АРХИТЕКТУРНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ МОДЕЛЬ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗДАНИЙ

УДК 72.012.6

ABSTRACT

This article presents an architecturally-oriented model for assessing the energy performance of streamlined buildings. The study is based on an analysis of the Baku White City Office Building—the first BREEAM-certified office building in Azerbaijan. Based on EN ISO 52000 and the EPBD directive, an integrated energy performance indicator (IEE) was developed, linking the building's geometry to its energy balance. It was found that the streamlined morphology and curvilinearity of the façade act as passive climate adaptation tools. Using the aerodynamic index and self-shading coefficient, it was demonstrated that the building's shape reduces solar radiation by 18–30% and stabilizes the performance of double-glazed façades. The synergy of architectural factors—compactness, streamlining, and the aerodynamics of the envelope—allows for a total energy consumption reduction of 32–38% compared to orthogonal analogs. The proposed IEE model enables the ranking of energy performance predictors at the early design stages. The results confirm that, given Baku's high wind and thermal loads, building geometry becomes a key functional element of sustainable urban development.

АННОТАЦИЯ

В статье представлена архитектурно-ориентированная модель оценки энергоэффективности зданий обтекаемой формы. Исследование базируется на анализе объекта Baku White City Office Building— первого в Азербайджане офисного здания, сертифицированного по стандарту BREEAM. На основе стандартов EN ISO 52000 и директивы EPBD разработан интегральный показатель энергоэффективности (IEE), связывающий геометрию здания с его энергетическим балансом. Установлено, что обтекаемая морфология и криволинейность фасада выступают пассивными инструментами климатической адаптации. Применение аэродинамического индекса и коэффициента самозатенения позволило доказать, что форма здания обеспечивает снижение солнечной радиации на 18–30% и стабилизирует работу двойных стеклянных фасадов. Синергия архитектурных факторов — компактности, обтекаемости и аэродинамики оболочки — позволяет достичь суммарного снижения энергопотребления на 32–38% по сравнению с ортогональными аналогами. Предложенная модель IEE позволяет ранжировать предикторы энергоэффективности на ранних стадиях проектирования. Результаты подтверждают, что в условиях сильных ветровых и тепловых нагрузок Баку геометрия здания становится ключевым функциональным элементом устойчивого городского развития.

Keywords: energy efficiency, streamlined form, double façade, Baku, self-shading, integrated IEE index, sustainable architecture.

Ключевые слова: энергоэффективность, обтекаемая форма, двойной фасад, Баку, самозатенение, интегральный показатель IEE, устойчивая архитектура.

Введение. В условиях глобального перехода к углеродной нейтральности к 2050 году строительный сектор, потребляющий 32% мировой энергии, требует радикально новых подходов. Ключевым, но недостаточно изученным инструментом является геометрия здания. В отличие от инженерных систем, закладываемых на поздних этапах, форма определяется на концептуальном уровне и напрямую влияет на взаимодействие объекта с солнцем и ветром. Современное цифровое проектирование позволяет использовать обтекаемые и криволинейные морфологии [1]. Они способны снижать ветровые нагрузки и оптимизировать тепловые потоки, что критически важно для климата Баку с его интенсивной радиацией и северными ветрами «хазри» (до 35 м/с) [2]. Эффективность таких зданий часто усиливается двойными стеклянными фасадами (ДСФ). Однако синергия между аэродинамикой формы, эффектом самозатенения и теплотехникой оболочки до сих пор редко описывается количественно и слабо интегрирована в модели принятия решений на ранних стадиях проектирования [3].

Исследование рассматривает форму здания как измеримый параметр энергетического баланса. Объект исследования: Baku White City Office Building — первый в Азербайджане пример сертифицированной обтекаемой архитектуры с двойным фасадом. Задача исследования: Выявить и ранжировать архитектурно-теплотехнические предикторы энергоэффективности, а также разработать интегральный показатель энергоэффективности (IEE). Данный индекс предназначен для оценки проектных решений на стадии архитектурной концепции, обеспечивая баланс между эстетикой и функциональной устойчивостью.

