвестиционные затраты:

Дополнительные расходы на оборудование для использования природного холода, дополнительные работы по проектированию нестандартного объекта: исследовательские работы и испытания на моделях.

Уменьшение стоимости источника теплоты за счет снижения расчетного расхода теплоты, уменьшение стоимости строительной площади из-за уменьшения количества технических помещений.

Увеличение и уменьшение расходов приблизительно компенсируют друг друга. Разностью капитальных затрат и амортизационных отчислений, необходимых для поддержания и эксплуатации зданий, для каждого варианта можно пренебречь.

Устройство двойного фасада не требует дополнительных расходов по сравнению с устройством одинарного фасада с эквивалентными звукоизоляционными характеристиками. Это связано, с одной стороны, с простотой конструкции внешней части фасада с вентиляционными коробами, выполняющими функции также конструктивных элементов, а с другой стороны, с устройством внутренней части фасада.

Эксплуатационные расходы:

Дополнительные расходы связаны с необходимостью осмотра и технического обслуживания двойного фасада, осмотра водяного фильтра с активированным углем, очистки двойного фасада.

Уменьшение расходов связано с экономией энергии, потребляемой установками кондиционирования воздуха и вентиляционными установками.

Расходы на техническое обслуживание здания:

Дополнительные расходы на обслуживание двойного фасада, водяного фильтра с активированным углем, артезианских скважин.

Уменьшение расходов из-за использования абсорбционной холодильной машины, системы централизованного теплоснабжения.

Затраты на поддержание и экс-плуатацию здания:

При расчете экономической эффективности затраты на содержание здания и дополнительные эксплуатационные затраты рассчитывали как отдельные статьи расходов и суммировались. Полученная сумма представила собой годовые затраты на поддержание и эксплуатацию здания. Эта величина была использована для сравнения с результатами аналогичных подсчетов для альтернативных решений.

Практические результаты

Чтобы проверить результаты расчетов на практике, были проведены натурные измерения параметров микроклимата в здании «Городские ворота Дюссельдорфа». Для этого наряду с температурой и скоростью воздуха проводились также измерения локальной асимметрии результирующей температуры и рас-пределение температуры воздуха по высоте помещения. Если соответствующие значения параметров превышают допустимые пределы, люди в помещениях чувствуют сильный дискомфорт. Но, как и ожидалось, таких критических условий в здании «Городские ворота Дюссельдорфа» не отмечалось. Все измеренные значения параметров воздуха находились в допустимых пределах, и было показано, что установившие в действительности значения контролируемых параметров являются для людей еще более благоприятными, чем предсказываемые по результатам моделирования и лабораторных испытаний, проводившихся при менее жестких предельных значениях. Например, при температуре наружного воздуха меньше 0 °С разность температуры внутреннего воздуха и температуры на внутренней поверхности остекления в помещении составила 1–2 °С. При том, что согласно данным предварительных испытаний и расчетов, эта разность температур должна была составить 3–4 °С. Такие хорошие результаты можно объяснить достаточно низким значением общего приведенного коэффициента теплопередачи (порядка 1 Вт/(м² • °С)) двойного фасада. Это совпадает с оценкой людей, работающих в помещениях здания, которые единодушно заявляют об очень хорошем качестве микроклимата даже в холодные зимние дни.

Вывод

На примере здания «Городские ворота Дюссельдорфа» показано, как может быть на стадии комплексного проектирования реализована безопасная для окружающей среды и экономичная концепция потребления энергии, не требующая значительных дополнительных инвестиционных вложений и обеспечивающая немалую экономию экс-плуатационных затрат. Высокая практическая ценность здания состоит в том, что экономика и экология его находятся на одинаково высоком уровне.

Решающим фактором успеха проекта была чрезвычайно высокая заинтересованность и требовательность представителя застройщика. Кроме того, следует отметить поддержку соответствующих органов власти Дюссельдорфа, постоянно положительно оценивавших экологическую концепцию проекта.

Наконец, реализация энергетической концепции стала возможной благодаря широкомасштабному интегрированному проектированию, основанному на моделировании процессов в здании и его элементах.

 

Статья подготовлена по материалам публикаций «Die doppelschalige Fassade des Dusseldorfer Stadttors», «Das Stadttor Dusseldorf», «Praxis ubertrifft Prognose», «Energiekonzept nach Mab» доцентом Московского государственного строительного университета (МГСУ) Е. М. Беловой.