Kondygnacyjny system oddymiania budynków

BEZPIECZEŃSTO POŻAROE Kondygnacyjny system oddymiania budynków Prof. dr hab. Bogdan Mizieliński, Politechnika arszawska, prof. dr hab. Jerzy olanin, Szkoła Główna Służby Pożarniczej, arszawa, dr inż. Jacek Hendiger, Politechnika arszawska 1. prowadzenie [temperatura] ºC 1200 800 400 PRZEGLĄ BUOLAY 7-8/ 2007 Koncepcja nowego systemu oddymiania budynku wielokondygnacyjnego opiera się na założeniu, że każda kondygnacja wyposażona będzie w samodzielny system oddymiania. ziałania zmierzające do przewidywanego zmniejszenia skutków pożarów powinny się zacząć już od fazy projektowania budynku. Projektant określa przewidywane rozpływy dymu w budynku, traktowanym jako obiekt hydraulicznych połączeń, przez klatki schodowe, szyby wind, korytarze, szachty instalacyjne i przewody wentylacyjne. Przy różnych lokalizacjach źródła pożaru i jego intensywności ustali się układ ciśnienia, który zadecyduje o kierunkach przepływu dymu w budynku. Istotne znaczenie w doborze prawidłowego rozwiązania projektowego ma ocena przewidywanej mocy pożaru i jego lokalizacji. Moc pożaru charakteryzuje strumień ciepła wydzielanego w strefie spalania w ciągu jednostki czasu. Parametr ten jest wprost proporcjonalny do ilości materiału, który ulega spalaniu. latego jego wartość nie jest charakterystyczna dla danego materiału palnego. związku z tym wprowadzono, analogicznie jak to miało miejsce w przypadku masowej szybkości spalania, parametr zwany gęstością mocy pożaru Q p. Gęstość mocy pożaru określa strumień ciepła wydzielanego w ciągu sekundy z jednostki powierzchni pożaru. Istnieje ścisły związek pomiędzy mocą pożaru a gęstością mocy pożaru i właściwą masową szybkością spalania., a gdzie: β współczynnik niecałkowitego spalania, charakteryzujący stopień spalania się materiału palnego. a ogół przyjmuje się, że β ~ 0,7 0,9, Q s ciepło spalania w J/kg, Ψ właściwa masowa szybkość spalania kg/m 2 s, F p powierzchnia pożaru w m 2. (Qʼp) 1 5 s 10 s 20 s Rys. 1. pływ gęstości mocy na dynamikę rozwoju pożaru (Qʼp) 2 (Qʼp) 3 l min. [czas] Moc pożaru stanowi jeden z najważniejszych parametrów pożaru. Jego kluczowa rola polega na tym, że wartość tego parametru jest pierwotna w stosunku do innych parametrów pożaru. Moc pożaru jest parametrem wpływającym na wszystkie procesy towarzyszące pożarowi. pożarach wewnętrznych duże znaczenie ma wymiana gazowa, szczególnie w drugiej i trzeciej fazie pożaru. pierwszej i drugiej fazie pożaru moc pożaru wzrasta. zrost ten odbywa się w sposób ciągły, dynamizując wszystkie procesy pożarowe. Ale już przejście od drugiej fazy do trzeciej może się odbywać na dwa różne sposoby. Pierwszy z nich charakteryzuje się tym, że maksymalna wartość mocy pożaru osiągnięta w drugiej fazie równa się (z pewnymi wahaniami) wartości mocy pożaru charakteryzującej cały okres trwania fazy trzeciej. Jest to łagodne przejście od fazy drugiej do trzeciej. Przejście to może mieć także charakter skokowy i nastąpi wtedy, gdy cały materiał palny ulega jednoczesnemu zapaleniu. Zjawisko skokowego przejścia od drugiej do trzeciej fazy nazywa się rozgorzeniem (flashover). Umownie, ze względu na wielkość gęstości mocy pożaru, można dokonać następującego podziału: pożary małe, o gęstości mocy do 15 k/m 2, pożary średnie, o gęstości mocy od 15 k/m 2 do 200 k/m 2, pożary duże, o gęstości mocy powyżej 200 k/m 2. pływ gęstości mocy na dynamikę pożaru zilustrowano na rysunku 1. a rysunku 1 dynamika pożaru scharakteryzowana jest przez A R T Y K U ŁY P R O B L E M O E 69

