Poniższy tekst pokazuje jak projektanci branżowi instalacji elektrycznych, sanitarnych czy HVAC starają się ograniczyć negatywne skutki występowania wysokich temperatur.
W ostatnich latach fale upałów są zjawiskiem coraz częstszym i coraz bardziej dotkliwym – zagrażają zdrowiu, ograniczają zasoby wody oraz zwiększają zapotrzebowanie na energię. Miasta, takie jak Nowy Jork są szczególnie narażone na negatywne skutki upałów ze względu na gęstą zabudowę miejską, która wręcz pochłania i podtrzymuje wysoką temperaturę. Długotrwałe oddziaływanie wysokiej temperatury, do spółki z wysoką wilgotnością powietrza jest szczególnie niebezpieczne – w tym okresie miejska infrastruktura i usługi pracują „na pełnych obrotach”.
W kwietniu 2016 nowojorskie instytucje odpowiedzialne za zdrowie, planowanie czy zarządzanie w sytuacjach awaryjnych wraz z architektami, urbanistami i architektami krajobrazu zasiedli w Centrum Architektury Amerykańskiego Instytutu Architektury w Nowym Jorku (ang. AIANY – American Institute of Architects New York Chapter), aby omówić skutki nagrzewania się budynków podczas ekstremalnych upałów i opracowania programów łagodzących ich skutki. W AIANY opracowano program o nazwie „Heat Waves: Preparing for and Managing the Effects of Extreme Heat on Health, Populations, Emergency Housing, and Hospitals” (ang. przygotowanie i zarządzanie skutkami wysokiej temperatury – zdrowie mieszkańców, przygotowanie zakładów opieki zdrowotnej i szpitali). Za przygotowanie programu odpowiedzialny był Komitet ds. zarządzania ryzykiem i rozwoju, Komitet ds. instytucji zdrowotnych jak również Towarzystwo Planowania w Służbie Zdrowia miasta Nowy Jork.
Prezentacja koncentrowała się na skutkach upałów na pracę instalacji HVAC, elektrycznych i sanitarnych w budynkach zakładów opieki zdrowotnej. Jeden z prelegentów wyjaśnił, że tamtejsze normy i prawo budowlane określają kryteria „na dzień projektowania” – zarówno w przypadku budowy nowych obiektów jak również modernizacji istniejących budynków.
Projektowanie systemów HVAC
Kryteria dotyczące projektowania zewnętrznych instalacji HVAC opierają się na normach z 2014 roku są następujące: 1% standardów opracowanych przez ASHRAE (Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Ogrzewnictwa, Chłodnictwa i Klimatyzacji, ang. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) lub temperatura suchego termometru 31,67 *C i temperatura mokrego termometru 22,78*C. Gdy zewnętrzna temperatura jest wyższa niż podane wcześniej wartości, następuje praktycznie efekt domina w działaniu infrastruktury obiektu – wentylacja i klimatyzacja mechaniczna jest nie dość wydajna, więc następuje pogorszenie pracy kolejnych układów i urządzeń:
• chłodnie chłodzone powietrzem
• centrale wentylacyjne
• chłodziarki
• panele sterowania
• wieże chłodnicze
• windy i maszyneria klimatyzacji
• generatory prądu
• zewnętrzne nawiewy i wloty powietrza
• mechaniczna wentylacja pomieszczeń
W samym 2015 roku w Nowym Jorku odnotowano 20 dni, w których temperatura przekroczyła barierę 31,67*C. Takie wzrosty temperatury są szczególnie niebezpieczne dla placówek opieki zdrowotnej, gdzie działanie układów HVAC zostaje zaburzone przez fale gorąca, skutkując potencjalnie niebezpiecznym wzrostem temperatury i wilgotności w pomieszczeniach. Systemy redundantne często nie wystarczają – jako że były zaprojektowane dawno, ich wymiary i wydajność jest obecnie niewystarczająca. Zarządzający obiektami próbują czasem zmniejszać współczynnik napływu powietrza z zewnątrz aby odciążyć jednostki klimatyzacji, jednak często narusza to ustalone wcześniej normy.
