Текущий выпуск
№3 2017
Главная|Журнал|№2 2016|Велодром в Лондоне – 2012.
      

Велодром в Лондоне – 2012.

Alan Harries, Gustavo Brunelli, Ioannis Rizos

Проектирование с использованием методов численного моделирования

Велодром, построенный для летних Олимпийских игр 2012 года в Лондоне, является одним из наиболее заметных сооружений Олимпийского парка. Здание ещё на стадии проектирования получило наивысший рейтинг экологического стандарта BREEAM «Превосходно».

В процессе проектирования велодрома применены самые современные подходы многофакторного численного моделирования: проведено моделирование потоков воздуха и полей температур, использованы модели дневного освещения и теплового состояния здания. Проектировщики проанализировали показатели принятых решений с учётом возможных вариантов и дали оценку энергетической эффективности.

Достижения при создании велодрома

Успеха в строительстве удалось достигнуть благодаря потрясающей архитектуре, новым технологиям проектирования и повышенным требованиям к проекту. Велодром удостоен нескольких призов, в частности, премии RIBA и награды за лучшее общественное здание в 2011 году от британской строительной индустрии.
После проведения Олимпийских игр сооружение на 6 000 зрительских мест было передано в управление Lee Valley Regional Park Authority.
Теперь здесь регулярно проводят различные велосоревнования местного, регионального и международного уровней.
Создание условий для достижения максимальных скоростей на велотреке – одна из главных целей при проектировании конструкций велодрома. Помимо сложной геометрии самого трека важно было создать особые условия для поддержания окружающей среды. Повышенная температура окружающей среды позволяет снизить плотность воздуха и тем самым уменьшить сопротивление воздуха, что, в свою очередь, положительно сказывается на скорости движения спортсменов. В тоже время, движение воздуха вдоль трассы должно было оставаться минимальным.
Важным фактором эффективности проекта является однородность освещения велодрома. В процессе проектирования необходимо было исключить образование резких теней на поверхности трека, что могло стать отвлекающим фактором для спортсменов и представлять определённую опасность. Статус международного велодрома подразумевает необходимость поддержания теплового комфорта зрительских мест и достаточной освещённости в момент проведения телетрансляций с высоким разрешением.

С самого начала проектирования понятие «устойчивый проект» было в центре внимания и при работе над архитектурной концепцией, и при создании инженерных сетей. В требования Олимпийского комитета (2007) Sustainable Development Strategy (SDS) включены, в частности, условия по сокращению выбросов СО2 на территории Олимпийского парка на 50 %, а также по уменьшению потребления питьевой воды на 40 % относительно базовых.

Этой цели соответствует сокращение выбросов углекислого газа для конкретного здания на 15 % в соответствии с Британскими строительными нормами в части L2A (Office of the Deputy Prime Minister, ODPM 2006) и целевые показатели выбросов (TER).

При проектировании была принята концепция работы велодрома в режиме естественной вентиляции в течение летних месяцев и в переходный период. Эта система должна была обеспечить хорошую циркуляцию воздуха в зоне для зрителей, и при этом соблюдать строгие критерии по подвижности воздуха на трассе для спортсменов.
В отличие от большинства существующих велодромов, в проекте для Олимпийских игр в Лондоне естественное освещение задействовано максимально. Эффективную схему с естественным освещением дополнили специальной системой искусственного освещения, яркость которой соответствует 2 000 Люкс, что необходимо для режима «событие» в момент проведения телевизионной трансляции соревнований. Значения, принятые для проектирования в режимах «событие» и «обычный день», отвечают требованиям «одна окружающая среда – различные требования» (табл. 1).

Следует отметить, что данные по условиям окружающей среды для закрытых велотреков на тот момент не были опубликованы.
Исходные данные для проектирования получены в результате общения с сотрудниками административно-хозяйственного обслуживания велодрома в Манчестере. Кроме того, учитывая отсутствие опубликованных данных для закрытых велотреков и тот факт, что правила проектирования для спортивных сооружений (Sport England 2003, Union Cycliste Internationale (UCI) 2007) не включали критериев для окружающей среды, проектной группе пришлось воспользоваться данными для закрытых спортивных арен общего назначения CIBSE (2005a, б; 2004; 2006). Конкретные критерии проектная группа согласовывала с Британской ассоциацией велосипедного спорта уже на этапе технико-экономического обоснования.
Некоторые сценарии работы систем для летнего и зимнего режимов приведены ниже (рис. 1).


