Как спроектировать систему вентиляции для высотных жилых зданий?

Основные проблемы вентиляции в высотных жилых зданиях

Эффект стека, ветровое давление и поршневой эффект: физика и влияние на работу системы вентиляции

Высокие здания сталкиваются с особыми проблемами давления, которые серьезно влияют на эффективность работы систем вентиляции. Существует так называемый эффект стека, при котором разница температур внутри и снаружи создает нечто вроде дымоходного эффекта. В зимние месяцы теплый воздух поднимается вверх, всасывая холодный наружный воздух в нижние уровни здания. В то же время ветер воздействует на здание с разных сторон, создавая перепады давления на различных его сторонах. Сторона, обращенная к ветру, испытывает повышенное давление (положительное), тогда как противоположная сторона подвергается отсосу (отрицательное давление). Также присутствует так называемый поршневой эффект, о котором говорят инженеры: движение лифтов вверх и вниз выталкивает воздух по шахтам. Это может вызывать резкие изменения давления, иногда достигающие 50 Паскалей. Когда все эти факторы действуют одновременно, они создают серьезные проблемы с балансом воздушных потоков между этажами. Некоторые исследования показывают, что дисбаланс может превышать 30%. Загрязняющие вещества всасываются неконтролируемо, системы отопления, вентиляции и кондиционирования тратят намного больше энергии, чем необходимо (в крайних случаях — более чем на 25%), а соблюдение норм вентиляции, таких как ASHRAE 62.1, становится практически невозможным на постоянной основе.

Стратегии смягчения: вертикальная сегментация и зоны сброса давления

Инженеры решают проблемы с давлением в зданиях с помощью вертикальной компартментализации. По сути, они делят конструкции на более мелкие секции с использованием противопожарных стен и отдельных систем вентиляции для каждой зоны. Такой подход ограничивает эффект стека примерно 5–8 этажами, не позволяя ему распространяться на всё здание. На средних уровнях и на крыше предусмотрены специальные зоны сброса давления с автоматическими воздушными заслонками, которые открываются при разнице давления около 15 Паскалей, способствуя выравниванию воздушных потоков по всему помещению. Важные элементы внедряются в нескольких ключевых местах: вестибюли, выполняющие функцию буферных зон между различными частями здания; преддверия лифтов с поэтапным контролем давления; системы лестничных клеток, управляющие притоком свежего воздуха; а также вытяжки на крыше, защищённые от влияния ветра. Эти методы сокращают распространение загрязнений примерно на две трети и обеспечивают стабильную вентиляцию независимо от степени заполненности помещения в тот или иной момент времени.

Основы проектирования систем вентиляции: создание избыточного давления, балансировка воздушных потоков и зонирование

Расчет требований к созданию избыточного давления на каждом этаже с использованием моделирования каскада давления

Моделирование перепадов давления помогает контролировать сложные перепады давления на нескольких этажах высотных зданий. Основная идея заключается в расчёте необходимых градиентов давления, обычно в диапазоне от 0,05 до 0,25 дюймов водяного столба на этаж, чтобы противодействовать эффекту стека и при этом не допустить заедания или самопроизвольного закрывания дверей. Большинство инженеров используют программное обеспечение для моделирования движения жидкостей и газов (CFD), чтобы смоделировать, как воздух перемещается в этих пространствах, и выявить участки, где давление может выйти из равновесия. Например, вестибюли зданий, как правило, требуют избыточного давления около 0,15 дюймов водяного столба, в то время как на жилых этажах выше достаточно 0,05 дюймов, чтобы обеспечить движение воздуха в нужном направлении. Также стоит упомянуть коварные точки утечек в шахтах лифтов и инженерных каналах. Эти участки имеют большое значение, поскольку игнорирование их может снизить общую эффективность системы на 15–30%, чего никто не хочет допустить после вложения времени и средств в правильное проектирование.

Стратегии зонирования: вертикальные подходы против группировки по этажам для гибкости использования помещений

Когда здания используют вертикальную зонификацию, они по сути делят этажи на отдельные механические секции, например, один воздушный центр обслуживает около десяти этажей. Такая конфигурация уменьшает сложность воздуховодов и упрощает обслуживание, поскольку всё сосредоточено в одном месте. Затем существует групповая зонификация этажей, которая хорошо работает в зонах, где разные типы помещений находятся вместе, например, спортзал рядом с жилыми квартирами или что-то подобное. Такие решения лучше адаптируются к реальному использованию пространства в течение дня. Вертикальная зонификация помогает предотвратить распространение загрязняющих веществ между этажами, но она работает неэффективно, когда здание не полностью занято, поскольку системы работают неоптимально при низкой нагрузке. С другой стороны, групповая зонификация этажей позволяет осуществлять вентиляцию с управлением по потребности в зависимости от текущих видов деятельности, хотя это требует более сложной системы воздуховодов. Многие архитекторы сейчас рекомендуют комбинировать оба подхода: использовать вертикальные секции в чисто жилых зонах и применять групповую зонификацию в смешанных зонах. Такое сочетание, как правило, позволяет сэкономить около 25 процентов энергозатрат по сравнению с устаревшими системами с одной зоной.

Интеграция систем безопасности: согласование систем вентиляции с управлением пожаром и задымлением

Подпор воздуха в лестничных клетках и шахтах лифтов в соответствии с требованиями NFPA 92 и IBC

Поддержание избыточного давления в лестничных клетках и шахтах лифтов предотвращает проникновение дыма внутрь во время пожаров, что позволяет сохранять эти важнейшие пути эвакуации свободными для людей, покидающих здание. Нормативные документы, такие как NFPA 92 и IBC, устанавливают конкретные требования к величине давления, которое должно поддерживаться между безопасными зонами и участками, затронутыми огнём, обычно это разница в пределах 0,05–0,10 дюймов водяного столба. Данное регулируемое давление противодействует так называемому эффекту дымохода, обеспечивая пригодные для дыхания условия как для находящихся в здании людей, так и для пожарных, продвигающихся по зданию. При проектировании таких систем инженеры должны точно рассчитывать объём подаваемого воздуха с учётом всех мелких утечек через дверные проёмы и строительные стыки. Также предусматриваются резервные вентиляторы, чтобы поддерживать давление даже при выходе из строя одной из систем в ходе продолжительных чрезвычайных ситуаций. Вся система должна автоматически включаться при срабатывании пожарной сигнализации. Регулярное техническое обслуживание также имеет важное значение, поскольку, согласно исследованию NIST 2023 года, в зданиях без надлежащей подпрессовки количество случаев отравления дымом среди жильцов возрастает на 40%.

Безопасные блокировки между системами отопления, вентиляции и кондиционирования, пожарной сигнализацией и противопожарными заслонками

Когда системы отопления, вентиляции и кондиционирования работают совместно с пожарной сигнализацией и дымовыми заслонками, они создают важные меры безопасности для зданий. При срабатывании сигнализации система следует встроенным правилам безопасности, которые закрывают дымовые заслонки внутри вентиляционных каналов, чтобы локализовать пожар в определённых зонах. В то же время она останавливает вентиляторы рециркуляции воздуха, препятствуя распространению дыма по зданию, и включает вентиляторы подпора воздуха вдоль путей эвакуации, чтобы оставлять их свободными. В случае отключения электроэнергии эти функции безопасности переходят в так называемый «аварийный режим»: заслонки автоматически захлопываются, а вентиляторы останавливаются до восстановления питания. Управляющим зданиями необходимо регулярно проверять все эти соединения, поскольку даже небольшие зазоры, где воздуховоды проходят через стены или перекрытия, могут снизить эффективность удержания дыма на 70% согласно современным отраслевым стандартам.

