Архитектурно-конструктивные принципы и инновации в строительстве зданий со светопрозрачными наружными оболочками

 

Зарождение и развитие философии «стеклянной архитектуры» и на  сегодняшний день продолжает  волновать человечество, несмотря на кратковременные периоды отторжения и справедливой критики. Эта идея не останавливается в своем развитии. В технически развитом сообществе она постепенно обрастает опытом «работы над ошибками», выдвигая новые задачи и противоречия, которые еще предстоит разрешить профессионалам в будущем.

 

Объективность оценки требует называть этот процесс далеко не законченным. Таким образом, справедливо будет говорить не о каких-либо точно сформулированных рекомендациях, а о подведении некоторых промежуточных итогов и новых технических идеях, определяющих тенденции развития на обозримое десятилетие. Очевидно, что наряду с кропотливой и явно необходимой работой по созданию научной и нормативно- технической базы в области светопрозрачных конструкций, это десятилетие будет характеризоваться и непосредственно углублением самой идеологии «стеклянного здания», которое недвусмысленно прослеживается в архитектуре и экономике строительства современной Европы.

 

Необходимо отметить, что при динамичном развитии технологий и многочисленных исследовательских проектах среди европейской научной общественности, архитекторов и строительных инженеров до сих пор не существует единого мнения по поводу того, каким должно быть это «стеклянное здание» будущего. Скорее мы можем наблюдать разнообразие часто противоречивых теорий и мнений, вращающихся вокруг двух основных смысловых направлений, приоритетных для современного строительства и архитектуры европейских стран.

 

 Мистическая идея Миса Ван дер Роэ, выражающая единение человека с природой, формирует основу современной концепции экологичного здания нового типа, часто обозначаемую словосочетанием Green House (от англ. — «зелёный дом»). Наряду с этим, современное европейское сообщество всерьёз обеспокоено растущими выбросами в атмосферу углекислого газа СО2 — продукта сжигания топлива, расходующегося на отопление зданий. По мнению исследователей, это является основной причиной глобального потепления климата, сопровождающегося природными катастрофами, доля которых за последние десятилетия на европейской территории резко возросла. Аномальная жара и засуха в Центральной России летом 2010 года дополнительно обострила вопрос о неконтролируемом выбросе в атмосферу тепла, теряемого из отапливаемых зданий в зимнее время в крупных густонаселённых городах и промышленных центрах.

 

 Таким образом, может быть сформулирован второй базовый постулат строительной науки, связанный с разработками в области снижения общего потребления энергии зданиями, сокращения теплопотерь в окружающую среду, а также поисков возможного использования альтернативных энергетических ресурсов — солнца, ветра и геотермальных источников.

 

В известном смысле мы можем говорить о формировании некоторого нового мировоззрения в архитектуре, сочетающего в себе два противоречивых и возможно взаимно исключающих фактора. С одной стороны, единство с природой и улавливание зданием солнечной энергии может быть обеспечено только при наличии в здании большого количества панорамного и кровельного остекления. С другой  — наличие большого количества остеклённых поверхностей в наружной оболочке порождает комплекс технических проблем, окончательное решение которых на современном этапе пока не найдено. Тем не менее, современная европейская практика представляет собой последовательно развивающийся процесс, направленный на поиск компромисса, выражающегося в некоторой принципиально иной рационалистической философии здания со светопрозрачной наружной оболочкой.

 

Так, в частности, профессор Университета Эксплуатации зданий и Энергетического проектирования г. Брауншвейга (Германия) Др-р М. Норберт Фисч отмечает: «Можно конечно запроектировать любое здание, даже нелепое, с полностью стеклянной наружной оболочкой и сверхдорогой системой обслуживания — современные достижения в инженерных методиках и уровень развития производственных технологий позволяют архитекторам и инвесторам осуществлять это неограниченно по всему земному шару.

Возможно, эти импозантные проекты необходимы для демонстрации технических возможностей (аналогично Формуле-1 в автомобиле строении), однако с точки зрения энергоэффективности и экологии они совершенно бессмысленны… Приоритетом сегодняшнего дня является проектирование энергоэффективных зданий с высоким уровнем эксплуатационного комфорта и нанесением минимального вреда окружающей среде».

