Строительство и эксплуатация здания должны способствовать развитию технологий, связанных с использованием окружающей среды.

Строительство здания должно способствовать созданию ландшафта, повышающего биологическое разнообразие видов.

Здание не должно «производить» никаких сточных вод, значит здание должно и потреблять, и сбрасывать только воду, пригодную для питья.

Здание должно производить больше электрической энергии, чем использовать.

В здании не должны использоваться никакие канцерогенные, мутагенные или вызывающие эндокринные заболевания материалы.

Энергия и материалы должны использоваться максимально эффективно.

Здание должно использовать материалы и оборудование, произведенные без ущерба для окружающей среды.

Строительство и эксплуатация здания должны способствовать развитию экологической компетентности и внимательного отношения к окружающей среде.

Здание должно стать инструментом обучения.

Здание должно обеспечивать строгий учет стоимости его эксплуатации.

В соответствии с этими принципами на территории колледжа города Оберлин (Oberlin) был построен Центр по изучению окружающей среды, здание которого само является предметом изучения. Дэвид Орр сформулировал эту концепцию «архитектура как педагогика».

Предпроектные исследования были начаты в 1992 году группой студентов и архитекторов под руководством Дэвида Орра. Разработку проекта Центра, в котором были воплощены в жизнь эти идеи, возглавил архитектор Уильям Макдоноу (William McDonough). Команда разработчиков включала специалистов разных дисциплин.

Здание было сдано в эксплуатацию в январе 2000 года. По мере развития новых технологий планируется внедрение новых энергоэффективных инженерных систем здания. Например, в 2002 году электрический отопительный котел атриума был заменен на теплонасосную установку. Планируется использование нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, например, строительство ветроэнергетической установки и электростанции на топливных элементах. Разработчики проекта надеются к 2020 году сделать климатически нейтральное здание – здание, которое не требует внешних поступлений энергии и воды.

Одной из основных концепций здания является принцип. возможность производства при помощи солнечных батарей электрической энергии, превышающей потребности самого здания. Это техническое решение позволяет зданию Центра стать экспортером энергии, но пока эта цель не достигнута.

В здании был применен ряд инновационных решений, повышающих его энергоэффективность. Это использование тепла земли для отопления и охлаждения здания, утилизация тепла вентиляционных выбросов, использование естественного освещения и другие мероприятия. По оценке проектировщиков, энергопотребление здания Центра должно составить не более 25 % от энергопотребления традиционных зданий такой же площади.

Особая установка, называемая «Living Machine», включающая бактерии, растения, улиток и насекомых, обеспечивает очистку сточных вод, используя биологические циклы. При этом традиционные методы химической очистки сточных вод не применяются. Производительность установки «Living Machine» Центра Льюиса составляет 9 462 л сточных вод в сутки.

Здание Центра площадью 1 263 м2 состоит из двух частей: двухэтажной, в которой расположены классные комнаты и двухэтажный атриум, и соединенной с ней постройкой, в которой расположена аудитория на 100 мест и оранжерея с установкой «Living Machine». Помимо учебного цикла здание используется для конференций, приемов и других подобных мероприятий.

На участке площадью 28,35 га, принадлежащем Центру, расположены сады для выращивания сельскохозяйственной продукции, места отдыха и прогулок, и размещен водоем и болота, позволяющие собирать дождевую воду для использования в целях ирригации. Планируется в дальнейшем использовать часть этой воды для водоснабжения здания.

При строительстве здания широко использовалось дерево и другие экологически чистые материалы, и материалы, которые в дальнейшем можно многократно использовать или переработать, например, стальной каркас здания, керамическая плитка в санузлах, алюминиевые оконные переплеты. Все материалы отбирались по соображениям долговечности и удобства обслуживания.

По идее проектировщиков, здание Центра должно быть синтезом архитектуры и окружающей среды и должна позволять изучать взаимодействие природы и человека. Моделируя фундаментальные биологические и социальные циклы, Центр демонстрирует, как формируется окружающая среда и как на нее влияет человек.

В апреле 2002 года это здание вошло в Top Ten Green Projects – список 10 экологичных инновационных проектов, ежегодно составляемый Комитетом по окружающей среде Американского института архитектуры (American Institute of Architects Committee on the Environment, AIA/COTE).

Климатические характеристики района строительства
Расположение – Оберлин, штат Огайо, США.

Географические координаты – 41,26° с. ш., 82,21° з. д.

Высота над уровнем моря – 248,7 м.

Среднегодовая температура – 9,0 °С.

Средняя температура наиболее холодного месяца – 5,0 °С.

