Фасады с двойным остеклением — европейская тенденция
в архитектуре, движимая по большей части следующими причинами:
— эстетические пожелания иметь цельностеклянные фасады с целью увеличить
прозрачность и визуальное взаимопроникновение экстерьера и интерьера,
чем обогащается внутреннее пространство помещения;
— необходимость улучшить акустические характеристики здания в смысле
шумозащиты внутренних помещений зданий, расположенных возле источников
наружного шума;
— снижение энергопотребления зданий при их эксплуатации.
|
За последние годы интерес среди архитекторов, применяющих технологию
фасадов с двойным остеклением, в частности, в Скандинавии, увеличился.
В Швеции такие здания были построены в последнее время сначала в
Стокгольме, например, офисные здания Kista Science Tower, здания
представительств ABB, Glashusett и NOKIA, а затем и в других скандинавских
странах. Целью применения фасадов с двойным остеклением в этих случаях
было снижение высокой внутренней температуры зданий летом и снижение
теплопотерь зимой. has in these cases been to reduce high indoor
temperatures during summer and reduce transmission losses during
winter. Очень немногие из скандинавских фасадов с двойным остеклением
использовались до этого для обеспечения вентиляции зданий.
|
|
Фасады с двойным остеклением прежде всего интересуют архитекторов офисных
зданий или в случаях, когда желают добиться “единения с природой” или
улучшить уровень естественной освещенности. Часто устройство второй внешней
оболочки используют при реконструкции.
Определения и концепция
Фасады с двойным остеклением (ФДО) — система, состоящая из двух остекленных
оболочек размещенных на некотором расстоянии друг от друга таким образом,
чтобы организовать направленный поток воздуха в промежуточном пространстве.
Более детально, в состав ФДО входят:
Наружное остекление (зачастую сплошное) — обычно из закаленного однослойного
стекла.
Внутреннее остекление: стеклопакеты с покрытиями и/или газонаполненные
(применяется обычное прозрачное, самоочищающееся, энергосберегающее (low-E),
с контролем инсоляции разных типов стекло). Внутреннее остекление может
быть и сплошным и частичным.
Воздушный поток между двумя остекленными поверхностями. Ширина промежутка
может варьироваться от 20 см до более чем 2 м. Это расстояние влияет на
свойства воздушного потока — скорость, температура, расход, на способы
монтажа и обслуживания, на применяющуюся технику по управлению освещенностью
(жалюзи, ролеты, экраны между остеклением).
Вентиляция внутри промежутка может быть:
— полностью естественной (“эффект дымохода”);
— поддерживаемой вентиляторами;
— или с механическим регулированием.
В типичной системе фасада с двойным остеклением (ФДО):
Внутренне окно может открываться пользователем, например, для естественной
вентиляции помещения.
Солнцезащитные устройства (СЗУ, часто автоматически управляемые) интегрируется
с системой управления воздушным потоком.
Тепловые радиаторы могут устанавливаться снаружи внутреннего остекления
(в зависимости от принятого способа отопления).
Забор, направление потока и выпуск воздуха могут отличаться в зависимости
от климатических условий, использования, размещения, времени суток для
проветривания здания и даже от электропитания (постоянным или переменным
током). Простейшие системы обеспечивают только отточную вентиляцию. Долгое
время это означало, что офисные здания с ФДО имели традиционные отопление,
охлаждение и приточную вентиляцию.
Классификация ФДО
Ключевым моментом в понимании концепции систем ФДО может стать их классификация.
Самый общий подход в категоризации ФДО — геометрический. Выделяют четыре
типа по геометрии:
Многоэтажный ФДО: в этом случае нет горизонтального или
вертикального деления между двумя остекленными оболочками здания. Вентиляция
воздушного промежутка достигается за счет отверстий внизу у нижнего этажа
и отверстиями наверху у крыши здания (рис. 1а) .
Коридорный фасад: горизонтальное деление создано по соображениям
пожарной безопасности, акустической изоляции или режима вентиляции (рис.
1б).
Коробчатый (секционный) тип ФДО: в этом случае горизонтальное
и вертикальное секционирование разделяет фасад на небольшие “коробки”
вокруг “окна” (рис. 1в).
ФДО с “дымоходом”: в этом случае ряд секций коробчатого
ФДО соединяется со специальным вентиляционным каналом-“дымоходом”, расположенным
между остеклением (рис. 1г). Такой отдельный канал усиливает “эффект дымохода”.
