архитектура и строительство

Энергоэффективное здание как критерий мастерства архитектора и инженера

Энергоэффективное здание есть результат мастерства архитектора и инженера. При проектировании энергоэффективного здания архитектор решает задачу использовать наилучшим образом положительное энергетическое влияние (воздействие) наружного климата и максимально нейтрализовать отрицательное влияние наружного климата на тепловой баланс здания. В это же время инженер решает задачу организовать такую систему климатизации здания, которая с наименьшими затратами энергии обеспечивает требуемые параметры микроклимата в помещениях.

Чрезвычайно важно - может быть, это самая главная идея для строительства XXI века - природа - не пассивный фон нашей деятельности: в результате нашей деятельности может быть создана новая природная среда, обладающая более высокими комфортными показателями для градостроительства и являющаяся в то же время энергетическим источником для климатизации зданий.

Замечательным примером гармонизации строительства объекта и природной среды является спортивный комплекс в Саппоро. В проекте города-спутника Саппоро, расположенном на острове Хоккайдо, была решена задача эффективного использования в градостроительных решениях природных, географических и климатических факторов. Учитывая, что особенностью острова Хоккайдо являются устойчивые сильные ветры северного направления, градостроительное решение города-спутника выполнено по типу естественного волнореза.

Форма оболочки стадиона моделирует самолет, "летящий" по направлению к господствующему ветру. Спортивный комплекс с закрытым и открытым полями решен в виде единой аэродинамической системы, предусматривающей эффективную естественную вентиляцию наружным воздухом со стороны низко расположенного открытого стадиона. Удаление воздуха организовано в верхней части закрытого поля. Использование эффективной естественной вентиляции позволило снизить затраты на кондиционирование воздуха.

Логика развития современной архитектуры во многом есть результат стремления к гармонии окружающей здание природной среды и микроклимата в помещениях. Замечательным примером этой гармонии является "Дом над водопадом" (архитектор Фрэнк Ллойд Райт). Здесь художественный образ дома живет в полном согласии с природной средой.

Мастерство архитектора, наилучшим образом учитывающего энергетическое воздействие наружного климата, проявилось в проекте пятидесятиэтажного энергоэффективного здания главного офиса банка во Франкфурте, представляющего в плане треугольник с закругленными углами. Четырехэтажные зимние сады спирально окружают здание по высоте. Всего имеется 9 зимних садов, с которых открывается вид на город. Зимние сады расположены в соответствии с ориентацией и снабжают офисные помещения естественной вентиляцией и освещением. На остекленных стенах имеются специальные открывающиеся устройства для забора свежего воздуха. Для внутренних зон используется механическая вентиляция с минимальной кратностью воздухообмена по гигиеническим требованиям, в то время как отопительная система по периметру здания и охлаждающие потолки регулируют температуру внутреннего воздуха. Главными критериями, определяющими аэродинамику здания, являются: частота скорости ветра по разным ориентациям, средняя скорость ветра и роза ветров, а также частота штилей.

Использование систем кондиционирования воздуха в административных зданиях после Второй мировой войны оказало определяющее влияние на архитектурные и конструктивные решения зданий по двум направлениям: во-первых, дало возможность архитекторам не связывать себя необходимостью устройства солнцезащитных элементов, во-вторых, позволило активно применять новые материалы и конструкции, рассчитывая (к сожалению, не всегда оправданно), что СКВ в любом случае обеспечит требуемые параметры микроклимата. Современные конструктивные решения ограждений этого типа обеспечивают такой уровень изоляции от воздействия наружного климата, о котором Ле Корбюзье мог только мечтать. Часто здания из легких конструкций с хорошей герметизацией и теплозащитой оказываются более дешевыми, чем массивные ограждения с открываемыми окнами. На практике это означает, что СКВ в зданиях (как с естественными, так и с искусственными источниками холода) будут использоваться и в дальнейшем, независимо от их воздействия на окружающую среду.

Примером, отражающим неудачный творческий союз архитектора и инженера, является проект вестибюлей атриума в Музее связи и почтовых отправлений г. Франкфурта. Будучи довольно модным в архитектурных решениях современных проектировщиков, атриум, тем не менее, создает целый ряд проблем для климатизации, управления тягой, предотвращения распространения дымовых газов в случае возгорания, обеспечения герметичности здания. Высота вестибюлей и соображения архитектурного плана делают невозможной установку воздухораспределительных терминалов на уровне перекрытия.

