Jakie są wyzwania i zalety różnych systemów HVAC w wysokich budynkach?

W nowoczesnych budynkach biurowych, szczególnie tych o dużych wysokościach, systemy HVAC (ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji) muszą sprostać wyjątkowym wymaganiom przestrzennym, technologicznym oraz operacyjnym. W zależności od zastosowanej technologii, różne systemy mają swoje specyficzne wymagania dotyczące miejsca, instalacji, elastyczności w użytkowaniu oraz kosztów. Systemy te mogą również różnić się pod względem hałasu, efektywności energetycznej i łatwości konserwacji.

Współczesne systemy, takie jak systemy podłogowe (AHU + FTU), są stosunkowo nową technologią, co wiąże się z pewnymi wyzwaniami projektowymi i operacyjnymi. Wymagają one precyzyjnego zaplanowania przestrzeni, ponieważ wymagana jest podłoga o wysokości 12 do 14 cali (300–350 mm) na poziomie roboczym. Dodatkowo, w przypadku systemów podłogowych, powietrze może być zwrócone przez przestrzeń w suficie, co eliminuje potrzebę instalacji kanałów powrotu powietrza. Choć nowoczesne rozwiązania tego typu mogą zmniejszać zużycie przestrzeni na każdym piętrze, ich technologia jest jeszcze nieznana na szeroką skalę, co prowadzi do ryzyka błędów w projektowaniu i realizacji.

Również systemy chłodzenia radiacyjnego, w których jednostki PAU i CRCP (panele chłodzące) znajdują się w suficie, charakteryzują się podobnymi wymaganiami co do przestrzeni. Instalacja tych systemów wymaga przestrzeni o wysokości 12 do 14 cali, ale nie wymaga odprowadzenia skondensowanej wody, co czyni je mniej uciążliwymi pod względem konserwacji. Systemy te mogą być idealnym rozwiązaniem w przypadku biur, gdzie wymagana jest wysoka estetyka wnętrz, ponieważ cała infrastruktura techniczna jest ukryta w sufitach.

Jeśli chodzi o elastyczność, systemy, które opierają się na regulacji VAV (zmienny przepływ powietrza), oferują dużą elastyczność, ponieważ pozwalają na dostosowanie temperatury w poszczególnych pomieszczeniach biurowych. W przypadku systemów podłogowych, elastyczność jest nieco mniejsza, ponieważ układ wentylacji i dyfuzorów powietrza jest ściśle związany z rozmieszczeniem mebli i innych elementów wyposażenia wnętrz. Jednak systemy oparte na aktywnych belkach czy chłodzeniu radiacyjnym oferują stosunkowo niewielką elastyczność, ponieważ po zainstalowaniu te elementy nie są łatwe do przestawienia lub modyfikacji.

Ważnym aspektem, który należy wziąć pod uwagę przy wyborze systemu HVAC, jest również jego koszt oraz dojrzałość technologii. Tradycyjne systemy, takie jak AHU z regulacją częstotliwości i skrzynkami VAV, są technologicznie rozwinięte i stosunkowo tanie w instalacji. Jednak w przypadku bardziej nowoczesnych rozwiązań, takich jak systemy podłogowe czy aktywne belki, koszty początkowe są wyższe, a sama technologia może wymagać bardziej zaawansowanego podejścia do projektowania oraz obsługi. Istnieje również większe ryzyko błędów w realizacji tych systemów, co może prowadzić do problemów operacyjnych w trakcie ich użytkowania.

Pod względem konserwacji, systemy takie jak PAU w połączeniu z FCU (jednostkami chłodzenia wentylatorowego) są bardziej wymagające, ponieważ nieszczelności w rurach wodnych mogą prowadzić do problemów, a konieczność napraw może generować zakłócenia dla użytkowników biur. Z kolei systemy oparte na wentylacji z recyrkulacją powietrza, takie jak AHU + VAV, wymagają mniej uwagi w trakcie użytkowania, a większe prace konserwacyjne odbywają się w pomieszczeniach technicznych, co minimalizuje zakłócenia w pracy biura.

Jak projektować systemy wodociągowe w wysokich budynkach?