B E Z P I E C Z E Ń S T O P O Ż A R O E A R T Y K U ŁY P R O B L E M O E zmiany temperatury w czasie. la większej gęstości mocy pożaru następuje szybszy wzrost temperatury pożaru. Ruch dymu i gorących gazów w pożarach wewnętrznych jest określony dwoma czynnikami: swobodną ruchliwością dymu, związaną z tym, że gęstość gazów powstających w strefie spalania jest mniejsza od gęstości otaczającego powietrza, cyrkulację powietrza w budynku, która nie ma wpływu na moc pożaru, ale powoduje rozprzestrzenianie się dymu. Przy analizie problemów związanych z powstawaniem dymu należy także rozważyć gęstość zadymienia, który to parametr związany jest z widzialnością, a ta z kolei określa warunki ewakuacji i możliwości prowadzenia akcji gaśniczej. 2. Układ klimatyzacji w pojedynczym piętrze budynkach wielokondygnacyjnych o bardzo dużych powierzchniach poszczególnych kondygnacji, coraz częściej stosuje się system klimatyzacji obsługujący pojedyncze piętro (rys. 2). Obserwacje z praktycznego projektowania i użytkowania dużych budynków wykazały, że tradycyjne systemy klimatyzacji, nawet te, które usytuowane są na piętrach technicznych, zajmują znaczną kubaturę wewnętrzną budynku, a także powodują duże zużycie energii na przetłaczanie powietrza pionowymi kanałami na drodze kilkunastu pięter. takich rozwiązaniach, wentylatory posiadają dużą wydajność i znaczne wymiary geometryczne, co powoduje konieczność dokładniejszego wytłumienia drgań i ograniczenia hałasu przenoszącego się przez konstrukcję budynku. Przykładowo, ocenić można zapotrzebowanie powietrza dla jednej kondygnacji budynku biurowego o wymiarach 94 x 20 m i użytkowej wysokości kondygnacji 3 m. Przy założeniu 6 wymian powietrza na godzinę, strumień objętości powietrza wyniesie: V = 94 x 20 x 3 x 6 w/h = 33840 m 3 /h Przy piętrze technicznym obsługującym 11 kondygnacji, łączny strumień powietrza będzie wynosił 372 240 m 3 /h. Jest to bardzo duża ilość powietrza, której przetłoczenie do 11 kondygnacji wymaga przewodów o dużych przekrojach. Ponadto, umieszczenie 4 wentylatorów o wydajności około 100 000 m 3 /h każdy, wymaga niełatwego rozwiązania problemów technicznych, związanych z posadowieniem i zastosowaniem odpowiedniej amortyzacji wytłumiającej drgania oraz izolacji przeciw dźwiękowej. Zastosowanie systemu klimatyzacji obsługującego tylko jedną kondygnację ma wiele zalet: zwiększa niezawodność działania, jednostki wentylacyjne są stosunkowo małe i łatwiej jest instalację wyciszyć, występują mniejsze straty na przetłaczanie powietrza, można zastosować mniejsze przekroje przewodów, nie ma połączeń pomiędzy piętrami, co w znacznym stopniu uszczelnia kondygnację. nawiązaniu do opisanych rozważań, przyjęto koncepcję rozszerzenia tego typu rozwiązania o instalację oddymiającą obsługującą pojedynczą kondygnację (rys. 3). 3. Kondygnacyjny system oddymiania Instytucie Ogrzewnictwa i entylacji Politechniki arszawskiej podjęto pracę badawczą finansowaną przez Komitet Badań aukowych związaną z opracowaniem nowego Kondygnacyjnego Systemu Oddymiania. Zespół pracowników naukowych Politechniki arszawskiej wspomagany przez zespół kierowany przez profeso- Rys. 2. Układ instalacji klimatyzacyjnej w budynku wielokondygnacyjnym. Oddzielna instalacja na każdym piętrze 70 PRZEGLĄ BUOLAY 7-8/ 2007

