Аэродинамика и система естественной вентиляции здания

Высотное здание разделяется по вертикали на четыре 12-этажных модуля, называемыми «деревнями». Каждый модуль имеет три 4-этажных зимних сада, соединенных вертикально посредством центрального атриума. Сады и атриум связаны для повышения эффективности естественной вентиляции (рис. 6). Каждый модуль контролируется собственной независимой установкой климатизации. Через каждые 12 этажей на границах модулей атриум разделен горизонтально для выравнивания давления и защиты от распространения дыма. Сады, атриум и офисные помещения по периметру имеют открываемые окна. Вентиляция офисов в первую очередь осуществляется естественным образом, но в здании также имеются установки механической вентиляции и охлаждаемые перекрытия с замоноличенными трубопроводами.

Рисунок 10. (увеличить) Расчетные значения наружных и внутренних температур в летний и переходный периоды при естественной вентиляции

При разработке проекта вентиляции использовались методы компьютерного моделирования и аэродинамические исследования.

Компания RPI (Roger Preston International) провела подробный климатический анализ, выполнила моделирование теплового режима здания и оценку комфортности микроклимата здания. Влияние ветрового напора на здание и воздушные потоки в атриуме исследовались в аэродинамической трубе (рис. 7), а результаты исследований использовались в ходе дальнейшего компьютерного моделирования.

Рисунок 11. Естественная вентиляция здания в летний период (источник – официальный сайт студии «Foster and Partners»)

Примерно в течение 2/3 всего года сотрудники банка могут регулировать уровень естественной вентиляции самостоятельно путем индивидуального открытия окон. Только при сложных погодных условиях система автоматического управления оборудованием климатизации задействует систему механической вентиляции. Благодаря такой схеме организации вентиляции энергопотребление в высотном здании «Commerzbank» на 30% ниже, чем в традиционных высотных зданиях таких же размеров.

Естественная вентиляция здания «Commerzbank» осуществляется под действием гравитационных сил и под действием ветрового напора. Выбор ориентации здания относительно преобладающего направления ветра позволил обеспечить достаточную естественную вентиляцию.

Вентиляция внутренних зон здания может осуществляться при помощи механической системы, обеспечивающей минимальную кратность воздухообмена для обеспечения комфортных параметров микроклимата. Регулирование температуры помещений осуществляется отопительными установками, расположенными по периметру здания, и охлаждаемыми перекрытиями с замоноличенными трубопроводами. Внутренний (выходящий в атриум) фасад оборудован наклонно-поворотными окнами со встроенными выходными демпферами (маленькими поворотными окнами) и имеет одинарное остекление. Наружный двойной фасад состоит из одинарного и многослойного остекления, обеспечивающего солнцезащиту. Наружный воздух попадает в верхнюю часть каждого помещения сквозь вентилируемые полости в фасаде и выходит через жалюзи рядом с поворотными окнами.

Рисунок 12. Частота использования естественной вентиляции в дневное время	Рисунок 13. Частота использования вентиляции и охлаждения

При прямом солнечном облучении и безветренных днях (приблизительно 3% всех дней года) естественная вентиляция, возникающая в результате гравитационного напора, может быть четко измерена, поскольку температура увеличивается на каждом этаже на 1,5–3°С (при прямом солнечном излучении) или на 1°С на каждом этаже при днях с переменной облачностью. Естественная вентиляция, возникающая под действием гравитационного напора, может быть неэффективна при переменной облачности только в том случае, если наружная температура значительно превышает температуру помещений.

На рис. 8 показаны воздушные потоки, возникающие под действием ветрового напора. Из рисунка следует, что только треть здания обращена к наветренной стороне, а две трети здания – к подветренной стороне. Аэродинамические исследования, проведенные при средней скорости ветра во Франкфурте-на-Майне (приблизительно равной 4 м/с), а также для известных геометрических размеров здания, показали, что воздушные потоки, возникающие под действием ветрового напора, будут способствовать естественной вентиляции здания в течение всего года при открытии соответствующих элементов окон.

