Введение

Наука о зданиях – это междисциплинарная область знаний, основанная на научных и технических достижениях, для обеспечения высокого качества внутренней среды (IEQ), энергоэффективности зданий, комфорта и удовлетворенности пользователей. Физика зданий, архитектурная наука и прикладная физика – термины, используемые для обозначения областей знаний, пересекающихся с наукой о зданиях. В науке о зданиях широко применяются методы, используемые в естественных и точных науках, такие как контролируемые и квази-эксперименты, рандомизированный контроль, физические измерения, дистанционное зондирование и моделирование. С другой стороны, методы социальных и гуманитарных наук, такие как анализ конкретных случаев, интервью и фокус-группы, метод наблюдения, опросы и сбор данных о пользовательском опыте, также широко используются для понимания удовлетворенности, комфорта и восприятия пользователей, посредством получения качественных данных. Одной из современных тенденций в науке о зданиях является сочетание этих двух подходов. Например, известно, что тепловое восприятие и комфорт пользователей могут варьироваться в зависимости от пола, возраста, эмоционального состояния, опыта и других факторов, даже в одинаковых условиях внутренней среды. Несмотря на прогресс в технологиях сбора и обработки данных, объективные измерения сами по себе не могут полностью отразить субъективное состояние пользователей, такое как комфорт и предпочтения. Поэтому исследователи стремятся измерять как физические параметры среды, так и понимать реакции людей, чтобы выявить сложные взаимосвязи. Традиционно наука о зданиях включает изучение теплового, акустического и светового режимов в помещениях, качества воздуха, а также использования ресурсов здания, включая энергию и строительные материалы. Эти аспекты рассматриваются с точки зрения физических принципов, их влияния на здоровье, комфорт и продуктивность пользователей, а также способов управления ими с помощью конструктивных решений и инженерных систем. Национальный институт строительных наук (NIBS) также включает в свою сферу деятельности информационное моделирование зданий, ввод зданий в эксплуатацию, инженерную защиту от пожаров, сейсмостойкое и устойчивое проектирование. Практическая цель науки о зданиях – обеспечение возможности прогнозирования для оптимизации характеристик и устойчивости новых и существующих зданий, понимания или предотвращения дефектов и аварий, а также разработки новых методов и технологий.

Приложения

Во время процесса архитектурного проектирования знания в области строительной науки используются для обоснования проектных решений с целью оптимизации характеристик здания. Проектные решения могут приниматься на основе понимания принципов строительной науки и установленных рекомендаций, таких как Руководство по комплексному проектированию зданий NIBS (WBDG) и сборник стандартов ASHRAE, относящихся к строительной науке. В процессе проектирования могут использоваться вычислительные инструменты для моделирования характеристик здания на основе исходных данных о спроектированной ограждающей конструкции, системе освещения и механической системе. Модели могут применяться для прогнозирования энергопотребления в течение жизненного цикла здания, распределения солнечного тепла и излучения, движения воздушных потоков и других физических явлений внутри здания. Эти инструменты полезны для оценки проекта и обеспечения его соответствия допустимым параметрам до начала строительства. Многие доступные вычислительные инструменты позволяют анализировать целевые показатели характеристик здания и выполнять оптимизацию проекта. Точность моделей зависит от знаний модельера в области строительной науки и объема валидации, проведенной для конкретной программы. Например, тепловизоры (ИК-камеры) могут использоваться для измерения температуры строительных конструкций во время эксплуатации здания. Эти измерения могут быть использованы для оценки работы механической системы и выявления областей аномального теплопоступления или теплопотерь через ограждающую конструкцию. Измерения условий в существующих зданиях используются в рамках оценки после завершения эксплуатации. Оценка после завершения эксплуатации может также включать опросы пользователей здания для сбора данных об удовлетворенности и благополучии, а также качественных данных о характеристиках здания, которые не были зафиксированы измерительными приборами. Многие аспекты строительной науки находятся в зоне ответственности архитектора (в Канаде многие архитектурные фирмы нанимают архитектурного технолога для этих целей), часто в сотрудничестве с инженерными дисциплинами, которые специализируются на решении вопросов строительной науки, не связанных с ограждающей конструкцией: гражданское, строительное, сейсмостойкое, геотехническое, машиностроительное, электротехническое, акустическое и пожарное проектирование. Даже дизайнер интерьера неизбежно сталкивается с некоторыми вопросами строительной науки.

