Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|Весна 2015|Архитектурная форма, изменяющая энергопотребление
      

Архитектурная форма, изменяющая энергопотребление

Charles Q. Chaloeicheep, P.E.; Christopher Flint Chatto, Edward

Штаб-квартира Общества американских военных инженеров (USACE) в Сиэтле по форме напоминает меандр* и символизирует реку, вечно изменяющую своё русло. До переезда в новое здание, штаб-квартира располагалась в складском помещении 1930 года постройки.

Высокие бетонные стены, малая площадь остекления, замкнутые пространства – всё это мало способствовало повышению производительности труда и негативно сказывалось на моральном состоянии служащих. Объёмно-планировочные решения нового здания разработаны так, чтобы способствовать интеркоммуникациям между персоналом. Большое количество переговорных, зон для неформального общения, широкие лестничные пролёты, атриум, залитый дневным светом, и прекрасный вид на реку Дувамиш – всё это позволило создать один из лучших офисных центров в США.


* Меандр – плавный изгиб русла реки. Меандри́рование – тип русловых процессов, схема деформаций в виде последовательных стадий извилистости речного русла. Прим. ред. 


ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Наименование: Федеральный центр South Building 1202.

Расположение: Сиэтл (США).

Владелец: U. S. General Services Administration.

Основное назначение: Многофункциональный офисный центр Общества американских военных инженеров.

Типы помещений: офисные помещения, серверные, тренажёрный зал.

Количество сотрудников – 530 человек.

Проектная вместимость – 736 человек.

Заполняемость помещений – 72 %.

Общая площадь – 19 420 м2.

Кондиционируемая площадь – 17 520 м2.

Награды и достижения:

• 2014 – GSA Design Awards;

• 2013 – AIA COTE «Зелёные проекты Топ‑10» (Top 10 Green Projects);

• 2013 – Национальная премия в области проектирования и строительства Американского строительного института;

• 2013 – Премии за выдающийся проект.

Стоимость проекта – 72 млн долл США. Стоимость квадратного метра – 3 700 долл. США.

Завершение основных строительных работ: 2012 год.

Атриум находится в центре здания и предоставляет доступ ко всем помещениям общего назначения, включая переговорные комнаты, библиотеку, столовую и места для неформального общения, создавая атмосферу взаимодействия и чувства общности.

Концепция проекта

Проект стоимостью в 72 млн долл. США стал первым опытом применения заказчиком (GSA) контракта с «согласованным энергопотреблением». Особенностью этого типа контракта является удержание с подрядчика гарантийной суммы, до момента подтверждения приборами энергоучёта соответствия годового энергопотребления проектному (согласованному до заключения контракта). Сейчас использование подобных контрактов становится трендом в строительной отрасли США. Результат оправдал ожидания – по уровню энергопотребления здание является одним из лучших офисных проектов, реализованных за последние годы.

Кабинет в том крыле здания, где фасад имеет наклон, и из конференц-зала открывается вид на реку Дувамиш

В разгар кризиса 2009 года проект был привлекателен для генподрядчиков с точки зрения надёжности заказчика, особого порядка финансирования (значительный аванс) и сжатых сроков строительства.

ОБЪЁМ ВОДОПОТРЕБЛЕНИЯ

Годовое потребление воды – 756 000 л.

Полив территорий – 5,7 млн л.

Градирня – 8,3 млн л.

Территория комплекса поглощает 99 % годовых осадков. Дождевая вода с кровли здания поступает в систему сбора и очистки с ёмкостью 100 000 л.

Но в то же время тендер на проектирование и строительство предусматривал подачу предложения, включающего концептуальный проект здания с рассчитанными показателями годового энергопотребления, что требовало значительных трудовых затрат со стороны потенциальных участников. Помимо этого, заказчик выдвинул требования о сертификации здания по системе LEED на оценку GOLD и использовании при строительстве и отделке помещений материалов из демонтируемого складского здания, находящегося на территории застройки.

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ

Удельное годовое потребление энергии – 104 кВт•ч/м2 (81 кВт•ч/м2 – после перенастройки систем).