Классифицировать ФДО можно, выделив:
Тип вентиляции
— Естественный
— С вентилятором (нагнетателем)
— С механическими задвижками
Происхождение потока воздуха
— Снаружи
— Изнутри
Выпуск воздуха
— Наружу (отток)
— Внутрь (приток)
Направление потока
— Наверх
— Вниз (в случае принудительной вентиляции)
Ширина внутреннего промежутка
— узкий (10 - 20 см)
— широкий (0,5 - 2 м)
Рис.1 Классификация ФДО по типу организации промежуточного пространства
Техническое описание
Остекление
В ФДО обычно применяют такие типы панелей:
Для внутренней оболочки (фасада): обычно он состоит из термоизолирующего
стеклопакета (ИСП) с одним или двумя стеклами. Панели внутреннего остекления
обычно выполняют из упрочненного или неупрочненного флоат-стекла. ИСП
могут заполняться возухом, аргоном или криптоном. Покрытия со сниженным
светопропусканием регулируют уровень солнечной радиации внутрь помещения.
Для наружного слоя ФДО: обычно это упрочненное (закаленное) однослойное
стекло. Иногда это может быть ламинированное стекло. Зачастую наружный
слой выполняют из термоупрочненного безопасного стекла или ламинированного
безопасного стекла. Для повышения степени прозрачности для наружного остекления
иногда используют оптическое кварцевое стекло.
Тип используемых панелей влияет на температуру в промежутке и таким образом
влияет на параметры воздушного потока и сказывается на общем энергопотреблении
здания.
Солнцезащитные
устройства
Солнцезащитные устройства (СЗУ, часто в виде жалюзи) размещаются между
оболочками остекления с целью защиты. Характеристики затенения СЗУ влияют
на условия внутри промежутка между фасадами, то есть выбор типа и конструктивных
параметров СЗУ делается с обязательным учетом его возможного влияния
на вентиляцию и характеристики воздушного потока.
Однако даже больше чем тип СЗУ на динамику потока влияет его размещение
внутри межфасадного промежутка — поток делится как бы на два субпотока
со совими условиями теплопередачи. Более тонкий субпоток быстрее прогревается
и движется тоже быстрее. Таким образом, решение о размещении СЗУ принимается
с учетом:
размещения самого здания (наружная температура и освещенность и т.п.);
ориентации фасада по сторонам света;
геометрии межфасадного промежутка;
геометрии и позиционирования наружных и внутренних открываемых отверстий;
типа вентиляции
с целью снизить энергопотребление для отопления/охлаждения здания и обеспечения
приемлемых температурных характеристик на внутренней оболочке ФДО и комфорта
обитателей. Это означает, что СЗУ располагают как можно ближе к наружной
оболочке ФДО, однако не ближе 15 см от нее, чтобы предотвратить чрезмерный
перегрев наружного остекления изнутри и уменьшить перепад температур снаружи
и внутри внешнего слоя фасада.
Строительная физика: свойства потока между оболочками
ФДО
Моделирование и имитация промежуточного пространства между оболочками
ФДО есть сложнейшая задача, поскольку здесь взаимодействуют различные
функциональные элементы, одновременно и по разному влияя на параметры
системы. Усилия по моделированию в основном сосредоточены на следующем:
имитация воздушного потока;
вычисление температурных характеристик на разной высоте;
имитация параметров дневного освещения (оптических и тепловых).
Рис. 2 Организация естественных потоков воздуха в ФДО летом и зимой
механическими задвижками
Имитация воздушного потока внутри ФДО необходима для вычисления перепада
температур по высоте, что особенно важно для определения характеристик
ФДО:
конструкция фасадов
— тип ФДО
— геометрические размеры
остекление фасада
— тип остекления (одно- или двухслойное остекление внутренней/наружной
оболочки)
— тип стекла и /или ИСП (простое стекло, фотохромное стекло, термоизолирующее
стекло и т.д.)
солнцезащитные устройства (СЗУ)
— тип СЗУ
— размещение СЗУ — внутреннее, наружное, промежуточное (внутри ФДО)
— если внутри ФДО — точное размещение
подходящая комбинация типа панелей остекления и СЗУ для
каждого ФДО в зависимости от ориентации по сторонам света и типа фасада
тип и принцип устройства вентиляции
— происхождение и направление потока (изнутри — снаружи, внутрь — наружу)
— естественная / механически регулируемая / от вентилятора
— ночное охлаждение/вентиляция
Вычисление параметров потока в канале с естественной вентиляцией — ключ
к примерному определению распределения температур по высоте и подсчету
климатических характеристик во внутренних помещениях. Собственно, только
это и есть основное преимущество ФДО с естественной вентиляцией, особенно,
когда в межфасадное пространство перепускается воздух из помещений, т.е.