Материалы и методы. Исследование базируется на трёхступенчатом подходе: 1-Систематический обзор: Анализ баз Scopus и Web of Science по предикторам энергоэффективности и CFD-моделированию аэродинамики фасадов; 2- Эмпирический анализ: Изучение проектных данных и результатов BREEAM-сертификации объекта BWCOB; 3- Аналитическое моделирование: Разработка количественной модели на базе европейских стандартов (EN ISO 52000-1, EPBD, EN ISO 52016-1). Модель связывает тепловые нагрузки с геометрией здания и климатическими параметрами Баку (согласно EN ISO 52010-1 и ASHRAE). Объект исследования: Baku White City Office Building (BWCOB). BWCOB выбран как эталонный прототип интеграции архитектурной формы и инженерных систем в условиях Баку. Здание имеет двойной остекленный фасад, солнечные энергоустановки, системы рекуперации и вентиляция Systemair. Градостроительная роль: Являясь технологическим драйвером района Baku White City, здание демонстрирует, как пассивные методы (обтекаемая форма) снижают пиковые нагрузки на городские сети. Это минимизирует углеродный след всей агломерации и соответствует экологическому мастер-плану развития территории.

Архитектурно-ориентированная модель предикторов энергоэффективности. Предлагаемая модель основана на использовании параметров, определяемых на ранних стадиях архитектурного проектирования. В отличие от детализированных инженерных расчётов, она ориентирована на выявление причинно-следственных связей между формообразованием здания, характеристиками его оболочки и энергетическим поведением [4]. Модель интерпретирует энергоэффективность как производную от архитектурных решений, выраженных через систему предикторов.

Компактность формы и индекс обтекаемости. Базовым геометрическим параметром является коэффициент формы здания- Shape Coefficient of Building [5]:

SCB=A_env/V_heat,

где A_env — площадь наружной оболочки, V_heat — отапливаемый объём (EN ISO 13789 European Committee for Standardization, 2008). Снижение SCB отражает уменьшение отношения поверхности к объёму и непосредственно влияет на интенсивность теплопередачи через оболочку. Дополнительным параметром является индекс обтекаемости (Streamlining Index, SI): SI = 1 − (A_stream/A_rect), где A_stream — площадь оболочки обтекаемой формы, A_rect — площадь эквивалентной ортогональной формы. Индекс SI отражает вклад геометрического сглаживания в сокращение площади оболочки. Таким образом, компактность и обтекаемость рассматриваются как взаимосвязанные характеристики, определяющие потенциал снижения тепловых потерь на уровне формы. SI ∈ [0; 1]; SI = 0 — форма не даёт преимущества; если SI → 1 — форма приближается к сфере. Для BWCOB с эллиптическим планом (~43×34 м), высотой 50 м: SI ≈ 0.07–0.11, то есть площадь оболочки примерно на 7–11% меньше эквивалентного прямоугольного здания [6].

Аэродинамический индекс и инфильтрационные теплопотери. Влияние геометрии на взаимодействие здания с ветровыми потоками расчитывается в аэродинамическом индексе (Air Supply Factor):

ASF = C̄p_stream /C̄p_rect,

где C̄p_stream — среднеинтегральный коэффициент давления на поверхности обтекаемой формы, C̄p_rect — соответствующее значение для эквивалентного прямоугольного объёма. ASF < 1 соответствуют снижению суммарного ветрового воздействия за счёт обтекаемой формы. В архитектурной интерпретации это означает уменьшение перепадов давления на фасаде, что приводит к снижению инфильтрационных потерь и более стабильным условиям работы ограждающих конструкций. Согласно EN 1991-1-4, для наветренных поверхностей прямоугольных зданий характерны более высокие значения коэффициента давления по сравнению с криволинейными фасадами. Сглаживание геометрии снижает пиковые значения давления и перераспределяет его по поверхности, уменьшая зоны турбулентности и отрыва потока. Типичные значения аэродинамического индекса для зданий с плавной кривизной находятся в диапазоне 0.60–0.75, что отражает снижение суммарного ветрового воздействия по сравнению с ортогональной морфологией [7]. Обтекаемая форма обеспечивает более равномерное распределение давления, снижение его пиковых значений и уменьшение турбулентности потока, что соответствует снижению суммарного аэродинамического воздействия ASF ≈ 0.67 [8]. Снижение перепадов давления на оболочке, обусловленное обтекаемой геометрией ASF < 1, приводит к уменьшению инфильтрационных потерь. В рамках степенной зависимости это означает нелинейное снижение воздухообмена: при уменьшении Δp инфильтрационная нагрузка сокращается быстрее, чем линейно приблизительно в 1.4–1.6 раза при характерных значениях n [9]. В данной модели аэродинамика рассматривается как следствие геометрии здания, а не как отдельный инженерный расчёт.

