Wentylacja pożarowa garaży - analiza symulacji numerycznych 6

Transkrypt

1 Adam Dorsz 1, Artur Rusowicz 2, Andrzej Grzebielec 3 Maciej Jaworski 4, Adam Ruciński 5 Politechnika Warszawska Wentylacja pożarowa garaży - analiza symulacji numerycznych 6 Wprowadzenie W dzisiejszych czasach coraz większą wagę przykładamy systemom poprawiającym komfort życia codziennego, ale także zwiększającym bezpieczeństwo. Ochrona przed niebezpieczeństwem, jakie niesie ze sobą obcowanie z naturą od zawsze stanowiła poważne wyzwanie inżynieryjne. Według redukcjonistycznej koncepcji filozoficznej wszechświat składa się z kilku podstawowych pierwiastków [9]. Jednym z nich jest ogień, któremu w pracy zostanie poświęcona szczególna uwaga. Budynki, w których żyjemy, nie zależnie od lokalizacji i usytuowania narażone są na powstawanie pożarów [10, 11]. Czy to z winny samych użytkowników, czy też mnogości instalacji, w które każdy budynek jest wyposażony. Wraz z rozwojem cywilizacji zaczęto sobie zdawać sprawę z zagrożenia, jakie niesie ze sobą pożar w budynkach, co przyczyniło się do starań zmierzających do minimalizowania jego skutków [12, 16]. Systemem zapewniającym bezpieczeństwo użytkownikom budynków podczas pożaru jest system wentylacji pożarowej, który ma za zadanie usuwać dym i zapewniać kontrolę nad jego rozprzestrzenianiem tak, aby umożliwić ewakuację i ochronę ludzi przebywających w budynku w trakcie pożaru do momentu przyjazdu służb gaśniczych [7, 8, 12]. Szczególne znaczenie nabiera ochrona dróg ewakuacyjnych podczas pożaru na kondygnacjach budynku, których zagrożenie wystąpieniem pożaru jest duże. Do takich kondygnacji zaliczane są kondygnacje podziemne w szczególności garaże podziemne. W artykule dokonano analizy skuteczności pracy wentylacji pożarowej w garażu podziemnym. Wentylacja pożarowa jest szczególnie trudnym zagadnieniem z punktu widzenia złożonych zjawisk fizycznych towarzyszących podczas pracy [2,13] oraz legislacji krajowej z uwagi na sformułowane wobec wentylacji pożarowej wymagania funkcjonalne a nie formalne pozostawiające udowodnienie skuteczności daleko nieokreślone. Dlatego w pracy zaproponowano sposób oceny skuteczności działania wentylacji pożarowej w garażu podziemnym pod budynkiem mieszkalnym, jako reprezentatywnym przypadku wraz z jej oceną na podstawie modelu numerycznego [1, 4]. W niniejszej pracy na potrzeby analizy skuteczności pracy wentylacji pożarowej w garażu podziemnym wykonano symulacją komputerową odwzorowującą jej pracę i parametry otoczenia oddziaływujące na warunki panujące podczas pożaru. Praca zawiera omówienie sposobu przygotowania modelu do obliczeń wraz z opisem algorytmu liczącego i propozycją założeń do modelu. Cel pracy W artykule podjęto próbę analizy rozprzestrzeniania się pożaru w garażu podziemnym. Z racji ograniczonej zawartości artykułu sprowadzono analizę tylko do strefy dymu A. W opracowaniu posłużono się specjalistycznym oprogramowaniem do analizy zagadnień związanych z inżynierią bezpieczeństwa pożarowego, jakim jest program FDS w wersji Fire Dynamics Simulator jest oprogramowaniem, opracowanym przez amerykański instytut naukowo-badawczy NIST (National Institute of Standards and Technology) przy współpracy fińskiego instytutu VTT Technical Research Centre of Finland oraz The Society of Fire Protection Engineers (SFPE) [6,14]. Program FDS został dopuszczony przez Biuro Rozpoznawania Zagrożeń Komendy Głównej Państwowej Straży Pożarnej do stosowania w szczegółowych analizach inżynieryjnych związanych z analizą wydajności systemów bezpieczeństwa pożarowego oraz wpływu pożarów na ludzi i mienie. Program FDS korzysta z modeli obliczeniowej mechaniki płynów (CFD z ang. Computational Fluid Dynamic) do rozwiązania zagadnień cieplno-przepływowych [3, 5, 6]. Model CFD zastosowany w programie FDS bazuje na rozwiązaniach równania Naviera-Stokesa zoptymalizowanego dla przepływów o małych prędkościach wraz z uwzględnieniem zjawiska spalania i przepływu ciepła. W skład równań Naviera-Stokesa wchodzą równania wyrażające zasadę zachowania masy, zasadę zachowania energii oraz zasadę zachowania pędu [7]. Rozwiązanie równań Naviera-Stokesa stanowi pole temperatury, ciśnienia, gęstości oraz trzy składowe wektora prędkości. Wykorzystany model obliczeniowy programu oparty jest na modelu turbulencji typu LES (large eddy simulation). Wielkowirowy model turbulencji umożliwia odwzorowywanie wirów wielkości porównywalnej z wymiarami pojedynczej komórki obliczeniowej [15]. W celu oceny skuteczności pracy wentylacji pożarowej ocenia się stan środowiska wewnętrznego w rozważanym budynku podczas pożaru. Ocenę stanu środowiska wewnętrznego Inż. A.Dorsz, członek Koła Naukowego Chłodników, Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa. Dr hab. inż. A.Rusowicz, prof. PW, Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Cieplnej. Dr inż. A. Grzebielec, adiunkt, Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Cieplnej. Dr inż. M. Jaworski, adiunkt, Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Cieplnej. Dr inż. A.Ruciński Politechnika Warszawska, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Cieplnej. Artykuł recenzowany. 75