Минимальная температура наиболее холодного месяца – 10,1 °С.

Средняя температура наиболее жаркого месяца – 21,7 °С.

Максимальная температура наиболее жаркого месяца – 28,6 °С.

Градусосутки отопительного периода – 3 674.

Среднегодовое количество осадков – 890 мм.

Энергоэффективные мероприятия, использованные при проектировании и строительстве здания Центра
При проектировании и строительстве здания Центра были использованы следующие энергоэффективные мероприятия ( :

Ориентация здания, позволяющая максимально использовать теплопоступления с солнечной радиацией и естественное освещение.

Использование массивных бетонных перекрытий и внутренних стен для накопления тепла и повышения теплоустойчивости здания.

Выработка электрической энергии в солнечных батареях (фотоэлектрических панелях) для электроснабжения здания с тем условием, что производство электроэнергии перекроет потребление и здание станет экспортером электроэнергии.

Использование посредством тепловых насосов тепла земли для отопления и охлаждения здания.

Максимальное использование естественного освещения и энергосберегающее искусственное освещение с датчиками наличия людей в помещениях для снижения затрат электрической энергии на освещение.

Покрытие с повышенными теплозащитными св для уменьшения теплопоступлений от солнечной радиации.

Ограждающие конструкции и окна с высоким сопротивлением теплопередаче для уменьшения теплопотерь.

Использование в теплую погоду естественной вентиляции для уменьшения энергопотребления системой механической вентиляции.

Использование тепла или холода удаляемого воздуха для подогрева или охлаждения приточного.

Применение солнцезащитных элементов в конструкции окон для снижения теплопоступлений с солнечной радиацией через светопроемы в летнее время.

Кроме этого, при строительстве здания Центра использовались мероприятия, улучшающие экологию:

Установка очистки сточных вод «Living Machine», использующая для очистки не химические, а биологические методы.

Применение при строительстве здания экологически чистых материалов и материалов с возможностью их повторного использования или переработки.

Стоимость здания
Строительство Центра по изучению окружающей среды осуществлялось на средства Адама Джозефа Льюиса (Adam Joseph Lewis), чье имя и получил проект. (Стоимость здания приведена в табл. 1.)

Энергоснабжение здания
Энергоснабжение здание осуществляется следующими путями:

За счет использования солнечных батарей, потребляющих энергию солнечной радиации и вырабатывающих электрическую энергию.

За счет использования тепла земли для отопления и охлаждения здания.

За счет пассивной солнечной энергии для дополнительного обогрева здания при солнечных днях в зимнее время.

За счет внешнего источника электрической энергии (энергосистема штата).

К 2020 году планируется отказаться от использования внешнего источника электрической энергии. К этому времени здание Центра из потребителя должно стать производителем электрической энергии.

Энергоснабжение здания с использованием солнечной энергии
Для выработки электрической энергии в здании Центра используются солнечные батареи (фотоэлектрические панели) производства компании «BP Solarex». В настоящее время это самые эффективные устройства из коммерчески доступных. Площадь фотоэлектрических панелей составляет 434 м Панели расположены на крыше здания ( . Для более эффективной работы фотоэлектрических панелей крыша имеет изгиб на южную сторону, что обеспечивает максимальные поступления солнечной радиации и максимальную выработку электрической энергии.

Расчетное ежегодное потребление электрической энергии основными системами здания Центра составляет 63 609 кВт•ч. Производство электрической энергии в фотоэлектрических панелях должно превысить потребление и составить 64 500 кВт•ч. Пока эти показатели не достигнуты. Система фотоэлектрических панелей начала функционировать в середине ноября 2000 года и к 1 февраля 2001 года выработала 3 280 кВт•ч электроэнергии. С марта 2001 по март 2002 года в фотоэлектрических панелях было выработано 53 % энергии, потребляемой зданием.

Специалисты NASA (National Aeronautics and Space Administration) предложили использовать электрическую энергию, вырабатываемую в фотоэлектрических панелях, для получения водорода и кислорода из воды методом электролиза и затем перерабатывать водород в топливных элементах для выработки электрической энергии и горячей воды. Это позволит обеспечивать электрической энергией все системы здания при облачных днях и ночью.

В будущем, когда станут экономически доступными новые технологии, существующие фотоэлектрические панели будут заменены на более эффективные.

Энергоснабжение здания с использованием тепла земли
Для отопления или охлаждения помещений Центр Адама Джозефа Льюиса использует 24 геотермальные скважины глубиной 73 м и диаметром 152 мм, расположенные с северной стороны здания ( . Расстояние м. скважинами составляет 4,5 м. В качестве теплоносителя используется вода, циркулирующая в замкнутом цикле.

