Энергоемкие фасады:
многообещающие внедрения

В начале 90-х годов прошлого столетия высококачественные фасадные конструкции, в частности, сдвоенные светопрозрачные оболочки, продвигались как окончательное решение проблем, связанных с энергопотерями. Такие энергоэффективные фасады назывались тогда не иначе, как “умными” фасадами. Однако эти фасадные конструкции вовсе не последнее слово изобретателей — просто они существуют повсюду в мире, и с теми или иными модификациями их устройство отражает климатические условия местности, где они расположены.
То есть двойные светопрозрачные фасады (фасады с двойным остеклением, ФДО) — только один из этапов продолжающегося эволюционирования конструкций, но их основные принципы устройства закладываются в новые изделия в этой области.
В годы после Второй мировой войны лидерство в мировой стеклянной архитектуре признавалось за США, где были созданы небоскреб “Lever Building”, 1951-52 гг., офисное здание “SOM” — известный “Seagram Building”, 1954-58 гг. архитектором Мийе Ван деер Рохе (Нью-Йорк) и “Hancock Tower” в Бостоне, 1967-76 гг. архитекторами из I.M. Pei & Partners в сотрудничестве с Х.Н. Коббом. Потери тепла зимой и перегрев летом, сводящие на нет все преимущества, в них пассивно снижались благодаря тонированному стеклу и активному использованию централизованной системы интенсивного кондиционирования.
После энергетического кризиса 70-х годов двойное фасадное остекление с отражающими стеклами стало интенсивно изучаться и разрабатываться ввиду сокращения теплопотерь и уменьшения перегрева.
В 1981 г. В Англии архитектор Мик Дэвис предложил в качестве нового подхода в поиске решения свою разработку поливалентной стены (polyvalent wall), которая может управлять потоком энергии от экстерьера к интерьеру с использованием промежуточного тонкого слоя-подложки с изменяемыми функциями. Промышленные методы производства такого “изделия-мечты” остаются неразработанными и поныне.
Главные усилия стеклянной индустрии и тогда и сейчас прилагались к широкому внедрению на рынке фасадов с двойным остеклением (ФДО) ввиду их выдающихся теплоизолирующих свойств, существенно снижающих эксплуатационные энергозатраты здания. Однако нежелательные потоки тепла вследствие солнечного излучения продолжают представлять собой проблему, поскольку защитные солнечные покрытия стекла не могут адаптироваться к условиям излучения и освещенности настолько, что приходится стекла с покрытиями комбинировать с различными солнцезащитными и затеняющими устройствами (СЗУ). Из-за воздействия ветровой нагрузки наружное размещение СЗУ проблематично, а во многих случаях признано нецелесообразным, особенно для высотных зданий.

• Share

Обзор конструкций двойных фасадов
Двойные фасады, возможно, решают проблему размещения СЗУ. Они характеризуются тем, что вдобавок к однослойной оболочке остекления имеется вторая оболочка, часто выполненная из изолированных стеклопакетов. СЗУ размещается обычно в проеме между оболочками, и оно таким образом защищено от наружного воздействия и от поломок человеком.
Внутренняя система вентиляции при однослойном остеклении размещается в интерьере здания. Полость между оболочками соединяется с центральной системой подготовки и кондиционирования воздуха таким образом, что излишнее тепло от солнечного излучения может быть удалено за пределы здания летом и/или рекуперировано зимой.
Системы с внутренне вентилируемыми фасадами весьма энергетически эффективны в смысле обеспечения комфортности и защиты от перегрева солнечными лучами, однако, требуют механического перераспределения потоков и принудительных систем подачи воздуха в течение всего года.
В системах с наружной вентиляцией ФДО полость соединяется с наружным воздухом. Таким образом, результирующее тепло вместе с воздухом перемещается непосредственно наружу и не требует принудительных систем.
Предвестником появления конструкций с двойной оболочкой стали проекты Ле Корбюзье в неоцененном по заслугам проекте Народного Дворца в Женеве, 1927 г., и для здания Центросоюза в Москве, 1929 г. Импульсом к такому решению, вероятно, послужило развитие традиционных решений с двойным остеклением, с которыми Ле Корбюзье был хорошо знаком еще с родной для него Швейцарии.
ФДО применялись и прежде, однако инженерами-строителями для рядовых зданий, а не архитекторами для знаковых сооружений и ансамблей. Производственное здание компании Штейфф в Гейнгене-на-Бренце (“Steiff Company”, Giengen on the Brenz), 1903 г., спроектированное самим Р. Штейффом, и “Hallidie Building” в Сан-Францииско, США, 1915-17 гг., от У. Полка, стали предшественниками применения ФДО в зданиях.

