CC BY
97
3/2011_МГСу ТНИК
ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДВОЙНОГО ФАСАДА В РОССИЙСКИХ КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
A DOUBE SKIN FACADE THERMAL STUDY IN THE RUSSIAN CLIMATIC CONDITIONS
А. А. Верховский, А. В. Шеховцов
Alexey Verkhovskiy, Andrey Shekhovtsov
НИИСФ PAACH
Двойные фасады достаточно распространены в европейских странах. Сегодня они находят применение и в России. Научный коллектив НИИСФ РААСН провел комплекс исследований, направленный на определение основных требуемых технических параметров двойных стеклянных фасадов
Double skin façades (DSF) become more common, including the Russian cities. However, these projects were initially developed for other regions such as Europe and Middle East. Research team from NIISF RAABS conducted a series of investigations aimed at identifying the main technical parameters of the DSF
Двойной фасад сегодня - это один из путей, предложенный европейскими конструкторами [2] в качестве ступени эволюции прозрачных фасадов. Программа внедрения этих решений поддерживается как самим Евросоюзом, так и отдельными странами - его участницами [3]. В качестве следующей ступени эволюции позиционируется интегрированный активный фасад с возможностью оперативно влиять на любые его климатические параметры и максимально использовать энергию, поступающую в здание. Основной стратегией, которой следуют проектировщики, является энергоэффективность фасада. Повышение энергетической эффективности здания - это точка соприкосновения между требованием государства и потребностью застройщика.
Европейские проектировщики обращают особое внимание на общую эффективность фасада (нем. Nachhaltigkeit). В эту условную величину входят энергоэффективность, долговечность, удобство использования, ресурсосбережение. Этот термин часто применяют и к двойным фасадам. На наш взгляд сегодня преждевременно говорить о такой «устойчивости» по отношению к двойным фасадам. В достаточно мягком европейском климате вполне хорошо зарекомендовали себя и классические однослойные фасады с заполнением современными стеклопакетами и хорошей теплоизоляцией зоны перекрытий. В более холодном климате применимость двойных фасадов затруднительна, т.к. измеренные в ходе настоящих испытаний показатели не соответствуют отечественным нормативным документам. Отметим, что российские нормативы действуют сегодня во многих других восточноевропейских и азиатских странах, исторически принявших их 50-70 лет назад.
Настоящее исследование посвящено фасаду высотного здания Охта-центра, спроектированному для г. Санкт-Петербурга. Концепция двойного фасада была выбрана архитектором в 2006 году как особое редкое для России инженерное решение. Преду-
смотрены атриумы шириной 1400мм без доступа туда людей и более широкие атриумы треугольной формы, достигающие ширины 6м - см. рис 1.
Рис. 1. Компьютерная модель здания с проектной застройкой и трехмерная схема фасада [5].
Описание испытательного образца и задание граничных условий
Высота здания: 400 м
Расчетная наружная температура: 1н = -28,2 °С (с учетов высоты здания)
Минимальная температура с учетом высотности здания: = -40 °С
Внутренняя температура: 1в = +20 °С
Относительная влажность внутреннего воздуха: ф < 55%
Тип фасада: Двойной стеклянный с буферной зоной, герметичный [4]
Ширина буферной зоны: 1400мм.
Размер образца 4000x4000мм.
Материал несущей конструкции фасада: сталь
Материал стоек/ригелей: алюминий
Внешний фасад: специально спроектированная алюминиевая система с заполнением стеклопакетом: СПО 13СМ4 - 16Аг - 13СМ4
Внутренний фасад: алюминиевая система специального дизайна с заполнением стеклопакетом: СПО 83 - 16 Аг - И21СМ4
Теплотехнические испытания
Для проведения теплотехнических испытаний ведущими экспертами в области фасадов была разработана программа испытаний. В ее разработке и контроле корректности испытаний принимали участие как российские, так и зарубежные организации. До испытаний двойного фасада были проведены испытания только внешнего фасада.
Архитектором была задумана форма рамы наружного фасада со звездчатыми членениями, имеющая острые углы. Стальная рама каркаса фасада была спроектирована на ветровое давление 7000Па и имела глубину 40см (см). Вследствие этого в уг-
3/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
ловых зонах теплообмен конвекцией со стороны буферной зоны был понижен. Термограммы узловых зон представлены на рис. 2. иллюстрируют, что в углах и даже на прямых участках примыкания стекла к раме температура сильно понижена, кроме того, ширина краевой зоны на угловых участках была значительно выше, чем в целом по стеклопакету. Переохлаждение углов стеклопакетов было отмечено при всех режимах испытаний. Можно с уверенностью сказать, что в этих местах при расчетных температурах будет образовываться наледь. Образование наледи в угловых зонах наблюдались как в однослойном фасаде, так и в DSF при всех режимах испытаний и являлось основным препятствием для соответствия фасаду СНиП 23-02-2003 «Тепловая защита зданий».
Рис. 2. Тепловизионные картины наружного фасада. Таблица 1. Результаты теплотехнических испытаний образца фасада
Конструкция Температура внутри, °C температура снаружи, °C Rq m2oC/Bt
Наружный фасад 20 -28 0,69
Внутренний фасад 20 -28 058
Воздушная прослойка 20 -28 0,19
Двойной фасад 20 -28 1,46
Контроль выпадения конденсата
Согласно СНиП 23-02-2003, конденсат допустим на стеклах, но недопустим на раме и откосах конструкции. Образование наледи недопустимо. Температура на стекле должна быть выше, чем +3°С, температура на раме - выше чем температура точки росы. На рис. 3 и 4 Изображены зоны образования конденсата и наледи во время испытания фасада при следующих климатических условиях: ^ = +20°С, ^ = -28°С, ф=35%.
Результаты испытаний показали, что двойной фасад более подвержен образованию наледи и конденсата, чем классический однослойный.
Рис 3. Угловая зона фасада.. Слева - наружный фасад; справа - двойной фасад
Рис.4. Нижняя зона фасада. Слева - наружный фасад; справа - двойной фасад
С целью определения границы применимости двойных фасадов на территории России были проведены испытания с понижением наружной температуры с шагом 2°С. При температуре -16°С на наружном фасаде образовалась наледь вследствие понижения температуры стекла ниже 0°С. Примечательно, что критическая температура, при которой отсутствует наледь, совпадает с минимальными зимними температурами в европейских странах. Внутренний воздух при этом осушался до относительной влажности 30%.
Дальнейшие испытания на соответствие предложенного двойного фасада российским нормативным требованиям показали, что минимальная температура использова-
3/2011_МГСу ТНИК
ния такого фасада -5°С. При этом микроклимат в буферных зонах не позволит сделать их эксплуатируемыми, однако требования СНиП будут соблюдены.
Обогрев буферной зоны
Основным условием эксперимента было поддерживать температуру на внутренней поверхности наружного фасада в пределах 3,5-4,5°С. Обогреватели в тоже время осушали воздух в буферной зоне до 30%. В офисной зоне влажность была в пределах нормы: 50%.
Было произведено 20 циклов испытаний. При -5°С и затем, от -10°С через каждый градус до расчетной температуры -28°С. При этом проводился замер потребляемой энергии нагревательными приборами.
потребление электроэнергии
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
-30
-25
-20 -15
температура, °С
-10
-5
Рис. 5. График расхода электроэнергии на обогрев буферной зоны
Как видно из графика на рис. 5, расход энергии на обогрев наружного фасада при расчетной наружной температуре составляет 92 Вчт./м2 Это значение в три раза превышает величину теплового потока проходящего через наружный фасад без его обогрева. Таким образом, для того, чтобы избежать наледи на фасаде надо затратить в 3 раза больше энергии, чем необходимо для поддержания энергетического баланса.
После замены заполнений внутреннего фасада на массивное стекло толщиной 20мм, температура в центре буферной зоны и на поверхности наружного фасада повысилась. Однако с точки зрения энергоэффективности такое решение можно рассматривать как дополнительную потерю тепла и снижение температурного комфорта в помещениях здания. Термин «температурный комфорт» используется зарубежными специалистами как описание ощущения температуры (радиационной и конвективных потоков) человеком.
Выводы
Проведенные испытания показали, что конструкция наружного слоя остекления не соответствует требованиям СНиП 23-02-2003 по температуре внутренней поверхности конструкции и образованию конденсата и наледи.
Температура в буферной зоне при всех режимах испытаний не соответствует требованиям ГОСТ 30494-96 «Здания жилые общественные. Параметры микроклимата в помещениях».
Испытания показали, что не существует физического обоснования строительства двойного фасада в выбранной климатической зоне с точки зрения энергоэффективности.
При расчетной зимней температуре необходимо израсходовать 92 Вт*ч/м2 для поддержания на внутренней поверхности наружного фасада требуемой температуры.
Летом потребуется кондиционирование здания с двойным фасадом даже при тех температурных условиях, когда одинарный фасад позволил бы обойтись естественной вентиляцией
Исследования позволили определить границы применимости двойных фасадов в зимнее время. При наружной температуре ниже -5°C предложенный двойной фасад не соответствует российским нормам.
Перечисленные выводы свидетельствуют скорее о специальных свойствах двойного фасада, для декоративных, акустических или защитных целей. Это помещает DSF в категорию специальных фасадов, возведение которых в виду двойной цены требует глубокого технико-экономического обоснования. Энергоэффективность данной конструкции двойного стеклянного фасада до сих пор не подтверждена.
Список литературы
1. ГОСТ 30494-96 Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях
2. Double-Skin Facades. Integrated Planning. Oesterle, Lieb, Lutz, Heusler. Prestl. p.8-10
3. European Commission. Agreement No: EIE/04/135/S07.38652. Best Practice for Double Skin Facades.
4. Ventilated Double Facades. Classification and Illustration of façade concepts. X. Loncour, A. Deneyer// Belgian Building Research Institute. p. 8-16.
5. RMJM. Gazprom presentation. Презентация архитектурных решений
References
1. National Standard GOST 30494-Living and public buildings. Parameters of the indoor environment
2. Double-Skin Facades. Integrated Planning. Oesterle, Lieb, Lutz, Heusler. Prestl. p.8-10
3. European Commission. Agreement No: EIE/04/135/S07.38652. Best Practice for Double Skin Facades.
4. Ventilated Double Facades. Classification and Illustration of façade concepts. X. Loncour, A. Deneyer// Belgian Building Research Institute. p. 8-16.
5. RMJM. Gazprom presentation. Presentation of the architectural solutions
Ключевые слова: двойной фасад, высотные здания, теплотехнические исследования, стек-лопакеты, воздушная прослойка, образование конденсата, буферная зона, обогрев фасада.
Keywords: double-skin façade, high-rise buildings, thermal research, glazing unit, air cavity, condensation, buffer zone, façade heating.
127238, г. Москва, Локомотивный пр., 21 + 7(499)488-6625 Andre.sheh@gmail.com, V2508@rambler.ru
