Многоэтажное энергоэффективное жилое здание в Нью-Йорке

М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ,

Н. В. Шилкин, инженер НИИСФ

Здание «Twenty River Terrace» расположено в Нью-Йорке, в юго-западной части Манхэттена на берегу реки Гудзон, и представляет собой жилой дом высотой 27 этажей. Общая площадь здания – 33 200 м². В нем размещены 282 квартиры разного типа: от небольших однокомнатных до апартаментов с тремя ванными комнатами. Здание рассчитано на проживание 774 человек. Помимо жилых помещений в нем размещается вестибюль и подземная парковка. На участке рядом со зданием есть декоративный сад, а также детская площадка.

Здание «Twenty River Terrace» состоит из двух частей – основного блока высотой 46 метров и верхней части высотой 30 метров. На крыше основного здания расположены сады, которые не только улучшают визуальное восприятие, но и играют важную роль в системе водоснабжения здания, а также выполняют теплозащитные функции. Фасад здания облицован красным кирпичом.

Здание проектировалось нью-йоркским архитектурным бюро «Cesar Pelli & Associates» при участии «Schuman, Lichtenstein, Claman, Efron Architects». Мероприятия по эффективному использованию энергетических ресурсов разрабатывались при участии консалтинговой компании «Steven Winter Associates of Norwalk, Conn.» (эта компания участвовала в проектировании энергоэффективного здания учебного центра «Adam Joseph Lewis Center», см. журнал «АВОК», 2002, № 5).

Строительство здания «Twenty River Terrace» было на некоторое время заморожено из-за близости участка к району падения башен «World Trade Center». Работы возобновились в июне 2002 года, и ввод здания в эксплуатацию намечен на июнь 2003 года.

В здании используются решения, направленные на более эффективное потребление энергии при одновременном повышении качества микроклимата помещений. Большое внимание уделено водосбережению. В строительстве широко использовались переработанные или повторно эксплуатируемые строительные материалы.

По замыслу проектировщиков, здание «Twenty River Terrace» должно не просто создавать комфортные условия для проживания людей, но и улучшить их среду обитания. Создатели здания называют его первой жилой постройкой, спроектированной в соответствии с принципами «sustainable design» (проектирование жизнеудерживающего здания). В результате использования энергоэффективных мероприятий ожидается снижение энергопотребления на 35 % относительно требований штата Нью-Йорк. Из-за использования дешевого природного газа также ожидается, что затраты на электрическую энергию снизятся на 51 %. Кроме этого, планируется значительное снижение выделения загрязняющих веществ – CO₂, SO_x и NO_x.

Основные мероприятия, повышающие энергетическую эффективность и экологичность здания при одновременном повышении качества микроклимата, следующие:

- Расположение на крыше здания садов, выполняющих, помимо эстетических, теплозащитные функции, а также улучшающих экологию.

- Применение для энергоснабжения здания фотоэлектрических панелей, покрывающих до 5 % пикового расхода электрической энергии.

- Использование системы кондиционирования воздуха с энергосберегающими абсорбционными чиллерами/нагревателями на основе природного газа.

- Утилизация тепла удаляемого воздуха для горячего водоснабжения.

- Возможность естественной вентиляции квартир через открываемые окна при соответствующих погодных условиях.

- Установка в жилых помещениях здания программируемых термостатов, позволяющих индивидуально регулировать параметры микроклимата в данном помещении.

- Использование тиристорных приводов для вытяжных вентиляторов в подземной парковке в зависимости от концентрации угарного газа (СО, моноксида углерода).

- Использование электродвигателей с пониженным энергопотреблением.

- Установка в каждой квартире бытовой техники (кухонной плиты, холодильника, посудомоечной и стиральной машин) с пониженными энерго- и водопотреблением, отвечающей стандарту энергосбережения «Energy Star».

- Энергоэффективное искусственное освещение.

- Освещение общих помещений (лестничных клеток, коридоров, подземной парковки) только при наличии людей в этих помещениях по сигналам от датчиков.

