Принципи проєктування енергоефективних офісних будівель в кліматичних умовах України

Abstract

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено зв’язок роботи з науковими програмами, сформульовано мету, задачі і методи дослідження, визначено результати дослідження, їх наукову новизну та практичну цінність впровадження результатів в практику проєктування ЕОБ. Перший розділ «Стан дослідження питання та досвід будівництва ЕОБ» присвячено теоретичним основам, вивченню етапів становлення та розвитку цієї сфери. У розділі визначено основні тенденції проєктування та реалізації ЕОБ, проаналізовано існуючий теоретичний і практичний досвід, проведено порівняльний аналіз реалізованих ЕОБ. У підрозділі 1.1 «Сучасні напрямки формування ЕОБ» встановлено основні напрямки формування ЕОБ: архітектура сталого розвитку, проєктування в рамках міжнародної добровільної екологічної сертифікації / міської та національної екологічної сертифікації, проєктувуваня замкненого циклу, здорові ОБ, біофільний дизайн, інтегроване проєктування, різноформатне планування ОП. У підрозділі 1.2 «Узагальнення міжнародного та вітчизняного досвіду проєктування, будівництва та експлуатації ЕОБ» проаналізовано світову та українську практику створення і функціонування ЕОБ. Визначено шість етапів розвитку ОБ: 1885 – 1915 рр., (Чиказька школа); 1916 – 1939 рр., (Стиль АрДеко); 1951 – 1979 рр., (Інтернаціональний стиль, «сонячна архітектура», метаболізм); 1979 – 2000 рр., (Постмодернізм); 1997 – 2012 рр., (Плюралізм: Хай-Тек, деконструктивізм, неомодернізм, біоніка, зелена архітектура); 2012 - 2030 рр., (Сталий розвиток). Надані архітектурно-технічні характеристики цих етапів. Проаналізовано і критично оцінено більше 50 ОБ. У підрозділі 1.3 «Аналіз наукової літератури з питань ЕОБ» виявлено напрямки попередніх досліджень, що розглядають: теоретичні основи сталої архітектури; пасивні (архітектурні) та активні (інженерні) стратегії проєктування для скорочення енергопотреб; методи оптимізації архітектурних рішень для досягнення ЕЕ; питання природнього та електроосвітлення ОБ; методи видобутку енергії із відновлювальних джерел інтегрованих до ОБ; вдалі міжнародні та вітчизняних приклади ЕОБ. З’ясовано, що для мінімізації енергоспоживання ОБ необхідно використовувати не лише індивідуальні пасивні стратегії, а й їхню оптимальну комбінацію в поєднанні з активними системами. Виявлено, що до пасивних стратегій ЕОБ в кліматичних умовах України для скорочення енергопотреб, відносяться: вибір форми та орієнтації; захист зовнішньої оболонки; пасивне опалення; пасивне охолодження; захист від перегріву; збільшення природного освітлення. Встановлено, що до активних стратегій ЕОБ в кліматичних умовах України для скорочення їхніх енергопотреб та виробництва енергії, відносяться: використання ЕЕ інженерних технологій; виробництво енергії на місці з відновлювальних джерел. Згідно з підрозділом 1.4 «Методика проведення дослідження», аналіз поділяється на три етапи, де відображено хід дослідження та послідовність наукового пошуку. Емпіричні, теоретичні, спеціальні методи та метод комплексного функціонально-структурного аналізу дозволили поетапно розглянути різні аспекти дослідження. У другому розділі «Особливості проєктування ЕОБ» виявлені фактори, які впливають на створення ЕОБ, розроблена їх класифікація за ознаками, надані особливості їхнього проєктування в залежності від виду будівництва та досліджено вплив ЕЕ на образність ОБ. У підрозділі 2.1 «Фактори, які впливають на формування ЕОБ» виявлені фактори, які впливають на ЕС ОБ: соціально-економічні; містобудівні; природно-кліматичні; екологічні; архітектурно-типологічні; конструктивнотехнічні; естетичні. Визначено складові цих факторів, для соціально-економічних це: законодавчі та нормативні документи; підготовленість співробітників; соціокультурні особливості; розвиток науки у сфері ЕЕ; економічні особливості. Для містобудівних: місцезнаходження будівлі в структурі міста; вітрові навантаження внаслідок оточуючої забудови; шум та загазованість; відблиски від оточуючої забудови; затінення ОБ від оточуючої забудови. Для природно-кліматичних: макро- та мікро- кліматичні. Для екологічних: атмосферні; відтворювальні; біорізноманітні. Для архітектурно-типологічних: функціональне призначення; композиційні рішення; об’ємно-просторові рішення (ОПР); фасадні рішення та інші архітектурні рішення. Для конструктивно-технологічних: сучасні ЕЕ інженерні системи; система управління будівлями; адаптивне освітлення; енергогенеруючі системи з відновлюваних джерел. Для естетичних: зміна стильових та естетичних цінностей; часткове наслідування природних форм; гармонійне співіснування будівлі з оточуючим середовищем; використання сталих