Share Commerzbank AG, 1991-97, Architects Foster and Partners

Share Hearst Tower, New York City, 2000-2005, Architects Foster and Partners

Фасады с внутренней вентиляцией
В 1957 г. появился хорошо известный первый патент Лундена и Съйодергрена (LundОn and SЪdergren) на фасад с внутренней вентиляцией. Применение таких конструкций впервые началось в Скандинавских странах.
Дом культуры в Стокгольме постройки 1968-71 гг. архитекторов П. Цельсина и Дж. Хенрикссона служит нам примером таких систем. Поэтажное остекление фасада состоит из сдвоенного наружного остекления и однослойного внутреннего, представляющего собой сдвижные стеклянные перегородки. Широкая полость между ними в 70 см с размещенными в ней конвекторами предотвращала образование конденсата.
Позднее системы начали использоваться и в Германии, например, для здания Deutsche Bank, комплекса “Taunus” во Франкфурте-на-Майне, выполненные в 1971-84 гг. архитектурными фирмами Hanig, Scheid, Schmidt. Это и административное строение фирмы “GEW” в районе Паркгюртель, Кельн, 1975-80 гг. архитекторов Кремера, Зивертса сотоварищи. Строилось также и в Лондоне, в частности, для здания главной конторы страховой фирмы Ллойдс, 1978-86 гг., фирмой Richard Rogers Partnership, а фирмой Foster & Partners в 1988-90 гг. — для радиовещательной компании “ITN”.

Фасады с наружной вентиляцией
Первый проект фасада с наружной вентиляцией (вернее, с вентиляцией наружу), еще называемый ФДО (фасад с двойным остеклением) был реализован в шестидесятых, например, для академии Gerrit Rietveld Academy в Амстердаме, 1959-67 гг., архитекторами Джи Ти Риетвельдом, Ван Дилленом и Ван Трихтом. Или здание библиотеки историографии Кэмбриджского университета, 1964-68 гг., от Дж. Стирлинга.
В 1978-81 было построено девятиэтажное офисное здание “Hooker” возле Ниагарского водопада, США, спроектированное архитекторами из Cannon Design. Был применен ФДО потому, что здание расположено в такой местности и так сориентировано, что невозможно было использовать наружные СЗУ.
В 1984 г. Ассоциацией АРУП (Arup Associates) было построено четырехэтажное офисное здание “Briarcliff House” в Фарнборо, Англия. Применение ФДО прежде всего объяснялось необходимостью защиты от шума от близлежащего аэропорта и полигона ВВС. Обычный фасад с высокими оконными проемами и витражами был снаружи защищен тонированным остеклением с бронзовыми секционными рамами.
Через несколько лет был построен еще целый ряд зданий с ФДО, таких как “Дом содействия бизнесу” в Дуйсбурге, 1988-91 гг. Германия, от Foster & Partners, или главный офис “Victoria Life Insurance” в Кельне, 1990-96 гг., архитекторы Т. Ван дер Валентин и А. Тильманн.