Качество окружающей среды в помещениях (IEQ)

Качество среды внутреннего пространства (IEQ) относится к качеству среды в здании, влияющему на здоровье и благополучие людей, находящихся в нем. IEQ определяется множеством факторов, включая освещение, качество воздуха и температуру. Работники часто обеспокоены тем, что испытывают симптомы или проблемы со здоровьем из-за воздействия загрязняющих веществ в зданиях, где они работают. Одна из причин этой обеспокоенности заключается в том, что их состояние часто улучшается вне здания. Хотя исследования показали, что некоторые респираторные симптомы и заболевания могут быть связаны с влажными зданиями, до сих пор неясно, какие измерения концентрации загрязняющих веществ в помещениях указывают на риск заболеваний для работников. В большинстве случаев, когда работник и его врач подозревают, что среда в здании вызывает конкретное заболевание, информации, полученной в результате медицинских обследований и анализов среды, недостаточно для определения, какие именно загрязнители являются причиной. Несмотря на неопределенность в отношении того, что и как измерять, исследования показывают, что симптомы, связанные со зданием, коррелируют с характеристиками здания, такими как влажность, чистота и параметры вентиляции. Среда внутреннего пространства очень сложна, и люди, находящиеся в здании, могут подвергаться воздействию различных загрязнителей (в виде газов и частиц) от офисной техники, чистящих средств, строительных работ, ковров и мебели, парфюмерии, табачного дыма, строительных материалов, поврежденных водой, роста микроорганизмов (грибков, плесени и бактерий), насекомых и внешних загрязнителей. Другие факторы, такие как температура в помещении, относительная влажность и уровень вентиляции, также могут влиять на реакцию людей на внутреннюю среду. Понимание источников загрязнения среды внутреннего пространства и контроль над ними часто помогают предотвратить или устранить симптомы, связанные с работой в здании. Существуют практические рекомендации по улучшению и поддержанию качества среды внутреннего пространства. Качество среды внутреннего пространства здания охватывает экологические аспекты при проектировании, анализе и эксплуатации энергоэффективных, здоровых и комфортных зданий. Области специализации включают архитектуру, проектирование систем ОВК, тепловой комфорт, качество воздуха в помещении (IAQ), освещение, акустику и системы управления.

