Действительно, ветровое давление пропорционально квадрату скорости ветра, которая возрастает с увеличением высоты (подробнее об этом [8]). В связи с этими трудностями воздухообмен в высотных зданиях регулируется, системой кондиционирования воздуха.

Вместе с тем, в последние годы были проведены множественные многозначительные исследования, которые позволили разработать конструктивные решения по использованию естественной вентиляции. Эти решения были реализованы, например, в высотных зданиях «Commerzbank» (259 м) и «MAIN TOWER» (200 м), построенных в Германии [3].

Естественная вентиляция имеет ряд преимуществ по сравнению с системами кондиционирования воздуха. Это, например, субъективное ощущение улучшения качества микроклимата людьми, длительное время находящимися в помещениях, и возможное снижение затрат энергии на климатизацию здания.

Зарубежное исследование 480 офисов показало, что большинство служащих (89 %) предпочитают здания без системы кондиционирования воздуха, главным образом, изза возможности естественного проветривания путем открывания окон и лучшего естественного освещения [4]. Кроме этого, люди, находящиеся в помещении с естественной вентиляцией, более терпимы и допускают более широкий диапазон колебаний температуры воздуха в помещениях [5], что позволяет снижать затраты энергии на климатизацию зданий.

В ряде случаев использование естественной вентиляции позволяет снизить затраты энергии на климатизацию здания, причем помимо эффекта прямой экономичности энергии может быть реализован и эффект косвенной экономичности за счет более гибкого регулирования параметров микроклимата помещения при использовании естественной вентиляции. Например, может применяться естественное проветривание здания в ночное время с целью охлаждения массивных ограждающих конструкций прохладным ночным воздухом, что позволяет снизить как пиковый, так и общий расход электроэнергии [6].

Использование естественного проветривания в двух упомянутых выше высотных зданиях («Commerzbank» и «MAIN TOWER») стало возможным благодаря применению окон специальной конструкции, причем использовались совершенно разные подходы: в здании «Commerzbank» естественное проветривание осуществляется посредством двухслойного вентилируемого фасада, а в здании «MAIN TOWER» — посредством окон специальной конструкции с оконными створками, выдвигаемыми параллельно фасаду.

Определяющими при выборе той или иной конструкции окон являлись вопросы, связанные с аэродинамикой, но требовался учет и других факторов, в частности солнцезащиты.

В предлагаемой ниже аналитической статье проанализированы этапы выбора конструкции окон в здании «MAIN TOWER». Проектировщиками рассматривались несколько вариантов конструкции окон, обеспечивающих принцип. возможность естественного проветривания помещений.

В частности, предлагались следующие варианты:

• Двухслойный вентилируемый фасад с вертикальной вентиляционной шахтой шириной 200 мм, проходящей по всей высоте здания или разделенной на несколько отдельных секций. Наружный слой представляет собой одинарное стекло, внутренний — наклонноповоротный стеклопакет. Проветривание помещений осуществляется при наклонном положении внутреннего стеклопакета или через приточные и вытяжные устройства, расположенные в верхней и нижней части оконной коробки.

• Двухслойный вентилируемый фасад со щелевыми отверстиями в верхней и нижней части наружного слоя. Наружный слой выполняет роль ветрозащитного экрана и представляет собой одинарное стекло, внутренний слой — наклонноповоротный стеклопакет. Проветривание помещений осуществляется при наклонном положении внутреннего стеклопакета.

• Заполнение светопроема — двойное остекление. Проветривание помещений осуществляется посредством наклонной фрамуги в верхней части окна.

• Остекление стеклопакетами. Проветривание помещений осуществляется при выдвигании параллельно фасаду (на расстояние от 1 до 200 мм) оконных створок.

Подробное описание этих вариантов приведено ниже.

I. Двухслойный вентилируемый фасад с вертикальной вентиляционной шахтой
Одним из рассматриваемых вариантов являлся двухслойный вентилируемый фасад с размещенной в нем вертикальной вентиляционной шахтой ( .

В соответствии со сложившейся международной терминологией, этот вариант принято относить к так называемым «двойным фасадам».

В работе [7] отмечено, что, хотя в последнее время такие фасады получили широкое распространение, в настоящее время у специалистов сложилось неоднозначное отношение к таким решениям. Наряду с достоинствами, концепция «двойного фасада» имеет и ряд недостатков, в частности высокие капитальные и эксплуатационные затраты, связанные с трудностью очистки внутренних поверхностей; нет единого мнения среди специалистов о влиянии двухслойных фасадов на теплопотери зданий.

