Эффективность использования энергии в энергоэффективном здании: высотное здание Commerzbank, Франфурт-на-Майне, Германия

6 819

Здание Commerzbank во Франкфурте-на-Майне, строительство которого было завершено в мае 1997 года, является самым высоким в Европе и занимает 24 место по высоте в мире (с антенной его высота составляет 300 метров). Здание, разработанное британским архитектором сэром Норманом Фостером и его студией “Foster and Partners” (Лондон), представляет собой радикальный пересмотр всей концепции строительства высотных сооружений.

Большинство таких зданий построено по традиционной американской модели: полностью кондиционируемые помещения, практически полное отсутствие естественного освещения, центральная организация построения здания и идентичные этажи. Новое здание Commerzbank существенно отличается от этой схемы: в нем используется главным образом естественное освещение и естественная вентиляция, имеется атриум, проходящий от уровня земли до самого верхнего этажа, и из каждого офиса или части здания открывается вид на город. Гармония с окружающей средой и энергетическая эффективность стали основными факторами при проектировании здания Commerzbank. Реализация этих концепций позволила Норману Фостеру назвать данное здание “первым в мире экологичным высотным зданием”.

Климатические характеристики района строительства

Расположение: Франкфурт-на-Майне, Германия;

Географические координаты: 50° с. ш., 8° в. д.;

Высота над уровнем моря:111 м;

Среднегодовая температура: +9,7 °С;

Средняя температура наиболее холодного месяца: +0,5 °С;

Средняя температура наиболее жаркого месяца: +18,7 °С;

Среднегодовое количество осадков: 691,9 мм.

Архитектурно-планировочная концепция

Горизонтальная проекция башни представляет собой треугольник со скругленными вершинами и немного выпуклыми сторонами. Центральная часть здания, в которой обычно располагаются лифтовые шахты, занята огромным треугольным центральным атриумом, проходящим по всей высоте здания. Атриум является каналом естественной вентиляции для смежных с ним офисных помещений здания. Норман Фостер называет центральный атриум “стеблем”, а офисные этажи, расположенные вокруг атриума с трех сторон, — “лепестками”
.Каждый этаж имеет три крыла, два из которых выделены под офисные помещения, а третье является частью одного из четырехэтажных зимних садов. Четырехэтажные сады — “зеленые легкие” здания, размещенные по спирали вокруг треугольной формы здания, обеспечивают для каждого яруса вид на растительность и устраняют большие объемы неразделенного офисного пространства.

Норман Фостер рассматривал растения как нечто большее, чем просто декорацию. Эти великолепные сады являются фундаментальным элементом в его концепции. Девять зимних садов по спирали окаймляют все здание: три расположены с восточной стороны, три — с южной и еще три — с западной.
В ботаническом аспекте растения отражают географическую направленность:

с восточной стороны — азиатская растительность (астильбе, бамбук, азиатский клен, магнолия, азалия, гибискус);

с южной стороны — средиземноморская растительность (тимьян, оливковое дерево, олеандр, лаванда, гранатовое дерево, кипарис, цитрусовые);

с западной стороны — североамериканская растительность (клен, мамонтовое дерево — секвойядендрон, рододендрон, астра).
Открытые пространства садов высотой в четыре этажа обеспечивают внутренние офисные помещения достаточным количеством дневного света. Кроме этого, данные сады могут быть использованы сотрудниками для общения и отдыха — они создают ощущение пространства, а также являются частью сложной системы естественной вентиляции.

Share	Share
Кафе на первом этаже

Лифты, лестничные марши и служебные помещения расположены в трех углах. Такое расположение позволяет сгруппировать офисы и зимние сады. Решетчатые балки, прикрепленные к колоннам, размещенным в трех углах здания, несут на себе каждый этаж и зимний сад. Такое решение позволило отказаться от колонн внутри здания и обеспечило конструкции дополнительную жесткость.
53-этажное здание поднимается ввысь вместе с уже существующим зданием Сommerzbank. При этом Норману Фостеру удалось достичь сочетаемости старого и нового зданий посредством перестройки и обновления периметра граничащих зданий.
Главный вход в новое здание расположен с северной стороны, с площади Кайзерплац. Попасть в здание можно по гигантской лестнице, покрытой стеклянной крышей. На первом этаже расположены отделения банков, магазины, рестораны и кафетерии, а также залы для проведения выставок и концертов.
Ступенчатая верхушка здания производит сильное впечатление даже на большом расстоянии. Силуэт здания создает четкий символ современного банковского района Франкфурта-на-Майне.

Share Треугольный замысел здания заключает в себе центральный атриум, который является частью системы естественной вентиляции
Share	Share

Ограждающие конструкции здания и солнцезащитные устройства

Для снижения затрат энергии на климатизацию здания, а также для организации естественной вентиляции светопрозрачные ограждения офисов здания сделаны двухслойными — практически уникальный прием в современном высотном строительстве. Внешняя оболочка (первый слой) имеет щелевые отверстия, через которые наружный воздух проникает в полости между слоями. Окна, в том числе и те, которые расположены на верхних этажах, могут быть открыты, что обеспечивает естественную вентиляцию непосредственно до уровня 50-го этажа. Окна, выходящие в атриум, также могут быть открыты.

Окна офисных помещений, открываемые в атриум

Центральный атриум обеспечивает естественную вентиляцию по всему высотному зданию

Снижение затрат энергии на отопление здания достигается использованием теплозащитного остекления с коэффициентом теплопередачи приблизительно 1,4-1,6 Вт/(м2xі°С). Кроме этого, первый слой уменьшает конвективный тепловой поток между поверхностью стекла и наружным воздухом. Зимой в ночное время пространство между внешней и внутренней оболочками фасада герметизируется, образуя статичную воздушную прослойку, обладающую хорошими теплоизоляционными свойствами. Снижению затрат энергии на отопление способствуют и зимние сады, обеспечивающие дополнительные теплопоступления за счет аккумулирования тепла солнечной радиации.
Снижение затрат энергии на охлаждение здания достигается путем использования герметичных двойных стеклопакетов, заполненных инертным газом и отражающих инфракрасное излучение. Такие стеклопакеты используются в зимних садах, а также в ненесущих стенах по периметру офисных помещений. При этом солнцезащитные устройства устанавливаются между стеклопакетом и внешней светопрозрачной оболочкой здания.
При поступлении в здание солнечной радиации происходит ее первоначальное ослабление посредством внешней светопрозрачной оболочки. Дальнейшее резкое уменьшение солнечной радиации осуществляется при помощи солнцезащитных устройств.

Схема конструкции наружных светопрозрачных ограждений:
1 — первый слой с щелевыми отверстиями;
2 — второй слой — оконный стеклопакет;
3 — солнцезащитные устройства — регулируемые жалюзи;
4 — отверстия вентилируемой прослойки

Аэродинамика и система естественной вентиляции здания

Для создания комфортных параметров микроклимата помещений в офисном здании общей площадью 85 000 м² необходимо было найти инновационные решения по системам вентиляции. При оценке предлагавшихся проектов преимущества отдавались естественной вентиляции, управляемой пользователем. Высокую оценку получили решения, направленные на экономию энергии и удобство пользователя, то есть обеспечивающие комфортабельное проветривание помещения в течение всех сезонов и максимальный срок открытия всех офисных окон.
Высотное здание разделяется по вертикали на четыре 12-этажных модуля, которые называют “деревнями”. Каждый модуль имеет три 4-этажных зимних сада, соединенных вертикально посредством центрального атриума. Сады и атриум связаны для повышения эффективности естественной вентиляции. 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.
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 давления на здание и воздушные потоки в атриуме исследовались в аэродинамической трубе, а результаты исследований использовались в ходе дальнейшего компьютерного моделирования.

