Praktyczne aspekty zastosowania wentylacji strumieniowej w garażach

Transkrypt

1 Praktyczne aspekty zastosowania wentylacji strumieniowej w garażach mgr inż. Wojciech Węgrzyński mgr inż. Grzegorz Sztarbała mgr inż. Grzegorz Krajewski Zakład Badań Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, ul. Ksawerów 21, Warszawa STRESZCZENIE: Artykuł zawiera podstawowe informacje dotyczące praktycznego zastosowania systemów wentylacji strumieniowej w garażach zamkniętych. Porównano ze sobą systemy kontroli dymu i ciepła z systemami oczyszczania z dymu, oraz przedstawiono kryteria ich oceny.w oparciu o wytyczne NBN S przedstawiono zasady obliczania wymaganej wydajności systemu. Przedstawiono także podstawowe metody inżynierskie wykorzystywane na etapie projektowania i odbioru tego typu instalacji. Rozważania poparto wynikami badań numerycznych oraz eksperymentalnych prowadzonych przez Zakład Badań Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej w ciągu ostatnich 11 lat. SŁOWA KLUCZOWE: Wentylacja strumieniowa, wentylacja pożarowa, jet fan 1. WPROWADZENIE Zgodnie z wymaganiami rozporządzenia [1] garaże zamknięte o powierzchni całkowitej przekraczającej m² muszą być wyposażone w samoczynne urządzenia oddymiające. Urządzeniem takim jest system uruchamiany automatycznie po wykryciupożaru, którego działanie polega na usuwaniu dymu i ciepła z przestrzeni zagrożonej w sposób umożliwiający ewakuację ludzi oraz zapewniający stały dopływ powietrza kompensacyjnego. Systemy wentylacji strumieniowej spełniają ten wymóg, gdyż w czasie potrzebnym na ewakuację ludzi jedynymi pracującymi elementami instalacji są wentylatory wyciągowe oraz napowietrzające. Działanie tylko tych urządzeń nie zaburza naturalnie formującej się 235

2 podsufitowej warstwy dymu, jednocześnie umożliwiając ewakuację w czystej od dymu warstwie powietrza (Rys. 1). Wentylatory strumieniowe, których działanie wymusza przepływ dymu całym przekrojem garażu, zostają uruchomione dopiero po zakończeniu ewakuacji ludzi [2]. Rys. 1. Warstwa gorącego dymu pod stropem kondygnacji w czasie przeznaczonym na ewakuację. Figure 1.Hot smoke layer under ceiling during evacuation time. 2. SYSTEMY WENTYLACJI STRUMIENIOWEJ Z uwagi na realizowane funkcje systemy wentylacji strumieniowej można podzielić na dwie grupy: systemy kontroli dymu i ciepła oraz systemy oczyszczania z dymu [3] Systemy kontroli dymu i ciepła Działanie systemów kontroli dymu i ciepła polega na wywołaniu w całym przekroju garażu wymaganej prędkości przepływu powietrza, zwanej prędkością krytyczną w celu ograniczenia rozprzestrzeniania się dymu i ciepła do rejonu pomiędzy źródłem pożaru a szachtem wyciągowym. Cel ten osiągany jest poprzez usuwanie odpowiedniej ilości powietrza za pomocą wentylatorów wyciągowych. Brakujące powietrze uzupełniane jest w sposób mechaniczny bądź grawitacyjny za pomocą wentylatorów nawiewnych lub 236

3 naturalnych otworów napływu powietrza kompensacyjnego. Prędkość przepływu powietrza w przekroju garażu wyrównywana jest za pomocą wentylatorów strumieniowych rozmieszczonych w przestrzeni garażu. Jeżeli prędkość przepływu powietrza jest wystarczająca, dym powinien zostać zatrzymany na wysokości źródła pożaru, umożliwiając łatwą lokalizację pożaru oraz bezpieczne prowadzenie działań ratowniczo-gaśniczych od strony nawiewu powietrza kompensacyjnego. Dodatkowym kryterium, które powinien spełniać skutecznie funkcjonujący system kontroli dymu i ciepła jest utrzymanie dymu w jednej strefie dymowej (Rys. 2) Systemy oczyszczania z dymu Systemy oczyszczania z dymu służą wspomaganiu akcji ratowniczo-gaśniczej poprzez rozcieńczanie stężenia dymu i substancji toksycznych oraz obniżanie temperatury w przestrzeni garażu. Systemy tego typu nie zapewniają wytworzenia prędkości przepływu w garażu wystarczającej do odsłonięcia źródła ognia. Systemy te służą także oczyszczeniu przestrzeni garażu z dymu po zakończeniu akcji ratowniczo-gaśniczej. Rys 2. Rozprzestrzenianie się dymu zatrzymane na granicy stref dymowych przez krytyczną prędkość przepływu powietrza Figure 2. Smoke backlayering stopped by critical air velocity at the boundary of two smoke zones 237