 

Немецкий архитектор Штефан Бехниш формулирует своё видение здания нового типа следующим образом. «Проектирование более реалистичных и жизнеспособных зданий, безусловно, оказывает влияние на процесс формообразования и композиционное решение фасадов, однако включает в себя и некоторые другие аспекты. В качестве примера могут быть названы два таких принципиально значимых фактора, как используемые материалы и организация приточной вентиляции. Со временем должна отмереть идея использования подвесных потолков (имеется в виду как пространство для размещения вентиляционного оборудования —прим. переводчика). Несущий каркас здания должен будет обладать достаточной массивностью для того, чтобы иметь возможность стабилизации теплового режима в здании. Это окажет влияние не только на этажность, но и на композиционное решение фасадов. Более того, в будущем возникнет принципиальная разница в подходах к проектированию фасадов, различно ориентированных по сторонам света — южные фасады будут менее открытыми по сравнению с северными.

 

 При проектировании жилого здания, прежде всего, необходимо думать не о летнем охлаждении, а об отоплении в зимний период. Для помещений административно-офисных зданий высокие тепловыделения от технологического оборудования выдвигают на передний план проблему летнего охлаждения. Очевидно, что по сравнению с обеспечением зимнего теплового режима, это на порядок более сложная задача. Поскольку мы больше не можем позволить себе в качестве генеральной концепции искусственное кондиционирование, необходимо найти какое-то иное удовлетворительное решение… В общем смысле мы должны думать о здании, обладающим изменяемыми свойствами, применительно ко времени года». Возрастающие требования к теплозащитным качествам светопрозрачных конструкций, заставляют задуматься о необходимости качественного скачка, как в технологиях, так и в принципиальных подходах к разработке архитектурно-конструктивных решений светопрозрачных оболочек. Так, если до 2008 года в Германии требуемое приведенное сопротивление теплопередаче окон составляло порядка R= 0,66 — 0,71м2 о С/ Вт; в 2009 году — R= 0,83 — 1,00м2 оС/ Вт, то к 2012 году требования нормативов достигнут R= 1,00 — 1,25м 2 о С/ Вт. Наряду с особенностями экономики, динамика роста теплозащитных показателей отражает тенденции к достижению предела возможностей массовых стеклопакетов. В европейской строительной практике решение указанной проблемы в основном развивается в области разработки вакуумных стеклопакетов, поиски оптимальных технологий производства которых ведутся сегодня по всему миру, а также разнообразных концептуальных решений систем светопрозрачных «двойных фасадов». Применительно к стеклопакетам вакуумирование разработано с целью полного устранения теплопотерь за счет теплопроводности и конвекции в воздушной прослойке между листами стекла. Современные тенденции в области конструирования стеклопакетов такого типа развиваются по пути создания герметичного светопрозрачного заполнения, состоящего из двух листовых стекол (толщиной порядка 4мм) расположенных параллельно друг другу на расстоянии от 0,2 до 0,5 мм. Для обеспечения вакуума в межстекольном пространстве воздух откачивают с помощью вакуумного насоса через специальное отверстие, уменьшая давление внутри до 10 –3Па, и соответственно увеличивая нагрузку на стекла до 10 тонн на 1 м2 в нормальных эксплуатационных условиях (под действием атмосферного давления). Для предотвращения «раздавливания» стеклопакета давлением атмосферы, в межстекольном пространстве устанавливают матрицу прокладок (спейсеров), в наиболее распространённом случае представляющих собой стеклянные шарики. По периметру стеклопакет герметично заваривается лазерным лучом или методом «холодного» соедине ния с помощью индия и плотного слоя эпоксидного герметика. Для повышения теплозащитных характеристик вакуумных стеклопакетов (снижения интенсивности теплообмена за счёт радиации) в них могут быть использованы низкоэмиссионые стёкла с напылением. Согласно теоретическим расчетам, сопротивление теплопередаче таких стеклопакетов может достигать 2,0 м2 °С/Вт.