BEZPIECZEŃSTO POŻAROE Rys. 3. Rzut maszynowni klimatyzacyjnej na pojedynczym piętrze. Centrala klimatyzacyjna nawiewna, z czerpnią usytuowaną od strony północnej. Centrala klimatyzacyjna wywiewna, z wyrzutną usytuowaną od strony wschodniej ra Jerzego olanina ze Szkoły Głównej Służby Pożarniczej. Jako pierwszą wersję analizowano system oddymiania samodzielny (niepowiązany z systemem klimatyzacji) obsługujący pojedynczą kondygnację. Ponieważ coraz częściej budynki biurowe buduje się z tak zwaną otwartą przestrzenią, PRZEGLĄ BUOLAY 7-8/ 2007 która jest dzielona na pomieszczenia dopiero przez użytkownika, to ujęcia dymu zlokalizowane są w korytarzu. Przykładowe układy przewodów oddymiających dla dwóch różnych rozwiązań architektonicznych pokazano na rysunkach 4 i 5. Podstawową zasadą organizacji przepływu dymu w korytarzu jest Rys. 4. Przykładowy układ przewodów oddymiających, wariant A Rys. 5. Przykładowy układ przewodów oddymiających, wariant B utrzymanie kierunku ruchu od klatki schodowej. Rejon w pobliżu klatki schodowej powinien być oddymiony w pierwszej kolejności, aby osiągnięta była drożność ewakuacyjna podstawowej drogi ucieczki, jaką jest klatka schodowa. Powietrze kompensacyjne wypychane nadciśnieniem w klatce schodowej będzie przepływało korytarzem od klatki schodowej do krat wywiewnych oddymiających, zlokalizowanych pod stropem korytarza. Liczba krat wywiewnych uzależniona jest od długości korytarza i ich lokalizacji oraz związana jest z odciąganiem dymu w każdym z możliwych przypadków wystąpienia źródła pożaru w pomieszczeniach obsługiwanych przez rozpatrywany korytarz. yraźny ruch zadymionego powietrza w korytarzu osiąga się przy ilościach wymian od 10 do 30 odniesionych do kubatury korytarza. Często przyjmowana liczba wymian 10 w stosunku do korytarza o wymiarach np. 1,50 m szer. i 2,70 m wysokości powoduje zbyt małą prędkość przepływu powietrza. Przewody instalacji oddymiającej prowadzone są pod stropem do wydzielonego pomieszczenia maszynowni klimatyzacyjnej, gdzie usytuowany jest także wentylator oddymiający lub do wydzielonego pomieszczenia przeznaczonego wyłącznie dla ustawienia wentylatora oddymiającego. ybór optymalnego miejsca na kondygnacji powinien zapewniać jak najmniejsze zagrożenie wtórnym zadymieniem sąsiednich kondygnacji. Jak pokazano na rysunku 6 przejście przewodu magistralnego przez ścianę pomieszczenia z wentylatorem oddymiającym zabezpieczone jest klapą pożarową. Przykładowy scenariusz zadziałania systemu byłby następujący: sygnał wykrywający pożar na rozpatrywanym piętrze uruchamia wentylator oddymiający i jednocześnie wyłącza cały system klimatyzacji, zarówno nawiewny, jak i wywiewny. a kondygnacji chro- A R T Y K U ŁY P R O B L E M O E 71