Были рассмотрены следующие концепции сценариев работы:

  • Ночная продувка стадиона за счёт системы естественной вентиляции.
  • Система управления зданием контролирует моторизированные приводы систем вентиляции, различные клапаны.
  • Повышение теплоёмкости системы для покрытия требований при пиковых значениях в летние месяцы.
  • Теплоизоляция крыши здания (коэффициент теплопередачи 0,15 Вт/м2 • К).
  • Тщательная герметизация для достижения высокой плотности (5 м3/ч • м2 при давлении равном 50 Па).
  • Лампы и светильники с низким потреблением электроэнергии (66,7–104,4 Люкс/Вт). Интеллектуальная система управления освещением.
  • Повышенный уровень зонального контроля (вентиляция, отопление, охлаждение, освещение).
  • Максимальное использование рекуперации тепла в системах вентиляции с минимально возможной длиной воздуховодов (20 приточных установок вместо типично применяемой схемы из 2–4 шт.) для уменьшения потребляемой мощности вентиляторов.
  • Высокие стандарты при строительстве (постоянный контроль качества на стройке).
  • Множество установленных систем измерения и учёта энергии.

Важно отметить, что строительство велодрома завершено в рамках заложенного бюджета, что труднодостижимо, учитывая предъявляемые к проекту требования (Gibson 2011). Одна из причин успеха команды проектировщиков лондонского велодрома заключается в интеграции передовых методов моделирования в процесс проектирования.
Полученный опыт был проанализирован и обобщен по стадиям проектирования в следующих отчётах для Королевского института британских архитекторов (RIBA 2007):
• Технико-экономический этап (RIBA, этапы A/B) подготовлен в октябре и декабре 2007 года.
• Концепция (RIBA, стадия C) – в апреле 2008 года.
• Проект (RIBA, стадия D) – в сентябре 2008 года.
• Рабочий проект (RIBA, стадия Е) – в марте 2009 года.
• Строительная документация (RIBA, стадия F) – в июле 2009 года.

Моделирование воздушных потоков

Форма здания моделировалась с применением ноу-хау. Для демонстрации работы системы вентиляции использовали упрощённые модели течения наружного воздуха. Предполагалось, что подача наружного воздуха в спортивный центр будет происходить из нижней зоны, а удаление отработанного воздуха – из верхней.

Такое условие позволило усилить эффект естественной вентиляции за счёт разницы плотности воздуха/естественной конвекции. Вытяжные отверстия расположили на максимальной высоте для обеспечения достаточного перепада высот между притоком и вытяжкой. Конструкция вытяжных решёток обеспечивает защиту деревянного покрытия велотрека от проникновения дождевых осадков. С другой стороны, форма вытяжных решёток позволяет усиливать эффект от гравитационного давления при естественной вентиляции. Это было достигнуто с помощью зон с отрицательным давлением со стороны высоких концов велодрома. Форма здания в виде изогнутой чаши позволяет ветру ускоряться что, естественно, ведёт к появлению зон со сниженным давлением.
На рис. 2 представлен пример результатов моделирования внешних воздушных потоков, где показаны поля давления и направления потоков воздуха, цвета которых характеризуют значение скорости.
В рамках формирования архитектурной концепции и в результате учёта параметров окружающей среды была принята ориентация здания вдоль оси восток-запад по длинной оси велодрома, исходя из превалирования юго-западного ветра. Это обеспечивает наибольшие значения снижения давления для эффективной работы системы естественной вентиляции, усиливая поток воздуха в здании.
Далее были проведены испытания в аэродинамической трубе для определения нагрузок на конструкции здания.

Численное моделирование потока воздуха проводилось с использованием программного обеспечения CFX (ANSYS 2004), а для решения применялась двухпараметрическая модель турбулентности k‑ε, которая идеально подходит для данного случая. С помощью моделирования была определена наиболее рациональная форма здания. На рис. 3 показана эволюция профиля велодрома в процессе проектирования, где представлены внутренние температуры воздуха. Здесь продемонстрирован разрез по короткой оси на стадии технико-экономического обоснования велодрома при зимнем сценарии работы. Сценарий работы для зимы моделировался для минимизации энергии на системы отопления за счёт равномерного распределения температур (перемешивания воздуха) в пространстве здания (для того, чтобы в верхней части здания тёплый воздух не скапливался).