Wysokie budynki stawiają szczególne wyzwania przed projektantami systemów wodociągowych, w tym tych przeznaczonych do chłodzenia, ogrzewania i skraplania wody. W tym kontekście kluczowym czynnikiem, który wpływa na cały proces projektowania, jest ciśnienie hydrostatyczne wynikające z wysokości budynku. To ciśnienie ma wpływ nie tylko na rurociągi, zawory i armaturę, ale również na wszystkie urządzenia zainstalowane w budynku, w tym maszyny chłodnicze, pompy czy wymienniki ciepła. Chociaż woda pitna i systemy tryskaczowe są omawiane w innych częściach przewodnika, to właśnie systemy wody chłodzącej, gorącej oraz wody skraplającej wymagają szczególnej uwagi w kontekście wysokich obiektów.

Systemy chłodzenia i ogrzewania są zazwyczaj zamkniętymi układami wodnymi. Oznacza to, że woda w tych układach nie ma kontaktu z atmosferą. Zamknięte systemy wody chłodzącej i gorącej są projektowane tak, aby zapewnić stałą cyrkulację wody, która przechodzi przez urządzenia takie jak wymienniki ciepła czy chłodnice powietrza, a także przez pompy odpowiedzialne za jej przepływ. Woda skraplająca jest zwykle systemem otwartym, gdzie woda może wymagać kontaktu z atmosferą, zwłaszcza w przypadku chłodzenia za pomocą wieży chłodniczej.

Ważnym aspektem przy projektowaniu systemów wodociągowych jest odpowiednie uwzględnienie ciśnienia statycznego, które rośnie wraz z wysokością budynku. W przypadku wysokich budynków, ciśnienie to może prowadzić do zwiększenia oporu w rurociągach i w układach pomp, co wymaga precyzyjnego doboru odpowiednich elementów, takich jak zawory i pompy. Dynamika ciśnienia w systemie jest także istotna – pompy w budynku wytwarzają ciśnienie dynamiczne, które musi zostać uwzględnione przy obliczaniu całkowitego ciśnienia roboczego na poszczególnych poziomach budynku.

W procesie projektowania, istotne jest również odpowiednie zaplanowanie rozmieszczenia rur w budynku. Istnieją dwa główne podejścia do tego zagadnienia, które różnią się w zależności od doświadczenia inżyniera oraz wymagań danego projektu. W jednym z podejść pompy chłodnicze nie tylko pełnią rolę przepompowywania wody chłodzącej do systemu, ale również rozprowadzają ją do chłodnic, wymienników ciepła i innych urządzeń. Inne podejście polega na zastosowaniu osobnych pomp, które zajmują się rozprowadzaniem wody w systemie, zapewniając większą elastyczność i redundancję w razie awarii.

Kolejnym elementem, który należy uwzględnić, jest redundantność systemów. Często w dużych obiektach przewiduje się dodatkowe pompy, które mogą przejąć funkcje awaryjne w przypadku uszkodzenia głównego urządzenia. Tego rodzaju zapasowe elementy są niezbędne w dużych budynkach, gdzie każda awaria może wiązać się z poważnymi konsekwencjami operacyjnymi. Dodatkowe urządzenia w systemie zwiększają nie tylko bezpieczeństwo, ale także wydajność całej instalacji, pozwalając na efektywne zarządzanie energią i chłodzeniem.

Należy również pamiętać, że w projektowaniu systemów wodociągowych w wysokich budynkach często stosuje się pompy o zmiennej prędkości, które dostosowują przepływ wody w zależności od obciążenia budynku. Takie pompy wymagają zastosowania sterowania częstotliwościowego, które pozwala na precyzyjne dostosowanie pracy układu. Jest to szczególnie ważne w obiektach, które muszą zapewnić odpowiednie warunki chłodzenia przez całą dobę, w tym w weekendy czy po godzinach pracy.

Kiedy rozważa się systemy chłodzenia i ogrzewania, niezbędne jest również uwzględnienie obciążenia cieplnego, które zmienia się w zależności od pory dnia. Wysokie budynki wymagają zastosowania systemów, które zapewnią odpowiednią cyrkulację i temperaturę w różnych częściach budynku, biorąc pod uwagę zmieniające się warunki wewnętrzne i zewnętrzne. Dobrze zaprojektowany system wodociągowy umożliwia utrzymanie stabilności temperatury, zapewniając komfort dla użytkowników budynku.

Jakie są kluczowe zasady projektowania systemów ciśnienia w klatkach schodowych i windach w wysokich budynkach?