Системы HVAC

Механические системы, как правило, являющиеся частью более широкого комплекса инженерных систем здания, используемые для контроля температуры, влажности, давления и других выбранных параметров внутренней среды, часто описываются как системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ). Эти системы становятся все более сложными и важными (часто потребляя около 20% общего бюджета в коммерческих зданиях) по мере того, как пользователи предъявляют более высокие требования к поддержанию комфортных условий, здания увеличиваются в размерах, а роль ограждающих конструкций и пассивных методов обеспечения комфорта снижается. Наука об зданиях включает в себя анализ систем ОВКВ как с точки зрения их физического воздействия (распределение тепла, скорость движения воздуха, относительная влажность и т.д.), так и с точки зрения влияния на комфорт находящихся в здании людей. Поскольку субъективное восприятие комфорта зависит от таких факторов, как текущая погода и климатическая зона расположения здания, требования к системам ОВКВ для обеспечения комфортных условий будут различаться в зависимости от конкретного проекта. Кроме того, разработаны и изучаются различные стратегии управления ОВКВ для повышения комфорта пользователей. В США ASHRAE опубликовала стандарты, помогающие специалистам по эксплуатации зданий и инженерам проектировать и эксплуатировать эти системы. В Великобритании аналогичные рекомендации были опубликованы CIBSE. Помимо общепринятой практики, передовые стратегии управления активно обсуждаются в научных исследованиях. Например, управление с обратной связью по замкнутому контуру может сравнивать заданную температуру воздуха с показаниями датчиков, а управление реагированием на спрос может помочь предотвратить пиковые нагрузки на электросети за счет снижения или перераспределения энергопотребления в зависимости от времени суток. Благодаря повышению производительности вычислительной техники и развитию алгоритмов машинного обучения, прогнозирование тепловой и холодовой нагрузки с использованием оптимального управления может еще больше повысить комфорт пользователей за счет предварительной подготовки системы ОВКВ. Признается, что внедрение передовых стратегий управления относится к области разработки систем автоматизации зданий (САБ) с интегрированными интеллектуальными коммуникационными технологиями, такими как Интернет вещей (IoT). Однако одним из основных препятствий, выявленных специалистами, является масштабируемость логики управления и сопоставление данных о здании из-за уникальности архитектурных решений. По оценкам, из-за недостаточной совместимости строительная отрасль ежегодно теряет 15,8 миллиарда долларов в США. Недавние исследовательские проекты, такие как Haystack и Brick, направлены на решение этой проблемы путем использования схем метаданных, которые обеспечивают более точные и удобные способы сбора данных и определения иерархии связей в механических системах здания. Поддержка семантических моделей может упростить автоматическую настройку систем ОВКВ, а также их ввод в эксплуатацию и обновление программного обеспечения.

Системы корпуса (конверта)

Ограждающие конструкции здания – это часть здания, отделяющая внутреннее пространство от внешней среды. К ним относятся стены, крыша, окна, плиты перекрытий на уровне земли и соединения между всеми этими элементами. Комфорт, продуктивность и даже здоровье людей, находящихся в помещениях вблизи ограждающих конструкций (т.е. в периметральных зонах), зависят от внешних воздействий, таких как шум, температура и солнечное излучение, а также от возможности регулировать эти воздействия. Ограждающие конструкции должны контролировать (не обязательно полностью блокировать или останавливать) перемещение влаги, тепла, воздуха, водяного пара, солнечного излучения, насекомых или шума, одновременно выдерживая нагрузки, действующие на конструкцию (ветер, сейсмические воздействия). Пропускание дневного света через остекленные элементы фасада можно анализировать для оценки снижения потребности в электрическом освещении.

