Проектирование вспомогательных систем для устойчивых зданий реагирования на стихийные бедствия

В этой статье рассматриваются принципы проектирования, основные компоненты и реальные соображения, лежащие в основе вспомогательных систем для зданий реагирования на стихийные бедствия. Она опирается на уроки последних чрезвычайных ситуаций и новых технологий, чтобы обеспечить практическое руководство для архитекторов, инженеров и специалистов по планированию чрезвычайных ситуаций, которые должны обеспечить, чтобы критически важные объекты оставались в рабочем состоянии в худших условиях.

Почему вспомогательные системы имеют большее значение, чем основная структура

В типичном коммерческом здании первичная электрическая сеть, муниципальное водоснабжение и общественные телекоммуникационные сети воспринимаются как должное. Но в зоне бедствия эти внешние коммунальные службы часто первыми выходят из строя. Лента питания, водопроводная сеть ломаются, вышки сотовой связи омрачаются. Здание реагирования на стихийные бедствия, которое не может генерировать собственное электричество, хранить собственную воду или общаться самостоятельно, становится обязательством, а не активом. Вспомогательные системы не являются вторичными; они являются системами, которые позволяют зданию функционировать, когда ничего вне работает.

Кроме того, жильцы этих зданий не являются обычными гражданскими лицами. Они включают медицинские бригады, поисково-спасательные бригады, координаторов логистики и правительственных чиновников, работающих в условиях экстремального стресса. Их инструменты - вентиляторы, спутниковые восходящие линии связи, насосы, компьютеры - зависят от бесперебойной вспомогательной поддержки. Мгновенная потеря мощности в больнице может означать смерть пациентов на жизнеобеспечении. Отключение связи в командном пункте может задержать координацию спасательных вертолетов. Эти системы должны быть спроектированы с уровнем избыточности и надежности, далеко превосходящим стандартные строительные стандарты.

По данным Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям (FEMA), концепция «оперативной непрерывности» для критически важных объектов требует, чтобы вспомогательные системы функционировали не менее 72 часов без внешней поддержки, а зачастую и намного дольше во время крупномасштабных мероприятий.

Основные вспомогательные системы: глубокое погружение

В то время как в первоначальной статье перечислены четыре ключевые системы, по-настоящему устойчивое создание системы реагирования на стихийные бедствия требует более полного набора. В следующих разделах подробно рассматриваются каждая критическая подсистема, включая конкретные технологии, соображения размера и проблемы интеграции.

Экстренная генерация и хранение энергии

Без электричества современные здания, реагирующие на стихийные бедствия, останавливаются. Тем не менее, электросеть, как известно, ненадежна во время чрезвычайных ситуаций. Вспомогательная система питания должна обеспечивать плавный переход и устойчивую мощность.

• Бесперебойные источники питания (UPS): Они сокращают разрыв между отказом сети и запуском генератора. Для чувствительного медицинского оборудования и центров обработки данных устройства UPS обеспечивают необходимую чистую мощность и время прохождения (обычно 10-30 минут).
• Дизельные или газовые генераторы:] Рабочая лошадка резервной мощности. Генераторы должны быть размером для обработки всей нагрузки здания, включая HVAC и насосы, а не только критические схемы. Хранение топлива в течение 7-14 дней является общим стандартом, с положениями для заправки во время длительных отключений.
• Интеграция возобновляемых источников энергии:] Солнечные фотоэлектрические массивы с аккумулятором могут снизить зависимость от топлива и обеспечить питание даже в случае нарушения цепочек поставок топлива. В подверженных ураганам регионах солнечная энергия на крыше в сочетании с контроллерами микросетей доказала свою эффективность при поддержании операций в течение нескольких дней.
• Микрогридные контроллеры: Передовые системы, которые могут отключаться от основной сети и работать в островном режиме, автоматически балансируя генерацию, хранение и нагрузки. Они также позволяют расставлять приоритеты схем — поддерживать работу ICU при отключении несущественного освещения.

Конструкторы должны также учитывать физическое расположение генераторов. Они должны быть повышены выше потенциальных уровней паводка, размещены в безопасных корпусах и снабжены охлаждающими воздухозаборниками, которые не будут блокироваться мусором. Топливные баки нуждаются во вторичной удержании для предотвращения загрязнения окружающей среды.