2 podczas pożaru dokonuje się przy wykorzystaniu analizy rozprzestrzeniania się dymu i ciepła. Rozprzestrzenianie się dymu i ciepła ocenia się podczas określonego obliczeniowego czasu niezbędnego na ewakuację ludzi z obszaru objętego pożarem [7, 8] oraz czasu, w którym jednostki ratowniczo-gaśnicze prowadzą akcję. Metodyka Niniejsze opracowanie dotyczy garażu podziemnego zamkniętego w wielorodzinnym budynku mieszkalnym. Garaż obejmuje 1 kondygnację podziemną i stanowi jedną strefę pożarową podzieloną na trzy strefy detekcji dymu, dla których przewidziano odrębny scenariusz pożarowy. Garaż przeznaczony jest dla samochodów osobowych o łącznej liczbie dostępnych miejsc parkingowych wynoszących 105 miejsc. Powierzchnia całkowita kondygnacji podziemnej wynosi ok 3544,7 m 2, w tym powierzchnia strefy dymowej A wynosi ok. 1763,5 m 2, strefy dymowej B wynosi ok. 913,4 m 2, strefy dymowej C wynosi ok. 867,8 m 2. Wysokość garażu wynosi ok. 3 m. W garażu przewidziano bezkanałowy mechaniczny system wentylacji pożarowej wykorzystujący wentylatory strumieniowe do transportu powietrza od punktów nawiewnych do punktów wyciągowych powodując jednocześnie rozcieńczanie i usuwanie zanieczyszczonego powietrza oraz wentylatory wyciągowe do usuwania powietrza zanieczyszczonego na zewnątrz budynku. Z przestrzeni garażowej istniej możliwość ewakuacji przez 7 wyjść ewakuacyjnych, po dwa na każdą strefę dymową plus brama wjazdowa. Wyjścia ewakuacyjne są rozplanowane w taki sposób, że ze znacznej większości powierzchni garażu istnieje możliwość ewakuacji w dwie strony. Użytkownikami garażu są mieszkańcy, osoby zaznajomione z planem garażu. Dostęp do wyjść ewakuacyjnych nie jest ograniczony. Maksymalna długość przejścia ewakuacyjnego wynosi ok. 35 m i spełnia wymagania stawiane w przepisach techniczno budowlanych [9]. Rzut rozważanego garażu został przedstawiony na rys.1. Rys. 1. Schematyczne przedstawienie analizowanego garażu z podziałem na strefy detekcji dymu. Źródło: opracowanie własne. Wyniki badań Modelowy pożar zgodnie z założeniami symulacji został odwzorowany za pomocą samochodów oznaczonych kolorem czerwonym. Miejsce pożaru zostało dobrane, jako najtrudniejszy z możliwych scenariuszy pożarowych dla strefy A. Pożar jest zlokalizowany na granicy stref dymowych, strefy A i strefy B w najodleglejszym miejscu od punktu wyciągowego. Na rysunku 2 przedstawiono rozkład widoczności dla strefy dymowej A. Kolor niebieski i jasnoniebieski odnosi się do widoczności poniżej 10 m, kolor czarny oznacza widoczność równą 10 m, kolor zielony, żółty i czerwony odpowiednio do widoczności powyżej 10 m zgodnie z przedstawioną poniżej skalą. 76

