Jak vliv klimatu a infiltrace vzduchu ovlivňuje návrh vysokých budov?

Při návrhu vysokých a megavysokých budov je důležité vzít v úvahu celou řadu faktorů, které ovlivňují jejich energetickou náročnost, komfort a dlouhověkost. Jedním z klíčových aspektů je vliv klimatu, konkrétně teploty, větru a infiltrace vzduchu, které mohou zásadně ovlivnit výpočty topného a chladicího zatížení.

Významným prvkem při zohledňování klimatických podmínek je výška, ve které se budova nachází. Zatímco pro nižší budovy je dostatečné měření klimatu na zemi, u vysokých budov je nutné vzít v úvahu specifické meteorologické údaje pro různé výšky. Klimatické podmínky, jaké panují na úrovni 100 metrů, se totiž výrazně liší od těch, které panují ve výškách 600 metrů nebo více. Například vítr na vrcholku vysoké budovy může být mnohem silnější než na jejím základě. Kromě toho může být ovlivněn směrem a intenzitou během bouřek nebo jiných extrémních povětrnostních jevů.

Jedním z problémů, které je třeba vzít v úvahu při navrhování obálky budovy, je infiltrace vzduchu. Ta má zásadní vliv na tepelnou bilanci budovy, zejména u komerčních objektů, kde bývají HVAC systémy aktivní pouze během pracovních hodin. Během neaktivních hodin, tedy v noci a o víkendech, může být obálka budovy netěsná, což vede k významným únikům tepla nebo chladu. V těchto případech může infiltrující vzduch výrazně zvyšovat náklady na vytápění a klimatizaci.

V rámci návrhu budovy je tak nutné provést testy na únik vzduchu, přičemž normy určují maximální přípustnou úroveň úniku vzduchu. Podle normy IECC je například povolena hodnota 0,40 cfm/ft² (2,0 L/s·m²), což odpovídá těsnosti budovy s odpovídajícím HVAC systémem. Ve skutečnosti však mnoho budov vykazuje vyšší hodnoty, což vede k vyšším než očekávaným únikům vzduchu. To je důvod, proč je důležité testovat budovu na úniky vzduchu při různých tlakových podmínkách, aby bylo možné správně stanovit míru infiltrace a zohlednit ji v návrhu topných a chladicích systémů.

Dále je třeba zdůraznit, že jakákoli změna klimatu, například změna tlaku vzduchu nebo náhlé výkyvy teplot, může zásadně ovlivnit provoz budovy a její energetickou efektivitu. V takových případech může být užitečné využít metody, jako je měření klimatu pomocí dálkového snímání (lidar, meteorologické balóny, satelity), nebo modelování pomocí meteorologických predikčních nástrojů, které simulují podmínky ve vyšších vrstvách atmosféry.

Pokud se v návrhu budovy nezohlední specifické podmínky výšky a infiltrace vzduchu, mohou se při její výstavbě nebo provozu objevit problémy, které zvýší náklady na údržbu a energii. Optimální návrh vysoké budovy by měl tedy vždy zahrnovat podrobnou analýzu klimatických dat pro všechny relevantní výšky a efektivní testování na úniky vzduchu, aby bylo možné správně reagovat na klimatické podmínky a zajistit optimální provoz budovy.

Jak stack efekt ovlivňuje tlakové rozdíly v budovách a jak predikovat jejich chování?

V budovách s nerovnoměrně distribuovaným vnějším vzduchem (například když je přívod vzduchu směrován pouze na jedno patro) se míra pressurizace liší od patra k patru a závisí na vnitřním odporu průtoku vzduchu. Pokud je všechna patra stlačena rovnoměrně, má to malý vliv na tlakové rozdíly mezi patry a vertikálními šachtami, ale pressurizace jednotlivých pater zvýší pokles tlaku v těchto vnitřních separacích. Tlakování přízemí je běžně využíváno v zimních měsících v vysokých budovách k omezení negativního vzduchového tlaku při vstupech; vestibuly a otáčecí dveře také slouží k minimalizaci úniků vzduchu. Vestibuly jsou rovněž používány pro výtahové haly a schodišťové věže, aby omezily pohyb vzduchu a kouře vertikálně v rámci výškových budov.

Pokud jde o lokalizaci NPL (Neutral Pressure Level, úroveň neutrálního tlaku), není distribuce netěsností na vnějších zdech budov vždy rovnoměrná, ale vždy platí, že příval vzduchu je stejný jako jeho odtok. Pokud by otvory na spodní části budovy byly větší než na horní, což znamená, že odpor vůči průtoku je menší, tlakový rozdíl mezi spodní a horní částí by byl menší. Tento jev by vedl k posunu vnitřní tlakové linie doprava a snížení NPL. Přestože je netěsnost v budovách různě rozložena, lze umístění NPL odhadnout rovnicemi, které zohledňují rozdíl v otvorech a plochách úniků.

Podle základní teorie stack efektu je rozdíl tlaku vyjádřen vzorcem:

kde $P_s$ je rozdíl tlaků (vnitřní - vnější), $C_2$ je konstanta, $h$ je výška budovy a $T_i$ a $T_o$ jsou vnitřní a vnější absolutní teploty. Tento vzorec ukazuje, jak stack efekt mění tlakové gradienty v závislosti na výšce budovy a rozdílu teplot mezi vnitřním a venkovním prostředím.

Vertikální šachty v budově, jako jsou výtahové šachty, schodiště a další mechanické šachty, hrají významnou roli při distribuci tlaku. Výtahové šachty jsou obvykle nejvýznamnějším faktorem ovlivňujícím rozložení tlaku mezi patry, jelikož jsou propojeny se všemi patry a vytvářejí silné vertikální proudění vzduchu. Emergency výtahové šachty a schodiště, které jsou součástí většiny výškových budov, jsou rovněž citlivé na problémy s rozdíly v tlaku způsobenými stack efektem.

Pokud jde o teplotní koeficient draftu (TDC), tento koeficient vyjadřuje vztah mezi rozdílem tlaků na exteriérových zdech a celkovým teoretickým rozdílem tlaku. TDC je určen jako podíl rozdílu tlaků mezi vrchní a spodní částí exteriérových stěn a celkovým rozdílem tlaků ve všech oblastech budovy. Tento koeficient umožňuje určit, jak různé konstrukční prvky budovy, jako jsou stěny a příčky, ovlivňují celkový tlakový rozdíl. Významný vliv na rozdělení tlaků mají také průchodné oblasti budovy, které tvoří vertikální zóny průtoku vzduchu.

Vzhledem k tomu, že vertikální komory (jako výtahové šachty a schodiště) mají významný vliv na pohyb vzduchu v budově, je důležité je správně navrhnout a zohlednit jejich vliv na tlakové rozdíly. Správně navržené uzávěry a přepážky mohou pomoci minimalizovat nežádoucí tlakové rozdíly, které mohou mít vliv na komfort a bezpečnost obyvatel budovy.

Jaký vliv má výška budovy na energetickou účinnost a klimatické podmínky v různých městech?

V jednotlivých městech, jako jsou Peking, Bangkok, Káhira nebo Dubaj, je teplotní rozložení podél výšky budovy velmi odlišné. Například v Pekingu je chladno na vrchních patrech budovy, což ve spojení s vyšším tlakem vzduchu vede k intenzivnímu vnikání chladného vzduchu do budovy, což zvyšuje nároky na vytápění a energetickou spotřebu. Naopak v teplejších městech, jako je Bangkok nebo Dubaj, je v horních patrech většinou teplejší vzduch, což může v zimě přinést určité výhody, ale v létě může způsobit zvýšení zátěže na klimatizaci, pokud teplý vzduch proniká do vnitřních prostor budovy. Tento efekt, známý jako „stack effect“ (stack efekt), tedy znamená přirozený pohyb vzduchu vzhůru v budově kvůli teplotním a tlakovým rozdílům.

V rámci simulace energetické náročnosti budovy, například pomocí nástroje DesignBuilder, lze vytvořit modely pro různé výšky budov (například 100 m, 300 m nebo 600 m) a zohlednit specifické podmínky dané lokace. V tomto modelu je možné simulovat vliv rozměrů a konstrukčních prvků budovy na její energetickou efektivitu. Vytvářejí se dvě základní metody modelování: detailní modelování každého patra zvlášť, což je časově náročné, a jednodušší metoda využívající multiplikátor podlaží, která urychluje simulace.

Při porovnávání výsledků simulace pro různé výšky budov bylo zjištěno, že celková spotřeba energie pro vytápění a chlazení se zvyšuje s výškou budovy, a to i při použití zjednodušené metody modelování. Při použití metody multiplikátoru podlaží bylo zjištěno, že celkový energetický výkon je stabilnější a energetická náročnost na chlazení se s rostoucí výškou budovy mírně zlepšuje. Naopak nároky na vytápění zůstávají poměrně konstantní.

Další důležitou otázkou, kterou je nutné zvážit při navrhování energeticky efektivních vysokých budov, je výběr vhodných materiálů pro obálku budovy, včetně izolačních schopností stěn, střech a oken. Například, v případě vysokých budov v teplých klimatických podmínkách je nutné použít materiály s nízkým koeficientem prostupu tepla (U-factor), což znamená, že budova bude lépe chráněna před nadměrným vnikáním tepla z venkovního prostředí v letních měsících.

Vzhledem k vysoké spotřebě energie, která je obvykle spojena s chlazením a vytápěním vysokých budov, je nezbytné zvážit také využití moderních technologií pro zajištění energetické efektivity. Mezi těmito technologiemi je možné zmínit pokročilé systémy HVAC, které jsou schopné upravit teplotu a vlhkost vzduchu efektivněji, nebo implementaci systémů obnovitelných zdrojů energie, jako jsou solární panely, které mohou pomoci snížit spotřebu elektrické energie a tepla z externích zdrojů.

Je tedy zřejmé, že energetická náročnost vysokých budov je ovlivněna nejen jejich konstrukcí a klimatickými podmínkami, ale i pokročilými technologiemi, které umožňují efektivní správu energetických zdrojů a minimalizaci ztrát. S každou novou generací výškových budov se proto neustále zdokonalují metody simulace a analýzy energetické efektivity, což umožňuje budovám splňovat stále přísnější normy pro ochranu životního prostředí a energetickou účinnost.