Здание высоких технологий

    Н. В. Шилкин, инженер

    В 2002 году в Лондоне, на берегу Темзы, было закончено строительство необычного здания – нового здания мэрии Большого Лондона. Его создатель, знаменитый английский архитектор сэр Норман Фостер (Sir Norman Foster), определил концепцию здания как «model of democracy, accessibility and sustainability» – это общественное здание должно было стать образцом открытости, доступности для посетителей и быть «жизнеудерживающим зданием».

В  данном случае под термином «жизнеудерживающее здание» понимается энергетическая эффективность и экологичность, т. е. максимально эффективное использование энергии наружного климата, обеспечение наиболее комфортных условий для людей, находящихся в этом здании, и минимизация вредного воздействия на окружающую среду. Ожидаемое снижение затрат энергии на климатизацию этого здания составляет 75 % по сравнению с общественным зданием таких же размеров «традиционной» конструкции. Инновационные решения по энергосбережению разрабатывались известной консалтинговой компанией «Arup» (эта компания участвовала, например, в создании здания «Commerzbank» во Франкфурте-на-Майне).

    Новое здание мэрии расположено в пределах Большого Лондона на южном берегу Темзы между мостами «London Bridge» и «Tower Bridge» на участке площадью около 5,5 гектаров. Разработка проекта здания и его строительство заняли 30 месяцев. Здание мэрии начало работу 15 июля 2002 года, а официальная церемония открытия состоялась 23 июля 2002 года. Здание официально открывала королева Великобритании.

Рисунок. Новое здание мэрии в Лондоне

    Архитектурно-планировочные решения здания

    Здание мэрии («London City Hall», иначе называемое «GLA Building») имеет необычную форму, несколько напоминающую яйцо, причем в своей нижней части диаметр этого гигантского «яйца» меньше, чем в самой широкой средней части. Верхняя часть здания имеет заметный наклон на южную сторону (17 градусов). Эта форма была выбрана, во-первых, по соображениям минимизации теплопотерь через оболочку здания, а во-вторых, для оптимизации энергетического воздействия наружного климата на здание. Подробнее об этом см. ниже.

    Необычный силуэт здания мэрии значительно изменил панораму этой части Лондона, создав запоминающийся ориентир, перекликающийся с Лондонским Тауэром и военным кораблем-музеем – крейсером «Белфаст», стоящим на Темзе напротив Тауэра.

    В здании мэрии располагаются помещения для 25 избранных членов лондонской ассамблеи, офис мэра Лондона, офисы 500 служащих мэрии Большого Лондона, а также зал заседаний, смотровые галереи, публичная библиотека, залы собраний, помещения для проведения выставок и приемов, рестораны. Общая площадь помещений составляет 18 000 м².

    В здании предусмотрена свободная планировка. При помощи прозрачных или непрозрачных перегородок можно разделить внутреннее пространство на требуемое число офисных помещений любой формы и конфигурации либо сохранить открытое пространство. В настоящее время здание разделено на 54 офисных помещения.

    Посетители попадают в здание через приемную, расположенную на уровне земли, или через большой амфитеатр, ведущий в кафетерий, расположенный ниже уровня земли. Амфитеатр вымощен голубым известняком и может использоваться для проведения различных общественных мероприятий. За кафетерием, прямо под залом заседаний, расположен выставочный зал эллиптической формы – «Visitor Centre», пол которого представляет собой панно «London Photomat» – вид с воздуха всего Большого Лондона. Это панно составлено более чем из 200 000 цветных фотографий, полученных аэрофотосъемкой с высоты 1 700 метров. Эти фотографии были напечатаны на плитках пола, из которых затем составлялось единое бесшовное изображение размером 10 х 16 м. Изображение соответствует площади около 2 600 км², и на нем можно различить каждое отдельное здание. Создание этого панно продолжалось три года.

    В том же зале «Visitor Centre» могут проводиться различные выставки. В этом случае часть панно закрыта выставочными площадями.

Рисунок.          Схема участка, на котором располагается здание мэрии

    Амфитеатр, расположенный рядом со зданием, в ночное время освещается единственным источником, смонтированным на мачте освещения на южной стороне амфитеатра. Свет отражается от ряда зеркал, смонтированных на вершине мачты, обеспечивая равномерную освещенность прилегающего пространства и снижая яркость освещения. Такое решение продиктовано требованиями к безопасности, поскольку этот участок открыт для прогулок и в ночное время.