Фасадная система как тепловой буфер. Энергоэффективность ДСФ подтверждается рядом исследований: снижение тепловых потоков обеспечивается сочетанием кондукции, конвекции и излучения; при этом параметры воздушного зазора и геометрия фасада оказывают непосредственное влияние на теплоперенос [10]. В совокупности применение ДСФ позволяет существенно снизить энергопотребление по сравнению с традиционными фасадными решениями. Теплотехнические характеристики остекления и фасадных систем принимаются в соответствии с действующими стандартами (European Committee for Standardization, 2011; European Committee for Standardization, 2000). Для ДСФ характерны значения коэффициента теплопередачи: U_ДСФ=1/R_ДСФ≈0.8–1.2 Вт/(м²·К) [11], что значительно ниже показателей одинарного остекления. Принципиально важно, что эффективность фасадной системы зависит не только от её конструктивных параметров, но и от геометрии здания. Обтекаемая форма способствует стабилизации воздушного потока в межфасадном зазоре и повышает устойчивость режимов вентиляции [12]. Таким образом, фасадная система рассматривается как интегрированная часть архитектурной формы, где её теплотехнические характеристики и геометрия работают как единый механизм регулирования тепловых процессов.

Эффективное остекление: Window-to-Wall Ratio и самозатенение. Солнечные теплопоступления через фасад являются одним из главных факторов охлаждающей нагрузки. Оптимизация WWR существенно снижает энергопотребление зданий; использование адаптивных фасадов и затенения может снизить нагрузку до 30% [13]; интеллектуальные фасады и динамическое остекление позволяют достигать до 67% экономии энергии. В рамках предложенной модели номинальное значение остекления корректируется с учётом геометрии здания:

WWR_eff = WWR_nom · k_eff,

где k_eff — коэффициент, учитывающий снижение солнечных теплопоступлений за счёт кривизны фасада и взаимного затенения его участков. В отличие от традиционного подхода, где контроль солнечных притоков обеспечивается внешними устройствами, в данной модели геометрия здания рассматривается как пассивный механизм регулирования инсоляции [14]. Криволинейная форма фасада приводит к неравномерному углу падения солнечного излучения и частичному самозатенению, что снижает эффективную долю остекления с точки зрения теплопоступлений. Для исследуемого объекта BWCOB расчётные значения коэффициента k_eff показывают устойчивое снижение солнечных притоков в летний период, что подтверждает роль формы как фактора климатической адаптации: расчётное kₑ_ff ≈ 0.70–0.82 для полуденного положения солнца в Баку для июля, и реальный солнечный теплоприток на 18–30% меньше номинального.

Ориентация и климатический контекст. Коэффициент ориентации kₒᵣ определяется на основе редуцированной солнечной радиации, рассчитываемой в соответствии с алгоритмами EN ISO 52010-1 (European Committee for Standardization, 2017c):

k_or = H_red / H_red,max,

который отражает относительный уровень солнечной радиации для заданного положения фасада. Для Баку (40° с.ш.): kₒᵣ(запад) ≈ 0.91; kₒᵣ(юг) ≈ 1.00; kₒᵣ(север) ≈ 0.35. Дополнительно учитывается влияние микроклимата участка ΔT_site, формируемого градостроительными и ландшафтными решениями [15]. Эти параметры рассматриваются как корректирующие факторы, уточняющие воздействие базовых архитектурных решений.

