Прямое испарительное охлаждение в офисе. Возрождение в Фениксе
Jay S. Robins
Воплотить труднодостижимую идею в реальность удалось региональному отделению строительной компании DPR. Отчасти этому способствовала другая нестандартная идея – использование системы естественной вентиляции с прямым испарительным охлаждением воздуха.
Before 2010, one might not have imagined that a chronically neglected and abandoned building – a former home for an adult boutique in Phoenix – could be transformed into a highly sustainable, net zero energy building. But the design and operation of the DPR Construction Phoenix Regional Office has made this once unfathomable idea a reality, thanks in part to another seemingly outlandish idea for a building in the middle of the desert: using passive strategies to condition the office for much of the year.
Здание 70-го года постройки первые 20 лет использовали как склад для лакокрасочных материалов. Затем здесь находился секс-шоп, который закрылся в середине 2000-х. В 2010 году магазин был выкуплен компанией DPR для реконструкции под собственный офис.
Командный подход – ключ к реализации успешного проекта, поэтому заказчик организовал мозговой штурм среди всех подрядчиков будущего строительства. Основной целью обсуждения стал поиск концепции, позволяющей создать экологически устойчивое здание с нулевым потреблением энергии в жарком климате Аризоны. Здание также должно было получить «Платиновый» сертификат в рейтинговой системе LEED. В расчёт принимались все идеи, включая те, которые на первый взгляд могли показаться абсолютно невыполнимыми. Предложения участников фиксировались, а самые интересные отбирались для более детального изучения и проработки. Так, одна из идей заключалась в использовании естественной вентиляции в жарком и засушливом климате.
На основании отобранных идей были разработаны концептуальные проекты, которые оценивались по таким критериям, как капитальные затраты, энергопотребление, расходы на эксплуатацию. Для оценки целесообразности применения инновационных решений был выбран восьмилетний период окупаемости. Результатом мозгового штурма стала концепция с применением системы естественной вентиляции с прямым испарительным охлаждением воздуха.
Здание было тщательно изучено на предмет возможности сохранения существующих конструкций. Более 90 % ограждений признали годными для дальнейшего использования, в то время как все материалы внутренней отделки было решено поменять.
Поскольку ориентация здания относительно сторон света была предрешена существующей конструкцией, основное внимание уделялось возможности адаптации вновь создаваемых систем жизнеобеспечения под изменяющиеся условия окружающей среды. Отверстия от демонтированных окон не стали учитывать при разработке нового проекта освещения.
Для снижения теплопоступлений от солнечной радиации процент остекления южного и западного фасадов был снижен. Восточный и северный фасады подверглись значительному изменению. Для максимального использования возможностей естественного освещения и вентиляции установлены автоматически открывающиеся окна с хорошими теплотехническими показателями. Помимо этого, применена система управляемых жалюзи.
Большие окна обеспечивают связь людей в помещениях с окружающим здание пространством. По периметру офиса возведена ограда из сетки с виноградной лозой. Это и зелёное насаждение, приятное глазу, и отличная защита от пыли, и естественное затенение пространства у здания. Круглый год сотрудники офиса используют внутренний дворик площадью 240 м2 как зону отдыха.
Автоматически открывающиеся окна: то, что было раздражителем, стало благом
Восточный и северный фасады оборудованы автоматически открывающимися окнами. Система работает в том случае, если условия наружного воздуха позволяют осуществлять естественную вентиляцию помещений. Окна открываются группами, что обеспечивает более точный контроль параметров воздуха в помещении при естественной вентиляции. Первое время некоторые сотрудники жаловались на шум от приводов. Позже они по достоинству оценили преимущества от открытого окна и стали воспринимать шум от привода как сигнал, что в ближайшее время смогут выполнять свою работу практически в условиях пикника на открытом воздухе.
Анализ показателей естественного освещения офисного пространства позволил определить количество и расположение световодов.
Поддерживать нормативные показатели освещения позволяют 82 устройства. В сочетании с новыми окнами они сокращают использование искусственного освещения на 80 % относительно базовой модели здания. В процессе эксплуатации оказалось, что включать лампы искусственного света вовсе не обязательно в большей части помещений, чего практически никогда и не делают.
Старые ограждающие конструкции покрыты дополнительным слоем теплоизоляции. На кровлю здания, помимо теплоизоляции, добавлено светоотражающее покрытие.