Природный газ – 10 кВт•ч/м2.

Электроснабжение от городской сети – 94 кВт•ч/м2.

Годовое потребление первичной энергии – 328 кВт•ч/м2.

Удельная стоимость потребляемой энергии – 70 долл США/м2.

Экономия относительно рекомендаций стандарта ASHRAE 90.1–2007 – 33 %.

Годовой углеродный след – 300 кг CO2 на 1 м2.

Электроэнергия, приобретаемая по зелёным сертификатам – 71 %.

Градусо-сутки отопительного периода (по базе 18,33 °C) – 4,280.

Градусо-сутки периода охлаждения (по базе 18,33 °C) – 279.

Среднее время эксплуатации помещений за год – 2 070 ч.

Энергопотребление здания, согласно техническому заданию, должно было быть минимум на 30 % ниже базового уровня стандарта 90.1–2007 ASHRAE. Гарантийное удержание до момента подтверждения уровня энергопотребления составляло 0,5 % от общей суммы контракта. В результате, в тендере приняли участие всего три генподрядные компании.

На графическом панно представлена информация о местных водных ресурсах, что иллюстрирует связь здания с местностью, в которой оно находится. Четыре зоны здания названы в честь притоков, которые образовали бассейн реки: Белая, Зелёная, Чёрная и Кедровая река

Концептуальный проект

Архитектурная форма и энергопотребление. На разработку концептуального проекта и подачу детального тендерного предложения отводилось всего три месяца.

При существующих ограничениях по бюджету строительства и энергопотреблению здания, разработка такого предложения была довольно сложной задачей. Дополнительной сложностью стало требование заказчика обеспечить персоналу и посетителям красивый вид на реку Дувамиш, которая находится к западу от здания, а при существующих ограничениях на энергопотребление создание панорамного остекления западного фасада было крайне нежелательно с точки зрения тепло-притоков от солнечной радиации.

Здание облицовано пластинами из нержавеющей стали, которые отражают свет. Вертикальные и горизонтальные солнцезащитные элементы придают фасаду здания выразительность и текстуру

Концепт победителя создавался следующим образом. Изначально команда проекта исходила из необходимости максимально использовать возможности естественного освещения и из требований заказчика к этажности и площади помещений – офисных открытого типа, кабинетов, переговорных и т. п. Опираясь на эти требования, была разработана архитектурная форма здания, напоминающая букву «П» с шириной этажа около 18 м от внешнего до внутреннего фасада.

После этого, было проведено энергомоделирование, которое показало идеальную ориентацию каждого «крыла» относительно сторон света.

В результате чего и была определена финальная форма здания с ориентацией фасадов на юг, восток, северо-запад и центральным атриумом во «внутреннем пространстве» ориентированным на запад.

Атриум. Атриум является своеобразным социальным «ядром» проекта. Здесь располагаются помещения столовой, переговорные и помещения общего назначения.

Такое решение позволило уменьшить количество переговорных комнат, которые изначально планировались в каждом из 19 департаментов Общества военных инженеров, и одновременно с этим расширить возможности для общения между сотрудниками разных департаментов, создавая чувство общности и нацеленности всех сотрудников на единый результат.

При строительстве и отделке помещений в зоне атриума использовались деревянные панели, колонны и балки, демонтированные из старого здания склада, находящегося на строительной площадке. Всего около 200 000 деревянных элементов было демонтировано, восстановлено и использовано в новом проекте. Для усиления несущих способностей деревянных колонн, количество которых было ограниченно, конструкторы разработали специальные узлы крепления с перекрытием – использовались металлические болты и пластины.

Для вентиляции и кондиционирования переговорных используются VAV-боксы (переменный расход воздуха). Контроль расхода и температуры приточного воздуха осуществляется по датчикам температуры и СО2.

