Текущий выпуск
№3 2016
Главная|Журнал|Осень 2012|Покорение климата
      

Покорение климата

Брюс Кувабара, Томас Ауэр, Том Акерстрим, Глен Клим и др.

Энергоэффективное офисное здание Корпорации Manitoba Hydro использует энергию солнца и ветра.

Архитектура представляет собой наглядное отражение цивилизации. Архитекторы должны создавать здания, которые делают мир лучше, а не обедняют его. Здание, способное самостоятельно мыслить и дышать, не только выполняет свою функцию для общества, но и является его активным членом.

Брюс Кувабара

Корпорация Manitoba Hydro (единственная энергетическая компания в канадской провинции Манитоба) начала в 2002 году строительство нового энергоэффективного здания для своей штаб-квартиры. Проектная группа решила воспользоваться особенностями резко континентального климата города Виннипега (провинция Манитоба) и использовать энергию солнца и ветра, доля которых в тепловом балансе зданий может достигать значительных величин.

По проекту предполагалось построить здание, которое занимало бы целый квартал (64 100 м2) и способствовало возрождению центральной части города. Энергопотребление здания должно было быть на 60 % ниже требуемого по Государственному энергетическому кодексу Канады по строительству зданий (MNECB). При этом основной задачей строительства было создание здоровой и благоприятной рабочей обстановки для почти 2000 сотрудников компании.

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Наименование: Manitoba Hydro Place.
Расположение: Виннипег (Канада).
Владелец: компания Manitoba Hydro.
Основное назначение: штаб-квартира компании.
Типы помещений: офисные, переговорные, конференц-залы.
Количество сотрудников – 2 000.
Общая площадь – 76 500 м2.
Площадь кондиционируемых помещений – 64 590 м2.

Награды:

  • 2009 – Совет по высотным зданиям и городской среде обитания: «Лучшее высотное здание (Северная и Южная Америка)».
  • 2010 – сайт ArchDaily: «Лучшее офисное здание».
  • 2010 – Королевский архитектурный институт Канады: награда за градостроительство.
  • 2010 – Американский институт архитекторов: награда Комитета по окружающей среде (COTE).
  • 2010 – награда инженеров Канады.

Общая стоимость – 283 млн канадских долл.
Стоимость квадратного фута – 400 канадских долл.
Завершение основных строитель- ных работ: осень 2009 года.

 

Вначале климатические особенности воспринимались как препятствие для снижения энергопотребления. В течение года перепады температур составляют до 70 °C, от –35 °C зимой до +35 °C летом. Вместе с тем в Виннипеге годовая интенсивность солнечной радиации больше, чем в большинстве крупных канадских городов, и преобладают сильные южные ветры. В итоге было найдено решение, позволяющие, используя особенности климата, снизить энергопотребление и создать комфортную обстановку на рабочих местах.

Положение о проекте

Компания Manitoba Hydro осуществляла разработку проекта, проектирование и сдачу объекта с соблюдением формального комплексного проектирования зданий – правил проектирования, принятых в Канаде. Первый этап – разработка положения о проекте, в котором разъясняются его цели. Перед принятием важных решений все участники проекта должны сверяться с этим документом. В положении о проекте Manitoba Hydro было сформулировано шесть основных целей:

  1. Создать благоприятную рабочую среду для персонала компании Manitoba Hydro.
  2. Разработать энергоэффективный проект; энергопотребление должно быть на 60 % ниже требуемого по кодексу MNECB.
  3. Разработать проект, который получил бы «Золотой» сертификат системы «Руководство по энергетическому и экологическому проектированию» (LEED).
  4. Создать уникальный архитектурный объект, в котором помещения различного назначения не были бы обособлены, а представляли собой единую функциональную среду.
  5. Градостроение: добиться высокой степени интеграции в городскую среду и возродить центральную часть города.
  6. Разработать рентабельный проект здания, который бы обладал существенными достоинствами с точки зрения комфорта, эксплуатации и обслуживания.

Мозговой штурм

Мозговой штурм при разработке проекта – важный этап комплексного проектирования, способствующий нахождению оптимальных решений. Первоначально было разработано 15 вариантов макета здания, и три из них были отобраны для подробного изучения и анализа, а также оценки влияния наружного климата, естественного освещения и экологических факторов при помощи вычислительной гидродинамики, аэродинамики и математического моделирования энергопотребления здания.