Projektanci mają do wyboru kilka metod łagodzenia negatywnych skutków fal gorąca, jak:
• Ocena wymaganego sprzętu nieco „nad wyrost” – projektowanie instalacji o wydajności większej niż jest to wymagane na dany moment, wykorzystując doświadczenie z innych krajów, jak Brazylia czy Indie – tam stosuje się podwyższone kryteria projektowe. Dodatkowo, warto rozważyć urządzenia klimatyzacyjne przystosowane do pobierania powietrza o podwyższonej temperaturze.
• Trzeba rozważyć dodatkowe systemy w celu wyeliminowania spadku wydajności podczas upałów.
• Trzeba się upewnić, że istnieje redundancja systemów i że są one zaprojektowane z odpowiednim zapasem do pracy w temperaturach roboczych.
• Należy przygotować przyłącza dla zewnętrznych urządzeń, jak chociażby przenośne klimatyzatory.
Mimo powyższych rozwiązań ważne jest, aby projektant zdał sobie sprawę, że czasochłonność projektowania i koszty urządzeń są wysokie, dlatego niezbędne jest jasne określenie założeń i wymagań projektowych oraz późniejsza sprawna koordynacja międzybranżowa. Przewymiarowanie wydajności instalacji HVAC dodatkowo jest sprzeczne z normami obowiązującymi w Nowym Jorku, dlatego należy je wykorzystywać tylko dla newralgicznych budynków.
Projektowanie instalacji elektrycznych
Skrajnie wysokie temperatury powodują podwyższone zużycie energii – chociażby przez pracę klimatyzatorów. Kiedy pobór przekracza parametry sieci, dostawcy energii starają się możliwie odciążyć system. Dodatkowo, nadmierne ciepło może wprost uszkodzić całą infrastrukturę – urządzenia wytwórcze, linie przesyłowe i infrastrukturę dystrybucji energii.
Lokalny, nowojorski dystrybutor energii elektrycznej, firma Con Edison określa utrzymującą się przez 3 dni temperaturę wyższą niż 32.2*C jako ekstremalnie wysoką. W takich warunkach, zapotrzebowanie na energie elektryczną znacznie wzrasta, co lokalnie prowadzi do częstych usterek. Operator reaguje na utrzymujące się upały redukując napięcie – w niektórych przypadkach obniżając je nawet o 13%. Ponieważ większość urządzeń nie będzie pracować na 87% napięcia nominalnego, większość z nich zostaje wyłączona. Typowe generatory rezerwowe są w stanie „potrzymać” napięcie, jednak nie przez długi okres czasu – użytkowanie ich w trybie ciągłym przez tydzień lub dłużej jest niemożliwe.
Systemy zasilania kogeneracyjnego są przystosowane do ciągłej pracy przez dłuższy czas. Rozwiązania zastosowane w tych systemach pozwalają chociażby na wymianę filtrów podczas pracy napędu, a przewymiarowane układy chłodzenia zapewniają ciągłość pracy. Karty katalogowe dla większości silników/napędów określają dwie wartości – podstawową moc znamionową oraz tryb czuwania. Zazwyczaj generator jest przeznaczony do pracy w temperaturze otoczenia o maksymalnej wartości 40*C. Jeżeli temperatura zbliża się do tej wartości, możemy oczekiwać, że wydajność generatora ulegnie pogorszeniu – temperatura powietrza obiegającego generator przekroczy granicę 40*. Kluczowa jest także dostępność paliwa do ciągłej eksploatacji – chociażby szpitale, które wymagają nieprzerwanego zasilania przez 96 godzin. Budynki muszą dysponować środkami umożliwiającymi awaryjną dostawę paliwa do generatorów. Samo paliwo również musi być odpowiednie – jako, że generatory wykorzystują turbosprężarki, te potrzebują cyrkulacji oleju do regulacji swojej temperatury. Zatem, w przypadku wysokiej temperatury na zewnątrz, paliwo jest na tyle rozgrzane, że nie zapewnia prawidłowego zapłonu i odpowiedniego chłodzenia, co może zredukować wydajność generatora, a nawet doprowadzić do stanu alarmowego i zatrzymania jego pracy.
Dla porównania – aparatura elektryczna jest przystosowana do pracy w temperaturze maksymalnie 40*C, przewody wytrzymują temperatury do 90*C – w zależności od zastosowanego kabla.
