Рис. 1. Прямой и обратный эффект тяги

На рис. 1 схематично показана инфильтрация и эксфильтрация в случае холодного климата (эффект тяги) и в случае жаркого климата (обратный эффект тяги) без учета влияния ветрового давления и работы системы вентиляции в здании. Вертикальное движение воздуха в здании будет возникать в лестничных пролетах, шахтах, любых других местах с отверстиями в перекрытиях и там, где перекрытия негерметичны. Рис. 1 также показывает, что уровень инфильтрации и эксфильтрации воздуха увеличивается по мере удаления от уровня нейтрального давления (далее – УНД).
Теоретическое описание эффекта тяги изложено в рекомендациях ASHRAE (2013 ASHRAE Handbook – Fundamentals). В работе приведена методика расчета эффекта тяги (разницы давления на ограждающих конструкциях) для заданной разницы температур воздуха в здании и за его пределами. Особое внимание уделяется УНД – отметке, где уровень инфильтрации и эксфильтрации стремится к нулю вследствие равенства гравитационного давления в помещении и на улице при заданной разнице температур внутреннего и наружного воздуха. Отметка УНД зависит от многих факторов: герметичности ограждающих конструкций, наличия и конфигурации внутренних планировок, планировки лестничных пролетов, лифтовых шахт, шахт инженерных систем.

Помимо этих факторов, на УНД оказывает влияние система вентиляции. Если система вентиляции создает в здании разрежение (объем вытяжного воздуха больше приточного), отметка УНД будет выше, при этом разница давлений и инфильтрация в нижней части здания будут возрастать. Если система вентиляции обеспечивает подпор, то отметка УНД будет опускаться, снижая разницу давлений и инфильтрацию на нижних этажах здания.

Теоретически разницу давлений на ограждающих конструкциях здания можно рассчитать для любой высотной отметки. На рис. 2 показана разница давлений, возникающая на ограждающих конструкциях высотных зданий при заданной разнице температур воздуха в помещении и за его пределами. Важно отметить, что на рис. 2 представлена идеальная модель, не учитывающая такие факторы, как ветровое давление (рис. 3) и режим работы системы вентиляции. Помимо этого, данная модель предполагает, что в здании нет перегородок и перекрытий (то есть движение воздуха в помещении не встречает никакого сопротивления), а герметичность ограждающих конструкций одинакова на всех отметках.
Фактический эффект тяги (разницу давлений на ограждающих конструкциях), как и отметку УНД, рассчитать довольно сложно, а зачастую и вовсе невозможно, поскольку из-за открытия/закрытия входных дверей, дверей лифтов и прочих факторов эффект тяги и отметка УНД будут постоянно меняться. Данные на рис. 2 не стоит принимать как фактические значения при проектировании, но важно понимать порядок цифр, учитывать его при проектировании и за счет проектных решений снижать возможные негативные воздействия эффекта тяги на эксплуатацию здания.

Рис. 2. Эффект тяги, разность давлений

Основные проблемы, связанные с эффектом тяги в высотных зданиях, связаны с возникновением зон с избыточным давлением/разрежением, сложностью организации комфортного отопления на нижних этажах и инфильтрацией/эксфильтрацией воздуха через ограждающие конструкции.

Рис. 3. Эффект тяги с учетом ветрового давления

Возникновение зон с избыточным давлением или разрежением приводит, как правило, к проблемам с открытием/закрытием дверей лестничных пролетов и дверей лифтов.

Проблема с отоплением связана с тем, что уровень фактической инфильтрации через входные двери и ограждающие конструкции на нижних этажах может оказаться выше проектного. В лучшем случае это приводит к невозможности поддерживать комфортный уровень температуры воздуха. В некоторых случаях это вызывает заморозку и повреждение систем спринклерного пожаротушения. Как правило, проблема возникает, если проектировщики неверно учитывают инфильтрацию при расчете теплопотерь или в случаях, когда строители не обеспечивают проектную герметичность ограждающих конструкций.

Национальная ассоциация производителей металлических строительных конструкций (TheNationalAssociationofArchitecturalMetalManufacturers) рекомендует обеспечивать герметичность конструкций, допускающую уровень инфильтрации/эксфильтрации в пределах 1,7 м³/ч на 1 м²  стены при разнице давлений 75 Па на ограждающей конструкции (без учета открываемых окон).

Эксфильтрация теплого и влажного воздуха опасна тем, что влага конденсируется на поверхности или в порах ограждающих конструкций и способна серьезно повредить материалы и снизить срок эксплуатации здания.
Для того чтобы минимизировать эффект тяги и проблемы, связанные с его возникновением при проектировании и строительстве, следует предусматривать инженерные и архитектурные решения, направленные на снижение инфильтрации и эксфильтрации воздуха:

1. ограждающие конструкции должны обеспечивать максимально возможную герметичность;
2. на входной группе желательно использовать двери револьверного типа;
3. необходимо предусматривать тамбур-шлюзы для всех входов и выходов из здания, лестничных клеток, желательно с системой подбора воздуха на VAV-клапанах переменного расхода воздуха;
4. система общеобменной вентиляции должна иметь опцию контроля давления по зонам помещения за счет переменного расхода и применения VAV-клапанов.

