Под пеленой из стали
Улучшение микроклимата в помещении
в результате применения фасадов из ткани из нержавеющей стали
Научное исследование на реальном объекте

При взаимодействии со светом этот необычный материал создает особые эффекты: иногда его поверхность кажется прозрачной или непроницаемой для глаза, его поверхность служит экраном для декоративного фона или придает архитектурным формам трехмерный ритм и напряжение. Наряду со многими эстетическими аргументами, промышленный исходный материал обладает многими функциональными качествами, например, он несгораемый, обладает неограниченной долговечностью, не нуждается в уходе, он жесткий и атмосферостойкий. При этом архитектурные объекты кажутся оптически бесшовными.
Чтобы научно исследовать тепловые эффекты фасадов из такой ткани, которые обладают известными функциональными свойствами, в 2006 году фирма GKD заказала Инженерному бюро (Аахен) соответствующее исследование. Это независимое инженерное бюро с 1993 года специализируется на техническом моделировании энергетической и микроклиматической оптимизации зданий.
Постановка задачи для бюро «Heliograph» включает разработку рекомендаций для повышения энергетической, микроклиматической и экономической эффективности фасадов с использованием ткани из нержавеющей стали, а также проведение сравнения альтернативных вариантов солнцезащиты.
Результат исследования является вполне определенным: благодаря специфическим строительно-физическим свойствам металло-тканевой облицовки, GKD-фасады способствуют значительному улучшению эксплуатационных характеристик здания. По требованию заказчика сначала это влияние было исследовано теоретически, также была дана количественная оценка на примере.

Share Ткань из нержавеющей стали превосходит различные ткани не только в эстетическом отношении, но также и по функциональным свойствам (например, она не горит и стойка к погодным воздействиям).

Share При взаимодействии со светом этот изысканный материал создает особые эффекты: иногда его поверхность кажется прозрачной или наоборот, непроницаемой для взгляда.

Эталонный объект для исследования — это здание «Светящийся куб» выставки Expomedia в Саарбрюкене, которое построили в 1998 году архитекторы Крамм и Штригл из Дармштадта; проект этого здания отражает нынешнее состояние техники в современном языке архитектуры и создания форм. Для сравнения был теоретически исследован тот же объект в экстремальных климатических условиях города Дубай.
1880 кв. м полезной площади кубического здания размещены на 8 этажах и распределены по требованию мультимедиа. На первом этаже с южной стороны находится вход с лестничными клетками для замыкания первого этажа. С восточной и западной сторон размещены выставочные площади, функции которых дополнены чайными комнатами и сантехническими помещениями. В середине здания ориентированный на север атриум (т.е главное помещение с верхним светом) соединяет все этажи друг с другом. По мере надобности на южной стороне здания находятся в шести верхних этажах залы для переговоров, а на восточной и западной сторонах — офисные помещения с необходимыми вспомогательными зонами.
В атриуме круговая галерея соединяет все помещения с функциональными областями (лестничные клетки и сантехнические помещения), находящимися в углу здания.

• Share

Исследование поведения здания
Для моделирования поведения здания было выбрано реальное здание в качестве упрощенной численной компьютерной модели, с идентичным использованием офисных помещений на всех этажах и такими же строительно-физическими свойствами (вид материалов, теплопроводность, аккумулирующая способность, водопроницаемость, плотность и свойства излучения).
По результатам метеонаблюдений при моделировании были учтены ориентировка здания по сторонам света и климатические особенности места строительства (Саарбрюкен или Дубай).
На основании этих данных было определено тепло-энергетическое поведение здания. При этом был исследован грунт, наружные стены, несущие и ненесущие внутренние стены, внутренние двери, перекрытия, крыша и ее остекление, а также окна, включая рамы и остекление.
Для лучшего восприятия и упрощения расчетов отдельные площади и помещения виртуальной модели здания были разделены на зоны. При этом в одну зону объединялись помещения с одинаковым использованием, временем работы, внутренними и наружными нагрузками.
При моделировании каждая зона рассматривалась как сбалансированное помещение.

• Share

• Share

В результате для зоны были определены следующие данные для каждого часа дня: температура и влажность воздуха в помещении, температура стен, перекрытий и полов, приток и отток воздуха, теплопередача через непрозрачные и прозрачные поверхности, инсоляция, а также требуемые нагрузки отопления и охлаждения для поддержания необходимых условий в помещении.
Учет примененных материалов позволил сверх того детально рассмотреть инсоляцию, аккумуляцию тепла и их влияние на микроклимат в помещениях. В холодное время года инсоляция используется для отопления здания, а в теплые месяцы и в южных районах она вызывает нежелательный нагрев здания. Этот факт определял существенное различие в поведении здания при сопоставлении Саарбрюкена и Дубай .
Средняя температура 6,7°С в Саарбрюкене и 28,6°С в Дубай, коэффициент инсоляции в Саарбрюкене менее 200 Вт/м2 и в Дубай максимально 1100 Вт/м2, скорость ветра в районе строительства для Саарбрюкена 3-12 м/с и в Дубай 1-15 м/с.
При моделировании было произведено сравнение четырех вариантов солнцезащиты в обоих местах строительства. Для устройств солнцезащиты было принято погодное управление в течение рабочего времени с понедельника до пятницы от 8.00 до 18.00 часов. Незатененное здание с простым теплозащитным остеклением (oSS), как наихудший сценарий, сравнивалось со зданием с расположенной солнцезащитой внутри (SSi) и зданием с наружной солнцезащитой (SSa). Четвертый вариант — реальное здание «Светящийся куб» выставки Expomedia в Саарбрюкене, с жестко установленным GKD-фасадом из ткани типа Omega 1520 (из нержавеющей стали).
Сильно отличающаяся инсоляция в четырех вариантах определяет различные требования к техническому оборудованию. Для Саарбрюкена подходят варианты без или с находящейся внутри солнцезащитой при сильной инсоляции и соответствующими большими нагрузками охлаждения. Отсюда следуют большие объемы воздуха, которые необходимо пропустить через центральную станцию кондиционирования. Варианты с наружной солнцезащитой отличаются настолько низкими нагрузками охлаждения, что эти нагрузки могут быть обеспечены необходимым количеством воздуха при помощи местных установок без разветвленной сети каналов и без устройства вытяжной вентиляции.
При фасадах из ткани из нержавеющей стали, наоборот, только в залах для переговоров и в атриуме требуется дополнительное охлаждение в вентиляционных установках. В офисных помещениях при всех вариантах солнцезащиты достаточно предусмотреть охлаждаемый потолок.
Чтобы использовать зимой рекуперацию тепла в вентиляционных установках, применяются местные вентиляционные приборы, обеспечивающие рекуперацию. Хотя потребность в тепле при всех вариантах различна из-за вклада инсоляции, пиковая нагрузка отопления изменяется незначительно. Поэтому оборудование для теплоснабжения во всех вариантах является идентичным.