Share Deutsche Post Headquarter, Bonn, 1998-2002 Architects Murphy/Jahn Share Headquarter of HSBC, 1998-2003, Architects Foster and Partners

Share Cultural Center of Turin, Turin, 2001-05 Mario Bellini Associated Share Barbarossa Platz, Cologne, Architects Foster and Partners

Естественная вентиляция
Фасады с наружной вентиляцией все же требуют механической вентиляции в зависимости от поры года. Однако офисы могут вентилироваться, конечно, путем открывания форточки во внутренней оболочке остекления, что, безусловно, снижает эксплуатационные расходы здания.
Это преимущество приводит к необходимости развития концепции ФДО в сторону полностью естественно вентилируемой системы, что можно достичь за счет особой геометрии полости, подбора перепускного оборудования и СЗУ, размеров проходных сечений отверстий и влияния на результирующие параметры воздушного потока — скорость, температура, перепад давлений и т.п. — с учетом конструктивных параметров ФДО: на окно, на этаж, на высоту здания.
Примером ФДО с высотой полости на высоту окна может быть проект штаб-квартиры Commerzbank, реализованный Foster & Partners в 1991-97 гг.
Штаб-квартира RWE AG в Эссене, Германия, 1991-97 гг. архитекторов фирмы Ingenhoven Overdiek & Partners, и штаб-квартира компании Victoria Insurance в Дюссельдорфе, 1995-97 архитекторов из Hentrich Petschnigg & Partners — примеры конструкций с высотой полости на этаж.
В случае со штаб-квартирой фирмы GSW в Берлине, 1995-98 гг. от Sauerbruch Hutton Architects, на западном фасаде полость уже высотой со здание. Эффект дымохода в полости из-за нагретого солнцем воздуха, поднимающегося вверх, позволяет выдувать воздух из офисов. Свежий же наружный воздух поступает через фасад на восточной стороне.
Для эффективной естественной вентиляции существенно, что предотвращается перегрев воздуха в самой полости. В соответствии с этим требованием нужно весьма точно определиться с ориентацией здания, его конструкцией, потоками внутри полости так же, как и и влиянием СЗУ на параметры воздушного потока. Компьютерное моделирование, эксперименты в воздуховодах на натурных и масштабных моделях помогают в этом. В зависимости от размещения и типа выбранной конструкции системы естественной вентиляции правильный ее выбор позволяет рассчитывать, что она будет эффективно задействована в течение не менее 50% времени целого года.
При расширении крыла здания Бернского центра интенсивной и неотложной хирургии, Берн, Швейцария, 1997-2005 гг. фирмой Generalplaner 4D plus было проведено исследование и моделирование потоков в зависимости от числа открытых фрамуг в наружном остеклении и для оптимизации выбора типа открывающих систем.
Вопреки системам ФДО с фиксированной шириной воздухозаборных отверстий для вентиляции, системы с регулируемыми проемами могут адаптироваться к погодным изменениям лучше и точнее.
В случае ромбовидных элементов здания DЯsseldorfer Stadttor, Дюссельдорф, Германия, 1991-97 гг. разработки Petzinka Pink & Partners, воздушный поток регулируется адаптивными заслонками вентиляционной системы.
Фасады, позволяющие самостоятельно открывать наружное остекление, обладают способностью к дальнейшей самоадаптации.
Наружное остекление штаб-квартиры компании Debis в Берлине, 1997 г. от by Renzo Piano Building Workshop в сотрудничестве с Кристофом Кольбекером, состояло из поворотных стеклянных пластин-жалюзи. Архитекторы из Schneider + Schumacher радикально упростили эту идею: панели высотой с этаж в качестве наружного остекления здания администрации фирмы Braun в Кронберге, Германия, 1996-2000 гг. могли окрываться как стеклянные двери. Архитекторы запатентовали это решение и вторично воплотили в здании “Kubus” в Дюссельдорфе — хорошо известном на весь мир примере здания с ФДО.
В Лондоне внутренне вентилируемые фасады используются в целом ряде зданий, начиная с 80-х годов: здание Регистра Судов Ллойда, 1995-99 гг. от Richard Rogers Partnership, или высотное здание City Bank, 1996-99 гг. и штаб-квартира банка HSBC, 1998-2003 гг., оба от Foster & Partners.
Из зданий последних лет — штаб-квартира Швейцарского отделения компании “Re”, 1999-2003 гг. от Foster & Partners с примечательным дизайном. Свежий воздух поступает через вентиляционные устройства, размещенные впереди панелей этажных перекрытий. Воздух кондиционируется отдельно для каждого этажа и раздается по комнатам. “Отработка” вытягивается через полость ФДО и проходит или через соответствующий вытяжной вентилятор или через первый контур теплообмена системы кондиционирования.
Архитекторы Pei Freed Cobb & Partner сконструировали фасадную систему с внутренней вентиляцией для “Torre Espacio” в Барселоне, они же использовали подобную конструкцию для высотного здания First International Bank в Тель-Авиве.