будівельних матеріалів і методів будівництва. У підрозділі 2.2 «Класифікація ЕОБ за ознаками» запропоновано класифікацію ЕОБ за ознаками: розміщення у структурі міста; архітектурнопланувальних рішень; ОПР; функціонального призначення; поверховості; конструктивних рішень; застосування конструктивних будівельних матеріалів; застосуванням інженерного та ін. обладнання; класу ЕЕ; енергоспоживанням; рівнем викидів в атмосферу; комерційності. У підрозділі 2.3 «Особливості проєктування ЕОБ в залежності від виду будівництва» виявлено особливості їх проєктування в залежності від виду будівництва: нове будівництво; в умовах реконструкції; в умовах реставрації. Сформульовані три різні підходи до нового будівництва, реконструкції / енергореновації в залежності від місцезнаходження будівель та їх пам’ятко охоронного статусу: нові та існуючі будівлі, що знаходяться поза історичних ареалів міст; нові та існуючі будівлі, що знаходяться в історичних ареалах міст; пам’ятки архітектури. Надані переліки пасивних та активних стратегій і методів термомодернізації і реставрації для цих трьох видів будівництва. При реновації чи реконструкції існуючих будівель, що не є пам’ятками і не знаходяться в історичних ареалах використовуються наступні методи: збереження та реставрація автентичних частин існуючої будівлі; термомодернізація існуючих частин будівлі; розширення існуючої будівлі та ін. При реновації чи реконструкції існуючих будівель, що не є пам’ятками але знаходяться в історичних ареалах міст має бути збережено висотність, масштабність, пластичне вирішення форм, характер, оздоблювальні матеріали та ін. Підґрунтям визначення меж історичних ареалів слугує історикоархітектурний опорний план. Будівельні роботи з реновації і в історичних ареалах мають бути узгоджені з органами охорони пам’яток. При реставрації пам’яток: збереження та реставрація автентичних частин; збереження матеріальної складової пам'ятки; утеплення фасадів та покрівель. У підрозділі 2.4 «Вплив енергоефективності на образність ОБ» проаналізовано вплив ЕЕ на образність ОБ, виявлено, що образність ЕОБ має такі особливості: ОПР є результатом енергомоделювання / природного освітлення / природної вентиляції; інтеграція будівлі в оточуюче природне середовище; втілення цінностей архітектури сталого розвитку. Виявлено, що образність ЕОБ складається з таких складових: ЗС; «зелені» покрівлі та стіни, інтеграція зелених насаджень; природні (сталі) оздоблювальні та будівельні матеріали; інноваційні оздоблювальні та будівельні матеріали; подвійні фасади; інтеграція до фасадів та покрівель енергогенеруючих систем з відновлювальних джерел. У третьому розділі «Засади удосконалення проєктування ЕОБ» надані пропозиції із застосування параметричного методу багатоцільової оптимізації для визначення ЕС та денного освітлення ЕОБ, сформовані принципи та прийоми проєктування ЕОБ, запропоновані рекомендації з проєктування ЕОБ в кліматичних умовах України. У підрозділі 3.1 «Параметричний метод багатоцільової оптимізації для визначення ЕС та денного освітлення ЕОБ» запропоновано обґрунтований, ефективний та академічно вивірений метод оптимізації денного освітлення та EC в ОП ОБ з метою досягнення оптимальних значень КПО, ІВД та мінімального EC за допомогою параметричного моделювання та багатоцільової оптимізацією. Цей метод, дозволив виявити оптимальні значення КС, ВШВ та глибини ЗС для ОБ у двох кліматичних зонах України. Виявлено, що кліматичні умови (середньомісячна температура повітря, тривалість сонячного сяйва, місячна сонячна радіація на вертикальній та горизонтальній площині, траєкторія руху сонця, річна роза вітрів, хмарність та ін.) впливають на ЕЕ ОБ і мають бути враховані в архітектурному проєктуванні, а на ранній стадії слід проводити енергомоделювання / природнього освітлення. Порівняно оптимізовані фасадні рішення ОБ для двох кліматичних зон України (на прикладі Києва та Одеси), виявлено відмінності, які потребують застосування диференційованого підходу до ЕЕ архітектурного проєктування ОБ у різних кліматичних зонах України. Порівняння оптимальних фасадних рішень ЕОБ для Києва та Одеси визначило відмінності у КС та глибині ЗС, які слід враховувати при проєктувуванні фасадів. Кліматично обґрунтована оптимізація фасадів визначила, що будівлі в Одесі потребують меншого КС та більшого ЗС, ніж у Києві. Це пояснюється м'якшими кліматичними умовами Одеси (вищими зимовими температурами та вищим рівнем сонячної радіації). На основі експерименту виявлено спільні риси та розбіжності в оптимізованих фасадних рішеннях OБ для Києва та Одеси, сформованими на основі оптимальних значень КПО, ІВД і мінімального EC. При тому, оптимальне значення КС в Одесі на 5-10% менше, ніж у Києві; в