Проект Корпоративного университета Сбербанка на Истре

E. van Egeraat, профессор, главный архитектор, директор Erick van Egeraat B.V. и OOO EMEM

G. Hausladen, профессор, почетный доктор техн. наук

А. Л. Наумов, канд. техн. наук, заслуженный строитель России

Корпоративный университет предназначен для обучения и повышения квалификации персонала Сбербанка, численность которого по стране достигает 250000 чел. Ежегодно университет готов будет принять около 20000 обучающихся и преподавателей.

Проект уникален по своим архитектурным, конструктивным и инженерным решениям, обеспечивающим персоналу комфортные условия для работы, учебы и отдыха.

Все здания университета представляют собой комплекс высокой экологической и энергетической эффективности, в котором функционально связаны архитектурно-планировочные решения, высокий уровень теплозащиты ограждающих конструкций и энергосберегающие инженерные системы.

Оригинальную архитектуру комплекса отличает гармония с живописным рельефом вдоль реки Истры, функциональность и комфортность планировочных решений, энергоэффективность формы и ориентации зданий.

Уровень теплозащиты наружных ограждений зданий соответствует европейским требованиям, предъявляемым к энергопассивным домам (Passivehouse) [1, 2]. Сопротивление теплопередаче наружных стен должно составлять 6 (м²·°С)/Вт, покрытий – 10 (м²·°С)/Вт и светопрозрачных ограждений – 1,2 (м²·°С)/Вт. Кроме того, на значительной части покрытий предусмотрена эксплуатируемая кровля с зелеными насаждениями, значительно снижающая теплопоступления летом и теплопотери зимой. Над светопрозрачными ограждениями устроены балконы-козырьки, защищающие летом от прямой инсоляции в дневное время.

Система напольного отопления и охлаждения

Особо следует остановиться на системах инженерного обеспечения зданий университета. В зданиях применена инновационная система напольного отопления и охлаждения. Если напольное отопление зимой уже зарекомендовало себя как способ обеспечить тепловой комфорт, то напольное охлаждение летом для многих специалистов звучит непривычно.

Первые напольные системы появились в США в 30-х годах прошлого века, распространение получили с 70-х годов, а последние 20 лет стали преимущественным способом отопления в жилых и общественных зданиях Европы, США, Канады, Южной Кореи [3, 4].

С 2000 года системы напольного отопления стали использоваться и для охлаждения помещений в теплый период года. Распространению напольных систем способствовало ужесточение требований к теплозащите наружных ограждений, включая защиту от инсоляции. Это связано с тем, что напольное охлаждение при температуре поверхности +20 °C может компенсировать сравнительно небольшую тепловую нагрузку в 25–35 Вт/м². При использовании потолочных охлаждающих панелей теплосъем возрастает до 50–60 Вт/м² [4].

Следует отметить важную особенность систем напольного и потолочного отопления и охлаждения – они обладают свойствами аккумуляции энергии и саморегулирования.

На рис. 1 показано, что в помещении учебного класса в нерабочее время ограждающие конструкции аккумулируют холод от системы напольного охлаждения, а в учебный период этот холод компенсирует вместе с системой напольного охлаждения теплоизбытки. За счет аккумулирующего эффекта номинальная мощность системы напольного охлаждения может составлять 60–70% от максимальных теплоизбытков, в то время как в традиционной системе охлаждения с фэнкойлами (рис. 2) номинальная мощность должна составлять 120–130% от максимальных теплоизбытков [4].

Рисунок 1. Характер изменения тепловых потоков и температуры в учебном классе при работе напольного охлаждения

Таким образом, по сравнению с традиционным решением мощность холодильного центра может быть значительно снижена.

Эффект саморегулирования систем напольного отопления и охлаждения состоит в стабильности поддержания комфортной температуры в помещении при изменении теплопотерь или теплопоступлений.

Рисунок 2. Характер изменения тепловых потоков и температуры в учебном классе при работе фэнкойлов

Так, при напольном отоплении с температурой поверхности пола +25 °C при температуре воздуха +20 °C удельная теплоотдача составляет примерно 50 Вт/м². С началом учебного процесса температура в помещении из-за тепловыделений людей, компьютеров, освещения вырастет до +23 °C; при этом теплоотдача пола снизится в 2,5 раза до 20 Вт/м² и рост температуры замедлится. Эффект саморегулирования не отменяет применение автоматики регулирования (термостатических вентилей и балансировочных клапанов).

Системы напольного отопления и охлаждения лишены следующих недостатков традиционных систем:

• аэродинамический и конструктивный шум фэнкойлов или сплит-систем;
• наличие дискомфортных зон с большими градиентами температуры и скорости движения воздуха;
• повышенные энергетические затраты и эксплуатационные расходы;
• необходимость регулярного технического обслуживания;
• циркуляция и возгонка пыли;
• необходимость высокопотенциального теплоносителя (холодоносителя).

Так, параметры теплоносителя для напольного отопления обычно составляют +35…+42 °C, а параметры холодоносителя при потолочном или напольном охлаждении составляют +16…+18 °C.

В традиционных системах отопления и охлаждения теплоноситель, как правило, имеет параметры, доходящие до +95 °C, а для холодоносителя стандартом является +6…+7 °C.

