Nietypowe przypadki detekcji pożaru

Nietypowe przypadki detekcji pożaru mł. bryg. mgr inż. Waldemar Wnęk kpt. mgr inż. Przemysław Kubica Celem stosowania systemów sygnalizacji pożarowej jest szybkie, bezbłędne wykrycie pożaru i alarmowanie o tym fakcie. Realizacja tego zadania wymaga od projektanta odpowiedniego doboru czujek pożarowych, które zagregują we wczesnej fazie pożaru, a jednocześnie nie będą powodować fałszywych alarmów. O doborze czujek w głównej mierze decydują: materiały znajdujące się w zabezpieczanym pomieszczeniu; geometria pomieszczenia; specyficzne warunki panujące w pomieszczeniu (kurz, wentylacja itp.) W tradycyjnych pomieszczeniach np. biurowych, czy pokojach hotelowych wybór rodzaju czujek nie stanowi specjalnego problemu. Jednak w miarę komplikacji obiektu zabezpieczanego wykonanie poprawnie działającego systemu sygnalizacji pożarowej stanowi coraz trudniejsze wyzwanie. W sukurs przychodzą producenci systemów oferjuąc rozwiazania na miarę potrzeb. Niedogodności spotykane podczas projektowania Do najczęstszych utrudnień, jakiem muszą stawiać czoła projektanci, należą: wysokie pomieszczenia, np.: atria, magazyny wysokiego składowania, kościoły; intensywna klimatyzacja pomieszczeń, np.: serwerownie, centrale telekomunikacyjne; zapylenie powietrza w pomieszczeniu, np.: obiekty przemysłowe, w szczególności młyny, zakłady przemysłu drzewnego; obecność niewielkich owadów, np.: hotele, domy letniskowe w pobliżu lasu; duża wilgotność powietrza, np.: ogrody botaniczne, sauny; zabezpieczenie budynku od zewnątrz, np.: drewniane obiekty zabytkowe, skanseny, kościoły; wysoka estetyka lub zabytkowy charakter wnętrz. W pomieszczeniach wysokich występuje zjawisko chłodzenia gazów pożarowych. Dym unosi się do góry dzięki różnicy temperatur. Cieplejsze gazy posiadają mniejszą gęstość, w związku z czym siła wyporu nadaje im przyspieszenie ku górze. W miarę unoszenia się gazy pożarowe oddają ciepło do otoczenia i przy dostatecznie wysokich pomieszczeniach mogą w ogóle nie dotrzeć do czujki umieszczonej pod sufitem. Dodatkowo w górnej części pomieszczeń znajduje się zawsze warstwa cieplejszego powietrza, która utrudnia penetrację przez gazy chłodniejsze. Efekt ten intensyfikowany jest zwłaszcza w lecie, kiedy promienie słoneczne nagrzewają dach budynku. W związku z powyższym w początkowej fazie pożaru, gdy szybkość generacji ciepła jest stosunkowo niewielka, gazy pożarowe docierają do pewnej wysokości pomieszczenia, a następnie rozprzestrzeniają się w kierunkach poziomych. Zjawisko to spotykane jest w literaturze pod nazwą stratyfikacji. Zastosowanie punktowych czujek dymu lub ciepła w tego rodzaju pomieszczeniach spowoduje wykrycie pożaru z niedopuszczalnie długim opóźnieniem. Dlatego w aktualnej polskiej normie [1] dotyczącej projektowania systemów sygnalizacji pożarowej przewiduje się maksymalne wysokości dla punktowych czujek ciepła i dymu odpowiednio 8 m i 11 m. 1

