Отопление, вентиляция и кондиционирование атриумов.
Атриум является конструкционным элементом здания, выступающим в роли открытого холла, из которого можно попасть в другие здания, объединенные переходами или другими архитектурными соединениями. Инженеры активно используют атриумы в современных строительных объектах. Они позволяют человеку ощутить свет и свободное пространство, а также наделяют здание дополнительными функциями. Обычно в таких местах организовывают.
официальные и неформальные встречи.
отдых (например, на территории lounge-площадок.
реализацию товаров и услуг.
выставочные мероприятия.
Атриумы очень распространены в государствах, для которых характерен холодный климат. Причиной тому является необходимость создания постоянно освещаемого естественным образом помещения с высоким уровнем комфорта. В связи с этим климатические системы, устанавливаемые в таких местах, должны соответствовать индивидуальным требованиям.
Атриум бизнес-центра «Гостиный двор» (Москва.
Использование атриумов позволяет инженерам эффективно использовать солнечную энергию, чтобы контролировать климатическую обстановку с учетом энергосбережения. Вместе с тем практически все атриумные здания требуют прокладки специальных инженерных коммуникаций. Таким образом, при обогреве помещений должна использоваться не только солнечная энергия, а и отопительное оборудование. Также необходимо применение современных вентиляционных систем.
Комфортабельность атриумных зданий зависит от двух явлений.
эффекта аэродинамической тяги.
оранжерейного эффекта.
Последний заключается в согревании внутреннего пространства атриума короткими волнами солнечной энергии, проходящей через стекла. Тепловое излучение, высвобождаемое наружу, отличается большей волновой длиной. Его удерживает стекло. В результате тепловая энергия находится в помещении, что является причиной положительного зимнего и отрицательного летнего эффекта.
Атриум центрального музей связи имени А.С. Попова (Санкт-Петербурга.
Под эффектом аэродинамической тяги следует понимать разницу давлений в помещении, которая приводит к восходящему движению теплой воздушной массы в закрытом пространстве. В результате воздух, находящийся в основном и смежных помещениях, смешивается. Скорость движения воздушного потока увеличивается за счет нагретых частиц воздуха, на которые повлиял парниковый эффект. Поэтому атриумные помещения отличаются мощным восходящим воздушным потоком, являющимся источником образования сильной тяги из соединенных атриумом зданий. Этой тягой можно обеспечивать вентиляцию, однако ее обратное действие является абсолютно бесполезным.
Перед раскрытием информации о формировании микроклимата в атриуме следует дать ответы на фундаментальные вопросы. Они касаются климатических условий на территории расположения атриума, функциональной его составляющей и характера, который имеют главные тепловые процессы. Вместе с тем нам необходимо выбрать тип атриума.
в котором будет сохраняться тепловая энергия.
в котором будет высвобождаться тепловая энергия.
в котором будут выполняться два указанных процесса с учетом временного периода.
В первую очередь следует определиться с климатическим фактором. Характерной особенностью атриумов в холодных умеренных климатических условиях является потребность в регулярном поступлении тепловой энергии, в тропических погодных условиях – холодного воздуха, в континентальных атмосферных условиях – тепла (в зимнее время) и холодной воздушной массы (в летний период). В итоге тип атриумного здания определяет его форму и функциональность.
Атриум Палас Отель (Екатеринбург.
В зданиях коммерческого назначения, имеющих глубокие помещения, регулярно наблюдается избыток теплоты. В частности, это касается основных площадок. Причем воздух здесь может быть перегретым и с наступлением суровой зимы, поэтому наличие атриума приведет к ухудшению климатической обстановки в том случае, если в нем накапливается тепловая энергия. В случае проведения реконструкции высотного административного здания, в результате которой уменьшатся издержки на искусственный свет, с помощью атриума может быть организован обогрев. Перед выбором отопительной системы для атриума требуется изучение взаимосвязи климатических условий с функциональностью здания.
Торговый центр «Невский Атриум» (Санкт-Петербург.
Причина актуальности атриумных площадок на просторах государств с холодным климатом заключается в необходимости организации естественно освещенного удобного помещения, которое будет эксплуатироваться в коммерческих, развлекательных и прочих целях. Панорамное остекление и габаритные осветительные устройства дают возможность максимально использовать солнечную энергию, а также сократить издержки на отопление атриума.