результирующая температура зависит от соотношения скорости и температуры
смешиваемых потоков, определение которых в свою очередь зависит от:
энергетического баланса для здания (в основном опирающегося на оценку
характеристик потока)
согласования пропускной способности потока по зонам (опирающееся на
массовый баланс всех участков и соотношения перепада давления между ними)
гидродинамических расчетов (основанных на сохранении энергии, массы
и количества движения во всех и каждой из конечных ячеек, принятых к рассмотрению
с учетом степени детализации расчета);
измерений в реальных зданиях;
измерений в тестовых сооружениях.
Устройство
и внешний вид ФДО в зданиях Kista Science Tower, ABB-house, Glashusett
и NOKIA-house, г. Стокгольм, Швеция
Преимущества и недостатки ФДО
Преимущества:
Низкая цена строительства по сравнению с решениями, в которых использованы
электрохромные, термохромные или фотохромные панели (чьи свойства зависят
от состояния окружающей среды).
Шумозащита: по мнению многих архитекторов, применение ФДО обусловлено,
пожалуй, именно этим фактором.
Снижение уровня внутреннего шума внутри офисного здания из-за уменьшения
как уровня проникновения внешнего шума, так и уровня проникновения шума
из комнаты в комнату и наружу из здания за счет “лабиринта” для воздуха
и его движения по касательной к стене (“унос” или “сдувание” шума).
Теплозащита: зимой наружное остекление обеспечивает дополнительную теплозащиту.
Понижение скорости потока воздуха и повышение его температуры внутри ФДО
меньше теплопереноса с поверхности стекла, что приводит к уменьшению теплопотерь.
Летом теплый воздух внутри ФДО может удаляться вентиляцией. Некоторые
типы ФДО склонны к перегреву, однако полностью открываемый наружный фасад
решает эту проблему в летние месяцы, но это, конечно, сказывается на его
цене.
Вентиляция в ночное время: в летнюю жару внутреннее пространство можно
легко перегреть. В этом смысле бывает энергетически выгодно “предохладить”
офисы за ночь с помощью естественной вентиляции. Температура внутри помещений
будет затем в течение нескольких утренних часов попрохладнее, чем экономится
энергия для принудительного кондиционирования воздуха после полудня.
Энергосбережение и экология: в принципе, ФДО могут сберегать энергию,
если они грамотно спроектированы. Часто, когда при реконструкции обычные
меры по теплоизоляции обычных наружных стен недостаточны, установка одной
только внешней стеклянной оболочки может привести к достижению необходимого
уровня теплоизоляции, не говоря уже об архитектурных достоинствах такого
подхода.
Лучшая защита элементов СЗУ: поскольку конструктивные элементы СЗУ размещены
в межстекольном пространстве ФДО, они лучше защищены от воздействия ветра
и осадков.
Снижения воздействия ветровой нагрузки: ФДО вокруг высотных зданий могут
быть разгружены от ветровой нагрузки повышением давления между остеклением.
Прозрачность — архитектурный дизайн: Актуальное желание архитекторов
сегодня — использовать максимально возможную площадь остекления.
Естественная вентиляция: Одно из главных преимуществ систем ФДО — возможность
организации естественной (или поддерживаемой воздуходувками) вентиляции.
Самые разные типы вентиляции могут быть организованы благодаря ФДО, исходя
из соображений эффективности во всех смыслах, в том числе энергосбережения,
учитывая разные климатические зоны, ориентацию зданий по сторонам света,
типа здания, его высотности прочее. Если вентиляция и ФДО спроектированы
совместно и хорошо, будет достигнуто снижение эксплуатационных расходов
при качественном микроклимате в помещениях.
Тепловой комфорт — температура внутренних стен: Часть воздуха внутри
полости ФДО теплее, чем температура наружного воздуха. На внутренней стороне
фасада можно достичь температуры, которая будет как можно ближе к комфортной
температуре помещения в отопительный период, это существенное различие
по сравнению с фасадами с однослойным остеклением. С другой стороны, организацией
воздушных потоков можно достичь эффекта, когда в жаркое время температура
внутри помещения не повышается настолько сильно — остекление охлаждает
воздух внутри помещения и можно реально экономить на климат-контроле.
Пожарные выходы: Пространство между панелями ФДО можно использовать
в качестве аварийных выходов на случай пожара.
Недостатки
Несколько более высокая стоимость строительства по сравнению с обычными
фасадными системами.
Пожаростойкость: Еще не вполне ясно, как именно ФДО ведут себя в случае
пожара — положительно или отрицательно в смысле безопасности людей и пожаростойкости
здания. Однако некоторые исследователи утверждают, что проблемы в большей
степени вызваны проникновением дыма из комнаты в комнату, а не собственно
огня.
