Здание “EKONO-HOUSE”, Отаниеми, Финляндия
Все познается в сравнении

7 293

Особенностью проекта “EKONO-house” является строительство двух внешне одинаковых секций здания. Одна из них была построена по существующим на тот момент строительным нормам и не содержала инновационных решений по энергосбережению. Во второй же секции здания такие решения были использованы. В результате проектировщики получили уникальную возможность сравнить энергопотребление обеих секций и оценить эффективность выбранных решений.

Фирма “EKONO” начала исследования в области сохранения и оптимального использования энергии в 1950 г. По заказу правительственных организаций и частных фирм разрабатывались пути оптимального использования энергии, в том числе для отопления зданий.
В начале 1970 годов, еще до энергетического кризиса, накопленный специалистами фирмы опыт был реализован в инновационном проекте здания, получившем название “EKONO-house”.

Климатические характеристики района строительства:

Расположение: Отаниеми, Финляндия;

Географические координаты: 60 с. ш., 24 в. д.;

Высота над уровнем моря: 51 м;

Среднегодовая температура: +4.5 °С;

Средняя температура наиболее холодного месяца: – 6,5;

Средняя температура наиболее жаркого месяца: + 16,8;

Среднегодовое количество осадков: 635,4 мм.

Здание было построено в Отаниеми (Otaniemi) близ Хельсинки. Авторами проекта стали инженеры фирмы, работавшие под руководством архитектора Хеймо Каутонена (Heimo Kautonen). Энергосберегающие решения были разработаны талантливым финским ученым Юхой Габриэльсоном (Juha Gabrielsson).
Первая секция здания площадью 8 090 м² и объемом 28 900 м³ была закончена в 1973 году. Вторая секция площадью 4 700 м² и объемом
14 800 м³ образует с основным зданием L-образную в плане форму. Она была построена в 1979 году в течение десяти месяцев.
Основными инновационными энергосберегающими решениями здания “EKONO-house” были приняты:

Эффективное использование внутреннего объема здания для минимизации площади ограждающих конструкций и уменьшения через них теплопотерь;

Эффективная теплоизоляция ограждающих конструкций для уменьшения теплопотерь;

Высокая теплоемкость ограждающих конструкций для накопления тепла и повышения теплоустойчивости здания;

Аккумулирование тепла солнечной радиации в основании здания для снижения нагрузки на систему отопления;

Применение вентилируемых окон для уменьшения теплопоступлений в летнее время и уменьшения теплопотерь в зимнее время;

Минимальные утечки воздуха (герметичность здания) и низкий расход наружного воздуха в системе вентиляции для снижения затрат энергии на отопление здания;

Эффективное освещение для снижения затрат электрической энергии;

Система автоматического управления оборудованием климатизации и освещением для оптимизации и учета потребления энергии.

Для выбора оптимальных энергосберегающих решений и расчета их параметров создатели здания “EKONO-house” использовали компьютерное моделирование, выполненное посредством программного пакета “DOE”, разработанного американским министерством энергетики (US Department of Energy, DOE). Расчеты велись при помощи спутниковой связи и обошлись фирме “EKONO” в значительную сумму (около одного миллиона долларов).
В здании оборудована лаборатория площадью 140 м², в которой проводятся исследования различных мероприятий, направленных на экономию энергии и улучшение параметров микроклимата помещений.

Энергоснабжение здания “EKONO-house” с использованием аккумулирования тепла солнечной радиации в основании здания

На крыше здания “EKONO-house” установлены солнечные коллекторы. В летнее время тепло солнечной радиации собирается в солнечных коллекторах и посредством жидкого теплоносителя направляется в теплообменник. В массивном основании здания “EKONO-house” имеются полости, в которых также циркулирует жидкий теплоноситель, нагревающийся теплом солнечной радиации в теплообменнике. Таким образом массивное основание, на котором построено здание “EKONO-house”, служит естественным аккумулятором тепла. Затем тепло солнечной радиации, накопленное в основании, используется в системе вентиляции для подогрева приточного.воздуха. Кроме этого, для подогрева приточного воздуха может быть использовано тепло солнечной радиации непосредственно из солнечных панелей.
Летом, когда температура фунта ниже температуры наружного воздуха, относительно холодное основание здания может быть использовано также и для охлаждения внутреннего воздуха.

