Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|Осень 2012|Воплощение инженерных идей
      

Воплощение инженерных идей

Юрий Андреевич Табунщиков

Высокие технологии – инженерная деятельность по созданию новых изделий и технологий, если она основана на сильных ноу-хау, на правилах сильного мышления. В отличие от энергоэффективных зданий, главная цель создания которых состоит в обеспечении экономии энергии на климатизацию, в зданиях высоких технологий приоритет отдается повышению качества микроклимата помещений и экологической безопасности при одновременном снижении энергопотребления.

Идея проектирования и строительства зданий высоких технологий появилась вместе с необходимостью выполнить требование мирового энергетического кризиса 1974 года: существенно снизить теплоэнергопотребление зданий без нарушения качества микроклимата помещений. Конечно, решить эту задачу на основе использования традиционного для того времени инженерного оборудования и общеизвестных технологий не представлялось возможным.

Основные характеристики здания высоких технологий

• Гармонизация формы здания и окружающей среды.
• Использование нетрадиционных источников энергии.
• Комбинированная система климатизации.
• Механическая и (или) естественная вентиляция (отсутствие или минимизация системы кондиционирования).
• Элементы биоклиматической архитектуры.
• Интеллектуализация здания.
• Естественное освещение.
• Использование ресурсосберегающих технологий и оборудования.

Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома под углом 47-60°, что соответствует наклону Солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии (район Виикки, Хельсинки, Финляндия)
Начался процесс накопления опыта строительства различных типов энергосберегающих зданий, который можно было охарактеризовать как процесс проб и ошибок. В мировом строительстве появилось большое количество зданий, микрорайонов и даже архитектурно-строительных зон, которые были запроектированы и построены на основе различных концепций энергетически эффективных и экологически чистых технологий.

Эти концепции определялись собственными наименованиями. Наибольшую известность получили следующие из них: энергоэффективное здание (energy efficient building), здание с низким энергопотреблением (low-energy building), здание с ультранизким энергопотреблением (ultralow-energy building), здание с нулевым использованием энергии (zero-energy building), пассивное здание (passive building), биоклиматическая архитектура (bioclimatic architecture), здоровое здание (healthy building), умный дом (smart building), интеллектуальное здание (intelligent building), экологически нейтральное здание (environmentally neutral building), устойчивое здание (sustainable building), продвинутое здание (advanced building). Здания высоких технологий являются неотъемлемой частью зеленого строительства.

При проектировании и строительстве таких зданий, как правило, были использованы:

  • компьютерное математическое моделирование здания как единой энергетической системы с последующим использованием разработанных моделей энергопотребления здания при его эксплуатации;
  • оригинальные и уникальные инженерные решения типа вентилируемых фасадов, совмещенных с системой воздухообмена здания;
  • решения в области энергоснабжения с использованием солнечной радиации, тепла верхних слоев Земли, энергии ветра и т. д.;
  • объемно-планировочные решения с максимальным использованием естественного света.

Об авторе

Юрий Андреевич Табунщиков – российский ученый, педагог, доктор технических наук, член-корреспондент РААСН, профессор, президент НП «АВОК», заведующий кафедрой МАрхИ.

Перечисленные выше технологии являются только частью современной мировой практики, и их принято называть высокими технологиями.

Содержание понятия «высокие технологии», безусловно, является относительным, т. к. со временем эти технологии будут отнесены к традиционным, не имеющим инновационного содержания. Так, например, управляющие электронные вычислительные машины в середине ХХ века являлись уникальными технологиями и занимали своими устройствами площадь, равную площади спортивного зала, а сегодня эти машины представляют собой по существу «карманные» устройства, обладающие несравненно более высокими возможностями.

По нашему мнению, среднее время, когда та или другая применяемая технология может представлять «высокую технологию» не превышает 20 лет. Если эффективность ее использования подтверждается временем, то эта высокая технология становится традиционной.

Рассмотрим некоторые примеры использования высоких технологий в современном строительстве.

