كيفية تصميم نظام تهوية للمباني السكنية الشاهقة؟

التحديات الأساسية في أنظمة التهوية للمباني السكنية الشاهقة

تأثير الدخان، والضغط الناتج عن الرياح، وتأثير المكبس: الفيزياء وتأثيرها على أداء نظام التهوية

تتعامل المباني الشاهقة مع مشكلات ضغط خاصة تؤثر بشكل كبير على كفاءة أنظمة التهوية فيها. هناك ما يُعرف بتأثير الدراج (stack effect)، حيث تخلق الفروق في درجات الحرارة بين الداخل والخارج نوعًا من تأثير المدخنة. ففي الشتاء، يصعد الهواء الدافئ إلى الأعلى، مما يؤدي إلى سحب هواء بارد من الخارج إلى المستويات السفلية من المبنى. وفي الوقت نفسه، تصطدم الرياح بالمباني من جميع الاتجاهات، ما يولد فروقًا في الضغط على الجوانب المختلفة. فالجانب المواجه للرياح يتعرض لضغط أعلى (ضغط موجب)، في حين يعاني الجانب المقابل من شفط (ضغط سلبي). كما يوجد أيضًا ما يسميه المهندسون بتأثير المكبس (piston effect) الناتج عن حركة المصاعد صعودًا وهبوطًا، مما يؤدي إلى دفع الهواء داخل الممرات الرأسية. ويمكن أن تتسبب هذه الحالة في تغيرات مفاجئة في الضغط تصل أحيانًا إلى 50 باسكال. وعندما تتضافر كل هذه العوامل، فإنها تخلق مشكلات كبيرة في توازن تدفق الهواء بين الطوابق. وتُظهر بعض الدراسات أن عدم التوازن قد يصل إلى أكثر من 30%. ويتم سحب الملوثات بشكل لا يمكن التحكم فيه، وتستهلك أنظمة التدفئة والتبريد والتكييف طاقة أكثر بكثير من اللازم في الحالات السيئة (قد تتجاوز 25%)، ويصبح من شبه المستحيل الحفاظ باستمرار على معايير التهوية المناسبة مثل ASHRAE 62.1.

استراتيجيات التخفيف: التقسيم العمودي وأحزمة تخفيف الضغط

يتعامل المهندسون مع مشكلات الضغط في المباني من خلال تقنيات التقسيم العمودي. وبشكل أساسي، يقومون بتقسيم المباني إلى أقسام أصغر باستخدام جدران مقاومة للحريق وأنظمة تهوية منفصلة لكل منطقة. ويحافظ هذا الأسلوب على تأثير الدُرَيْع محدودًا ضمن حوالي 5 إلى 8 طوابق، بدلًا من السماح له بالتأثير على المبنى بأكمله. وتضم المناطق المتوسطة والعلوية منشآت خاصة للتخفيف من الضغط مزودة بسدادات تلقائية تفتح تلقائيًا عندما تصل فروق الضغط إلى حوالي 15 باسكال، مما يساعد في موازنة حركة الهواء عبر المكان. وتنفذ هذه الأساليب بشكل مهم في عدة مواقع رئيسية مثل بهوات المباني التي تعمل كمناطق عازلة بين أقسام المبنى المختلفة، و vestibules المصاعد المصممة بنظام تحكم تدريجي في الضغط، ونظم السلالم التي تُنظم دخول الهواء النقي، وفتحات العادم في الأسطح المحمية من تأثير الرياح. وتخفض هذه الأساليب انتشار التلوث بنحو الثلثين وتضمن تهوية مستمرة بغض النظر عن درجة ازدحام المبنى في أي وقت معين.

