Аэродинамика высотных зданий
Профессор, доктор техн. наук, член-корр. РААСН;
Доцент МАрхИ
В предлагаемой ниже статье изложены предложения по расчетным наружным климатическим параметрам для проектирования систем ОВК и теплозащиты высотных зданий, а также результаты исследования аэродинамики высотных зданий. Значения расчетных климатических параметров являются оригинальными и рассматриваются на примере климатических условий г. Москвы. Аэродинамические исследования обобщают результаты ряда международных проектов.
Введение
Вопросы аэродинамики зданий всегда считались достаточно важными, а в ряде случаев – определяющими для проектирования вентиляции зданий и расчета воздушных потоков внутри здания, оценки влияния здания на аэродинамический режим прилегающей территории, выбора ограждающих конструкций с необходимой воздухопроницаемостью. Кроме того, внутри зданий могут возникать сильные воздушные потоки, что требует специальных решений: шлюзования входных дверей, лестничных секций, герметизации мусоропроводов и т. д. Есть еще ряд вопросов, который связан с аэродинамикой зданий, в том числе рассеивание вредностей, расположение пешеходных дорожек, образование снегозаносов и т. п.
Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, т. к. для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.
Изменение по высоте температуры, скорости ветра и барометрического давления
Известно, что в холодный и теплый период года температура наружного воздуха понижается примерно на 1 °С через каждые 150 м высоты, атмосферное давление понижается примерно на 1 гПа через каждые 8 м высоты, а скорость ветра увеличивается .
Изменение по высоте температуры и атмосферного давления описываются следующими формулами :
th = t0 – 0,0065xh, (1)
ph = p0 (1 – 2,25577x10–5 x h)5,2559, (2)
где th, ph – соответственно температура, °С, и давление, Па, на высоте h, м;
t0, p0 – соответственно температура, °С, и давление, Па, у поверхности земли;
В табл. 1 приведены значения температуры наружного воздуха и наружного барометрического давления, рассчитанные по формулам (1) и (2). В табл. 1 значения температуры и барометрического давления у поверхности земли приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –15 °С, а параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –26 °С; для теплого периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 22,3 °С, параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 28,5 °С; барометрическое давление p0 = 990 гПа).
Для оценки изменения скорости ветра по высоте используются различные модели – спираль Экмана, логарифмический закон, степенной закон . Эти модели позволяют оценить скорость ветра v на высоте h, если известна скорость ветра v0 на высоте h0. Например, степенной закон изменения скорости ветра по высоте имеет вид :
vh = v0 (h/h0)a, (3)
где vh – скорость ветра, м/с, на высоте h, м;
v0 – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м (как правило, скорости ветра измеряются на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10-15 м);
a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально; в рекомендуется для центров крупных городов принимать a = 0,33.
В табл. 2 приведены значения скорости ветра в условиях городского центра, рассчитанные по формуле (3). Значения скорости ветра на высоте 10 м приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода года: параметр А – v0 = 4,7 м/с, параметр Б – v0 = 4 м/с; для теплого периода года: параметры А и Б – v0 = 1 м/с).
Вместе с тем часто известна скорость ветра, измеренная на метеорологической станции, которая располагается, как правило, на открытой местности. В условиях плотной городской застройки скорость ветра на той же высоте будет ниже. Скорость ветра v на высоте h в зависимости от типа местности в модели степенного закона рассчитывается по формуле :
где vh – скорость ветра, м/с, на высоте h, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a и толщиной пограничного слоя d;
v0 – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a0 и толщиной пограничного слоя d0;
a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально;
d – толщина пограничного слоя, м, для рассматриваемого типа местности; в работе рекомендуется следующие значения a и d:
Ј для центров крупных городов a = 0,33, d = 460 м;
Ј для условий пригорода (в данном случае под пригородом понимается местность, в которой в радиусе 2 000 м расположена малоэтажная застройка или лесопарковые массивы) a = 0,22, d = 370 м;
Ј для открытой местности a = 0,14, d = 270 м.
a0, d0 – показатель степени и толщина пограничного слоя для местности, на которой зафиксирована скорость ветра v0; как правило, скорости ветра измеряются на метеорологических станциях, расположенных на открытой местности на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10-15 м, a0 = 0,14, d0 = 270 м.
Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы, в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха. Возрастание скорости ветра происходит в пределах пограничного слоя, выше пограничного слоя (в свободной атмосфере) скорость ветра постоянна (градиентная скорость). Толщина пограничного слоя в общем случае зависит от состояния атмосферы, типа местности, широты местности и силы ветра; в рассмотренной выше методике принимается инженерное допущение – толщина пограничного слоя зависит только от типа местности, т. е. dявляется функцией только аргумента a.
По формуле (4) были выполнены расчеты ожидаемых скоростей ветра для трех типов местности – открытого пространства, пригорода и центра крупного города с плотной застройкой. Значения скоростей ветра для открытой местности, зафиксированных на высоте 10 м (h0 = 10 м a0 = 0,14, d0 = 270 м), были приняты равными v0 = 1 м/с, 5 м/с и 10 м/с. Результаты расчетов представлены в табл. 3 и на рис. 1.