Для передачи теплоты или холода используются тепловые насосы. Помещение атриума обслуживается водоводяным тепловым насосом. Для подогрева или охлаждения наружного воздуха используются два водовоздушных тепловых насоса. Кроме этого, помещения классных комнат, аудиторий, офисов и конференцзала обслуживаются отдельными водовоздушными тепловыми насосами (всего установлен 21 насос). Каждый тепловой насос управляется индивидуально, что позволяет в части помещений здания осуществлять отопление, а в части – охлаждение. Такое решение снижает затраты энергии на климатизацию здания и улучшает параметры микроклимата помещений.

Системы отопления, охлаждения и вентиляции здания
В здании Центра применены системы воздушного отопления (охлаждения), совмещенного с вентиляцией, система водяного отопления и панельнолучистое отопление.

В помещении атриума используется напольное панельнолучиcтое отопление ( . Вода нагревается до температуры 60 °С посредством водоводяного теплового насоса HP3 и при помощи насоса P5 поступает в трубы, замоноличенные в бетонный пол атриума. Для снижения затрат энергии используется рециркуляция части обратной воды через смесительный клапан. температура воды в замоноличенных в пол атриума трубах составляет 49 °С.

Часть подогретой воды при помощи насоса P3 поступает в фэнкойлы, расположенные на кухне, в туалетах и на лестничных клетках, и в систему водяного отопления помещения «Living Machine». В помещении «Living Machine» постоянно поддерживается температура 18 °С. Отопительными приборами являются оребренные трубы.

Для дополнительного обогрева помещений в солнечные дни в зимнее время используется пассивная солнечная энергия. Для максимального использования теплопоступлений с солнечной радиацией здание вытянуто в направлении оси востокзапад, при этом стена, ориентированная на юг, имеет большую площадь остекления. Для уменьшения нагрева здания в летнее время, когда солнце находится высоко над горизонтом, южная стена затеняется выступающим солнцезащитным козырьком крыши ( .

Системами воздушного отопления (охлаждения), совмещенного с вентиляцией, оборудованы основные помещения Центра: классные комнаты, аудитории, офисы ( . Подогрев свежего воздуха осуществляется основным тепловым насосом HP В зимнее время свежий воздух также может быть дополнительно подогрет двумя электрическими калориферами: EH1 мощностью 10 кВт и EH2 мощностью 16 кВт. Электрические калориферы включаются автоматически в том случае, если температура наружного воздуха опустится ниже заданного значения. Кроме этого, если в зимнее время станет слишком низкой температура подаваемой к тепловому насосу воды, она может быть подогрета в электрическом водонагревателе EB2 (мониторинг энергопотребления здания показал, что в зимние месяцы 2001 года необходимость в дополнительном подогреве воды из геотермальных скважин не возникала).

В качестве отопительных приборов используются отопительновентиляционные агрегаты (heating and ventilation fan unit) ( .

Наружный и удаляемый вентиляционный воздух пропускается через вентилятортеплообменник ERV (energy recovery ventilator) ( , где более теплый воздушный поток отдает часть теплоты более холодному. В холодное время года наружный воздух подогревается, а в теплое время года охлаждается за счет удаляемого воздуха. В теплообменнике утилизируется до 83 % теплоты (холода) удаляемого воздуха.

В классах, аудиториях и библиотеке приток свежего воздуха осуществляется при помощи вентиляторов с автоматическим управлением. Уровень вентиляции регулируется в зависимости от наличия людей в помещении и от концентрации углекислого газа (CO в здании. Наличие людей определяется датчиками движения. Если помещение не занято, система вентиляции отключена. Если датчики движения показывают наличие людей в помещении, система вентиляции обеспечивает половину требуемого воздухообмена. При превышении допустимого уровня концентрации CO2, равного 800 PPM, система вентиляции автоматически включается на полную мощность. «Это гарантирует, что объем воздухообмена при вентиляции не превышает необходимой величины», – говорит Эндрю Персили (Andrew Persily), руководитель группы «Indoor Air Quality Group» Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST), которая осуществляет мониторинг параметров микроклимата помещений здания Центра.

Вентиляционные каналы размещены под фальшполом, приподнятым на 61 Кроме вентканалов в этом пространстве размещены трубопроводы и электрические коммуникации. Такое расположение облегчает их обслуживание и модернизацию.

В теплую погоду, когда внутренняя и наружная температуры примерно одинаковы, окна атриума могут открываться автоматически ( . Возникающие конвективные воздушные потоки способствуют быстрому проветриванию помещений. Механическая вентиляция в это время автоматически отключается.