Система лестниц и мостиков объединяет пространство атриума с офисными помещениями по периметру здания. Деревянная отделка, выполненная из материалов прежнего здания склада, является доминантой общего пространства

Вытяжной воздух из всех офисных помещений удаляется через атриум, где он собирается, поднимается вверх под стеклянное перекрытие и попадает в перекрёстно-точные теплообменники (с эффективностью 70 %) приточно-вытяжных установок, обслуживающих здание.

Стеклянное перекрытие позволяет эффективно использовать естественное освещение для помещений атриума и офисных помещений, выходящих окнами на зону атриума.

В целом зона атриума с естественным освещением, озеленением, большими открытыми пространствами и отличным видом на реку является не только социальным, но и своеобразным биорекреационным «сердцем» проекта.

Офисные помещения. Вывод переговорных и прочих помещений общего назначения в центральную часть здания позволил избежать создания лишних перегородок и, как следствие, максимально эффективно использовать возможности естественного освещения для офисных помещений.

В проекте применены конструктивные решения с применением диагональных несущих балок. Основные элементы каркаса здания – бетон и металл. Подобное решение не является самым дешёвым, но позволяет увеличить тепловую массу здания и возможности аккумуляции тепла несущими конструкциями, а предпроектные проработки показали, что инвестиции в увеличение тепловой массы для данного проекта выгоднее, чем инвестиции в инженерное оборудование.

В системе фальшпола проложены электротехнические и санитарно-технические коммуникации, включая систему вентиляции. Раздача воздуха осуществляется через напольные распределители. Для охлаждения воздуха применены пассивные климатические балки, установленные под потолком. В условиях умеренного климата Сиэтла применение высокотемпературной системы охлаждения позволяет значительно сократить энергопотребление и использовать возобновляемые источники энергии.

Для снижения теплопритоков от солнечной радиации по фасаду здания установлены вертикальные и горизонтальные внешние неподвижные жалюзи. Размер и положение жалюзи рассчитывались с помощью компьютерного моделирования. Применение жалюзи позволило снизить расчётное количество пассивных климатических балок в помещении.

Несмотря на использование для остекления тройного стеклопакета теплопотери не удалось полностью компенсировать внутренними теплопритоками, поэтому для обогрева помещений предусмотрена водяная система отопления.

Естественное освещение

Географическое расположение Сиэтла (Северо-Запад США) и близость

Тихого океана значительно ограничивают возможности использования естественного освещения – для большинства дней в году характерна сильная облачность, но в то же время, бывают и дни с абсолютно чистым небом. Такая ситуация, особенно летом, когда большое количество солнечного света означает и резкое увеличение теплопритоков, потребовала тщательных расчётов и внедрения специальных решений.

Вертикальный размер окон по периметру здания был увеличен до максимально возможного. Одновременно с этим, по периметру здания установлены вертикальные и горизонтальные внешние неподвижные жалюзи для снижения теплопритоков. Для контроля бликов внутри помещений установлены венецианские жалюзи, которые настраиваются сотрудниками в зависимости от погодных условий.

Для максимального проникновения дневного света вглубь помещений разработаны специальные требования и правила устройства внутренних перегородок и расстановки крупногабаритной мебели (перпендикулярно фасаду).

Часть света поступает в офисные помещения через зону атриума. Стеклянное перекрытие атриума выполнено на 66 % из фриттированного стекла. Участки с фритт-остеклением определялись расчётом. Тем не менее, впоследствии стало понятно, что фритт остекления не достаточно для контроля теплопритоков и бликов в яркие солнечные дни, и под перекрытие были добавлены специальные роликовые шторки.

Такое решение позволило сотрудникам офисов, окна которых выходят на атриум, держать жалюзи открытыми.

Для искусственного освещения используются высокоэффективные люминесцентные лампы. Управление искусственным освещением осуществляется зонально, по датчикам освещённости, по датчикам присутствия и центральной системой автоматизации здания.

КЛЮЧЕВЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТА

Водопотребление. Санитарно-технические устройства с экономичным расходом воды. Система сбора, очистки и использования дождевой воды используется для подпитки градирни, полива территорий и смыва воды в туалетах.