По аналогии со строительством в Саарбрюкене, при моделировании для Дубай было проведено сопоставление различного необходимого технического оборудования. Охлаждающая нагрузка (нагрузка системы кондиционирования) для всех вариантов так высока, что она может быть создана только посредством совместного действия охлаждающих потолков и вентиляционных установок. При этом варианты без солнцезащиты и с расположенной внутри солнцезащитой предъявляют очень высокие требования к вентиляционной технике. Требуемая кратность воздухообмена практически не может быть обеспечена через обычные выпускные отверстия без вытяжной вентиляции. Для лучшего сравнения дополнительные затраты были определены для оборудования со стандартными закручивающими воздухораспределителями.

Расход электроэнергии для освещения и приборов изменяется в связи с различным временем освещения. Чем сильнее затенено здание, тем выше потребление электроэнергии. Потребление электроэнергии на вентиляторы и управление зависит от перемещаемого потока воздуха и от сложности и мощности регулируемого оборудования. Однако расход электроэнергии на производство холода линейно зависит от потребности здания в холоде. При одинаковых внутренних нагрузках эта потребность падает с увеличением затененности здания, однако эта потребность может оставаться неизменной, так как нагрев здания из-за незначительной инсоляции падает, а потребление тепла на отопление возрастает. В качестве основы для расчетов использованы тарифы государственных предприятий в Саарбрюкене и электростанции Energie Saarlorlux.
В Дубай из-за высокой инсоляции в течение всего года приблизительно одинаков расход электроэнергии на освещение и обслуживание приборов. В общем расходе электроэнергии на вентиляторы и управление увеличивается та часть энергии, которая идет на вентиляторы, так увеличивается объем перемещаемого воздуха.
Требования к технике регулирования остаются одинаковыми для всех четырех вариантов.

• Share

Из-за климатических условий имеют место наибольшие затраты энергии на производство холода. Поэтому здесь солнцезащита зданий сильно влияет на общие затраты энергии. Из-за высокой наружной температуры в течение всего года и из-за отказа от удаления влаги отсутствует потребность в тепле для отопления. Чтобы обеспечить желательную сравнимость, здесь также используются единые цены Саарбрюкена в качестве основы для расчетов.
Если установить средний срок службы деталей технического оборудования и расходы на их замену, то оказывается, что в течение срока службы здания амортизируются более высокие основные инвестиции. Именно из-за расходов на солнцезащиту увеличиваются капитальные затраты на здание и строительные конструкции (KG 300), и ,наоборот, улучшение солнцезащиты ведет к сокращению затрат на технику (KG 400). Так как техническое оборудование имеет, как правило, более низкий срок службы по сравнению с конструктивными элементами для вспомогательных работ и демонтажа, то в расчете на срок службы здания увеличиваются расходы на ремонт излишне технически оснащенного здания, независимо от эффективности его солнцезащиты.
Необходимо также учесть расходы на техническое обслуживание, проверки и износ. И хотя в Средней Европе типичный срок службы облицовки из ткани из нержавеющей стали составляет 100 лет, затраты на фасады с такой облицовкой существенно увеличились. Аналогично и для Дубай в основу расчета инвестиций положены немецкие цены и немецкое качество при определении срока службы. Вследствие более жаркого климата в Дубай, несмотря на отсутствие необходимости в оборудовании для отопления, техническое оборудование для охлаждения требует более высоких затрат. При этом общие капитальные вложения больше, чем в Саарбрюкене.
Итак, результаты исследования для Дубай показывают еще определеннее, что более высокие капиталовложения в фасады компенсируются более низкими расходами на технику, ремонт, проверки и обслуживание, а также меньшим износом. Не следует пренебрегать и аспектом комфорта. Чтобы в странах с таким же климатом, как в Дубай, длительно поддерживать в помещениях температуру 26°С, необходимо в помещения без GKD-фасадов обеспечить приток воздуха с такой скоростью, что это вызывает дискомфорт из-за ощущения сквозняка. Только в помещениях с фасадами из металлической ткани возможно комфортное кондиционирование. Исследование Инженерного общества (Аахен) показало новую область функционального применения фасадов из металлической ткани. Принимая во внимание процесс проектирования в целом, применение этих тканей может существенно снизить эксплуатационные и ремонтные расходы. Надежно закрепленная и прочная солнцезащита позволяет снизить расходы на вентиляторы и кондиционеры, а также уменьшить площади для их размещения.