Nieustanna cyrkulacja powietrza w pomieszczeniu powoduje, że w przypadku pożaru nie powstaje klasyczny stożek dymu. Dym rozprowadzany jest równomiernie po całym pomieszczeniu, tym samym jego stężenie jest wielokrotnie mniejsze. Rozmieszczenie czujek w oparciu o metodykę wykorzystującą promień działania czujki może spowodować znaczne opóźnienie wykrycia pożaru. Taka sytuacja ma miejsce w tzw. serwerowniach, gdzie nagromadzona jest duża ilość komputerów wymagających ciągłego chłodzenia. Chłodzenie realizowane jest przez zewnętrzne klimatyzatory, które wprowadzają w ruch powietrze w całym pomieszczeniu, jednocześnie nadając mu odpowiednią temperaturę, wilgotność i skład chemiczny. Rys.1. Serwerownia. W podłodze widoczne otwory klimatyzacyjne Pomieszczenia, w których w noramalnych warunkach występują duże zaniczyszczenia powietrza cząstki stałymi unoszącymi się w powietrzu stanowią spory problem, jeżeli mają być zabezpieczone czujkami dymu. Zawieszone w powietrzu kurze i pyły stanowią potencjalne źródło fałszywych alarmów dla tego rodzaju czujek. Zastosowanie czujek ciepła pozwoli na uniknięcie kłopotliwych fałszywych alarmów, ale z kolei obniży czułość systemu, często poza granice akceptowalności. Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku pomieszczeń penetrowanych przez niewielkie owady, które potrafią przedostać się do wnętrza czujki i wprowadzić ją w stan alarmu. Badania tego zjawiska dowodzą, że owady potrafią pokonać otwory o średnicach 150 mikronów [2]. Siatka ochronna tradycyjnej punktowej czujki dymu nie może mieć tak małych otworów, gdyż obniżałoby to czułość czujki, zwłaszcza po osadzenia się kurzu i zabrudzeń. Zjawisko fałszywego pobudzania czujek przez owady nasila się szczególnie w okresie letnim w obiektach usytuowanych blisko natury, silosach zbożowych itp. Problematycznym zagadnieniem dla projektantów może być zabezpieczenie obiektów, w których występuje duża wilgotność powietrza. Sytuacja ta dotyczy obiektów takich jak ogrody botaniczne, szklarnie, sauny. W normalnych warunkach użytkowania wilgotność jest na tyle duża, że woda wykrapla się niemal na każdym materiale stałym, zwłaszcza w górnych obszarach pomieszczenia. Montaż tradycyjnych czujek w takim środowisku spowoduje szybkie uszkodzenie układów elektronicznych, zagraża częstymi zwarciami i nieprawidłową pracą całego systemu. Kolejnym czynnikiem utrudniającym zabezpieczenie takich pomieszczeń jest mgła wodna, powstająca gdy wilgotność powietrza przekroczy punkt rosy. Pojawienie się mgły może wprowadzić tradycyjną czujkę dymu w stan alarmu. 2

Zabezpieczenie obiektu od zewnątrz dotyczy w szczególności budynków drewnianych, których właściciel liczy się możliwością celowego podpalenia. Najczęściej w takich okolicznościach system sygnalizacji pożaru w wykorzystywany jest również do uruchamiania urządzenia gaśniczego, dlatego jego praca powinna być niezawodna. Realizacja tego zadania nie należy do najprostszych, ponieważ warunki atmosferyczne stanowią zagrożenie bezpośrednio dla detektorów, ponadto należy uwzględnić występowanie wiatru, który utrudni dotarcie dymu do czujki. Pomieszczenia zabytkowe, w których estetyka odgrywa pierwszoplanową rolę, wymuszają na projektancie odpowiednie wkomponowanie zarówno samej czujki, jak i linii dozorowej. Przy czym dążenie do jak najmniejszej ingerencji w charakter wnętrza nie może odbywać się kosztem czułości systemu. Znany jest przypadek, gdy projektant chcąc jak najbardziej ukryć czujkę, umieścił ją w kominku (sic!). Rozwiązania techniczne Asortyment produktów oferowanych przez firmy związane z systemami sygnalizacji pożarowej stale się rozszerza i można bez dużej przesady stwierdzić, że techniki detekcji są w stanie sprostać niemal wszystkim oczekiwaniom projektantów systemów. Wśród rozwiązań, które zostały rozpropagowane w ostatnich latach warto zwrócić szczególną uwagę na: czujki zasysające (aspiracyjne, próbkujące) czujki bezprzewodowe liniowe czujki ciepła czujki z detektorami gazów czujki punktowe z filtrami powietrza Idea działania czujek zasysających polega na pobraniu próbki powietrza z pomieszczenia chronionego i dostarczeniu jej do detektora dymu. Czujka składa się z układu rurek zasysających z otworami próbkującymi, przez które doprowadzających powietrze do szczelnej komory, w której znajduje się detektor dymu. Przepływ powietrza poprzez rurki wymusza wentylator zainstalowany w tej samej komorze. Urządzenie wyposażone jest w system monitorowania przepływu powietrza, pozwalający wykryć pęknięcie rurki bądź zatkanie otworów próbkujących. Rys.2 Schematy systemów zasysających firmy Schrack-Seconet [3] 3