4 3. PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW WENTYLACJI STRUMIENIOWEJ 3.1. Praktyka projektowania systemów wentylacji strumieniowej Wiele stosowanych powszechnie standardów dotyczących wentylacji pożarowej garaży dopuszcza stosowanie systemów wentylacji strumieniowej. Wytyczne brytyjskie BS [3] dopuszczają zastosowanie systemów wentylacji strumieniowej, jako systemów oczyszczania z dymu. Norma ta nie podaje metody obliczania niezbędnej wydajności systemu, sugerując jedynie uzyskanie nie mniej niż 10 wymian powietrza na godzinę. Wytyczne prezentowane w normie NBN S [4] przedstawiają sposób obliczania wymaganej wydajności systemu w zależności od niezbędnej prędkości krytycznej przepływu powietrza w przekroju garażu. Niezbędną prędkość krytyczną przepływu w garażu wyznacza się w zależności od szerokości garażu, wyposażenia garażu w instalację tryskaczową oraz nachyleniapodłogi garażu Elementy systemu wentylacji strumieniowej Podstawowymi elementami systemu wentylacji strumieniowej są wentylatory nawiewnowyciagowe i kraty nawiewno-wyciągowe zainstalowane w szachtach wentylacyjnych oraz wentylatory strumieniowe rozmieszczone w przestrzeni garażu. Istnieją dwa typy wentylatorów strumieniowych wykorzystywane w systemach wentylacji strumieniowej garaży zamkniętych, wentylatory osiowe zwane także impulse-fan oraz płaskie podstropowe wentylatory promieniowe zwane induction-fan. Podstawowym parametrem charakteryzującym wentylatory strumieniowe jest ich siła ciągu, zależna od prędkości gazów wyrzucanych przez wentylator. W zależności od wielkości wentylatory strumieniowe wykorzystywane w garażach mają wartości siły ciągu w zakresie od około 20 N do około 100 N.W celu uniknięcia kolizji strumienia powietrza wyrzucanego przez wentylator z przeszkodami architektonicznymi takimi jak np. podciągi, wykorzystuje się elementy aerodynamiczne montowane na wylocie wentylatora, służące do odchylania strumienia gazów o określony kąt w pionie [5] (Rys. 3). 238

5 Rys.3. Wizualizacja przepływu powietrza przez wentylator strumieniowy z kierownicami nachylonymi pod kątem 6. Figure 3. Visualization of flow through jet-fan with wings adjusted to 6 angle Scenariusze zadziałania systemów wentylacji strumieniowej System wentylacji strumieniowej powinien uruchamiać się samoczynnie po wykryciu pożaru przez system sygnalizacji pożaru jednocześnie powodując wyłączenie wentylacji bytowej. W pierwszej kolejności powinno nastąpić zamknięcie bądź otwarcie klap pożarowych na szachtach nawiewnych i wyciągowych zgodnie ze scenariuszem pożarowym. Po potwierdzeniu zadziałania klap pożarowych powinno nastąpić równoczesne uruchomienie wentylatorów wyciągowych oraz nawiewnych. W zależności od rozmiarów obiektu oraz zaprojektowanych wydajności wentylatory wyciągowe oraz nawiewne mogą zostać uruchomione z pełną lub ograniczoną wydajnością. Wentylatory strumieniowe powinny uruchomić się dopiero po upływie czasu przeznaczonego na ewakuację ludzi z zagrożonej strefy pożarowej. Wcześniejsze uruchomienie wentylatorów strumieniowych skutkuje gwałtownym zmieszaniem dymu oraz czystego powietrza, co może całkowicie uniemożliwić ewakuację osób z przestrzeni zagrożonej. W przypadku, gdy wentylatory wyciągowe oraz nawiewne po wykryciu pożaru uruchamiane były z ograniczoną wydajnością, po uruchomieniu się wentylatorów strumieniowych powinny osiągnąć pełną projektową wydajność. W szczególnych przypadkach istnieje możliwość zaprogramowania dodatkowych powiązań logicznych i czasów zwłoki dla wentylatorów strumieniowych, jak np. dodatkowe 5 minut zwłoki od momentu zadziałania instalacji tryskaczowej. 239