Компанией «Steven Winter Associates of Norwalk, Conn.» было выполнено компьютерное моделирование воздушных потоков в здании. Адриан Тулука (Adrian Tuluca), ведущий инженер фирмы, говорит об этом так: «Компьютерное моделирование воздушных потоков в атриуме показало, что наиболее эффективный конвективный воздухообмен будет достигнут при заборе наружного воздуха через окна нижнего уровня с южной стороны и удалении его через верхние окна с северной стороны».

Ориентация здания также учитывает влияние господствующих бризов, что позволяет повысить эффективность естественной вентиляции под действием ветрового напора.

Наружные ограждающие конструкции
Массивные бетонные перекрытия здания и внутренние стены из необлицованной кладки позволяют аккумулировать тепло и повышают теплоустойчивость здания. С северной стороны здания насыпан земляной вал, обеспечивающий дополнительную теплозащиту ( 1 , и высажены деревья для защиты от ветра. Покрытие здания выполнено с утеплением из жесткого пенополистирола, и его сопротивление теплопередаче Rvalue составляет 6,16 м2•°С/Вт.

Для уменьшения теплопотерь и теплопоступлений через остекление двухэтажного атриума применены окна с повышенными теплозащитными и солнцезащитными характеристиками ( 1 . Окна представляют собой тройные стеклопакеты. В конструкции стеклопакета использованы три вида стекол, характеристики которых позволяют окнам пропускать свет видимого диапазона, но задерживать солнечную радиацию. Воздушные промежутки м. стеклами заполнены аргоном. Стеклопакет состоит из следующих элементов:

Закаленное стекло марки «Azurlite» толщиной 6,35 мм.

Воздушный промежуток толщиной 12,7 мм, заполненный аргоном.

Закаленное стекло марки «Clear Sungate 1000» толщиной 6,35 мм.

Воздушный промежуток толщиной 12,7 мм, заполненный аргоном.

Стекло марки «Clear Sungate 100» толщиной 6,35 мм.

Сопротивление теплопередаче Rvalue этих окон равно 1,23 м2•°С/Вт, в то время как Rvalue окон традиционной конструкции (с одинарным или двойным остеклением) составляет 0,18–0,44 м2•°С/Вт ( 1 .

Окна в остальных помещениях Центра представляют собой двойные стеклопакеты с сопротивлением теплопередаче Rvalue 0,62 м2•°С/Вт. В табл. 3 приведены значения Rvalue основных элементов здания Центра и соответствующих элементов традиционного здания.

Установка очистки сточных вод «Living Machine»
Изобретенная доктором Джоном Тоддом (John Todd) установка очистки сточных вод «Living Machine» – одна из основных инновационных экологических особенностей проекта Центра Адама Джозефа Льюиса.

«Living Machine» – локальная система очистки сточных вод, которая комбинирует обычные технологии очистки сточных вод и циклы очистки естественных экосистем. Установка «Living Machine» выполняет три вида обработки сточных вод: удаление органических загрязнений, дезинфекцию и удаление или снижение концентрации в воде веществ типа азота и фосфора, которые могут принести ущерб окружающей среде. Органические загрязнения разлагаются при помощи солнечного света и управляемых органических циклов, в которых используются живые организмы – бактерии, растения, зоопланктон и беспозвоночные. В зависимости от климата установка «Living Machine» может быть размещена в защищенной оранжерее, под легким укрытием или на открытой площадке. В отличие от традиционных систем очистки при работе установки не выделяются неприятные запахи, что позволяет поместить ее в непосредственной близости от обитаемых помещений.

Установка очистки сточных вод «Living Machine» Центра Адама Джозефа Льюиса использует систему, включающую микробов, растения, улиток и насекомых. Производительность этой установки составляет 9462 л сточных вод ежедневно. Обработанные установкой сточные воды возвращаются в здание и повторно используются в качестве непитьевой воды, например, в туалетах.

Освещение здания
При проектировании здания Центра для минимизации затрат энергии на освещение были использованы следующие мероприятия:

Использование для освещения внутренних помещений отблесков, рефлексов и отраженного света.

Применение энергоэффективных осветительных приборов.

Максимальное использование естественного освещения путем выбора ориентации здания, вытянутой в направлении востокзапад, и использование с южной стороны светопроемов с большой площадью остекления.