Klatki schodowe stanowią kluczowy element ewakuacji w budynkach wysokich, zarówno w kontekście kontrolowanej ewakuacji ludzi, jak i działań straży pożarnej. Systemy ciśnienia w klatkach schodowych mają na celu utrzymanie różnicy ciśnień pomiędzy klatką schodową a pozostałymi kondygnacjami budynku, co jest niezbędne do ograniczenia przedostawania się dymu do wnętrza klatki. Różnica ciśnień musi być wystarczająco duża, aby zapobiec napływowi dymu, ale jednocześnie umożliwić otwarcie drzwi klatki schodowej przez osoby próbujące wejść. Minimalna wartość ciśnienia, zgodnie z normą NFPA 101 (Kodeks Bezpieczeństwa Życia), wynosi 12,4 Pa (0,05 cala słupa wody), co jest wystarczające w przypadku budynków wyposażonych w systemy zraszaczy. Wartość maksymalna nie powinna przekraczać 67,2 Pa, co odpowiada naciskowi 30 lb (133 N) na drzwi o wymiarach 2,1 m na 0,9 m.

W przypadku wysokich budynków komercyjnych, powietrze zewnętrzne powinno być wprowadzane do klatki schodowej na kilku poziomach, aby zapewnić skuteczną wentylację i utrzymać wymagane ciśnienie. Zazwyczaj wentylatory wprowadzające powietrze są rozmieszczone na kilku poziomach budynku w celu ograniczenia długości pionowych kanałów wentylacyjnych. Ważne jest, aby powietrze dostarczane do klatki schodowej nie było zanieczyszczone dymem wydobywającym się z budynku.

Istnieje kilka alternatywnych metod utrzymania ciśnienia w klatkach schodowych. Jednym z rozwiązań jest instalacja szeregu tłumików barometrycznych, które otwierają się, gdy ciśnienie osiągnie wartość maksymalną, odprowadzając nadmiar powietrza do pustki sufitowej. Takie rozwiązanie wymaga także stosowania tłumików ogniowych w kanałach wentylacyjnych, aby zachować wymagany stopień odporności ogniowej. Wartością kluczową w takim projekcie jest analiza, która pozwala ocenić, czy projektowana instalacja będzie w stanie utrzymać odpowiednie ciśnienie na wszystkich poziomach budynku.

Systemy ciśnienia w windach mają na celu ograniczenie przepływu dymu przez szyb windy, który mógłby zagrażać życiu na innych kondygnacjach budynku. Projektowanie systemów ciśnienia w windach jest bardziej skomplikowane niż w przypadku klatek schodowych, ze względu na konieczność uwzględnienia większych przepływów powietrza oraz potencjalnych różnic ciśnień na poziomie parteru, szczególnie w przypadku otwartych drzwi zewnętrznych. Podstawowy system ciśnienia windy polega na dostarczaniu powietrza do szybu windy, jednak w wielu przypadkach konieczne jest zastosowanie bardziej zaawansowanych rozwiązań, takich jak systemy wentylacji zewnętrznej, systemy wyciągu powietrza z poszczególnych kondygnacji czy też systemy zamkniętych przedsionków na każdym poziomie budynku.

W ciągu ostatnich dwóch dekad pojawiła się koncepcja tzw. "pięter schronienia" jako strategia zapewnienia bezpieczeństwa w wysokich budynkach. Pomysł zakłada, że mieszkańcy budynku ewakuują się na wyznaczone piętro schronienia, skąd będą mogli oczekiwać dalszych instrukcji lub kontynuować ewakuację. Chociaż koncepcja ta zyskuje na popularności, wiąże się z wieloma wyzwaniami, takimi jak zapewnienie odpowiedniego komfortu i bezpieczeństwa na tych piętrach. W przypadku otwartych przestrzeni na piętrach schronienia, konieczne jest uwzględnienie czynników takich jak kierunek wiatru i możliwość przedostawania się dymu z dolnych kondygnacji. Dlatego wiele projektów zakłada stworzenie zamkniętych przestrzeni schronienia, co wiąże się z dużymi kosztami eksploatacyjnymi oraz utratą potencjalnych powierzchni użytkowych. Często jednak konieczne jest znalezienie kompromisu między bezpieczeństwem a efektywnością wykorzystania przestrzeni.

Jakie są dopuszczalne prędkości powietrza i temperatury operacyjne w przestrzeniach z kontrolą użytkownika?

Dopuszczalna prędkość powietrza oraz temperatura operacyjna w pomieszczeniach zależą w dużej mierze od poziomu aktywności użytkowników, ich bezpośredniego dostępu do regulacji mikroklimatu oraz tego, czy przestrzeń jest klimatyzowana w sposób naturalny czy mechaniczny. Standard ASHRAE 55 przewiduje szczegółowe limity i metodologie, które są stosowane zarówno w projektowaniu, jak i w analizach komfortu cieplnego.