B E Z P I E C Z E Ń S T O P O Ż A R O E + 20 Pa + 20 Pa 8 7 6 5 4 wej. iektóre odcinki przewodów wymagają izolacji termicznej, dotyczy to przyłączenia do klap pożarowych lub przejścia przez pomieszczenia o szczególnym zagrożeniu pożarowym. Sposób prowadzenia przewodów musi przewidywać niezbędną kompensację, aby przy wyższej temperaturze nie nastąpiło wypaczenie, a następnie zniszczenie i rozszczelnienie przewodów. 4. yrzutnie dymu A R T Y K U ŁY P R O B L E M O E 72 Rys. 6. System kondygnacyjny oddymiania budynku ( klapa pożarowa, centrala klimatyzacyjna instalacja nawiewna, instalacja wywiewna, wyrzutnia pochodniowa) nionej powstaje podciśnienie; na piętrach sąsiednich wyłączane są centrale klimatyzacyjne wywiewne, działają tylko centrale nawiewne wywołujące nadciśnienie w stosunku do kondygnacji objętej pożarem. zależności od rodzaju budynku i sposobu jego użytkowania, mogą być zastosowane inne scenariusze działania systemu, jak na przykład: system oddymiania włączy się jednocześnie na kondygnacji objętej pożarem oraz na jednej z sąsiednich kondygnacji; jednocześnie z włączeniem systemu na kondygnacji objętej pożarem włączą się wentylatory oddymiające na dwóch sąsiednich kondygnacjach; jeżeli źródła pożaru pojawią się na różnych piętrach, to na dowolnej liczbie kondygnacji mogą uruchomić się systemy oddymiania; w niektórych przypadkach po odpowiednim przystosowaniu i wyposażeniu w wentylator odporny na temperaturę, układ klimatyzacji wywiewnej może spełniać jednocześnie zadania systemu oddymiającego. Opisywany system oddymiania musi być wykonany przy zachowaniu niezbędnych wymagań pracy w podwyższonej temperaturze. Przewody oddymiające powinny być wykonane z materiałów o odpowiedniej odporności ognio- a b 3 2 1 0 Pomieszczenie, w którym usytuowany jest wentylator oddymiający może mieć niewielkie wymiary gabarytowe. ymagane jest tylko zachowanie niezbędnych odległości od ścian (ze względów montażowych i serwisowych) oraz swobodna przestrzeń do montażu przewodów oddymiających. entylatory pracujące dla pojedynczej kondygnacji są mniejsze, co ułatwia ich amortyzację i prostsze jest zabezpieczenie przed przenoszeniem drgań na konstrukcję budynku. Jednym z najważniejszych problemów do rozwiązania jest bezpieczne i efektywne usuwanie dymu na zewnątrz budynku. a wybór rodzaju wyrzutni ma wpływ układ architektoniczny budynku, jego usytuowanie w stosunku do otaczającej zabudowy, stron świata oraz przeciętnie występujących Rys. 7. yrzutnie dymu (a wyrzutnia żaluzjowa, b wyrzutnia w postaci dyszy dalekiego zasięgu) dym dym PRZEGLĄ BUOLAY 7-8/ 2007

BEZPIECZEŃSTO POŻAROE PRZEGLĄ BUOLAY 7-8/ 2007 P r ę d k o ś ć osiowa [m/s ] Rys. 8. Rozkład prędkości osiowej, dysza Ø 300 mm, V=3000 m 3 /h P r ę d k o ś ć osiowa [m/s ] 12 10 8 6 4 2 0 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 Odległość od nawiewnika [m] 0 20 40 60 80 Odległość od nawiewnika [m] Rys. 9. Rozkład prędkości osiowej, dysza Ø 300 mm, V=4000 m 3 /h warunków pogodowych, a szczególnie wiatru (rys. 7). Przy zastosowaniu wyrzutni ściennej (rys. 7a), dym wyrzucany jest na niewielką odległość od budynku, przy małej prędkości wypływu. ybór miejsca usytuowania wyrzutni ma zasadniczy wpływ na efektywność i bezpieczne jej użytkowanie. ajkorzystniejsze