Высокие значения скорости ветра на больших высотах, как правило, изменяют угол падения дождевых капель, так что увеличивается количество дождя, падающего на вертикальные поверхности здания. Это может явиться причиной переувлажнения вертикальных ограждающих конструкций. Исследования зависимости угла падения атмосферных осадков различной интенсивности от скорости ветра были проведены и изложены в .
|
|
|
Рисунок 1. Изменение скорости ветра по высоте в зависимости от типа местности |
Конвективные воздушные потоки у наружной поверхности здания
В теплый период года в солнечные дни из-за облученности наружных поверхностей здания солнечной радиацией их температура резко возрастает и значительно отличается от температуры окружающего воздуха. В результате разности температур образуется конвективный тепловой поток, направленный вверх здания, и имеет место так называемый приповерхностный (пограничный) слой нагретого воздуха. Разность температур наружной поверхности здания и окружающего воздуха зависит от величины солнечной радиации и коэффициента поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающих конструкций здания.
Проведенные нами расчеты показали, что в условиях г. Москвы при безоблачном небе в июле ожидаемые максимальные температуры наружной поверхности ограждающих конструкций различной ориентации достигают значений, приведенных в табл. 4.
Большое значение для проектирования воздухозаборных устройств и определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций имеют значения скорости воздушных потоков у наружной поверхности зданий, обусловленные указанной выше разностью температур (рис. 2). На графиках (рис. 3) приведены зависимости скоростей воздуха у наружных поверхностей здания, полученные зарубежными исследователями .
|
Таблица 2 |
||||||||
|
Ветровое давление, аэродинамические коэффициенты
При изучении аэродинамики зданий в под высотным понимается такое здание, высота которого превышает ширину подветренного фасада в три и более раз. На рис. 4 приведены данные о распределении аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра .
Рассмотрение значений аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра показывает, что, если направление ветра перпендикулярно фасаду здания (рис. 4а), аэродинамические коэффициенты на этом фасаде положительны и их значения уменьшаются по направлению к боковым фасадам здания и по направлению к верхней части рассматриваемого фасада. На увеличение значения аэродинамических коэффициентов у верхней части фасада высотного здания также влияет повышение скорости ветра с увеличением высоты. Если направление ветра отклоняется от нормали к фасаду, область максимального давления смещается к наветренному углу здания (рис. 4б-в). При отклонении направления ветра от нормали на угол 45° давления становятся отрицательными у дальнего (по отношению к направлению ветра) угла фасада (рис. 4г). Если угол отклонения направления ветра от нормали лежит в пределах 60–75°, давления отрицательны по всему фасаду (рис. 4д-е). Максимальные отрицательные давления наблюдаются в областях, расположенных на боковых (по отношению к направлению ветра) фасадах у наветренных углов (рис. 4ж), причем на боковых фасадах распределение давлений существенно меняется в зависимости от относительных размеров данных фасадов (отношения высоты и ширины). Для заветренных фасадов (направление ветра составляет с нормалью угол больше 100°) значения давлений в различных областях меняются не столь существенно (рис. 4з-н).
Таким образом, если фасад расположен под углом от 0 до 60° относительно направления ветра, то среднее давление на фасаде положительно; если этот угол составляет 60–180°, то среднее давление – отрицательно. На рис. 5 приведены графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на фасаде прямоугольного в плане высотного здания при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра .
Графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на покрытии прямоугольного в плане высотного здания (в случае, если покрытие плоское или его уклон достаточно мал) при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра приведены на рис. 6. Следует отметить, что, если направление ветра составляет с фасадом здания угол порядка 45°, у наветренных кромок покрытия возникают сильные завихрения (рис. 7). Высокие скорости воздушного потока в этих завихрениях обуславливают достаточно сильное разрежение (отрицательное давление) у краев покрытия, что, например, в случае сильных ветров может быть опасно для инженерного оборудования, расположенного в этой зоне.
Если форма здания отличается от прямоугольной, характер распределения аэродинамических коэффициентов на его фасадах может существенно отличаться от приведенных выше. Возможны два метода исследования аэродинамики здания: метод физического моделирования и метод математического моделирования. Физическое моделирование здания осуществляется в аэродинамической трубе. Обычно это моделирование выполняется с учетом существующей застройки. Теория физического моделирования разработана в значительной степени благодаря работам отечественных ученых – , -Эренфест, и ряда других специалистов. Более широкий список источников содержится, например, в книге . Математическое моделирование - менее надежный способ исследования аэродинамики здания с учетом застройки в связи с тем, что одновременно существуют ламинарные, турбулентные, вихревые и т. п. зоны движения, для каждой из которых необходимо иметь значения коэффициентов, характеризующих движение в этих зонах, связь между ними и характер застройки. С появлением мощной, легко доступной компьютерной техники для специалистов по математическому моделированию аэродинамики появилась возможность существенно повысить надежность расчетов.
В качестве примера приведены результаты математического моделирования аэродинамики высотного здания «MAIN TOWER», расположенного во Франкфурте-на-Майне, Германия . Это здание достаточно сложной формы в плане представляет собой две башни – квадратную и круглую; его высота составляет 200 м.
Преобладающими для Франкфурта-на-Майне являются ветры юго-западного и северо-восточного направлений. На рис. 8 и 9 показано распределение аэродинамических коэффициентов по периметру здания при воздействии юго-западного ветра. При воздействии на здание ветра северо-восточного направления характер распределения аэродинамических коэффициентов по периметру здания существенно меняется (рис. 10 и 11). В этом случае только на одном из фасадов (восточной ориентации) квадратной в плане башни здания «MAIN TOWER» аэродинамические коэффициенты положительны; на остальных фасадах они отрицательны.