Минимизация энергии в зимний период особенно важна, учитывая, что трасса используется для велосоревнований в период с октября по апрель. Для событий международного уровня температура воздуха по трассе должна поддерживаться порядка 26 °C, в то время как температуры 22–24 °C создаются при тренировках. Это делается для того, чтобы плотность воздуха была как можно более низкой, чтобы обеспечить велосипедистам минимальное сопротивление воздуха, поскольку их целью является обеспечение рекордов. Моделирование зимнего режима работы показало важность снижения площади поверхности здания (для уменьшения теплопотерь) и объёма для снижения количества энергии, затрачиваемой для изменения режима нагрева здания.

При моделировании зимнего режима рассматривались различные режимы работы системы с локальным обогревом и влиянием изменения теплопроводности изоляции издания. Этот вариант был представлен в качестве альтернативы для снижения стоимости за счёт уменьшения теплоизоляции на больших поверхностях, покрывающих арену. Однако использование одного сценария для отопления с изоляцией и без неё показало, что энергозатраты на систему отопления отличаются в 18 раз. Моделирование продемонстрировало несостоятельность предлагаемой системы локального обогрева для отопления здания до заданных параметров. Это не только потребовало бы значительных дополнительных эксплуатационных расходов, но и более высоких затрат на оборудование и больших площадей для инженерных систем.
На стадии концепции после ряда итераций геометрии был выбран окончательный вариант профиля велодрома (рис. 3б). Команда проектировщиков использовала эти итерации для достижения высокой эффективности и высоких показателей экологического проектирования. 

Различные геометрии использовались для проверки эффективности работы системы естественной вентиляции. Моделирование проводилось для наихудшего случая, когда здание полностью заполнено (режим соревнований) в летний период года. Для проведения моделирования были приняты следующие условия.
• Наружная расчётная температура окружающего воздуха – 29 °C. Это расчётная температура летом в Лондоне по CIBSE, определяется как температура по сухому термометру с обеспеченностью 0,62, то есть температура превышается в течение года менее 55 часов.
• Максимальное заполнение велодрома в режиме «событие» – 6 000 человек (3 500 на нижней части, 2 124 на верхней части и 376 – на центральной части стадиона).
• Освещение в режиме «Событие» – 300 кВт (2 000 лк).
• Теплоизоляция принята лучше, чем нынешние минимальные требования части – см. стр. 13 (т.е. 0,25 Вт/м2•К), на крыше – 0,25 Вт/м2•К на стенах и 2,0 Вт/м2• К , – для элементов остекления).
• Вытяжные решётки расположены по обе стороны от здания и имеют площадь живого сечения 100 м2 (50 м2 с каждой стороны).

Температура воздуха для зрителей в идеале должна быть не более чем на 3 °C выше, чем температура наружного воздуха, в целях создания приемлемых условий комфорта – в соответствии с CIBSE (2005, a, б): общие рекомендации для комфорта в естественно проветриваемых помещениях. Это условие было выполнено для большинства сидячих мест для 12 расчётных направлений ветра, которые использовались при моделировании (в расчётах применялись коэффициенты давления, полученные из испытаний в аэродинамической трубе). Однако на некоторых местах из верхнего уровня стадиона при моделировании были получены более высокие температуры, чем допустимо. Для улучшения этих условий живое сечение вентиляционных решёток было увеличено до 120 м2, а высота расположения вытяжных решёток была увеличена путём перемещения их на концы здания, как показано на рис. 3в. Для моделирования внутреннего пространства с использованием методов численного моделирования (CFD) расчётная сетка содержала около 6 млн ячеек, а температура поверхности была получена из динамических тепловых моделей и модели турбулентности с пристенными функциями RNG (система с двумя уравнениями турбулентности (Yahkot, 1992) в соответствии с рекомендациями для моделирования внутренних воздушных потоков (Chen, 1995)).

Анализ вариантов для определения эффективных решений

При проектировании на стадии концепции были рассмотрены различные варианты расположения приточных решёток для естественной вентиляции, показанные на рис. 4 и 5, для оценки их эффективности (достижение соответствующих условий окружающей среды на арене в летний период). Хотя основной сезон эксплуатации велотрека происходит зимой, важно было проверить эффективность естественной вентиляции во время возможных летних событий, например в случае проведения Олимпийских игр. Для времени проведения гонок критерий скорости воздуха на трассе был принят не более 0,25 м/с. Авторы предложили значение, равное 0,25 м/с, после переговоров с Ассоциацией британского велоспорта и после исследований, опубликованных к требованиям по скорости воздуха для других видов спорта (The Sports Council, 1995). Все измерения для скорости движения воздуха на треке были взяты на высоте 1,5 м, чтобы имитировать положение корпусов велосипедистов на треке.
Серии из четырёх сценариев организации естественной вентиляции моделировались с различными значениями живых сечений решёток и их местоположений (рис. 4).