В атриумы с северной стороны башни поступает воздух, удаляемый с ближайших этажей. Заслонки на воздухозаборных отверстиях трубы используются для нейтрализации тяги по всей высоте башни. Вытяжная секция помещения является также комнатой отдыха для сотрудников компании

Разработанный в результате проект соответствовал всем нормативным требованиям и позволял воплотить инновационные решения. Например, при выборе архитектурной формы и ориентации здания башня была развернута таким образом, чтобы многоуровневые атриумы выходили на юг, что позволило использовать теплоэнергетическое воздействие солнечной радиации зимой и энергию ветра.

В галерею могут заходить все желающие. Она соединяет улицы всего квартала и является пешеходным пассажем. Кроме этого, здесь размещаются фермерские рынки и проходят благотворительные мероприятия

Башня играет роль пассивного солнечного коллектора. Выходящие на восток и запад офисные пространства имеют расширение в южную сторону. Они отделены от зимних садов, которые способствуют улавливанию солнечной энергии. Пространства объединяются в северном торце башни, что снижает влияние ориентации на север и сокращает теплопотери.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Годовое удельное энергопотребление (на объекте) – 92,3 кВт·ч/м2.

Удельный расход природного газа – 21,4 кВт·ч/м2.

Электроэнергия – 70,9 кВт·ч/м2.

Годовая первичная энергия – 259,2 кВт·ч/м2.

Годовой показатель эффективности энергетических затрат (ECI) – 5,38 канадских долл./м2.

Уменьшение энергопотребления в соответствии с требованиями кодекса MNECB – 60 %.

Уменьшение энергопотребления в соответствии с требованиями стандарта ASHRAE 90.1–2007 «Проектирование зданий» – около 52 %.

Градусо-сутки отопительного периода – 10 260 °С·сут (при 18,3 °С).

Градусо-сутки периода охлаждения – 326 °С·сут (при 18,3°С).


 

Объем водопотребления

Годовое водопотребление – 10 070 000 л.

Двойные фасады

В здании применяется сплошное остекление. Остекление меньшей площади не позволило бы обеспечить максимальное естественное освещение и красивый вид – важные свойства помещения, способствующие созданию благоприятной атмосферы.

Двухслойный фасад состоит из наружного слоя с двойным остеклением и внутреннего слоя с одинарным остеклением

Удивительно, но в условиях резко континентального климата в Виннипеге стеклянная башня оказалась крайне удачным решением. При очень низких температурах обычно стоит ясная погода, и здание получает достаточно солнечной энергии. Снижение потребности в отоплении вызвано в первую очередь конструкцией двойного фасада.

На «живой» крыше нижней части здания растут спороболус и зубровка душистая. По мере необходимости растения поливают дождевой водой и конденсатом от работы фэнкойлов

Двойной фасад – самый яркий пример ответственного экологического подхода, и он способствует энергетической эффективности всего здания Manitoba Hydro Place. Двойные фасады с западной, восточной и южной (в которой расположен зимний сад) сторон здания позволяют поддерживать прекрасную освещенность и хороший обзор, а также обеспечить высокую энергетическую эффективность.

Восточный и западный фасады функционируют в трех основных режимах.

Зимой фасад герметично закрыт и играет роль солнечного коллектора. Без использования активного отопления температура в пространстве между фасадами достигает 20 °C, даже если температура воздуха на улице ниже –25 °C. Это существенно понижает потери тепла через оболочку здания.

Расположение башни под углом позволило разбить с южной стороны парк необычной формы. Теперь это популярная в Виннипеге зеленая зона. Сквер и магазины, расположенные на первом этаже здания, оживляют атмосферу квартала

 

Летом окна наружного фасада (с двойным остеклением) открываются. Циркуляция воздуха в пространстве двойного фасада обеспечивается и за счет воздействия ветра и конвективных воздушных потоков. Автоматизированные солнцезащитные навесы, встроенные в ниши двойного фасада, защищают от прямого солнечного излучения. Таким образом фасад способствует снижению тепловой нагрузки.