Климат и архитектура

Оптимальный вариант архитектурной формы, ориентации и размеров здания может быть найден после решения следующей задачи: среди всех зданий заданного объема или заданной общей площади выбрать здание с такой архитектурной формой, размерами и ориентацией, что расход энергии на его отопление в холодный период и (или) на охлаждение в теплый период будет минимален при прочих равных условиях (степени остекления, тепло- и солнцезащите и т. д.).

Точное решение этой задачи впервые в мире на практике было получено Марианной Бродач и изложено в работах «Теплоэнергетическая оптимизация ориентации и размеров здания» (Научные труды НИИСФ. Тепловой режим и долговечность зданий. – М., 1987) и «Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий» (Табунщиков Ю. А., Бродач М. М.). В этих работах даны следующие принципы выбора формы и ориентации здания с учетом теплоэнергетического воздействия наружного климата. Известно, что интенсивность солнечной радиации, скорость и направление ветра, температура наружного воздуха изменяются в весьма широких пределах в зависимости от географического положения, рельефа местности и времени года. Воздействие солнечной радиации и ветра на здание есть теплоэнергетическое воздействие наружного климата. В зависимости от положения и ориентации наружной поверхности здания она подвергается различному теплоэнергетическому воздействию наружного климата.

Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на поверхность здания может оказывать положительное или отрицательное влияние на его тепловой баланс и, следовательно, теплоэнергетическую нагрузку на систему отопления и кондиционирования воздуха. Например, воздействие солнечной радиации на здание в холодное время снижает нагрузку на систему отопления. Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно оптимизировать за счет выбора при проектировании формы и ориентации здания.

Оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания может быть проведена для различных характерных расчетных периодов. Этими периодами могут быть, например, наиболее холодная пятидневка, отопительный период, самый жаркий месяц, период охлаждения, расчетный год.

В этом случае оптимальный учет теплоэнергетического воздействия наружного климата в тепловом балансе здания за счет выбора его формы и ориентации позволит снизить:

• для наиболее холодной пятидневки – установочную мощность системы отопления;
• для отопительного периода – затраты энергии на отопление;
• для самого жаркого месяца – установочную мощность системы кондиционирования воздуха;
• для периода охлаждения – затраты энергии на охлаждение здания;
• для расчетного года – затраты энергии на отопление и охлаждение здания.

В общем случае оптимальным образом учесть теплоэнергетическое воздействие наружного климата в тепловом балансе здания можно для любого характерного периода времени. Важно отметить следующее: изменение формы, размеров и ориентации здания с целью оптимального учета влияния наружного климата в его тепловом балансе не требует изменения площадей или объема здания – они сохраняются фиксированными.

Наиболее эффективное в тепловом отношении здание в большинстве случаев не будет реализовано из-за ограничений, вытекающих из конкретной строительной ситуации. Однако можно ввести коэффициент (показатель тепловой эффективности проектного решения), характеризующий отличие принятого к проектированию здания от здания, наиболее эффективного в тепловом отношении.

Показатель тепловой эффективности проектного решения позволяет ответить на вопрос, насколько энергетически удачно запроектировано здание. Если величина показателя тепловой эффективности существенно отличается от единицы, то проектируемое здание нуждается в корректировке в части оптимизации учета теплоэнергетического воздействия наружного климата.

Примером обоснованного выбора архитектурной формы и ориентации здания с учетом направленного воздействия солнечной радиации является здание Мэрии Лондона (Великобритания, архитектор сэр Норман Фостер), с учетом направленного воздействия ветра – стадион Sapporo Dome (Япония, архитектор Хироши Хара).

Энергия окружающей среды

Использование энергии окружающей среды способствует уменьшению затрат на энергоснабжение здания, а также уменьшает вредное воздействие на природу. Понятие «энергия окружающей среды» включает в себя солнечную радиацию, тепло окружающего воздуха, верхних слоев Земли, энергию ветра и т. д.

