MODELOWY SYSTEM DO BADAŃ OSŁON PRZECIWWIETRZNYCH Z CZUJKAMI DYMU Tomasz SAMBORSKI, Andrzej ZBROWSKI, Stanisław KOZIOŁ Bezpieczeństwo pożarowe w odniesieniu do obiektów technicznych obejmuje szeroki zakres rozwiązań zapobiegających powstaniu pożaru, jego rozprzestrzenianiu się oraz minimalizujących skutki oddziaływania czynników towarzyszących. Zgodnie z ustawą o ochronie przeciwpożarowej, przez zapobieganie powstaniu i rozprzestrzenianiu się pożaru, rozumie się: zapewnienie warunków ochrony technicznej nieruchomościom i ruchomościom, tworzenie warunków organizacyjnych i formalnoprawnych zapewniających ochronę ludzi i mienia, a także przeciwdziałających powstaniu lub minimalizujących skutki pożaru. Rozwiązaniami poprawiającymi poziom bezpieczeństwa pożarowego są zabezpieczenia bierne i czynne. Do zabezpieczeń biernych zaliczamy: podział na strefy pożarowe, stosowanie oddzieleń przeciwpożarowych, zapewnianie odpowiedniej odległości pomiędzy obiektami, stosowanie niepalnych lub nierozprzestrzeniających ognia elementów wystroju wnętrz [1]. Zabezpieczenia czynne tworzą m.in.: systemy sygnalizacji pożaru [2], stałe urządzenia gaśnicze, systemy usuwania dymu i ciepła [3], gaśnice. System sygnalizacji pożarowej, stanowiący podstawę zabezpieczeń czynnych, ma na celu: wykrycie pożaru w początkowej fazie, powiadomienie służb ochrony obiektu o zaistniałej sytuacji pożarowej, wyłączenie układów klimatyzacyjnych i wentylacyjnych, włączenie urządzeń oddymiających, włączenie instalacji rozgłaszania alarmowego, uruchomienie systemów gaśniczych, sterowanie innymi urządzeniami w obiekcie mającymi wpływ na bezpieczeństwo ludzi. Podstawowymi elementami systemu sygnalizacji pożarowej są czujki pożarowe [4], [5], wykrywające obecność dymu, płomienia, zmianę temperatury oraz czujki reagujące na kilka oznak pożaru. Najczęściej stosowanymi czujkami są czujki dymu. W większości przypadków to właśnie dym, stanowiący największe zagrożenie dla użytkowników obiektów, jest pierwszą oznaką rozwoju niekontrolowanego procesu spalania w obiekcie. Oddziaływanie termiczne stanowi zagrożenie przede wszystkim dla obiektu i jego wyposażenia, a w mniejszym stopniu dla przebywających w nim ludzi. Sprawnie działające systemy wentylacji mogą skutecznie odprowadzać dym z pomieszczeń, w których powstało ognisko pożaru. W związku z tym konieczne jest monitorowanie powietrza przepływającego przez system kanałów wentylacyjnych. W kanałach ze względu na zmienny przekrój, szybki ruch powietrza i zanieczyszczenia, bezpośrednie zainstalowanie samej czujki nie jest możliwe, ponieważ spowodowałoby to powstawanie dużej liczby fałszywych alarmów lub wskazywanie stanu uszkodzenia czujki przez centralę sygnalizacji pożarowej. W związku z tym czujki umieszczane są w osłonach przeciwwietrznych (rys. 1) tworzących komorę zawierającą czujkę dymu, do której doprowadza się niewielką część powietrza przepływającego przez kanał. Rys. 1. Rozwiązania konstrukcyjne osłon przeciwwietrznych czujek dymu [6], [7] Wraz z rurkami zasyłającą i wylotową stanowi ona układ obejściowy powietrza tak, że przekrój kanału, ze względu na małą średnicę wprowadzonych do kanału rurek, jest zmniejszony w minimalnym stopniu, a prędkość powietrza w komorze z czujką jest mniejsza niż w kanale ze względu na dużą różnicę przekroju rurek i komory (rys. 2). Rys. 2. Schemat instalacji czujki dymu z wykorzystaniem osłony przeciwwietrznej Niesprawne, niewłaściwie dobrane lub zaprojektowane elementy systemu sygnalizacji pożarowej mogą prowadzić do opóźnionego wykrycia lub niewykrycia pożaru, niezadziałania elementów wykonawczych systemu oraz powstawania fałszywych alarmów [8]. Z tego względu istotnego znaczenia nabiera opracowanie systemu badań, w tym certyfikujących, osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu przeznaczonych do instalowania w systemach przeciwpożarowych. 33