той же час, оптимальна глибина ЗС в Одесі на 10-20% більшою, ніж у Києві. У підрозділі 3.2 «Принципи та прийоми проєктування ЕОБ» визначені принципи проєктування ЕОБ: - формування на основі кліматичних умов; - інтеграції пасивних та активних стратегій; - застосування оптимізації проєктних рішень; - застосування фасадної та планувальної адаптивності; - впровадження партисипації співробітників. Запропоновано прийоми проєктування ЕОБ: - макро- та мікро- кліматичний аналіз ділянки; виявлення можливих пасивних та активних стратегій проєктування для подальшого застосування. - вибір загальної форми ЕОБ для зменшення КК; вибір ширини корпусу для можливості природного освітлення; максимізація «високого» південного сонячного опромінення; мінімізація «низького» східного та західного сонячного опромінення. - застосування підвищеної теплоізоляції огороджувальних конструкцій; покращення вузлів огороджувальних конструкцій без термічних мостів; досягнення низької повітропроникності; застосування ПФ. - вибір орієнтації засклених фасадів за сторонами світу; вибір типів скління фасадів; вибір КС та пропорцій скління фасадів; отримання пасивного опалення за рахунок сонячної радіації; використання конструкцій будівлі з високою теплоємністю; застосування ПФ. - застосування: природної та гібридної вентиляції, озеленення для охолодження за рахунок випаровування, атріумів та «сонячних витяжок». -застосування ЗС; вибір типів скління фасадів; скорочення теплонадходжень завдяки застосуванню горизонтального та вертикального озеленення; озеленення прилеглої до ЕОБ території; самозатінення скління за рахунок ОПР. -застосування: високого відсотку природного освітлення, «світлових полиць», зенітних ліхтарів та світлових тунелів; вибір типів скління фасадів; вибір КС та пропорцій скління фасадів;. -застосування активних інженерних стратегій. У підрозділі 3.3 «Рекомендації з проєктування ЕОБ в кліматичних умовах України» запропоновано рекомендації з проєктування ЕОБ: удосконалення методики архітектурного проєктування, оптимізація ОПР, оптимізація фасадних рішень, впровадження рішень з природної вентиляції, впровадження ЕЕ інженерних технологій, оптимізація інтеграції до ОБ енергогенеруючих систем, оцінка ефективності (evaluation) реалізованих ЕОБ. Надані відмінності в рекомендаціях з проєктування ЕОБ в залежності від кліматичних зон України та запропонована послідовність проєктування ЕОБ. The introduction justifies the relevance of the topic, defines the connection of the work with scientific programs, formulates the aim, objectives and methods of the research, outlines the results of the study, their scientific novelty, practical value and the implementation of the results into the design practice of EOB. The 1st chapter “The state of research and experience of EOB construction”, is devoted to the analysis of the establishment, development, design and realization of EOB. It defines their main design trends, reviews and analyzes existing theoretical and practical experience, conducts the analysis of the case studies. Subsection 1.1 "Modern trends in the formation of EOB", defines their main design directions: sustainable architecture, design based on international voluntary / national, city environmental certification, circular design, healthy OB, biophilic design, integrated design, and multi-format office planning. Subsection 1.2 "Generalization of international and domestic experience of design, construction and operation of EOB", conducts the analysis of the international and Ukrainian design practice, construction and operation. Six stages of OB development were identified: The Chicago School; Art Deco Style; The International Style, "Solar Architecture"; Postmodernism; Pluralism: High-Tech, Deconstructivism, Neo-Modernism, Bionics, Green Architecture; Sustainable Development. The architectural and technical characteristics of these stages are provided, 50 more case studies are analyzed and critically evaluated. Subsection 1.3 "Analysis of scientific literature on EE of OB", identifies the following directions of previous research: theoretical foundations of sustainable architecture; passive and active design strategies for energy demand reduction; methods for optimizing architectural solutions to achieve EE; natural and electric lighting in conjunction with EE; energy generating methods from renewable sources integrated into OB; successful international and domestic case studies. The research states that while the individual passive strategies reduce EC, their optimal combination – integrated with active design strategies – is essential for achieving maximum savings. It identifies that the passive design strategies of EOB in Ukraine’s