Первым шагом на пути к снижению негативного влияния от реконструкции стало решение сохранить бóльшую часть ограждающих конструкций старого здания. Кроме того, заказчик предложил максимально использовать мебель из своего старого офиса в новом проекте.
При выборе отделки помещений команда проекта отдала предпочтение материалам с низким воздействием на окружающую среду. Деревянные конструкции приобретены у поставщиков, сертифицированных Лесным попечительным советом (Forest Stewardship Council, FSC). Перегородки произведены из бамбука. Отделочные материалы либо вообще не выделяют ЛОС, или имеют низкие показатели выделения. Более 32% конструкций сделаны с использованием переработанных материалов. 12 % материалов поставили местные компании. Около 78 % демонтированных материалов отсортированы и отправлены на переработку для повторного использования.
Посредством CFD-моделирования (computational fluid dynamics) созданы крышный дефлектор с двухкамерной конструкцией и вертикальные фонтаны*, являющиеся одновременно эжекционной системой приточной вентиляции и системой прямого испарительного охлаждения.
* Вертикальный фонтан (passive cooling shower tower) представляет собой вертикальную трубу из полиэтилена высокого давления (ПВД), установленную по фасаду здания и имеющую отверстия, выходящие наружу и в помещение. В верхней части трубы размещён элемент, напоминающий большую душевую насадку, раздающую воду. Вода направляется вниз, создавая разрежение рядом с собой. За счёт этого в трубу эжектируется воздух с улицы (через наружное отверстие), который затем охлаждается раздающейся водой (прямое испарительное охлаждение) и поступает в помещения через отверстие. Возникает несколько вопросов к работе системы, в частности, как осуществляется обеззараживание воздуха. – Примеч. Ред.
Крышный дефлектор представляет собой конструкцию из оцинкованной стали длиной 26 м и высотой 4 м. Дефлектор внутри разделен на две зоны. За счёт солнечной радиации воздух во внешней зоне нагревается, устремляется вверх и выходит через отверстия в окружающее пространство, тем самым увеличивая производительность естественной вытяжки из помещения.
Вертикальные фонтаны состоят из четырёх пластиковых труб большого диаметра, расположенных на восточном фасаде здания. Вода в трубах раздаётся сверху через оросители. Раздача воды создаёт разрежение воздуха в трубе. Вместе с тем в трубе сделаны отверстия, через которые наружный воздух эжектируется в трубу и, охлаждаясь, поступает в помещения.
Крышный дефлектор и система приточной вентиляции через вертикальные фонтаны работают в паре.
Их работой управляет система автоматики, которая в свою очередь оперирует данными от датчиков контроля параметров воздуха, установленных в помещениях, и данными от мини-метеостанции, находящейся на крыше здания. Естественная приточная вентиляция может осуществляться через автоматически открываемые окна в периоды, благоприятные для проветривания помещений неподготовленным наружным воздухом.
Нагрузка линий, питающих розетки
Команда проекта приложила максимальные усилия, чтобы снизить потребление электроэнергии. В частности, все компьютеры в здании представляют собой ноутбуки с модулем быстрого подключения к монитору и периферийным устройствам (док-станции). Системные блоки, потребляющие огромное количество электроэнергии и выделяющие много теплоты, попросту запрещены собственником здания. Всё прочее офисное и бытовое оборудование выбрано с учётом показателей энергопотребления.
У главного входа расположен рубильник, с помощью которого отключаются все розетки, предназначенные для приборов, не требующих бесперебойного питания. Его опускает сотрудник, который последним покидает офис. Более того, компания DPR постоянно ведёт разъяснительную работу среди персонала о важности соблюдения мер экономии при пользовании освещением и электроприборами. Результатом внедрения подобных практик стало снижение электропотребления на 38 %.
Эти решения позволяют заменить собой систему кондиционирования воздуха мощностью 56 кВт и способны функционировать бóльшую часть года. Благодаря установке данных систем годовое потребление энергии системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха снижено на 24 %.
Энергетические характеристики
Годовое удельное потребление энергии – 85 кВт•ч/м2.
Годовое потребление первичной энергии – –28,5 кВт•ч/м2.
Годовая удельная стоимость потребляемой энергии – 0 долл. США/м2.
Годовое производство возобновляемой энергии (фотоэлектрические модули) – 93,5 кВт•ч/м2.
Чистое годовое удельное потребление энергии – 8,5 кВт•ч/м2.
Экономия относительно рекомендаций стандарта ASHRAE 90.1–2007 – 45,5 %.
