Kako projektirati ventilacijski sustav za visoke stambene zgrade?

Ključni izazovi ventilacije u visokim stambenim zgradama

Učinak dimnjaka, vjetar i tlak, te učinak klipa: Fizika i utjecaj na učinkovitost ventilacijskog sustava

Visoke zgrade suoče se posebnim problemima tlaka koji ozbiljno ometaju učinkovitost njihovih ventilacijskih sustava. Postoji nešto što se naziva efektom dimnjaka, gdje različite temperature unutar i izvan zgrade stvaraju vrstu djelovanja dimnjaka. Topli zrak uspinje se prema gore tijekom zimskih mjeseci, što vuče hladan vanjski zrak u niže katove zgrade. Istovremeno, vjetar udara u zgradu s različitih smjerova, stvarajući razlike u tlaku na različitim stranama. Strana okrenuta vjetru podliježe većem pritisku (pozitivni tlak), dok suprotna strana doživljava usisavanje (negativni tlak). Također postoji ono što inženjeri nazivaju efektom klipa, uzrokovanim dizalicama koje se kreću gore-dolje, gurajući zrak kroz šahte. To može dovesti do naglih promjena tlaka, ponekad dostižući 50 Pascala. Kada se svi ti faktori spoje, nastaju veliki problemi s ravnotežom protoka zraka između katova. Neki studiji pokazuju da neujednačenosti mogu doseći više od 30%. Zagađujuće tvari nekontrolirano se uvlače, HVAC sustavi troše znatno više energije nego što bi trebali u lošim situacijama (čak i više od 25%), a održavanje propisanih standarda ventilacije poput ASHRAE 62.1 gotovo je nemoguće ostvariti dosljedno.

Strategije ublažavanja: Vertikalna kompartimentalizacija i zone za otpuštanje tlaka

Inženjeri rješavaju probleme tlaka u zgradama korištenjem vertikalne kompartimentalizacije. U osnovi, dijele konstrukcije na manje dijelove pomoću zidova otpornih na vatru i odvojenih sustava ventilacije za svaki prostor. Ovaj pristup ograničava efekt čamca na otprilike 5 do 8 katova, umjesto da dopusti da utječe na cijelu zgradu. Srednji i krovni dijelovi imaju posebne zone za regulaciju tlaka s automatskim zasunima koji se otvaraju kada razlika u tlaku dostigne oko 15 Pascala, čime se pomaže u uravnoteženju strujanja zraka kroz prostor. Važne primjene provode se na nekoliko ključnih mjesta, poput predvorja koja djeluju kao međuprostrije između različitih dijelova zgrade, liftovskih predvorja dizajniranih s višestupanjskom kontrolom tlaka, sustava stubišta koji upravljaju dotokom svježeg zraka te krovnih odzračnika zaštićenih od vjetrovnih smetnji. Ove metode smanjuju širenje onečišćenja otprilike za dvije trećine i osiguravaju dosljednu ventilaciju bez obzira na to koliko je zgrada trenutačno puna.

Osnove projektiranja sustava ventilacije: Stvaranje tlaka, uravnoteženje protoka zraka i zoniranje

Izračunavanje zahtjeva za stvaranjem tlaka po katovima korištenjem modeliranja kaskadnog tlaka

Modeliranje tlaka u nizovima pomaže u upravljanju onim zahtjevnim razlikama u tlaku na više katova u visokim zgradama. Osnovna ideja uključuje izračun potrebnih gradijenata tlaka, obično između 0,05 i 0,25 inča vodenog stupca po razini kata, kako bi se suprotstavili efektu dimnjaka i istovremeno spriječilo zaglavljivanje ili neočekivano zalupcanje vrata. Većina inženjera koristi softver za numeričku simulaciju strujanja zraka (CFD) kako bi simulirala kretanje zraka kroz te prostore i otkrila mjesta na kojima tlak može izaći iz ravnoteže. Uzmimo primjer predvorja zgrada – ona obično zahtijevaju oko 0,15 inča pozitivnog tlaka u odnosu na samo 0,05 inča na višim stambenim katovima, kako bi zrak strujao u pravom smjeru. Još jedna važna stvar su neprimjetni mjesta curenja kroz liftne šahte i prostorije za instalacije. Ova područja su iznimno važna, jer ako se zanemare, mogu smanjiti ukupnu učinkovitost sustava od 15% pa sve do 30%, što nitko ne želi vidjeti nakon uloženog vremena i novca u kvalitetno projektiranje.

Strategije zoniranja: vertikalni nasuprot grupiranim katovima za fleksibilnost smještaja

Kada zgrade koriste vertikalno zoniranje, u osnovi dijele katove u odvojene mehaničke sekcije, na primjer tako da jedan uređaj za obradu zraka opslužuje otprilike deset katova. Ova postava smanjuje složenost kanala za zrak i olakšava održavanje, budući da je sve centralizirano. Zatim postoji zoniranje skupinama katova koje dobro funkcionira za područja na kojima su različite vrste prostora povezane, poput teretane pored stambenih jedinica ili slično. Ove aranžmane bolje se prilagođavaju načinu korištenja prostora tijekom dana. Vertikalno zoniranje pomaže u sprečavanju širenja zagađivača između katova, ali nije učinkovito kada zgrade nisu potpuno iskorištene, jer sustavi neefikasno rade pri nižim opterećenjima. S druge strane, zoniranje skupinama katova omogućuje ventilaciju upravljenu prema potražnji, ovisno o vrsti aktivnosti koje se odvijaju, iako to zahtijeva složeniju mrežu kanala za zrak. Mnogi arhitekti sada preporučuju kombinaciju oba pristupa: korištenje vertikalnih stubova za isključivo stambene dijelove, dok se u mješovitim zonama primjenjuju skupinske zone. Ova kombinacija obično uštedi oko 25 posto troškova energije u usporedbi s ranijim jednostrukim zonskim sustavima.

Integracija sigurnosti na radu: Koordinacija sustava ventilacije s upravljanjem požara i dima

Pritisak u stubišnim i dizalnim vratima prema NFPA 92 i zahtjevima IBC-a

Održavanje pozitivnog tlaka u stubištima i prostorima za dizala sprječava prodiranje dima tijekom požara, čime se ti ključni izlazni putovi drže slobodnima za one koji pokušavaju izaći. Propisi za zgrade, poput NFPA 92 i IBC, propisuju točne zahtjeve za iznos tlaka koji treba održavati između sigurnih područja i dijelova zahvaćenih požarom, obično oko 0,05 do 0,10 inča razlike u stupcu vode. Taj kontrolirani tlak djeluje nasuprot tzv. efektu dimnjaka, osiguravajući da uvjeti ostanu dovoljno disani za stanovnike zgrade i vatrogasce koji se kreću zgradom. Pri projektiranju ovih sustava inženjeri moraju točno izračunati koliko zraka treba dovesti, uzimajući u obzir sve sitne curenja oko vrata i spojeva u gradnji. Također ugrađuju rezervne ventilatore kako bi tlak ostao održan čak i ako jedan sustav prestane raditi tijekom dugotrajnih izvanrednih situacija. Cijeli sustav treba automatski pokrenuti kada se aktiviraju požarni alarmi. Redovni pregledi također su od velike važnosti, jer istraživanja pokazuju da zgrade bez odgovarajuće presurizacije imaju za 40% više slučajeva udisanja dima među stanovnicima, prema istraživanju NIST-a iz 2023. godine.

Sigurnosni mehanizmi između klimatizacijskog sustava, vatrene uzbune i protu dimnih klipova

Kada klimatizacijski sustavi rade zajedno s vatrenom uzbunom i protu dimnim klapnama, stvaraju osnovne sigurnosne zaštite za zgrade. Kada se aktivira uzbuna, sustav slijedi ugrađena sigurnosna pravila koja zatvaraju protu dimne klapne unutar ventilacijskih kanala kako bi ograničili požar na određene zone. Istovremeno, zaustavlja se rad ventilatora za recirkulaciju zraka da se spriječi širenje dima cijelom zgradom, a uključuju se ventilatori za povećanje tlaka uz putove evakuacije kako bi ostali slobodni. Ako dođe do prekida struje, ove sigurnosne funkcije prelaze u ono što inženjeri nazivaju "sigurnosni način rada" – klapne se automatski zatvaraju, a ventilatori prestaju s radom sve dok se napajanje ne obnovi. Upravitelji zgradama moraju redovito testirati sve ove veze jer čak i mali nepropusni spojevi gdje kanali prolaze kroz zidove ili podove mogu smanjiti učinkovitost zadržavanja dima za 70% prema nedavnim industrijskim standardima.