أساسيات تصميم نظام التهوية: الضغط، موازنة تدفق الهواء، والتجزئة

حساب متطلبات الضغط لكل طابق باستخدام نمذجة التسلسل الهرمي للضغط

يساعد نمذجة تسلسلات الضغط في إدارة ضغوط التفاضل المعقدة عبر الأدوار المتعددة في المباني الشاهقة. الفكرة الأساسية تتضمن حساب تدرجات الضغط الضرورية هذه، والتي تكون عادةً بين 0.05 و0.25 بوصة من عمود الماء لكل مستوى دور، لمكافحة تأثير الكومة مع الحفاظ على عدم تعثر الأبواب أو إغلاقها بشكل مفاجئ. يلجأ معظم المهندسين إلى استخدام برامج ديناميكا السوائل الحاسوبية عند محاكاة كيفية حركة الهواء فعليًا عبر هذه المساحات وتحديد النقاط التي قد يخرج فيها الضغط عن التوازن. خذ على سبيل المثال ردهات المباني، فهي تحتاج عادةً إلى ضغط موجب يبلغ حوالي 0.15 بوصة مقارنةً بـ 0.05 بوصة فقط في الأدوار السكنية العليا، بحيث يتدفق الهواء بالاتجاه الصحيح. هناك أمر آخر يستحق الذكر وهو نقاط التسرب الخفية المنتشرة عبر مصاعد الركاب ومناطق الخدمات. هذه المواقع مهمة جدًا، لأن الإهمال في أخذها بعين الاعتبار يمكن أن يؤدي إلى انخفاض أداء النظام الكلي بنسبة تتراوح بين 15% وصولاً إلى 30%، وهي نتيجة لا يرغب أحد في رؤيتها بعد استثمار الوقت والمال في التصميم السليم.

استراتيجيات التقسيم: النهج الرأسية مقابل التقسيم حسب الطوابق من أجل المرونة في الاستخدام

عندما تستخدم المباني التقسيم الرأسي، فإنها بشكل أساسي تقوم بتقسيم الطوابق إلى أقسام ميكانيكية منفصلة، مثل وجود وحدة معالجة هواء واحدة تخدم حوالي عشرة طوابق. يقلل هذا الترتيب من تعقيد شبكة القنوات الهوائية ويجعل الصيانة أسهل نظرًا لمركزية جميع المعدات. ثم هناك تقسيم الطوابق المجمّعة الذي يعمل جيدًا في المناطق التي تتواجد فيها أنواع مختلفة من المساحات معًا، مثل صالة رياضية بجوار شقق أو ما شابه ذلك. هذه الترتيبات تتكيّف بشكل أفضل مع الطريقة الفعلية التي يستخدم بها الناس المساحة على مدار اليوم. يساعد التقسيم الرأسي في منع مشاكل انتقال الملوثات بين الطوابق، لكنه لا يؤدي أداءً جيدًا عندما لا تكون المباني مشغولة بالكامل، لأن الأنظمة تعمل بكفاءة أقل عند الأحمال المنخفضة. من ناحية أخرى، يتيح التقسيم المجمّع للطوابق التهوية الخاضعة للتحكم حسب الطلب بناءً على الأنشطة الجارية، رغم أن ذلك يأتي بتكلفة الحاجة إلى شبكة قنوات أكثر تعقيدًا. يوصي العديد من المهندسين المعماريين الآن بدمج النهجين معًا: استخدام الأعمدة الرأسية في الأقسام السكنية البحتة، مع تطبيق المناطق المجمعة في المناطق متعددة الاستخدامات. عادةً ما توفر هذه الطريقة مجتمعة وفورات تصل إلى حوالي 25 بالمئة في تكاليف الطاقة مقارنةً بأنظمة المنطقة الواحدة القديمة.