usytuowanie tego typu wyrzutni byłoby na stronie zawietrznej budynku oraz w ścianie zewnętrznej, bez okien. praktyce jednoczesne spełnienie tych warunków jest bardzo trudne. Jeżeli uda się umieścić wyrzutnię w ścianie bez okien lub w ścianie z nieotwieranymi oknami i z dala od innych budowli, to będzie to rozwiązanie korzystne. pływ wiatru powinien być uwzględniony po analizie tzw. róży wiatrów dla analizowanej okolicy. iewłaściwe usytuowanie wyrzutni ściennej może zagrażać skutecznemu usuwaniu dymu i powodować wtórne zadymienie wyższych kondygnacji. Aby w znacznym stopniu uniezależnić się od wpływu wiatru i uzyskać większą swobodę w lokalizacji wyrzutni dymu, stosuje się wyrzutnie dyszowe (rys. 8). Z wyrzutni dyszowej zadymione powietrze wypływa z dużą prędkością. badaniach, jakie prowadzono w Instytucie Ogrzewnictwa i entylacji Politechniki arszawskiej dla wyrzutni o średnicach 300 i 400 mm, prędkości wypływu z dyszy zawierały się w zakresie od 8 do 16 m/s w płaszczyźnie wylotu z dyszy. la dyszy o średnicy 300 mm rozkład prędkości w osi strumienia pokazano na rysunku 8. Prędkość początkowa wynosia 12,2 m/s przy strumieniu objętości powietrza 3000 m 3 /h. Jak wynika z rysunku 8, prędkość 0,2 m/s strumień osiąga w odległości 35 m i z tą samą prędkością przemieszcza się dalej, aż do 45 m. przypadku gdy strumień, w odległości 25 m, osiąga prędkość 0,4 m/s, wystarczająco odporną na zakłócenia dla przeciętnie występującej prędkości wiatru, można uznać, że strumień jest odporny na zakłócenia. Jest to wystarczająca odległość od ściany zewnętrznej do rozproszenia dymu, a podkreślić należy, że jest to rozrzedzenie około 10 12-krotne. Takie wartości osiąga indukcja wywołująca podsysaniem powietrza otaczającego, co powoduje powiększanie objętości strumienia. Przy strumieniu objętości 4000 m 3 /h nawiewanym z tego samego nawiewnika, prędkość wylotowa z dyszy wynosi 16 m/s, a prędkość w strumieniu 0,4 m/s osiągana jest w odległości około 35 m (rys. 9). ybór średnicy dyszy dostosowany jest do strumienia objętości usuwanego zadymionego powietrza, przy zachowaniu odpowiedniej prędkości wypływu z dyszy dostosowanej do warunków ochrony najbliższego otoczenia, tj. konstrukcji i wystroju budynku, przewidywanego oddziaływania na otaczające budowle i zakłócenia wpływem wiatru. 5. Podsumowanie Opisany system jest szczególnie interesujący dla wielokondygnacyjnych budynków o rozległych A R T Y K U ŁY P R O B L E M O E 73

B E Z P I E C Z E Ń S T O P O Ż A R O E A R T Y K U ŁY P R O B L E M O E 74 poszczególnych kondygnacjach. stępne badania wykazują, że system kondygnacyjny ma wiele zalet pod względem technicznym, ale występują także wady, o których należy wspomnieć. Zalety: każde piętro jest samodzielnie oddymiane, co pozwala utrzymać dużą szczelność pomiędzy piętrami, system może obejmować tylko kilka (ważniejszych dla ochrony pożarowej) kondygnacji wybranych po analizie techniczno-ekonomicznej oraz stopnia zagrożenia ludzi. Pozostałe kondygnacje mogą być zaprojektowane tradycyjnie. p. dla budynku 35- -kondygnacyjnego: od 1 do 14 kondygnacji układ tradycyjny, od 15 do 19 samodzielny system kondygnacyjny, od 20 do 35 kondygnacji układ tradycyjny, przewody wentylacji