Во всех рассматриваемых сценариях вытяжные решётки располагались в верхней точке строения.
Вариант 1. Подача воздуха для естественной вентиляции:
• отверстия на цокольном этаже здания – 108 м2 (открываемые двери или эквивалент);
• верхний уровень здания – 414 м2 (свободная площадь).
Вариант 2. Подача воздуха для естественной вентиляции:
• отверстия на цокольном этаже здания – 108 м2 (открываемые двери, или эквивалент);
• свежий воздух через подземный туннель с сечением 10 м2.
Вариант 3. Подача воздуха для естественной вентиляции:
• отверстия на цокольном этаже здания – 48 м2 (открываемые двери, или эквивалент, только для прямых секций);
• подача воздуха под зоной верхних трибун – 74 м2.
Вариант 4. Подача воздуха для естественной вентиляции:
• подача воздуха под зоной верхних трибун – 74 м2;
• подача воздуха через отверстия на лестничных клетках – 47,5 м2.

Исходные варианты воздухозаборных решёток и варианты их расположения определены в результате обсуждений архитектора со специалистами. Естественная вентиляция использована на основании эстетических и архитектурных соображений, ряда ограничений, а также с учётом технико-экономических обоснований.

Расположение воздухозаборных и вытяжных отверстий также выбиралось на основании анализа. В результате было определено, что вариант 3 (рис. 5) наиболее удовлетворяет исходным требованиям (при условии слабого ветра), а также то, что отверстие вытяжки из верхней зоны должно составлять 120 м2 (живое сечение) и по крайней мере 120 м2 в нижней зоне. Это обеспечит колебания температуры окружающей среды в диапазоне от +1 до 2,5 °C от нормируемой в режиме «событие» (6 000 зрителей и 300 кВт освещения).
Данный вариант позволяет получить необходимые критерии комфорта и достичь минимальных значений скорости воздуха вдоль велотрека. В итоге система здания полностью интегрирована и оптимизирована с точки зрения конструкции, объёмов и функциональности. Выбранное решение объединяет техническое пространство здания (места размещения оборудования) и общее пространство: машинные помещения расположены под наклонной частью верхних трибун и между несущими колонами здания.

Функциональная интеграция позволила гармонично сосуществовать системам механической и естественной вентиляции, т. е. иметь общие воздухозаборные и вытяжные решётки. Машинные отделения совмещают функции естественной вентиляции, механической вентиляции и усиленной механической вентиляции (рис. 6).


Длина воздуховодов была принята минимально возможная, поэтому количество приточных установок больше, чем обычно принято, а расстояния от воздухозабора малы. Этот подход позволил значительно уменьшить мощность используемых вентиляторов. Концепция нуждалась ещё в проверке на эффективность работы в зимний период.

Для обеспечения необходимых условий смешения воздуха (в отличие от выровненного профиля течения воздуха) проектировщики предложили применить сопловые воздухораспределительные устройства. С расположением их вокруг основания верхней зрительской трибуны осуществлялась бы подача воздуха в центральную часть выше велотрека. Сопловые устройства расположены на грани монолитной конструкции здания и удачно вписываются в архитектурный облик. Моделирование демонстрирует течение воздушных струй и смешение объёмов воздуха (рис. 8).

Численное моделирование (CFD) естественной вентиляции показало, что предложенный вариант обеспечивает значение внутренней температуры воздуха не более чем на 3 °C, а температуры на треке не выше 1,5 °C от температуры наружного воздуха.
Как и следовало ожидать, область наивысшей температуры находится в верхней зоне трибун стадиона, особенно в наивысшей точке этой зоны. Была вероятность попадания посетителей в поток восходящего нагретого воздуха, что потребовало изменений проекта. Скорость воздуха на треке в ряде областей превысила 0,5 м/с в во всех рассмотренных вариантах, что оказалось выше принятой границы в 0,25 м/с.