В рассматриваемом варианте двухслойного вентилируемого фасада наружный слой представляет собой одинарное стекло, внутренний — наклонноповоротный стеклопакет смешанной деревянноалюминиевой конструкции. Расстояние м. наружным и внутренним слоями составляет 200 мм. В промежутке м. окнами расположена вертикальная вентиляционная шахта. В разных вариантах конструкции эта шахта может либо проходить по всей высоте здания, либо разделяться на несколько секций ( ниже).

Внутренний стеклопакет в наклонном положении обеспечивает принцип. возможность естественного проветривания помещений, а в поворотном, помимо проветривания, доступ к внутренним поверхностям фасада (например, для очистки). В случае, если внутренний стеклопакет находится в закрытом положении, для обеспечения воздухообмена используются приточные и вытяжные устройства, расположенные соответственно в нижней и верхней части оконной коробки.

м. наружным стеклом и внутренним стеклопакетом располагаются солнцезащитные устройства — шторыжалюзи. Такое (вне обслуживаемого помещения) расположение солнцезащитных устройств наиболее эффективно, поскольку в этом случае обеспечивается как защита от яркого света, так и значительное снижение теплопоступлений с солнечной радиацией. Солнцезащитные элементы, расположенные непосредственно в помещении, обеспечивают хорошую защиту от прямых солнечных лучей и яркого света, но теплопоступления с солнечной радиацией в этом случае могут приводить к перегреву помещений.

Первый вариант конструкции предусматривал размещение в вентилируемом фасаде непрерывной вентиляционной шахты от второго до пятьдесят первого этажа, что позволило бы обеспечивать естественное проветривание помещений, расположенных рядом с шахтой.

Для обеспечения требуемого воздухообмена необходима разность плотностей воздуха в шахте и наружного воздуха. Помимо гравитационных сил, на формирование воздушных потоков значительное влияние оказывает ветровое воздействие, и силы сопротивления (трение) внутри вентиляционной шахты; и ветровое воздействие, и гравитационные силы, действием которых обусловлена естественная вентиляция, для высотных зданий достигают значительных величин.

Следствием ветрового воздействия на здание являются два важных явления. Одно из них — следствие закона Бернулли: при обтекании здания воздушным потоком возникают зоны ускоренного и замедленного течения, и, соответственно, области повышенного и пониженного давления.

Обычный пример такого явления для зданий — образование зоны разрежения на наветренном скате кровли.

Учет влияния этого явления позволяет, например, в зависимости от формы здания, направления и скорости преобладающих воздушных потоков правильно разместить приточные и вытяжные отверстия на фасадах и на покрытии здания, что важно при проектировании не только естественной, но и механической вентиляции.

Второе важное явление, возникающее вследствие ветрового воздействия на здание — эффект трубки Вентури. Этот эффект представляет собой ускорение ламинарного воздушного потока при прохождении через плавное сужение, что приводит к снижению давления в зоне сужения. Эффект Вентури может возникать при прохождении воздушного потока м. двумя высотными зданиями, расположенными достаточно близко друг от друга, поэтому при проектировании высотного здания требуется учет не только его аэродинамики, но и прилегающей городской застройки [8].

Эффект Вентури может быть использован при проектировании вытяжной вентиляции. Например, для того, чтобы переместить нейтральную зону как можно ближе к уровню крыши, создатели здания «RWE AG» (127 м) в Эссене, Германия, разместили над вытяжной шахтой выпуклый диск специально подобранной формы ( . Благодаря эффекту Вентури над вытяжной шахтой создается разрежение, что позволяет сместить нейтральную зону ближе к уровню кровли и более эффективно удалять загрязненный воздух из здания ( .

Естественная вентиляция, обусловленная гравитационными силами, приводит к образованию нейтральной зоны вблизи средней части шахты независимо от разности температур воздуха в шахте и наружного воздуха. Это может привести к тому, что загрязненный вытяжной воздух будет поступать в помещения верхних этажей.

Для того, чтобы сместить нейтральную зону как можно ближе к уровню крыши здания, необходимо увеличить длину шахты.

Другим способом смещения нейтральной зоны является разделение вентиляционной шахты по вертикали на несколько секций, в каждой из которых создается собственная нейтральная зона.

Проведенные при проектировании здания «MAIN TOWER» расчеты [2] расходов воздуха (использовались методы математического моделирования) подтвердили, что в варианте с вентилируемым фасадом нейтральная зона будет расположена вблизи средней (по высоте) части здания. Поэтому следующим этапом предпроектных исследований стало разделение вентиляционной шахты на три секции, что позволило сместить нейтральную зону и минимизировать перетекание удаляемого воздуха в помещения верхних (для каждой секции) этажей.