Rys.3 Czujka zasysająca firmy Cerberus Zanim próbka powietrza dotrze do detektora dymu podlega procesowi filtracji. Układ filtrów musi być tak dobrany, aby zostały usunięte wszelkie zanieczyszczenia ale pozostały cząsteczki dymu. Ponadto na przewodach zasysających mogą być zamontowane skraplacze pary, urządzenia antydetonacyjne oraz dodatkowe filtry. Zastosowanie filtrów powoduje, że można zastosować detektory o bardzo dużej czułości, co w tradycyjnych punktowych czujkach dymu jest niewskazane ze względu na liczne fałszywe alarmy. Czułość czujek zasysających, mierzona jako procent osłabienia promieniowania na długości jednego metra, może być nastawiona już na poziomie 0,005 [%/m]. Dzięki filtrom eliminowany jest problem zanieczyszczeń powietrza oraz owadów wchodzących do czujki, stąd czujki zasysające z powodzeniem są stosowane do zabezpieczania m.in. młynów w Wielkiej Brytanii. Możliwość pracy w zakresie podwyższonej czułości oraz zasysanie próbek powietrza sprawiły, że czujki te stanowią niejako standardowe zabezpieczenie pomieszczeń, w których pracują klimatyzatory. Rozrzedzony dym nie byłby w stanie pobudzić tradycyjnej czujki dymu, dodatkowo efekt zasysania powoduje, że dym szybciej dotrze do detektora czujki zasysającej. Czujki zasysające znakomicie nadają się do zabezpieczania dużych przestrzeni, pojedyncza czujka może zabezpieczać powierzchnię nawet 2000 m 2 [4]. Przy czym, jeżeli otwory próbkujące będą rozmieszczone w różnych przestrzeniach, czujka nie rozróżni, w którym pomieszczeniu nastąpił pożar. Aby precyzyjnie określić miejsce pożaru, jedna z firm opracowała system pracy czujek zasysających w układzie macierzowym, który może być źródlem sporych oszczędności w przypadku zabezpieczania rozległych hal. Skrzyżowanie każdych dwóch rurek zasysających odpowiada jednej punktowej czujce. Rys.5 Czujki zasysające w układzie macierzowym [4] 4

Pionowe prowadzenie rurek zasysających sprawia, że można ten rodzaj detekcji zastosować do ochrony wysokich przestrzeni. Rozmieszczenie otworów próbkujących na różnych wysokościach pozwoli na wykrycie pożaru mimo stratyfikacji dymu. Wysokie pomieszczenia typu atrium zazwyczaj zabezpieczano za pomocą liniowych czujek dymu na światło pochłonięte, które umieszczano na różnych wysokościach. Metoda wykorzystująca czujki zasysające jest o tyle dogodniejsza, że w przypadku czynności serwisowych komora z detektorem może być dostępna z poziomu podłogi, natomiast serwisant liniowej czujki umieszczonej pod sufitem ma bardzo utrudnione zadanie. Co więcej, duże atria wykonane ze szkła i stali w gorące dni mogą wykazywać nieznaczne odkształcenia termiczne, w wyniku których nastąpi wzajemne przesunięcie nadajnika i odbiornika czujki liniowej, skutkujące sygnalizacją stanu uszkodzenia czujki. Rys.6 Stratyfikacja dymu w atrium [4] Brak detektorów w przestrzeni zabezpieczanej predysponuje czujki zasysające do zabezpieczania obiektów zabytkowych i innych, gdzie estetyka wnętrza odgrywa nadrzędną rolę. Wkomponowanie rurki zasysającej w określonych przypadkach może być łatwiejsze niż zamaskowanie punktowej czujki i przewodów linii dozorowej. 5

Rys.7 Schemat rozmieszczenia detektorów w zabytkowym kościele [4] Rys.8 Otwór próbkujący czujki zasysającej Innym rozwiązaniem znajdującym zastosowanie w obiektach zabytkowych jest zastosowanie bezprzewodowych czujek punktowych. Ukrycie przewodów linii dozorowej niejednokrotnie zmuszało projektantów do nadludzkiego wysiłku intelektualnego i nie zawsze kończyło się sukcesem. Technika bezprzewodowa eliminuje problem okablowania, pozostaje tylko dobór kolorystyki samej czujki, umożliwiający zamaskowanie na tle sufitu. Czujki bezprzewodowe poza detektorem dymu posiadają wbudowany układ nadawczo/odbiorczy oraz baterię zasilającą. Komunikacja z centralą odbywa się poprzez bramkę radiową 6

instalowaną w linii dozorowej. Jeżeli komunikacja z bramką radiową jest niemożliwa, wówczas czujki komunikują się za pośrednictwem innych czujek w systemie. W zależności od producenta parametry systemów bezprzewodowych mogą różnic się miedzy sobą. Systemy firmy Schrack-Seconet, przedstawione na schemacie, umożliwiają współpracę jednej bramki radiowej z trzydziestoma czujkami bezprzewodowymi, zasięg nadajnika w budynku wynosi 40 m, co daje projektantowi dużą swobodę. Firma posiada w swojej ofercie również bezprzewodowy ręczny ostrzegacz pożarowy, współpracujący z bramką radiową na takich samych zasadach jak czujki. System może być monitorowany za pomocą zewnętrznego komputera. Rys.9 Schemat pracy czujek bezprzewodowych w linii dozorowej [3] Wykrycie pożaru za pomocą czujek temperatury następuje z pewnym opóźnieniem w stosunku do innych rodzajów czujek. Niemniej jednak, zastosowanie liniowych czujek temperatury stanowi bardzo dobry sposób detekcji pożarów zewnętrznych. Wykorzystywane m.in. do zabezpieczania instalacji i zbiorników w przemyśle petrochemicznym, tuneli drogowych, kanałów kablowych, drewnianych obiektów zabytkowych. Liniowe czujki temperatur charakteryzują się duża odpornością na warunki atmosferyczne. W zależności od sposobu detekcji można wyróżnić czujki wykorzystujące zmianę parametrów elektrycznych, pneumatyczne oraz czujki światłowodowe. W pieszym przypadku funkcję detektora pełni termoczuły kabel, który pod wpływem temperatury zmienia np. swoją oporność. Zmiana parametru elektrycznego rejestrowania jest przez urządzenie monitorujące. Zasada działania czujek pneumatycznych opiera się na monitorowaniu zmian ciśnienia w elementach detekcyjnych. Elementami detekcyjnymi mogą być np. miedziane rurki wypełnione powietrzem, jak ma to miejsce w przypadku systemów firmy Schrack. Znane są również detektory w postaci rurek z tworzywa sztucznego, które pod wpływem zwiększonej temperatury topi się całkowicie tracąc szczelność. Takie czujki po każdym zadziałaniu wymagają wymiany. Najbardziej zaawansowane technicznie jest rozwiązanie wykorzystujące światłowody. Znajomość praw rozchodzenia się wiązki laserowej w światłowodzie pozwala na pomiar temperatury, określenie miejsca wystąpienia zagrożeń kierunku rozchodzenia się ognia i szerokości strefy. Możliwość lokalizacji miejsca pożaru stanowi podstawowy atut tej czujki w porównaniu do pozostałych liniowych czujek ciepła. Oferowane przez firmę Cerberus światłowodowa czujka FibroLaser II, posiada możliwość zabezpieczania długości 4000 m, umożliwiając określenie miejsca pożaru z dokładnością do 1,5 m [5]. 7