6 4. NARZĘDZIA INŻYNIERSKIE WSPOMAGAJĄCE PROCES PROJEKTOWANIA SYSTEMÓW WENTYLAJCI STRUMIENIOWEJ W trakcie projektowania systemu wentylacji strumieniowej niezbędnym narzędziem wspomagającym ten proces są obliczenia numeryczne rozprzestrzeniania się dymu i ciepła z wykorzystaniem metody obliczeniowej mechaniki płynów (Computational Fluid Dynamics). Obliczeniowa mechanika płynów jest metodą przewidywania przepływów, transferu ciepła i masy, reakcji chemicznych oraz innych powiązanych przemian poprzez rozwiązywanie układów równań z wykorzystaniem metod numerycznych. W celu wykorzystania metody CFD badana przestrzeń jest najpierw dzielona na określoną liczbę objętości kontrolnych zwanych elementami. Następnie dla każdego z elementów rozwiązywany jest układ równań różniczkowych w każdej chwili czasowej. Obliczenia prowadzone są zawsze na modelach trójwymiarowych, a wszystkie z parametrów są zmienne w czasie[6]. Rys. 4. Przykładowy trójwymiarowy model numeryczny wentylatora strumieniowego wykorzystywany w obliczeniach numerycznych. Figure 4. Sample 3d numerical model of a jet-fan used in CFD analysis. Wykorzystując komputerowe modele obliczeniowe wykorzystujące metodę CFD możliwa jest weryfikacja skuteczności działania projektowanego systemu wentylacji strumieniowej w sytuacji pożarowej. W tym celu określane są warunki środowiska w czasie ewakuacji osób z budynku takie jak przewidywana temperatura, przewidywany lokalny zasięg widzialności znaków ewakuacyjnych, stężenie dymu oraz toksycznych produktów spalania czy przewidywany strumień ciepła przekazywany na drodze promieniowania (Rys. 5). Następnie 240

7 analizując rozprzestrzenianie się dymu i ciepła w garażu w momencie osiągnięcia przez pożar maksymalnej mocy oceniane jest odsłonięcie źródła pożaru od strony napływu powietrza kompensacyjnego oraz utrzymanie dymu w obrębie jednej założonej strefy dymowej. W celu doboru odpowiedniej klasy wentylatorów oceniana jest maksymalna temperatura dymu. 5. TESTY ODBIOROWE SYSTEMÓW WENTYLACJI STRUMIENIOWEJ Z WYKORZYSTANIEM GORĄCEGO DYMU Poprawnie zaprojektowany i wykonany system powinien zostać poddany dodatkowej weryfikacji przed oddaniem budynku do użytkowania przez przeprowadzenie testów z wykorzystaniem gorącego dymu. W czasie tego typu testów wytwarzany jest strumień gorącego powietrza oraz dymu niepowodujący uszkodzenia konstrukcji, instalacji czy elementów wykończenia wnętrz w obiekcie. W czasie testu z gorącym dymem oceniane są: utrzymanie dwóch warstw dymu w czasie niezbędnym do ewakuacji osób, zdolność systemu do odsłonięcia źródła ognia oraz utrzymania dymu w pojedynczej strefie dymowej. Ponadto prowadzone są pomiary czasów uruchomień oraz wydajności wszystkich elementów systemu wentylacji strumieniowej, a także oceniana współpraca systemu z innymi systemami bezpieczeństwa znajdującymi się w budynku. Replacementair inlet Jet fan J Smoke and heatsource Exhaust grill ) a 241