Для получения электрической энергии в зданиях, расположенных в Нью-Йорке, Condé Nast Building – Four Times Square (США, архитекторы Роберт Фокс и Брюс Фоул) и Twenty River Terrace (США, архитектурное бюро Cesar Pelli & Associates) используются, помимо городской энергосистемы, топливные элементы и фотоэлектрические панели.

На балконах одного из зданий района Виикки установлены фотоэлектрические панели, вырабатывающие электрическую энергию для каждой квартиры

Система тепло- и электроснабжения экспериментального жилого района Виикки, расположенного в пригороде Хельсинки, помимо подключения к городским сетям централизованного тепло- и электроснабжения, включает в себя крупнейшую в Финляндии установку по использованию солнечной энергии. Система солнечного теплоснабжения состоит из восьми установленных на зданиях солнечных коллекторов общей площадью 1 248 м2. Эти солнечные нагревательные системы обеспечивают централизованное теплоснабжение и в некоторых случаях производят также обогрев помещений при помощи систем подогрева пола. В жилом районе Виикки применяются солнечные комбинированные системы, системы пассивного использования солнечной радиации, параллельная работа систем солнечного обогрева и систем централизованного теплоснабжения, в солнечных коллекторах используются модули большой площади (площадь блока коллектора – 10 м2). Солнечные коллекторы встроены в конструкцию крыши жилого дома. Эти коллекторы установлены под углом 47–60°. Такие углы оптимальны, поскольку они соответствуют наклону Солнца осенью, зимой и весной, когда имеется наибольшая потребность в энергии.

Низкопотенциальное тепло Земли используют для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в холодное время года, для предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Тепло Земли используется в здании Main Tower во Франкфурте-на-Майне (Германия, архитектурная студия Schweger und Partner). В системе горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома, расположенного в Москве в микрорайоне Никулино-2, кроме тепла верхних слоев Земли используется также тепло удаляемого воздуха.

Комбинированная система климатизации

Комбинированная система климатизации сочетает в себе системы отопления, охлаждения и вентиляции, работающие совместно. Примером такой системы является интегрированная система, состоящая из системы воздушного отопления, совмещенного с механической вентиляцией, и охлаждающих или греющих перекрытий.

Энергопотребление здания с комбинированной системой климатизации на 70 % ниже энергопотребления здания, оборудованного традиционной системой кондиционирования воздуха.

Комбинированная система климатизации высотного здания Commerzbank во Франкфурте-на-Майне (Германия, архитектор сэр Норман Фостер) включает в себя систему механической вентиляции с утилизацией тепла удаляемого воздуха, охлаждающие теплоемкие перекрытия с замоноличенными трубопроводами, конвекторы для обогрева помещений офисов и обогреваемые металлические конструкции светопроемов ограждений атриума.

Для охлаждения воздуха в офисных помещениях Мэрии Лондона в теплое время используются охлаждающие потолки. Холодная вода циркулирует по пустотелым балкам в конструкциях потолка. Металлические части потолка охлаждаются и охлаждают воздух, который поступает в нижнюю часть помещения под действием гравитационных сил. Теплый воздух от находящихся в помещении людей, от компьютеров, принтеров, осветительных приборов и другого оборудования поднимается вверх, где остывает и вновь очень медленно опускается. Таким образом обеспечивается практически одинаковая температура воздуха по всей высоте помещения. В качестве источника холодоснабжения используются грунтовые воды с относительно низкой температурой, составляющей 12–14 °C. Преимуществом такой схемы является повышенный тепловой комфорт в обслуживаемом помещении: отсутствие сквозняков, низкая скорость воздушных потоков в помещении, равномерность температуры воздуха по высоте помещения. Кроме этого, такие системы отличаются бесшумностью, низкими эксплуатационными затратами, компактностью.

Механическая вентиляция

Сегодня основными строительными проблемами в мире являются плохая вентиляция и, как следствие, неблагоприятный микроклимат в помещениях. Требования энергосбережения и снижения инфильтрационных теплопотерь обусловили применение герметичных окон, которые нарушают основной принцип работы естественной вентиляции – воздух в квартиры проникает через неплотности оконных заполнений. Выходом из создавшейся ситуации являются устройство регулируемых приточных клапанов и использование механической вентиляции.