В зимний период (рис. 9) естественная вентиляция всех офисных помещений, расположенных по периметру здания, обеспечивает комфортные параметры микроклимата в помещениях, однако здесь необходимо обратить внимание на то, что механическая вентиляция позволяет обеспечивать комфортные параметры микроклимата при одновременной экономии энергии за счет утилизации тепла удаляемого воздуха. Естественная вентиляция внутренних (смежных с зимним садом) офисных помещений эффективнее, чем вентиляция офисов, расположенных по периметру здания, поскольку внутренние офисные помещения расположены рядом с зимними садами. Зимние сады действуют как термальные буферные зоны, в которых прямая или рассеянная солнечная радиация помогает обогревать все помещение. В переходный период, когда наружная температура колеблется в пределах от 5 до 15°C, механическая вентиляция не является необходимой из-за приемлемой температуры наружного воздуха.

Рисунок 14. Энергопотребление зданий с традиционной системой кондиционирования и с естественной вентиляцией	Рисунок 15. Конвекторы

Открытие окон наклонно-поворотного типа имеет смысл, когда сила ветра умеренная. Такое открытие окон создает кратность воздухообмена в помещении 4–6 1/ч. При высокой скорости ветра и температуре ниже 15°C окна необходимо держать закрытыми и следует использовать механическую систему вентиляции и дополнительный обогрев, а также, при необходимости, и увлажнение. Каждый находящийся в комнате может включить механическую вентиляцию и систему обогрева, а также открыть на определенное время окна для поступления свежего воздуха, вернувшись, таким образом, к системе естественной вентиляции.

На рис. 10 приведены расчетные значения наружных и внутренних температур в летний и переходный периоды при естественной вентиляции. Анализ температурных данных показывает, что в летнее время при безветренной погоде необходимо осуществлять дополнительную вентиляцию и охлаждение здания, поскольку в противном случае температура в комнатах будет превышать комфортную. В этот период времени окна зимних садов полностью открываются, забирая теплый наружный воздух при температурах около 32°C. В зимних садах наружный воздух охлаждается приблизительно на 0,5–1°C. Охлажденный естественным образом воздух движется через атриум и затем перемещается к следующему зимнему саду, где выходит из здания (рис. 11).

В ночное время в преддверии жаркого летнего дня теплоемкие части здания охлаждаются посредством прохладного наружного воздуха, в то время как охлаждаемые перекрытия с замоноличенными трубопроводами поглощают и высвобождают тепловую энергию. Оборудование приблизительно 50% площадей помещений охлаждаемыми перекрытиями обеспечивает достаточную теплоемкость для создания прохладных температур в помещениях на следующий день в диапазоне от 21°C (8:00 утра) до 28,5°C (18:00 вечера) без использования воздушного кондиционирования.

Здание «Commerzbank» дополнительно оборудовано системами механической вентиляции для обеспечения требуемых параметров микроклимата. Уровень механической вентиляции и охлаждения может быть задан любым присутствующим в здании.

В результате наблюдений, проводимых в данном здании в течение года, было установлено, что частота использования естественной вентиляции в дневное время достигла 70% (рис. 12). Только в 9% времени года наружная дневная температура повышалась настолько, что действительно было необходимо применять воздушное кондиционирование. В 21% времени года целесообразно дополнительно использовать механическую вентиляцию для экономии энергии посредством утилизации тепла удаляемого воздуха. Тем не менее, естественная вентиляция возможна и в данный период.

Исследования различных способов ночного охлаждения здания дали следующее процентное распределение, построенное по совокупному объему часов эксплуатации (рис. 13):

- использование механической вентиляции и дополнительно охлажденного воздуха – около 15%;

- использование механической вентиляции и наружного воздуха – 12%;

- охлаждение путем естественной вентиляции – около 73%.

На рис. 14 представлено сравнение энергопотребления для зданий с естественной системой вентиляции и для аналогичного по объему здания с традиционной системой кондиционирования воздуха.