Энергоэффективное здание как критерий мастерства архитектора и инженера

Ю. А. Табунщиков, Президент АВОК, профессор, член-корр. РААСН

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 (журнал "АВОК", № 6, 2000, с. 50). 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.

Рисунок 1. Моделирование динамики обдува купола в зимнее время

Форма оболочки стадиона моделирует самолет, "летящий" по направлению к господствующему ветру (рис. 1). 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) [2]. Здесь художественный образ дома живет в полном согласии с природной средой (рис. 2).

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 (рис. 3) [3]. Четырехэтажные зимние сады спирально окружают здание по высоте. Всего имеется 9 зимних садов, с которых открывается вид на город (рис. 4). 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 (журнал "АВОК", № 6, 2000, с. 10) 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 (журнал "АВОК", № 6, 2000, с. 32). 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 [1, 4].

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 Q_min.

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 = Q_min/Q, (1)

где
Q_min - 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 [4]:

h = h₁ х h₂, (2)

где
h₁ = Q_арх min/Q;
h₂ = Q_инж min/Q;
Q_арх min - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями;
Q_инж 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.

Литература

1. Tabunschikov Y., Mathematical models of thermal conditions in buildings. CRC Press, USA, 1993.
2. "Мир и Дом", 2000, декабрь.
3. "Domus: Architecture Design Art Communication", Italy, 1997, November, № 798.
4. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий. - "АВОК", 1998, № 1.