Есть ли предел инженерным возможностям

Ю. А. Табунщиков, президент НП «АВОК»

Архитекторы первого демонстрационного энергоэффективного здания в Манчестере (штат Нью-Хэмпшер, США) Nicholas и Andrew Isaak писали в 1973 году: «Проектирование любого здания – всегда трудная задача, но проектирование энергоэффективного здания – это новый вызов и новое испытание, с которым архитекторы и инженеры встретились только сейчас».

Можно ли считать, что через 35 лет дан исчерпывающий ответ этому вызову? И да, и нет. Да – потому что к настоящему времени архитекторы построили много энергоэффективных зданий, которые, безусловно, являются произведениями архитектурного и инженерного искусства. Замечательными примерами здесь являются проекты архитектора Ken Yeang – здание главного офиса компании IBM, высотные здания Tokyo – Nara Tower и Bishopsgae Towers at Elephant & Castle, здание биоклиматической архитектуры «Ворота Дюссельдорфа», архитекторы Karl-Heinz Petzinka, Overdiek & Partners, здания Commerzbank во Франкфурте-на-Майне и London City Hall, архитектор Norman Foster. Нет – потому что к настоящему времени не создана теория проектирования энергоэффективных зданий. Сегодня энергоэффективное здание представляется как система независимых инновационных энергосберегающих решений. При этом оказывается не выявленным то обстоятельство, что эти независимые решения могут снижать их первоначальную эффективность, а в некоторых случаях приводить даже к отрицательному эффекту. В современной науке методом поиска наилучшего решения, к которому относится проектирование энергоэффективного здания, является метод системного анализа – это метод, занимающийся проблемами принятия решения, когда выбор альтернативы требует анализа сложной информации различной физической природы. Очевидно, что метод системного анализа должен явиться основой методологии проектирования энергоэффективных зданий.

Pearl River Tower (Guangzhou) Характеристики здания: Наименование здания: Pearl River Tower Расположение: Guangzhou, Китай Площадь здания: 2,3 млн футов (2214,029 м2) Высота здания: 309,60 м Количество этажей: 71 этаж Начало строительства: 2006 год Окончание строительства: 2010 год Назначение здания: офисное Отличительная особенность: самое энергоэффективное сверхвысотное здание в мире Проектная организация Архитектурное бюро Skidmore, Owings & Merrill LLP (SOM),MEP Roger Frechette, P. E., руководитель проекта, директор отдела  «Sustainable Building» компании SOM Russell Gilchrist, архитектор, директор отдела технической архитектуры компании SOM

Несмотря на уникальность архитектурных и инженерных решений таких зданий, а также других зданий, относящихся к этой категории, проведенный нами анализ позволяет выделить в общем виде признаки, характерные для всех уникальных зданий:

– гармонизация архитектурной оболочки здания с локальными особенностями климата района расположения здания;

– использование энергетических возможностей наружного климата и тепла земли для энергоснабжения здания;

– утилизация тепла солнечной радиации в тепловом балансе здания;

– использование конструкций остекления типа двойных фасадов для управления воздушными потоками, световым режимом и теплопоступлениями солнечной радиации;

– поэтажное, а не центральное устройство систем климатизации;

– максимальное использование естественной вентиляции помещений;

– максимальное использование естественного освещения помещений;

– интеллектуализация инженерного оборудования, а также заполнений световых проемов и остекленных поверхностей.

Наличие в здании перечисленных выше признаков еще не дает право отнести его к уникальным сооружениям. Здесь такое же различие, как между набором красок и картиной Леонардо Да Винчи «Тайная вечеря». Возникает естественный вопрос: можно ли на основе использования перечисленных выше признаков создать «наилучшее» здание. Ответ – «да!». Но в таком случае, не будет ли иметь место абсурдная ситуация, при которой будет тиражироваться одно и то же «наилучшее» здание? Конечно, нет. Во-первых, надо ответить на вопрос: что значит «наилучшее»? В смысле затрат энергии, строительных материалов, экологической чистоты и т. д. Во-вторых, «наилучшее» решение в многофакторных задачах не есть «точка», а есть некоторая область, в которой расположено множество «наилучших» решений. Есть еще один вопрос: зачем инвесторы идут на большие затраты, зная, что уникальные здания стоят значительно дороже? По нашему мнению, инвесторы идут на увеличение затрат по следующим обстоятельствам:

– уникальные здания легко и с интересом рекламируются и, следовательно, обеспечивают зданию коммерческую привлекательность и существенную прибыль инвестору;

– инвесторы умеют считать эксплуатационные расходы и, в первую очередь, стоимость энергии по ценам на 30–50 лет вперед;

– качество микроклимата в таких зданиях обеспечивает более высокую производительность труда;

– здание удовлетворяет не только сегодняшним экологическим требованиям, но будет удовлетворять также требованиям, предъявляемым сертификатом LEED – Leadership in Energy and Environmental Design Building (подробнее смотрите статью Ю. А. Табунщикова «Микроклимат и энергосбережение: пора понять приоритеты», журнал «АВОК» № 5, 2008).