Использование системы механической вентиляции обеспечивает комфорт и качество микроклимата, повышает производительность труда на 20 % и существенно снижает риск заболеваний. Система механической вентиляции, в отличие от естественной, обеспечивает гарантированный воздухообмен в помещениях при любых погодных условиях. Повышенные энергозатраты, связанные с работой вентиляторов, могут быть компенсированы за счет утилизации тепла удаляемого воздуха (например, на подогрев приточного воздуха или на горячее водоснабжение посредством тепловых насосов).

Вентилируемый фасад и естественное освещение

Огромную роль в создании микроклимата играет естественная вентиляция, ставшая возможной в высотном здании Commerzbank благодаря специальной конструкции окон и использованию зимних садов – «зеленых легких» здания. В этом здании применяется комбинация естественной и механической вентиляции и не используется традиционная система кондиционирования воздуха. Все механические системы и окна управляются интеллектуальной системой, которая обеспечивает оптимальный режим работы вентиляции, отопления и охлаждения, а также позволяет сотрудникам индивидуально регулировать параметры микроклимата непосредственно в рабочей зоне.

Зимние сады в здании Commerzbank во Фанкфурте-на-Майне (Германия) обеспечивают визуальный комфорт и играют важную роль в создании микроклимата

В здании Мэрии Лондона использована концепция двухслойного вентилируемого фасада. Внутренняя оболочка фасада представляет собой стеклопакет, заполненный инертным газом. Наружная оболочка играет роль ветрозащитного экрана и снижает конвективный тепловой поток между поверхностью окна и наружным воздухом. Между этими двумя слоями имеется воздушный промежуток, а также размещены солнцезащитные устройства в виде штор-жалюзи. В нижней части внешнего слоя остекления сделаны отверстия (ниже вентиляционных щелевых отверстий). При естественном проветривании наружный воздух, прежде чем оказаться в здании, попадает в промежуток между слоями, где нагревается под воздействием солнечной радиации. Затем приточный воздух попадает в помещение через щелевое отверстие, расположенное в нижней части окна. Эти щелевые отверстия открываются вручную людьми, находящимися в данном помещении. Удаление воздуха происходит через щелевое отверстие в верхней части помещения. На наружном слое и в воздушном промежутке также происходит первоначальное ослабление солнечной радиации. Дальнейшее резкое уменьшение солнечной радиации происходит посредством солнцезащитных устройств.

Main Tower во Франкфурте-на-Майне (Германия) – одно из первых высот- ных зданий с низким энергопотреблением
В холодное время тепло удаляемого воздуха, включая бытовые теплопоступления (главным образом тепловыделения от компьютеров, офисной техники и осветительных приборов), а также его влагосодержание могут быть использованы для подогрева и увлажнения приточного воздуха. Для этого воздух, удаляемый из помещений здания Мэрии, собирается в вертикальном сборном вентиляционном канале, расположенном в центре здания, и пропускается через гигроскопические роторные рекуператоры, подогревая и увлажняя приточный воздух.

В теплое время охлажденный удаляемый воздух используется для предварительного охлаждения приточного воздуха. Комбинация устройств утилизации тепла (холода), использования грунтовых вод в качестве источника холодоснабжения, а также выбор формы, ориентации здания и солнцезащитных устройств позволили отказаться от каких-либо традиционных холодильных установок.

Большая площадь светопрозрачных наружных ограждающих конструкций позволяет использовать в помещениях здания преимущества естественного освещения – создание комфортной среды обитания людей и снижение затрат электрической энергии на искусственное освещение.
Форма здания Мэрии способствует увеличению естественного освещения в помещениях с северной стороны здания, а наклон ограждающих конструкций на южную сторону и использование элементов фасада в качестве солнцезащитных устройств позволяют минимизировать теплопоступления от солнечной радиации в теплое время и минимизируют воздействие прямого солнечного освещения, которое может вызвать дискомфорт. Кроме этого, в качестве солнцезащитных элементов использованы шторы-жалюзи, расположенные внутри двойного фасада здания.