Градусо-сутки отопительного периода – 923 °С•сут.
Градусо-сутки периода охлаждения – 4 626 °С•сут.
Среднее время эксплуатации помещений – 2 080 ч/год.
Компания DPR пропагандирует принципы устойчивого развития в том числе и внутри своего коллектива.
Исполнение этих принципов в здании, по сути находящемся в пустыне, снижает уровень собственного комфорта.
Сотрудники могут самостоятельно выбирать, какую температуру воздуха на их рабочем месте должна поддерживать климатическая система, но при этом должны соблюдать рекомендацию по повышению значения допустимой температуры, т. к. это способствует уменьшению энергопотребления.
Внутри установлены 13 потолочных вентиляторов диаметром лопастей 2,5 м. Они увеличивают перемешивание и подвижность воздуха в помещениях, что ведёт к изменению теплоощущений людей и, согласно утверждениям команды проекта, позволяет поменять интервал допустимых значений температуры с 22–24 °C на 20–28 °C с сохранением того же уровня теплового комфорта.
Опросы сотрудников в течение первого года эксплуатации и анализ энергопотребления системами ОВК доказали работоспособность этого решения.
Полезная информация
Все без исключения проекты могут значительно выиграть от установки системы мониторинга энергопотребления и проведения обучения и опросов сотрудников по теме экономии энергии. Офис компании DPR в Фениксе не стал исключением. После анализа данных о системах жизнеобеспечения, собранных за первый год эксплуатации, был разработан план действий (обучение для сотрудников и незначительная адаптация систем), благодаря которому удалось исключить пиковые нагрузки.
Грамотное использование естественного освещения может полностью исключить потребность в искусственном свете. Большая площадь остекления и применение в проекте световодов привели к тому, что сотрудники в первый год эксплуатации не включали электрические светильники, что зафиксировано системой мониторинга энергопотребления зданием.
Вопрос с пылью. Использование автоматически открывающихся окон и больших гаражных ворот, с одной стороны, способствует связи сотрудников с окружающим здание пространством, а с другой, становится причиной попадания в помещения большого количества пыли, что неизбежно в условиях пустыни. Выбирая между применением дополнительных фильтров, ограждений и прочих решений, снижающих поступление пыли, заказчик решил просто увеличить частоту уборки помещений, что менее энергозатратно и к тому же создаёт дополнительные рабочие места.
Низкотехнологичные решения – пресс-папье. Использование в проекте потолочных вентиляторов показало увеличение подвижности воздуха и снижение нагрузки на систему кондиционирования воздуха. Вместе с тем возникал и нежелательный эффект – бумаги на рабочем столе сотрудников часто разлетались. Решить проблему удалось благодаря снижению скорости вращения вентиляторов и закупке пресс-папье.
Удовлетворённость сотрудников климатом в помещениях. В первый год эксплуатации проводились опросы сотрудников о степени удовлетворённости качеством микроклимата в помещениях. Летом, при наружной температуре воздуха 34 °C, 71 % персонала ответил, что микроклимат в помещении их полностью устраивает, и они чувствуют себя комфортно. Зимой, при настройке системы автоматики на поддержание в помещении температуры 18,5 °C, сотрудники жаловались, что они мёрзнут. В результате система была перенастроена для поддержания зимой температуры в помещениях 20 °C.
Дестратификаторы в деле. После анализа данных системы мониторинга о нагрузках на систему воздушного отопления было принято решение использовать 13 вентиляторов с диаметром лопастей 2,5 м не только в летнее время, но и в зимнее в качестве дестратификаторов на малой скорости. Время показало, что решение было оправданным и нагрузку на систему отопления действительно удалось снизить.
Получив удачный опыт создания офиса с нулевым потреблением энергии в Сан-Диего, специалисты компании DPR отчётливо осознали необходимость снижения электрической нагрузки линий, питающих розетки. Практика показала значительное влияние этого показателя на конечное энергопотребление зданием.
Объём водопотребления
Годовое потребление воды:
Для нового офиса в Фениксе всё электрооборудование выбрано исходя из показателей его энергопотребления. Помимо этого, проектом предусмотрено принудительное отключение электропотребителей от сети.
У главного входа расположен рубильник, с помощью которого отключаются все розетки, предназначенные для приборов, не требующих бесперебойного питания. Сотрудникам показали, как подключать электроприборы в сеть, и проинструктировали, что человек, покидающий офис последним, обязан перевести рубильник в положение «выключено».