Система аккумулирования тепла солнечной радиации в основании здания

Эффективное использование внутреннего объема
В здании была использована модульная система конструирования. Лифты, санузлы и вертикальные вентиляционные каналы компактно расположены в центре здания, выполняя роль опорного узла и экономя при этом внутреннее пространство. Для перекрытий применены полые железобетонные плиты. Пустоты в плитах используются в качестве вентиляционных каналов, а также для прокладки электропроводки. Высота этажей уменьшена, поскольку нет необходимости размещать воздуховоды в подвесных или подшивных потолках.

Пятиэтажная вторая секция здания “EKONO-house” имеет такую же высоту, как четырехэтажное здание традиционной конструкции. Это решение позволяет сократить капитальные вложения и время строительства, а также уменьшает затраты энергии на климатизацию здания из-за минимизации площади наружных ограждающих конструкций и соответствующего снижения теплопотерь через ограждающие конструкции. Кроме этого, повышается теплоемкость ограждающих конструкций за счет увеличения поверхности теплообмена для передачи тепла рециркуляционного воздуха.

Схема приточного коаксиального воздуховода

Ограждающие конструкции
В здании “EKONO-house” использовались два пути повышения эффективности ограждающих конструкций, обеспечивающие снижение теплопотерь и уменьшение затрат энергии на отопление и охлаждение здания:

высокоэффективное уплотнение притворов, оконных рам и других подобных элементов для уменьшения теплопотерь с инфильтруемым воздухом;

повышение теплоемкости ограждающих конструкций для накопления тепла или холода и повышения теплоустойчивости здания.

Эффективные уплотнения (герметизация здания) позволяют обеспечить минимальные утечки воздуха и снизить затраты энергии на отопление здания “EKONO-house”, так как инфильтрация наружного воздуха — одна из причин значительных теплопотерь в зданиях традиционной конструкции.
В течение дня в здании вырабатывается тепло за счет искусственного освещения, солнечной радиации, тепловыделений от людей и оборудования, например, компьютеров.
В зданиях традиционной конструкции подобные теплопоступления могут приводить к перегреву помещений. Здание “EKONO-house” позволяет использовать такое “свободное” тепло. Ограждающие конструкции здания имеют высокую теплоемкость. В дневное время материалы ограждающих конструкций (главным образом бетонные стены и перекрытия) поглощают теплоизбытки, накапливая таким образом тепло. В ночное время, когда здание не занято, отсутствуют теплопоступления с солнечной радиацией и выключены приборы искусственного освещения и другое оборудование, тепло, накопленное в ограждающих конструкциях, переизлучается внутрь здания, нагревая воздух в помещениях.
Теплоемкость ограждающих конструкций также повышается за счет использования полых плит перекрытия, обеспечивающих дополнительные поверхности для передачи ограждающим конструкциям тепла от рециркуляционного воздуха, проходящего через эти пустоты. Это позволяет эффективно использовать теплосодержание рециркуляционного воздуха, который будет отдавать избыточное тепло плитам перекрытий.

Общий вид здания “EKONO-house” (справа — секция здания с энергосберегающими решениями)

Вентилируемые окна
Ключевая особенность системы климатизации здания “EKONO-house” — окна специальной конструкции, так называемые “вентилируемые окна”, которые были разработаны и усовершенствованы специалистами “EKONO”.
Использование вентилируемых окон позволяет снизить расход энергии, затрачиваемой на обогрев помещения в холодное время года и на охлаждение помещения в теплое время. В отличие от окон традиционной конструкции, имеющих замкнутую воздушную прослойку между стеклами, вентилируемые окна имеют вверху и внизу щели, через которые движется (вентилируется) внутренний воздух. В холодное время года теплый внутренний воздух, проходя между стеклами, обогревает их, а в теплое время года охлажденный внутренний воздух, проходя между стеклами, охлаждает их. В холодное время года теплопотери через конструкцию вентилируемого окна примерно в три-шесть раз меньше, чем через конструкцию традиционного окна. Кроме этого, вентилируемые окна обеспечивают превосходную тепло- и шумоизоляцию. За счет ликвидации холодных ниспадающих потоков пространство рядом с окнами используется более эффективно.
Область применения вентилируемых окон ограничена зданиями с системами воздушного отопления, совмещенными с вентиляцией, и зданиями с системой кондиционирования воздуха. Внутренний воздух не должен иметь высокое влагосодержание, так как это будет приводить к выпадению конденсата в холодное время года.

Окна здания “EKONO-house”

Схема распределения теплопоступлений от солнечной радиации через вентилируемое окно

В здании “EKONO-house” вентилируемые окна состоят из трехслойного стеклопакета в наружном переплете и одинарного стекла во внутреннем переплете. Через узкое входное отверстие в нижней части внутреннего переплета воздух из комнаты попадает между оконными стеклами, где поглощает значительную часть тепла солнечной радиации. Таким образом вентилируемые окна в здании “EKONO-house” работают как солнечные коллекторы, позволяя использовать до 55 % тепла солнечной радиации для подогрева воздуха в помещениях. Затем это тепло может быть использовано для отопления помещений, расположенных с теневой стороны здания, или накапливаться в теплоемких ограждающих конструкциях.

Система вентиляции
В административных зданиях большая тепловая нагрузка связана с подогревом наружного воздуха. В здании “EKONO-house” для поддержания комфортных параметров воздушной среды помещений требуется небольшое количество наружного воздуxa, что позволяет снизить затраты энергии на его подогрев.
Потребность в свежем воздухе в административных зданиях обычно определяется концентрацией диоксида углерода — углекислого газа (СО2), который является продуктом жизнедеятельности людей, находящихся в здании. Во второй секции здания “EKONO-house” установлены датчики контроля концентрации углекислого газа. В зависимости от концентрации углекислого газа в воздухе помещений определяется необходимое количество наружного воздуха, добавляемого к рециркуляционному.
В здании “EKONO-house” установлена система воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией. Расход приточного воздуха составляет
10 м³/(час.см2). Приточные вентиляционные каналы здания, расположенные в коридоре в подшивном потолке, представляют собой цилиндрические коаксиальные воздуховоды, пространство между которыми заполнено раствором солей, позволяющих использовать для аккумулирования тепла или холода энергию фазовых переходов. Фазовые переходы в растворе происходят с выделением или поглощением тепла.

Схема организации воздухообмена в помещении здания “EKONO-house” с использованием вентилируемых окон и пустот в плитах перекрытий

При прохождении через воздуховод холодного воздуха соли из раствора кристаллизуются. Этот процесс идет с выделением тепла, и приточный воздух подогревается. Если температура воздуха достаточно высока, происходит обратный фазовый переход, соли растворяются, поглощая при этом тепло и “запасая” его в растворе.
Вытяжка воздуха из помещений происходит через внутреннее пространство в вентилируемых окнах, при этом в дневное время при солнечной погоде воздух поглощает до 55 % тепла солнечной радиации. Затем воздух собирается в рециркуляционных воздуховодах, представляющих собой цилиндрические пустоты в плитах перекрытия. Такая конструкция рециркуляционных воздуховодов обеспечивает дополнительные поверхности для передачи ограждающим конструкциям тепла от рециркуляционного воздуха, что позволяет эффективнее использовать его теплосодержание.
Далее рециркуляционный воздух, подогретый теплом солнечной радиации в вентилируемых окнах, смешивается с рециркуляционным воздухом из других, более холодных помещений (расположенных с теневой стороны здания). После этого он попадает в приточную установку, где очищается, увлажняется, в случае необходимости дополнительно подогревается. В зависимости от концентрации углекислого газа в воздухе помещений к рециркуляционному воздуху может быть добавлена некоторая часть наружного воздуха.
Приточный наружный воздух проходит через теплообменник, где подогревается теплом удаляемого воздуха, не участвующего в процессе рециркуляции. В ночное время, когда температура наружного воздуха существенно понижается, подогрев наружного воздуха осуществляется, во-первых, за счет фазовых переходов в растворе солей, во-вторых, за счет внешнего источника тепловой энергии (районная теплоцентраль).

Охлаждение воздуха с использованием теплоемких ограждающих конструкций

Кондиционирование воздуха
В летнее время в административных зданиях имеют место теплопоступления от солнечной радиации через окна, а также тепловыделения от осветительных приборов и от людей, находящихся в здании, что требует использования системы кондиционирования воздуха.
Особенностью здания “EKONO-house” является то, что в нем теплопоступления от солнечной радиации уменьшаются за счет использования вентилируемых окон, а колебания суточной температуры сглаживаются теплоемкими ограждающими конструкциями.
Тепловыделения от осветительных приборов невелики, поскольку используется эффективная схема организации освещения, позволяющая существенно снизить затраты энергии, потребляемой осветительными приборами.
В результате время применения системы кондиционирования воздуха снижается до минимума, а требуемый воздухообмен и удаление небольших теплоизбытков обеспечивается системой механической вентиляции.
В ночные часы температура помещений поддерживается более низкой, чем это требуется для создания комфортных условий. При этом происходит охлаждение массивных теплоемких ограждающих конструкций, а в дневное время, когда температура наружного воздуха повышается, ограждающие конструкции выполняют роль поглотителей тепла, дополнительно охлаждая помещения.
Если такой способ охлаждения не обеспечивает приемлемых параметров микроклимата помещений, используется дополнительное охлаждение путем испарения воды в увлажнителях.