pożarowej nie łączą sąsiednich kondygnacji, łatwiej ukierunkować przepływ dymu na kondygnacji, bo uniezależniamy się od grawitacyjnego rozkładu ciśnienia w budynku, zmniejszona liczba klap pożarowych i innych elementów wyposażenia instalacji zmniejsza koszty inwestycyjne, system kondygnacyjny charakteryzuje się mniejszą bezwładnością, ze względu na krótszą drogę od ujęcia dymu do wentylatora, układ oddymiania jest bardziej elastyczny, łatwiejsze jest sterowanie włączaniem instalacji oddymiających na poszczególnych kondygnacjach, jeżeli zachodzi taka konieczność związana z rozwijającym się pożarem, możliwe jest wykorzystanie wentylatora wywiewnego z układu klimatyzacji do pracy w funkcji oddymiania, przy spełnieniu wymaganej odporności na temperaturę, przewody wentylacji ogólnej mogą być przystosowane do pracy w warunkach oddymiania. System COLIT PLUS jednowarstwowa izolacja kanałów wentylacyjnych i oddymiających System COLIT PLUS przeznaczony jest do wykonywania zabezpieczeń ogniochronnych prostokątnych kanałów wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i oddymiających z blachy stalowej w budownictwie mieszkaniowym, przemysłowym i użyteczności publicznej. Przewody mogą być prowadzone przez: stropy masywne, ściany murowane i ściany działowe z płyt gipsowo-kartonowych o odpowiednich odpornoś- ady: większa liczba małych wentylatorów, co zwiększa koszt instalacji, ale jednocześnie zwiększa pewność działania systemu (w przypadku awarii wentylatora oddymiającego dotyczy to tylko jednego piętra, pozostałe układy na piętrach są sprawne), przy jednoczesnym zastosowaniu w budynku różnych systemów oddymiania, zachodzi konieczność zsynchronizowania współpracy i uwzględnieniu wpływu ciśnienia grawitacyjnego na funkcjonowanie układu mieszanego, niezbędne jest zaprojektowanie kompensacji w układzie sieci przewodów, bardzo dokładnie należy określić warunki usuwania dymu z kondygnacji w aspekcie warunków zewnętrznych wraz z doborem odpowiedniej wyrzutni, określenia wymaga strumień powietrza kompensacyjnego i drogi jego dopływu. ciach ogniowych. System COLIT PLUS składa się z płyt COLIT PLUS o grubości 60 mm i kleju COLIT GLUE. COLIT PLUS to twarda płyta ze skalnej wełny mineralnej z dodatkiem granulatu wodorotlenku magnezu, zwiększającego właściwości ogniochronne płyty, pokrytej jednostronnie zbrojona folią aluminiową. zięki takiemu rozwiązaniu grubość zabezpieczenia została zredukowana do 60 mm dla wszystkich klas odporności ogniowej. System przeznaczony jest dla przewodów usytuowanych pionowo lub poziomo wykonanych z blachy stalowej o maksymalnych wymiarach 1250 x 1000 mm lub przewodów o przekroju poprzecznym nie większym niż 1,25 m 2, pod warunkiem wykonania usztywnień wewnątrz przewodów. Zalety systemu: uniwersalność jeden system do przewodów wentylacyjnych, klimatyzacyjnych i oddymiających, prosty dobór jedna warstwa izolacji dla wszystkich klas odporności ogniowej, łatwość montażu jedna grubość, jedna warstwa izolacji, jeden wymiar akcesoriów mocujących, pewność rozwiązania potwierdzona badaniami skuteczność zabezpieczenia przy grubości tylko 60 mm. System COLIT PLUS posiada Aprobatę Techniczną ITB AT-15- -6856/2007. PRZEGLĄ BUOLAY 7-8/ 2007