Устойчивые системы водоснабжения и санитарии

Вода необходима для питья, гигиены, тушения пожаров и медицинских процедур. После катастрофы системы водоснабжения могут быть загрязнены или не иметь давления. Устойчивое здание должно иметь независимые источники воды и лечение.

• На месте хранения воды: емкость резервуара должна поддерживать не менее 3-7 дней спроса. Для среднего размера аварийного операционного центра это может означать 10 000-20 000 галлонов хранимой воды.
• Ну или сбор дождевой воды: В районах с подходящими грунтовыми водами выделенная скважина с погружным насосом и системой очистки обеспечивает возобновляемый источник. Уборка дождевой воды с крыши, фильтрованная и хранящаяся, может дополнять снабжение.
• Лечение и очистка: Ультрафиолетовая (УФ) дезинфекция, обратный осмос или системы хлорирования обеспечивают хранение воды в питьевой форме. Переносные фильтрационные установки также ценны для полевого использования.
• Санитария без сетчатой канализации:] Во многих катастрофах канализационная система выходит из строя. Здания нуждаются в очистке сточных вод на месте, таких как септические системы, компостирующие туалеты или контейнерные мембранные биореакторы, которые могут обрабатывать высокие нагрузки без внешнего разряда.

Санитария особенно важна для предотвращения вспышек заболеваний. Аварийные туалеты должны быть рассчитаны на интенсивное использование и включать в себя станции мытья рук с очищенной водой. Содержания отходов должно быть достаточно в течение не менее 48 часов без откачки.

Коммуникации: нервная система реагирования

Координация действий между службами первой помощи, правительственными учреждениями и организациями по оказанию помощи требует наличия нескольких путей коммуникации.

• Спутниковая связь:] Для передачи голоса и данных при отключении наземных сетей. Фиксированные спутниковые терминалы (VSAT) и портативные спутниковые телефоны обеспечивают надежность аварийного уровня. Современные созвездия с низкой околоземной орбитой (LEO), такие как Starlink, обеспечивают высокую пропускную способность и низкую задержку.
• Двухпутные радиосистемы: Сети наземного мобильного радио (LMR), включая цифровые радиостанции P25, используемые общественной безопасностью, позволяют мгновенно общаться между респондентами. В здании должна быть установлена ретранслятор и диспетчерская консоль.
• Защищенная локальная сеть: Внутренний Wi-Fi и проводной Ethernet должны быть обеспечены небольшим центром обработки данных с резервными серверами и локальным хранилищем для критически важных приложений.
• Аматорское радио (Ham) Резервное копирование: При серьёзных перебоях операторы ветчинного радио могут обеспечить необходимые возможности ретрансляции. Некоторые объекты бедствия включают специальную ветчину с антенными креплениями.

Кабельные пути должны быть защищены от физических повреждений; канал, заключенный в бетон или зарытый в траншеи, является стандартным.Защита от молнии и подавление нагона обязательны для всех внешних антенн и линий.

Климатический контроль и качество воздуха

Для поддержания безопасных условий в помещении, возможно, потребуется укрытие на месте в течение нескольких дней. Чрезвычайные температуры, дым, химические разливы или биологические опасности требуют системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC).

• Излишние чиллеры и тепловые насосы: Система HVAC должна иметь избыточность N+1 на основных компонентах. Резервные блоки должны автоматически включаться, если первичный сбой.
• Фильтрация и повышение давления: Высокоэффективные фильтры для твердых частиц и химические/биологические фильтры защищают от загрязняющих веществ, переносимых по воздуху. Положительная герметизация не позволяет загрязнителям проникать в здание.
• Резервное копирование естественной вентиляции: Функциональные окна и вентиляционные отверстия на крыше могут обеспечить аварийное охлаждение, если механические системы потеряны, но они должны быть спроектированы для предотвращения нарушений безопасности.
• Зонное управление: Разные части здания — командный центр, медицинский залив, спальные помещения — имеют разные тепловые потребности. Зондированные системы с локальными термостатами улучшают комфорт и уменьшают отходы энергии.

Подавление пожара и безопасность жизни

Пожар повышается во время катастроф из-за поврежденных газовых линий, электрических неисправностей и импровизированной кулинарии. Автоматическое тушение пожара не роскошь.