• Share

ФДО за пределами Северной и Центральной Европы
Примеры с Востока поражают этажностью: “One Peking Road” в Гонконге, построенный в 2003 г. от группы Rocco Design, головной офис “Siu Shi” в Шанхае от Foster & Partners. ФДО начинают все шире применяться во всем мире.
Итальянский архитектор Аурелио Галфетти использует ФДО для реконструкции штаб-квартиры Safilo в Падуе, 1998-2000 гг. ФДО — основа для перестройки и нового строительства.
Проект Культурного центра в Турине, 2001-08 гг. архитекторов из Mario Bellini Associated планируется выполнить в виде волнистого северного фасада с ФДО-конструкцией, эта модель высотой на два этажа была показана на Архитектурном Биеналле в Венеции в 2002 г.
В Японии архитектор Тойо Ито строит здание Mediatheque в Седайе, 1995-2000 гг., обертывая здание вторым фасадом. Наружный фасад имеет полосатую структуру для защиты от жары и прямых солнечных лучей.

Гибридные фасады
Один из наиболее значительных аргументов для применения ФДО — естественная вентиляция в течение всего года достижима и возможна. Однако эта функция выполнима, если нагретый воздух, действительно, поднимается в полости вверх. Чтобы обеспечить именно это направление потока, были разработаны гибридные фасады, представляющие собой комбинацию ФДО и отдельных фасадных модулей с естественной вентиляцией.
Примером такого подхода в высотном здании стал новый небоскреб центральной администрации Debitel в Штутгарт-Вайхиннгене, спроектированный Роде, Келлерманом и Вравровски в 1996-2002 гг. ФДО перемежается узкими вертикальными модулями для вентиляции, которые, собственно, и обеспечивают индивидуальное проветривание внутренних помещений. Это обеспечивается размещенными внутри заслонками и наружными пластинами-отбойниками для защиты от дождя и в качестве СЗУ. В административном здании Управления социального страхования SOKA в Висбадене, 1994-2003 гг., архитекторы из Herzog+Partner построили узкие вертикальные вентиляционные шахты внутри фасада. Подаваемым через шахты воздухом можно управлять вручную обитателям самого здания, а свежий воздух может даже быть предварительно нагрет встроенными конвекторами.