3D-модель интеграции общего пространства и технических помещений


Далее были рассмотрены различные варианты расположения приточных решёток для того, чтобы уменьшить скорость воздуха вдоль трека без снижения теплового комфорта зрителей. Это включало в себя возможность размещения решёток на входах на арену. Однако использование входов на стадион для подачи воздуха увеличивало значения скоростей воздуха на велотреке. Наиболее эффективным вариантом в итоге оказалось расположение решёток на нижнем уровне (позади туалетных кабин, которые были сдвинуты дальше от наружного остекления для обеспечения более извилистого маршрута течения воздуха). Эффективно созданный обратный коридор позволил воздуху поступать на велодром на относительно низком уровне и не проходить напрямую через велотрек.

Поток воздуха при естественной вентиляции проходил через несколько разных типов архитектурных элементов, и для достижения требуемого живого сечения каналов необходимо было внести изменения в эти элементы. Такой гибкий подход к архитектурным решениям позволил создать эффективную естественную вентиляцию. Суть такого подхода показана с помощью графиков (рис. 8)
Наличие этих графиков позволило архитекторам более гибко подойти к определению пропорций площади сечения между заборными и подающими решётками.

В результате изменились конструкции монолитных элементов (замена L‑профиля на Т‑профиль несущих балок) для обеспечения достаточной несущей способности при добавлении дополнительных отверстий под сидениями на трибунах.
Элемент, который формировал часть вытяжной решётки, был опущен с линии потолка для увеличения потока воздуха. Деревянные конструкции с наружной стороны стали также компромиссом между архитектурным обликом и функциональностью.
Моделирование инфильтрации воздуха через входы в здание для зимнего периода продемонстрировало состоятельность принятого инженерного решения. Помимо численного моделирования потоков воздуха, разработана динамическая тепловая модель здания на основе вычислительного ядра EnergyPlus (US Department of Energy 2001) с использованием малого шага по времени (6 минут при обычном шаге в 1 час). Так были созданы воздушные завесы на входе в здание. Входные группы в здание с вертикальными воздушными завесами расположены в шахматном порядке.

Моделирование естественного освещения

Одним из ключевых элементов геометрии велодрома является большая крыша, которая должна покрыть 250 м велосипедного трека. При площади покрытия порядка 13 000 м2 существует множество способов использования естественного освещения для внутренних поверхностей велодрома. Проектировщики с самого начала подразумевали, что крыша велодрома является ключевым элементом экологической стратегии. Были изучены все способы проникновения дневного света на арену через специальные области крыши.

Чёткие критерии были установлены для проникания дневного света при средней освещённости объектов (от 300 до 2 000 лк), в зависимости от режима использования здания. Специалисты вместо использования высокого уровня освещения (2 000 лк) в режиме телетрансляции, даже при проведении международных мероприятий применяли освещение в 300 лк, и этого уровня оказалось вполне достаточно. Данные мероприятия позволили достигнуть наибольшей экономии энергии (более 90 % времени от всего количества часов, занятых для проведения игр в здании). Кроме того, требовалась высокая степень однородности освещения. Задача заключалась в том, чтобы обеспечить равномерное освещение не только на трассе, но и на всей внутренней площади в режиме повседневной эксплуатации. Этого достигли за счёт дополнительного искусственного освещения. Особое внимание обратили на предупреждение резких перепадов освещённости. Попадание прямых солнечных лучей с последующим образованием резких теней отвлекало бы велосипедистов, а на большой скорости это может привести к серьёзным авариям.
Для того чтобы дневной свет попадал в здание и при этом не образовывалось резких теней, использовали фонари с высокой степенью диффузии, которые увеличивают площадь освещения, по сравнению с фонарями с прозрачным остеклением.
При моделировании проектировщики приняли во внимание застекление диффузионными панелями с коэффициентом пропускания света 0,32. Рассеивающий элемент смоделирован, как полупрозрачный материал в программном обеспечении (Ward 2002) с зеркальными коэффициентами пропускания света 0,12.

Исследовались также механизмы фонарей и оптимизация их размеров и расположения. Изначально смоделировали 12 вариантов дизайна для того, чтобы проверить уровень освещённости и равномерности на трассе и окружающих участках. Варианты включали линейные и круглые фонари различных размеров, установленные не только на трассе, но и на всей территории прилегающих участков.
Проектная группа и архитекторы при оценке вариантов учитывали также эстетическую интеграцию и стоимость фонарей.
Различные механизмы уровня освещения смоделированы на трёхмерной сетке покрытия дорожки и прилегающего участка. Точки сетки были созданы с помощью программного обеспечения Ecotect и в дальнейшем экспортированы в Radiance для расчётов освещения. Моделирование проведено для пасмурного дня (6 500 лк).
Велодром предполагалось задействовать с понедельника по субботу с 8 утра до 19 вечера, в течение всего года (рис. 10).