Значения аэродинамических коэффициентов, полученные методами математического моделирования, в дальнейшем были проверены при исследовании модели здания в аэродинамической трубе (экспериментальные значения отмечены на рис. 9 и 11 точками). Сравнение результатов, полученных методом математического моделирования и методом физического моделирования, показало их достаточно хорошую сопоставимость.
Как было отмечено выше, режим обтекания здания воздушным потоком, помимо формы самого здания, существенно зависит от расположенных рядом других зданий и сооружений, особенностей рельефа местности и т. д. Это влияние особенно заметно, если окружающие объекты расположены на расстоянии, менее чем в пять раз превышающем высоту здания. В частности в городских условиях, сложившихся во Франкфурте-на-Майне, высотные здания, расположенные рядом в большом числе, оказывают друг на друга значительное влияние. Это взаимное влияние очень сложно рассчитать, и основным инструментом исследования становятся испытания в аэродинамической трубе.
В результате при исследовании аэродинамики здания «MAIN TOWER» учитывалось взаимное влияние зданий, расположенных вдоль улицы Neuen Mainzer Strabe. Это высотные здания «Bu..rohaus an der alten Oper» (89 м), «Eurotheum» (110 м), «Garden Towers» (127 м), «Commerzbank» (259 м), «Taunustor Japan-Center» (115 м), а также прилегающая малоэтажная застройка (рис. 12).
Для исследований в аэродинамической трубе использовались модели в масштабе от 1:300 до 1:100. Масштаб определялся размерами исследуемой городской зоны (среды застройки) и возможностями аэродинамической трубы. В ходе испытаний модели располагались на поворотном столе, что позволило изучить характер распределения воздушных потоков при изменении направления ветра (рис. 13).
Для качественной оценки распределения воздушных потоков вблизи поверхности зданий и на уровне улиц, прилегающих к зданию, применялась визуализация воздушных потоков посредством дыма. На основе полученных в ходе экспериментов в аэродинамической трубе результатов были построены схемы воздушных потоков у здания «MAIN TOWER» и в прилегающей городской застройке при различных направлениях ветра. Схема воздушных потоков при юго-западном ветре представлена на рисунке 14. Можно отметить, что при этих условиях между зданиями наблюдается ускорение воздушного потока, что приводит к понижению давления в этой зоне.
Для количественной оценки аэродинамических коэффициентов на модели здания были размещены датчики давления. На рис. 15 показано распределение аэродинамических коэффициентов на отметке 93 м с учетом влияния соседних зданий при юго-западном ветре. Сравнение рис. 8 и 15 показывает, что из-за влияния соседних зданий характер распределения аэродинамических коэффициентов отличается от случая, когда рассматривалась модель только здания «MAIN TOWER».
Для изучения воздушных потоков в зонах, прилегающих к зданию, датчики были размещены на модели на уровне улицы (отметка 1,8 м) и у покрытий окружающих зданий. На рис. 16 представлены скорости воздушных потоков, зафиксированных датчиками, по отношению к средней скорости господствующего ветра 3,3 м/с. Скорости воздушных потоков фиксировались при различных направлениях ветра. Исследования показали, что на уровне улицы скорости воздушных потоков уменьшаются: их численные значения составляют приблизительно 2,0–2,6 м/с. Между соседними зданиями скорости воздушных потоков возрастают, однако при низких скоростях набегающего потока (слабых ветрах) возрастание скорости воздушных потоков между соседними зданиями относительно невелико. Если средняя скорость господствующего ветра составляет 3,3 м/с, скорость воздушного потока между зданиями возрастает примерно до 4,0–4,6 м/с.
Литература
1. Серебровский жилой застройки. М., 1971.
2. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 1997.
3. , Стриженов зданий. М., 1968.
4. Реттер -строительная аэродинамика. М., 1984.
5. Реттер характеристика промышленных зданий. Челябинск, 1959.
6. Круглова и ограждающие конструкции. М., 1964.
7. Daniels K. The Technology of Ecological Building. Birkhauser, 1997.
8. Тарабанов проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха высотных зданий // АВОК. 2004. № 6.
9. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. М., 1984.
10. , Шилкин здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.
11. Battle McCarthy Consulting Engineers. 1999. Wind Towers – Detail in Building Academy Editions. New York: John Wiley & Sons Ltd.
1.Виды аэродинамических труб.
Аэродинамические эксперименты проводят в аэродинамических трубах, где создается искусственно регулируемый поток воздуха. При этом используется закон обращения движения, в соответствии с которым сила, действующая на тело, движущееся в среде со скоростью V, равна силе, действующей на тоже тело, закрепленное неподвижно и обдуваемое потоком с той же скоростьюV.
Модель устанавливается неподвижно. В трубе необходимо создать равномерный поток, имеющую одинаковую плотность и температуру. В аэродинамических трубах определяют силы, действующие при полете ЛА, находят оптимальные формы последних, исследуют устойчивость и управляемость. Форма автомобилей в настоящее время!!!
Два вида аэродинамических труб: АТ прямого действия. АТ прямого типа – простота конструкции.