Благодаря притоку солнечной энергии воздух между двумя слоями фасадов быстро прогревается, особенно зимой. В течение недели, когда температура воздуха на улице составляла около –25 °С (зеленый график), окружающий здание фасад прогревался до 20 °С (синий график) в солнечную погоду (красный график)

В переходный период наружный фасад открывается автоматически в зависимости от температуры, влажности, скорости воздуха и освещенности внутри помещения и на улице. Внутренние окна сотрудники открывают самостоятельно. Это яркий пример ответственного экологического подхода, внедряемого в здании Manitoba Hydro Place.

«Легкие» здания

Три многоуровневых зимних сада на шести этажах представляют собой большие некондиционируемые объемы. Подобное решение не характерно для традиционных герметично изолированных офисных зданий Северной Америки. Сады – «легкие» здания. Ежедневно на протяжении всего года они обеспечивают 100 % свежего воздуха.

Зимние сады являются частью системы вентиляции здания и обеспечивают высокое качество внутреннего воздуха с минимальными энергозатратами. Свежий воздух и естественное дневное освещение создают идеальную атмосферу для проведения совещаний и спортивных занятий, которые регулярно проходят здесь в обеденный перерыв

Зимой фэнкойлы подают в зимний сад воздух с улицы, нагретый до 5 °C. Двойной фасад, ориентированный на юг (площадью более 400 м 2), позволяет догревать помещение до комфортной температуры за счет солнечной радиации.

Увлажнение воздуха обеспечивает искусственный водопад высотой 24 м, изготовленный из майларовых нитей. Они увеличивают рабочую поверхность испарения и повышают влажность воздуха. Для более интенсивного увлажнения вода нагревается до 32 °C.

Поступающий в помещения вентиляционный воздух обрабатывается при прохождении через «легкие» здания – зимние сады, общая высота которых составляет 24 м. Для регулирования температурного режима в помещениях используются тепло солнечной радиации и солнцезащитные устройства. Влажность воздуха поддерживается искусственным водопадом. Общая высота зимних садов позволяет подавать свежий воздух на все этажи здания за счет естественной циркуляции

Летом фэнкойлы зимнего сада отключаются, и приточный воздух поступает в здание через регулируемые воздухозаборные устройства. Автоматически управляемые жалюзи позволяют контролировать теплопоступления от солнечной энергии. Для осушения воздуха температура воды опускается до 10 °C. На протяжении всего года приточный воздух распределяется по всему объему здания за счет естественной циркуляции, а затем отводится через воздухозаборные устройства в фальшполу на каждом из шести этажей с зимним садом.

Для эффективного и рационального распределения приточного воздуха используется принцип вытесняющей вентиляции. Приточный воздух направляется из южной части здания в северную через пространство в фальшполу вдоль офисных помещений. Этот воздух (температура которого чуть ниже температуры помещений) поступает в офисы из вентиляционных отверстий, расположенных на уровне пола. В результате гравитационного напора и подогрева воздуха в солнечном коллекторе (так называемая солнечная вытяжка) удаляемый воздух поступает в северную часть здания. Летом и в переходный период через «солнечную вытяжку» воздух удаляется без применения механических устройств. В зимнее время года удаляемый воздух используется для вентиляции парковки. При этом используется рекуперация тепла удаляемого воздуха.

Тепловой комфорт

Отопление и охлаждение помещений осуществляются большей частью посредством панельно-лучистых систем. В бетонных конструкциях замоноличено более 290 000 м полимерных труб. Для поддержания комфортных условий температура в помещениях варьируется в пределах 20–23 °C. Кроме этого, захолаживание или нагрев массивного монолитного здания сокращает перепады температуры в рабочие часы и позволяет отключать системы отопления и охлаждения вечером и в выходные дни.

Элементы пассивных систем сочетаются с эффективной системой теплоснабжения, в которую входят тепловой насос, использующий теплоту грунта, рекуператор тепла удаляемого воздуха, а также конденсационные котлы. Это позволяет снизить годовое энергопотребление до 28 кВт•ч/м 2. Указанная цифра существенно ниже, чем стандартная годовая тепловая нагрузка в 250 кВт•ч/м2 для Виннипега, для которого число градусо-суток отопительного периода обычно превышает 10 000 (при 18,3 °C).

Естественное освещение

Узкие помещения (11,5 м в ширину) с высотой потолков 3 м и открытой планировкой позволили обеспечить естественное освещение практически во всех зонах присутствия людей. Элементы двойного фасада направляют солнечный свет под нужным углом, а специальное стекло обеспечивает прекрасный обзор. Для дополнения естественного освещения в здании установлены осветительные приборы высокой производительности, включающиеся по встроенному датчику освещенности.