- Уменьшение освещенности или полное отключение осветительных приборов в вестибюле при достаточном уровне естественной освещенности по сигналам от датчиков.

- Возможность одновременного отключения всех осветительных приборов посредством одного главного выключателя, расположенного у входной двери.

- Применение наружных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками и повышенным сопротивлением воздухопроницанию.

- Применение герметичных окон для уменьшения теплопотерь за счет инфильтрации в холодное время года.

- Применение в конструкции окон стекла с повышенными теплозащитными характеристиками («Viracon VE-1-2M»), обеспечивающего высокий уровень естественного освещения при значительном снижении теплопотерь через заполнения светопроемов.

- Использование бойлера системы горячего водоснабжения с 99 % полнотой сгорания природного газа.

- Система очистки сточных вод, расположенная в подвале здания.

- Использование водоразборной арматуры с пониженным водопотреблением.

- Управление инженерным оборудованием здания посредством системы автоматического управления (Building Management System, BMS).

Рисунок 1. (подробнее) Технологическая схема мини-станции для подготовки питьевой воды малой производительности

Предпроектные исследования

При проектировании здания широко использовались методы физического и математического моделирования. Были исследованы разные варианты конструкции окон. Проектировщики хотели добиться минимального воздухопроницания светопрозрачных ограждающих конструкций при максимальном уровне инсоляции. Также исследовались и различные варианты фотоэлектрических панелей.

Рисунок 2. Фотоэлектрические панели, интегрированные в западный фасад здания «Twenty River Terrace»

Физические эксперименты, проведенные в лаборатории, показали недостаточную герметичность слоя между бетонной стеной и кирпичной облицовкой, что потребовало использования дополнительного герметика. По словам одного из архитекторов, Рафаэля Пелли (Rafael Pelli), по результатам экспериментов было сделано около 50 подобных небольших доработок, в сумме позволивших значительно снизить затраты энергии на климатизацию здания. Однако, по мнению проектировщиков, кроме архитектурных и инженерных решений значительную экономию энергии могут дать мероприятия, выполняемые при вводе здания в эксплуатацию (например, правильная настройка и регулирование инженерного оборудования, информирование жителей об особенностях работы оборудования) и в ходе эксплуатации здания (например, мониторинг энергопотребления, своевременное обслуживание, ремонт и плановая замена оборудования).

При проектировании здания «Twenty River Terrace» использовалось следующее программное обеспечение:

- DOE-2.1e для моделирования энергопотребления здания.

- THERM для двухмерного моделирования тепловых потоков и оценки теплопроводности наружных ограждающий конструкций.

- CONTAM для оценки величины инфильтрации и эксфильтрации воздуха через ограждающие конструкции и для определения требуемой воздухопроницаемости ограждающих конструкций и мероприятий по повышению герметичности заполнений светопроемов.

Расчеты были выполнены консалтинговой компанией «Steven Winter Associates of Norwalk, Conn.» под руководством инженера Адриана Тулуки (Adrian Tuluca).

Для моделирования и оптимизации энергопотребления задаются важнейшие предполагаемые характеристики здания: его общая площадь, распределение светопроемов по фасаду здания, наружные стены и покрытия, теплозащита, система климатизации, освещение, число и размещение внутри здания жителей, климатические характеристики района строительства, информация об ожидаемых бытовых тепловыделениях.

Рисунок 3. (подробнее) Среднегодовое распределение потребления энергии различными системами здания

Эта, а также и некоторая другая информация, служит исходными данными для расчета с помощью программного пакета DOE-2.1e, работающего под управлением операционной системы UNIX. Для расчета здание разбивается на 196 тепловых зон. Полученная модель должна быть реалистичной, поскольку именно она является основой для принятия конструкторских решений. При расчете моделируется, например, влияние на рассматриваемое здание прилегающей городской застройки, что позволяет, во-первых, оценить аэродинамику здания для выбора окон с требуемым сопротивлением воздухопроницанию и стратегию естественной вентиляции, а во-вторых, оценить затенение светопроемов прилегающими постройками в зависимости от времени суток и времени года для оценки температурного режима помещений и выбора требуемой системы климатизации. Необходимо рассмотреть здание как единую энергетическую систему, все элементы которой взаимосвязаны. Например, выбор схемы освещения (комбинации естественного и искусственного освещения, типа осветительных приборов, их расположения и т. д.) влияет на выбор системы кондиционирования воздуха, поскольку некоторые типы осветительных приборов характеризуются значительным тепловыделением, создающим дополнительную нагрузку на эту систему.

Реалистичная модель позволяет достаточно точно вычислить эффективность различных энергосберегающих мероприятий с экономической точки зрения. Вообще говоря, такая оценка может быть сделана и без применения такого дорогостоящего программного обеспечения, как DOE-2.1e, однако в этом случае она не очень точна: для зданий с типовыми решениями ошибка может достигать 10 %, а для энергоэффективных зданий – до 10–15 % для отдельного решения. Отдельное энергоэффективное мероприятие обычно позволяет снизить потребление энергии относительно базового варианта на несколько процентов (большее снижение энергопотребления указывает на непроработанность базового варианта), и в этих условиях ошибка на 10–20 % очень существенна, поскольку может привести к неверной оценке эффективности архитектурного или инженерного решения и к отказу от эффективного или, наоборот, принятию неэффективного варианта. Поскольку здание моделируется как единая энергетическая система, накопление подобных ошибок может привести к полной потере эффективности проекта.

Для оценки теплозащиты наружных ограждающий конструкций использовался программный пакет THERM, разработанный в «Lawrence Berkeley Laboratory». Выполненные расчеты позволили оценить требуемое сопротивление теплопередаче и выбрать ограждающие конструкции, отвечающие расчетным значениям. Исследования многократно повторялись для различных сочетаний материалов стен и покрытия здания. Поскольку программный пакет THERM позволяет получить лишь двухмерную картину тепловых потоков в ограждающих конструкциях, а ограждающие конструкции трехмерны, инженеры компании «Steven Winter Associates of Norwalk, Conn.» выполнили итерационные расчеты сначала в вертикальной проекции, а затем в горизонтальных сечениях ограждающих конструкций.

По мере разработки проекта первоначальная модель непрерывно изменялась для учета изменений, внесенных на этапе проектирования (проектирование с «обратной связью»).

Таблица 1 Характеристики ограждающих конструкций здания

Коэффициент затенения окон 0,43 Коэффициент светопропускания окон 0,68 Сопротивление теплопередаче окон 0,43 м2•°С/Вт Сопротивление теплопередаче наружных стен 1,49 м2•°С/Вт Сопротивление теплопередаче покрытия 4,0 м2•°С/Вт

Учет особенностей местности и улучшение среды обитания жителей

Проект здания разрабатывался с учетом особенностей рельефа местности и прилегающей городской застройки. В результате проведенных мероприятий здание «Twenty River Terrace» позволяет улучшить микроклимат прилегающей зеленой зоны – «Teardrop Park», а также снабжает этот парк водой для орошения.

На плоской крыше здания расположены сады. Эти сады выполняют не только эстетические функции, но и играют важную роль в создании микроклимата помещений и улучшении климатических условий местности. Сады выполняют в летнее время солнцезащитные функции, а в зимнее время повышают теплозащитные свойства покрытия. Такая «зеленая крыша» позволяет уменьшить так называемый эффект «теплового купола» («heat island»). Этот эффект заключается в том, что температура наружного воздуха в центре большого города может повышаться примерно на 10 градусов относительно окружающих территорий, что создает дополнительную нагрузку на систему кондиционирования воздуха здания в летнее время. Сады также позволяют собирать воду атмосферных осадков для дальнейшего использования.

Проектировщики предполагают, что жители дома будут меньше использовать личный автотранспорт, и больше – общественный и экологически чистый, уменьшив таким образом количество вредных выбросов в атмосферу. Для этого около здания устроены охраняемая стоянка велосипедов, а также станция подзарядки электромобилей; кроме этого, здание расположено неподалеку от станции метро и автобусной станции.

Энергоснабжение здания с использованием фотоэлектрических панелей

В западный, обращенный к реке фасад здания интегрированы фотоэлектрические панели (солнечные батареи). Общая площадь панелей составляет 316 м². Электрическая энергия, вырабатываемая в фотоэлектрических панелях в течение года, позволяет покрыть до 5 % общей энергетической нагрузки здания.

В течение года электрическая энергия вырабатывается неравномерно – в летнее время вырабатывается больше электроэнергии за счет большей интенсивности солнечной радиации. Это позволяет уменьшить пиковый расход электрической энергии из городской электросети, поскольку для климатических условий Нью-Йорка основные затраты энергии на климатизацию связаны с кондиционированием воздуха в летний период в дневное время.

Таблица 2 Общие среднегодовые затраты энергоносителей

Электрическая энергия 2 963 120 кВт•ч Электрическая энергия, вырабатываемая в фотоэлектрических панелях 34 300 кВт•ч Природный газ 9 751 479 кВт•ч (909 464 м3) Всего 12 714 599 кВт•ч

Система климатизации здания

В таком огромном городе с развитой промышленностью и транспортом, как Нью-Йорк, качество наружного воздуха не всегда является удовлетворительным. Достаточно высокая концентрация загрязняющих веществ в наружном воздухе приводит к увеличению числа таких заболеваний, как астма или различные виды аллергических реакций. Поэтому проектировщики поставили задачу добиться качества воздуха в помещениях, превышающего качество наружного воздуха. Для этого было принято решение об использовании центральной системы кондиционирования, посредством которой наружный воздух очищается, а также в зависимости от времени года увлажняется или осушается. Однако в здании используется и естественная перекрестная вентиляция через открываемые окна. Для уменьшения загрязнения воздуха в конструкциях применялись материалы с низким выделением вредных веществ.

Подземная парковка оборудована датчиками, при помощи которых измеряется концентрация моноксида углерода (угарного газа). В зависимости от этой концентрации увеличивается или уменьшается уровень воздухообмена в помещении парковки.

На крыше здания установлены абсорбционные чиллеры/нагреватели, работающие на природном газе. Такие установки позволяют значительно снизить расход электрической энергии за счет использования относительно дешевого природного газа. Еще одним преимуществом подобного решения является его экологичность, поскольку в таких установках не применяются озоноразрушающие компоненты.

Система отопления здания – воздушная. В каждой квартире установлены вертикальные фэнкойлы, в которых происходит подогрев или охлаждение воздуха посредством горячей или охлажденной воды. Температура воздуха в помещениях поддерживается автоматически, в зависимости от показаний термостатов, регулируемых жильцами. Насосы и вентиляционные агрегаты оснащены приводами с регулируемой скоростью вращения.

В системе кондиционирования установлен теплообменник, позволяющий использовать тепло воздуха для подогрева воды в системе горячего водоснабжения.

Таблица 3 Среднегодовое распределение потребления энергии различными системами здания

Система отопления 6 348 577 кВт•ч Система кондиционирования воздуха 2 165 827 кВт•ч Вентиляционные агрегаты и насосы 1 188 709 кВт•ч Искусственное освещение 773 290 кВт•ч Горячее водоснабжение 829 718 кВт•ч Потребление энергии жителями 695 731 кВт•ч Другие системы 712 748 кВт•ч

Освещение

В здании «Twenty River Terrace» широко используется естественное освещение. В здании установлены окна, снижающие теплопоступления с солнечной радиацией, но хорошо пропускающие дневной свет. Искусственное освещение в холлах регулируется в зависимости от показаний датчиков, измеряющих уровень естественной освещенности. В местах общего пользования, например в коридорах и на лестничных клетках, искусственное освещение включается только при наличии людей в этих помещениях, что также фиксируется датчиками. В здании установлены осветительные приборы с пониженным энергопотреблением. В каждой квартире у входной двери есть главный выключатель, посредством которого можно одновременно отключить все осветительные приборы в данной квартире.