На 4А представлены результаты расчета расходов воздуха (м3/ч) при естественной вентиляции, обусловленной действием только гравитационных сил при разности температур удаляемого и наружного воздуха t = 10 °С. В этом случае только на 17, 33—34 и 48—51 этажах воздушные потоки направлены из вентиляционной шахты в помещения. но в случае даже небольшого ветра направление и величина воздушных потоков существенно меняются.

На 4Б и 4В представлены результаты расчета расходов воздуха соответственно на наветренном и заветренном фасадах здания при ветре, v которого составляет 3,4 м/с (такой ветер относится к легкому — 2 балла по шкале Бофорта). В этом случае вентиляция является недостаточной для большего числа помещений ( схему).

проведенные расчеты показали, что рассматриваемый вариант конструкции (двухслойный вентилируемый фасад с вертикальной вентиляционной шахтой) является неприемлемым для высотных зданий. Его применение оправдано только в зданиях, в которых число этажей не превышает 8—10.

II. Два варианта наружных ограждающих конструкций, обеспечивающих принцип. возможность естественного проветривания помещений:
На следующем этапе предпроектных исследований рассматривались и сравнивались м. собой два других варианта наружных ограждающих конструкций, обеспечивающих принцип. возможность естественного проветривания помещений. Эти варианты представляли собой двухслойный вентилируемый фасад с щелевыми отверстиями в верхней и нижней части наружного слоя, обеспечивающими поступление наружного воздуха, и заполнение светопроема — двойное остекление, в котором проветривание осуществляется наклонной фрамугой в верхней части окна.

Двухслойный вентилируемый фасад со щелевыми отверстиями, как и первый вариант, относится к «двойным фасадам». Наружный слой двухслойного вентилируемого фасада представляет собой одинарное стекло, внутренний — наклонноповоротный стеклопакет, м. которыми располагаются солнцезащитные устройства — шторыжалюзи ( .

Рассматривались варианты с различным расстоянием м. наружным и внутренним слоями.

В отличие от варианта с вентиляционным каналом, поступление наружного воздуха обеспечивается щелевыми отверстиями, расположенными в верхней и нижней части наружного слоя, который в данном случае выполняет роль ветрозащитного экрана, и снижает конвективный тепловой поток м. поверхностью здания и наружным воздухом. Размеры щелевых отверстий также могут быть различными.

При неблагоприятных погодных условиях (в холодную погоду) промежуток м. двумя слоями образует статичную воздушную прослойку, обладающую хорошими теплоизоляционными св. При проветривании помещений наружный воздух поступает в промежуток м. слоями (скорость воздушных потоков при этом уменьшается), а затем в помещение. Такой вариант наружных ограждающих конструкций используется в высотном здании «Commerzbank» (259 м) ( , и и в других зданиях, например в здании мэрии Лондона [9].

В варианте с двойным остеклением для проветривания помещений используется наклонная фрамуга, расположенная в верхней части окна ( . В этом варианте не предусмотрено никаких устройств, уменьшающих v воздушных потоков. Для снижения теплопоступлений с солнечной радиацией на наружное стекло нанесено специальное покрытие, а для защиты от яркого солнечного света используются внутренние солнцезащитные устройства.

Для сравнения двух вариантов были рассчитаны кратности воздухообменов в помещениях с этими вариантами наружных ограждений. Требуемая кратность воздухообмена в офисном помещении составляла 2–2,5 1/ч. Кратность воздухообмена зависит от скорости и направления ветра, угла открытия наклонноповоротного стеклопакета или фрамуги, размера щелевого отверстия в двухслойном фасаде.

На 8 представлена зависимость кратности воздухообмена в помещениях, расположенных на наветренной и заветренной сторонах здания, от угла открытия окна при скорости ветра 3,4 м/с, для вариантов с двухслойным вентилируемым фасадом со щелевым отверстием 18 мм и окна с двойным остеклением.

В варианте с двухслойным вентилируемым фасадом в помещениях, расположенных на заветренной стороне здания, требуемый воздухообмен не обеспечивается даже при больших углах открытия окна. Для обеспечения требуемого воздухообмена размеры щелевого отверстия должныбыть увеличены (по расчетам проектировщиков, примерно до 35 мм).

В этом варианте при открытии окон на угол, превышающий 45°, кратность воздухообмена изменяется незначительно. В варианте окна с фрамугой в верхней части при увеличении угла открытия фрамуги кратность воздухообмена интенсивно возрастает, поскольку отсутствует ветрозащитный экран.