climatic conditions for EC reduction include: form and orientation selection; external envelope protection; passive heating; passive cooling; protection against overheating; maximizing natural lighting. Furthermore, the active design strategies of EC reduction and on-site energy production include: use of EE engineering technologies: BMS, adaptive lighting, HVAC / DHW with heat exchangers; elevators with energy recovery; EE office equipment; automatic solar shading systems; radiant cooling and heating integrated into ceilings / slabs, passive chilled beams, etc. On-site energy production from renewable sources: PV systems, PV glass, solar thermal collectors, wind generators, geothermal heat pumps, Trombe walls, energy storage systems, etc. In subsection 1.4 "Research methodology", the work is carried out in three stages, reflecting the course of the research and the sequence of the scientific inquiry. The empirical, theoretical, special methods, and the method of complex functionalstructural analysis allowed for a stage-by-stage examination of specific research aspects. The 2nd chapter, "Specifics of EOB design", defines the factors that influence their formation, develops the classification based by characteristics, provides the design specifics depending on the construction type, and investigates the influence of EE on the aesthetics of OB. Subsection 2.1, "Factors influencing the formation of EOB", identifies the factors that affect OB’s EE: socio-economic; urban planning; natural and climatic; ecological; architectural and typological; structural and technical; aesthetic. As for the socio-economic factor, the components are following: legislative and regulatory documents; employee awareness; sociocultural specifics; development of science in the field of EE; economics specifics. Urban planning factors include: OB location within the city; wind loads resulting from surrounding development; noise and air pollution; glare from surrounding development; shading of OB by surrounding development. Natural and climatic factors include: macro-and micro-climatic components. Ecological factors – atmospheric, renewable, and biodiversity components. Architectural and typological factors – functional; compositional; volumetric and spatial; façade and other architectural solutions components. Structural and technological factors – modern EE engineering systems; energygenerating systems from renewable sources components. Aesthetic factors – change in stylistic and aesthetic values; partial imitation of natural forms; harmonious coexistence of OB with the surrounding environment; use of sustainable building materials and construction methods components. Subsection 2.2, "Classification of EOB by characteristics," proposes their classification based on the following features: location within the city; architectural and planning / volumetric and spatial / structural solutions; function; number of floors; structural building materials; engineering and other equipment; EE class; EC; level of atmospheric emissions; commerciality. Subsection 2.3, "Features of EOB design depending on the construction type" identifies design specifics based on the construction type: new construction; in the context of renovation or restoration. Three different approaches are formulated based on the OB location and heritage protection status: new and existing OB located outside the historical areas of cities; new and existing OB located within the historical urban areas; listed buildings. Lists of passive and active strategies, methods of thermal modernization and restoration are provided. In renovation or remodeling of existing OB which are not listed neither located in historical areas, the following methods are used: preservation and restoration of authentic parts; thermal modernization of the existing parts; extension, etc. In renovation or remodeling of existing OB which are not listed but located in the historical urban areas, the height, scale, plastic design of forms, character, finishing materials, and other features are to be preserved. The historical and architectural reference plan serves as the basis for defining the boundaries of historical areas. Construction works for renovation, even in historical areas, must be coordinated with preservation protection authorities. For the restoration of listed OB: preservation and restoration of authentic parts; preservation of the material component of listed OB; insulation of facades (internal) and roofs. Subsection 2.4, "The Impact of EE on the imagery of OB", analyses the influence of EE on OB imagery. It identifies key EOB features: the spatialvolumetric design of OB is the result of energy / daylighting / natural ventilation modelling; integration of the OB into the surrounding natural environment; embodiment of the values of sustainable architecture. It was determined that EOB imagery comprises: external solar shading; green roofs / walls and plantings; natural (sustainable) finishing / innovative finishing and building materials; double skin facades; integration of energy-generating systems from renewable sources. The 3rd chapter, "Principles of the design improvement of EOB", provides proposals for the application of the parametric method of MOO for determining the EC and daylighting, formulates EOB design principles and techniques, and offers design recommendations and design sequence in the climatic conditions of Ukraine". Subsection 3.1, "Parametric method of MOO for determining EC and daylighting of EOB", proposes a substantiated, effective, and academically verified method for daylighting and EC optimization of OP. To achieve optimal DF, DGP, and minimal EC, the study employs parametric modelling and MOO within Ukraine's two climatic zones (Kyiv and Odesa). The method allows to determine the optimal values of WWR, LHR, and shading depth of OB. It finds out that climatic conditions (average monthly air temperature, sunshine duration, monthly solar radiation, sun path diagram, annual wind rose, cloudiness, etc.) affect the EE of OB and has to be taken into account at early stages of architectural design. Optimized facade solutions were compared, differences were found that necessitate the application of a differentiated approach to EOB architectural design across Ukraine's two climatic zones. The comparison determines the differences in the WWR and solar shading depth. Climate based facade optimization defines that OB in Odesa requires lower WWR, and larger solar shading device than those in Kyiv, due to Odesa's milder climatic conditions (higher winter temperatures and a higher level of solar radiation). The differences show the necessity for climatespecific design. Subsection 3.2, "Design principles and techniques of EOB", defines their design principles, which include: - formation based on climatic conditions; - integration of passive and active design strategies; - application of design optimization; - application of facade and planning adaptability; - implementation of employee participation. The following design techniques for EOB are proposed: - conducting macro- and micro-climatic analysis of the site; identification of potential passive and active design strategies for subsequent application; - form and orientation selection strategy. Selection of the overall EOB’s shape to reduce the compactness ratio; choosing the building width to enable natural lighting; maximizing "high-angle" southern solar exposure; minimizing "low-angle" eastern and western solar exposure; - external envelope protection strategy. Application of enhanced thermal insulation; joints improvement to eliminate thermal bridges; low air permeability achievement; double skin facade application; - passive heating (in winter) strategy. Orientation of glazing selection according to cardinal directions; facade glazing types selection; WWR and glazing proportions selection; achieving passive heating through solar radiation; use of structures with high thermal mass; double skin facade application; - passive cooling (in summer) strategy. Application of natural and hybrid ventilation; use of landscaping / greening for cooling through evaporation; application of atriums and "solar chimneys"; - protection against overheating (in summer) strategy. Application of solar shading; facade glazing types selection; reduction of heat gains through the use of horizontal and vertical landscaping / greening; achieving self-shading of glazing through architectural and planning solutions; - maximizing daylighting strategy. Achieving a high percentage of daylighting; facade glazing types selection; WWR and glazing proportions selection; application of "light shelves", skylights and light tunnels; - Active (engineering) strategies. Subsection 3.3, "Design recommendations for EOB in the climatic conditions of Ukraine", proposes recommendations its design, including: improvement of architectural design methodology; optimization of architectural-planning and facade solutions; implementation of natural ventilation solutions; implementation of EE engineering technologies; optimization of the integration of energy-generating systems into the OB; evaluation of the effectiveness of realized EOB. Furthermore, differences in design recommendations for EOB based on the Ukraine’s climatic zones, as well as the design sequence for EOB are provided.