Средний коэффициент дневного света рассчитали из результатов освещённости, полученных для условий облачной погоды. Эти расчёты произвели для того, чтобы экстраполировать результаты освещённости на весь год и вычислить количество часов, необходимых только на дневное освещение с уровнем освещённости 300 лк. Полученные результаты легли в основу выбора линейных фонарей, которые равномерно распределены вдоль крыши.

Важным фактором для выбора расположения фонарей стало требуемое количество остекления. Большие застеклённые участки оказывают влияние на несущую способность конструкции крыши, при этом увеличиваются теплопотери, что недопустимо в зимний период. Выбранный линейный вариант предоставляет хороший баланс между проникновением дневного света и площадью остеклённых областей.
Данный вариант оптимально подходит именно для этой конструкции кровли, и тем самым соблюдается общий архитектурный стиль проекта здания.
Конструкция фонарей определялась при помощи компьютерного моделирования. В результате полосы фонарей были сужены, при этом ориентировались на структуру кабельной сети кровли.
Уменьшение площади остекления улучшило общую теплоизоляцию. Проникновение дневного света хотя и снижается, но соответствует достаточному уровню естественного освещения (4 300 лк) в течение более 50 % рабочего времени (рис. 11).

Чтобы получить экономию энергии при дневном освещении, интеграция с искусственным освещением имеет первостепенное значение.
Схема искусственного освещения обеспечивает 2 000 лк по всей велотрассе и создаёт высокую чёткость телевещания. Кроме того, также достигаются уровни 300 лк, необходимые в дни без мероприятий, когда нет достаточного количества дневного света. Для максимального энергосбережения освещение автоматически регулируется в периоды, когда необходимо искусственное освещение.

Использование моделирования для снижения ошибки в архитектурных решениях

Требуемое отсутствие резких теней на треке означало, что необходимо обеспечить управление инсоляцией внутреннего пространства здания. Прозрачность была ключевой архитектурной особенностью зала, что делает невозможным использование диффузионного стекла. Должны быть подвижные солнечные устройства управления (жалюзи), которые могут быть развёрнуты только при необходимости, чтобы сохранялась возможность наблюдать вид из здания в любое время.
Первоначальные исследования затенения показали, что распределение солнечных лучей в цокольном этаже ограничено, несмотря на большую площадь остекления и геометрию велодрома. Здания, расположенные на юге и востоке от велодрома, обеспечивали некоторую защиту от солнца. Необходимо было свести к минимуму любые препятствия в цокольном этаже. Анализ проводился с целью установления точного времени, когда нужна защита трассы от солнечных лучей, и определения местоположения жалюзи (рис. 12).

Моделирование энергоэффективности

В рамках экологических задач по развитию устойчивой стратегии (SDS) и в соответствии с показателями потребления энергии, заложенными в план развития Олимпийского парка, были проведены мероприятия по сокращению уровня СО2 на 50 % на территории всего Олимпийского парка (по сравнению со стандартами 2006 года). Это предполагалось достигнуть следующими мероприятиями:
•создать условия на 15 % лучше, чем указано в Building Regulations Part L 2006 (Building CO2 Emission Rate – BER);
• задействовать систему центрального энергоснабжения (тепло и холод) для дополнительного снижения выбросов на 20 %;
• использовать возобновляемые источники энергии, что обеспечит сокращение выбросов на 20 %.

ODA разработали специальную методику расчёта, пользоваться которой могут все проектные группы. Для расчёта энергии использовалась процедура проверки с учётом эмпирических критериев, все они основаны на работе во время Игр 2012 года в Лондоне. Следует отметить, что ODA применяет терминологию «соответствие», «прогнозирование» и «проверка». Три основные методики расчёта приведены ниже.

Соответствие. Расчёт выбросов углерода, как предусмотрено в Национальном методе расчёта («Строительные нормы – 2006») для демонстрации устойчивого снижения выбросов CO2 на 15 % по сравнению с целевым уровнем выбросов. Расчёты соответствия не учитывают содержание углерода в зоне централизованного теплоснабжения и электрических сетей, а также любых локально установленных возобновляемых источников энергии.

Прогнозирование. Расчёт среднечасового энергопотребления велодрома с использованием энергетического моделирования. Этот тип расчёта отражает более реалистичную эксплуатацию здания, который не полагается на профили, установленные в NCM (национальный метод расчёта) и используется в расчёте части L. Результаты этих расчётов были использованы ODA для оценки общей потребности в энергии всего Олимпийского парка, и чтобы продемонстрировать снижение содержания углерода.