Главными потребительскими качествами, которыми обладают современные уникальные высотные здания, являются: энергопотребление, качество среды обитания и сохранение природной среды. Архитекторы и инженеры создают все новые и новые шедевры в части реализации указанных потребительских качеств.

Сегодня на первое место уверенно выходит Китай. Международные эксперты отмечают, что «Китай перемахнул препятствие, стоящее на пути развития энергоэффективных зданий, и одним прыжком вошел в эру строительства сверхвысоких энергоэффективных зданий».

Убедительным подтверждением этого высказывания является строительство 71-этажного офисного здания, которое носит название Pearl River Tower, в портовом городе Guangzhou с населением в 6,6 млн человек в 100 км от Гонконга. Здание предназначено для главного офиса Табачной компании CNTC Guangdong Tobacco Company и по замыслу проектировщиков будет «самым энергоэффективным сверхвысоким зданием в мире». Эта амбициозная задача будет решена благодаря использованию инновационных энергоэффективных технологий, в том числе ветроэнергетики и фото-электричества. В результате, здание будет потреблять энергии на 60 % меньше, чем требует стандарт ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1-2004 «Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings». Для того чтобы достичь такого эффекта, инвесторам потребуются дополнительные вложения в сумме 12 млн долл. США.

Рассмотрение особенностей обоснования проектных решений для здания Pearl River Tower показывает, что это широкомасштабные научные исследования, выполненные в различных исследовательских организациях, включающие методы математического и физического моделирования, а также использование специальных аэродинамических установок. И невольно с большим сожалением отмечаешь, что в настоящее время в России практически отсутствует раздел предпроектных исследований, что приводит, без всякого сомнения, к принятию слабо обоснованных и даже зачастую ошибочных решений.

Наиболее значимым, по мнению авторов проекта, инновационным техническим решением для здания Pearl River Tower является использование ветроэнергетических установок: четыре ветроэнергетические турбины с диаметром колеса 6 м встроены в отверстия ограждающих конструкций технических этажей здания – по две установки в каждом техническом этаже (рис. 1). Скорость ветра в городе Guangzhou на высоте расположения технических этажей невелика и равна 4 м/c. Однако за счет разности давлений на наветренном южном и заветренном северном фасадах скорость ветра в отверстиях увеличивается до 8 м/c.

Рисунок 1. Использование ветроэнергетических установок: ветроэнергетические турбины встроены в отверстия ограждающих конструкций технических этажей здания

Моделирование в аэродинамической трубе показало, что такая конструкция ветроэнергетической установки в 15 раз выше, чем у традиционных «ветряков», и обеспечивает покрытие 1 % энергетической потребности здания, что составляет примерно 10 000 кВт•ч/год.

Кроме того, энергоснабжение здания также обеспечивается за счет использования фотоэлектрических солнечных панелей, расположенных на восточном и западном фасадах, а также в верхней части здания на площади более 1 500 м². Еще 1 500 м² солнечных фотоэлектрических панелей предполагается разместить на солнцезатеняющих конструкциях западного фасада. В общей сложности мощность фотоэлектрических солнечных панелей составит 300 000 кВт•ч и обеспечит 2 % энергетической потребности здания.

Из всех энергоэффективных конструктивных решений здания Pearl River Tower наибольший эффект экономии энергии обеспечивает использование охлаждающих потолочных панелей. В журналах «АВОК» (№№ 6, 7, 2003 г.) достаточно подробно описаны конструктивные решения охлаждающих потолочных панелей, особенности их применения и отмечены опасности, возникающие из-за возможности выпадения конденсата на их поверхностях. Особенность охлаждающих панелей здания Pearl River Tower состоит в том, что охлаждение осуществляется не воздухом, а водой. В результате того, что охлаждение помещений осуществляется охлаждающими потолочными панелями, нет необходимости подавать в помещение большое количество охлажденного воздуха, а необходимо подавать такое количество приточного воздуха, которое требуется для обеспечения качества воздушной среды помещения. Для предотвращения конденсатообразования осуществляется осушение поступающего в помещение воздуха в специальных теплообменных аппаратах, расположенных в технических этажах. Подача свежего воздуха в помещения осуществляется с помощью так называемой вытесняющей вентиляции, интегрированной в конструкцию пола.