«Поиск компромисса в настройке температурного режима стал настоящим вызовом. У каждого сотрудника собственное ощущение теплового комфорта. Кто-то любит прохладу, а кому-то больше нравится быть в тепле. Но были и откровенные ошибки в настройке климатической системы. Например, в зимний период многие сотрудники стали надевать на работе шапки и перчатки. После этого нам пришлось перенастроить интервал допустимых температур в сторону сужения».
Из блога DPR Construction
Компьютерная модель теплового баланса здания, разработанная для проекта, учитывает множество факторов, влияющих на динамику микроклимата в помещении. Благодаря этому проектировщики подобрали оборудование, опираясь не на пиковые, а на расчётные нагрузки, максимально приближенные к реальным значениям в период эксплуатации. Такой подход помогает избежать создание систем с перерасходом.
Кровля:
Тип: существующие деревянные перекрытия были подвергнуты дополнительной теплоизоляции.
Приведённое сопротивление теплопередаче – 7,3 м2•°С/Вт.
Стены:
Тип: существующие стены с новым слоем теплоизоляции.
Приведённое сопротивление теплопередаче – 3,23 м2•°С/Вт.
Площадь остекления фасада:
• северного – 43 %;
• южного – 0 %;
• восточного – 38 %;
• западного – 0 %.
Окна:
Коэффициент теплопроводности:
• оконных конструкций – 0,15 Вт/(м2•К);
• стёкол – 0,28 Вт/(м2•К).
Коэффициент светопропускания – 53 %.
Местоположение:
• Широта – 33,42° с. ш.
По оценке американских специалистов, в большинстве зданий система отопления имеет запас в среднем в 25 %, а система кондиционирования воздуха – 15 %. При разработке энергетической модели здания установленная мощность оборудования систем жизнеобеспечения может быть снижена на 35 %.
Описанная выше система естественной вентиляции и кондиционирования воздуха не может полностью обеспечить комфортный микроклимат на протяжении всего года, поэтому команда проекта решила сохранить ранее установленные крышные системы ОВК.
Затем стала рассматриваться возможность замены существующих крышных систем на более современное оборудование. Был проведён анализ стоимости жизненного цикла, который показал, что любой из вариантов новых систем имеет срок окупаемости около 20 лет, что не соответствует принятой заказчиком в расчётах величины в восемь лет. Тем не менее, учитывая физическую изношенность существующего оборудования и ориентированность проекта на экологическую устойчивость, заказчик принял решение о замене старых систем. После нескольких месяцев эксплуатации энергоаудиторская проверка выявила превышение фактических показателей энергопотребления вновь установленным оборудованием на 45 % относительно расчётных. Но это не стало критичным для показателей полного энергопотребления здания благодаря внедрению в проект стратегий снижения энергопотребления.
После анализа ежедневных отчётов по энергопотреблению зданием заказчик провёл совещание с персоналом по плановым показателям энергопотребления и влиянии настроек температурного режима системы кондиционирования воздуха на эти показатели. Для возврата к расчётным значениям энергопотребления системой кондиционирования воздуха было также решено отключать крышные системы ОВК на ночь. При этом температура воздуха в помещениях не контролируется до самого утра.
В офисе открытой планировки установлены высокоэффективные компактные люминесцентные лампы и датчики освещённости. Во всех остальных помещениях смонтированы датчики присутствия. В совокупности с максимальным использованием дневного света и мотивацией персонала на выполнение плана по энергопотреблению эти проектные решения позволяют сократить фактическое потребление энергии системой искусственного освещения на 23 % относительно расчётных показателей. Все светильники вне помещений оборудованы светодиодными лампами. Они настроены на автоматическое отключение в нерабочее время. Проектом предусмотрен мониторинг энергопотребления системой искусственного освещения по помещениям и системам.
Вода является ценным ресурсом в Аризоне, поэтому несколько стратегий снижения водопотребления были подробно проработаны для оценки возможности окупаемости инвестиций за восьмилетний период. Оказалось, что большинство из них не соответствуют этому сроку. Возможности сбора и использования дождевой воды в данном регионе весьма ограничены.
В проекте установлено оборудование с низким расходом воды:
Владелец: DPR Construction.
Архитектура, ландшафтный дизайн: Smith Group JJR.
Инженерные системы: Bel-Aire Mechanical.
Моделирование энергопотребления: DNV KEMA ENERGY & Sustainability / Smith Group JJR.
