№3(59)
Сентябрь 2017
ISSN
1990-4126

English

«Архитектон: известия вузов» № 30 - Приложение Июль 2010

Архитектура


 Семикин Павел Павлович

магистрант НГАХА Научный руководитель: кандидат архитектуры, профессор И.В. Швецова, ГОУ ВПО "Новосибирская государственная архитектурно-художественная академия", г. Новосибирск, Россия

ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ АРХИТЕКТУРЫ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ В РОССИИ И ЗА РУБЕЖОМ


УДК: 69.032.22:620.92

Дается определение понятию «энергоэффективное высотное здание» в России и за рубежом. Приведены описания наиболее известных энергоэффективных высотных зданий в период с 1970-х гг. по настоящее время. Рассматриваются современные тенденции и особенности развития архитектуры энергоэффективных высотных зданий.

Ключевые слова: высотные здания, энергоэффективность, энергосбережение


Существует много определений термина «высотное здание». Технический комитет ASHRAE по высотным зданиям дал такое определение: это здание, высота которого превышает 91 м. Совет по высотным зданиям и городской среде (CTBUH) определяет его как здание, в котором высотность непосредственно определяет планирование проекта или сферу использования здания. Это определение, хотя и несколько расплывчатое, улавливает суть высотного здания как комплекса взаимосвязанных систем. Высотными зданиями в России, согласно ТСН 31-332-2006, МГСН 4.19-2005 и МГСН 1.04-2005, считаются общественные здания высотой более 50 м и жилые здания высотой более 75 м.

Энергоэффективные здания как новое направление в экспериментальном строительстве появились после мирового энергетического кризиса 1974 года [1]. Проект первого энергоэффективного высотного здания начал осуществляться в 1972 году в Манчестере, штат Нью-Хемпшир, США архитекторами Николасом Исааком и Эндрю Исааком. В окончательном варианте проекта здание общей площадью 16350 м2 состояло из семи офисных этажей, технического этажа и двухъярусного гаража (рис. 1). Экономия энергии, затрачиваемой на вентиляцию здания, реализовывалась уменьшением объема поступления наружного воздуха путем рационализации планировки; замены наружного воздуха очищенным рециркуляционным, а также правильной организацией воздухораспределения. За счет применения рекуператоров тепла энергия, затрачиваемая на нагрев и охлаждение приточного воздуха, была уменьшена на 60-75%. Для снижения затрат электроэнергии на освещение была использована система управления искусственным освещением в зависимости от изменения уровня естественного освещения [2].

sem1.jpg

Второе здание, которое было запроектировано и построено как энергоэффективное – это здание «EKONO-house» в г. Отаниеми близ Хельсинки, Финляндия, 1979 г. (рис. 2). Авторами проекта стали инженеры фирмы, работавшие под руководством архитектора Хеймо Каутонена. Основными инновационными энергосберегающими решениями здания «EKONO-house» являются:

  • эффективное использование внутреннего объема здания для минимизации площади ограждающих конструкций и уменьшения через них теплопотерь;
  • эффективная теплоизоляция ограждающих конструкций для уменьшения теплопотерь;
  • высокая теплоемкость ограждающих конструкций для накопления тепла и повышения теплоустойчивости здания;
  • аккумулирование тепла солнечной радиации в основании здания для снижения нагрузки на систему отопления;
  • применение вентилируемых окон для уменьшения теплопоступлений в летнее время и уменьшения теплопотерь в зимнее время;
  • минимальные утечки воздуха (герметичность здания) и низкий расход наружного воздуха в системе вентиляции для снижения затрат энергии на отопление здания;
  • эффективное освещение для снижения затрат электрической энергии;
  • система автоматического управления оборудованием климатизации и освещением для оптимизации и учета потребления энергии.

sem2.jpg

Ключевая особенность системы климатизации здания «EKONO-house» – окна специальной конструкции, так называемые «вентилируемые окна». В отличие от окон традиционной конструкции, имеющих замкнутую воздушную прослойку между стеклами, вентилируемые окна имеют вверху и внизу щели, через которые движется (вентилируется) внутренний воздух. Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания «EKONO-house» составило 124 кВт∙ч/м2. Это на 50 % ниже удельного теплопотребления административных зданий, построенных в Финляндии в то время. Подобные здания в США имели еще большее удельное теплопотребление. Ежегодное удельное электропотребление первой секции составило 79 кВт∙ч/м2, что также ниже электропотребления подобных зданий в Финляндии или США [2].

Идея использования энергосберегающих технологий получила свое продолжение в проекте жилого района VIIKKI, Хельсинки, Финляндия, 1980-е гг. Энергоснабжение района обеспечивается комбинацией районного тепло- и электроснабжения Хельсинки и солнечного теплоснабжения. Система солнечного теплоснабжения состоит из восьми установленных на здании солнечных коллекторов общей площадью 1248 м2 [3].