3 a) b) c) d) e) f) g) h) Rys. 2. Rozkład widoczności w czasie pożaru na wysokości 1,8 m od podłogi po: a 1 min., b 3 min., c 5 min, d 7 min., e 9 min., f 11 min., g 13 min., h 15 min. Źródło: opracowanie własne. 77

4 Rozkład temperatury podczas pożaru w strefie dymowej A przedstawiono na rysunku 3. Kolor niebieski i zielononiebieski odnosi się do temperatury poniżej 60 o C, kolor czarny oznacza temperaturę równą 60 o C, kolor zielony, żółty i czerwony odpowiednio do temperatury powyżej 60 o C zgodnie z przedstawioną poniżej skalą. a) b) c) d) e) f) g) h) Rys. 3. Rozkład temperatury w czasie pożaru na wysokości 1,8 m od podłogi po: a 1 min., b 3 min., c 5 min, d 7 min., e 9 min., f 11 min., g 13 min., h 15 min. Źródło: opracowanie własne. 78

5 Wnioski W wyniku przeprowadzonej analizy CFD skuteczności pracy wentylacji pożarowej garażu podziemnego otrzymano wyniki przedstawiające rozkłady parametrów podlegających ocenie dla strefy dymowej A. Skuteczność działania wentylacji pożarowej polega na zapewnieniu odpowiednich warunków panujących na drogach ewakuacyjnych z garażu podziemnego. Zapewnienie odpowiednich warunków panujących na drogach ewakuacyjnych umożliwia bezpieczną ewakuację w określonym czasie podczas pożaru. Analizy warunków panujących na drogach ewakuacyjnych dokonano dla strefy dymowej A. Na podstawie symulacji określono obliczeniowy, wymagany czas bezpiecznej ewakuacji, dla największej strefy dymowej A, który wynosi ok. 197 s, w tym czasie skutecznie pracująca wentylacja pożarowa zapewni odpowiednie warunki ewakuacji. W strefie dymowej A występują 3 dostępne wyjścia ewakuacyjne (razem z otwartą, podczas pożaru, bramą wjazdową). Na podstawie kryterium widzialności, podczas pożaru w jego drugiej minucie zostaje odcięte dojście do bramy wjazdowej, uniemożliwiające skorzystanie z tego wyjścia ewakuacyjnego. Jednocześnie, już w drugiej minucie dla rozważanej lokalizacji pożaru obserwuje się przedostawanie dymu poprzez kurtynę dymową do sąsiedniej strefy dymowej. W czwartej minucie pożaru zostaje odcięte drugie wyjście ewakuacyjne WE2A, jednakże do tego czasu zostaje spełniony warunek DCBE>WCBE na podstawie, którego należy uznać wentylację pożarową działającą w strefie dymowej A za skuteczną. W dalszej części pożaru trzecie wyjście ewakuacyjne z tej strefy zostaje dostępne do 14 minuty, kiedy to widzialność spada poniżej wymaganej WE3A i wyjście staje się niedostępne. Przy tak zlokalizowanym pożarze w strefie dymowej A za niepokojące należy uznać przenikanie dymu do sąsiadującej strefy dymowej B, a w dalszej części pożaru do strefy dymowej C. W celu ograniczenia przemieszczania się dymu do sąsiednich stref należy umieścić wentylator strumieniowy na granicy stref, pracujący w kierunku punktu wyciągowego strefy A. Ocena możliwości ewakuacji na podstawie przewidywanego rozkładu widzialności znaków ewakuacyjnych świecących światłem własnym w trakcie przemieszczania się osób do wyjść ewakuacyjnych zostaje określona, jako wystarczająca. W przypadku kryterium temperaturowego możliwość ewakuacji ludzi zostaje określona na podstawie rozkładu temperatury powietrza podczas pożaru na wysokości 1,8 m. Analizując zmiany temperatury podczas pożaru w strefie dymowej A zauważono, że po upływie wymaganego czasu bezpiecznej ewakuacji warunki temperaturowe w 5 minucie trwania pożaru zostają przekroczone w stopniu uniemożliwiającym ewakuację przez bramę wjazdową WE1A. Przyrost temperatury jest stopniowy i przewidywalny. W 14 minucie zostaje odcięte drugie wyjście ewakuacyjne WE2A. Tak, jak w przypadku widzialności obserwuje się znaczne podniesienie temperatury w sąsiedniej strefie dymowej. System wentylacji pożarowej w strefie dymowej A działa zadowalająco, a rozmieszczenie wyjść ewakuacyjnych jest należyte. Streszczenie W artykule zaproponowano sposób oceny skuteczności działania wentylacji pożarowej w garażu podziemnym pod budynkiem mieszkalnym, jako reprezentatywnym przypadku wraz z jej oceną na podstawie modelu numerycznego. W niniejszej pracy na potrzeby analizy skuteczności pracy wentylacji pożarowej w garażu podziemnym wykonano symulacją komputerową odwzorowującą jej pracę i parametry otoczenia oddziaływujące na warunki panujące podczas pożaru. Artykuł zawiera omówienie sposobu przygotowania modelu do obliczeń wraz z opisem algorytmu liczącego i propozycją założeń do modelu. Na podstawie symulacji określono obliczeniowy, wymagany czas bezpiecznej ewakuacji, dla największej strefy dymowej A, który wynosi ok. 197 s. Słowa kluczowe: bezpieczeństwo, wentylacja pożarowa, symulacje numeryczne. Garage fire ventilation - analysis of numerical simulation Abstract The aim of this paper was to forecast some accident rates in transportation and storage. The data of Polish Central Statistical Office were used as a source data and the different forecasting methods were used as a tool in forecasting process. The results were evaluated ex-post by calculation of their real and statistical percentage errors. The differences between this percentage errors reached even 100%. In conclusions of a research, there is a proposal to connect forecasting procedure an analyse of this real and statistical percentage errors. This makes the accident s risk analysis more credible. Key words: safety, logistics, transportation and storage, accidents at work, accident rate, forecasting. 79