• Спринклеры на водной основе: Стандартные системы мокрого трубопровода должны питаться от резервного насоса, взятого из резервуара для воды на месте.
• Системы чистых агентов:] Для центров обработки данных и коммуникационных помещений химическое подавление (FM-200, Novec 1230) защищает электронику без повреждения водой.
• Ручное оборудование: Огнетушители, шланговые станции и пожарные одеяла, размещенные в стратегических точках. Персонал должен быть обучен их использованию.
• Управление дымом: Выделенные вентиляторы выхлопных газов и дымовые завесы помогают поддерживать четкие пути выхода.

Принципы проектирования для максимальной устойчивости

Простой установки резервных систем недостаточно. Конструкция должна обеспечивать соблюдение набора принципов устойчивости, которые делают все здание больше, чем сумма его частей.

Увольнение на каждом уровне

Для питания это означает две отдельные линии питающих от сети (если таковые имеются), плюс генераторы на месте, плюс аккумулятор, плюс солнечная энергия. Для воды это означает колодец и резервуары для хранения, плюс сбор дождевой воды, плюс запасы воды в бутылках. Для связи это означает спутник, радио, сотовую связь (если башни наверху) и жесткую линию. Чем разнообразнее источники, тем меньше вероятность того, что один отказ нарушит работу.

Однако избыточность добавляет стоимость и сложность. Дизайнеры должны выполнить оценку риска, чтобы решить, какие системы требуют избыточности 2N (две независимые системы, каждая из которых способна обрабатывать полную нагрузку) и которые могут выдерживать меньше. Жизнеобеспечивающие функции - мощность для вентиляторов, вода для питья - обычно требуют 2N. Некритическое освещение может принимать N + 1.

Модульность и масштабируемость

Сценарии стихийных бедствий сильно различаются. Небольшое землетрясение может потребовать командного пункта на 20 человек; крупный ураган может потребовать базового лагеря на 500 человек. Вспомогательные системы должны быть модульными, чтобы их можно было быстро расширить или перенастроить.

• Интерфейсы быстрого подключения: Стандартизированные электрические вилки, соединения водяного шланга и разъемы данных позволяют подключать внешние модули (генераторы, водоочистные устройства, укрытия) без серьезных изменений.
• Оборудование для катания на лыжах: Предварительно собранные генераторные установки, фильтры и модули HVAC могут быть быстро доставлены и установлены.
• Расширяемое хранилище: Водяные баки с модульными секциями резервуаров, которые можно добавить. Батареи шкафов, которые позволяют укладывать дополнительные блоки.

Режим острова и самодостаточность

Конечным испытанием здания, отвечающего за ликвидацию последствий стихийных бедствий, является его способность работать в «островном режиме» в течение длительного периода времени - без внешней энергии, воды, канализации или связи.

• Производство электроэнергии должно быть рассчитано на все нагрузки, включая перекачку и обработку воды.
• Очистка воды должна производить достаточное количество воды как для питья, так и для санитарии.
• Обработка отходов не должна зависеть от ежедневного обслуживания откачки.
• Поставки топлива, химикатов и запасных частей должны храниться на месте.

Концепция FEMA Lifelines определяет семь важнейших жизненных линий сообщества: безопасность и защита, питание / вода / укрытие, здравоохранение / медицина, энергетика, связь, транспорт и опасные материалы. Устойчивое здание должно поддерживать все эти внутренние условия.

Человеческое операционное облегчение

Во время стихийного бедствия персонал часто истощается и работает под экстремальным давлением. Сложные панели управления, труднодоступные запорные клапаны или оборудование, требующее специальных знаний для перезапуска, являются конструктивными сбоями. Каждая вспомогательная система должна быть рассчитана на интуитивную работу.

• Цветные трубопроводы и электрические панели.
• Простые графические пользовательские интерфейсы на сенсорных экранах.
• Автоматические переключатели, которые не требуют ручного вмешательства.
• Комплексная маркировка и учебные материалы.

Тематические исследования: обучение на реальных установках

Приведенные ниже примеры иллюстрируют, как эти принципы были применены на практике.