Децентрализованная вентиляция
Дальнейшая возможность для снижения потребления энергии лежит в концепции фасадов, которые задействуют децентрализованные вентиляционные устройства.
Здесь вентиляция интерьера происходит благодаря малым воздуходувкам, расположенным на балюстраде (перемычке-проходу) между двумя этажами. Они могут регулировать температуру свежего воздуха независимо путем нагрева или отбора тепла и не нуждаются в центральном управляющем модуле. В зависимости от конструкции они могут даже функционировать в качестве теплообменников между отходящими и приточными потоками воздуха. Децентрализованные вентиляционные модули обладают высокой адаптивностью к потребности отдельных обитателей и могут действовать в соответствии с их предустановками.
Этот тип систем используется в Германии уже более 20 лет. Три здания, составляющие Hallesian National Health Insurance в Штутгарте, построенные с 1986 по 2003 г. архитекторами и проектантами из Riedenberg при консультировании устройства фасадов Эриком Мосбахером, служат достойным примером.
В 1999 г. концепция была несколько пересмотрена фирмой SchЯco в строении выставки ‘BAU’ в Мюнхене на двухэтажной модели фасада. Эта концепция опиралась на постановку серийно выпускаемых агрегатов вентсистем в фасады в виде модульных компонентов.
Позже эта концепция еще больше реализовывалась в децентрализованной системе вентиляции мюнхенских небоскребов “Highlight Towers” архитекторов Мерфи и Джана. Вентиляция располагается в межэтажном перекрытии вдоль всего фасада. Поступающий воздух кондиционируется путем нагрева или охлаждения и направляется в офисы через щелевые системы вдоль этажного перекрытия. Выпускаемый воздух собирается в центральный коллектор для теплообмена.
Подобная концепция используется в проекте башни UEC во Франкфурте архитекторов из Ателье Жана Нувеля.
Главный офис Дойче Пост в Бонне, конкурс которого выиграли в 2003 году Мерфи и Джана — хорошо известный пример децентрализованной системы ФДО.
Наружное остекление южного фасада сконструировано пропорционально промежуткам, которые перекрываются заслонками вентиляции. Когда заслонка открыта, в полость поступает свежий воздух. Децентрализованные вентиляционные устройства размещены внутри перекрытия по каждой оси вдоль внутреннего фасада. Поступающий воздух кондиционируется путем нагрева или охлаждения и направляется в офисы через щелевые системы вдоль этажного перекрытия. Исходящий воздух направляется вдоль коридоров и собирается в центральном атриуме и выпускается через вентиляционные заслонки в остекленном фасаде. Вдобавок внутренний фасад оснащен вентиляционными отдушинами, позволяющими вентилировать офис естественным путем. Северный фасад функционирует подобно южному. Отличие в том, что наружная стенка тоньше и вентиляционные заслонки полностью перекрывают поток в фасаде.
Преимущества децентрализованной схемы вентиляции состоят в возможности индивидуальной настройки и управления вручную или путем обработки сигналов датчиков-измерителей в зависимости от индивидуальных запросов обитателей. К тому же пространство, которое требуется для каналов-воздуховодов, и размеры центральной станции климат-контроля для всего здания значительно уменьшаются. Вследствие модульности системы и наличия элементов индивидуального естественного проветривания, монтаж и обслуживание не создают проблем, и повышается надежность по сравнению с единой системой вентиляции и мощными единичными силовыми агрегатами, выход из строя которых создает проблемы для замены, ремонта и обслуживания.

• Share

Выводы
Разные примеры показывают, что нет пока интеллектуальной фасадной системы, скорее есть неинтеллектуальные, зато с возможностью оптимизировать те или иные важнейшие характеристики в зависимости от требований, выдвинутых в каждом случае, с целью нахождения лучшего решения в соответствии с размещением и назначением (использованием) здания. Это предпосылки для разработки единого подхода к проблеме энергосбережения, единой концепции: от выработки архитектурного решения до конструирования фасадной системы за счет интегрального подхода и совместных усилий архитекторов, расчетчиков и инженеров, их диалогу и развитию этого диалога. ФДО — достаточно сложные сооружения, поэтому это дорогое решение с точки зрения стоимости строительства. Гибридные системы и децентрализованные системы несколько дешевле, поэтому составляют альтернативу ФДО, но являются паллиативом ему по стоимости эксплуатации, поскольку ФДО существенно экономят именно эксплуатационные расходы.
Приведенные примеры также показывают, что новые идеи и эксперименты постоянно приводят к улучшениям. Однако фасадные решения еще далеки от совершенства.
Целью реализации программы “умного фасада” в дружественном к окружающей среде здании с минимальным энергопотреблением есть снижение суммы капитальных вложений при повышении уровня экономии эксплуатационных затрат при сохранении высокого художественно-архитектурного уровня и технологичности строительства.