6 LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1] Cłapa I., Porowski R., Dziubiński M., Wybrane modele obliczeniowe czasów ewakuacji, CNBOP [2] Drysdale D. An introduction to fire dynamics, Wiley 2011, [3] Hegeman S.T.G.D., Smoke movement in fire situations, CFD-utilization in car park Fleerde, Technishe Universiteit Eindhoven, December 2008 [4] Maciak T., Czajkowski P., Modelowanie pożaru w pomieszczeniach zamkniętych Analiza skuteczności pracy wentylacji pożarowej w garażu podziemnym przy wykorzystaniu metod CFD [5] McGrattan K., Overholt K., Weinschenk C., McDermott, R. Floyd J, Hostikka S.; Fire Dynamics [6] McGrattan K.B., Hostikka S., Floyd J., Baum H., Rehm R., Mell W., McDermot R.., Fire Dynamics Simulator (Version 6) Technical Reference Guide Volume 1: Mathematical Model, NIST Special Publication , NIST, July [7] PD 7974:2002 The application of fire safety engineering principles to the design of buildings Part 2: Spread of smoke and toxic gases within an beyond the enclosure of origin [8] PD :2004 The application of fire safety engineering principles to fire safety d esign of buildings Part 6: Human factors: Life safety strategies Occupant evacuation, behavior and condition. [9] Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz. U. nr 75, poz. 690 z późn. zm.) [10] Rozporządzenia Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków i innych obiektów budowlanych i terenów z dnia , Dz. U. 109, poz 719 [11] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji w sprawie uzgadniania projektu budowlanego pod względem ochrony przeciwpożarowej z dnia 16 czerwca 2003, Dz. U. 121 poz.1030 [12] Poh W., Tenability criteria for design of smoke hazard management systems, Ecolibrium, 2011 [13] Quinterie J. G. Fundamentals of Fire Phenomena, John Wiley & Sons Ltd,, England 2006 [14] Simulator User Guide, NIST Special Publication Washington: NIST Special Publication, 2014, [15] Stroup D., Lindeman A. Verification and Validation of Selected Fire Models for Nuclear Power Plant Applications. NUREG-1824, supplement 1, United States Nuclear Regulatory Commission,Washington, DC, EPRI [16] Węgrzyński W., Krajewski G., Sulik P., Wytyczne projektowania, oceny i odbioru systemów wentylacji pożarowej garaży. Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa