איך לעצב מערכת אוורור לבניינים מגורים גבוהים?

אתגרי תקנות מרכזיים בבנייני מגורים גבוהים

אפקט הקמה, לחץ רוח, ואפקט המבוכה: פיזיקה ושהייה על ביצועי מערכת התקנות

בבניינים גבוהים יש בעיות לחץ מיוחדות שמפריעות מאוד ליעילות מערכות האוורור. קיים תופעה שנקראת אפקט הקמה, בה הפרשי טמפרטורה בין הפנים לחוץ יוצרים סוג של אפקט של קמין. באביב, אויר חם עולף כלפי מעלה, מה שגורם לסucción של אויר קר מבחוץ לרמות התחתונות של הבניין. במקביל, הרוח פוגעת בבניינים מכל הכיוונים ויוצרת הפרשי לחץ בצידי בניין שונים. הצד הניצב מול הרוח נחשף ללחץ חיובי (דחיפה), בעוד שהצד הנגדי חווה ספיגת אויר (לחץ שלילי). בנוסף, יש גם את מה שמהנדסים מכנים אפקט המבוכנה, שנובע מתנועת מעלית למעלה ולמטה, המניעה אויר בתוך הצינורות. זה יכול לגרום לשינויים פתאומיים בלחץ, שלפעמים מגיעים עד 50 פסקל. כשכל הגורמים האלה מתכנסים, הם יוצרים בעיות חמורות לאיזון זרימת האויר בין הקומות. כמה מחקרים מראים שאיבalance יכול להגיע ליותר מ-30%. מזהמים נמשכים באופן לא מבוקר, מערכות מיזוג אויר מבוזבזות הרבה יותר אנרגיה משנדרש במצבים רעים (עד מעל 25%), והחזקת תקנים של אוורור כמו ASHRAE 62.1 הופכת לכמעט בלתי אפשרית לשימור קבוע.

אסטרטגיות הפחתה: חלוקה אנכית למפרצים ואזורים לשחרור לחץ

מהנדסים מתמודדים עם בעיות לחץ בבניינים באמצעות טכניקות של חלוקה אנכית. בעיקרון, הם מחלקים את המבנה למקטעים קטנים יותר באמצעות קירות עמידים באש ומערכות אוורור נפרדות לכל אזור. גישה זו מונעת את התפשטות אפקט הקמה ליותר מ-5 עד 8 קומות, במקום לאפשר לו להשפיע על כל הבניין. ברמות הביניים ובאזור הגג קיימות אזורי שחרור לחץ מיוחדים עם דמאפרים אוטומטיים שפותחים כאשר הבדלי הלחץ מגיעים לכ-15 פסקל, ועוזרים לאזן את תנועת האוויר בכל המרחב. יישומים חשובים מבוצעים בכמה נקודות מרכזיות, כמו רהיטים שממשמשים כאזורי בידוד בין מקטעים שונים של הבניין, אולמות מעלית מעוצבים עם בקרת לחץ בשלבים, מערכות מדרגות שמנהלות זרימת אוויר טרי פנימה, ומערכות שאיבה על הגג המוגנות מפני הפרעות רוח. שיטות אלו מקטינות את התפשטות הזיהום בכ-שני שלישים ומשמרות אוורור עקבי ללא תלות בצפיפות התאוששות של הבניין בכל רגע נתון.

יסודות עיצוב מערכת שילוב: יצירת לחץ, איזון זרימת אויר וחלוקה לאזורים

חישוב דרישות הלחצים לפי קומה באמצעות מודל של שרשראות לחץ

הדימוי של מפלי לחץ עוזר לנהל את הלחצים הדיפרנציאליים המאתגרים בין קומות מרובות בבניינים גבוהים. הרעיון הבסיסי כולל חישוב של מפלים אלה בלחץ, שמתבטאים לרוב בטווח של בין 0.05 ל-0.25 אינץ' מידה של מים לכל קומה, כדי להילחם באפקט הצינורית ולמנוע דלתות נתקעות או סוגרות בעוצמה לא רצויה. ברוב המקרים מהנדסים נעזרים בתוכנות דינמיקת זורמים חישובית (CFD) כדי לדמות את תנועת האוויר בחללים אלו ולזהות נקודות שבהן הלחץ עלול להיות לא מאוזן. לדוגמה, רהיטים בבניינים צריכים לרוב לשמור על לחץ חיובי של כ-0.15 אינץ' בהשוואה ל-0.05 אינץ' בקומות מגורים עליונות, כדי להבטיח זרימה של אוויר בכיוון הנכון. יש גם לשים לב לנקודות הדליפה הנסתרות לאורך מדרגות המעלים וחללי השירותים. נקודות אלו חשובות במיוחד, שכן אי-התחשבות בהן עלולה להפחית את ביצועי המערכת הכוללת בטווח של 15% עד 30%, מה שברור שאיש אינו רוצה לראות לאחר השקעת זמן וכסף בעיצוב תקין.

אסטרטגיות אזוריות: גישות אנכיות לעומת קבוצתיות לפי קומות לצורך גמישות בשימוש בתא

כאשר מבנים משתמשים בzonning אנכי, הם מחלקים את הקומות למקטעים מכניים נפרדים, למשל יחידת טיפול אוויר שמשרתת כ-10 קומות. עירוי זה מקטין את ריבועיות המורכבת ומאפשר תחזוקה קלה יותר, שכן כל הרכיבים ממוקמים במקום מרכזי. קיים גם zonning של קומות מקובצות, המתאים לאזורים שבהם קיימות סוגים שונים של חללים יחד, כמו חדר כושר ליד דירות או משהו דומה. סידורים אלו מתאימים טוב יותר לשימוש בחלל לאורך היום. הזoning האנכי עוזר למנוע העברה של זיהומים בין קומות, אך אינו פועל יפה כאשר הבניין אינו מלא, שכן המערכות פועלות באופן לא יעיל בטעינה נמוכה. מאידך, הזoning של קומות מקובצות מאפשר איוורור בשליטה לפי דרישה בהתאם לסוג הפעילות שמתרחשת, אם כי בכך נדרשת ריבועית מורכבת יותר. כיום, מרבית האדריכלים ממליצים לשלב בין שתי הגישות: שימוש בעמודים אנכיים באזורים מגורים טהורים, ובמקביל יישום אזורי קיבוץ באזורי שימוש מעורב. שילוב זה חוסך בדרך כלל כ-25 אחוז עלויות אנרגיה בהשוואה למערכות ישנות עם איזור אחד.

אינטגרציה לביטחון חיים: שילוב מערכות ת ventilation עם בקרת אש ועשן

דחיסה בבניין גרם מדרגות ובמעליות לפי דרישות NFPA 92 ו-IBC

תחזוקת מדרסות ומעליות בלחץ חיובי מונעת מהעשן להיכנס פנימה במהלך שרפות, וכך שומרת על נתיבי הנסיקה החשובים האלה נקיים לאנשים שמנסים לצאת. תקני בניין כמו NFPA 92 ו-IBC קובעים דרישות מדויקות בנוגע למידת הלחץ שיש לשמור בין אזורים בטוחים לבין אזורים שנפגעו מהשרפה, בדרך כלל כ־0.05 עד 0.10 אינץ' הפרש של עמוד מים. בכך יוצרים לחץ מבוקר שפועל נגד התופעה הידועה בשם "אפקט המدخ chimney effect", ומבטיח שתנאי הנשימה ישארו ברואים הן לתושבי הבניין והן לכבאים העומדים לחדור לדרכם בבניין. בעת עיצוב מערכות כאלה, על מהנדסים לחשב במדויק כמה אויר יש לספק, תוך התחשבות בכל הדליפות הקטנות מסביב לדלתות ולפינות בנייה. הם גם מתקנים מאווררים גיבוי כדי שהלחץ ישמר גם אם מערכת אחת תיכשל במהלך חירום ממושך. כל המערכת אמורה להיפעל באופן אוטומטי כאשר אזעקות האש מופעלות. גם בדיקות שגרתיות חיוניות מאוד, שכן מחקרים מראים שבבניינים ללא צמצום לחץ מתאים, מספר מקרי הבלעת העשן בקרב התושבים עולה ב-40%, לפי מחקר של NIST משנת 2023.

מנעולים אוטומטיים בין מערכות קירור, אזעקות אש וסורגים נגד עשן

כאשר מערכות קירור פועלות בשילוב עם אזעקות אש וסורגים נגד עשן, הן יוצרות הגנות ביטחוניות חיוניות לבניינים. כאשר אזעקה מופעלת, המערכת עוקבת אחר חוקי בטיחות מובנים הסוגרים את הסורגים נגד עשן בתוך צינורות התרוואה, כדי להכיל את האש באזורים מסוימים. במקביל, המערכת עוצרת את מאווררי הסילוק מפיצוץ עשן בכל הבניין, ומדליקה מאווררי דחיסה לאורך מסלולי היציאה כדי לשמור עליהם פנויים. במקרה של הפסקת חשמל, תכונות הבטיחות הללו עוברות למצב שמהנדסים מכנים "מצב בטיחות" – הסורגים נסגרים אוטומטית והמאווררים עוצרים את פעולתם עד שחזר החשמל. מנהלי בניינים חייבים לבדוק את כל החיבורים הללו באופן קבוע, משום שאפילו חריצים קטנים שבהם עוברות הצינורות דרך קירות או רצפות יכולים להפחית את יעילות עיכוב העשן ב-70%, לפי תקנים תעשייתיים עדכניים.