    От выставочного зала по спирали поднимается наклонная плоскость (рампа) общей длиной 500 м, проходящая сквозь все десять этажей здания. Рампа проходит над залом заседаний и поднимается вверх мимо офисов служащих мэрии Большого Лондона; посетители могут свободно наблюдать за работой мэрии или за окружающим городским пейзажем. Рампа оканчивается в так называемой «Лондонской гостиной» («London’s Living Room») – помещении с естественным освещением на верхнем этаже мэрии, которое используется для проведения различных выставок или приемов и может вместить до 200 гостей. Вокруг «Лондонской гостиной» расположена открытая наружная терраса.

    Зал заседаний мэрии также открыт для посетителей. Он может использоваться для различных целей. Для прессы и гостей предусмотрено 250 мест, однако допускаются различные варианты перепланировки в зависимости от текущего использования. Приняты специальные меры для удобства посетителей в инвалидных колясках. На уровне зала заседаний расположена смотровая галерея, с которой гостям мэрии открывается замечательный вид на Темзу и Тауэр.

    Энергоэффективные решения,

    реализованные в здании мэрии в Лондоне

    - Выбор формы здания, обеспечивающей минимальные теплопотери в холодный период и минимальные теплопоступления в теплый период года.

    - Использование элементов наружных ограждающих конструкций в качестве солнцезащитных устройств для снижения теплопоступлений с солнечной радиацией в теплый период года.

    - Широкое применение светопрозрачных наружных ограждающих конструкций для использования в здании преимущественно естественного освещения.

    - Выбор высокоэффективной теплоизоляции и использование светопрозрачных ограждающих конструкций с повышенными теплозащитными характеристиками (сопротивление теплопередаче светопрозрачных элементов наружных ограждающих конструкций составляет 0,83 м²•°C/Вт, непрозрачных ограждающих конструкций – 5,0 м²•°C/Вт).

    - Использование в теплый период года главным образом естественной вентиляции посредством двойных вентилируемых фасадов.

    - Утилизация тепла удаляемого воздуха для подогрева приточного воздуха.

    - Применение охлаждающих потолков вместо традиционной системы кондиционирования воздуха.

    - Использование низкотемпературных грунтовых вод в качестве источника холодоснабжения.

    - Применение в системе водяного отопления насосов с автоматически регулируемой скоростью вращения для снижения затрат энергии и получения комфортной температуры воздуха в обслуживаемых помещениях.

    - Использование системы автоматизации и управления зданием (Building Management System, BMS) для поддержания комфортных параметров микроклимата в помещениях и энергосбережения.

    Форма, размеры и ориентация здания

    Наиболее интересной особенностью этого здания является его необычная форма, определяемая энергетическим воздействием наружного климата на оболочку здания, которая позволяет наилучшим образом использовать положительное и максимально нейтрализовать отрицательное воздействие наружного климата на энергетический баланс здания.

    Решение о строительстве здания мэрии как энергоэффективного здания было принято на ранней стадии проектирования. Это позволило запроектировать данное здание как единую энергетическую систему. Строительство «обычного» здания и использование в нем энергосберегающих приборов и устройств, по мнению создателей нового здания мэрии, приводит к снижению энергетической эффективности проекта. Такая стратегия проектирования потребовала тщательного выбора фундаментальных характеристик здания, таких как его форма и ориентация относительно сторон света. Только после оптимизации этих характеристик с целью минимизации отрицательного воздействия наружного климата и максимального использования положительного воздействия на тепловой баланс здания были выбраны энергосберегающие инженерные решения, например, утилизация тепла или использование грунтовых вод с относительно низкой температурой для охлаждения здания.

Рисунок. Амфитеатр рядом со зданием мэрии

    Научные основы проектирования энергоэффективных зданий и, в частности, системный анализ здания как единой энергетической системы были разработаны в нашей стране 20 лет назад Ю. А. Табунщиковым и опубликованы в [3, 4]. Методология проектирования энергоэффективных зданий должна основываться на системном анализе здания как единой энергетической системы, все элементы которой – форма, ориентация, ограждающие конструкции, солнцезащитные устройства, система климатизации и т. д. – энергетически взаимосвязаны между собой. Представление энергоэффективного здания как суммы независимых инновационных решений нарушает принципы системности и приводит к потере энергетической эффективности проекта. Подробнее об этом см. [2, 6].