В АТ замкнутого типа входная и выходная части соединены между собой, такие трубы более экономичны , т. к. энергии вентилятора частично используется повторно. АТ предназначены для исследований в области сверхзвуковых скоростей. В общих чертах они похожи, но сверхзвуковые имеют рабочую часть в виде сопла Лаваля (сужающаяся в расширяющуюся). Для измерения сил и моментов используются аэродинамические весы.
Помимо труб, применятся «летающие лаборатории» - спецальные самолеты с приборным оборудованием.
2.Строение атмосферы.
Земля окружена газовой оболочкой, которая создает условия жизни и защищает от радиации. Атмосфера – та часть газовой оболочки, которая вращается вместе с Землей.
Полеты ЛА происходит в атмосфере, и поэтому зависят от нее.
Воздух, как и любой газ обладает неограниченной возможностью расширяться и равномерно заполнять весь объем; в то же время воздух, находясь в гравитационном поле Земли обладает большим весом (51.7*10^18 Н). (поэтому плотность и давление по высоте изменяются)!!!
Воздух – механическая смесь газов (азот~78 %, кислород~21 %, аргон~0.93 %, [СО, водород, неон, гелий]~0.07 %). Этот относительный состав до Н=90км практически не изменяется. Неравномерный нагрев участков Земли, вращение Земли способствуют развитию воздушных ***** (слоистое течение). В слоях атмосферы меняется не только состав, но и температура.
Из-за вращения атмосфера сплющена над полюсами иразбухает над экватором.
Тропосфера (8-18км) характеризуется интенсивным перемещением воздуха, наличием облачности, осадков, понижением температуры по высоте (в среднем на 1000м температура уменьшается на 6.5С. (–70С до +55С). В верхних слоях тропосферы температура – 56.5С. В тропосфере сосредоточено ~20 % всей массы атмосферы.
Стратосфера (до 55км) в нижних её слоях до ~25км постоянная температура воздуха, далее на больших высотах температура повышается.
Паузы – переходные зоны между основными слоями атмосферы. Наибольший интерес – тропопауза (между тропосферой и стратосферой) – это зона основных полетов современных самолетов.
3.Вязкость воздуха.
На аэродинамические силы большое влияние оказывают вязкость, а при больших скоростях и сжимаемость воздуха.
Вязкость – сопротивление относительному смещению слоев. Оценивается коэффициентами:
= динамическая вязкость,
= абсолютная вязкость,
= плотность,
Вязкость газа с повышением температуры возрастает. Вязкость жидкостинаоборот.
Исследуемого тела, тем самым создаётся эффект движения тела в воздухе с большой скоростью (принцип обращения движения).
Аэродинамические трубы классифицируют по диапазону возможных скоростей потока (дозвуковые, трансзвуковые, сверхзвуковые, гиперзвуковые), размеру и типу рабочей части (открытая, закрытая), а также поджатию - соотношению площадей поперечных сечений сопла трубы и форкамеры. Также существуют отдельные группы аэродинамических труб:
- Высокотемпературные - дополнительно позволяют изучать влияние больших температур и связанных с ними явлений диссоциации и ионизации газов.
- Высотные - для исследования обтекания моделей разреженным газом (имитация полёта на большой высоте).
- Аэроакустические - для исследования влияния акустических полей на прочность конструкции, работу приборов и т. п.
Исследование характеристик надводных и подводных частей корпуса судов приходится выполнять с использованием дублированных моделей, что позволяет удовлетворить условию непротекания по поверхности раздела сред. В качестве альтернативы возможно использование специального экрана, имитирующего поверхность воды.
«Типовые» эксперименты
- Измерение давлений по поверхности тела.
Для исследования необходимо изготовить дренированную модель тела - в поверхности модели выполняются отверстия, которые соединяются шлангами с манометрами .
- Визуализация течений
Для решения этой задачи используют шерстяные нити (шелковинки), наклеенные на поверхность модели либо закрепленные на проволочной сетке. Возможна постановка эксперимента с подачей цветного дыма в характерные зоны потока, но продолжительность такого эксперимента (в трубах с повторной циркуляцией воздуха), как правило, весьма мала вследствие общего задымления всего аэродинамического тракта.
История
Первую аэродинамическую трубу в России построил военный инженер В. А. Пашкевич в 1873 году , она использовалась исключительно для опытов в области баллистики.
Первая замкнутая аэродинамическая труба построена в 1909 году в Гёттингене Людвигом Прандтлем , вторая - в 1910 году Т. Стантоном.
Первая аэродинамическая труба со свободной струей в рабочей части была построена Гюставом Эйфелем в Париже на Марсовом поле в 1909 году .
Дальнейшее развитие шло преимущественно по пути увеличения их размеров и повышения скорости потока в рабочей части (где помещается модель).
Впервые человек взлетел в вертикальной аэродинамической трубе в 1964 году на воздушной базе Райт-Патерсон, Огайо , США.
См. также
Примечания
Литература
- Гофман А. Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна. - Л.: Судостроение, 1988.
- Справочник по теории корабля / Под ред. Я. И. Войткунского. В 3-х т. - Л.: Судостроение, 1987. - Т.1
- Физическая энциклопедия / Редкол.: А. М. Прохоров (гл. ред.) и др. - М.: Советская энциклопедия, 1988, - Т.1 - С. 161-164 - 704 с., ил. - 100 000 экз.