Проверка. Расчёты с использованием сравнения имеют самые лучшие показатели потребления энергии с учётом различных особенных областей/функций здания.

Учитывая большие расхождения, результаты сравнения были использованы для проверки прогнозирования.
Расчёты изначально проводились на стадии проектирования и повторялись в деталях конструкции с целью учёта каких-либо изменений при проектировании Велодрома. Поэтому выбор эффектов дизайна и решения были приняты в рамках процесса интерактивного дизайна. Кроме того, проведённый энергетический анализ позволил ODA произвести дальнейшую оценку и установить стандарты общие для олимпийского парка в целом, поскольку экологические показатели велодрома, как отдельного здания, являются большим вкладом в программу снижения воздействия на окружающую среду всего Олимпийского парка.

Оценка экономической эффективности

Учитывая уровень сложности строительства велодрома Лондона в 2012 году, проектировщики создали несколько динамичных тепловых моделей на основе TAS (Природоохранное проектирование – 2010).
Вычисления были хорошим способом для обеспечения общей сравнительной оценки выполнения строительства (которое могло быть сравнено с другими зданиями в Олимпийском парке). Расчёт не учитывал экономию энергии за счёт инфраструктуры Олимпийского парка. Таким образом, был получен хороший показатель производительности строительного материала и строительных услуг по сравнению с типичной стройкой.
Разработка общей энергетической стратегии для строительства велась по принципу минимизации, которая опирается главным образом на оптимизацию форм здания. Таким образом, улучшение, достигнутое среди моделей (часть L, 2006 г.), оказалось хорошим показателем общей потенциальной эффективности комплексного проектирования. Предположительные расчёты энергии требуют глубокого понимания ожидаемого использования здания. Они также требуют включения энергопотребляющих элементов, не включённых в вычисления части L (например, лифты) и их профили энергопотребления. На олимпийском велодроме планируется проведение телевещания национальных и международных событий, поэтому следовало учесть большое количество аудио-, видеооборудования (AV). Такой большой объём энергопотребления не был включён в результаты окончательной оценки, хотя на него приходится около 40 % от всего предполагаемого уровня энергопотребления.
Следует отметить, что потребление энергии AV-оборудованием будет зависеть от количества событий, их размещения и оборудования, используемого во время телевещания.

Велодром в Лондоне нельзя причислять к стандартным спортивным сооружениям, так как в процессе разработки команда проектировщиков столкнулась с многочисленными проблемами. Числовые значения для сравнительного анализа были извлечены из руководства CIBSE (раздел F) за 2004 год. Однако такие критерии не учитывают конкретные экологические условия, требуемые для велодрома, особенно главной арены, как крупнейшего по площади здания с большим потреблением энергии.
Позднее были запрошены сравнительные расчёты других велодромов. Однако эти данные пришлось скорректировать для того, чтобы учесть местный климат и условия эксплуатации, учитывая, что езда на велосипеде по треку является популярным видом спорта в Великобритании. При сравнении двух закрытых велодромов Великобритании велодром в Ньюпорте будет уступать по функциональности велодрому Лондона–2012.
Ближайший пример, который мог бы соответствовать данным, был велодром Манчестера, который принимал игры Содружества в 2002 году. Несмотря на то что велодром Манчестера имеет меньшую вместительность (примерно 3 000 зрителей) и не предназначен для Олимпийских игр, потребление энергии там было использовано для проверки прогнозируемой производительности.
Результаты о потреблении энергии в результате выполнения моделей и прогнозирования изображены на диаграммах (рис. 12).

Результаты расчётов прогнозирования, как и ожидалось, показывают превышение потребления энергии, чем модель «выполнение». Это связано с определёнными особенностями использования конкретного здания, а также с включением других потребителей энергии, которые не предусмотрены в национальном методе расчёта.
Счета за электричество, полученные велодромом Манчестера, показали, что среднее потребление электроэнергии – 136 Квт/м2.
Это на 86 Квт/м2 меньше, чем прогнозируемое потребление электроэнергии велопарком в Лондоне (222 Квт/м2). Однако эта разница вполне оправданна, поскольку AV/IT-структура по расчётам составила почти 100 КВт/м2. Это отличается от Манчестера, где для дополнительной инфраструктуры прикреплены мобильные генераторы, что не оказывает существенного влияния на оплату электроэнергии здания. Кроме того, мощность установленного освещения на велодроме Манчестера обеспечивает только 1 400 лк, в отличие от 2 000 лк, предусмотренных для велодрома в Лондоне во время крупных мероприятий. В результате энергетического прогноза выяснили, что значительная часть AV/IT-инфраструктур, установленных на Играх в Лондоне в 2012 году, будет демонтирована после проведения игр. Вся инфраструктура, как и в Манчестере, будет передана крупным международным предприятиям.