Центр чрезвычайных операций Неаполя, Флорида

После урагана Ирма в 2017 году округ Кольер построил новый EOC, который включает в себя несколько слоев устойчивости. В здании есть генератор природного газа мощностью 500 кВт с хранилищем на месте, солнечная батарея на крыше мощностью 200 кВт с аккумулятором и контроллер микросети, который может охватить объект на неопределенный срок. Вода поставляется резервуаром для хранения 15 000 галлонов и выделенной скважиной с УФ-обработкой. Комната связи имеет двойные спутниковые связи от разных поставщиков, а также радиоретранслятор VHF / UHF. Объект рассчитан на выдержку ветров категории 5 и находится над 500-летней паводковой равниной. Он работал через несколько ураганов, не теряя критических функций.

Токийский медицинский центр катастроф, Япония

Частые землетрясения в Японии привели к продвинутой конструкции. Токийский DMC использует сейсмически изолированные фундаменты для защиты оборудования. Его вспомогательная мощность включает в себя три независимых генераторных установки (дизель, природный газ и двойное топливо) плюс систему водородных топливных элементов для сверхчистого резервного копирования. Водная система использует массив сбора дождевой воды на крыше, способный обеспечить 70% непотенциального спроса. Землетрясения вызвали автоматическое отключение и переходы на остров, и объект оставался в рабочем состоянии каждый раз.

Полевой госпиталь урагана Мария в Пуэрто-Рико

В 2017 году ВМС США развернули модульную полевой госпиталь в Пуэрто-Рико. Система была основана на контейнерах ISO, которые содержали генераторы энергии, установки очистки воды и модули климат-контроля. Их можно было связать вместе для создания масштабируемого объекта. Критический урок усвоен: быстрое время установки (менее 24 часов) было возможно только потому, что все соединения были стандартизированы. В конструкции также подчеркивалась солнечная энергия для сокращения топливной логистики, которая была сильно ограничена на острове.

Интеграция и тестирование: как сделать так, чтобы это работало

Вспомогательная система, разработанная изолированно, бесполезна. Интеграция означает обеспечение бесперебойной работы всех подсистем — электропитания, водоснабжения, ВВАК, связи, огня. Для этого требуется система управления зданием (СУБД), которая может контролировать каждый компонент и обеспечивать единый вид для операторов.

Регулярные испытания не подлежат обсуждению. Многие здания, отвечающие за ликвидацию последствий стихийных бедствий, проводят ежемесячные банковские испытания на генераторах, еженедельные проверки качества воды и ежеквартальные полномасштабные учения, которые имитируют отключение сети, разрыв водопровода и отказ связи одновременно. Худшее время для обнаружения конструктивного недостатка - это во время фактической катастрофы.

Документация также имеет решающее значение. Последовательно построенные чертежи, графики технического обслуживания и пошаговые процедуры запуска должны храниться как в цифровом, так и в печатном виде в огнестойком шкафу. Текучесть кадров высока в управлении чрезвычайными ситуациями; новый персонал должен иметь возможность быстро изучить системы.

Будущие тенденции в дизайне вспомогательных систем

Технологии быстро развиваются, и несколько тенденций будут формировать новое поколение зданий, реагирующих на стихийные бедствия.

• Распределенные энергетические ресурсы (DER): Вместо одного большого генератора будущие здания могут использовать сети небольших генераторов, солнечных батарей и аккумуляторов для создания виртуальной электростанции, которая более устойчива к одной точке отказа.
• Передовые микросети с ИИ: Алгоритмы машинного обучения могут прогнозировать нагрузку и погодные условия для оптимизации использования энергии и зарядки аккумулятора, расширяя время выполнения во время чрезвычайных ситуаций.
• Повторное использование воды на месте: Мембранные биореакторы, которые обрабатывают серую воду до приемлемых стандартов, становятся более компактными и доступными, что позволяет использовать почти замкнутые водные системы.
• 5G и Mesh Networks: Хотя сети 5G по-прежнему зависят от инфраструктуры, они могут поддерживать связь с высокой пропускной способностью в плотных городских районах.
• Устойчивые стандарты проектирования: Такие организации, как LEED USGBC и Устойчивый институт дизайна разрабатывают рейтинговые системы, которые специально направлены на повышение устойчивости вспомогательных систем, помогая владельцам устанавливать четкие целевые показатели производительности.