Ссылки
- - статья из Большой советской энциклопедии
- Аэродинамическая труба в Физической энциклопедии
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Аэродинамическая труба" в других словарях:
Установка, создающая поток воздуха или др. газа для эксперим. изучения явлений, сопровождающих обтекание тел. В А. т. проводятся эксперименты, позволяющие: определять силы, действующие на самолёты и вертолёты, ракеты и косм. корабли при их полёте … Физическая энциклопедия
Установка, в которой создается воздушный поток для экспериментального изучения явлений, возникающих при обтекании воздухом твердых тел, главным образом летательных аппаратов и их частей. В аэродинамической трубе исследуют модели, а иногда и… … Большой Энциклопедический словарь
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА, камера, в которой модели разного масштаба и даже полноразмерные автомобили и летательные аппараты испытываются в управляемом воздушном потоке. Некоторые аэродинамические трубы позволяют воспроизводить экстремальные условия … Научно-технический энциклопедический словарь
аэродинамическая труба - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN aerodynamic tunnelair tunnelwind tunnel … Справочник технического переводчика
АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА - лабораторная установка, создающая поток воздуха или газа для экспериментального изучения явлений, возникающих при обтекании твёрдых тел, главным образом (см.) и их частей. Кроме этого, А. т. помогает выработать удобообтекаемые формы и уменьшить… … Большая политехническая энциклопедия
Установка, создающая поток воздуха или газа для эксперимент, изучения явлений, сопровождающих обтекание тел. С помощью А. т. определяются силы, возникающие при полёте самолётов и вертолётов, ракет и космических кораблей, при движении… … Большая советская энциклопедия
Установка для аэродинамических исследований летательных аппаратов, автомобилей, спортивных судов и т. п. Известно, что любое движущееся в воздухе тело испытывает сопротивление воздушной среды. И чем выше скорость, тем сопротивление больше.… … Энциклопедия техники
Установка, в которой создаётся поток газа (в большинстве случаев воздуха) для экспериментального изучения явлений, возникающих при обтекании газом (воздухом) твердых тел, главным образом летательных аппаратов и их частей. В аэродинамической трубе … Энциклопедический словарь
аэродинамическая труба Энциклопедия «Авиация»
аэродинамическая труба - Рис. 1. Схема дозвуковой компрессорной аэродинамической трубы. аэродинамическая труба экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа. Принцип действия А. т. основан на принципе… … Энциклопедия «Авиация»
Воздействие ветра на высотное здание определяется рельефом местности, наличием зданий и сооружений, а также объемно-пространственной структурой самого здания. При расчете учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра, причем средняя скорость ветра, как правило, возрастает с высотой.
За рубежом основным инструментом определения распространения ветрового давления на высотное здание и влияние возведенного здания на окружающую застройку является специальная аэродинамическая труба. В аэродинамической трубе, в зависимости от поставленных задач, проверяются модели различного масштаба, например, М 1:1250, М 1:1500 или М 1:500, определяются параметры давления на здание, влияние на окружающую среду, шум от ветра и другие показатели. Результаты, полученные при испытании в аэродинамической трубе, переносятся на реальный объект с различными коэффициентами точности.
Имеющиеся аэродинамические трубы в России (в МГУ, Бауманском университете) позволяют продувать модели в малом масштабе, что само по себе сокращает достоверность этого эксперимента. Аэродинамические трубы в ЦАГИ, напротив, позволяют продувать модели в большом масштабе: 1:50, 1:75 (ОАО «ЦНИИЭП жилища» продувал модель высотного здания на ул. Маршала Жукова в ЦАГИ в масштабе 1:75). Более того, во многих трубах в ЦАГИ можно продувать фрагменты фасадов наружных стен зданий и фрагменты квартир в натуральную величину.
Но все эти трубы пока не позволяют создавать поток воздуха, соответствующий пограничному слою. При воздействии ветра на здание, помимо прямого ветрового потока, возникают потоки повышенной скорости - турбулентные потоки и завихрение воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего появляются небольшие ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний при завихрении возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, от проникания таких потоков через щели в окнах, а также "завывание" вокруг здания. Такие колебания отрицательно воспринимаются людьми и поэтому должны учитываться при проектировании высотных зданий.
Не зря трубы в Аахене, трубы фирм «Wacker Ingenieure» и «Niemann & Partner» называются аэродинамическими и аэроакустическими трубами пограничного слоя. От исследований в аэродинамических трубах надо получить не только нагрузки от ветра по нормируемой в России ветровой эпюре, но и «панельные» — пульсационные нагрузки, моделирующие городское пространство и конкретные здания, окружающие продуваемую модель.
Интенсивные ветровые воздействия определяют выбор общей формы здания. Наиболее часто применяется башенный тип, с повышенной устойчивостью в обоих направлениях благодаря развитому поперечному сечению и обтекаемой объемной форме, способствующей уменьшению аэродинамического коэффициента при определении расчетных усилий от ветровых воздействий. Наряду с этим сохраняется применение четких призматических форм. Ветровые воздействия, сопровождающиеся ускорениями колебаний сооружений при динамических порывах ветра, могут вызвать нарушения нормальных условий эксплуатации в помещениях верхних этажей высотных зданий.