Вторичное использование материалов. Около 200 000 досок были демонтированы и восстановлены после сноса старого склада на площадке строительства. Сталь, используемая при строительстве, производилась из утилизированного сырья.

Естественное освещение. 61 % помещений имеют естественное освещение.

Система автоматизации. Индивидуальный контроль освещения на рабочих местах. Датчики присутствия, датчики освещённости, BMS.

Стратегия снижения углеродного следа. Высокоэффективная система отопления, вентиляции и кондиционирования. Использование при строительстве и отделке материалов восстановленных после демонтажа складского здания.

Прочее. Использование в проекте аккумулятора тепловой энергии на базе PCM – материалов изменяющих агрегатное состояние.

Энергоснабжение здания

Использование водяной системы отопления и пассивных климатических балок, также работающих на воде, позволило внедрить в проект энергоснабжения PCM (Phase Changing Materials – материалы, изменяющие агрегатное состояние) аккумулятор тепловой энергии, вертикальный грунтовый теплообменник и чиллер с рекуперацией теплоты, работающие вместе в едином цикле.

Грунтовый теплообменник из полиэтиленовых труб интегрирован в сваи, на которых стоит здание. Всего использовано 135 свай, уходящих на глубину 48 м.

PCM-аккумулятор тепловой энергии – это огромный резервуар цилиндрической формы, заполненный специальным соляным раствором.

 ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ

Кровля:

Модифицированное битумно-асфальтовое покрытие, полимерная изоляция, металлическая основа.
Приведённое сопротивление теплопередаче – 3,22 м2•°C/Вт.
Стены:
Тип: металлический профиль.
Приведённое сопротивление теплопередаче – 2,2 м2•°C/Вт.
Фундамент:
Монолитная плита на сваях.
Окна:
Остекление – 62 %.
Коэффициент теплопроводности стёкол:
оконные конструкции – 0,33 Вт/(м2•К);
стёкла – 0,31 Вт/(м2•К).
Коэффициент светопропускания – 62 %.
Ориентация оси здания:• Широта – 47,6°.

Изменение агрегатного состояния раствора происходит при температуре 12, 8 °C. Принцип действия аккумулятора тепловой энергии во многом аналогичен принципу действия грунтового теплообменника, но имеет суточный, а не сезонный цикл. Аккумулятор разработан специально для данного проекта и учитывает специфику Сиэтла – потребность в отоплении помещений утром и в охлаждении днём.

При запуске и пусконаладке обнаружилось, что производительность PCM-аккумулятора тепловой энергии ниже, чем заявлено производителем. Но, это не оказало серьёзного влияния на проект, поскольку изменив настройки системы автоматики и перенастроив работу грунтового теплообменника, инженерам удалось выйти на проектные показатели работы энергосистемы.

ВПЕРВЫЕ ИСПОЛЬЗОВАНО В ПРОЕКТЕ

Проект является одним из первых в регионе, где структурные сваи совмещены с грунтовым теплообменником и использован PCM-аккумулятор тепловой энергии.
Два уникальных продукта: пассивные климатические балки и световоды для открытых офисных пространств были разработаны и изготовлены специально для этого проекта. Для оптимизации повторного использования деревянных конструкций, демонтированных из старого склада на площадке строительства, команда разработала, протестировала и построила первую систему композитных перекрытий (бетон/дерево) в США.

PCM-аккумулятор, грунтовый теплообменник и чиллер с рекуперацией теплоты покрывают 90 % потребности здания в отоплении и практически 100 % потребности в охлаждении. Оставшаяся часть тепловой энергии вырабатывается традиционной котельной. Чиллер может работать как в режиме рекуперации теплоты, так и в обычном режиме.

Водоснабжение и водоотведение

Территория комплекса (1,6 га) была подвергнута значительной переработке. Благодаря озеленению, созданию водных объектов и частично заболоченных территорий команде проекта удалось избежать необходимости сброса дождевой воды с территории в городскую систему канализации (и без того перегруженную и довольно дорогую). Зелёные насаждения снижают потребность в ирригации и создают естественную природную среду вдоль русла реки Дувамиш, что способствует восстановлению экосистемы тихоокеанского побережья Северной Америки.