Рисунок 2 (подробнее)   Использование охлаждающих потолочных панелей

Особой гордостью разработчиков проекта является интеллектуальный двухслойный (двойной) выполненный из стекла фасад. Семьдесят один этаж стекла, облучаемого тропическим солнцем, – это большая опасность перегрева помещения, огромные нагрузки на систему охлаждения, но, с другой стороны, и большой соблазн использовать огромное количество энергии в тепловом балансе здания. Задача была поставлена и решена на основе использования двойного остекленного фасада. Главная сложность состояла в том, что если конструктивные элементы двойного фасада не оптимизированы и их функционирование не интеллектуализировано, то могут быть утрачены все преимущества такой конструкции фасада. С этой целью проектировщики выполнили большой комплекс предпроектных исследований, в том числе создание специальных аэродинамических стендов. При этом конструкция фасада предусматривала устройство управляемых компьютером солнцезащитных устройств, встроенных в фасад с южной и северной сторон.

Еще одна особенность состоит в том, что вентиляция воздуха между стеклами фасада является частью общей аэродинамической системы здания. Здесь проектировщиками было выполнено математическое компьютерное моделирование. Главный инженер проекта, директор экологически чистых инженерных исследований компании SOM Roger Frechette говорит: «Высокая эффективность часто означает высокую сложность процессов и необходимость проведения сложных детальных расчетов. При движении большого объема воздуха у него появляется тенденция мигрировать естественным путем с маленькой скоростью. Это означает, что потоки будут существенно рассредоточенными и требуется высокий уровень моделирования». В журнале «АВОК» № 2, 2007 достаточно подробно описано устройство двухслойных (двойных) фасадов.

Рисунок 3. Тепловизионное изображение здания

Полученный опыт

Несмотря на то что многое еще впереди, главный инженер проекта Roger Frechette, а также руководители проекта проф. Ray Sinclair и проф. Duncan Phillips уже составили список «выученных уроков».

Нашим специалистам интересно познакомиться с этими уроками.

Урок первый

Вовлекать людей на начальной стадии

Для проектирования высокоэффективного здания необходимо собрать вместе всех основных заинтересованных лиц на самой начальной стадии проектирования для достижения всеобщего взаимопонимания. Заинтересованные лица – это проектная команда, консультанты, подрядчики, представители городских властей, местных коммунальных служб, а также владелец здания.

Пример: одним из основных препятствий на стадии проектирования стал тот факт, что представители локальных электрических сетей не позволяли (или не могли позволить из-за отсутствия правовой основы) владельцу продавать электричество в сеть общего пользования. Эта проблема обнаружилась, когда проектирование уже велось полным ходом, и стала одним из ключевых факторов, не позволившим добиться цели – создания углеродно-нейтрального здания.

Урок второй

Баланс проектной команды

Правильный баланс специалистов важен для достижения так называемого «прагматического новаторства».

Roger Frechette говорит: «Все мы видели интригующие концепции проектирования, которые никогда не были реализованы из-за непрактичности отдельных деталей. Для полноценной реализации новаторских идей в крупном проекте проектная команда должна состоять из людей, которые могут вообразить нечто невозможное, но реализуемое специалистами, обладающими многолетним опытом разумной работы. Такое объединение личностей позволяет действительно реализовать на практике новаторские идеи». Эти обстоятельства проявились в полной мере при выборе конструкции двойного фасада и при исследованиях потоков воздуха в здании.

Урок третий

Эксплуатация и обслуживание

Высокоэффективное здание требует внимания даже после реализации проекта и ввода здания в эксплуатацию. Команда SOM объединилась с местным проектным институтом Guangzhou для разработки обучающих руководств, и владелец собирается нанять опытную организацию для эксплуатации здания.

Roger Frechette считает, что уникальная система климатизации здания, предусмотренная проектом, на самом деле

должна снизить объем усилий, необходимых для эксплуатации и обслуживания, в сравнении с традиционными зданиями. Например, излучающие потолочные системы, обслуживающие офисные этажи, устраняют необходимость использования установок с переменным расходом воздуха и вентиляторных доводчиков, минимизируют необходимое техническое обслуживание, такое как замена фильтров, очистка змеевиков, ремонт приводов воздушных заслонок и необходимость адресовать жалобы на шум вентиляционной системы – и, конечно, необходимость в балансировке и перебалансировке вентиляционной системы при приходе и уходе людей.

Урок четвертый

Взгляд в будущее

Несмотря на то что проект представлял многие трудности, для архитекторов и инженеров он оказался увлекательным и полезным. Они надеются, что технологии, используемые при проектировании сверхвысокого здания, станут более распространенными и что проект подвигнет других проектировщиков на использование высокоэффективных технологий.

«Мы находимся в середине экологического кризиса, связанного преимущественно с выбросами углерода в атмосферу, – говорит Roger Frechette. – Даже архитекторы и инженеры должны помнить, что здания создают больше выбросов, чем промышленность или транспорт. Нам необходимо адресовать эту проблему, и мы надеемся, что данный проект станет первым осторожным шагом в этом направлении. Или, возможно, одним громадным 71-этажным скачком».

Рисунки публикуются с разрешения SOM ARCHITECTURAL CONSULTANTS (SHANGHAI) CO., LTD.