Стоит отметить, что успешность атриумных площадок заключается в предоставляемых возможностях энергетической эффективности и стремлении к созданию в здании естественных условий пребывания. Кроме того, подобные конструкции выигрывают с эстетической точки зрения, так как выступают в роли стимула для раскрытия творческого потенциала разработчиков проекта здания.
Атриум здания Ллойда (Лондон.
При этом строительство атриумных зданий ставит весьма сложные задачи перед инженерами по теплоснабжению в связи с тем, что во время проведения расчетов необходимо акцентировать внимание на показателях излучения и конвективной транспортировки воздуха. Помимо этого, следует учитывать возможность перегрева в летний период, из-за которого помещение может превратиться в настоящий парник.
В атриумных зонах не рекомендуется устанавливать декоративные водяные системы, так как из-за них здесь возможно образование и распространение различных бактерий. Если же установка фонтана необходима, тогда следует позаботиться о фильтрации жидкости, находящейся в водяной системе. Самыми небезопасными считаются жидкостные установки, функционирующие с определенной периодичностью. Причиной тому является застаивающаяся в системе вода.
Архитектурные параметры.
Если брать во внимание архитектурную составляющую, то атриум должен быть просторной многоэтажной площадкой. В конструкционном плане такие помещения могут иметь различную геометрию, зонирование и ориентацию.
Из атриума может быть открыт проход в помещения, расположенные в здании. Также возможно полное отделение площадки. Наглядным тому примером являются отели с внутренними галереями, на которые выходят номера, имеющие независимую климатическую систему. Кроме того, атриумная зона может выступить в качестве источника естественного освещения помещений, окна которых выходят во внутреннюю ее часть.
Микроклимат в атриумах.
На климатические условия в атриумных зонах влияет назначение здания. Если это гостиница, производственное, офисное здание или образовательное учреждение, то в атриуме необходима организация нормальных условий, предусматривающих.
температурный режим в пределах плюс 25-26 градусов Цельсия в летнее время.
температурный режим в пределах плюс 20-21 градуса Цельсия в зимнее время.
относительную влажность на уровне 40-60 процентов.
Во время разработки проектов климатических систем атриумных площадок специалисты сталкиваются со следующими проблемами.
воздействие солнечной энергии на микроклиматическую обстановку.
обмен воздушных масс в больших помещениях, приводящий к образованию холодных воздушных потоков и процессу стратификации.
организация микроклимата в смежных с центральным атриумом помещениях.
На степень экономии энергетических ресурсов, которая достигается благодаря использованию солнечной энергии, воздействуют назначение и характеристики здания.
При эксплуатации атриумов можно сэкономить значительное количество электричества, необходимого для его освещения. При этом негативный эффект таких конструкционных элементов заключается в сильной нагрузке отопительного и климатического оборудования. Несмотря на это в торгово-развлекательных комплексах, которые требуют значительной нагрузки на климатическую систему из-за мощной работы искусственного освещения, использование искусственного света может снизить эксплуатационные затраты в летнее время года. Также стоит подчеркнуть, что перекрытие внутреннего дворового пространства или соединение рядом расположенных зданий, с целью создания атриума, может стать причиной значительного уменьшения конечного теплового баланса из-за резкого сокращения перехода тепла посредством стен, выходящих в атриумную зону.
Атриум отеля 5* «Shanghai Grand Hyatt» (Шанхай.
Чтобы оптимизировать инженерные системы, необходимо организовать остекление, площадь которого будет составлять порядка 40 процентов от суммарной площади ограждений.
Понятие стратификации воздушного потока.
В связи со значительной высотой атриумного помещения, во время проектирования климатической системы для такого архитектурного элемента необходимо обратить внимание на стратификацию – физический процесс, характеризующийся повышением температуры на значительной высоте.
Анализируя подобное явление, не стоит забывать о внутренних поступлениях теплоты, типе распределения воздушных масс, инфильтрации внешнего воздушного потока, удалении верхнего воздушного слоя и об эффекте холодных стен.
Увеличению стратификации способствует возрастающая температура внешней окружающей среды и солнечная радиация. Тем самым, учитывая все прочие равные условия, обострение стратификации происходит в летнее время года в атриумах, имеющих большую высоту и незначительную площадь помещения. Такую ситуацию можно объяснить сосредоточением нагретого воздуха, отличающегося малой плотностью, под потолочной поверхностью. При этом он не успевает расположиться на более низких уровнях.