 

Основной идеей энергетической концепции «двойного фасада» является создание некоторой дополнительной буферной зоны между основной светопрозрачной оболочкой здания, обеспечивающей основные теплозащитные функции, и наружной средой. Технически это осуществляется за счёт наружного светопрозрачного экрана «в одно стекло», выполняемого в различных конструктивных вариантах, дифференцируемых по характеру крепления и степени воздухопроницаемости.

 

 

 

Рис.1.

Общая энергетическая концепция «двойного светопрозрачного фа-

сада» — создание буферной зоны между основной светопрозрачной

оболочкой здания и наружной средой.

 

 

 

В результате одновременного снижения ветрового давления на основной теплозащитный контур остекления, наряду с некоторым подогревом буферной зоны от зимнего солнца, в отопительный период температура воздуха в промежуточном пространстве двойного фасада оказывается на несколько градусов выше температуры окружающей среды. Таким образом, для проветривания помещений подаётся более тёплый приточный наружный воздух — происходит существенное снижение энергозатрат на его подогрев, снижаются общие теплопотери здания за счёт вентиляции и, соответственно — нагрузка на систему отопления.

 

Наряду с расширением возможностей в формировании микроклимата, отражённых в многочисленных публикациях, системы «двойных фасадов», а также менее известные «двойные стеклянные кровли», построенные по аналогичному признаку, позволяют в значительной степени повысить такие показатели светопрозрачной оболочки как надёжность, долговечность и ремонтопригодность.

 

Несомненно, что перераспределение функций между наружным защитным экраном «в одно стекло» и основным функциональным контуром остекления из стеклопакетов, значительно разгружает стеклопакет — полностью снимает с наружного стекла пакета нагрузку от ветра (в светопрозрачных кровлях — от снега), стабилизирует и снижает циклические знакопеременные напряжения в наружном стекле и краевой зоне, вызываемые климатическими нагрузками. Важным преимуществом двойного фасада является возможность размещения в буферной зоне солнцезащитных устройств, уязвимых к воздействию атмосферных осадков и ветра.

 

Помимо конструктивных преимуществ, связанных с возможностью перераспределения нагрузок воспринимаемых светопрозрачной оболочкой, «двойной фасад» несомненно расширяет и рамки архитектурного творчества, позволяя снять зрительные ограничения в пропорциональном соотношение стекла и непрозрачных частей при новом строительстве, и создавая новый стиль для реконструируемых зданий.

 

 




 

 

Рис. 2.Архитектурные решения зданий

с двойными фасадами.

а)в новом строительстве;

б)при реконструкции

 

Разработки в области двойных фасадов, приоритетно характерные для стран Северной Европы, тесно увязаны с противоречивой и много обсуждаемой проблемой использования зданиями солнечной энергии. Энергетическая мощность солнечного излучения, достигающего поверхности Земли,достигает 1100 Вт/м2 — таким образом, один час солнечного света в среднем эквивалентен энергии в 0,1 литра угольного топлива. По

данным 1985 года доступное на нашей планете количество солнечной энергии превышало общемировую потребность в энергии приблизительно в 2 500 раз!

 

 В настоящее время принципиальные подходы к использованию солнечной энергии в системах инженерного оборудования зданий, уже достаточно хорошо известны и реализованы в южных странах на уровне массового строительства.

 

 

Рис.3.

Коллектор горячей воды на крыше жилого дома, обогреваемый прямым солнечным теплом и дополнительными солнечными батареями.

О. Кипр.

 

 

 Не менее хорошо известны и отработаны принципы преобразования солнечной энергии в электрическую при помощи фотогальванических модулей (ФГ-модулей), обеспечивающих значительную экономию электроэнергии в летнее время даже в умеренных климатических зонах средней Европы.

 

 

 



 

 

Рис.4.

Использование фотогальванических модулей

в зданиях различного назначения. Германия.

 

 

 

Вместе с тем, возможность использования солнечной энергии непосредственно для отопления внутреннего пространства здания наталкивается на целый комплекс проблем, принципиально сходных для строительства по всему миру.