איכות האוויר הפנימי ויעילות אנרגטית: אופטימיזציה של מערכת התרוואה

תאימות ל-ASHRAE 62.1, סינון ואוורור בשליטה דרישה לצורך בריאות התושבים

שערי ת ventilation לפי סטנדרט ASHRAE 62.1 חשובים מאוד לאנשים החיים או עובדים בבניינים גבוהים. המערכות דורשות חישוב זהיר בהתחשב במספר האנשים שנמצאים במקום בזמנים שונים ובסוג החללים שאיתם אנו מתעסקים. בעיות באיכות האוויר הפנימי גורמות לכ-3.8 מיליון מקרי מוות מוקדמים מדי שנה, על פי נתוני ה-WHO משנת 2024. בגלל זה מסננים מסוג MERV 13 או טובים יותר כל כך חשובים כיום. הם תופסים את החלקיקים הקטנים והאלרגנים שמסננים רגילים מפספסים. תפעול שליטה בתזמון מבוסס על התאמת זרימת האוויר בהתאם לרמות CO2 שמזהים חיישנים. לפי דיווחי משרד האנרגיה, זה יכול לצמצם בזבוז אנרגיה ב-20 עד 40 אחוז לפי מחקרים משנת 2023. בנוסף, זה מונע מצבים שבהם אין מספיק אוויר טרי שנכנס כשיש הרבה אנשים במקום. מערכות טובות גם שומרות על רמת לחות מתחת ל-60% יחסית, משום שיותר מדי רطوبة גורמת לצמיחת עופרת שבעורה גורמת לכל מיני בעיות נשימתיות לתושבים.

שילוב של מערכת שיחזור אנרגיה (ERV) לאישור LEED ודיווח להתקנות

כאשר מתקינים מערכות שיקום אנרגיה של אזהרה, הן פועלות על ידי החלפת חום ורطיבות בין האוויר היוצא לאויר החודר מהצד השני. פעולה זו יכולה לצמצם בצורה ניכרת את עלויות החימום והקירור, בכ-35 עד 50 אחוז לפי מחקרים אחרונים של ASHRAE. לבניינים המבקשים אישור ירוק, מערכת מסוג זה עוזרת לאסוף נקודות LEED יקרות ערך ומקיימת את הדרישות שנקבעו בתקנות השמירה על אנרגיה הבינלאומית לשנת 2021 לאזורים בהם החורפים קרים במיוחד (מעל 3,500 ימי חימום). מה שמועיל במיוחד במערכות ERV מאושרות הוא האופן שבו הן שומרות על אויר פנימי נקי גם כאשר קר מאוד בחוץ. המערכת מחממת את האויר החודר לפני שהוא נכנס לבניין, מבלי להכניס פולוטנטים חיצוניים מזיקים, מה שחשוב במיוחד בבניינים גבוהים המחוסרימים היטב נגד דראפטים. גם חשוב להתקין יחידה בגודל המתאים, מכיוון שמערכות שהוגדרו נכון משיכות את עלותן תוך שלושה עד חמישה שנים, רק כתוצאה מחשבונות שירותים נמוכים יותר, וכל זאת תוך שמירה על התאמה לתקנות местיות לאוורור, בין אם הן פועלות בקיבולת מלאה או רק חלקית.

שאלות נפוצות

למה אפקט הקמה חשוב בבניינים גבוהים?

אפקט הקמה חשוב מכיוון שהוא גורם לאיזונים בלחץ האוויר בין קומות שונות, מה שמשפיע על ביצועי מערכת התרוואה ועל צריכה של אנרגיה.

כיצד יכולת חלוקה אנכית לסייע בהפחתת בעיות תרוואה?

חלוקה אנכית מחלקת את הבניין לחלקים קטנים יותר כדי להכיל את אפקט הקמה בתוך קומות מוגבלות, ובכך משפרת את שיווי המשקל של זרימת האוויר ומצמצמת את התפשטות הזיהום.

איזו תרומה יש למודל סדרת לחצים בעיצוב מערכות תרוואה?

מודל סדרת לחצים מחשב את הגרדיאנטים הדרושים לשמירה על זרימת אוויר מאוזנת בין קומות רבות, וכך מונע בעיות כמו דלתות שנתקעות או נטרקות באופן לא צפוי.

כיצד תרוואה מבוקרת לפי דרישה משפרת יעילות אנרגטית בבניינים גבוהים?

תרוואה מבוקרת לפי דרישה מותאמת את זרימת האוויר בהתאם לעומס הכ occupancy ורמת הפחמן הדו-חמצני, מקטינה בזבוז אנרגיה ומבטיחה אויר טרי מספיק בשעות השיא.

אילו יתרונות מציעות מערכות שחלוף אוויר עם החזרת אנרגיה?

מערכות שחלוף אוויר עם החזרת אנרגיה מפחיתות את עלויות החימום והקירור באמצעות החלפת חום ולחות, תומכות באישור LEED ושומרות על אויר פנימי נקי.