Окна во всех помещениях Центра расположены чтобы естественный свет мог проникать в помещения, по крайней мере, с двух сторон. Это позволяет достичь более равномерной освещенности внутренних пространств. В центральной части здания освещение классов и офисов обеспечивается светом из окон с южной стороны, и из узких окон, расположенных в верхней части здания ( 1 . В двух классных комнатах окна, расположенные с восточной стороны, позволяют проникать свету из атриума. Офисные помещения, расположенные на северной стороне здания, освещаются, помимо окон, через стеклянные двери с южной стороны.

В помещении атриума окна большой площади расположены с южной и восточной сторон на уровне двух этажей, что позволяет солнечному свету освещать все пространство атриума ( 1 . Для экономичности электрической энергии может устанавливаться несколько уровней искусственного освещения. Его полная мощность используется только при необходимости.

В качестве искусственного освещения используются люминесцентные светильники, потребляющие, в отличие от ламп накаливания, меньше электрической энергии. Кроме прямого освещения, направленного на рабочие места, используется свет, отраженный от потолка. Такая схема также создает более равномерную освещенность рабочего пространства.

Потребляемая искусственным освещением энергия составляет 96,9 Вт/м Искусственное освещение включается автоматически: холлы, лестничные клетки, классные комнаты и офисные помещения оснащены датчиками наличия людей и датчиками уровня естественной освещенности, в зависимости от показаний которых используется искусственное освещение.

Холлы на обоих этажах получают естественное освещение из атриума и через большие окна с западной стороны. Дополнительное освещение, как и в классах, обеспечивается узкими окнами в верхней части здания. Поверхности холлов окрашены в матовый белый цвет, способствующий отражению света ( 1 .

Кроме датчиков движения холлы оборудованы фотодатчиками. При достаточном уровне естественной освещенности искусственное освещение отключается.

Система автоматического управления и мониторинга энергопотребления
В здании установлена система автоматического управления инженерным оборудованием, системами безопасности, противопожарными системами и установкой «Living Machine». Кроме этого, система управления осуществляет мониторинг энергопотребления здания, и параметров микроклимата помещений и параметров наружного климата.

На крыше здания установлены датчики, позволяющие измерить уровень солнечной радиации, освещенность, v и направление ветра, количество выпадающих осадков ( 1 . Планируется использование датчиков, измеряющих температуру и влажность почвы и другие параметры. Это позволит контролировать количество углекислого газа, выделяемого в атмосферу (углекислый газ – основная причина парникового эффекта).

Система автоматического управления позволяет измерить количество электрической энергии, вырабатываемой в фотоэлектрических панелях, и количество электрической энергии, потребляемой системами здания. На 17 приведен график потребления электрической энергии зданием Центра за четыре дня. Зеленая линия демонстрирует количество электрической энергии, потребляемой зданием, желтая – количество электрической энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями (солнечными батареями). Синяя линия демонстрирует разность м. потребляемой и вырабатываемой энергией; когда синяя линия ниже нуля, Центр является производителем электроэнергии и поставляет ее в энергосистему штата.

Потребителями энергии являются следующие системы ( 1 :

система климатизации (отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха);

освещение (внутреннее освещение, наружное освещение, освещение автостоянки);

оборудование (компьютеры, принтеры, копировальные аппараты, микроволновые печи, система очистки сточных вод и т. д.);

установка «Living Machine».

На 19 показано ежемесячное среднедневное потребление и выработка электрической энергии в фотоэлектрических панелях Центра, и процентное соотношение затрат и выработки электрической энергии за семь месяцев 2001 года.

Красная линия демонстрирует разность м. потребляемой и вырабатываемой зданием энергией (в процентах). Прямая красная линия соответствует 100 % потребности здания Центра в электрической энергии. Анализ этих данных позволяет сделать следующие выводы:

В пяти месяцах из семи производство электрической энергии фотоэлектрическими панелями покрывает более 70 % потребностей здания в энергии.

В течение июня и июля здание Центра было экспортером электрической энергии.

В течение семи месяцев удельное энергопотребление составило 67,8 кВт•ч/м2, что ниже удельного энергопотребления традиционного здания такого же размера.

Мониторинг энергопотребления показал, что расчетных затрат энергии на климатизацию и освещение здания в 63 609 кВт•ч в год достичь пока не удалось. За первые 10 месяцев потребление энергии составило 184 380 кВт•ч, что в 3,6 раза превышает расчетное значение. За период с 1 июля 2001 года по 30 июня 2002 года количество электрической энергии, произведенной в фотоэлектрических панелях здания, составило 54 % от его энергозатрат ( 2 . Производителем энергии здание является в летние месяцы.

Создатели здания уверены, что когда все его системы будут закончены, энергопотребление достигнет расчетной величины и здание Центра станет экспортером энергии.