При этом могут возникнуть как нарушения стабильности обстановки, так и неприятные физиологические ощущения у людей, живущих или работающих в здании. Во избежание таких дискомфортных условий выявлены и количественно оценены границы комфортности и стадии дискомфортного пребывания в помещении в зависимости от величины ускорения колебаний перекрытий под воздействием пульсационной составляющей ветровой нагрузки в % от ускорения силы тяжести.
В соответствии с характеристиками в МГСН 4.19-2005 регламентирована практически неощутимая величина ускорения колебаний - 0,08 м/с2. Специфичным для проектирования конструкций высотных зданий является ограничение прогиба верха здания (с учетом крена фундаментов) в зависимости от его высоты. При таких ограничениях не возникает нарушений в работе лифтов и заметных перекосов в ограждающих конструкциях. Основополагающими при разработке конструктивного решения высотного здания являются выбор конструктивной системы и материала несущих конструкций, наряду с решением отдельных конструктивных элементов, обеспечивающих, комплексную безопасность эксплуатации высотных зданий.
Опубликовано в журнале AВОК №3/2002Рубрика: Энергоэффективные здания. Технологии
Энергоэффективное высотное здание
Ю. А. Табунщиков, доктор техн. наук, профессор, президент НП «АВОК»
Н. В. Шилкин, инженер
М. М. Бродач, канд. техн. наук, доцент МАрхИ
В настоящее время в Москве начато строительство высотных зданий. Известно мнение специалистов, что каждое высотное здание представляет собой уникальное явление, требующее тщательных фундаментальных разнохарактерных исследований специалистов, и не случайно Российская академия архитектуры и строительных наук (РААСН) дважды обсуждала этот вопрос на академических чтениях, проходящих под председательством академика А. П. Кудрявцева, президента РААСН.
Интерес к строительству высотных зданий в Москве вызван прежде всего экономическими соображениями. С точки зрения инвестора, увеличение на фундаменте количества квадратных метров выгодно, а поэтому и выгодно строительство высотных зданий. По этой же причине в Москве планируется строительство именно жилых высотных зданий, в отличие от других стран, где возводятся главным образом высотные здания общественного назначения. Следует отметить, что чем здание выше, тем оно дороже в эксплуатации. Эта проблема приобретает особенную актуальность в свете предстоящей жилищно-коммунальной реформы.
Одним из путей снижения эксплуатационных затрат является строительство энергоэффективных высотных зданий. Энергоэффективными называются такие здания, при проектировании которых был предусмотрен комплекс архитектурных и инженерных мероприятий, обеспечивающих существенное снижение затрат энергии на теплоснабжение этих зданий по сравнению с обычными (типовыми) зданиями при одновременном повышении комфортности микроклимата в помещениях. Методология проектирования энергоэффективного высотного здания должна основываться на системном анализе здания как единой энергетической системы. Представление энергоэффективного высотного здания как суммы независимых инновационных решений нарушает принципы системности и приводит к потере энергетической эффективности проекта.
Каждое высотное здание уникально и не может быть построено обычными темпами. Существующие здания прошли длительный период создания, в их проектировании участвовало большое число высококвалифицированных специалистов разного профиля. Высотные здания тем более требуют тщательной проработки еще на стадии проектирования. Например, проектирование и строительство самого высокого в Европе здания «Commerzbank» во Франкфурте-на-Майне, Германия, продолжалось восемь лет. В создании этого здания участвовали специалисты разных стран: архитектор – англичанин Норман Фостер (Norman Foster); конструкторы – английская фирма «Ove Arup&Partners» и немецкая «Krebs und Kiefer»; наружные ограждающие конструкции разрабатывались немецкими фирмами «Josef Gartner GmbH & Co. KG» и «Ingenieurgesellschaft Dr. Thomas Limmer mbH & Co. KG», а изготавливались итальянской компанией «Permasteelisa S.p.A.».
При строительстве высотных зданий возникает множество специфических проблем, связанных с конструктивными решениями, противопожарной защитой, обеспечением безопасности, психологическим дискомфортом, возникающим у людей, длительное время находящихся на большой высоте.
 |  |
Рисунок 1.
Треугольный замысел здания заключает в себе центральный атриум, который является частью системы естественной вентиляции
При проектировании высотных зданий также возникает проблема выбора материала конструкций здания. В США в качестве основного конструкционного материала обычно используется сталь, а в Европе – железобетон. По мнению академика В. И. Травуша, заместителя директора ЦНИИЭП им. Мезинцева, железобетонные конструкции по сравнению со стальными обладают тремя важными преимуществами: большей устойчивостью, обусловленной их большим весом; в железобетонных конструкциях быстрее затухают колебания; железобетонные конструкции более огнестойки. Именно высокие требования к огнестойкости ограничивают в Европе строительство высотных зданий с металлическими конструкциями, поскольку в случае их использования необходимо проводить дополнительные противопожарные мероприятия.
После строительства высотных зданий изменяется аэродинамика городской застройки и возникают сильные воздушные вихревые потоки, поэтому при проектировании высотных зданий требуются исследования их аэродинамики с учетом прилегающей городской застройки. Большое значение приобретают требования к сопротивлению воздухопроницанию конструкций, связанные с разностью давлений воздуха на наружной и внутренней поверхностях ограждений, существенно возрастающей с увеличением высоты. Традиционные окна не обеспечивают требуемое сопротивление воздухопроницанию, поэтому для высотных зданий необходимы специальные конструкции световых проемов.