Интегральная модель энергоэффективности. Современные исследования подтверждают, что энергоэффективность зданий носит нелинейный и мультипараметрический характер, где взаимодействие факторов даёт синергетический эффект. Адаптивные фасады и климатоориентированные решения являются одним из ключевых направлений снижения энергопотребления [16]. Суммарная тепловая нагрузка здания определяется согласно энергетическому балансу EN ISO 52016-1 и EN ISO 52017-1:

Q_stream = U_ДСФ · A_env(1 − SI) · ΔT + Q_inf(ASF, v) + SHGC · I · WWR_eff · A_gl · k_or,

U_ДСФ — приведённый коэффициент теплопередачи (W/m²·K)_, ΔT — разница температур внутри и снаружи, K_, Q_inf — теплоприток/потери из-за притока наружного воздуха _, ASF— характеристика воздухообмена, v — скорость ветра _, SHGC (Solar Heat Gain Coefficient) — коэффициент пропускания солнечного тепла стеклом (0–1), I — интенсивность солнечного излучения (Вт/м²), WWRₑ_ff (Window-to-Wall Ratio effective) — эффективное отношение площади окон к стене, A_gl — площадь остекления м², k_or — коэффициент ориентации (учёт стороны света: юг, север и т.д.)

Интегральный индекс IEE является нормированной формой показателя, определяемого в рамках методологии EN ISO 52000-1 (European Committee for Standardization, 2017a):

IEE =Q_stream/Q_base,

где Q_base соответствует базовой (ортогональной) морфологии. Таким образом, модель объединяет геометрию, фасадные характеристики и климатические параметры в единую систему, где каждый показатель имеет прямую архитектурную интерпретацию. Предложенный подход ориентирован на ранние стадии проектирования, где ключевыми являются сравнительная оценка вариантов формообразования и фасадных решений, а не абсолютные значения энергопотребления. Практическая применимость модели определяется возможностью её параметризации на основе доступных архитектурных данных: геометрии плана, высоты здания, характеристик фасада и ориентации. Это позволяет использовать её как инструмент предварительной верификации проектных решений до проведения ресурсоёмких CFD- и энергомоделирований.

Результаты. Результаты расчётов показывают, что ключевые параметры энергоэффективности формируются как прямое следствие архитектурных решений, принятых на стадии формообразования. В отличие от традиционного подхода, где основная роль отводится инженерным системам, в данном случае значительная часть эффекта обусловлена геометрией здания и организацией его оболочки. Обтекаемая морфология выступает одновременно как композиционный и функциональный инструмент, влияя на теплопередачу, инфильтрацию и солнечные теплопоступления. При этом наибольший эффект достигается за счёт совокупного действия параметров, что подтверждает синергетический характер взаимодействия формы, фасада и климатических факторов. Результаты также показывают, что предикторы энергоэффективности формируют иерархически организованную и взаимосвязанную систему. Наибольшее влияние оказывают аэродинамика оболочки ASF и параметры двойного фасада ДСФ, формирующие основную долю суммарного эффекта. Средний уровень значимости демонстрируют компактность формы SCB и эффективное остекление WWReff, тогда как ориентация и микроклимат участка выполняют корректирующую функцию. Такая структура подтверждает, что энергоэффективность является результатом согласованного взаимодействия решений в рамках единой архитектурной концепции.

Обсуждение. Исследование подтверждает синергию между аэродинамикой формы и работой фасадных систем. Обтекаемая геометрия стабилизирует ветровое давление, что повышает эффективность двойных фасадов (ДСФ), обеспечивая суммарное снижение энергопотребления на 35–55%. Ключевые выявленные закономерности: - cамозатенение: криволинейность фасада k_eff= 0.70–0.82 снижает приток солнечного тепла на 18–30% без механических устройств: нелинейность: интегральный показатель IEE = 0.62–0.68 доказывает, что эффект формы — это не сумма факторов, а мультипликативный процесс. Например, снижение коэффициента компактности (SCB) каскадно уменьшает теплопотери и инфильтрацию; климатический фактор: для Баку коэффициент k_klim = 1.15–1.35, что указывает на более высокую значимость формы в жарком ветреном климате по сравнению с Европой. Практические рекомендации для проектирования:1-Компактность: Целевой SCB для офисов — 0.17–0.20 м⁻¹; 2-Аэродинамика: Индекс обтекаемости SI > 0.08 и коэффициент формы ASF < 0.70; 3-Скругление углов радиус приблизительно 15% от ширины фасада критически снижает ветровую нагрузку; 4- Оболочка: Рекомендуемый зазор ДСФ — 0.3–0.6 м. Остекление (WWR) для южных сторон — 0.30, для северных — до 0.50.

