1. Wprowadzenie Cel i zakres opracowania Standard wykonania Symbole i oznaczenia

Transkrypt

1 1. Wprowadzenie 1.1. Cel i zakres opracowania Celem opracowania są założenia techniczne do wykonania projektu instalacji grawitacyjnego odprowadzania dymu i ciepła w budynku hali produkcyjno-magazynowej. Zakres opracowania w szczególności obejmuje: obliczenie powierzchni klap dymowych, obliczenie powierzchni otworów wlotowych, uzupełniających powietrze, określenie minimalnych odległości między klapami, otworami i elementami budynku, określenie sposobu sterowania instalacją grawitacyjną Standard wykonania Założenia projektowe wykonano w oparciu o normę NFPA 204 Standard for Smoke and Heat Venting 2012 Edition. Powyższa norma zawiera najbardziej aktualny zasób wiedzy technicznej, dlatego przyjęto je jako podstawę opracowania. Zasady wiedzy technicznej zawarte w polskiej normie znacząco odbiegają od metod projektowania systemów grawitacyjnego usuwania dymu i ciepła, powszechnie stosowanych w krajach Europy Zachodniej, jak i Ameryki, co zdecydowało o przyjęciu wskazanych wyżej standardów Symbole i oznaczenia A v łączna powierzchnia geometryczna klap dymowych w strefie dymowej [m 2 ]; A i łączna powierzchnia geometryczna otworów napowietrzających [m 2 ]; C v,d C v,i współczynnik aerodynamiczny klap dymowych; współczynnik aerodynamiczny otworów wlotowych; d głębokość warstwy dymu [m]; d c głębokość kurtyny dymowej [m]; H wysokość pomieszczenia w świetle hali [m]; L średnia wysokość płomieni [m]; 1

2 ṁ p masowe natężenie przepływu w kolumnie konwekcyjnej [ kg ]; s ṁ v masowe natężenie przepływu przez klapy dymowe [ kg ]; s Q moc pożaru [kw]; Q c z 0 z s konwekcyjna moc pożaru [kw]; wysokość wirtualnego źródła pożaru [m]; wysokość dolnej płaszczyzny warstwy dymu nad podłogą [m]; 1.4. Charakterystyka budynku Budynek produkcyjno-magazynowy z częścią biurową: powierzchnia hali ok m 2, obciążenie ogniowe hali do 500 MJ/m 2, klasa odporności pożarowej hala E, klasa odporności ogniowej biura C, pomiędzy biurami a halą ściana odporności REI 120, max wysokość budynku do wierzchu dachu 11,03 m, średnia wysokość budynku do spodu dachu 10 m.

3 2. Scenariusz pożarowy Na podstawie obliczonego obciążenia ogniowego 1, przyjęto następujący scenariusz pożarowy. Zapaleniu ulega kosz polipropylenowy o pojemności 1m 3 wraz z zawartością w postaci celulozy. Na podstawie normy NFPA 204 (Tabla E.5.2(a)) ustalono, że maksymalna moc z 1m 2 powierzchni polipropylenu przy ustawieniu horyzontalnym wynosi 800 kw. Dodatkowo ustalono, że zawartość kosza o masie 10 kg może wygenerować maksymalną moc równą 180 kw. Co daje w sumie 980 kw. Czas do osiągnięcia 1kW dla tego typu pożaru to 40 s. Stąd szybkość rozwoju pożaru α g wyliczono: α g = 1000 t 2 g = = kw s 2 (2.1) W odległości około 2.5 m od kosza znajduje się 5 palet drewnianych oraz 5 palet polipropylenowych ułożonych w stosy. Pożar kosza generuje strumień promieniowania cieplnego na palety. Moc pożaru wymaganego do zapalenia się palet obliczono z zależności: Q = W = 2.5 = 1417kW (2.2) Czas do osiągnięcia przez pożar kosza wyliczonej mocy obliczony jest następująco: ( Q t = α ) 1/2 ( 1417 ) 1/2 = = 48s (2.3) W 48 s zapaleniu ulega stos palet i wówczas współczynnik α jest sumą wartości dla kosza; dla palet drewnianych oraz 0.18 dla palet polipropylenowych. Łącznie daje to α = Dla sumarycznego pożaru efektywny czas zapalenia t 0g określany jest ze wzoru: Q = α g (t t 0g ) 2 (2.4) Q t 0g = t = 7s (2.5) α g 1 Dokument z dnia opracowany przez Zbigniewa Ciesielskiego 3