Снижение площади офисного пространства: Ширина межстекольного пространства
в ФДО может варьироваться от 20 см до 2 м. То есть якобы уменьшается площадь
внутри здания. Однако использование пустоты для размещения множества коммуникационных,
вентиляционных и отопительных каналов, возможность вынести туда другие
инженерные системы — например, стояки водопровода, коммуникационные и
энергопитающие кабели и прочее плюс решение задачи оптимизации ширины
самого межстекольного пространства, исходя из минимального энергопотребления
систем климат-контроля и в жару и в холод, выравнивает этот недостаток.
Дополнительное обслуживание и эксплуатационные расходы: Сравнивая ФДО
и однослойное остекление, можно говорить о некотором повышении затрат,
связанных с чисткой удвоенного остекления, поддержания работоспособности
конструкций и другие затраты на обслуживание системы ФДО.
Проблемы перегрева: Если система ФДО была некорректно спроектирована,
возможно, что температура воздуха между оболочками может быть существенно
выше, чем требуется для поддержания комфортных условий внутри помещения.
Этот недостаток во многих случаях устраним введением дополнительных конструктивных
элементов между оболочками ФДО “по месту”.
Увеличение скорости воздушного потока внутри полости ФДО, в частности,
в многоэтажных зданиях. Снижение давления из-за этого — основное условие
организации эффективной естественной вытяжной вентиляции.
Увеличение общего веса ограждающих конструкций: как и ожидалось, увеличение
веса ограждающих конструкций происходит, и это сказывается на увеличении
стоимости строительства. Однако во многих случаях это повышение не настолько
велико, если само здание проектировалось совместно с ФДО, и несущие элементы
здания одновременно служат конструктивными элементами ФДО.
Дневной свет: в этом смысле ФДО подобны и другим типам фасадов со сплошным
остеклением, однако, действительно, двойное остекление теоретически уменьшает
интенсивность дневного освещения.
Акустическое взаимовлияние: В случае неграмотного проектирования ФДО
возможно проникновение звука из комнаты в комнату и с этажа на этаж, чего
не происходит в правильно спроектированных ФДО.
Заключение
ФДО для офисных зданий в Европе были спроектированы по большей части в
связи с желанием достичь прозрачности ограждений с одновременной экономией
энергоресурсов. Однако в некоторых источниках литературы звучит претензия,
что главный недостаток этих систем — в странах с высоким уровнем инсоляции
наблюдается перегрев даже в прохладную погоду. Тепловой дискомфорт приводит
к перерасходу энергии на охлаждение. То есть, по мнению некоторых авторов,
энергоэффективность ФДО преувеличена.
Это правда, что ФДО — системы, которые весьма зависят от условий извне
(солнечное излучение, внешняя температура и т.д.) и, следовательно, позволяют
им влиять на условия внутри помещения. Таким образом, очень важно, чтобы
ФДО были спроектированы с учетом климатических зон, ориентации зданий
по сторонам света, типа здания, его высотности прочее, в противном случае
результат будет скорее всего неудовлетворительным. Влияющие факторы, которые
должны быть обязательно учтены при проектировании, таковы:
Климат (солнечное излучение, температура снаружи и т.д.)
Расположение и обстановка вокруг здания (географическая широта, местные
условия освещенности, атмосферные условия, наружные затеняющие строения,
отражательная способность грунта или покрытия вокруг здания и т.д.)
Время использования здания (часы работы, характер задач, выполняемых
в нем, прочее)
Регламенты для этого строения.
Конструктивные параметры должны быть изучены с целью повысить характеристики
здания в целом:
Конструкция и тип ФДО
Конструкция несущих элементов и элементов остекления
Геометрические характеристики межфасадного пространства
Использование потоков воздуха между оболочками
Изучение основных свойств межфасадного пространства, наружной и внутренней
оболочек ФДО
Тип остекления, СЗУ, элементов освещения
Выбор материалов для ФДО и СЗУ
Расположение СЗУ
Крайне важно понимать характеристики ФДО, разными способами моделируя
поведение воздуха в межфасадном пространстве, поскольку его геометрия
сильно влияет на характер и температуру потоков и скорость воздуха. Открывание
и закрывание отверстий или фрамуг снаружи ФДО или на внутренней оболочке
также сказывается на перераспределении воздушных и тепловых потоков. Эти
параметры вместе определяют совместное использование (а значит проектирование)
ФДО и системы отопления, вентиляции, кондиционирования, только их совместное
рассмотрение позволяет добиться существенного снижения энергопотребления
и эксплуатационных расходов здания. Индивидуальный подход к конструкции
ФДО как части здания и самого здания в целом — ключ к получению высоких
характеристик.
По материалам Гаррис Пойразис(Harris Poirazis),
Lund Institute of Technology, г. Лунд, Швеция