Встроенные датчики дневного света сокращают использование искусственного освещения в офисах. Даже в пасмурную погоду с минимальным притоком солнечного света использование электроэнергии (красный график) будет резко падать с наступлением светового дня (синий график)

Для зон общего пользования предусмотрено программируемое индивидуальное освещение, которое регулируется датчиками дневного света. На текущий момент потребление электроэнергии осветительными приборами на 44 % ниже, чем указано в требованиях кодекса MNECB.

Система автоматизации и диспетчеризации здания

Система автоматизации и диспетчеризации здания использует данные о наружных климатических параметрах (температуры, солнечной радиации, скорости и направления ветра, интенсивности осадков) для оптимизации работы инженерных систем с целью повышения комфорта и энергоэффективности.

На объекте расположены две метеостанции, которые собирают климатические данные и используют их для вычисления оптимальных режимов работы инженерного оборудования (открывающихся окон, угла солнцезащитных устройств, температуры теплоносителя в панельно-лучистых системах и т. д.).

Инженерные процессы непрерывно оптимизируются для обеспечения комфорта и экономии энергии. К примеру, когда было отмечено, что в центре города в течение суток наблюдаются сильные перепады температуры, для здания разработали программу ночного проветривания.

Система автоматизации и диспетчеризации используется в том числе для проверки и оптимизации расчетного энергопотребления, а также для подробного анализа режимов работы инженерных систем в здании. Несколько сотен датчиков обеспечивают мониторинг освещения, электрических нагрузок, температуры воды, режимов работы насосов и вентиляторов и прочих параметров (всего более 25000 устройств).


Практический опыт

Звукоизоляция офисных помещений

Здание Manitoba Hydro Place демонстрирует, что энергоэффективность может сочетаться с комфортным микроклиматом в помещении. К примеру, фасад с двойным остеклением, с одной стороны, является важной составляющей энергетической концепции здания, с другой – обеспечивает естественное освещение, дает возможность любоваться видом города и самостоятельно регулировать естественную вентиляцию.

Акустика в помещениях со стеклянными фасадами большой площади и открытыми бетонными потолками отличается от привычной, характерной для традиционных офисов с подвесными потолками. В связи с этим возник вопрос о конфиденциальности разговоров. Проблему решили следующим образом.

Под фальшполом была предусмотрена звукоизолирующая система, которая доказала свою эффективность: белый шум, генерируемый устройством, походит на шум от системы кондиционирования и тем самым создает определенный фон для разговоров сотрудников. Помимо этого на каждом этаже были выделены звукоизолированные переговорные. В целом персонал успешно адаптировался к работе в менее шумной обстановке.

Ввод в эксплуатацию

При вводе в эксплуатацию здания, функционирование инженерных систем которого связано с погодными условиями, возникли необычные проблемы. Ведь системы здания по-разному работают в зависимости от времени года. В связи с этим некоторые строительные процедуры в здании могли проходить проверку только раз в году, в достаточно короткий временной промежуток.

Для ввода всей системы в эксплуатацию потребовался целый год.

Самой сложной для ввода оказалась система освещения. Выяснилось, что изящная и функционально продуманная система, призванная быть энерго­экономичной, единственная из всех инженерных систем не предоставляла в режиме реального времени информацию о собственной работе. Эти данные используются для устранения проблем и оптимизации рабочих процессов.

Разработчики предполагают, что последующие поколения интегрируемых систем освещения будут включать в себя систему обратного отклика от датчиков освещенности, встраиваемых в каждый элемент конструкции, предоставлять в реальном времени данные по энергопотреблению и пр.

Двойной фасад в условиях холодного климата

Здание Manitoba Hydro Place стало одним из первых примеров крупномасштабного внедрения двойного фасада в условиях холодного климата. В Северной Америке к этой технологии относятся с большой долей скептицизма. До начала строительства двойной фасад для Manitoba Hydro Place тщательно изучался с использованием вычислительной гидродинамики; было создано несколько макетов и множество математических моделей энергопотребления. Данный анализ позволил доказать ряд уникальных отличительных особенностей фасада. И в первую очередь одинарное остекление с внутренней стороны, которое позволило реализовать ряд других идей. Была разработана специальная конструкция для защиты от обледенения стекол в зимнее время. Для защиты от теплового воздействия солнечной радиации в летний период на одинарное внутреннее стекло было нанесено специальное покрытие.