Система автоматического управления оборудованием климатизации и освещением

Управление работой систем отопления, вентиляции и освещения осуществляется при помощи системы автоматического управления. Система позволяет получить максимальную утилизацию теплоты, наиболее экономичное снижение температуры в ночное время, оптимальные колебания дневных температур и оптимальное использование теплоемкости ограждающих конструкций. При помощи этой системы осуществляется мониторинг и учет потребляемой тепловой и электрической энергии, а также параметров наружного климата. По всему зданию установлена контрольно-измерительная аппаратура, позволяющая измерять температуру в различных точках здания. Кроме этого метеорологическая станция, расположенная на крыше здания, позволяет фиксировать параметры наружного климата. Эта информация необходима для исследования влияния наружного климата на энергопотребление здания “EKONO-house”.

Схема системы автоматического управления оборудованием климатизации и освещением

Энергоэффективное освещение
Для обеспечения приемлемого, но не избыточного уровня освещенности при отсутствии бликов были проведены исследования различных способов организации освещения. Рассматривались различные схемы взаимного расположения осветительных приборов и исследовалась геометрия освещенности для этих случаев. В результате уровень освещенности в здании “EKONO-house” составляет 800-900 люкс, при этом энергопотребление осветительных приборов не превышает 17 Вт/м2, что на 50% меньше затрат энергии на освещение в подобных традиционных административных зданиях.
В административных зданиях искусственное освещение обычно используется в течение всего рабочего дня. Автоматическое регулирование уровня искусственного освещения для компенсации недостатка естественной освещенности позволяет экономить 40-80% электрической энергии, потребляемой зданием. В “EKONO-house” осветительные приборы включаются автоматически в зависимости от показаний фотоэлементов, контролирующих уровень естественной освещенности. В дневные часы при недостаточной естественной освещенности включаются осветительные приборы, расположенные в глубине помещений, то есть используется сочетание естественного и искусственного освещения. При уменьшении уровня естественной освещенности (в утренние и вечерние часы) включаются осветительные приборы, расположенные ближе к окнам.

Организация освещения здания “EKONO-house” в вечерние и дневные часы

Теплоэнергопотребление здания “EKONO-house”
Ежегодное удельное теплопотребление первой секции здания “EKONO-house” составило 124 кВт.ч/м2. Это на 50 % ниже удельного теплопотребления административных зданий, построенных в Финляндии в то время. Подобные здания в США имели еще большее удельное теплопотребление. Ежегодное удельное электропотребление первой секции составило 79 кВт.ч/м2, что также ниже электропотребления подобных зданий в Финляндии или США.

Share Сравнение ежегодного удельного теплопотребления здания “EKONO-house” и административных зданий в разных странах, кВт.ч/м2	Share Сравнение ежегодного удельного энергопотребления здания “EKONO-house” и административных зданий в разных странах, кВт.ч/м2
Share Структура расхода тепла во второй секции здания “EKONO-house”	Share Распределение энергопотребления во второй секции здания “EKONO-house”

Удельное теплопотребление второй секции здания “EKONO-house” составляет 70 кВт.ч/м2, удельное электропотребление — 57 кВт.ч/м2, что составляет примерно одну треть от энергопотребления традиционных зданий подобного типа. Расход тепла во второй секции здания “EKONO-house” распределялся следующим образом:

Теплопотери за счет теплопередачи — 35%;

Теплопотери за счет негерметичности здания (с утечками воздуха) — 30%;

Затраты тепла на подогрев приточного воздуха — 20%;

Затраты тепла на горячее водоснабжение (ГВС) — 15%.

Распределение электропотребления во второй секции следующее:

Потребление электрической энергии системой освещения здания — 44%;

Потребление электрической энергии вентиляторами и насосами — 42 %;

Потребление электрической энергии прочим оборудованием — 14 %.

Ю.А.Табунщиков, М.М. Бродач, Н.В. Шилкин,
“Энергоэффективные здания”, М. 2003

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