Организация микроклимата в таких помещениях возможна в случае создания двух зон (верхней и нижней). Для их обслуживание необходимо использование двух независимых систем.
Атриум 5* отеля «Бурдж аль Араб» (Дубай.
Отвод тепла в летнее время.
В летнее время тепловая энергия, расположенная под потолком здания, удаляется посредством вытяжных каналов, которые организованы в стенах или кровле. Также для отвода тепла можно использовать естественную вентиляцию или вытяжные вентиляторы.
Эффективность вентиляционной системы с естественным отводом воздуха достигается при скорости ветра, превышающей десять километров в час.
Если для вывода нагретой воздушной массы используются вытяжные устройства, в таком случае можно воспользоваться противопожарными системами, с помощью которых отводятся дымовые газы.
В случае фиксации средней температуры внешней среды, рекомендуется использовать водяную охладительную систему, которая имеет промежуточный контур. С целью ограничения энергопотребления, на станциях обработки воздушного потока требуется наличие автоматического регулирования наружного воздуха. Также это необходимо, чтобы в полной мере использовать эффект свободного охлаждения. Помимо этого, может возникнуть необходимость в ночном охлаждении атриума, с целью ослабления нагрузки на оборудование во время максимальной загрузки помещения посетителями. Если пиковая нагрузка является интенсивной, тогда можно использовать накопительные системы охлаждения.
Отвод тепла в зимнее время.
Проектируя инженерные системы, необходимо обращать внимание на стратификацию и применять данное явление в зимнее время. С наступлением отопительного сезона из-за стратификации может значительно увеличиться потребление тепловой энергии. Особенно это наблюдается при наличии застекленной кровли, имеющей значительную площадь. В таком случае температура воздушной массы в атриуме будет увеличиваться на два градуса Цельсия в высоту через каждый метр. Если температура воздуха на атриумной площадке равна плюс 15 градусам, а на улице – минус 10 десяти градусам по Цельсию, то среднее увеличение температуры на 1 градус Цельсия на 1 метр высоты (при общей высоте потолка, равной 5-ти метрам) приведет к 40-процентному увеличению потерь тепла в сравнении с атриумом, на территории которого отсутствует стратификация. Помещения, где наблюдаются значительные выделения тепловой энергии при максимальной солнечной активности, позволяют использовать теплоту, накапливающуюся под кровлей, чтобы отапливать нижерасположенные помещения. Такая возможность реализуема благодаря дестратификаторам, размещенным в атриуме, или за счет вентиляционной системы с рециркуляцией воздушного потока.
Разделение воздушного потока.
Для создания оптимальной системы распределения воздуха необходимо знать тип и размеры атриумной площадки. Чтобы организовать такую систему, можно использовать.
настенные распределители воздушного потока.
дальнобойные сопла.
напольные диффузоры.
потолочные диффузоры.
Если разделение воздушной массы начинается с «нулевой» высоты, тогда необходимо выполнить скрупулезный расчет с целью установления скорости и температуры направляемого воздуха до значения, которое не создаст дискомфорт для посетителей. Отметим, что такой вариант распределения воздушной массы позволяет организовать качественный воздухообмен в атриуме. Применение диффузоров напольного типа предусматривает высвобождение воздуха в верхней точке здания.
Атриум отеля «Atlanta Marriott Marquis» (Атланта.
Альтернативным вариантом является установка традиционной системы разделения воздушного потока, состоящей из настенных эжекционных воздухораспределителей. Последние препятствуют образованию зон скопления нагретой воздушной массы благодаря интенсивному перемешиванию воздуха в атриуме.
Установка такой системы – это идеальный компромисс, позволяющий создать оптимальные условия в любой период. Ее недостатком является повышенная тепловая и охлаждающая нагрузка в сравнении с напольным вариантом, так как воздух перемешивается на территории обслуживаемой зоны.
Понятие эффекта холодных стен.
Еще одним аспектом, на который стоит обратить внимание, является процесс, противоположный стратификации. Он возникает, когда температура наружного воздуха показывает низкое значение и отсутствует солнечная радиация. При этом температурный режим в области кровли ниже по сравнению с температурой, зафиксированной в зоне «нулевой» высоты.