Список основных строительных научных журналов

Строительство и окружающая среда: Этот международный журнал публикует оригинальные исследовательские работы и обзорные статьи, связанные с наукой о строительстве, городской физикой и взаимодействием человека со средой застройки внутри и снаружи зданий. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как поведение людей в зданиях, системы сертификации «зеленых» зданий и системы вентиляции тоннелей. Издатель: Elsevier. Фактор воздействия (2019): 4.971
Энергия и здания: Этот международный журнал публикует статьи, имеющие прямую связь с энергопотреблением в зданиях. Цель журнала – представление новых результатов исследований и проверенных практических решений, направленных на снижение энергозатрат здания и улучшение качества воздуха в помещениях. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как модели прогнозирования энергопотребления зданий, модели оптимизации систем ОВКВ и оценка жизненного цикла. Издатель: Elsevier. Фактор воздействия (2019): 4.867
Внутренний воздух: Этот международный журнал публикует статьи, отражающие широкий спектр интересов в области внутренней среды непроизводственных зданий, включая влияние на здоровье, тепловой комфорт, мониторинг и моделирование, характеристику источников загрязнения, вентиляцию (в архитектуре) и другие методы контроля параметров окружающей среды. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как влияние загрязнителей воздуха в помещениях и тепловых условий на работоспособность людей, распространение капель в помещениях и влияние скорости воздухообмена на здоровье людей. Издатель: John Wiley & Sons. Фактор воздействия (2019): 4.739
Обзор архитектурной науки: Основанный в 1958 году при Университете Сиднея (Австралия), этот журнал направлен на содействие развитию, накоплению и применению научных знаний в широком круге вопросов, связанных с окружающей средой. Согласно описанию журнала, темы могут включать, но не ограничиваться, наукой и технологиями в строительстве, экологической устойчивостью, конструкциями и материалами, акустикой и звуком, освещением, тепловыми системами, физикой зданий, инженерными сетями зданий, климатологией зданий, экономикой строительства, эргономикой, историей и теорией архитектурной науки, а также социальными науками об архитектуре. Издатель: Taylor & Francis Group.
Building Research and Information: Этот журнал посвящен зданиям, строительному фонду и их системам жизнеобеспечения. Уникальным для BRI является целостный и междисциплинарный подход к зданиям, который учитывает сложность застроенной среды и других систем на протяжении всего жизненного цикла. В опубликованных статьях используются концептуальные и основанные на фактических данных подходы, отражающие сложность и взаимосвязь культуры, окружающей среды, экономики, общества, организаций, качества жизни, здоровья, благополучия, проектирования и инженерии застроенной среды. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как разрыв между расчетной и фактической энергоэффективностью, барьеры и факторы, способствующие устойчивому строительству, и политические аспекты устойчивости городов. Издатель: Taylor & Francis Group. Фактор воздействия (2019): 3.887
Журнал моделирования производительности зданий: Этот международный рецензируемый журнал публикует высококачественные исследования и передовые «интегрированные» работы, направленные на научно обоснованное развитие всех областей неструктурной производительности зданий, в частности, в области теплопередачи, воздуха и влагопереноса. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как совместное моделирование энергетических и управляющих систем зданий, библиотека зданий и влияние поведения пользователей на спрос на энергию в зданиях. Издатель: Taylor & Francis Group.
LEUKOS: Этот журнал публикует инженерные разработки, научные открытия и экспериментальные результаты, связанные с применением освещения. Темы, представляющие интерес, включают оптическое излучение, генерацию света, управление освещением, измерение света, проектирование освещения, естественное освещение, энергоменеджмент, экономику энергии и устойчивость. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как метрики проектирования освещения, психологические процессы, влияющие на качество освещения, а также влияние качества освещения и энергоэффективности на производительность, настроение, здоровье, удовлетворенность и комфорт. Издатель: Taylor & Francis Group. Фактор воздействия (2019): 2.667
Моделирование зданий: Этот международный журнал публикует оригинальные, высококачественные, рецензируемые исследовательские работы и обзорные статьи, посвященные моделированию и симуляции зданий и их систем. Цель журнала – продвижение науки и технологий в строительстве до такого уровня, чтобы моделирование стало рутинной практикой на всех этапах строительства, а не исключением. Особый интерес представляют статьи, отражающие последние достижения и применение инструментов моделирования и их влияние на развитие науки и технологий в строительстве. Издатель: Springer Nature. Фактор воздействия (2019): 2.472
Прикладная акустика: Этот журнал освещает результаты исследований, связанные с практическим применением акустики в инженерии и науке. Наиболее цитируемые статьи журнала, относящиеся к науке о строительстве, охватывают такие темы, как прогнозирование звукопоглощения природных материалов, внедрение недорогих устройств для мониторинга шума в городах и звукопоглощение натуральных волокон кенфа. Издатель: Elsevier. Фактор воздействия (2019): 2.440
Исследования в области освещения и технологий: Этот журнал охватывает все аспекты света и освещения, включая реакцию человека на свет, генерацию света, управление освещением, измерение света, оборудование для проектирования освещения, естественное освещение, энергоэффективность проектирования освещения и устойчивость. Наиболее цитируемые статьи журнала охватывают такие темы, как свет как циркадный стимул для архитектурного освещения, восприятие цветопередачи человеком и влияние размера и формы цветового охвата на предпочтение цвета. Издатель: SAGE Publishing. Фактор воздействия (2019): 2.226