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. 1.2. 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. 1.3. 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
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. 7 000 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.
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 = 1000 40 2 = 0.625 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 0.042 = 2.5 = 1417kW (2.2) 2 0.0422 Czas do osiągnięcia przez pożar kosza wyliczonej mocy obliczony jest następująco: ( Q t = α ) 1/2 ( 1417 ) 1/2 = = 48s (2.3) 0.625 W 48 s zapaleniu ulega stos palet i wówczas współczynnik α jest sumą wartości 0.625 dla kosza; 0.044 dla palet drewnianych oraz 0.18 dla palet polipropylenowych. Łącznie daje to α = 0.849. 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 01.25.2017 opracowany przez Zbigniewa Ciesielskiego 3
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 = 980 + 1400 + 4000 = 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 = 7 + 6380 0.849 = 94 s (2.8) Powierzchnia pożaru to suma powierzchni płonących materiałów wynosząca 3m 2. Powierzchniowa gęstość pożaru obliczona jest zgodnie z zależnością: Q = 6380 3 Efektywna średnica pożaru wynosi zatem: D = = 2126 kw m 2 (2.9) [ 4 6380 ] 1/2 = 1, 95 m 2 π 2126 (2.10) Wysokość wirtualnego źródła pożaru od postawy pożaru, liczona zgodnie zależnością wynosi: z 0 = 0.083 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
Wzrost temperatury w warstwie podsufitowej liczony jest odpowiednio (liczone dla strefy 1): T = T 0 + K Q c 0.5 4466 = 293 + c p ṁ p 1.00 44.69 = 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 1 8.56 m 44.69 kg/s 343 K 2 8.56 m 44.69 kg/s 343 K 3 5 m 21.51 kg/s 396 K 4 3.9 m 16.41 kg/s 429 K 5 3.9 m 16.41 kg/s 429 K 6 3.9 m 16.41 kg/s 429 K
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). 54 24 60 68 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 2 3 4 5 6 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 2 17 1 5x5 7 8 7.5 A v - powierzchnia klap dymowych A i - powierzchnia otworów napowietrzających 2 - brama używana jako otwór napowietrzający Rysunek 3.1. Podział budynku na strefy dymowe. 3.1. 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
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 2 2 55 m 2 35 m 2 3 12 m 2 25 m 2 4 6 m 2 24 m 2 5 6 m 2 24 m 2 6 6 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 1 44.85 kg/s 44.69 kg/s TAK 2 44.85 kg/s 44.69 kg/s TAK 3 26.52 kg/s 21.51 kg/s TAK 4 16.58 kg/s 16.41 kg/s TAK 5 16.58 kg/s 16.41 kg/s TAK 6 16.58 kg/s 16.41 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
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, 7. 3.3. 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 2 19.25 2 35 m 2 19.25 3 25 m 2 13.75 4 24 m 2 13.20 5 24 m 2 13.20 6 24 m 2 13.20 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
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. 3.5. 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. 3.6. 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
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