Внутри высотных зданий также могут возникать сильные воздушные потоки (эффект аэродинамической трубы). Для их уменьшения должны применяться специальные решения – шлюзование входов в здание, шлюзование лестничных секций, высокая герметизация межэтажных перекрытий, герметизация мусоропроводов.
Большую проблему представляет обеспечение безопасности, достаточно вспомнить недавние события в Нью-Йорке. Сейчас специалисты говорят об определенных конструктивных недоработках зданий «World Trade Center», в частности, о недостаточной огнестойкости стального каркаса зданий. Однако обеспечение безопасности – это не только защита от воздушных атак. Например, механическую систему вентиляции высотных зданий необходимо оборудовать датчиками вредных веществ, которые можно распылить у воздухозаборных устройств, а также системой, автоматически отключающей в этом случае механическую вентиляцию.
Рисунок 3.
Вход в здание
Уникальным примером решения проблем, возникающих при строительстве высотных зданий, является самое высокое в Европе здание «Commerzbank» , построенное в Германии.
Здание «Commerzbank» во Франкфурте-на-Майне, строительство которого было завершено в мае 1997 года, является самым высоким зданием в Европе. Его высота составляет 259 метров, высота с антенной – 300 метров. Здание «Commerzbank» занимает 24-е место в мире по высоте. Ни одно другое европейское здание не входит в список пятидесяти самых высоких небоскребов мира. Однако сам по себе данный факт вряд ли привлек бы внимание специалистов к этому зданию.
Здание, разработанное британским архитектором сэром Норманом Фостером (Sir Norman Foster) и его студией «Foster and Partners» (Лондон), представляет собой радикальный пересмотр всей концепции строительства высотных зданий.
Рисунок 4.
Зал на первом этаже
Большинство высотных 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. Спирально по всему зданию расположены зимние сады высотой в четыре этажа – они улучшают микроклимат и создают совершенно иную рабочую обстановку.
На разработку концепции здания оказала влияние политическая и социальная атмосфера, сложившаяся после объединения Германии. 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». Как пишет Колин Дейвз (Colin Davies) в предисловии к книге «Commerzbank Frankfurt: Prototype for an Ecological High-Rise», революционный дизайн здания от «Foster and Partners» «…дает начало новой стадии в развитии экологичной, энергосберегающей и снижающей загрязнение архитектуре… Это здание создано как для сотрудников, так и для посетителей. Оно заключает в себе не только экономичную форму и эффективную планировку, но и качество пространства, физический и психологический комфорт, свет, воздух и вид на город, работу и отдых, а также ритм рабочего дня»
 |  |
Рисунок 5.
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
Немецкая «Партия зеленых» поддержала экологичность нового здания «Commerzbank» . Поскольку «Commerzbank» при строительстве старался сохранить и защитить естественную окружающую среду при помощи инновационных конструктивных решений, городские власти дали разрешение на расширение проектной площади. На дополнительной земельной площади с восточной стороны высотного здания удалось расположить шестиэтажное здание, в котором разместились дополнительные офисные помещения, а также парковку. В результате банку «Commerzbank» удалось сосредоточить большинство своих офисов на данном участке земли и не приобретать дополнительных площадей в дорогом районе Франкфурта-на-Майне.
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 офисных помещений здания (рис. 1). 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 стороны. В ботаническом аспекте растения отражают географическую направленность:
С восточной стороны – азиатская растительность;
С южной стороны – средиземноморская растительность;
С западной стороны – североамериканская растительность.
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 (рис. 2).
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.
Рисунок 8.
Схема воздушных потоков вокруг здания
53-этажное здание поднимается ввысь вместе с уже существующим зданием «Commerzbank». 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 (Kaizerplatz). Попасть в здание можно по гигантской лестнице, покрытой стеклянной крышей (рис. 3). На первом этаже расположены отделения банков, магазины, рестораны и кафетерии, а также залы для проведения выставок и концертов (рис. 4).
Ступенчатая верхушка здания производит сильное впечатление даже на большом расстоянии. Силуэт здания создает четкий символ современного банковского района Франкфурта-на-Майне.
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 (рис. 5). 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.
Рисунок 9.
Естественная вентиляция здания в зимний период (источник – официальный сайт студии «Foster and Partners»)
Снижение затрат энергии на отопление здания достигается использованием теплозащитного остекления с коэффициентом теплопередачи приблизительно 1,4–1,6 Вт/(м2.°C). Кроме этого, первый слой играет роль защитной оболочки, уменьшающей конвективный тепловой поток, направленный наружу. 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.
Аэродинамика и система естественной вентиляции здания
Высотное здание разделяется по вертикали на четыре 12-этажных модуля, называемыми «деревнями». Каждый модуль имеет три 4-этажных зимних сада, соединенных вертикально посредством центрального атриума. Сады и атриум связаны для повышения эффективности естественной вентиляции (рис. 6). 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.
Рисунок 10.
Расчетные значения наружных и внутренних температур в летний и переходный периоды при естественной вентиляции
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 напора на здание и воздушные потоки в атриуме исследовались в аэродинамической трубе (рис. 7), а результаты исследований использовались в ходе дальнейшего компьютерного моделирования.