В мае 1997 года во Франкфурте-на-Майне было завершено строительство здания «Commerzbank». Его высота составляет 259 метров, высота с антенной – 300 метров (24-е место в мире по высоте). Здание, разработанное британским архитектором сэром Норманом Фостером и его студией «Foster and Partners» (Лондон), представляет собой радикальный пересмотр всей концепции строительства высотных зданий. В небоскребе используются главным образом естественное освещение и естественная вентиляция, имеется атриум, проходящий от уровня земли до самого верхнего этажа, и из каждого офиса или части здания открывается вид на город. Атриум является каналом естественной вентиляции для смежных офисных помещений здания. Каждый этаж имеет три крыла, два из которых выделены под офисные помещения, а третье является частью одного из четырехэтажных зимних садов (рис. 4).

sem4.jpg

Четырехэтажные сады – «зеленые легкие» здания, размещенные по спирали вокруг треугольной формы здания, обеспечивают для каждого яруса вид на растительность и устраняют неразделенность больших объемов офисного пространства. Для снижения затрат энергии на климатизацию здания, а также для организации естественной вентиляции светопрозрачные ограждения офисов здания сделаны двухслойными. Естественная вентиляция здания «Commerzbank» осуществляется под действием гравитационных сил и под действием ветрового давления. Выбор ориентации здания относительно преобладающего направления ветра позволил обеспечить достаточную естественную вентиляцию. Все функции здания направлены на удовлетворение потребностей сотрудников и в то же время предполагают высокую эффективность использования энергии. Это достигается при управлении инженерным оборудованием «интеллектуальной» системой, которая обеспечивает оптимальный режим работы систем вентиляции, отопления и охлаждения, а также параметры микроклимата непосредственно в рабочей зоне. При разработке проекта использовались методы компьютерного моделирования и аэродинамические исследования [2].

К началу девяностых годов во Франкфурте-на-Майне назрела острая необходимость в перепланировке центральной части города. Было принято решение об уплотнении застройки банковского квартала города и строительстве высотных зданий. Наряду с «Commerzbank» и рядом других объектов было построено «MAIN TOWER». Здание заняло четвертое место по высоте (200 метров, с учетом антенны – 240 метров) и было сдано в эксплуатацию в январе 2000 года. «MAIN TOWER» представляет собой две башни, одна из которых, высотой 200 метров, в плане круглая, а другая, высотой 170 метров – квадратная (рис. 5). Общая площадь помещений, включая подземные этажи, составляет 101705 м2.

sem5.jpg

При проектировании и строительстве здания «MAIN TOWER» были использованы следующие энергоэффективные мероприятия:

  • применение автономных источников энергосбережения;
  • использование тепла земли для снижения затрат энергии на отопление;
  • использование основания здания для накопления тепла или холода;
  • использование светопрозрачных ограждающих конструкций с высокими тепло- и солнцезащитными характеристиками, а также применение автоматических солнцезащитных устройств для снижения теплопотерь в зимнее время и снижения нагрузки на систему климатизации в летнее время;
  • использование в теплую погоду естественной вентиляции через открываемые окна для снижения затрат энергии и улучшения микроклимата помещений;
  • применение охлаждаемых потолков и панельно-лучистого отопления для снижения затрат энергии на охлаждение и отопление, а также для улучшения комфорта;
  • применение «интеллектуальной» системы автоматического управления инженерным оборудованием для обеспечения комфортных параметров микроклимата помещений и снижения затрат энергии;
  • автоматическое регулирование уровня искусственного освещения и использование осветительных ламп нового типа, обеспечивающих снижение затрат энергии на 20-25%.

Для энергоснабжения здания «MAIN TOWER» используются:

  • автономные источники тепловой и электрической энергии, работающие на природном газе;
  • тепло земли для отопления и охлаждения здания;
  • внешние источники тепловой и электрической энергии (централизованное теплоснабжение и энергосистема города).

Окна здания «MAIN TOWER» выполнены в виде двойных стеклопакетов, заполненных криптоном. Толщина специальных стекол, покрытых с двух сторон металлоксидной пленкой, выполняющей солнцезащитные функции, составляет 10 мм. В круглой части башни наружное стекло стеклопакета выгнуто в соответствии с радиусом кривизны башни, а внутренне стекло – плоское (рис. 6).

sem6.jpg

Здание «MAIN TOWER» оборудовано системой механической вентиляции, однако, в теплую погоду для снижения затрат энергии и улучшения микроклимата помещений возможно использование естественной вентиляции через открываемые окна, створки которых выдвигаются параллельно фасаду. Расстояние, на которое выдвигаются створки, регулируется от 1 до 200 мм, в зависимости от условий наружного климата.

Благодаря остеклению «от пола до потолка» в здании «MAIN TOWER» обеспечивается высокая степень естественного освещения в течение светлого времени суток. Если в помещении достаточно светло, то лампы на потолке, расположенные рядом с окном, автоматически выключаются. Такое решение также позволяет снизить затраты энергии на освещение.

sem7.jpg

В России единственным энергоэффективным высотным зданием является 17-этажный энергоэффективный жилой дом в микрорайоне Никулино-2 в г. Москве, разработанный и реализованный в период с 1998 по 2002 гг. (рис. 7). Энергоэффективные мероприятия, использованные при проектировании и строительстве жилого дома:

  • теплонасосная установка для горячего водоснабжения, использующая тепло грунта и удаляемого вентиляционного воздуха;
  • система вентиляции с механической вытяжкой и естественным притоком;
  • система отопления, обеспечивающая возможность поквартирного учета и регулирования тепловой энергии и индивидуального регулирования температуры воздуха в помещениях;
  • наружные ограждающие конструкции с повышенной теплозащитой. Теплоэнергоснабжение здания осуществляется двумя путями:
  • за счет использования тепла земли и тепла удаляемого воздуха для горячего водоснабжения посредством тепловых насосов;
  • использованием источника тепловой (централизованное теплоснабжение) и электрической энергии.