Интеллектуализация здания

Процесс управления зданием требует вовлечения большого количества работников, которые следят за системами здания. В интеллектуальном здании
система управления самостоятельно контролирует множество параметров: телефонно-компьютерную сеть, доступ в помещения, антитеррористическую защиту, пожарную безопасность здания, системы отопления, кондиционирования воздуха и вентиляции, видеонаблюдения в целях безопасности, проведения видеоконференций.

Интеллектуальное здание представляет собой совокупность инженерно-технических решений и организационных мероприятий, направленных на создание высокоэффективной системы управления зданием, максимально отвечающей потребностям пользователей и владельцев. Один из основных компонентов интеллектуального здания – единая система управления, представляющая собой комплекс программно-аппаратных средств, основной задачей которого является обеспечение надежного и гарантированного управления всеми подсистемами здания при его эксплуатации. Система способна за счет анализа полной неразобщенной информации, получаемой от всех эксплуатируемых подсистем (например, пожарная сигнализация, система теленаблюдения, телефонная сеть, система климатизации и т. д.), принять правильное решение и выполнить соответствующее действие или проинформировать о событии соответствующую службу. Современные системы управления зданием не имеют ограничений на расширение и модернизацию и построены в соответствии с принципом открытой архитектуры, т. е. все компоненты системы, как программные, так и аппаратные, не привязаны к какому-либо одному производителю.

Каждая из подсистем интеллектуального здания работает в оптимальном (наилучшем) режиме за счет взаимного обмена данными с другими подсистемами здания, что в итоге позволяет добиться максимально эффективной работы как каждой из подсистем, так и всей системы в целом. Кроме этого, при создании системы управления можно уменьшить число ее компонентов, исключив дублирующие элементы.

Система автоматизации и управления зданием бизнес-центра компании British Airways в Хармондсворте (Великобритания) экономит до 24 млн долл. ежегодно за счет более эффективной работы всех подсистем комплекса и повышения производительности труда персонала
Интеллектуализация здания – это новый уровень удобства, безопасности и комфорта, разумное использование электроэнергии, уменьшение расходов на ремонт и эксплуатацию. Например, в бизнес-центре компании British Airways в Хармондсворте (Великобритания) использование объединенной системы управления освещением, вентиляцией, кондиционированием воздуха и контроля доступа позволяет сэкономить до 24 млн долл. ежегодно за счет более эффективной работы всех подсистем комплекса и повышения производительности труда персонала на 20 %.

Сотрудники центра могут работать из любой точки бизнес-центра, других офисов компании или даже из дома, при этом в любой точке комплекса есть возможность выхода в основную сеть. Через интранет-сеть бизнес-центра обеспечиваются доступ к информационной библиотеке, проведение видеоконференций и организация учебных курсов для персонала. Есть даже внутреннее телевещание. Телефонная сеть дает возможность создать голосовые и факсимильные почтовые ящики, доступ к которым возможен с любого телефона при вводе идентификационного номера. Перемещаясь по зданиям бизнес-центра, сотрудники могут поддерживать связь друг с другом при помощи сети беспроводной телефонной связи.

В бизнес-центре объединены системы управления освещением, вентиляцией и кондиционированием и система контроля доступа на базе протокола LonWorks. Использование общей коммуникационной шины делает возможным обмен информацией между различными управляющими системами, что позволит в будущем обеспечить полную интеграцию всех служб комплекса зданий.

Около 13 000 светильников регулируются примерно 800 восьмиканальными управляющими модулями, получающими информацию от 2 000 комбинированных датчиков движения и освещенности. Эти же датчики используются для управления системами кондиционирования воздуха и вентиляции. При появлении человека свет и вентиляция автоматически включаются, а через некоторое время после освобождения помещения – выключаются. В конференц-залах управление освещением и аудио- и видеооборудованием интегрировано.