Возникает естественный вопрос: насколько удачно архитектору и инженеру удалось решить свои задачи по проектированию энергоэффективного здания? Только качественная оценка результата (излюбленный прием архитекторов!) вряд ли удовлетворит строгого заказчика: он пожелает иметь объективную количественную характеристику достигнутого результата. В качестве таковой ему будет предложена, например, удельная тепловая характеристика здания, отнесенная к одному из расчетных климатических периодов. Этот показатель позволяет сравнить достигнутый результат с существующими, но не дает ответа на вопрос: можно ли было запроектировать энергоэффективное здание лучше и насколько лучше? Очевидно, что заинтересованный исследователь уже понимает, что лучшим результатом работы архитектора и инженера является оптимальное энергоэффетивное здание, обеспечивающее минимум расхода энергии в системах его климатизации. Оказывается, что современные методы математического системного анализа позволяют находить оптимальные архитектурные и инженерные решения проектируемого энергоэффективного здания.

Конечно, надо бы сформулировать, какие решения включает понятие "архитектурные решения энергоэффективного здания" и какие решения включает понятие "инженерные решения энергоэффективного здания". Для начала обсуждения отнесем к архитектурным такие решения, которые должны наилучшим образом учитывать положительное воздействие наружного климата и должны максимально нейтрализовать его отрицательное воздействие, т. е. ориентацию и форму здания, имея в виду, что форма здания связана естественным образом с остеклением и тепло-, солнцезащитой ограждающих конструкций, а к инженерным решениям отнесем не только выбор типа системы отопления-охлаждения и вентиляции здания, но также форму их организации. Здесь "тип системы" означает, например, систему воздушного отопления, совмещенную с вентиляцией, или систему водяного отопления и естественной вентиляции и тому подобное, а форма или конфигурация системы - это каким образом потоки энергии и массы распределены по помещению.

Будем характеризовать энергетическую эффективность здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями величиной затрат энергии на его климатизацию и обозначим эту величину Qmin.

Об уровне мастерства архитектора и инженера с точки зрения энергоэффективности здания можно судить, используя соотношение, которое показывает, насколько представленное решение здания отличается от оптимального:

h = Qmin/Q, (1)

где

Qmin - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными и инженерными решениями;

Q - затраты энергии на климатизацию представленного проектного решения здания.

Очевидно, что этот критерий удовлетворит требовательного заказчика, так как позволит ему судить, насколько удачно он выбрал исполнителей - архитектора и инженера и насколько разумно они учли его желание - минимизировать эксплуатационые затраты на климатизацию здания.

Величина h в формуле (1) изменяется в пределах от 0 до 1. Чем ближе величина h к 1, тем ближе выбранные архитектурные и инженерные решения к оптимальным решениям и тем выше мастерство архитектора и инженера.

В соответствии с системным подходом к проектированию энергоэффективного здания, величину h можно записать так:

h = h1 х h2, (2)

где

h1 = Qарх min/Q;

h2 = Qинж min/Q;

Qарх min - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями;

Qинж min - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными инженерными решениями.

Теперь h1 можно трактовать как показатель мастерства архитектора, а h2 - как показатель мастерства инженера.

В заключение необходимо остановиться на двух обстоятельствах, влияющих на окончательный выбор проекта здания. Первое - проект оптимального энергоэффективного здания может быть по приведенным затратам хуже предлагаемого проекта. В этом случае окончательный выбор варианта проектируемого здания определяется по минимуму приведенных затрат.

Второе обстоятельство - при реальном проектировании выбор оптимального варианта энергоэффективного здания может быть стеснен рядом ограничений, так называемых "дисциплинирующих условий", которые фиксированы с самого начала и нарушены быть не могут (например, этажность или протяженность здания). В этом случае ставится задача оптимизации с заданными ограничениями, и цель достигается при получении оптимального решения с учетом заданных ограничений. И еще заметим, что принятие окончательного решения относится к компетенции ответственного лица (чаще группы лиц), которому предоставлено право окончательного выбора и на которого возложена ответственность за этот выбор. Делая выбор, он может учитывать наряду с рекомендациями, вытекающими из математического расчета, еще ряд соображений количественного и качественного характера, которые в этих расчетах не были учтены.

Ю. А. Табунщиков, Президент АВОК,

профессор, член-корр. РААСН


Знакомство с ортопедическими матрасамиОртопедический матрас - это скорее необходимость, чем элемент роскоши. Правильно...
Что такое бетон?Это удивительный универсальный материал, который ограничен только фантазией инженерной мысли. ...
Виды загородного жильяЕсли еще пару десятков лет назад выбор был невелик (собственный...
Рекомендации по выбору кабеля при ремонте квартирыМногим приходилось сталкиваться с неисправной электропроводкой, последствия которой бывают весьма...
Интернет-магазин Мебель Город - ваш интернет магазин мебелиИнтернет-магазин Мебель Город предлагает внушительный ассортимент качественной мебели только от...