Этап оптимизации

Компания Manitoba Hydro непрерывно изучает и оптимизирует работу Manitoba Hydro Place. С начала строительства и до завершения сдачи в эксплуатацию параметры систем регулярно обновлялись. Среди наиболее значимых отклонений от изначального проекта можно назвать следующие:

  • Регулирование влажности наружного воздуха в системе естественной вентиляции только при необходимости.
  • Модификацию геотермальных насосов для регулирования скорости в зависимости от температуры в обратном трубопроводе (а не по показаниям давления).
  • Оптимизацию зонирования при использовании панельно-лучистых систем в зависимости от поступления солнечной радиации с северной и южной сторон здания.
  • Применение низкотемпературного нагрева воды насосом, использующим теплоту грунта, взамен высокотемпературной системы с конденсационными котлами в переходный период.

Забота о сотрудниках

Первоочередная цель строительства Manitoba Hydro Place – создание благоприятной рабочей среды для сотрудников. Возможность индивидуального управления и естественное освещение были важными факторами для обеспечения комфорта.

Все сотрудники Manitoba Hydro Place могут любоваться видом из окна и работать в условиях естественного освещения в течение 80 % стандартного рабочего дня. Персонал может регулировать положение наружных солнцезащитных устройств, освещенность рабочих мест, а также открывать окна.

Нельзя забывать и об очень высоком качестве воздуха в помещении. На каждом этаже в нескольких точках установлены датчики содержания углекислого газа, и его содержание в рабочие часы обычно лишь на 200–300 ‰ выше, чем в воздухе на улице.

Кроме этого, в компании поощряется использование экологически безопасных видов транспорта. Здесь предусмотрены подземные парковки для велосипедов, а также возможность принять душ. Летом 10 % сотрудников добирается на работу на велосипеде, и процент велосипедистов растет.

Здание удобно расположено вблизи крупного транспортного узла, и свыше 60 % сотрудников добирается на работу общественным транспортом.

Комфортная, привлекательная и благоприятная для здоровья рабочая обстановка в конечном итоге повышает мотивированность и продуктивность работы сотрудников, вселяет в них гордость за свой город.

Градостроительство и жизнь в микрорайоне

Архитектурная форма, ориентация и размеры здания учитывают энергетический потенциал резко континентального климата Виннипега. Одновременно с этим уникальное здание стало новой городской общественной зоной. «Солнечная вытяжка» расположена над главным входом в здание (с северной стороны), а навесы с южной стороны защищают от порывов ветра. Южный вход в здание расположен под углом 21° к фасаду, и перед ним разбит парк. Внутри здания находится открытая для свободного доступа галерея, которая служит одновременно и закрытой пешеходной улицей, проходящей через весь квартал, и местом проведения различных мероприятий.

Заключение

Все цели, поставленные изначально, были успешно достигнуты. Строительство здания способствовало развитию центральной части Виннипега, задало новые стандарты экологичности офисов подобного масштаба (этот проект был признан крупнейшим офисным зданием в Канаде в категории LEED «Платиновый») и позволило снизить энергопотребление более чем на 60 %. В конечном итоге самым главным достижением стало создание высококачественного внутреннего пространства.

Об авторах

Брюс Кувабара – партнер, Джон Петерсон и Каэл Опи – младшие сотрудники, Аманда Себрис – директор по маркетингу компании KPMB Architects (г. Торонто, Канада), Томас Ауэр – директор компании Transsolar (г. Штутгарт, Германия), Глен Клим – младший сотрудник компании Smith Carter Architects and Engineers (г. Виннипег, Канада), Том Акерстрим –управляющий хозяйственными объектами в компании Manitoba Hydro. Во время строительства был консультантом по вопросам энергетики и экологии на проекте Manitoba Hydro Place
Марк Паулс – управляющий энергетическими системами в здании Manitoba Hydro Place. Во время строительства был участником международной группы по вводу здания в эксплуатацию.

© ASHRAE. Перепечатано и переведено с разрешения журнала High Performing Buildings (осень, 2011). Ознакомиться с этой и другими статьями на английском языке вы можете на сайте www.hpbmagazine.org.


ЭнергосбережениеЕстественное освещениеЕстественная вентиляцияДвойной фасад