Гидравлические системы

Чтобы избежать проблем с высокими значениями гидравлического сопротивления и статического давления систем, при проектировании гидравлических систем высотных зданий необходимо делить здание на несколько зон высотой 30–45 метров (до 15 этажей) и предусматривать отдельные технические этажи с инженерным оборудованием, обслуживающим одну зону. Альтернативное решение – это применение теплообменников и сложной регулирующей арматуры для каждой зоны. Любой из этих вариантов приводит к увеличению энергопотребления инженерных систем высотного здания в сравнении с обычным, которое может обслуживаться одним техническим помещением.
На рис. 4 приведен пример разбивки по зонам самого высокого небоскреба в мире – Бурдж-Халифа (Дубай).

Рис. 4. Вертикальные зоны и технические этажи в здании
Бурдж-Халифа, Дубай

Может ли высотное здание иметь околонулевое потребление энергии?

Как мы уже убедились, специфика построения инженерных систем высотных зданий приводит к тому, что их энергопотребление всегда будет выше, чем у здания аналогичной площади, но меньшей высоты. Если добавить к этому энергопотребление вертикального транспорта высотных зданий, становится очевидным, что обеспечить в этих условиях генерацию энергии от возобновляемых источников в должном объеме довольно затруднительно.
Для того чтобы приблизить здание к околонулевому потреблению энергии, необходимо минимизировать энергопотребление и обеспечить максимально возможную генерацию энергии от возобновляемых источников.

Чтобы минимизировать энергопотребление, следует:

1. С помощью CFD-моделирования и полномасштабных тестов в аэродинамической трубе найти оптимальную с точки зрения энергопотребления архитектурную форму и ориентацию здания по сторонам света.
2. Для ограждающих конструкций применять материалы с лучшими теплотехническими характеристиками, доступными на рынке.
3. Максимально использовать возможности естественной вентиляции и фрикулинга.
4. Применять высокоэффективное оборудование для инженерных систем здания.

Источниками возобновляемой энергии могут быть:

• солнечные коллекторы (тепловая энергия для нужд отопления и ГВС);
• фотоэлектрические модули (электричество);
• ветроэнергетические установки (электричество).

На практике основная проблема генерации энергии от возобновляемых источников в высотном здании – это пространство, необходимое для размещения оборудования.

Фотоэлектрические модули

Где располагать фотоэлектрические модули в высотном здании? Место на кровле, как правило, сильно ограниченно; более того, предпочтение всегда отдается традиционным инженерным системам – вентиляции и холодоснабжению.
Единственное место, где возможно размещение фотоэлектрических модулей в достаточном количестве, – это фасад. Поэтому модули должны быть прозрачными или полупрозрачными, что приводит к значительному удорожанию систем. Тем не менее в настоящее время на рынке доступны такие решения:

• прозрачное монокристаллическое стекло;
• некристаллические микроперфорированные полупрозрачные модули;
• гибкие фотоэлектрические пленки, наносимые на металлические конструкции здания;
• цветные модули, не изменяющие дизайн ограждающих конструкций.

Прозрачные и полупрозрачные решения могут успешно применяться как при новом строительстве, так и при реновации зданий, поверх существующего фасада (рис. 5).

Рис. 5. Прозрачные фотоэлектрические модули, установленные поверх существующего фасада

Другим интересным решением может стать применение фотоэлектрических модулей в качестве вентилируемого фасада (рис. 6). Такие модули состоят из двух слоев стекла, между которыми установлена моно- или поликристаллическая фотоэлектрическая пленка и тонкая пленка из PVB (поливинилбутираль – клейкая резиновая пленка, предохраняющая от падения осколков при механическом повреждении стекла).

Рис. 6. Здание с вентилируемым фасадом из фотоэлектрических модулей, Лондон

Энергия ветра

Ветроэнергетические установки могут служить источником возобновляемой энергии с минимальным влиянием на окружающую среду. Ветроэнергетические установки – отличный пример экоустойчивого оборудования с долгим сроком эксплуатации, они широко применяются для генерации энергии в высотных зданиях по всему миру. Однако при их использовании нужно понимать, что:

1. Существуют ограничения скорости ветра для нормальной работы оборудования: минимум 5 м/с, максимум 20 м/с.

2. Ветер – непредсказуемое и неконтролируемое явление. Точно рассчитать и предсказать годовую генерацию энергии от этого источника не представляется возможным.

3. Оборудование генерирует шум, необходимо проводить акустические расчеты.

4. Оборудование может быть опасным для птиц.

Рис. 7. Мировой торговый центр в Манаме, Бахрейн

Удачным примером применения ветроэнергетической установки можно считать комплекс зданий Мирового торгового центра в Бахрейне, г. Манама. Комплекс состоит из двух высотных зданий – 50 этажей, 240 м каждое. Установлено три турбины диаметром 29 м, мощность каждой составляет 225 кВт. Скорость ветра в районе строительства в течение года колеблется от 3 до 25 м/с. Генерация энергии за год составляет 1 100–1 300 МВт•ч, что покрывает 11–15 % энерго-потребления комплекса зданий.

Ответ на вопрос

*) Высотное здание с околонулевым
потреблением энергии в Австралии

Может ли высотное здание иметь околонулевое потребление энергии?

По мнению автора, теоретически это возможно, но технически сложно реализуемо из-за ограниченного пространства для установки достаточного количества фотоэлектрических модулей и другого оборудования для генерации энергии из возобновляемых источников.

Эта цель достижима для зданий высотой до 200–1250 м (см. *)), но практически невыполнима для зданий высотой более 1 000 м.

Перевод и техническая редактура выполнены В. В.Устиновым