Низкопотенциальный тепло/холодоноситель открывает прекрасные возможности для использования возобновляемых источников энергии, таких как системы солнечного теплоснабжения или грунтовые тепловые насосы. Холодильный коэффициент компрессионных холодильных машин при переходе холодоносителя с +7…+12 °C на +14…+20 °C возрастает на 20–30%, что адекватно такой же экономии электрической энергии.

Расчет систем отопления и охлаждения

Расчет систем отопления и охлаждения в соответствии с ГОСТ 30494–2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» следует производить по результирующей температуре помещения:

t_res = (t_в + t_R)/2,   (1)

где t_в и t_R – соответственно температура воздуха и радиационная средневзвешенная по телесным углам температура внутренних поверхностей помещения.

Как правило, за счет радиационного напольного и потолочного отопления радиационная температура помещения превышает температуру воздуха на 1,5–2,0 °C, а при традиционном отоплении, наоборот, температура воздуха выше температуры поверхностей помещения.

При напольном охлаждении температура воздуха в учебном классе составляет +24 °C, а радиационная температура около +22 °C, при этом результирующая температура находится в диапазоне +22,5…+23,0 °C (рис. 1).

Для достижения такой же результирующей температуры при охлаждении фэнкойлами температура воздуха должна составлять +22,0…+22,5 °C (рис. 2).

На рис. 3 и 4 приведены оптимальные и допустимые значения результирующей температуры в соответствии с ГОСТ 30494–2011 для теплого и холодного периода года. В Европе для оценки тепловой комфортности часто используют показатели, предложенные проф. Фангером (Датский технический университет) [5], в том числе показатель доли неудовлетворенных тепловыми условиями людей PPD, значения которого также приведены на рис. 3 и 4.

Рисунок 3. Параметры микроклимата в теплый период года: 1; 2 – оптимальная и допустимая результирующая температура по ГОСТ 30494–2011; PPD – доля неудовлетворенных микроклиматом людей по Фангеру

Рисунок 4. Параметры микроклимата в холодный период года: 1; 2 – оптимальная и допустимая результирующая температура по ГОСТ 30494–2011; PPD – доля неудовлетворенных микроклиматом людей по Фангеру

Воздушно-тепловой режим помещений

Моделирование воздушно-теплового режима представительных помещений зданий университета было выполнено фирмой «Хаусладен ГмбХ».

Рисунок 5. Моделируемое помещение в корпусе В университета

На рис. 6 приведены результаты расчетов воздушно-теплового режима учебного класса (рис. 5) площадью 48,5 м² в теплый период года. Помещение ориентировано на юг. Наружная стена затенена двухметровым козырьком-балконом. Занятия проходят с 8.00 до 12.00 и с 13.00 до 17.00. Внутренние тепловыделения от людей, компьютеров и проектора составляют 1450 Вт, примерно 30 Вт/м².

Рисунок 6 (подробнее) Результаты моделирования воздушно-теплового режима учебных помещений

Охлаждение помещения осуществляется потолочными панелями, занимающими 80% площади потолка, с температурой подачи +17 °C. Режим охлаждения включается автоматически при достижении температуры воздуха в помещении +22 °C и выключается при температуре ниже +21 °C.

В помещение механически подается минимум 175 м³/ч приточного воздуха с температурой +19 °C.

Расчеты приведены для условий реальной облачности в июле. В нижней части графика показана глобальная радиация (желтая кривая).

Температура наружного воздуха в базовом варианте в расчетную неделю достигает +30 °C (черная кривая).

Ход внутренней температуры воздуха в помещении (красная кривая) показывает, что в рабочие часы температура составляет +24…+25 °C, а в ночные часы снижается до +21…+22 °C.

Кроме того, выполнен анализ воздушно-теплового режима для случая экстремального повышения температуры наружного воздуха до +38 °C (серая кривая).

Температура внутреннего воздуха для этого случая практически не изменилась, превышение составило не более 0,5 °С (зеленая кривая).

Такая нечувствительность к наружной температуре воздуха объясняется наличием резерва производительности системы охлаждения и высоким уровнем теплозащиты наружных ограждений, что приводит к низкой доле трансмиссионных теплопоступлений.

Что касается вентиляции зданий университета, то ее можно отнести к классу гибридной. В периоды, когда наружная температура воздуха находится в умеренном диапазоне +18…+24 °C, удобно пользоваться естественной вентиляцией через оконные проемы. В холодное и жаркое время года система механической вентиляции использует утилизацию теплоты вытяжного воздуха для нагрева или охлаждения приточного с эффективностью 75–85%.

Весь комплекс архитектурных, конструкторских и инженерных решений позволяет рассчитывать на снижение энергоемкости зданий университета по сравнению с традиционными решениями не менее чем на 40% и обеспечить при этом равноценный или повышенный уровень комфорта.

Литература

1. Файст В. Основные положения по проектированию пассивных домов. М. : АСВ, 2008.
2. The Russian National Standart on “Green Building”, Yuri Tabunschikov, Alexander Naumov, The REHVA. European HVAC Journal № 2, 2012.
3. Nevins R.G., Flinner A.O. Effect of heated floor temperatures on comfort. ASHRAE Trans, 64.175.
4. Nielsen Lars Sanderby. Building Integrated System Design for Sustainable Heating and Cooling, The REHVA. European HVAC Journal № 2, 2012.
5. Fanger P.O. Thermal Comfort. Copenhagen, Danish Technical Press, 1970.