Прогнозированное потребление тепловой энергии для велодрома (рис. 13) – 58 КВт/м2, что значительно ниже потребления объёмов газа велодромом Манчестера (150 КВт/м2). Это отражает повышение качества материалов изоляции и высокую степень рекуперации тепла на велодроме Лондона. Минимизация потребления воды привела также к снижению спроса на горячую воду.
В целом прогнозируемые выбросы – 63 кг – СО22 велодрома в Лондоне почти на 30 % ниже, чем выбросы велодрома в Манчестере 86 кг – СО22. Кроме того, учитывая эффективность энергетических сетей Олимпийского парка, выбросы можно уменьшить до 41 кг СО22 (что составляет меньше половины выбросов в Манчестере). Используя вычисления для сравнительной оценки против обычного здания, относительный процент улучшений может быть оценён (рис. 14).

По сравнению с индивидуальными показателями, установленными SDS Overall, рассчитанными на стадии Е, сокращение выбросов углерода составляет 35 %, благодаря материалам здания. Это отражает преимущества комплексного проектирования, анализа и моделирования. Было прогнозировано добиться снижения общего объёма выбросов углерода на 55 % за счёт энергетической сети Олимпийского парка.

 Деревянные конструкции велодрома с наружной стороны

Выводы

В данной статье представлены результаты моделирование воздушного потока (CFD), динамическое энергомоделирование и моделирование энергоосвещённости, осуществлённые в ходе проектирования велодрома Лондона–2012. В процессе проектирования изложены проектные решения, явившиеся прямым или косвенным результатом моделирования.

Проектная команда сосредоточилась на уменьшении затрат энергии за счёт различных пассивных мероприятий. Исследования воздушного потока дали обратную связь относительно оптимальной формы, ориентации и расположения отверстия естественной вентиляции. Для поддержания желательных условий внутренней среды на треке, внутреннем объёме и зрительных зонах были проведены эффективные исследования течений воздуха. Летом в режиме естественной вентиляции температура воздуха в зрительном зале не должна превышать определённых критериев (3 °C выше температуры наружного воздуха) с целью создания требуемых условий комфорта. В зимний, отопительный, сезон были продемонстрированы необходимые условия обеспечения отопления велодрома. Была достигнута скорость воздуха, соответствующая критерию не более 0,25 м/сек.

Были проведены исследования моделирования дневного света, чтобы получить равномерное освещение. Эти исследования показали, что можно использовать дневной свет более чем в 40 % часов в году. Дальнейшие исследования показали, что с улучшением элементов управления, количество часов в году может достигать 50 %, что приведёт к снижению потребления электроэнергии на 30 %.
Динамическое энергомоделирование потоков позволило определить уровень ночного проветривания и уровень теплоизоляции кровли, что необходимо для поддержания параметров внутренней среды в режиме зимнего отопления.
Запланированное потребление тепловой энергии для велодрома – 58 КВт/м2, что значительно ниже, чем у велодрома в Манчестере (потребление газа – 150 КВт/м2). Это отражает увеличение качества материалов для изоляции и высокую степень рекуперации теплоты, используемой на велодроме в Лондоне. В связи с максимальным использованием дневного света прогнозировалось уменьшение выбросов парниковых газов до 41 кг СО22 (в Манчестере – 87 кг СО22). Снижение выбросов углекислого газа на 35 % связано с эффективными системами проектирования, а также с тем, что при строительстве применены экологичные материалы.

Согласованная работа команды проектировщиков привела к комплексному проектированию, использованию передовых систем моделирования и реализации экологическихт и функциональных целей. В процессе моделирования были применены: система эксплуатации зданий (СЭЗ), независимые измерения температуры, скорости воздуха, направления ветра, дневного света и долгосрочные данные использования энергии.

Перевод и техническое редактирование выполнены Евгением Криницким.

 


 

 * CIBSE – Chartered Institution of Building Services Engineers – Лицензированный Институт инженеров коммунального хозяйства.