Kvaliteta zraka u prostorijama i energetska učinkovitost: Optimizacija ventilacijskog sustava

Sukladnost s ASHRAE 62.1, filtracija i ventilacija upravljana prema potražnji za zdravlje stanovnika

ASHRAE Standard 62.1 stope ventilacije važna je za ljude koji žive ili rade u visokim zgradama. Sustavi zahtijevaju pažljiv proračun uzimajući u obzir koliko će ljudi biti prisutno u različitim vremenima i o kojim se prostorijama radi. Problem kvalitete zraka unutar zgrada svake godine prema podacima WHO-a iz 2024. godine uzrokuje otprilike 3,8 milijuna preranih smrti. Zbog toga su danas filtri MERV 13 ili bolji toliko važni. Oni zahvaćaju mikroskopske čestice i alergene koje obični filteri propuste. Ventilacija upravljana potražnjom radi tako što prilagođava protok zraka na temelju razine CO2 koju otkrivaju senzori. Prema istraživanjima Odjela za energetiku iz 2023. godine, ovo može smanjiti rasipanje energije za 20 do 40 posto. Također sprječava situacije u kojima ne dolazi dovoljno svježeg zraka kada je mnogo ljudi u prostoru. Dobri sustavi također reguliraju razinu vlažnosti ispod 60% relativne vlažnosti jer višak vlage dovodi do rasta plijesni koja uzrokuje razne probleme s disanjem kod korisnika.

Integracija ventilacije s oporavkom energije (ERV) za certifikaciju LEED i sukladnost s propisima

Kada instaliramo sustave za oporavak energije, oni rade tako da razmjenjuju toplinu i vlagu između zraka koji izlazi i svježeg zraka koji ulazi. To može znatno smanjiti troškove grijanja i hlađenja, otprilike 35 do 50 posto prema nedavnim istraživanjima ASHRAE-a. Za zgrade koje teže ka zelenoj certifikaciji, ovakav sustav pomaže u stjecanju vrijednih LEED bodova i ispunjava zahtjeve utvrđene u Međunarodnom zakonu o uštedi energije iz 2021. godine za područja gdje su zime vrlo hladne (preko 3.500 dana grijanja). Posebno korisna karakteristika certificiranih ERV sustava je činjenica da održavaju čist zrak unutar zgrade čak i kada je vani ledena temperatura. Sustav zagrije svježi zrak prije nego što ga pusti u zgradu, a da pritom ne uvodi štetne onečišćujuće tvari izvana, što je iznimno važno kod visokih zgrada hermetički zatvorenih protiv prodora zraka. Također je važno instalirati odgovarajuću veličinu uređaja jer pravilno dimenzionirani sustavi obično vrate svoju cijenu već nakon tri do pet godina samo zbog nižih računa za komunalije, sve dok pritom ostaju u skladu s lokalnim propisima o ventilaciji, bez obzira radi li sustav na punoj ili djelomičnoj snazi.

Česta pitanja

Zašto je učinak dimnjaka značajan u visokim zgradama?

Učinak dimnjaka je značajan jer uzrokuje nesrazmjer tlaka zraka između različitih katova, što utječe na učinkovitost ventilacijskog sustava i potrošnju energije.

Kako vertikalna kompartimentalizacija može pomoći u ublažavanju problema s ventilacijom?

Vertikalna kompartimentalizacija dijeli zgrade na manje dijelove kako bi se učinak dimnjaka ograničio na određene katove, poboljšavajući ravnotežu protoka zraka i smanjujući širenje onečišćenja.

Koju ulogu igra modeliranje kaskadnog tlaka u projektiranju ventilacijskog sustava?

Modeliranje kaskadnog tlaka izračunava potrebne gradijente tlaka kako bi se održala uravnotežena cirkulacija zraka na više katova, sprječavajući probleme poput zaglavljivanja vrata ili neočekivanih treskanja.

Kako ventilacija upravljana prema potražnji poboljšava energetsku učinkovitost u visokim zgradama?

Ventilacija upravljana prema potražnji prilagođava protok zraka prema broju prisutnih osoba i razinama CO2, smanjujući nepotrebnu potrošnju energije i osiguravajući dovoljno svježeg zraka tijekom vršnih sati.

Koje prednosti nude sustavi za oporavak energije u ventilaciji?

Sustavi za oporavak energije u ventilaciji smanjuju troškove grijanja i hlađenja razmjenom topline i vlage, podržavaju certifikaciju LEED i održavanje čistog zraka unutar zgrada.