Як спроектувати систему вентиляції для багатоповерхових житлових будинків?

Основні проблеми вентиляції у багатоповерхових житлових будинках

Ефект димаря, вітровий тиск і поршневий ефект: фізика та вплив на роботу системи вентиляції

Висотні будівлі стикаються з особливими проблемами тиску, які серйозно впливають на ефективність їх систем вентиляції. Існує таке явище, як ефект димаря, коли різниця температур всередині та ззовні створює ефект, подібний до димаря. Узимку тепле повітря піднімається вгору, втягуючи холодне зовнішнє повітря на нижні рівні будівлі. У той же час вітер дме на будівлі з усіх боків, створюючи різницю тиску на різних сторонах. Сторона, що обернена до вітру, піддається більшому тиску (додатний тиск), тоді як протилежна сторона випробовує відсмоктування (від'ємний тиск). Також існує те, що інженери називають поршневим ефектом, спричиненим рухом ліфтів угору та вниз, що штовхає повітря по шахтах. Це може призвести до раптових змін тиску, іноді досягаючи 50 Паскалей. Коли всі ці фактори поєднуються, вони створюють серйозні проблеми з балансуванням повітряного потоку між поверхами. Деякі дослідження показують, що дисбаланс може перевищувати 30%. Забруднювачі неkontрольовано проникають всередину, системи опалення, вентиляції та кондиціонування повітря витрачають значно більше енергії, ніж потрібно (понад 25%), а дотримання норм вентиляції, таких як ASHRAE 62.1, стає практично неможливим на постійній основі.

Стратегії пом'якшення: вертикальне секціонування та зони зниження тиску

Інженери вирішують проблеми тиску в будівлях за допомогою вертикальної компартменталізації. По суті, вони ділять споруди на менші секції за допомогою протипожежних стін і окремих систем вентиляції для кожної зони. Цей підхід обмежує ефект димаря приблизно 5–8 поверхами, замість того щоб дозволити йому впливати на всю будівлю. На середніх рівнях і дахах передбачені спеціальні зони розвантаження тиску з автоматичними затворами, які відкриваються, коли різниця тиску досягає близько 15 паскалів, що допомагає вирівняти рух повітря в усьому приміщенні. Важливі реалізації застосовуються в кількох ключових місцях: фойє, які виступають буферними зонами між різними частинами будівлі, вестибюлях ліфтів із багаторівневим контролем тиску, системах сходових клітин, що регулюють приплив свіжого повітря, і витяжних системах на даху, захищених від вітрового впливу. Ці методи скорочують поширення забруднення приблизно на дві третини і забезпечують сталу вентиляцію незалежно від того, наскільки заповнена будівля на даний момент.

Основи проектування систем вентиляції: підвищення тиску, балансування повітряних потоків та зонування

Розрахунок вимог до підвищення тиску на кожному поверсі за допомогою моделювання каскаду тиску

Моделювання каскадів тиску допомагає керувати складними перепадами тиску на декількох поверхах у висотних будівлях. Основна ідея полягає в розрахунку необхідних градієнтів тиску, зазвичай у межах від 0,05 до 0,25 дюйма водяного стовпа на кожному рівні, щоб протидіяти ефекту димаря і запобігти заклинюванню або раптовому зачиненню дверей. Більшість інженерів вдаються до програмного забезпечення обчислювальної гідродинаміки для моделювання реального руху повітря в таких приміщеннях та виявлення місць, де тиск може вийти з рівноваги. Наприклад, вестибюлі будівель зазвичай потребують близько 0,15 дюйма надлишкового тиску порівняно з 0,05 дюйма на вищих житлових поверхах, щоб забезпечити правильний напрямок руху повітря. Ще одна важлива обставина — це непомітні точки витоку в шахтах ліфтів та службових каналах. Ці місця мають велике значення, оскільки непередбачення їх може знизити загальну ефективність системи від 15% аж до 30%, що ніхто не хоче бачити після вкладення часу та коштів у правильне проектування.

Стратегії зонування: вертикальні та групові підходи щодо гнучкості використання площ

Коли будівлі використовують вертикальне зонування, вони фактично розділяють поверхи на окремі механічні секції, наприклад, одна установка обслуговує близько десяти поверхів. Така конфігурація скорочує складні повітроводи й полегшує обслуговування, оскільки все зосереджено в одному місці. Іншим підходом є групове зонування поверхів, яке добре працює в районах, де різні типи приміщень існують разом, наприклад, спортзал поряд з квартирами чи щось подібне. Такі розташування краще адаптуються до того, як люди фактично використовують простір протягом дня. Вертикальне зонування допомагає запобігти поширенню забруднювачів між поверхами, але воно погано працює, коли будівля не повністю зайнята, оскільки системи працюють неефективно при низьких навантаженнях. Навпаки, групове зонування поверхів дозволяє здійснювати вентиляцію, керовану за потребами, залежно від виду діяльності, хоча це вимагає більш складної системи повітроводів. Багато архітекторів зараз рекомендують поєднувати обидва підходи: використовувати вертикальні секції для суто житлових зон, тоді як у місцях із змішаним використанням застосовувати групове зонування. Таке поєднання зазвичай дозволяє економити близько 25 відсотків енергії порівняно зі старими системами з однією зоною.

Інтеграція систем безпеки життя: узгодження систем вентиляції з контролем пожежі та диму

Підвищення тиску в сходових клітках та шахтах ліфтів згідно з вимогами NFPA 92 та IBC

Підтримання позитивного тиску в сходових клітках та шахтах ліфтів перешкоджає проникненню диму всередину під час пожеж, забезпечуючи чистоту цих життєво важливих шляхів евакуації для людей, які намагаються вийти. Будівельні норми, такі як NFPA 92 та IBC, встановлюють конкретні вимоги щодо величини тиску, який має підтримуватися між безпечними зонами та зонами, ураженими вогнем, зазвичай близько 0,05–0,10 дюймів водяного стовпа. Цей контрольований тиск протидіє так званому ефекту димаря, забезпечуючи прийнятні умови для дихання як для мешканців будівлі, так і для пожежників, які рухаються крізь будівлю. Під час проектування таких систем інженери мають точно розрахувати обсяг повітря, який потрібно подавати, враховуючи всі незначні витоки через дверні щілини та будівельні стики. Вони також передбачають резервні вентилятори, щоб тиск зберігався навіть у разі виходу з ладу однієї із систем під час тривалих надзвичайних ситуацій. Уся система має автоматично запускатися при спрацьовуванні пожежної сигналізації. Регулярне технічне обслуговування також є обов’язковим, оскільки, за даними дослідження NIST 2023 року, у будівлях без належної герметизації кількість випадків отруєння димом серед мешканців зростає на 40%.

Безпечні блокування між системами кондиціонування, пожежною сигналізацією та димовими заслінками

Коли системи опалення, вентиляції та кондиціонування працюють разом із пожежною сигналізацією та димовими заслінками, вони забезпечують важливі заходи безпеки для будівель. Як тільки спрацьовує сигналізація, система дотримується вбудованих правил безпеки, які призводять до закриття димових заслінок у повітроводах, щоб обмежити поширення вогню певними зонами. Одночасно вона зупиняє роботу витяжних вентиляторів, щоб не поширювати дим по всій будівлі, і вмикає вентилятори підвищеного тиску вздовж шляхів евакуації, щоб тримати їх чистими. Якщо виникає відключення електроживлення, ці функції безпеки переходять у так званий «безпечний режим», у якому заслінки автоматично зачиняються, а вентилятори зупиняються до відновлення живлення. Керуючі будівлями повинні регулярно перевіряти всі ці з'єднання, оскільки навіть невеликі зазори там, де повітроводи проходять через стіни чи перекриття, можуть зменшити ефективність утримання диму на 70% відповідно до сучасних галузевих стандартів.