    Для определения формы, ориентации и размеров здания использовались методы компьютерного моделирования. Были построены математические модели нагрузки на систему климатизации в летний и зимний период с учетом теплопотерь и теплопоступлений через оболочку здания. Учитывалось направленное влияние наружного климата на оболочку здания. Анализ этих моделей позволил определить форму здания, приближенную к оптимальной, при этом в качестве «точки отсчета» было выбрано значение максимально допустимых теплопоступлений от солнечной радиации через единицу площади наружных ограждающих конструкций в летний период.

Рисунок.         Рампа внутри здания мэрии

    Проведенные расчеты позволили выбрать такие форму, ориентацию и размер здания, площадь и расположение светопрозрачных ограждающих конструкций, которые дали возможность в теплый период года минимизировать воздействие солнечной радиации на оболочку здания и, следовательно, снизить затраты на его охлаждение. Минимизация потребности в охлаждении здания в летний период позволила, в свою очередь, отказаться от традиционной системы кондиционирования воздуха – для холодоснабжения здесь используются грунтовые воды с относительно низкой температурой.

    Следует отметить, что задача оптимизации формы и размеров здания с учетом теплоэнергетического воздействия наружного климата была впервые решена М. М. Бродач и изложена в работах [1, 2]. В этих работах даны следующие принципы выбора формы и ориентации здания с учетом теплоэнергетического воздействия наружного климата. Известно, что интенсивность солнечной радиации, скорость и направление ветра, температура наружного воздуха изменяются в весьма широких пределах в зависимости от географического положения, рельефа местности и времени года. Воздействие солнечной радиации и ветра на здание есть теплоэнергетическое воздействие наружного климата. В зависимости от положения и ориентации наружной поверхности здания она подвергается различному теплоэнергетическому воздействию наружного климата. Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на поверхность здания может оказывать положительное или отрицательное влияние на его тепловой баланс и, следовательно, теплоэнергетическую нагрузку на систему отопления и кондиционирования воздуха. Например, воздействие солнечной радиации на здание в зимнее время снижает нагрузку на систему отопления. Теплоэнергетическое воздействие наружного климата на тепловой баланс здания можно оптимизировать за счет выбора при проектировании формы и ориентации здания.

    Оптимизация теплоэнергетического воздействия наружного климата на тепловой баланс здания может быть проведена для различных характерных расчетных периодов. Этими периодами могут быть, например, наиболее холодная пятидневка, отопительный период, самый жаркий месяц, период охлаждения, расчетный год. В этом случае оптимальный учет теплоэнергетического воздействия наружного климата в тепловом балансе здания за счет выбора его формы и ориентации для наиболее холодной пятидневки позволит снизить установочную мощность системы отопления; для отопительного периода – снизить затраты энергии на отопление; для самого жаркого месяца – снизить установочную мощность системы кондиционирования воздуха; для периода охлаждения – снизить затраты энергии на охлаждение здания; для расчетного года – снизить затраты энергии на отопление и охлаждение здания. В общем случае оптимальным образом учесть теплоэнергетическое воздействие наружного климата в тепловом балансе здания можно для любого характерного периода времени. Важно отметить следующее: изменение формы, размеров и ориентации здания с целью оптимального учета влияния наружного климата в его тепловом балансе не требует изменения площадей или объема здания – они сохраняются фиксированными.

Рисунок.          Схема здания мэрии

    В результате расчетов была выбрана форма здания, несколько напоминающая яйцо. Диаметр здания максимален в средней его части. Здание имеет 17-градусный наклон в южную сторону, причем перекрытие каждого этажа образует своеобразный ступенчатый «козырек», выступающий наружу и исполняющий роль солнцезащитного элемента офисных помещений, расположенных этажом ниже. Форма здания представляет собой модифицированную сферу, заключающую в себе максимальный объем при минимальной площади поверхности. Площадь поверхности наружных ограждающих конструкций данного здания на 25 % меньше, чем у здания кубической формы того же объема. Минимизация площади поверхности наружных ограждающих конструкций позволяет уменьшить через них теплопоступления в летний период и теплопотери в зимний период. Однако главная причина выбора такой необычной формы здания – максимальное уменьшение теплопоступлений с солнечной радиацией в летнее время.