 

Основной технический парадокс заключается в том, что дополнительные резервы энергии для систем отопления необходимы в отопительный период, а максимальная солнечная активность наблюдается в летние месяцы, когда поступления тепла во внутреннее пространство здания крайне нежелательны. Более того, интенсивность теплового воздействия солнечной радиации летом настолько высока, что мы вынуждены искать разнообразные способы защиты помещений здания от её негативного воздействия.

 

Наибольшая доля солнечной радиации поступает на кровлю с максимумом в летние месяцы, когда максимальная степень облучения поверхности солнцем совпадает с годовым максимумом температур наружного воздуха. Это, в свою очередь, говорит о том, что использование светопрозрачной кровли в качестве улавливателя солнечной энергии будет сопровождаться значительным перегревом находящегося под ней пространства. Таким образом, помещение, располагаемое под коллектором солнечного тепла в виде стеклянной кровли, не может иметь никакой другой полезной функциональной нагрузки; а прямое перераспределение тепла в другие помещения в жаркие летние месяцы является также нежелательным.

 

Наиболее привлекательная картина наблюдается для вертикальных фасадов южной ориентации, где максимум поступления солнечного тепла на средних и северных широтах совпадает с отопительным периодом. Этот фактор определяет основной акцент в проектировании «солнечных домов», разрабатываемых на экспериментальном уровне в европейских странах именно на использовании южного фасада в качестве улавливателя солнечной энергии. Экономическая эффективность таких решений тесно увязана с климатическими особенностями района строительства и определяется соотношением затрат на возведение «солнечного дома» с количеством солнечной энергии, которая может потенциально улавливаться южным фасадом на данной широте.

 

Вместе с тем, как показывает опыт европейских проектов, этот подход также наталкивается на наиболее болезненную для полностью остеклённых фасадов проблему солнечного перегрева.  Наряду с высокой долей солнечного тепла, поступающего через южный и юго-западный фасад в отопительный период, она не менее высока и в жаркие летние месяцы.

 

Решение проблемы перегрева остеклённых помещений является наиболее эффективным при условии применения систем дополнительной наружной солнцезащиты в комбинации с солнцезащитными стёклами. В качестве альтернативы дорогостоящему летнему кондиционированию, в странах средней и северной Европы часто используется принцип сочетания систем наружной солнцезащиты с разнообразными режимами управляемого интенсивного охлаждения здания (особенно в ночное время) за счёт естественной или принудительной вентиляции.

 

 

 



 

 

Рис.5.

Организация  естественного воздухообмена в зданиях с полностью остеклёнными фасадами.

а)Концепция охлаждения внутреннего пространства здания в летнее время за счёт комбинированной системы приточной вентиляции и наружной солнцезащиты (Концепция Здорового Здания, Ренсон, Бельгия);

б)Открывающиеся окна, расположенные за экраном на ружной солнце защиты.

в) Вентиляционные приточные клапаны

 

 

 

Наиболее простой и дешёвый способ организации приточной вентиляции в зданиях с полностью остеклёнными фасадами, основывается на подаче наружного приточного воздуха через открывающиеся окна или специальные приточные клапаны, располагаемые в плоскости остекления, приоритетно на северном фасаде. Создаётся эффект сквозного проветривания, аналогичный использовавшемуся в бывшем СССР при проектировании зданий для крайних южных районов (Ташкент, Ашхабад и т.п.). Предотвращение поступления в здание перегретого наружного воздуха в дневное время суток достигается за счёт расположения вентиляционных окон или клапанов южного фасада за экраном наружной солнцезащиты.

 

 В любом случае, очевидно, что круглогодичный цикл эксплуатации здания с большими площадями остеклённых ограждений предполагает гораздо большую долю энергозатрат по сравнению с традиционными сооружениями, а «стеклянная архитектура» является наиболее проблемным звеном в общеевропейской концепции здания будущего с «нулевым» или положительным энергетическим балансом.





Компания "Сибирь" может предложить Вам:




Возврат к списку