تكامل السلامة الحياتية: تنسيق أنظمة التهوية مع مكافحة الحرائق والدخان

الضغط في السلالم والمصاعد وفقًا لمتطلبات NFPA 92 ومتطلبات IBC

يُبقي الضغط الموجب في السلالم والمصاعد على منع دخول الدخان إلى هذه المناطق أثناء الحرائق، مما يحافظ على طرق الهروب الحيوية خاليةً لتمكين الأشخاص من الخروج. تضع كودات البناء مثل NFPA 92 وIBC متطلبات محددة لكمية الضغط الواجب الحفاظ عليها بين المناطق الآمنة وأجزاء المبنى المتأثرة بالحريق، وعادةً ما تكون هذه الفروق بين 0.05 إلى 0.10 بوصة من عمود الماء. يعمل هذا الضغط المتحكم به ضد ما يُعرف بتأثير المدخنة، ويضمن بقاء الظروف قابلة للتنفس بما يكفي لسكان المبنى ورجال الإطفاء أثناء تنقلهم داخل المبنى. عند تصميم هذه الأنظمة، يجب على المهندسين حساب الكمية الدقيقة من الهواء الواجب تزويدها، مع أخذ جميع التسريبات الصغيرة حول الأبواب والوصلات الإنشائية بعين الاعتبار. كما يُدرج المهندسون مراوح احتياطية لضمان استمرار الضغط حتى في حال فشل أحد الأنظمة أثناء الطوارئ الطويلة. يجب أن يُفعّل النظام تلقائيًا عند انطلاق إنذار الحريق. كما أن الفحوصات الدورية ضرورية أيضًا، لأن الدراسات تُظهر أن المباني التي لا تُحافظ على الضغط المناسب تشهد زيادة بنسبة 40٪ في حالات استنشاق الدخان بين السكان وفقًا لبحث أجرته NIST في عام 2023.

أقفال أمان فشل-آمن بين أنظمة تكييف الهواء والتدفئة والتهوية، و إنذار الحريق، وصمامات الدخان

عندما تعمل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) بالتعاون مع أنظمة إنذار الحريق وصمامات الدخان، فإنها تُنشئ حماية أمان ضرورية للمباني. وعند انطلاق الإنذار، تتبع النظام قواعد السلامة المدمجة التي تقوم بإغلاق صمامات الدخان داخل مجاري التهوية لاحتواء الحرائق ضمن مناطق محددة. وفي الوقت نفسه، يتوقف النظام عن تشغيل مراوح إعادة الهواء لمنع انتشار الدخان في جميع أنحاء المبنى، ويُشغل مراوح الضغط الإيجابي على طول مسارات الخروج للحفاظ على هذه المسارات خالية من الدخان. وإذا حدث انقطاع في التيار الكهربائي، فإن هذه الميزات الأمنية تنتقل إلى ما يُعرف لدى المهندسين بـ"الوضع الآمن"، حيث تُغلق الصمامات تلقائيًا وتقف المراوح عن العمل حتى يعود التيار الكهربائي. ويجب على مديري المباني اختبار كل هذه الاتصالات بانتظام، لأنه وفقًا للمعايير الصناعية الحديثة، يمكن أن تقلل الفجوات الصغيرة التي تمر من خلالها المجاري عبر الجدران أو الأرضيات من فعالية احتواء الدخان بنسبة تصل إلى 70%.

جودة الهواء الداخلي والكفاءة الطاقية: تحسين نظام التهوية

مطابقة ASHRAE 62.1، التصفية، والتهوية الخاضعة للتحكم حسب الطلب لصحة السكان

معدلات التهوية وفق معيار ASHRAE 62.1 مهمة جدًا للأشخاص الذين يعيشون أو يعملون في المباني الشاهقة. تحتاج الأنظمة إلى حسابات دقيقة تأخذ بعين الاعتبار عدد الأشخاص الموجودين في أوقات مختلفة، ونوع المساحات التي نتحدث عنها. وفقًا لبيانات منظمة الصحة العالمية لعام 2024، فإن مشكلات جودة الهواء الداخلي تتسبب فعليًا في نحو 3.8 مليون حالة وفاة مبكرة كل عام. ولهذا السبب أصبحت مرشحات MERV 13 أو الأفضل منها مهمة جدًا في الوقت الحالي. فهي تحجز الجسيمات الصغيرة ومسببات الحساسية التي تفوتُها المرشحات العادية. يعمل التهوية الخاضعة للتحكم حسب الطلب على تعديل تدفق الهواء بناءً على مستويات ثاني أكسيد الكربون التي تكتشفها المستشعرات. وتوضح وزارة الطاقة أن هذا يمكن أن يقلل من هدر الطاقة بنسبة تتراوح بين 20 إلى 40 بالمئة وفق دراسات عام 2023. كما أنه يمنع الحالات التي لا يصل فيها هواء نقي كافٍ عندما يتواجد عدد كبير من الأشخاص. كما تُدير الأنظمة الجيدة مستويات الرطوبة لتبقى أقل من 60٪ رطوبة نسبية، لأن زيادة الرطوبة تؤدي إلى نمو العفن الذي يسبب العديد من مشكلات التنفس للقاطنين.