Эффект холодных стен возникает по причине утечки тепловой энергии из теплой атриумной зоны наружу посредством кровли. Это происходит в процессе передачи теплоты и ее обмена с нагретыми кровельными материалами и холодной наружной воздушной массой. Такая температурная инверсия имеет величину, равную трем-четырем градусам Цельсия, в то время как наружная температура составляет один градус Цельсия со знаком минус.
Воздействие на прилегающие здания.
Задачей климатических систем, расположенных на атриумных площадках, является не только обеспечение комфортных условий для нахождения в центральном помещении, а и ограничение распространения тепловой энергии в прилегающих помещениях в летнее время года.
Если рассматривать торговые комплексы и административные сооружения, здесь из многих помещений есть прямой выход в атриумную зону. Поэтому регулярно изменяющиеся термогигрометрические условия и перемещение воздушного потока в атриумном помещении меняют микроклиматические условия в смежных помещениях. Вверху расположенные помещения меньше подвержены подобным воздействиям, так как здесь наблюдается меньшая разница давлений и застаивание теплой воздушной массы.
Такие помещения оборудуют приточно-вытяжной вентиляцией, с целью предотвращения поступления нагретого воздушного потока из атриумного помещения посредством его транспортировки в помещение и вывода через атриумную зону. В случае отделения смежных помещений от атриумного помещения и их оборудования независимым климат-контролем, необходимо обращать внимание на передачу тепловой энергии, которая возникает в условиях разницы температурных режимов в прилегающих зданиях и атриумной зоне.
Атриум 4* отеля Georgian Terrace (Атланта.
Удаление дыма из атриумов.
Особое внимание при строительстве атриумов необходимо уделить вопросам проектирования пожарной безопасности, так как подобные архитектурные конструкции не наделены междуэтажными разграничениями, препятствующими зональному распространению огня при возникновении чрезвычайной ситуации. Также требуется правильное составление эвакуационного проекта по причине попадания эвакуационных путей в очаг образования дыма.
Для разработки системы высвобождения дыма из атриумной площадки используется многозональная модель. Во время пожара появляется восходящая струя, образованная высокотемпературными продуктами горения. Добавление наружного воздушного потока приводит к увеличению массы и объема такой струи. В результате потолочная поверхность атриума становится местом скопления стратифицированного потока дыма. Постепенное накопление дыма приводит к снижению его нижней границы и полному заполнению им атриума. В итоге мы сталкиваемся с образованием 3-х отдельных зон в атриумном помещении.
восходящей дымовой струи.
потолочного дымового слоя.
холодного воздушного слоя.
Система механического высвобождения дыма необходима для поддержания нижнего порога дымовой зоны на определенном уровне. В качестве критических уровней могут быть выбраны эвакуационные пути или самые верхние коммуникационные проемы, связывающие атриум с прилегающими зданиями. В атриумных зонах, где предельно возможная нижняя граница дымового слоя находится на минимальном расстоянии от потолка, дополнительная подача воздушной массы наверх может привести к изменению эффективности системы механического удаления дыма.
Атриум отеля «Pan Pacific Singapore» (Сингапур.
Для высвобождения дыма из атриумного помещения могут использоваться зенитные проемы или вентиляционные узлы. В результате это приведет к снижению концентрации продуктов горения возле кровли атриума и ограничению их распространения в прилегающие здания.
Обеспечение атриума качественным воздухом.
Организация подачи качественного воздуха на атриумную площадку является непростой задачей, так как в помещении постоянно присутствуют пыль, сторонние запахи и т.д. Усложнение задачи происходит в случае использования атриума в качестве воздушного короба, посредством которого воздух высвобождается из прилегающих зданий. Улучшение качества воздушного потока возможно при сокращении и изоляции внутренних источников загрязнения. В частности, рядом с такими источниками устанавливается фильтрационная и нейтрализирующая система.
Торгово-развлекательные комплексы сталкиваются с проблемой ликвидации посторонних запахов, образующихся при работе кафе и ресторанов. Поэтому здесь необходимо обеспечить уменьшенное давление. В таких помещениях вентиляционная система должна быть автономной, чтобы сюда не попадала воздушная масса, образованная в атриуме. Кроме того, рациональной считается установка датчика углекислого газа, с целью уменьшения подачи свежего воздушного потока во время незначительной посещаемости здания.
На основе материалов из журнала «АВОК.
