Основным отличием зданий повышенной этажности от многоэтажных является их значительная высота, диктующая особые требования к инженерному оборудованию и, в частности, к той его части, которая предназначена для обеспечения необходимого микроклимата в помещениях.
Хотя каждое высотное здание индивидуально и требует индивидуальных решений систем отопления и вентиляции, существуют и общие требования к их проектированию. В первую очередь – это деление здания на зоны определенной высоты, или зонирование систем отопления по вертикали и использование приточновытяжной вентиляции.
Зонирование обеспечивает снижение гидростатического давления в системах отопления до той величины, которую способны выдержать установленные на нижних этажах зоны отопительные приборы и другие элементы системы. Поэтому высоту зоны определяет допустимое гидростатическое давление. Современное инженерное оборудование позволяет принимать высоту одной зоны не более 100 м. Опыт проектирования высотных зданий свидетельствует о том, что оптимальная высота зоны системы отопления – 80 м.
Понижение давления воды в системе отопления обеспечивается подключением к источнику теплоснабжения по независимой схеме посредством теплообменников, расположенных в ЦТП.
При эксплуатации систем отопления высотных зданий с высотой зоны 80–90 м имеет место непрерывное завоздушивание системы кислородом изза дегазации воды, вызываемой понижением давления (примерно до 1,5 бара) в самых верхних точках зоны. В связи с этим обязательным является применение деаэраторов, размещаемых в ЦТП, или автоматических воздухоотводчиков в верхней части зоны. Следует отметить, что в зонах высотой менее 60 м этот эффект не столь ощутим.
Опыт проектирования высотных сооружений свидетельствует о том, что в данном процессе значительная часть отводится исследованию аэродинамики здания, поскольку аэродинамическое воздействие на него окружающей среды является фактором повышенной опасности. Такие исследования проводятся путем физического моделирования в аэродинамической трубе специальной конструкции и математического моделирования с использованием разработанных для этих целей компьютерных программ. Моделирование позволяет корректировать архитектурную форму здания с учетом преобладающего направления ветра и его скорости, а также правильно размещать приточные и вытяжные отверстия систем вентиляции. Как известно, в каждом здании существует так называемая нейтральная зона, или зона равных давлений, ниже которой воздух за счет инфильтрации поступает внутрь здания. Выше нейтральной зоны происходит эксфильтрация внутреннего воздуха наружу, в связи с чем вентилирование помещений на верхних этажах затруднено. Для смещения нейтральной зоны вверх используются дефлекторы. Моделирование дает возможность получить необходимую форму дефлектора и вписать его в архитектуру здания (рис.1) [1].
Высотное здание создает вокруг себя зону повышенной опасности изза мощных турбулентных потоков воздуха, возникающих вдоль его внешних поверхностей. Эта турбулентность, например, может поднимать потоки дождя вблизи заветренной стороны сооружения вверх.
Системы естественной вентиляции, когда приток осуществляется через неплотности в оконных переплетах, форточки, фрамуги или открываемые окна, изза очень большого ветрового давления и значительных сил гравитации в высотках не применяются, так как не являются стабильными и безопасными. По этой причине в высотных многофункциональных комплексах как в их жилой, так и в общественной частях используется механическая приточновытяжная вентиляция: приток осуществляется в жилые комнаты, а вытяжка – из кухонь, ванных комнат, санузлов и кладовых. Следует, однако, отметить, что естественная вентиляция по сравнению с механическими приточновытяжными системами менее энергозатратна. И в настоящее время ведутся исследования, направленные на создание безопасных и стабильных систем естественной вентиляции в высотных зданиях с использованием [2]:
– двойного вентилируемого фасада со встроенным вертикальным вентиляционным каналом;
– двойного вентилируемого фасада со щелевыми отверстиями в верхней и нижней зонах наружного слоя фасада;
– двухслойного остекления и наклонной фрамуги в верхней зоне окна;
– выдвижной створки окна.
двойной вентилируемый фасад с вертикальным вентиляционным каналом (рис. 2) уже достаточно широко используется. Он представляет собой систему, состоящую из внутреннего фасада, на котором размещены окна с наклонноповоротными створками и двухслойными стеклопакетами, и наружного фасада, выполненного в виде сплошного одинарного остекления. В пространстве между фасадами располагаются вертикальные вентиляционные каналы.
Внешний фасад обеспечивает защиту от ветрового воздействия при проветривании, которое осуществляется поворотом или наклоном створок. Недостаток этой конструкции – сложность очистки. Вместе с тем результаты исследований данной системы показывают, что она не обеспечивает в достаточной степени вентиляцию большинства помещений и для высотных зданий не может быть рекомендована.
Двойной вентилируемый фасад со щелевыми отверстиями в верхней и нижней зонах наружного слоя фасада отличается от первого варианта отсутствием вертикального канала и наличием щелевидных отверстий различных размеров (рис. 3).
Воздушная прослойка между двумя фасадами создает дополнительную теплоизоляцию в холодное время года. При проветривании, когда открывается поворотнооткидная створка, воздух сначала поступает в пространство между фасадами, и его скорость при этом уменьшается.
В варианте с использованием для проветривания наклонной фрамуги в верхней зоне окна не предусмотрено никаких устройств, уменьшающих скорость воздушных потоков (рис. 4).
Последние два варианта системы естественной вентиляции исследовались в аэродинамической трубе на моделях из органического стекла в масштабе 1:20. Для визуализации потоков воздуха в помещении применялся дым, а кратность воздухообмена измерялась с использованием газаиндикатора.
Результаты экспериментов показали следующее:
– окно с двухслойным остеклением и фрамугой обеспечивает большие кратности воздухообмена, чем двухслойный вентилируемый фасад;
– оба рассматриваемых варианта могут использоваться в системах естественной вентиляции;
– эффективность вентилирования зависит от скорости и направления ветра.
Система естественной вентиляции с выдвижным стеклопакетом (рис. 5) применяется совместно с механической, поскольку во время ливней и скорости ветра выше 20 м/с окна не должны открываться.
При такой системе для организации естественной вентиляции стеклопакет выдвигается вперед параллельно фасаду в зависимости от условий наружного климата на регулируемое в пределах от 1 до 200 мм расстояние с образованием щели по периметру. Размер щели обеспечивает ограничение скорости воздуха, поступающего в помещение, до 0,35 м/с.
Многие вопросы, связанные с распределением потоков воздуха, даже в многоэтажных зданиях еще не решены. Что же касается высотных зданий, то в каждом конкретном случае должны быть проведены предварительные аэродинамические исследования, чтобы избежать возможных ошибок.
Литература
1. Шилкин Н.В. Возможность естественной вентиляции для высотных зданий. АВОК. 2005. № 1.
2. Gertis K. Стеклянные двойные фасады. Имеют ли смысл, с точки зрения строительной физики, новые разработки фасадов? АВОК. 2003. № 7, 8; 2004. № 1.