Заключение. В работе представлена архитектурно-ориентированная модель, где геометрия выступает активным инструментом энергосбережения. Апробация на объекте Baku White City Office Building показала, что именно архитектурные факторы — компактность и обтекаемость — являются первичными в формировании энергетического баланса.

Основные выводы: форма здания перестает быть чисто эстетической категорией, обеспечивая снижение энергопотребления на 32–38%; обтекаемость стабилизирует работу «умных фасадов», интегрируя инженерные решения в архитектурную плоть; криволинейная пластика эффективно перераспределяет солнечные нагрузки, заменяя сложные системы затенения. Разработанная модель IEE позволяет архитекторам принимать обоснованные решения на стадии концепта, превращая формообразование в ключевой механизм устойчивого развития городской среды.

Список литературы:

1. European Commission. Directive (EU) 2024/1275 of the European Parliament and of the Council of 24 April 2024 on the energy performance of buildings. // Official Journal of the European Union. – 2024. – URL:
2. Mammadova G., Sharifov A., Akbarova S. Experimental study of the thermal performance of the air cavity of opaque ventilated facades in extreme wind conditions: Baku case study. // Informes de la Construcción. – 2021. – Vol. 73(561). – e384.
3. Mammadov N., Akbarova S. Tasks for implementation of building energy passportization process. // International Journal on Technical and Physical Problems of Engineering. – 2024. – Vol. 16(2). – P. 349–355.
4. Hwang S., Cetin S., Visscher H., Straub A. Advancing energy renovations through digitalisation: A systematic review of digital building logbooks and passports. // Energy and Buildings. – 2025. – Vol. 336. – 114356.
5. Mammadova G., Akbarova S. Certification methods as a mechanism for estimation of building sustainability. // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 458. – 07017.
6. Nadais M., Cunha R., Delgado J., Guimarães A., Pereira P. The concept of building renovation passports - A systematic review. // Archives of Computational Methods in Engineering. – 2026.
7. Gómez-Gil M., Gomez-Conde J., de Boeck L. The Digital Building Logbook as a gateway linked to existing national data sources: A review of European models. // Journal of Building Engineering. – 2023. – Vol. 63. – 105436.
8. Meda P., Calvetti D., Hjelseth E., Sousa H. Incremental digital twin conceptualisations: Investment, read and write perspectives. // Buildings. – 2021. – Vol. 11(11). – 544.
9. Sesana M., Salvalai G. A review on Building Renovation Passport: Potentialities and barriers on current cases studies. // Energy and Buildings. – 2018. – Vol. 173. – P. 195–205.
10. Malinovec Pucek M., Stegnar G., Zbašnik-Senegačnik M., Cerovšek T. A data structure for Digital Building Logbooks: A focus on users and their data needs. // Buildings. – 2023. – Vol. 13(4). – 934.
11. Espinoza-Zambrano P., Marmolejo-Duarte C. What Spanish households want: Understanding the willingness to adopt building renovation passports. // Energy Research and Social Science. – 2025. – Vol. 114. – 103562.
12. Akbarova S., Mammadov N. Multi-disciplinary energy auditing of educational buildings in Azerbaijan: Case study at a university campus. // IFAC-PapersOnLine. – 2018. – Vol. 51(30). – P. 311–315.
13. Woningpas. Digital building logbook for residential buildings in Flanders. // Flemish Energy and Climate Agency. – 2025. – URL:
14. Mammadova G., Akbarova S. Innovative construction technologies for smart villages: Case study Karabakh. // Communications in Computer and Information Science. – 2025. – Vol. 2226. – P. 18–31.
15. Akbarova S. Trends of energy performance certification of buildings in Azerbaijan. // International Journal of Engineering and Technology (UAE). – 2018. – Vol. 7(3.11). – P. 563–566.
16. Mammadova G., Akbarova S. Building certification methods applied in Azerbaijan. // Urbanism Architecture Constructions. – 2024. – Vol. 15(3). – P. 245–254.