Энергоэффективное здание - симбиоз мастерства архитектора и инженера

Табунщиков Ю. Энергоэффективное здание - симбиоз мастерства архитектора и инженера // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2002. №4. C.22-23

Проектирование энергоэффективных зданий прежде всего зависит от мастерства архитекторов и инженеров. При проектировании архитектор решает задачу использования наилучшим образом положительного энергетического влияния (воздействие) наружного климата и максимальной нейтрализации отрицательного влияния наружного климата на тепловой баланс здания. В это же время инженер решает задачу организации такой системы климатизации здания, которая с наименьшими затратами энергии обеспечивает требуемые параметры микроклимата в помещениях.

Одной из главных идей строительства в XXI веке является создание новой природной среды, обладающей более высокими комфортными показателями для градостроительства и являющейся в то же время энергетическим источником для климатизации зданий.

Замечательным примером гармонизации строительства объекта и природной среды является спортивный комплекс в Саппоро. 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.

Форма оболочки стадиона моделирует самолет, ?летящий? по направлению к господствующему ветру. 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.

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 [2]. Четырехэтажные зимние сады спирально окружают здание по высоте. Всего имеется 9 зимних садов, с которых открывается вид на город. 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.

Вполне естественным является 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 энергоэффективное 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, 3].

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 Qmin.

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 = Qmin/Q, (1)

где Qmin - 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 эксплуатационные 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 [3]:

h = h1 x h2, (2)

где h1 = Qарх min/Q;

h2 = Qинж min/Q;

Qapx min - затраты энергии на климатизацию здания с оптимальными архитектурными решениями; Qинж 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.

Библиографический список:

1. Tabunschikov Yu. A. Mathematical models of thermal conditions in buildings. CRC Press, USA, 1993.

2. ?Domus: Architecture Design Art Communication?, Italy, № 798, 1997, November.

3. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М. Научные основы проектирования энергоэффективных зданий. - ?АВОК?, № 1, 1998.