Якість повітря в приміщенні та енергоефективність: оптимізація системи вентиляції

Відповідність стандарту ASHRAE 62.1, фільтрація та вентиляція залежно від потреб для здоров'я мешканців

Норми вентиляції за стандартом ASHRAE 62.1 мають велике значення для людей, які живуть або працюють у багатоповерхових будівлях. Системи потребують ретельного розрахунку з урахуванням кількості осіб, які можуть перебувати там у різний час, та типу приміщень. Проблеми з якістю внутрішнього повітря щороку призводять приблизно до 3,8 мільйона передчасних смертей, згідно з даними ВООЗ за 2024 рік. Саме тому фільтри MERV 13 або вищого класу сьогодні є настільки важливими. Вони затримують дрібні частинки та алергени, які звичайні фільтри пропускають. Вентиляція з керуванням за потребою працює шляхом регулювання об’єму повітряного потоку на основі рівня CO2, який визначають датчики. За даними Департаменту енергетики, це може скоротити витрати енергії на 20–40 відсотків, згідно з дослідженнями 2023 року. Крім того, це запобігає ситуаціям, коли надходить недостатньо свіжого повітря під час перебування багатьох людей. Якісні системи також підтримують рівень вологості нижче 60% відносної вологості, оскільки надмірна вологість призводить до росту цвілі, що спричиняє різноманітні проблеми з диханням у мешканців.

Інтеграція вентиляції з рекуперацією енергії (ERV) для отримання сертифікації LEED та відповідності нормативним вимогам

Коли ми встановлюємо системи вентиляції з рекуперацією енергії, вони працюють шляхом обміну теплом і вологою між відпрацьованим повітрям, що виходить, та свіжим повітрям, яке надходить. Це може значно знизити витрати на опалення та охолодження — приблизно на 35–50 відсотків, згідно з останніми дослідженнями ASHRAE. Для будівель, які прагнуть отримати «зелену» сертифікацію, такі системи допомагають отримати цінні бали LEED і відповідають вимогам Міжнародного кодексу з енергозбереження 2021 року для районів із дуже холодними зимами (понад 3500 опалювальних днів). Особливо корисною властивістю сертифікованих ERV є те, що вони підтримують чистоту внутрішнього повітря навіть тоді, коли на вулиці сильні морози. Система підігріває свіже повітря перед тим, як подати його всередину будівлі, не впускаючи при цьому шкідливі забруднювачі ззовні, що особливо важливо у висотних будівлях, герметично закритих від продування. Також важливо правильно вибрати потужність установки, адже правильно розміровані системи зазвичай окупаються за три-п'ять років лише за рахунок зниження рахунків за комунальні послуги, одночасно дотримуючись місцевих норм вентиляції як при роботі на повну потужність, так і в режимі часткового навантаження.

ЧаП

Чому ефект стакана має важливе значення в багатоповерхових будівлях?

Ефект стакана є суттєвим, оскільки він призводить до дисбалансу тиску повітря між різними поверхами, що впливає на продуктивність систем вентиляції та споживання енергії.

Як вертикальна компартменталізація може допомогти усунути проблеми з вентиляцією?

Вертикальна компартменталізація поділяє будівлі на менші секції, щоб обмежити ефект стакана певними поверхами, поліпшуючи баланс повітряного потоку та зменшуючи поширення забруднень.

Яку роль відіграє моделювання каскадного тиску при проектуванні систем вентиляції?

Моделювання каскадного тиску розраховує необхідні градієнти тиску для підтримання збалансованого повітряного потоку на декількох поверхах, запобігаючи таким проблемам, як заїдання дверей або їхнє раптове зачинення.

Як адаптивна вентиляція покращує енергоефективність у багатоповерхових будівлях?

Адаптивна вентиляція змінює інтенсивність повітряного потоку залежно від наявності людей та рівня CO2, зменшуючи витрату енергії та забезпечуючи достатню кількість свіжого повітря в години пікового навантаження.

Які переваги пропонують системи вентиляції з рекуперацією енергії?

Системи вентиляції з рекуперацією енергії зменшують витрати на опалення та охолодження за рахунок обміну теплом і вологою, сприяють отриманню сертифікації LEED і підтримують чисте повітря в приміщенні.