Dla specyficznych lokalizacji, warunki zewnętrzne mogą być jeszcze bardziej wymagające – nasłonecznienie znacznie podwyższa temperaturę (okablowanie czy urządzenia zainstalowane bezpośrednio na dachach). Normy elektryczne wykorzystywane w Stanach Zjednoczonych (NFPA 70: National Electrical Code oraz odpowiednie normy dla miasta Nowy Jork) wprowadzają poprawki wytycznych dotyczących odpowiedniego wymiarowania instalacji dla szczególnych warunków.
Urządzenia, takie jak skrzynki kablowe czy tablice rozdzielcze dodatkowo się nagrzewają, ze względu na ograniczony ruch powietrza – dla temperatury powyżej 37,78*C nie wystarcza sama wentylacja grawitacyjna, a często nawet wymuszona klimatyzacja nie działa równomiernie i powietrze nie dociera do każdej części systemu.
Awarie mogą wystąpić wtedy, gdy systemy przesyłowe pracują na skraju granicy eksploatacji, we względu właśnie na wysokie temperatury i spowodowane nimi obciążenia. Dodatkowo ryzyko awarii jest potęgowane przez niewłaściwe użytkowanie i utrzymanie instalacji, oraz długotrwałą pracę niezgodnie z jej przeznaczeniem.
Aby zminimalizować efekty wysokiej temperatury, warto rozważyć:
• Ograniczenie projektowanej wydajności systemu – zmiany w normach energetycznych wykorzystywanych w Nowym Jorku dopuszczają taką możliwość.
• Przeprojektowanie (przewymiarowanie) systemów chłodzenia generatorów i mocy generatorów. Warto, tak jak w przypadku HVAC odnieść się do parametrów projektowych jakie są stosowane w innych, „gorących” częściach świata – Brazylia czy Indie.
Instalacje sanitarne
Wysoka temperatura może spowodować spadek ciśnienia wody w miejskiej sieci wodociągowej, z uwagi na wysokie zużycie wody (nie tylko w godzinach szczytu – ale także w godzinach porannych i wieczornych). Ponadto, woda ulega podgrzaniu w zbiornikach dachowych oraz miejskich hydrantach. Powyższe wpływa na dostępność wody, ciśnienie w urządzeniach przesyłowych a także temperaturę i ciśnienie w pompach i zbiornikach.
Jak zatem walczyć ze negatywnym wpływem upałów na instalacje wodne? Poniżej kilka metod:
• chłodzenie zbiorników
• systemy podtrzymywania ciśnienia
• wstępne chłodzenie zimnymi skroplinami
Ostatecznie, już na etapie projektowania przez architekta, można rozważyć poniższe metody „zabezpieczania” budynku przed upałami:
• minimalizowanie wpływu energii słonecznej w budynku
• odpowiednia orientacja budynku (mniej okien na wschód)
• odpowiednie oszklenie (podwójne a nawet potrójne szyby w oknach)
• projektowanie budynków wykonanych z materiałów budowlanych o dużej masie – jak np. beton
• niskie obciążenie dachów (dachy zielone)
• zasłony przeciwsłoneczne, zacienienie południowej elewacji
• odpowiednie barwy wykończenia wewnętrznego
• skuteczne oświetlenie wewnętrzne
• bariery między ścianami zewnętrznymi a wewnętrznymi
• określanie, które systemy są najbardziej narażone na wpływ wysokiej temperatury
• projektowanie „do przodu” – wykorzystanie doświadczenia z innych, bardziej „gorących” części świata do projektowania instalacji budynkowych
• koordynacja projektów branżowych
• dodatkowe, awaryjne systemy w razie wystąpienia problemów spowodowanych upałami
• sprawdzenie redundancji projektowanych systemów, oraz odpowiednie zwymiarowanie
• możliwość podłączenia zewnętrznych klimatyzatorów
• przeprowadzanie analizy usterek i awarii w celu wykrycia „słabych punktów” instalacji
Warto też skorzystać z zasobów, na przykład AIA Post-Sandy Initiative czy odnieść do Urban Green Building Resiliency Task Force Report.
Autor: Christopher McHugh jest partnerem grupy AKF, odpowiedzialnym za projekty budownictwa komercyjnego i instalacje, budynki użyteczności publicznej, budownictwo energetyczne oraz aranżację powierzchni dla najemców.