Общестроительное проектирование: Paul Koehler Associates.
Консультант по экологической устойчивости: DNV KEMA Energy & Sustainability.
Применение такого оборудования, как показали расчёты, даёт возможность снизить водопотребление на 41 % относительно рекомендаций LEED v2009.
Система хозяйственно-питьевого водоснабжения оборудована фильтром для очистки от хлора.
Поскольку потребление горячей воды в офисном здании не велико, проектировщики легко подобрали компактную систему солнечного коллектора со сроком окупаемости менее восьми лет.
Ограда с виноградной лозой позволяет уменьшить подвижность воздуха на прилегающей территории.
В сочетании с эффективной системой автоматического капельного полива это решение должно снизить расход воды на полив прилегающих территорий на 75 % относительно базовой модели LEED v2009. Фактическое снижение в первый год эксплуатации составило 19 %. Конденсат от системы кондиционирования воздуха собирается и используется в системе вертикальных фонтанов, которая потребляет 36 л в год.
После разработки всех разделов проекта систем жизнеобеспечения инженеры начали расчёт и подбор солнечных фотоэлектрических модулей.
Детальный анализ показал, что для достижения нулевого потребления энергии из внешних сетей необходимо установить модули мощностью 79 кВт. Модули смонтированы на навесе открытой служебной парковки, под которым автомобили сотрудников защищены от солнечных лучей.
Строительные работы были завершены в октябре 2011 года. С этого момента собственник здания документирует ежедневное энергопотребление.
Результаты мониторинга выводятся на большой экран в офисе открытой планировки, и сотрудники могут наблюдать за значениями энергопотребления всеми системами здания в реальном времени.
Анализируя данные системы мониторинга энергопотребления, эксплуатирующая организация производит работы по донастройке и оптимизации систем жизнеобеспечения.
За первый год эксплуатации (2012 год) потребление энергии составило 129 589 кВт•ч, что на 6 % ниже проектного значения. Солнечные фотоэлектрические модули произвели 142 844 кВт•ч электроэнергии.
Водопотребление. Санитарно-технические устройства в туалетах и душевых с экономичным режимом расхода воды.
Вторичное использование материалов. Все демонтированные материалы были отправлены на вторичную переработку, так же как и 78 % строительного мусора.
Естественное освещение. Большие окна на северном и восточном фасадах (естественное затенение оградой с виноградной лозой), система световодов.
Индивидуальный контроль. Индивидуальные контроллеры температуры в офисном помещении, контроль производительности световодов.
Транспортная доступность. В 400 м от здания находится остановка трамвая. Собственник здания обеспечивает развозку сотрудников.
Основные экоустойчивые решения. Естественная вентиляция через открывающиеся окна и дверные проёмы, световоды, вертикальные фонтаны (прямое испарительное охлаждение).
В случае здания офиса DPR увеличение бюджета строительства относительно средних по рынку затрат составило всего 15 %, что в сочетании со сроком окупаемости в восемь лет полностью оправдывает ожидания заказчика. Решение о модернизации существующей в здании системы вентиляции увеличило расчётный срок окупаемости до 10 лет. Тем не менее фактические показатели энергомониторинга за два года эксплуатации свидетельствуют о том, что реальный срок окупаемости не на много превысит восемь лет.
Джей С. Робинc (Jay S. Robins) – аккредитованный специалист по LEED (AP BD + C), инженер-проектировщик систем отопления и вентиляции в региональном офисе Smith Group JJR в Фениксе (штат Аризона, США).
© ASHRAE. Перепечатано и переведено с разрешения журнала High Performing Buildings (весна, 2014).
Ознакомиться с этой и другими статьями на английском языке вы можете на сайте www.hpbmagazine.org.
Опыт компании DPR показывает, что заброшенное здание старой постройки можно превратить в экологически устойчивый офис с нулевым энергопотреблением. Применение CFD-моделирования и разработка компьютерной модели теплового баланса здания позволяют найти эффективные решения для систем жизнеобеспечения и избежать лишнего запаса в производительности систем при подборе оборудования.
Перевод и техническое редактирование выполнены Владимиром Устиновым. ●
СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:
Неувядающий оптимизм. Штаб-квартира фонда Билла и Мелинды Гейтс
Проектирование по принципу ВЫКЛ.
Ветрогенераторы на крыше здания
Энергодостаточность от природы
DEVAP – новая технология тепловлажностной обработки воздуха
ВЕБИНАР ПО ТЕМЕ:
