Здание биоклиматической архитектуры – «Городские ворота Дюссельдорфа»

У архитекторов и инженеров есть старая мечта – создать привлекательную в художественном отношении оболочку здания, которая могла бы приспосабливаться к изменениям параметров наружного климата в течение дня, сезона и года. Ограждающие конструкции должны регулировать поступление в помещение теплоты, света, воздуха либо потери теплоты так, чтобы внутри здания обеспечивались оптимальные параметры микроклимата при умеренных за-тратах энергии. Это могло бы существенным образом способствовать снижению потребления энергии в здании и повышению качества внутренней среды. Одним из интереснейших решений оболочки здания, приспосабливающейся к изменениям наружного климата, является конструкция двойного светопрозрачного вентилируемого фасада. Его конструкция основана на принципе многослойности – создания нескольких оболочек и использования определенных физических и эстетических свойств отдельных его слоев. Основным материалом фасадов такого рода является стекло, которое благодаря своим эстетичес-ким и физическим характеристикам обеспечивает нужное оформление здания и выполнение необходимых функций ограждающей конструкции. Здания с двойным светопрозрачным вентилируемым фасадом построены во Франции (архитектор Jean Nouvel), в Финляндии и Германии. В настоящее время в России подготовлены проектные решения зданий с двойными вентилируемыми фасадами. Наибольшую мировую известность получило здание, называемое «Городские ворота Дюссельдорфа». Двойной фасад этого здания может быть охарактеризован как рациональное и экономичное техническое решение, которое при значительной внешней шумовой и ветровой нагрузке позволяет на протяжении длительного периода в течение года осуществлять естественную вентиляцию офисных помещений. Проходной, вентилируемый двойной фасад является важным связующим элементом рабочих помещений и окружающей среды. Этот фасад отвечает высоким эстетическим требованиям архитекторов и застройщика. Благодаря этому вносится существенный вклад в создание энергоэффективного и удобного для пользователей здания.

Рисунок 1. Здание «Городские ворота Дюссельдорфа»

Следует отметить, что архитектурные и инженерные решения здания «Городские ворота Дюссельдорфа» в отношении тепло-снабжения и климатизации позволяют отнести это здание не только к зданиям биоклиматичес-кой архитектуры, но также к зданиям высоких технологий, интеллектуальным зданиям, пассивным зданиям и в значительной степени к Sustainable building. Все перечис-ленные направления реализованы в этом проекте с достаточной полнотой и завершенностью.

Делегация НП «АВОК», посетившая это здание в холодный пасмурный день начала весны 2005 года, была удивлена ощущением солнечности офисных помещений, свежестью в них воздуха, поступающего в эти помещения из двойного фасада, и замечательным видом на Рейн и окружающие зеленые пространства.

Рисунок 2. Атриум

Общая характеристика здания

Здание «Городские ворота Дюссельдорфа» было построено в 1997 году в г. Дюссельдорфе. Оно непосредственно граничит с зеленой зоной нового Рейнского парка и расположено над въездом в новый туннель на берегу Рейна, где из-за интенсивного движения транспорта наблюдается повышенный уровень шума.

Вначале приведем некоторые сведения о самом здании. Здание высотой 70 м имеет необычную форму (рис. 1). Общая площадь составляет 41 000 м², а объем – 150 000 м³. В плане оно представляет собой параллелограмм, который включает два параллелограмма, расположенных со смещением друг относительно друга и разделенных свободным пространством, образующим атриум (рис. 2). На цокольном этаже размещаются предприятия розничной торговли и услуг, кафе и рестораны, помещения для культурных мероприятий. Между цокольным и офисными этажами находится технический этаж, помещения которого используются для склада и архива. Далее идут две 16-этажные башни с офисными помещениями, занимающими на каждом этаже 750 м² полезной площади. Башни с офисными помещениями разделяются внутренним полностью застекленным атриумом высотой 50 м, придающим зданию сходство с воротами. Две 16-этажные башни опираются на сооружение для въезда в две ветки туннеля, а вверху они соединяются поперечным 3-этажным аттиковым пролетом (рис. 3). Здание по всему периметру имеет стеклянный фасад. В районе атриума он представляет собой обычную застекленную конструкцию с открывающимися фрамугами, а вся остальная часть здания имеет двойной фасад, разделенный по вертикали поэтажными перекрытиями. Внешняя часть двойного фасада представляет одинарное остекление, внутренняя часть двойного фасада выполнена из деревянных оконных рам с двойным остеклением из теплозащитного стекла. Пространство между внешней и внутренней частью двойного фасада глубиной 1,4 м или 0,9 м используется как проходимый на всем протяжении балкон.

Рисунок 3. Продольный разрез здания «Городские ворота Дюссельдорфа»

Проект

Застройщиком был назначен архитектурный конкурс, на который приглашались и иностранные участники. Согласно представлениям застройщика, в проекте должны быть реализованы инновационные идеи для рабочей среды с индивидуально организуемыми офисными помещениями, дополненными местами проведения досуга. Для этого должны быть использованы технические решения, безопасные для окружающей среды и реализующие концепцию энергосбережения.

Идея проекта победившей компании заключалась в возведении 70-метрового здания, в центре которого находится атриум высотой 50 м, придающий зданию сходство с воротами. Архитектор – Overdiek Petzinka & Partner.

Конструкция двойного фасада

Двойной фасад состоит из внешней части с находящимся за ней промежуточным пространством и внутренней части фасада (рис. 4). Внешняя часть фасада прежде всего служит для защиты от наружных климатических воздействий в виде дождя и снега. Кроме того, в ней расположены отверстия для притока наружного воздуха в вентиляционные короба и удаления отработанного воздуха из них, а также для проветривания промежуточного пространства и естественной вентиляции помещений. Одинарное остекление внешней части фасада создают отражающие стеклянные модули размером 3×1,5 м. В промежуточном пространстве фасада размещаются регулируемые устройства солнцезащиты, которые способствуют снижению теплопоступлений от солнечной радиации в помещения и, как следствие, снижению расхода холода в системе кондиционирования воздуха здания в теплое время года. Открывающиеся секции внутренней части фасада имеют рамную конструкцию, как правило, с двойным остеклением, что обеспечивает снижение теплопотерь в зимнее время.

Рисунок 4. Принципиальная конструкция двойного фасада	Рисунок 5. Разрез фасада с устройствами воздухозабора и воздухоудаления

Особенностью двойного фасада «Городских ворот Дюссельдорфа» является наличие горизонтального поэтажного открытого прохода по периметру здания и атриуму.

Внешняя часть фасада состоит из 12-миллиметровых стекол, крепящихся в точках, разнесенных на расстояние вытянутых рук, а снизу и сверху на каждом этаже упирающихся в вентиляционные короба (рис. 5). Приточные вентиляционные короба расположены в нижней части внутреннего пространства двойного фасада; вытяжные вентиляционные короба расположены в верхней части двойного фасада. Вентиляционные короба являются конструктивным элементом перекрытия двойного фасада и выполняют также функции защиты от воздействия наружного климата. Короба для приточного и удаляемого воздуха монтируются вместе с основными конструкциями фасада на одном поясе с чередованием направления воздушного потока. Отверстия приточного и удаляемого воздуха на фасаде можно видеть как пояса, идущие вдоль здания, на соседних этажах они находятся напротив друг друга. Короба для приточного и удаляемого воздуха монтируются с чередованием направления воздушного потока для предотвращения «коротких замыканий потоков воздуха» (поступления отработанного воздуха в приточное отверстие вышележащего этажа) (рис. 7). Внутри вентиляционного короба находится клапан с поворотными створками, предназначенный для регулирования количества воздуха и, при необходимости, полного перекрытия прохода воздуха. Отверстия для забора и удаления воздуха закрыты вентиляционными решетками для защиты от атмосферных осад-ков. Аэродинамическая оптимизация коробов была выполнена на основе моделирования методами вычислительной гидродинамики. При этом преследовалась цель создания равномерного потока воздуха и обеспечения низкого уровня шума.

Рисунок 6. Вид внешнего фасада: пространственное разделение каналов приточного и удаляемого воздуха

Как уже отмечалось, внутренняя часть двойного фасада состоит из деревянных клееных рам с двойным остеклением, высота которых соответствует высоте прохода. При помощи поворотных створок рамы могут отклоняться в сторону офисных помещений (открывается каждый второй элемент на оси) с целью естественной вентиляции офисных помещений.

Во внутреннем пространстве двойного фасада расположены жалюзи. В теплое время года в дневные часы они играют роль солнцезащитных устройств, уменьшающих поток солнечного излучения, попадающего в офисные помещения, в холодное время года – роль экрана, уменьшающего поток теплового излучения в ночные часы из помещений наружу, что способствует энергосбережению.