На 9 приведены зависимости кратности воздухообмена для двух вариантов конструкции при полностью открытых окнах в помещениях различной ориентации при югозападном ветре со скоростью 3,4 м/с. При открытии фрамуг на угол 45° в помещениях, расположенных с наветренной стороны, кратности воздухообмена достигают весьма больших значений, при которых использование естественного проветривания становится невозможным.

В то же время минимальная кратность воздухообмена (в помещениях, ориентированных на северовосток, т. е. расположенных с заветренной стороны здания) превышает требуемую, поэтому при господствующих ветрах использование естественного проветривания любых помещений возможно с обеими вариантами конструкции окон.

Воздушный зазор м. поверхностями двухслойного фасада может быть различных размеров: от узкого промежутка, служащего только для вентиляции и размещения солнцезащитных устройств, до промежутков, в которых может разместиться человек (например, для мытья стекол), и даже промежутков в виде отдельных помещений, в которых располагается, например, зимний сад (подробная классификация приведена в [7]).

На 10 приведены результаты расчета воздухообменов в помещениях с двумя вариантами двухслойного фасада: с расстоянием м. плоскостями 50 мм и 300 мм при югозападном ветре со скоростью 3,4 м/с. Кроме расстояния м. плоскостями, на величину притока в данном варианте фасада влияет и конструкция солнцезащитных устройств, поскольку шторыжалюзи в этом случае расположены в промежутке м. слоями; вертикальные шторыжалюзи оказывают меньшее сопротивление воздушному потоку, чем горизонтальные. Величина расходов воздуха в двухслойном вентилируемом фасаде (расстояние м. слоями 300 мм, ширина щелевого отверстия 35 мм) в зависимости от скорости ветра при различных конструкциях солнцезащитных устройств приведена на 11.

Дальнейшим этапом предпроектных исследований стали исследования двух вариантов ограждающих конструкций в аэродинамической трубе. Для этого в масштабе 1:20 из органического стекла были сделаны модели типового этажа здания с двумя вариантами наружных ограждающих конструкций — двухслойным вентилируемым фасадом и окном с двойным остеклением и фрамугами ( 1 .

Для качественной оценки потоков воздуха в помещении использовалась визуализация этих потоков посредством дыма. В частности, выбирались варианты, позволяющие избежать образования сильных завихрений у потолка (наружный воздух поступает в помещение в верхней части). Эти же исследования позволяют выбрать конструкции, предупреждающие образование сквозняков.

Для количественной оценки воздухообмена модель помещения заполнялось газоминдикатором, его концентрация измерялась, после чего модель помещения обдувалась в аэродинамической трубе воздушным потоком со скоростью 3,4 м/с, соответствующим господствующему югозападному ветру. Через некоторый промежуток времени концентрация газаиндикатора вновь измерялась. Изменение концентрации позволило определить кратность воздухообмена в данном помещении.

На 13 приведены результаты исследования в аэродинамической трубе моделей помещения с двумя вариантами наружных ограждающих конструкций — двухслойного вентилируемого фасада (расстояние м. слоями 300 мм) и окна с двойным остеклением и фрамугой (окно двухслойного фасада открыто на 20°, фрамуга окна с двойным остеклением — на 45°). Результаты экспериментов и теоретических расчетов имеют хорошую сопоставимость ( 9 и 1 . Окно с двухслойным остеклением и фрамугой обеспечивает большие кратности воздухообмена, чем двухслойный вентилируемый фасад. В то же время, воздухообмен при углах открытия фрамуги 45° достаточно велик: эксперименты показали, что требуемый воздухообмен (2–3 1/ч) может быть обеспечен уже при открытии фрамуги на угол 15°.

При минимальных скоростях ветра и в безветренные дни при естественном проветривании требуемый воздухообмен (2,5 1/ч) не может быть обеспечен. Для обеспечения требуемого воздухообмена в этих условиях необходимо использование механической вентиляции. На основе среднегодового распределения скоростей ветра для данной местности были построены среднегодовые распределения кратности воздухообмена в помещениях с двумя вариантами наружных ограждающих конструкций (двухслойным вентилируемым фасадом с расстоянием м. плоскостями 300 мм и щелевым отверстием 35 мм, и окном с двойным остеклением с фрамугами) ( 1 .

При использовании двухслойного вентилируемого фасада (при открытии окна на 20°) требуемый воздухообмен не может быть обеспечен 130 дней в году, а при использовании окна с двойным остеклением (угол открытия фрамуги 45°) требуемый воздухообмен не может быть обеспечен только 20 дней в году. В этом случае использование окна с двойным остеклением и фрамугой предпочтительнее.

два рассматриваемых варианта могут обеспечить принцип. возможность естественного проветривания помещений, но у обоих вариантов есть недостатки. Проектировщиками был предложен четвертый вариант конструкции окон, который и был реализован в данном здании. Разработка нового типа окон заняла полтора года.