Rys.10 Liniowe czujki ciepła wykorzystujące zmianę parametrów elektrycznych Rys.11 Liniowa pneumatyczna czujki ciepła [3] Fałszywe alarmy generowane przez czujki stanowią zmorę użytkowników systemów sygnalizacji pożarowej. Producenci podejmują rozmaite próby ograniczenia tego niepożądanego zjawiska. Działania producentów skupiają się zarówno na opracowaniu oprogramowania analizującego informacje przekazywana od detektorów zjawisk pożarowych, jak i na implementowaniu nowych typów detektorów. Interesującą propozycję stanowi wielosensorowa czujka firmy Bosch Security Systems - Magic.Sens OTC 410 LSN. Czujka ta posiada w jednej obudowie optyczny sensor dymu, sensor temperatury oraz czujnik chemiczny, wykrywający gazowe produkty spalania tlenek węgla i tlenki azotu. Rys.12 Wielosensorowa czujka dymu [6] Ciekawy sposób eliminacji fałszywych wywoływanych przez owady przedstawili Brytyjczycy. Mianowicie wykorzystali obroże, które zakłada się zwierzętom domowym w celu pozbawienia ich sierści pcheł. Okazało się, że wszelkie owady omijają czujki otoczone 8

takimi obrożami. Trwają prace nad rozwinięciem tego pomysłu i wprowadzeniu go do zastosowań praktycznych. Prezentując sposoby minimalizacji fałszywych pobudzeń czujek nie sposób pominąć ofertę firmy Notifire. Firma wprowadziła na rynek punktowe, laserowe czujki dymu - VIEW, charakteryzujące się bardzo dużą czułością, wielokrotnie przekraczającą czułość tradycyjnych czujek rozproszeniowych. Czułość czujek laserowych, mierzona jako procent osłabienia promieniowania na długości jednego metra, może być nastawiona na jednym z dziewięciu poziomów: 0,06; 0,10; 0,16; 0,33; 0,66; 1,65; 3,24; 4,85; 6,41 [%/m]. Problem fałszywych alarmów, który przy tak wysokich czułościach odgrywa niebagatelną rolę, ograniczany jest poprzez odpowiednie oprogramowanie czujki. W związku z tak dużą czułością oraz odpornością na fałszywe alarmy, producent poleca czujki laserowe do zabezpieczania serwerowni, jako rozwiązanie alternatywne do czujek zasysających. Ekstremalnie zapylone pomieszczenia Notifire proponuje zabezpieczać czujkami punktowymi typu FILTREX. Czujki te wykorzystują detektor rozproszeniowy, układ filtrów oraz wentylator. Całość zamknięta jest w jednej obudowie. Powietrze zanim zostanie poddane analizie w detektorze dymu, zostaje podwójnie filtrowane w celu usunięcia cząstek stałych oraz pary wodnej. Przepływ powietrza wymuszany jest przez wentylator. Czujka posiada zdolność kontroli zabrudzenia filtrów. Rys.13 Czujka Filtrex [7] Przegląd technik detekcji pożaru obrazuje jak wielkie możliwości posiadają współcześni projektanci. Na podstawie przytoczonych rozwiązań można wnioskować, że szybkie i pewne wykrycie pożaru nie powinno stanowić problemu nawet w najbardziej wymagających obiektach. I o ile istnieją potencjalne możliwości techniczne ku temu, to pozostaje jeszcze nieodłączna kwestia ekonomicznego wymiaru bezpieczeństwa. Jak we wszystkich dziedzinach życia jakość jest proporcjonalna do ceny. Pocieszające jest to, że dynamiczny rozwój techniczny oraz zdrowa konkurencja między firmami wymusza ciągłe wdrażanie nowych rozwiązań, dzięki czemu to dzisiaj kosztuje stosunkowo dużo, jutro może być po przystępnej cenie. Literatura: [1] PN-E-08350-14 - Systemy sygnalizacji pożarowej. Projektowanie, zakładanie, odbiór, eksploatacja i konserwacja instalacji. [2] Fire Engineer Jurnal No flies on us January 2004 [3] Materiały informacyjne firmy Schrack-Seconet [4] Materiały informacyjne firmy AirSense Technology Ltd [5] Materiały informacyjne firmy Cerberus [6] Materiały informacyjne firmy Bosch Security Systems [7] Materiały informacyjne firmy Elacompil 9