Рисунок 7. Распределение давления на поверхности здания по высоте на примере восточного фасада

Теплофизические характеристики конструкции двойного фасада

Приведенный коэффициент теплопередачи двойного фасада имеет достаточно низкое значение, равное 1,1 Вт/(м² • °С). Кроме того, использование «тепличного» эффекта днем и снижение теплового излучения от наружной поверхности внутреннего остекления двойного фасада в ночное время обеспечивают дополнительную экономию теплоты. Даже в ранние утренние часы при температуре наружного воздуха –10 °С и температуре внутреннего воздуха 21 °С средняя температура внутренней поверхности двойного остекления составляет около 16,5 °С. При тех же температурных условиях в обычных фасадах с окнами, имеющих значение приведенного коэффициента теплопередачи равной 1,6 Вт/(м² • °С), температура внутренней поверхности остекления составляет 14,5 °С.

Для снижения теплопоступлений в летнее время при использовании двойных фасадов важен не только правильный выбор материала и конструкции устройств солнцезащиты, но и их расположение во внутреннем пространстве двойного фасада. Регулируемое устройство солнцезащиты должно обдуваться потоком воздуха с боков и снизу, чтобы отводимая избыточная теплота под действием восходящих конвективных потоков «выводилась» вверх, а не проникала во внутренние помещения. Общий коэффициент проникания потока солнечной радиации через конструкцию двойного фасада составил не более 0,1, что подтвердили натурные измерения. Такое значение показателя для фасада с одинарной оболочкой может быть достигнуто только при использовании наружных пластинчатых отражателей.

Частой причиной использования установок кондиционирования воздуха в здании, размещенном в городе, является повышенный уровень внешнего шума при открытых окнах. Уровень звукового давления в районе размещения «Городских ворот Дюссельдорфа» составляет приблизительно 70–75 дБ(А) и вызывается в первую очередь транспортом. Для обеспечения приемлемой защиты от внешнего шума при открытых оконных створках во внутренней части фасада звукоизоляция должна обеспечить снижение уровня звуковой мощности ориентировочно на 15–20 дБ. Если принять, что внутренняя часть фасада обеспечивает снижение уровня шума на 5–10 дБ в зависимости от величины открытия створок, то на внешней стороне фасада и во внутреннем пространстве уровень шума должен снижаться на 10 дБ. При этом следует учитывать, что снижение уровня шума во внешней части фасада зависит от степени открытия отверстий для прохода приточного и удаляемого воздуха. Фактически снижение шума во внешней части фасада при открытом воздушном клапане эквивалентно почти 10 дБ(А), а при клапане, открытом на 10 %, – 20 дБ(А). Требования по снижению шума во внутренней части фасада могут быть достигнуты за счет увеличения звукоизоляции на внешней стороне фасада.

Оптимизация конструктивных параметров двойного фасада

При воздействии на фасад в летнее время прямых солнечных лучей во внутреннем пространстве фасада будет наблюдаться повышение температуры воздуха. Как показывают примеры из практики, при неверно выбранных конструктивных параметрах фасада температура воздуха внутреннего пространства может повышаться на 10 °С. Естественная вентиляция помещений здания в таких условиях должна быть значительно ограничена. Снизить температуру воздуха во внутреннем пространстве фасада возможно путем его вентилирования наружным воздухом. При этом должен быть обеспечен расход воздуха, необходимый для снятия перегрева, так что отверстия для притока и удаления воздуха на внешней части фасада должны иметь достаточные размеры для пропускания этого количества воздуха. В проекте «Городские ворота Дюссельдорфа» определено расчетом, что площадь сечения отверстий для прохода приточного и удаляемого воздуха должна составлять 0,15 м² на каждый метр периметра фасада. Было рассчитано, что температура воздуха во внутреннем пространстве фасада на среднем по высоте уровне не должна повышаться более чем на 4–6 °С при максимальном потоке солнечного излучения. Результаты расчетов были подтверждены натурными измерениями в летние месяцы, при этом повышение температуры воздуха во внутреннем пространстве зафиксировано ближе к нижней, чем к верхней границе указанного диапазона.

Повышение температуры воздуха во внутреннем пространстве фасада зависит от расхода воздуха, а он в свою очередь – не только от площади отверстий, но и от аэродинамического сопротивления по пути движения воздушных потоков. При этом наибольшее значение имеет гидравлическое сопротивление, определяемое внутренней геометрией вентиляционных коробов. Поэтому прежде всего необходимо стремиться к уменьшению именно этого сопротивления. Для этого в ходе разработки проекта были проведены многочис-ленные компьютерные расчеты, целью которых было достижение равномерного потока воздуха в вентиляционных коробах, т. к. даже небольшие углы и кромки могут вызывать завихрения воздушного потока, в значительной степени снижающие расход воздуха. При неблагоприятных условиях это может вызывать шум. Исследования по оптимизации конструкции вентиляционных коробов потребовали значительных затрат времени.

Как и предполагалось, в неоптимизированных в аэродинамическом отношении вентиляционных коробах при моделировании движения воздуха возникали обширные застойные и турбулентные зоны, повышающие аэродинамическое сопротивление и в условиях действия естественных сил уменьшающие расход воздуха. Для предотвращения таких явлений были сконструированы направляющие пластины, обеспечивающие наилучшие характеристики воздушного потока. Для жалюзи наружных решеток, защищающих от дождя, были выбраны хорошо обтекаемые потоком воздуха узкие профили, создающие незначительное сопротивление в условиях небольшого располагаемого естественного циркуляционного давления. Аэродинамическое сопротивление вентиляционных коробов удалось значительно снизить по сравнению с начальным значением. Оптимизация конструктивных параметров вентиляционных коробов также оказала положительное влияние на повышение температуры воздуха во внутреннем пространстве.

На внутренней поверхности внешней части фасада при определенных условиях может образовываться конденсат. Это явление возникает в холодное время года, когда влажный и теплый воздух из помещений попадает во внутреннее пространство двойного фасада, а температура на внутренней поверхности внешней части фасада становится ниже температуры точки росы. Однако при достаточно интенсивном вентилировании внутреннего пространства фасада наружным воздухом этот конденсат быстро исчезает.

Давление на поверхности двойного фасада

При испытаниях модели здания в аэродинамической трубе определялись давление в атриуме и аэродинамические коэффициенты на поверхности фасадов и крыше. При этом выявилось, что распределение давления на поверхности фасада по горизонтали везде отличается большой неравномерностью, в то время как изменение давления по высоте здания остается сравнительно постоянным (рис. 8). Более заметные изменения отмечаются только на верхних этажах (в аттиковом пролете), для которых из-за их протяженности по длине и без того необходимо независимое управление воздушными клапанами на фасаде. Поэтому на фасадах офисных помещений нет необходимости зонирования регулируемых воздушных клапанов по высоте. Угловые зоны прохода внутреннего пространства двойного фасада из-за значительного изменения давления в этих зонах отделены от основного пространства по горизонтали стеклянными перегородками. В середине внутреннего пространства фасада имеется отдельный участок с противопожарной лестничной клеткой, разделяющей проход. Тем самым становится излишним дополнительное разделение в горизонтальном направлении. Для контроля условий комфорта в офисных помещениях при повышенном давлении ветра на каждой башне проводятся измерения общего перепада давления между внешним фасадом и атриумом. Для этого достаточно четырех мест измерения в каждой офисной башне.

Модель здания «Городские ворота Дюссельдорфа»

Вентиляция двойного фасада

Как показано на рис. 6, отдельные элементы двойного фасада установлены по горизонтали в чередующемся порядке – как вентиляционные короба, так и отверстия для приточного или удаляемого воздуха. Это означает, что в каждом втором модуле производится либо забор, либо удаление воздуха из пространства двойного фасада. Забор наружного воздуха в двойной фасад производится через регулируемые воздушные клапаны, которые устанавливаются системой прямого цифрового управления зданием в соответствии с текущими наружными условиями в одно из трех положений: «закрыто», «открыто», «защита от дождя».

Если температура наружного воздуха и интенсивность солнечного излучения уменьшаются ниже определенного уровня, воздушные клапаны на внешнем фасаде закрываются. Оставляют открытыми только небольшие щели для предотвращения выпадения конденсата на поверхности остекления во внутреннем пространстве фасада.

При усилении ветра для обеспечения комфорта воздушные клапаны внешнего фасада вначале устанавливаются в промежуточное положение, а затем – полностью за-крываются. В случае, если ветер достигает интенсивности урагана, воздушные клапаны вновь открываются для снятия статической нагрузки. Наряду с этим пользователь всегда имеет возможность открыть оконные створки внутренней части фасада и проветрить свой офис путем естественной вентиляции. При этом может осуществляться ночное охлаждение отдельных офисов. Таким образом, реализуется регулирование, предусматривающее простое автоматическое открытие или за-крытие воздушных клапанов во внешней части фасада или оконных створок во внутренней части фасада самим пользователем.

Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала «АВОК».

Статья подготовлена по материалам публикаций «Die doppelschalige Fassade des Du..sseldorfer Stadttors», «Das Stadttor Du..sseldorf», «Praxis u..bertrifft Prognose», «Energiekonzept nach Mab» доцентом Московского государственного строительного университета (МГСУ) Е. М. Беловой.