В самом здании для снижения водопотребления используются санитарно-технические устройства с низким потреблением воды и система сбора дождевой воды. Собранная и очищенная дождевая вода используется для смыва в туалетах, полива территории и подпитки системы охлаждения. Резервуар сбора дождевой воды, благодаря которому здание экономит около 1 514 165 л воды в год, открыт для обозрения сотрудников и посетителей здания через стеклянную стену в атриуме. В атриуме создан ручей, через который во время дождя начинает циркулировать собранная и очищенная вода, что позволяет обеспечить уникальную связь посетителей с окружающим здание пространством.

Мониторинг энергопотребления

Мониторинг энергопотребления и качества микроклимата начался менее чем через три месяца с момента запуска здания в эксплуатацию. В мониторинге участвовали проектировщики, строители, команда, осуществлявшая запуск и пусконаладку, и служба эксплуатации здания. Опираясь на проект и на фактические данные по потреблению энергии, специалисты перенастроили систему вентиляции и кондиционирования, добавили роликовые шторы в атриум и разработали рекомендации по системе электроснабжения (принудительное отключение компьютеров в офисной части в ночное время и т. п.) для службы эксплуатации. За первый год команде проекта удалось значительно оптимизировать энергопотребление – в первый квартал после запуска показатели были на 10 % выше, а в четвёртом квартале на 12 % ниже проектных.

Перенастройка системы позволила значительно улучшить показатели микроклимата помещений и сэкономить 40 000 долл. США в год на энергопотреблении.

Подтверждение соответствия фактического энергопотребления проектным значениям позволило генеральному подрядчику получить гарантийное удержание – около 400 000 долл. США.

Возобновляемые источники энергии

При проектировании и моделировании энергопотребления команда проекта рассматривала вариант применения солнечного коллектора и фотоэлектрических модулей на крыше здания. Но согласно расчётам оказалось, что экономически это невыгодно и будет слишком долго окупаться. Тем не менее на крыше здания предусмотрено место для установки гелиосистем, если в последующем их применение окажется целесообразным.

Западный край здания, залитый полуденным солнцем. Эта часть здания используется как зона для неформального общения и собраний

Выводы

Важнейшей особенностью данного проекта является применение контракта с «согласованным энергопотреблением». Именно применение такой формы отношений, как Заказчик – Генеральный подрядчик, и особый порядок проведения тендера на проектирование и строительство позволили создать красивое и функциональное здание с низким уровнем потребления энергии. Сейчас применение подобных контрактов становится трендом. Важную роль в реализации таких проектов играет качественное проектирование с применением компьютерного моделирования и особое внимание к пусконаладке и мониторингу потребления энергии.

Перевод с английского и техническое редактирование выполнены Владимиром Устиновым.

Ручей в камне, по форме напоминающий Зелёную реку, является символом и центром штаб-квартиры военных инженеров США. По камню течёт дождевая вода, которая собирается на крыше здания


ОБ АВТОРАХ

CharlesQ. Chaloeicheep (Чарльз К. Чейлоайчип) – PE., LEED AP BD+C, сотрудник WSP Built Ecology (Сан-Франциско, США).

Christopher Flint Chatto (КристоферФлинтЧатто) – AIA, LEED BD+C, директор ZGF Architects (Портленд, штат Орегона, США).

Edward Clark (Эдвард Кларк) – сотрудник ZGF Architects (Сиэтл, 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.


 СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:

Международная школа UWC в Дилижане. Сертификация по BREEAM

 ARCUS III: опыт сертификации по BREEAM

 Прямое испарительное охлаждение в офисе. Возрождение в Фениксе

Неувядающий оптимизм. Штаб-квартира фонда Билла и Мелинды Гейтс

Зелёный «Бриллиант» Малайзии

Проектирование по принципу ВЫКЛ.

Ветрогенераторы на крыше здания


ЭнергоэффективностьЭнергосбережениеКлиматизацияЗеленые стандартыЗелёное строительство,