III. Остекление стеклопакетами со створками, выдвигаемыми параллельно фасаду
Наружные ограждающие конструкции здания «MAIN TOWER» практически полностью выполнены из светопрозрачных элементов (остекление «от пола до потолка»). Светопрозрачные элементы представляют собой двойные стеклопакеты, заполненные криптоном. Толщина стекол составляет 10 мм. Помимо высоких теплозащитных характеристик, такая конструкция отличается весьма высоким уровнем защиты от шума.

Стекла с двух сторон покрыты нанесенной в вакууме металлоксидной пленкой, выполняющей солнцезащитные функции. В круглой части башни наружное стекло стеклопакета выгнуто в соответствии с радиусом кривизны башни, а внутреннее стекло — плоское. Термическое сопротивление стеклопакета составляет 0,88 м2•°C/Вт.

Слой металлоксидной пленки позволяет уменьшить теплопоступления с солнечной радиацией на 68 %, при этом пропуская до 50 % света видимого диапазона, что позволяет снизить затраты энергии на искусственное освещение. Для защиты от яркого света в помещении установлена внутренняя солнцезащита в виде алюминиевых пластинчатых шторжалюзи. Активизация внутренней солнцезащиты путем опускания защитных шторжалюзи осуществляется автоматически при достижении заданного уровня наружной освещенности. Положение шторжалюзи можно также отрегулировать индивидуально по усмотрению сотрудников, находящихся в данном помещении.

Внутренняя солнцезащита обеспечивает снижение теплопоступлений с солнечной радиацией на 12 %. в помещение передается лишь 20 % тепла солнечной радиации, что позволяет в летнее время значительно снизить нагрузку на систему охлаждения здания.

Для обеспечения естественной вентиляции оконные створки выдвигаются параллельно фасаду ( 1 . Расстояние, на которое выдвигаются створки, регулируется бесступенчато в пределах от 1 до 200 мм в зависимости от условий наружного климата. Время выдвижения створки из полностью закрытого положения на максимальное расстояние составляет около двух минут. При выдвижении створок по их периметру образуется щелевое отверстие. v воздушного потока, поступающего в помещение, ограничивается в этом случае до 0,35 м/с.

Всего в здании используется 2 250 выдвигаемых створок. Каждое из офисных помещений оборудовано по крайней мере одной такой створкой. Выдвижение створок осуществляется автоматически в зависимости от погодных условий по сигналу от системы автоматического управления инженерным оборудованием здания. Кроме этого, выдвижение створок может регулироваться индивидуально из каждого помещения посредством специального выключателя.

Если v ветра превышает 20 м/с (шторм соответствует 9 баллам по шкале Бофорта) или температура наружного воздуха опускается ниже 5 °С, и при дождливой погоде выдвижные створки автоматически закрываются, герметизируя помещение.

Вентиляция при этих условиях обеспечивается механической системой (система механической вентиляции обеспечивает кратность воздухообмена 2,5 1/ч, для охлаждения в летнее время используются охлаждающие потолки, по которым циркулирует вода с температурой 14–15 °С; в летнее время максимальная температура воздуха в помещениях составляет 26 °С, в зимнее время минимальная температура воздуха составляет 21 °С, причем пользователи могут индивидуально регулировать температуру воздуха в помещениях, повышая или понижая ее на два градуса). В ходе эксплуатации здания было установлено, что сотрудники при соответствующих погодных условиях широко используют естественное проветривание через открываемые окна, хотя механическая система вентиляции используется чаще. Как один из недостатков, отмечается достаточно высокий уровень шума механических приводов выдвигаемых створок.

Литература
ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 1997.

Daniels K. The Technology of Ecological Building. Birkhauser, 1997.

Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. М.: ПРЕСС, 2003.

Battle McCarthy Consulting Engineers. 199 Wind Towers — Detail in Building Academy Editions. New York: John Wiley & Sons Ltd.

G. S. Brager, R. De Dear. A standard for natural ventilation // ASHRAE Journal. 200 № 10.

M. D. Ruud, J. W. Mitchell, S. A. Klein. Use of building thermal mass to offset cooling loads. ASHRAE Transactions 96( , 1990.

Gertis K. Стеклянные двойные фасады. Имеют ли смысл, с точки зрения строительной физики, новые разработки фасадов? // . 200 № 7, 8; 200 № 1.

Табунщиков Ю. А., Шилкин Н. В. Аэродинамика высотных зданий // . 200 № 8.

Шилкин Н. В. Здание высоких технологий // . 200 № 7.