Рисунок 11.
Естественная вентиляция здания в летний период (источник – официальный сайт студии «Foster and Partners»)
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 под действием ветрового напора. 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.
На рис. 8 показаны воздушные потоки, возникающие под действием ветрового напора. Из рисунка следует, что только треть здания обращена к наветренной стороне, а две трети здания – к подветренной стороне. 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 напора, будут способствовать естественной вентиляции здания в течение всего года при открытии соответствующих элементов окон.
В зимний период (рис. 9) естественная вентиляция всех офисных помещений, расположенных по периметру здания, обеспечивает комфортные параметры микроклимата в помещениях, однако здесь необходимо обратить внимание на то, что механическая вентиляция позволяет обеспечивать комфортные параметры микроклимата при одновременной экономии энергии за счет утилизации тепла удаляемого воздуха. 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°C, механическая вентиляция не является необходимой из-за приемлемой температуры наружного воздуха.
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°C окна необходимо держать закрытыми и следует использовать механическую систему вентиляции и дополнительный обогрев, а также, при необходимости, и увлажнение. 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 рис. 10 приведены расчетные значения наружных и внутренних температур в летний и переходный периоды 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 температурах около 32°C. В зимних садах наружный воздух охлаждается приблизительно на 0,5–1°C. Охлажденный естественным образом воздух движется через атриум и затем перемещается к следующему зимнему саду, где выходит из здания (рис. 11).
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°C (8:00 утра) до 28,5°C (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 присутствующим в здании.
В результате наблюдений, проводимых в данном здании в течение года, было установлено, что частота использования естественной вентиляции в дневное время достигла 70% (рис. 12). 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.
Исследования различных способов ночного охлаждения здания дали следующее процентное распределение, построенное по совокупному объему часов эксплуатации (рис. 13):
Использование механической вентиляции и дополнительно охлажденного воздуха – около 15%;
Использование механической вентиляции и наружного воздуха – 12%;
Охлаждение путем естественной вентиляции – около 73%.
На рис. 14 представлено сравнение энергопотребления для зданий с естественной системой вентиляции и для аналогичного по объему здания с традиционной системой кондиционирования воздуха.
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 (рис. 15) и обогреваемые металлические конструкции светопроемов ограждений атриума (рис. 16).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 (рис. 17).
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 Германского строительного стандарта, который требует, 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 иметь вид на атриум и сад (рис. 18).
 |  |
 |
Рисунок 18.
Каждый сотрудник офиса имеет вид на зеленый участок. В данном случае это вид через атриум на один из садов
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.
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 (рис. 19).
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 (рис. 20).
Наружное освещение
Молодой немецкий дизайнер Томас Эмде (Thomas Emde), чьим средством выражения является свет и цвет, добавил окончательные штрихи к зданию, спроектированному Норманом Фостером. Схема наружного освещения, предложенная 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 (Peter Fischer), дизайнер светового оформления Гюнтер Хекер (Gunther Hecker) и менеджер по световому дизайну Ральф Тьювен (Ralf Teuwen).
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 вертикальность здания. В результате панорама ночного Франкфурта сильно изменилась.
В студии «Blendwork» также было создано «Цветовое Руно» («The Color Fleece») – огромная картина в вестибюле здания. При размерах в 210 м2 данное произведение является одним из самых больших в мире. То, что видит наблюдатель, зависит от его местоположения, времени суток и уровня естественной освещенности. В монографии, описывающей процесс создания данного произведения, Эмде написал о здании «Commerzbank»:
«В отличие от других высотных зданий (во Франкфурте) здание Нормана Фостера создает новое двойное движение. С одной стороны, здание практически уходит в бесконечную высоту, заметно поднимаясь ввысь от земли и отрываясь от нее. В то же время само здание несет ввысь и девять садов».
«Здание поднимает вместе с собой целые деревья, отрывая растения от земли, со своим пониманием близости к природе и корней в почве. Это отражает двойственность здания, поскольку оно, как и деревья, которые всегда стремятся расти ввысь, ближе к свету, тоже стремиться ввысь».
«В данном случае здание «Commerzbank» изменяет простой закон прикрепленности к земле. Природа – моделированное жизненное пространство, находящееся в движении в высоте, отражающее двойственность здания. Здание отрицает необходимость нахождения растений на земле посредством поднятия их на высоту и их приближения к свету».
Послесловие
В издательстве «АВОК-ПРЕСС» готовится к печати книга «Энергоэффективные здания». Это уникальное издание содержит описание наиболее известных энергоэффективных зданий различного назначения, получивших широкую известность и признание специалистов. В их числе – жилые высотные, многоэтажные и одноэтажные здания, офисные, учебные, медицинские здания, спортивные сооружения, лаборатории и другие здания. Описаны оригинальные решения по выбору формы зданий с учетом особенностей климата, опыт применения солнечных коллекторов, тепловых насосов, систем аккумулирования тепла и холода, инновационные решения по отоплению, вентиляции и кондиционированию. Приводятся также результаты предпроектных исследований, в том числе математического моделирования и натурных экспериментов по изучению аэродинамики зданий при продувках макетов в аэродинамической трубе.Выше приведен отрывок из этой книги, объем 200 страниц. Книга содержит большое количество иллюстраций.