8 b Rys. 5. Przewidywany lokalny zasięg widzialności znaków ewakuacyjnych świecących własnym światłem (0-20 m i więcej) w garażu podziemnym. Płaszczyzna na wysokości 2,00 m powyżej posadzki, na 30 sekund przed (a) i 30 sekund po (b) uruchomieniu wentylatorów strumieniowych. Figure 5.Predicted local visibility range of evacuation signs with internal light source(0 20 m and higher) in underground car park. Plot at height of 2,00 m above floor, 30 seconds before (a) and 30 seconds after start of jet-fans. Rys.6. Próby z gorącym dymem w garażu podziemnym wyposażonym w system wentylacji strumieniowej widok na kilka sekund przed uruchomieniem wentylatorów strumieniowych. Figure 6.Hot smoke test in underground car park with jet-fan ventilation system picture taken few seconds before start-up of jet-fans. 242

9 6. PODSUMOWANIE Systemy wentylacji strumieniowej mogą być skutecznie wykorzystywane w garażach podziemnych, jako systemy kontroli dymu i ciepła oraz systemy oczyszczania z dymu. Systemy te spełniają wymagania stawiane przez przepisy polskiego prawa samoczynnym urządzeniom oddymiającym, należy jednak pamiętać. Poprawnie zaprojektowany system kontroli dymu i ciepła powinien wytworzyć wymaganą prędkość krytyczną pozwalającą na ukierunkowanie przepływu dymu zgodnie z założeniami oraz odsłonięcie źródła ognia od strony nawiewu powietrza kompensacyjnego. Wentylacja strumieniowa wspomaga działania ratowniczo-gaśnicze poprzez usuwanie dymu i ciepła z przestrzeni zagrożonej oraz realizuje funkcję oczyszczania z dymu po ugaszeniu pożaru. W trakcie projektowania systemówwentylacji strumieniowej bardzo istotne jest określenie niezbędnych opóźnień w działaniu systemu, związanych z czasem ewakuacji z zagrożonej przestrzeni. Należy pamiętać, że zbyt wczesne uruchomienie wentylatorów strumieniowych ma działanie odwrotne do pożądanego i może stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia osób ewakuujących się. Rys. 7. Widok odsłoniętego źródła pożaru od strony nawiewu powietrza w momencie zakończenia próby dymowej. Figure 7. Clear view of the smoke and heat source from replacement air side, at the concealment of hot smoke test. 243

10 LITERATURA [1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U nr 75 poz. 690) z późniejszymi zmianami [2] BS Components for smoke and heat control systems. Code of practice on functional recommendations and calculation methods for smoke and heat control systems for covered car parks. [3] Sztarbała G., Krajewski G., Głąbski P., Węgrzyński W.: Projektowanie systemów wentylacji pożarowej w obiektach budowlanych. Kurs organizowany przez Zakład Badań Ogniowych. Warszawa, września 2011 r, s. nlb., Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, [4] NBN S Brandbeveiliging in gebouwen - Ontwerp van rook- en warmteafvoersystemen (RWA) van gesloten parkeergebouwen. [5] Sztarbała G., Krajewski G.: Application of CAE in designing proces of fire ventilation based on jet fan system in underground car parks, 1 st EBECC Conference [6] Sztarbała G.: An estimation of conditions inside buildings during a fire with the use of Computational Fluid Dynamics, (w recenzji) [7] Fluent 6.0 Product Documentation Fluent Inc., PRACTICAL APPLICATION OF JET FAN FIRE VENTILATION SYSTEMS IN CAR PARKS The paper presents basic information about proper use of jet fan fire ventilation systems in enclosed car parks. Smoke control and smoke clearance systems are presented and compared, and their main performance objectives are defined. Furthermore, principles of operations of each system and their evaluation criteria were described, depending on their application in buildings. The paper also presents simple method for calculating necessary system capacity, based on NBN S guidelines. This study presents short description of engineering tools used in design stage and commissioning of jet-fan fire ventilation systems. Considerations are supported by results of numerical calculations and full scale experiments conducted by Fire Research Department of Building Research Institute in last 11 years. 244