Share	Share
Естественная вентиляция здания в летний период	Естественная вентиляция здания в зимний период

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 ветрового давления. 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.

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.

Схема воздушных потоков вокруг здания

На рисунке показаны воздушные потоки, возникающие под действием ветрового давления. Из рисунка следует, что только треть здания обращена к ветреной стороне, а 2/3 здания — к подветренной стороне.

Схема положения окон в зависимости от погодных условий:
1 — зимний период (температура –5...+10 °С) — окна закрыты, используется отопление и механическая вентиляция;
2 — летний период (температура +10...+24 °С) — окна открыты, используется естественная вентиляция;
3 — летний период (температура +24...+32 °С) — окна закрыты, используется механическая вентиляция и охлаждение посредством охлаждаемых потолков;

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 давления, будут способствовать естественной вентиляции здания в течение всего года при открытии соответствующих элементов окон. В зимний период естественная вентиляция всех офисных помещений, расположенных по периметру здания, обеспечивает комфортные параметры микроклимата в помещениях. 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 °С, механическая вентиляция не является необходимой из-за приемлемой температуры наружного воздуха.

Share	Share
Частота использования естественной вентиляции в дневное время	Частота использования вентиляции и охлаждения

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 °С окна необходимо держать закрытыми и следует использовать механическую систему вентиляции и дополнительный обогрев, а также, при необходимости, и увлажнение. Здесь следует обратить внимание на то, что механическая вентиляция позволяет обеспечивать комфортные параметры микроклимата при одновременной экономии энергии за счет утилизации тепла удаляемого воздуха. 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 рисунке приведены расчетные значения наружных и внутренних температур в течение суток в летний и переходный периоды при естественной вентиляции.

Расчетные значения наружной и внутренней температуры в течение суток 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 температуре около 32 °С. В зимних садах наружный воздух охлаждается приблизительно на 0,5-1 °С. Охлажденный естественным образом воздух движется через атриум и затем перемещается к следующему зимнему саду, где выходит из здания.
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 °С (8:00 утра) до 28,5 °С (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 человеком, присутствующим в здании.

Оборудование приблизительно 50% площадей помещений охлаждаемыми перекрытиями обеспечивает достаточную теплоемкость для создания прохладных температур в помещениях на следующий день в диапазоне от 21 °С (8:00 утра) до 28,5 °С (18:00 вечера) без использования воздушного кондиционирования.

В результате наблюдений, проводимых в данном здании в течение года, было установлено, что частота использования естественной вентиляции в дневное время достигла 70%. 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.

Среднегодовые затраты энергии на климатизацию здания

Энергопотребление зданий с традиционной системой кондиционирования и с естественной вентиляцией

Исследования различных способов ночного охлаждения здания дали следующее процентное распределение, построенное по совокупному объему часов эксплуатации:

использование механической вентиляции и дополнительно охлажденного воздуха — около 15 %;

использование механической вентиляции и наружного воздуха — 12 %;

охлаждение путем естественной вентиляции — около 73 %. На рисунке представлено сравнение энергопотребления для зданий с естественной системой вентиляции и для аналогичного по объему здания с традиционной системой кондиционирования воздуха.

Share	Share
Обогреваемые металлические конструкции светопроемов ограждений атриума	Конвекторы

Share	Share
Кондиционер	Терморегулятор, установленный на конвекторе

Система климатизации здания

Система климатизации здания включает в себя систему механической вентиляции с утилизацией тепла удаляемого воздуха, охлаждаемые теплоемкие перекрытия с замоноличенными трубопроводами, конвекторы для обогрева помещений офисов и обогреваемые металлические конструкции светопроемов ограждений атриума.
Охлаждаемые теплоемкие перекрытия с замоноличенными трубопроводами используются для естественного охлаждения здания вместо традиционной системы кондиционирования с присущими ей недостатками.
Обогрев помещений осуществляется стандартными конвекторами. Сотрудники банка имеют возможность индивидуально контролировать температуру в офисе внутри определенного диапазона.
Все функции здания направлены на удовлетворение потребностей сотрудников и в то же время предполагают высокую эффективность использования энергии. Это достигается при управлении инженерным оборудованием “интеллектуальной” системой, которая обеспечивает оптимальный режим работы систем вентиляции, отопления и охлаждения, а также позволяет сотрудникам индивидуально регулировать параметры микроклимата непосредственно в рабочей зоне.
“Интеллектуальная” система имеет датчики для наблюдения за параметрами наружного климата, датчики, контролирующие параметры микроклимата в помещениях, и датчики наличия людей в помещениях (датчики движения).

Share	Share
Механические системы здания

Эта система с целью энергетической оптимизации в зависимости от показателей датчиков наружного и внутреннего климата и в соответствии с программой может управлять (вместе или раздельно) следующими функциями:

сокращение кратности воздухообмена;

полное отключение механической вентиляции в незанятых частях здания;

положение солнцезащитных устройств;

положение открывающихся окон во взаимодействии с охлаждающими потолками, поступающим воздухом и отоплением;

закрытие окон при неблагоприятных внешних условиях климата (приближение шторма, очень жаркая или очень холодная погода).

Share	Share
Воздухозаборные решетки

Санитарное оборудование зданий

Санитарное оборудование зданий соответствует стандарту для современных офисных зданий. По экономическим и экологическим причинам все ручные умывальники не оснащены в туалетах горячим водоснабжением.
Для экономии ценной питьевой воды в туалетах для смыва повторно используется вода от чиллеров.

Бак спринклерной системы

Для экономии ценной питьевой воды в туалетах для смыва повторно используется вода от чиллеров

Использование естественного освещения

Команда разработчиков проекта придала большое значение максимально возможному использованию дневного света. Использование естественного освещения значительно снижает эксплуатационные затраты и кроме этого улучшает психологический комфорт находящихся в здании людей.

Каждое офисное помещение в здании Commerzbank расположено в соответствии с требованиями Немецкого строительного стандарта, который предписывает, чтобы все сотрудники размещались не далее чем 7,5 м от окон. Прозрачность здания и стеклянные перегородки между офисными помещениями и коридорами позволяют достичь высокого уровня освещенности дневным светом на всех рабочих местах.
На каждом уровне одна из треугольных секций здания является открытой и составляет часть зимнего сада. Такая конструкция позволяет каждому офису либо иметь вид на город, либо на атриум и сад.
Зимние сады позволяют свету проникать к внутренним стенам каждого крыла. Эти сады обеспечивают “природный вид” для сотрудников офисов и вместе с атриумом участвуют в организации естественной системы вентиляции для всего здания.

Естественное освещение офисных помещений

Особенности конструкции

Здание представляет собой равносторонний треугольник со скругленными углами шириной 60 м. Его форму составляют три секции, сочлененные с центральным атриумом.
Немецкие строители предложили конструкторское решение, предполагавшее использование железобетона в качестве основного конструкционного материала. Железобетонная конструкция дешевле на несколько миллионов долларов по сравнению со стальной. Однако такое решение привело бы к необходимости размещения колонн внутри зимних садов и за счет этого к ухудшению естественной освещенности всего здания. Здание Commerzbank стало первым в Германии высотным зданием, в котором сталь использовалась в качестве основного конструкционного материала.
Применение стали вместо железобетона в конструкции высотного здания потребовало специальных противопожарных мероприятий, осуществленных немецкой компанией BPK Brandschutz Planung Klingsch GmbH. В числе прочих мероприятий — применение спринклерной системы, обеспечивающей подачу воды даже при отключении энергии. Конструктивно эта система выполнена в виде емкостей, в которых помимо воды закачен под давлением газ. В случае пожара емкость разгерметизируется, и вода под давлением разбрызгивается без дополнительного побуждения.
Для ограничения усадки существующего старого 30-этажного здания Commerzbank, расположенного в нескольких метрах, строители производили забивку свай и заливку монолитного фундаментного основания для каждого угла в отдельности. Забивка свай производилась на 40 м до незатронутой подстилающей коренной породы (здания во Франкфурте обычно имеют фундамент на глубине 30-метрового глинистого пласта). Сплошной фундамент был создан на глубине 7,5 м, его толщина составляет 2,5-4,5 м. 111 свай диаметром 1,5-1,8 м и длиной до 48,5 м собраны по группам под каждой из колонн высотного здания.

Приспособление для мойки фасада

Схема стального каркаса здания

Технические данные здания Commerzbank

Высота здания	259 м
Высота здания с антенной	300 м
Число этажей	53
Максимальная температура воздуха в помещениях в теплый период Максимальная относительная влажность воздуха в помещениях в теплый период Минимальная температура воздуха в помещениях в холодный период Максимальная относительная влажность воздуха в помещениях в холодный период	27 °С 60% 20 °С 40%
Приток наружного воздуха	524 000 м³/ч
Удельные тепловыделения от людей в здании Удельные тепловыделения от оборудования Удельные тепловыделения от освещения	20 Вт/м2 15 Вт/м2 5 Вт/м2
Установочная холодопроизводительность Установочная теплопроизводительность	5 МВт 4,5 МВт
Установочная мощность (потребление электроэнергии) систем: Отопления Охлаждения Санитарных систем Спринклерных систем	125 кВт 455 кВт 410 кВт 360 кВт
Годовое энергопотребление: Вентиляторов вентиляционных агрегатов Системы охлаждения Системы отопления	18 кВт x ч/м2 115 кВт x ч/м2 36 кВт x ч/м2

Схема расположения свай

Наружное освещение

Схема наружного освещения, предложенная молодым немецким дизайнером Томасом Эмде, была выбрана по итогам конкурса. Проект этой схемы наружного освещения был разработан в студии Blendwork, в которой работали четыре профессионала: дизайнер Томас Эмде, менеджер проектов и историк-искусствовед Питер Фишер, дизайнер светового оформления Гюнтер Хекер и менеджер по световому дизайну Ральф Тьювен.
Благодаря световому оформлению от Томаса Эмде особые черты первого в мире экологичного высотного здания видны ночью так же отчетливо, как и днем. При взгляде издали девять 4-этажных зимних садов, опоясывающих здание по спирали, создают впечатление прозрачности здания. Именно такую прозрачность и хотел подчеркнуть Томас Эмде при разработке схемы наружного освещения. Для этого он разместил источники рассеянного света в садах, что позволяет им ночью светиться теплым желтым светом. Он также подсветил верхние фасады здания, чтобы подчеркнуть его вертикальность. В результате панорама ночного Франкфурта заметно изменилась.

Ю.А.Табунщиков,
М.М. Бродач, Н.В. Шилкин,
“Энергоэффективные здания”

ри разработке схемы наружного освещения. Для этого он разместил источники рассеянного света в садах, что позволяет им ночью светиться теплым желтым светом. Он также подсветил верхние фасады здания, чтобы подчеркнуть его вертикальность. В результате панорама ночного Франкфурта заметно изменилась.

Ю.А.Табунщиков,
М.М. Бродач, Н.В. Шилкин,
“Энергоэффективные здания”

Найдите все свои архитектурные решения через OKNA.ua: Нажмите здесь чтобы зарегистрироваться. Вы производитель и хотите наладить контакт с клиентами? Кликните сюда.

Автор

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ

+380 44 501 XX XX +380 44 501 8736

+380 44 501 XX XX +380 67 467 1426

Издатель

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