Ограждающие конструкции здания

Наружные ограждающие конструкции здания «Twenty River Terrace» выполнены из кирпично-бетонных блоков и отличаются малой воздухопроницаемостью и высокими теплозащитными свойствами, что позволяет повысить теплоустойчивость здания и снизить нагрузку на систему климатизации.

Фасад здания выполнен из бетонных блоков, облицованных красным кирпичом с алюминиевыми конструкциями и интегрированными фотоэлектрическими панелями, подоконники – из бетонных блоков, облицованных сланцем и гранитом. Вестибюль отделан деревом, нержавеющей сталью и гранитом, полы в вестибюле выполнены из известняка. Для отделки общих помещений (холлов, лестничных клеток и т. д.) широко применялись материалы, которые можно перерабатывать или использовать повторно – ковровые покрытия, керамическая плитка, зеркальные покрытия, гипсовые плиты. В жилых помещениях уложены деревянные полы с ковровым покрытием из частично переработанных материалов. Полы квартир утеплены плитами из прессованной пробки. Стены утеплены теплоизоляцией из минеральной ваты. Потолочные панели – из минерального волокна.

Кухни отделаны деревом, столешницы кухонной мебели – гранитом, раковины выполнены из нержавеющей стали. Все отделочные материалы, в том числе краски и клеи, отбирались по экологическим соображениям.

В бетонных блоках наружных ограждающих конструкций до 30 % цемента заменено на зольную угольную пыль.

Водосбережение

Концепция здания «Twenty River Terrace» предусматривает эффективное использование воды, а также возможность ее очистки и повторного применения для непитьевых целей.

Одной из целей проекта было уменьшение использования воды из городского водопровода. Для этого в подвале здания была установлена система очистки сточных вод, которая позволяет уменьшить потребление чистой питьевой воды на 30 %. Очищенные сточные воды используются для смыва в туалетах квартир, а также для охлаждения воздуха в градирне.

В подвале здания также установлен резервуар емкостью 38 м³, в который собирается дождевая вода с крыш здания. Эта вода затем используется для орошения садов на крыше здания и прилегающей озелененной территории. По оценке проектировщиков, в год система позволит собирать примерно 644 м³ дождевой воды.

В каждой квартире здания установлена водоразборная арматура «Kohler», обеспечивающая более низкое водопотребление. В подвале здания находится система очистки сточных вод. Очищенные сточные воды затем используются для смыва в туалетах, в башенных градирнях, а также для орошения садов и парков. Сады на крыше здания позволяют собирать атмосферные осадки (дождь или снег), которые направляются в специальный сборный резервуар и затем применяются.

Годовое потребление воды в здании «Twenty River Terrace» составляет 32 000 м³.

Экономическая эффективность проекта

Первоначально финансирование проекта осуществлялось традиционным способом – через долгосрочное кредитование. После террористических актов 11 сентября 2001 года работы были приостановлены из-за близости строительства к району падения башен Всемирного торгового центра. Финансирование было прекращено, и затем оно было возобновлено уже по другой схеме, через частный банк. Основные стоимостные показатели проекта следующие:

- Общая стоимость проекта (исключая стоимость земельного участка) – $114 489 750.

- Удельная стоимость строительных конструкций, оборудования и т. д. – $2 670/м²;

- Удельные затраты на заработную плату проектировщиков, строителей и административного персонала – $370/м².

Некоторые энергоэффективные мероприятия потребовали особенно высоких капиталовложений. Например, себестоимость системы очистки сточных вод составляет примерно $1 000 000. Часть энергоэффективных мероприятий должна окупиться в течение нескольких лет. Фотоэлектрические панели стоимостью $375 000 окупятся, как ожидается, в течение четырех лет, остекление с высокими тепло- и солнцезащитными характеристиками стоимостью $55 000 – за семь лет, энергоэффективное искусственное освещение стоимостью $125 000 – за четыре года.