4 Maksymalna moc pożaru jest obliczona jako suma mocy maksymalnych poszczególnych elementów. Na podstawie NFPA 204 wynosi ono odpowiednio: 980 kw dla kosza wraz z zawartością, 1400 kw dla palet drewnianych oraz 4000 kw dla palet polipropylenowych: Q max = = 6380 kw (2.6) Czas do osiągnięcia mocy maksymalnej obliczamy przekształcając zależność: t max = t 0g + Q = α g (t t 0g ) 2 ; (2.7) Q α g = = 94 s (2.8) Powierzchnia pożaru to suma powierzchni płonących materiałów wynosząca 3m 2. Powierzchniowa gęstość pożaru obliczona jest zgodnie z zależnością: Q = Efektywna średnica pożaru wynosi zatem: D = = 2126 kw m 2 (2.9) [ ] 1/2 = 1, 95 m 2 π 2126 (2.10) Wysokość wirtualnego źródła pożaru od postawy pożaru, liczona zgodnie zależnością wynosi: z 0 = Q 2/5 1, 02 D = 0, 76m (2.11) Średnia wysokość płomieni obliczona zgodnie z poniższą zależnością wynosi: L = [ 1.02 D] + [0.235 (Q) 2/5 ] = 5, 82m (2.12) Wynika z tego, że jest to wysokość poniżej projektowanej warstwy dymu. W związku z tym do obliczenia masowego natężenia przepływu w kolumnie konwekcyjnej, wykorzystywane jest poniższe równanie (wartości podstawione dla strefy 1): ṁ p = [0, 071 Q 1/3 c (z s z 0 ) 5/3 ][1 + 0, 027 Q 2/3 c (z s z 0 ) 5/3 ] = 44, 69 kg/s (2.13) gdzie: ṁ p masowe natężenie przepływu dymu w kolumnie (kg/s), Q c konwekcyjna moc pożaru = 0, 7Q (kw), z s wysokość podstawy warstwy dymu liczona od podłogi = 8,56 m, z 0 wysokość wirtualnego źródła pożaru. 4

5 Wzrost temperatury w warstwie podsufitowej liczony jest odpowiednio (liczone dla strefy 1): T = T 0 + K Q c = c p ṁ p = 343K (2.14) gdzie: T 0 temperatura początkowa (K), K energia zawarta w warstwie dymu, przenoszona drogą konwekcji zalecana wartość = 0,5, c p ciepło właściwe dymu = 1.00kJ/kg K. Wartości masowego natężenia przepływu dymu w kolumnie konwekcyjnej oraz temperatury dla pozostałych stref dymowych (Rysunek 3.1) podsumowano w tabeli 2.1. Tabela 2.1. Wartości natężenia przepływu oraz temperatury. Nr strefy z s ṁ p T m kg/s 343 K m kg/s 343 K 3 5 m kg/s 396 K m kg/s 429 K m kg/s 429 K m kg/s 429 K

6 3. Parametry techniczne instalacji oddymiania grawitacyjnego Na podstawie projektowanego podziału funkcjonalnego pomieszczeń jak również wymogów zdefiniowanych w normie NFPA 204 w zakresie stref dymowych, wyznaczono następujący podział na strefy dymowe budynku (Rysunek 3.1) Strefa nr 1 A v : 55 m 2 A i : 35 m 2 kurtyna 2.5 Strefa nr 2 A v : 55 m 2 A i : 35 m Strefa nr 4 A v : 6 m 2 A i : 24 m 2 Strefa nr 5 A v : 6 m 2 A i : 24 m 2 Strefa nr 6 A v : 6 m 2 A i : 24 m 2 Strefa nr 3 A v : 12 m 2 A i : 25 m x A v - powierzchnia klap dymowych A i - powierzchnia otworów napowietrzających 2 - brama używana jako otwór napowietrzający Rysunek 3.1. Podział budynku na strefy dymowe Powierzchnia czynna klap i otworów wlotowych Proponowana powierzchnia klap dymowych w każdej strefie oddymiania, oraz otworów napowietrzających powinna być nie mniejsza niż Tabela 3.1. Przepływ masy dymu przez klapy liczony jest zgodnie z zależnością (obliczenia na przykładzie strefy nr 1): 6

7 Tabela 3.1. Powierzchnia klap dymowych oraz otworów napowietrzających z podziałem na strefy. Nr strefy A v A i 1 55 m 2 35 m m 2 35 m m 2 25 m m 2 24 m m 2 24 m m 2 24 m 2 ṁ v = C d,v A v 1 + C2 d,v A2 v C 2 d,i A2 i ( ) T 0 T 2ρ 2 T0 (T T 0 ) 0gd = 44, 85kg/s (3.1) T 2 gdzie: C d,v współczynnik aerodynamiczny klap dymowych, A v łączna powierzchnia geometryczna klap dymowych w strefie dymowej [m 2 ], C d,i współczynnik aerodynamiczny otworów wlotowych, A i łączna powierzchnia geometryczna otworów wlotowych, ρ 0 gęstość powietrza w temperaturze otoczenia, g przyspieszenie ziemskie, d wysokość warstwy dymu = 1.27 m. Zestawienie natężenia masowego przepływu przez kalpy przedstawiono w Tabeli 3.2. Tabela 3.2. Wartości natężenia przepływu przez klapy. Nr strefy ṁ v ṁ p ṁ v > ṁ p kg/s kg/s TAK kg/s kg/s TAK kg/s kg/s TAK kg/s kg/s TAK kg/s kg/s TAK kg/s kg/s TAK Na podstawie powyższego, masowe natężenie przepływu przez klapy jest większe od masowego natężenia przepływu w słupie dymu, stąd zaproponowana powierzchnia klap dymowych oraz otworów wlotowych jest wystarczająca dla zapewnienia skutecznego oddymiania. 7

8 3.2. Powierzchnia geometryczna klap dymowych Powierzchnię geometryczną klap dymowych należy ustalić przyjmując odpowiedni współczynnik aerodynamiczny C d,v, określony przez producenta klapy. A v = A d,v /C d,v (3.2) Ponadto klapy należy tak dobrać, aby: powierzchnia klap dymowych nie przekraczała wielkości 2 d 2 = 4, 5m 2, gdzie d wysokość projektowanej warstwy dymu. dla klap, dla których stosunek długości do szerokości L v /W v > 2, szerokość nie może przekraczać wysokości projektowanej warstwy dymu. Przewidziano klapy o powierzchni geometrycznej 4,0 m 2 i powierzchni czynnej 2,8 m 2, współczynnik C d,v = 0, Powierzchnia geometryczna otworów wlotowych W dolnej części ściany zewnętrznej, poniżej dolnej płaszczyzny warstwy dymu, konieczne jest umieszczenie otworów wlotowych. Powierzchnie otworów wlotowych powinny być otwierane jednocześnie z otwarciem klap dymowych. Jako otwory wlotowe przewidziano bramy do hali oraz drzwi. Przyjęto, że w razie pożaru zostaną otwarte bramy oraz drzwi o łącznej geometryczna powierzchni określonej w Tabeli 3.1. Przyjmując współczynnik aerodynamiczny, o wartości 0,55 (zalecane przez normę NFPA 204) otrzymano powierzchnię czynną określoną w Tabeli 3.3. Tabela 3.3. Powierzchnia czynna otworów napowietrzających z podziałem na strefy. Nr strefy A i C d,i A i 1 35 m m m m m m Bramy przewidziane do napływu powietrza należy rozmieścić równomiernie po jednej stroni hali produkcyjnej. Dopuszcza się wykorzystanie tych samych otworów dla stref w obu częściach budynku. 8

9 3.4. Strefy oddymiania W projektowanej instalacji oddymiania grawitacyjnego długość boku strefy oddymiania nie może przekroczyć 80 m. Strefy 1 i 2 zostaną wydzielone ścianami budynku oraz kurtynami dymowymi o wysokości od 1.09 m do 1.45 m co co średnio daje d c = 1, 27m. Rzędna dolnej krawędzi kurtyny wyniesie 8,56 m od poziomu podłogi. Dopuszcza się zastosowanie kurtyn stałych lub rolowanych. Podział na strefy dymowe za pomocą kurtyn, powinien być zrealizowany w taki sposób aby odległość pomiędzy kurtynami nie była mniejsza niż 10 m. Wysokość proponowanych kurtyn w strefie 1 i 2 jest niższa niż zakładana przez normę minimum 2 m. W związku z tym konieczna jest weryfikacja przyjętego rozwiązania w postaci symulacji komputerowych Rozmieszczenie klap dymowych Projektując rozmieszczenie klap należy przestrzegać następujące wymagania: odległość między osiami klap dymowych, w obrębie strefy dymowej nie może przekraczać 40 m, odległość między ścianą lub kurtyną a osią najbliższej klapy nie może przekraczać 28 m, przy dachu spadzistym umieszczać klapy w górnej jego części Sterowanie Uruchomienie klap dymowych powinien odbywać się automatycznie po wykryciu dymu. Należy zastosować detektory dymu celem szybkiej reakcji systemu na zadymienie w obiekcie, zarazem zapewnić normalne funkcjonowanie obiektu w czasie upałów. System sterowania należy tak dobrać aby otwarcie klapy dymowej powodowało automatyczne otwarcie otworów wlotowych, umożliwiających napływ świeżego powietrza. Należy w takie sposób zrealizować automatykę aby detekcja dymu w danej strefie powodowała zadziałanie wszystkich klap w danej strefie. 9

10 3.7. Weryfikacja rozwiązania zastępczego W związku z tym, że wysokość kurtyn jest niższa niż wymagana przez normę (min. 2 m), dokonano obliczeń skuteczności oddymiania za pomocą symulacji komputerowej. Norma NFPA 204 zakłada analizę skuteczności rozwiązania w programie LAVENT. Jednakże program ten nie jest już rozwijany i zastąpiony został programem CFAST. Dlatego też symulacje komputerowe zrealizowano w programie CFAST. Weryfikację zrealizowano w postaci analizy porównawczej, odnosząc proponowane rozwiązanie do rozwiązania wymaganego przez normę. W ramach symulacji odtworzono scenariusz pożarowy opisane w rozdziale 2. Analizowanym parametrami były: wysokość warstwy dymu w strefie pożaru, temperatura działająca na konstrukcję w strefie pożaru, sumaryczny przepływ dymu przez klapy w strefie pożaru, wysokość warstwy dymu w sąsiedniej strefie, temperatura działająca na konstrukcję w sąsiedniej strefie. 10