Климатизация атриумов

L. Stefanutti

Слово "атриум" латинского происхождения и означает просторное высокое помещение, располагающееся, как правило, при входе или в центре здания.

В последние годы этот термин в английском языке приобрел более широкое толкование (atriums или atria) и означает теперь архитектурный элемент, распространенный, главным образом, в странах Северной Европы и Соединенных Штатах, характеризующийся использованием остекления большой площади в целях организации естественного освещения помещений. Если вначале атриумы возводили, главным образом, внутри торговых центров, то очень быстро они стали привычным атрибутом гостиниц, административных центров, музейных и школьных зданий.

Причину широкого распространения атриумов в странах с холодными климатическими условиями следует искать как раз в насущной потребности создать комфортное помещение с естественным освещением в течение круглого года, пригодное для организации торговли, проведения развлекательных мероприятий и т. д. Применение фонарей и остекления большой площади (хотя, как мы вскоре увидим, и в рамках определенных ограничений) позволяет в максимальной степени использовать потенциал солнечной энергии и в некоторых случаях снижать расходы на организацию отопления. С одной стороны, успех атриумов можно объяснить предоставляемыми возможностями энергосбережения и стремлением создать внутри здания "естественные" по освещению и климату условия среды. С другой стороны, распространение атриумов, безусловно, происходит также по причинам эстетического характера, поскольку они стимулируют творческую работу архитекторов и подрядчиков.

Однако задачи по устройству атриумов усложняют жизнь проектировщикам-теплотехникам, так как в расчетах инженерных систем они должны учитывать изменение показателей излучения, конвективного перемещения воздушной массы, а также риски летнего перегрева, иногда превращающего помещения в настоящие парники.

Необходимо, следовательно, применение программ почасового тепломассообмена, на основе которых и составляются прогнозы динамического поведения здания. По опыту первых лет эксплуатации атриумов зачастую мы имеем неутешительные результаты, высветившие существенные трудности, которые возникают при попытках обеспечить комфортные условия. Главная причина этого - недостаточная изученность сложных термических процессов, происходящих в помещениях такого рода.

Архитектурные характеристики

С архитектурной точки зрения атриум - это, прежде всего, просторное помещение, высота которого составляет несколько этажей. Их конструктивная типология - самая широкая, различия - в геометрии, ориентации и зонировании помещений.

Атриум может иметь прямое сообщение с помещениями, расположенными на этажах здания, либо быть полностью изолированным, как, например, в тех гостиницах, где номера выходят на внутренние галереи и оборудованы независимой системой климатизации. В некоторых других случаях атриум образует "световой колодец" для прилегающих помещений, от которых он отделен окнами.

Перекрытия и наружные стены, как правило, светопрозрачные.

Исключение составляют атриумы, создаваемые внутри некоторых современных высотных зданий, таких как знаменитое здание банка "Гонконг-Шанхай", где огромный "глухой" атриум имеет естественное освещение, организованное при помощи системы зеркал, которые отражают и перенаправляют солнечные лучи, проходящие через боковые проемы.

Системы климатизации

Проектные условия среды, которые требуется обеспечить в зоне, занимаемой атриумом, варьируются в зависимости от назначения здания.

В атриумах гостиниц, административных и производственных зданий и учебных заведений требуются нормальные условия на уровне 25-26°С в летний период и 20-21°С в зимний период при относительной влажности 40-60 %.

При проектировании инженерных систем климатизации таких зданий существуют, в основном, следующие проблемы:

• влияние солнечного излучения на внутренний микроклимат;
• организация воздухообмена в помещениях большой площади со всеми вытекающими последствиями: стратификация, холодные воздушные течения и пр.;
• контроль климатических условий в зонах, прилегающих к центральному атриуму.

Экономия энергоресурсов, которую можно получить путем использования солнечного излучения, зависит от характеристик и назначения здания.

Экономия электроэнергии, расходуемой на освещение, может быть значительной, в то время как увеличение светопрозрачных площадей, несмотря на использование остекления, имеющего хорошие термоизолирующие свойства, ведет к росту нагрузки и по отоплению, и по охлаждению. Тем не менее, в торговых центрах, где обычно необходимы значительные нагрузки по охлаждению, обусловленные работой мощных светильников, применение естественного освещения может привести к снижению эксплуатационных расходов в летний период. Кроме того, следует отметить, что там, где атриум образуется путем перекрытия внутреннего двора либо соединением двух близстоящих зданий, итоговый тепловой баланс может быть существенно снижен, поскольку в этих случаях резко сокращается теплопереход через стены, выходящие в атриум.

Во всех случаях для оптимизации инженерных систем следует ограничить площади остекления до 35-40 % от общих площадей ограждающих конструкций.

Стратификация воздуха

Поскольку атриум - это помещение большой высоты, при проектировании системы климатизации нельзя игнорировать такое физическое явление, как стратификация, или, иначе говоря, повышение температуры на больших высотах.

При анализе данного явления следует учитывать различные факторы, оказывающие влияние на перемещение воздушных масс:

• эффект холодных стен;
• внутренние теплопоступления;
• тип распределения воздуха;
• инфильтрацию наружного воздуха;
• удаление воздуха на верхних участках.

Стратификация увеличивается с ростом температуры наружного воздуха и солнечной радиации.

Таким образом, при всех прочих равных условиях стратификация обостряется в летний период в зданиях, где велико соотношение между высотой и площадью в плане. Это обусловлено тем, что в высоком и узком атриуме нагретый воздух, имеющий меньшую плотность, поднимается вверх, сосредотачивается вблизи кровли, не успевая опуститься на более низкие уровни.

Климатизацию помещений такого типа можно организовать путем четкого деления всего пространства на две зоны - верхнюю и нижнюю, которые будут обслуживать две независимые системы.

Летний режим

В летний период тепло, накапливающееся в верхней части, отводится через вытяжные отверстия, имеющиеся в кровле или в стенах, либо за счет естественной вентиляции (рис. 1), либо путем включения вытяжных вентиляторов (рис. 2).

Естественная вентиляция в верхней зоне оказывается эффективной, если скорость ветра превышает 10 км/ч.

Для отвода нагретого воздуха с помощью вытяжных устройств можно использовать противопожарные системы отвода дымовых газов.

Когда наружная температура недостаточно низкая, можно прибегнуть к помощи механических систем охлаждения посредством охлажденной воды. Чтобы ограничить энергопотребление, воздухообрабатывающие станции должны оборудоваться автоматическим регулированием по наружному воздуху в целях максимально полного использования эффекта свободного охлаждения (free cooling). Кроме того, может оказаться целесообразным ночное охлаждение помещения, чтобы наибольшее значение наружной нагрузки не приходилось на период наибольшей плотности посетителей в помещении. При высоких показателях пиковой нагрузки можно, наконец, рассмотреть возможность применения накопительных систем охлаждения.

Зимний режим

При проектировании инженерных систем явление стратификации следует принимать во внимание и уметь использовать в зимний сезон. В отопительный период стратификация может стать причиной существенного роста теплопотребления, в частности, если кровля атриума представляет собой застекленную плоскость большой площади. Повышение температуры воздуха в помещении в направлении кровли может достигать 2°С на каждый метр высоты. При температуре воздуха в зоне нахождения посетителей 15°С и наружной температуре -10°С с повышением температуры в среднем на 1°С на 1 м в помещении высотой 5 м отмечается увеличение теплопотерь на 40 % по сравнению с помещением, где нет стратификации. В помещениях с высоким уровнем внутренних тепловыделений в ясную солн3ечную погоду тепло, накапливающееся в верхней зоне, можно использовать для отопления нижестоящих помещений посредством системы дестратификаторов, смонтированных непосредственно в помещении, либо с помощью системы отвода и рециркуляции воздуха (рис. 4).

Распределение воздуха

Оптимальная система подачи определяется типологией и размерами атриума. Возможно применение настенных воздухораспределителей, дальнобойных сопел или напольных диффузоров, а также, конечно, использование потолочных диффузоров.

Распределение от пола дает преимущество хорошей "промывки" помещения, однако требует тщательного расчета, чтобы скорость и температура подаваемого воздуха не были неприятны для людей, находящихся в помещении. При использовании напольных диффузоров отвод воздуха должен осуществляться сверху.

В качестве альтернативы напольным воздухораспределителям можно установить системы распределения воздуха традиционного типа с настенными эжекционными воздухораспределителями, которые позволяют предотвратить образование участков застоя нагретого воздуха за счет интенсивного перемешивания воздуха помещения.

Такая система является своего рода идеальным компромиссным решением для получения оптимальных условий в любое время года, хотя и влечет за собой перемешивание воздуха в обслуживаемой зоне и, как следствие, создание более высокой тепловой и охлаждающей нагрузки по сравнению с напольной системой.

Эффект холодных стен

Еще одни аспект, заслуживающий внимания, заключается в том, что в отсутствие солнечной радиации и при низкой наружной температуре возникает явление противоположное стратификации, когда температура воздуха вблизи кровли ниже, чем температура на уровне земли.

Это явление обусловлено утечкой тепла из теплого помещения наружу через кровлю посредством как теплопередачи, так и лучистого теплообмена между теплой кровлей и холодным наружным воздухом. Величина этой температурной инверсии составляет около 3-4°С при наружной температуре -1°С.

Влияние на смежные помещения

Системы кондиционирования воздуха атриумов должны не только обеспечивать комфортные условия в зонах, где находятся люди (как правило, в нижней части помещения), но и ограничивать в летний период распространение тепла из верхней части атриума в смежные с ним помещения.

В административных зданиях и торговых центрах, где многие помещения выходят непосредственно в атриум, возможные колебания термогигрометрических условий и перемещения воздушных масс в основном атриуме немедленно отражаются на состоянии воздушной среды этих помещений. В помещениях верхних этажей эффект камина ощущается в меньшей степени в силу меньшего дифференциала давления и возникает тенденция к застаиванию теплого воздуха. В таких помещениях необходимо предусмотреть систему приточно-вытяжной вентиляции наружным воздухом, чтобы предотвратить поступление нагретого воздуха из атриума путем подачи воздуха в помещение и вытяжки через атриум. Данная система обеспечит также эвакуацию через атриум дымовых газов на случай возникновения пожара. Если же смежные помещения физически отделены от основного атриума и оборудованы независимой системой климатизации, то все равно требуется учитывать явления передачи тепла, обусловленной разницей температур в этих помещениях и в атриуме.

Качество воздуха

Проблема качества воздуха в атриуме решается непросто, поскольку через объем помещения проходят табачный дым, запахи, пыль и пр. Ситуация становится хуже, когда атриум используется как воздушный короб для отвода воздуха из смежных помещений. Улучшить качество воздуха можно, прежде всего, если по возможности сократить или изолировать внутренние источники загрязняющих веществ посредством установки соответствующей системы фильтрации или нейтрализаторов вблизи таких источников. В атриумах торговых центров необходимо помимо прочего решать вопрос запахов, образуемых в результате работы предприятий общественного питания, для чего следует поддерживать в таких зонах слегка пониженное по отношению к остальному объему давление. Такие помещения должны оборудоваться системой вентиляции таким образом, чтобы по мере вытяжки отработанного воздуха в них не поступал воздух из атриума. И, наконец, представляется целесообразным установить в помещении датчики СО₂, что позволит сократить объемы подаваемого наружного воздуха в периоды малой заполняемости.

Пример реализации

В качестве примера мы рассмотрим атриум, образованный внутри комплекса административных зданий, расположенного в городке Булонь-на-Сене (Франция). Это восемь надземных этажей плюс подвал общей площадью нетто 2 500 м².

Особенность инженерного оборудования здесь состоит в том, что металлические опорные конструкции остекления оснащены водяной "ирригационной" системой (вода в системе - горячая или холодная - в зависимости от времени года), которая частично компенсирует потребности подачи или отвода тепла. Атриум образует единое пространство от подвала до восьмого этажа. В подвальном этаже размещаются ресторан и кафетерий, на первом этаже - холл со стойкой администрации и входные двери. Со 2 по 8 этажи атриум по бокам охватывают стены административных помещений, тамбуры ожидания лифтов. Наружный фасад образован вертикальной остекленной плоскостью во всю высоту. Кровля состоит из горизонтальной остекленной плоскости, смонтированной на высоте 33 м над уровнем земли. Общий объем атриума около 31 000 м³.

При выборе материала для остекления был достигнут компромисс между требованиями теплозащиты здания и его естественной освещенности. Горизонтальная остекленная плоскость выполнена из двухслойного стекла и имеет К=1,9 Вт/м² с индексом светопередачи 38 %.

Вертикальный остекленный фасад также двухслойный, К=1,6 Вт/м², светопередача 51 %.

Остекление окон кабинетов, выходящих в атриум, выполнено из простого стекла, К=5,8 Вт/м²·К.

Исходные данные для расчетов

В тепловых расчетах учитывалась внутренняя нагрузка по освещению 12,5 Вт/м². В здании использованы светильники декоративного типа, смонтированные под остеклением. Днем при естественном освещении их выключают.

Индекс заполняемости - один человек на каждые 35 м² в холле и один человек на каждые 10 м² на лифтовых площадках.

Летний баланс

В балансе учитывались следующие факторы:

• наружная нагрузка, обусловленная излучением, проникающим через горизонтальное и вертикальное остекление;
• наружная нагрузка, поступающая через наружные стены и холл;
• внутренняя нагрузка, обусловленная заполняемостью людьми и освещением;
• поглощение части нагрузки помещениями, смежными с атриумом, расположенными на верхних этажах, как путем теплопередачи, так и излучением.

В оценке средних температур в помещениях принималась во внимание высота потолков. Были приняты следующие значения температуры:

• 30°С под кровлей;
• 28°С со второго по восьмой этажи;
• 25°С в зоне, где находятся посетители.

В общей сложности тепловая нагрузка составляет 224 кВт, из которых следует вычесть нагрузку, поглощаемую смежными с атриумом административными помещениями (порядка 45 кВт).

В свою очередь, в расчете терминалов для административных помещений необходимо учитывать нагрузку, идущую от атриума.

Зимний баланс

Рассчитывается для наиболее неблагоприятных условий и без учета внутренней генерации. Теплопотери через остекление составляют 93 кВт.

Благодаря отличному коэффициенту К используемого стекла, опасность образования конденсата практически сведена к нулю, даже если влажность будет выше 65-70 %.

В ходе эксплуатации теплопотери частично компенсируются внутренними тепловыделениями от осветительного оборудования, которое смонтировано в арматуре остекления и включается на ночь или днем при недостаточном естественном освещении.

Системы климатизации

Пространство атриума климатизируется посредством различных систем.

Зоны ожидания перед служебными лифтами обслуживаются установками вентиляции, работающими только на наружном воздухе, который затем отводится в пространство атриума. Объем подаваемого воздуха составляет 12 800 м³/ч при температуре 25°С. Внутри атриума установлены панорамные лифты, соединенные мостиками на разных этажах: эти участки обслуживаются навесными вентиляционно-конвекторными установками общей охлаждающей мощностью 35 кВт.

Через металлические конструкции остекления пропускается вода, летом холодная (17°С), зимой теплая (38°С). Каждая из двух плоскостей остекления имеет независимый контур. Предусмотрены два пластинчатых теплообменника, холодный и горячий, с возможностью регулировать температуру вторичного контура посредством двухходового клапана, установленного в первичном контуре.

Общая охлаждающая мощность составляет 44,6 кВт для горизонтального остекления (то есть 25 % своей излучающей нагрузки) и 18,6 кВт для вертикального остекления (38 %).

Тепловая мощность, производимая системой, равна теплопотерям.

Чтобы под кровлей поддерживать температуру ниже 30 С, производят "промывку" воздуха в помещении снизу вверх и отвод наружу нагретого воздуха через открывающиеся проемы, имеющиеся в горизонтальном остеклении.

Воздух, поступающий в атриум, идет из зон, расположенных на подвальном этаже (10 000 м³/ч при температуре 25°С) и, как отмечалось выше, с лифтовых площадок (12 800 м³/ч при той же температуре 25°С), общей охлаждающей мощностью 39 кВт.

Для отвода остальной охлаждающей нагрузки порядка 61,8 кВт на уровень подвального этажа подается воздушная масса объемом 11 500 м³/ч температурой 14°С.

Воздухобрабатывающая станция работает на рециркуляции с автоматическим регулированием объема наружного и рециркуляционного воздуха.

Когда температура воздуха под кровлей превышает 30 С, в остеклении открываются вытяжки (кстати, они необходимы и для возможного отвода дымовых газов) и система переходит полностью на наружный воздух.

Когда температура опускается ниже 30°С, вытяжки закрываются и станция возвращается к перемешиванию воздушных масс.

Сеть температурных датчиков смонтирована под несущей конструкцией на таком уровне, чтобы избежать теплового воздействия осветительного оборудования.

Перепечатано с сокращениями из журнала RCI.

Перевод с итальянского С. Н. Булекова.

Научное редактирование выполнено Ф. А. Шилькрот - гл. специалистом МОСПРОЕКТ-3,