Качество воздуха в помещениях и энергоэффективность: оптимизация системы вентиляции

Соответствие стандарту ASHRAE 62.1, фильтрация и вентиляция с регулированием по потребности для обеспечения здоровья жильцов

Нормы вентиляции по стандарту ASHRAE 62.1 имеют большое значение для людей, живущих или работающих в высотных зданиях. Системы требуют тщательного расчёта с учётом количества людей в разное время и типа помещений. Проблемы с качеством воздуха в помещениях ежегодно становятся причиной около 3,8 миллиона преждевременных смертей, согласно данным ВОЗ за 2024 год. Именно поэтому сегодня так важны фильтры MERV 13 или выше. Они улавливают мельчайшие частицы и аллергены, которые обычные фильтры пропускают. Вентиляция с управлением по потребности работает за счёт регулировки потока воздуха на основе уровня CO2, определяемого датчиками. По данным Министерства энергетики, это позволяет сократить потери энергии на 20–40 процентов, согласно исследованиям 2023 года. Кроме того, это предотвращает ситуации, когда недостаточно свежего воздуха поступает при большом скоплении людей. Хорошие системы также поддерживают уровень влажности ниже 60 % относительной влажности, поскольку избыток влаги приводит к росту плесени, вызывающей различные проблемы с дыханием у occupants.

Интеграция системы вентиляции с рекуперацией энергии (ERV) для получения сертификата LEED и соответствия нормативным требованиям

При установке систем рекуперации энергии они работают за счёт обмена теплом и влагой между уходящим воздухом и поступающим свежим воздухом. Это может значительно снизить расходы на отопление и охлаждение — примерно на 35–50 процентов, согласно последним исследованиям ASHRAE. Для зданий, претендующих на экологическую сертификацию, такие системы помогают получить ценные баллы LEED и соответствовать требованиям Международного кодекса по энергосбережению 2021 года в регионах с холодной зимой (свыше 3 500 градусо-дней отопительного периода). Особенно полезны сертифицированные системы ERV тем, что они поддерживают чистоту воздуха внутри помещений даже при сильных морозах. Система подогревает свежий воздух перед подачей в здание, не допуская при этом попадания вредных загрязнителей извне, что особенно важно в высотных зданиях, герметично закрытых от сквозняков. Также важно правильно подобрать мощность оборудования, поскольку правильно рассчитанные системы, как правило, окупаются за три-пять лет только за счёт более низких счетов за коммунальные услуги, оставаясь при этом в соответствии с местными нормами вентиляции как при работе на полную мощность, так и в частичном режиме.

Часто задаваемые вопросы

Почему эффект стека важен в высотных зданиях?

Эффект стека важен, потому что он вызывает дисбаланс давления воздуха между разными этажами, что влияет на эффективность систем вентиляции и расход энергии.

Как вертикальная компартментализация может помочь устранить проблемы с вентиляцией?

Вертикальная компартментализация делит здания на меньшие секции, чтобы ограничить действие эффекта стека несколькими этажами, улучшая баланс воздушного потока и снижая распространение загрязнений.

Какую роль играет моделирование каскадного давления при проектировании систем вентиляции?

Моделирование каскадного давления позволяет рассчитать необходимые градиенты давления для поддержания сбалансированного воздушного потока на нескольких этажах, предотвращая такие проблемы, как заедание дверей или их резкое захлопывание.

Как адаптивная вентиляция повышает энергоэффективность в высотных зданиях?

Адаптивная вентиляция регулирует подачу воздуха в зависимости от уровня occupancy и концентрации CO2, сокращая потери энергии и обеспечивая достаточный приток свежего воздуха в пиковые часы.

Какие преимущества предоставляют системы рекуперации энергии вентиляции?

Системы рекуперации энергии вентиляции снижают расходы на отопление и охлаждение за счёт обмена теплом и влагой, способствуют получению сертификата LEED и поддержанию чистоты воздуха в помещениях.