W przypadku, gdy użytkownik ma możliwość regulacji lokalnej prędkości powietrza, maksymalna dozwolona wartość tej prędkości wynosi 1,2 m/s (237 fpm). Regulacja ta musi być bezpośrednio dostępna, i to dla każdego segmentu obejmującego nie więcej niż sześciu użytkowników lub 84 m² powierzchni. Zakres regulacji powinien obejmować wartości odpowiednie dla użytkowników prowadzących siedzący tryb życia. Zmiany powinny być płynne lub dokonywane w maksymalnych krokach co 0,25 m/s (50 fpm), mierzone w miejscu przebywania użytkownika.

Wyjątkiem są przestrzenie wspólne, jak sale konferencyjne lub klasy szkolne, gdzie wymagana jest przynajmniej jedna jednostka regulacji na całą przestrzeń – niezależnie od jej rozmiaru. Jeśli przestrzeń może być dzielona za pomocą ruchomych ścian, każda część powinna mieć osobne sterowanie. Prędkość powietrza musi być wtedy regulowalna aż do wartości nieruchomego powietrza, czyli 0,2 m/s (40 fpm), z analogiczną zasadą stopniowania.

W przypadku przestrzeni naturalnie klimatyzowanych, gdzie użytkownicy mają realną kontrolę nad warunkami termicznymi, stosuje się tzw. metodę adaptacyjną. Bazuje ona na analizie statystycznej ponad 21 tysięcy obserwacji komfortu cieplnego z budynków z czterech kontynentów, w różnych strefach klimatycznych. Metoda ta uwzględnia wpływ zewnętrznych warunków klimatycznych na percepcję komfortu wewnątrz budynków. Kluczowym parametrem jest tu średnia temperatura zewnętrzna – tzw. „Prevailing Mean Outdoor Air Temperature”, obliczana jako średnia ważona temperatura powietrza z ostatnich dni, przy czym dni starsze mają mniejsze znaczenie w ocenie adaptacyjnej.

Standard określa dwa poziomy akceptowalności – 80% i 90% użytkowników. Jednak w analizie zgodności z metodą adaptacyjną brana jest pod uwagę wyłącznie granica 80%, podczas gdy granica 90% może być stosowana dobrowolnie przez projektanta lub inwestora. Zakresy dopuszczalnych temperatur operacyjnych, wynikające z tej metody, są ograniczone do przypadków, gdy temperatura zewnętrzna mieści się pomiędzy 10°C a 33,5°C – poniżej lub powyżej tych wartości metoda adaptacyjna nie jest stosowana.

Metoda ta uwzględnia adaptację odzieżową użytkowników, a także ich tolerancję na prędkości powietrza, typowe dla ciepłych klimatów. Prędkości powietrza do 0,3 m/s (59 fpm) w temperaturach powyżej 25°C są integralną częścią tego modelu. Jeżeli jednak prędkość ta wzrasta powyżej tego progu, dopuszczalne górne limity temperatur operacyjnych mogą zostać podniesione zgodnie z odpowiednimi wartościami równoważnej temperatury efektywnej (SET). Na przykład, wzrost prędkości od 0,3 do 0,6 m/s skutkuje wzrostem dopuszczalnej temperatury o 1,2°C. Przy wzroście do 0,9 m/s – o 1,8°C, a do 1,2 m/s – nawet o 2,2°C.

Warto zauważyć, że powyższe korekty są dopuszczalne wyłącznie w warunkach, gdy użytkownicy wykonują siedzącą pracę (1,0–1,3 met), a temperatura operacyjna przekracza 25°C. Nie ma konieczności uwzględniania wilgotności względnej czy dodatkowych parametrów prędkości powietrza – zostały one już ujęte w granicach adaptacyjnych. Również wartości odzieży nie muszą być osobno oszacowane, gdyż ich wpływ został uśredniony w analizie statystycznej.

W praktyce oznacza to, że projektując systemy klimatyzacyjne lub wentylacyjne, zarówno mechaniczne jak i naturalne, należy brać pod uwagę nie tylko parametry fizyczne przestrzeni, ale przede wszystkim dostęp użytkownika do kontroli oraz jego adaptacyjne możliwości wynikające z doświadczenia klimatycznego. W tym kontekście projektowanie komfortu termicznego przestaje być wyłącznie procesem inżynieryjnym – staje się także procesem społecznym i behawioralnym, opartym na złożonej interakcji między środowiskiem a człowiekiem.