دمج تهوية استرداد الطاقة (ERV) للحصول على شهادة LEED والامتثال للوائح

عندما نُثبّت أنظمة التهوية ذات استرداد الطاقة، فإنها تعمل عن طريق تبادل الحرارة والرطوبة بين الهواء الخارج والهواء النقي الداخل. ويمكن أن يؤدي هذا إلى تقليل تكاليف التدفئة والتبريد بشكل كبير، حيث تشير الدراسات الحديثة الصادرة عن ASHRAE إلى انخفاض يتراوح بين 35 و50 بالمئة. بالنسبة للمباني التي تسعى للحصول على شهادة خضراء، فإن هذا النوع من الأنظمة يساعد في اكتساب نقاط LEED القيّمة، ويستوفي المتطلبات المنصوص عليها في كود الحفاظ على الطاقة الدولي لعام 2021 للمناطق التي تشهد شتاءً بارداً جداً (أكثر من 3500 يوم تدفئة). ما يجعل أنظمة ERV المعتمدة مفيدة بشكل خاص هو قدرتها على الحفاظ على نقاء الهواء الداخلي حتى في الأجواء المتجمدة. إذ تقوم المنظومة بتسخين الهواء النقي قبل دخوله المبنى دون السماح بدخول الملوثات الضارة من الخارج، وهي نقطة بالغة الأهمية في المباني الشاهقة التي تكون مغلقة بإحكام ضد التيارات الهوائية. كما أن اختيار وحدة بالحجم المناسب أمر مهم أيضاً، لأن الأنظمة ذات الأبعاد الصحيحة عادة ما تسترد تكلفتها خلال ثلاث إلى خمس سنوات فقط من خلال انخفاض فواتير الخدمات، وبذلك تظل متوافقة مع اللوائح المحلية للتهوية سواء كانت تعمل بكامل طاقتها أو جزئياً.

الأسئلة الشائعة

لماذا يعتبر تأثير الدعامة مهماً في المباني الشاهقة؟

يُعد تأثير الدعامة مهماً لأنه يتسبب في اختلالات في ضغط الهواء بين الأدوار المختلفة، مما يؤثر على أداء نظام التهوية واستهلاك الطاقة.

كيف يمكن أن يساعد التقسيم العمودي في تقليل مشكلات التهوية؟

يُقسّم التقسيم العمودي المباني إلى أقسام أصغر للتحكم في تأثير الدعامة ضمن عدد محدود من الأدوار، مما يحسّن توازن تدفق الهواء ويقلل من انتشار التلوث.

ما الدور الذي تلعبه نمذجة التدرج الضغطي في تصميم أنظمة التهوية؟

تحسب نمذجة التدرج الضغطي المطلوب من التدرجات الضغطية للحفاظ على تدفق هواء متوازن عبر الأدوار المتعددة، ومنع مشكلات مثل التصاق الأبواب أو إغلاقها المفاجئ.

كيف يحسّن التهوية الخاضعة للطلب الكفاءة في استهلاك الطاقة في المباني الشاهقة؟

تكيّف التهوية الخاضعة للطلب تدفق الهواء بناءً على الكثافة السكانية ومستويات ثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من هدر الطاقة ويضمن توفر هواء نقي كافٍ خلال الأوقات الذروة.

ما هي المزايا التي تقدمها أنظمة تهوية استرداد الطاقة؟

تقلل أنظمة تهوية استرداد الطاقة من تكاليف التدفئة والتبريد من خلال تبادل الحرارة والرطوبة، وتدعم الحصول على شهادة LEED والحفاظ على هواء داخلي نقي.