Базовой серией для реализации проекта была выбрана типовая серия жилых домов 111-355 Министерства обороны России как наиболее полно отвечающая требованиям энергоэффективности с точки зрения архитектурных и объемно-планировочных решений [2].

Таким образом, в настоящее время энергоэффективными называют такие здания, при проектировании которых был предусмотрен комплекс архитектурно-строительных и инженерно-технических мероприятий, обеспечивающих существенное снижение затрат энергии на теплоснабжение этих зданий по сравнению с обычными (типовыми) зданиями при одновременном повышении комфортности микроклимата в помещениях [2].

В основе концепции проектирования современных энергоэффективных зданий лежит идея: качество окружающей нас среды оказывает непосредственное влияние на качество нашей жизни дома, на рабочем месте или в местах общего пользования, составляющих основу городов. Одна из главных идей для архитектуры и строительства XXI века – природа не пассивный фон нашей деятельности: может быть создана новая природная среда, обладающая более высокими комфортными показателями для градостроительства и являющаяся в то же время энергетическим источником для систем климатизации зданий [1].

Очевидно в ближайшие два-три десятилетия, на стыке периодов исчерпания традиционных и недостаточного развития новых энергоисточников, возникнет дефицит энергоресурсов и резкое их удорожание, и задача экономии энергоресурсов станет приоритетной [4].

Анализ развития энергоэффективных зданий показывает, что архитектура и строительство вступают в совершенно новый этап своей истории, что появление и развитие энергоэффективных зданий – есть отражение глобальных проблем развития общества, начиная с середины ХХ века, со всеми его положительными и отрицательными направлениями поисков. Энергоэффективные здания как симбиоз творчества архитектора и инженера достигают в этом союзе вершин произведения искусства [1], что позволяет прогнозировать дальнейшее развитие данного типа зданий и их места в структуре городской застройки.

Логическим завершением этапов развития энергоэффективных зданий явилась практика строительства «sustainable buildings», которая сегодня вызывает большой интерес у специалистов всех стран. Буквальный перевод «sustainable buildings» – «поддерживающие здания», но по своему смыслу это выражение означает «жизнеудерживающие здания», «жизнесохраняющие здания», т. е. здания, которые находятся в равновесии с окружающей средой и человеком.

«Sustainable buildings» – это альтернатива стремлению человека «покорить» природу, она включает в себя изучение возможности использования экологически чистых возобновляемых источников энергии, оптимального использования затребованной энергии, сохранения водных ресурсов, применения строительных материалов повторного использования, улучшения качества среды обитания человека.

sem8.jpg

Схематично жизнеудерживающие здания можно представить состоящими из трех взаимосвязанных понятий (рис. 8):

- комфортного микроклимата помещений;

- максимального использования энергии природы;

- оптимизированных энергетических элементов здания как единого целого.

В настоящее время происходит повсеместное внедрение и популяризация высотных зданий и комплексов, усиление их концентрации и значимости в различных странах мира. Учитывая масштабные проекты высотных зданий последних лет в России и за рубежом и их огромное энергопотребление, одним из основополагающих принципов при проектировании становится использование энергоэффективных технологий. Важными сторонами проектов становятся уменьшение энергопотребления и нейтрализация воздействий возведения и эксплуатации высотных зданий на окружающую среду.

Поиски взаимодействия и компромисса между этими элементами послужат созданию экологически элитного здания, и это является главной задачей специалистов в первой половине XXI века [1].


Библиография

  1. Табунщиков Ю. А. От энергоэффективных к жизнеудерживающим зданиям / Ю.А. Табунщиков Ю. А. // АВОК – 2003. – № 3. – С. 8.
  2. Табунщиков Ю. А. Энергоэффективные здания / Ю. А. Табунщиков, Бродач М. М., Шилкин Н. В. – М.: АВОК-ПРЕСС, 2003. – C. 8-76
  3. Бродач М. М. VIIKKI – новый взгляд на энергосбережение / М.М. Бродач // АВОК – 2002. – № 6. – С. 14.
  4. Молодкин С. А. Принципы формирования архитектуры энергоэффективных высотных жилых зданий [Электронный ресурс]: дис. … канд. архитектуры : 18.00.02 / С.А. Молодкин. – М.: РГБ, 2007. – 142 с. : ил.


ISSN 1990-4126  Регистрация СМИ эл. № ФС 77-70832 от 30.08.2017 © УрГАХУ, 2004-2017  © Архитектон, 2004-2017