3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Procedury badań Badania osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu przeprowadza się zgodnie z postanowieniami obowiązujących norm [9], [10]. Podstawowymi badaniami decydującymi o dopuszczeniu do zastosowania czujek dymu oraz osłon przeciwwietrznych w systemach sygnalizacji pożarowej są: pomiar wartości progu zadziałania oraz czułość pożarowa. Ze względu na warunki mogące zaistnieć w kanałach, osłony przeciwwietrzne powinny zapewniać prawidłową pracę czujek przy następujących warunkach środowiskowych: prędkość powietrza od 1 m/s do 25 m/s, zakres temperatur pracy od -25 C do +70 C, wilgotność względna powietrza do 95% przy 40 C. Badania powinny być przeprowadzane w badawczym kanale wentylacyjnym o określonym przekroju połączonym z testową komorą spalania. Do określania zdolności detekcji osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu do wykrywania dymu w przepływającym powietrzu wykorzystuje się dziewięć pożarów testowych oznaczonych od TF-1 do TF-9. Standardowe pożary testowe (tab. 1) charakteryzują rodzaj spalanej substancji oraz opisują towarzyszące jej spalaniu efekty (temperatura, zadymienie, konwekcja ciepła). Rodzaj pożaru testowego (rys. 3) użytego w badaniach osłon odzwierciedla rodzaj czynników, które służą do jego detekcji. Kierunek i prędkość rozwoju pożaru zależy głównie od warunków środowiskowych, silnie zmieniających się wraz z jego rozwojem, a także od rodzaju i stanu palącego się materiału. W warunkach rzeczywistych dwa pożary nie są nigdy identyczne, dlatego też istotne jest stworzenie warunków pozwalających na jednoznaczną ocenę elementów systemu wykrywania pożaru. Rys. 3. Fotografie przykładowych pożarów testowych [12] W celu określenia wpływu warunków eksploatacji osłonę wraz z czujką poddaje się badaniom funkcjonalnym w kanale dymowym przed i po poddaniu określonym narażeniom klimatycznym i elektromagnetycznym. Tabela. 1. Standardowe pożary testowe [9], [10], [11] pożar testowy TF-1 TF-2 rodzaj pożaru drewna szybkie tlenie się drewna materiał palny przyrost ciepła konwekcja cieplna emisja dymu charakterystyka dymu drewno silny silna tak ciemny drewno pomijalny słaba tak TF-3 tlenie się bawełny bawełna pomijalny bardzo słaba tak TF-4 TF-5 TF-6 TF-7 TF-8 TF-9 tworzywa sztucznego n-heptanu etanolu powolne tlenie się drewna dekaliny tlenie się złożonej bawełny poliuretan silny silna tak bardzo ciemny n-heptan silny silna tak bardzo ciemny etanol silny silna brak brak drewno pomijalny słaba tak dekalina pomijalny słaba tak bardzo ciemny bawełna pomijalny słaba tak 34
Struktura systemu Ze względu na dużą różnorodność wymuszeń, jakim poddawane są czujki dymu podczas eksploatacji, konieczne było opracowanie systemu [13], [14], który umożliwiłby przeprowadzenie kompleksowych badań (w opisanym zakresie) w kontrolowanych, powtarzalnych warunkach. Opracowany system (rys. 4) pozwala na badanie osłon przeciwwietrznych o różnej konstrukcji (metalowe, kompozytowe, polimerowe) oraz sposobie montażu w zakresie następujących parametrów: A. Wymuszenia mechaniczne Prędkość zadymionego powietrza do 25 m/s. B. Pomiar parametrów zadymionego powietrza w kanale: prędkości, temperatury, wilgotności. Przy projektowaniu przyjęto koncepcję modułowej budowy systemu pozwalającej na: wykorzystanie rozwiązań aplikowanych we wcześniej opracowanych urządzeniach, łatwy demontaż segmentów celem czyszczenia z nagromadzonych produktów spalania, dogodny transport wielkogabarytowego urządzenia w miejsce eksploatacji. moduł laminaryzacji przepływu powietrza, moduły klap sterujących obiegiem powietrza. Rys. 5. Widok testowego kanału wentylacyjnego: 1 kanał testowy, 2 moduł wentylatora, 3 komora pomiarowa, 4 przepusty, 5 moduł laminaryzacji przepływu Przekrój poprzeczny kanału o wymiarach 300x500 mm i długości ponad 10 m pozwala na uzyskanie ustabilizowanego przepływu powietrza z prędkością do 25 m/s. Przenośna konstrukcja wsporcza kanału wykonana z profili zamkniętych pozwala na prosty montaż w miejscu docelowej eksploatacji. Ukształtowanie kanału pozwala na cyrkulacyjny obieg zadymionego powietrza pobieranego z testowej komory spalania przez komorę pomiarową (rys. 6) z zamontowaną osłoną przeciwwietrzną. Różnorodność oferowanych na rynku osłon przeciwwietrznych przeznaczonych do zastosowania w systemach ppoż. zdecydowała o konieczności zaprojektowania dwóch komór pomiarowych z gniazdami do montażu detektorów prędkości, temperatury i wilgotności przepływającego, zadymionego powietrza. Rys. 4. Schemat systemu do badania siłowników: 1 kanał testowy, 2 komora spalania, 3 komora pomiarowa System badawczy do testowania osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu składa się z następujących modułów funkcjonalnych: testowa komora spalania, testowy kanał wentylacyjny, komora pomiarowa, moduł wymiany powietrza, przepusty elektromechaniczne, moduł kontrolno-pomiarowy. Podstawowym elementem systemu służącym do zapewnienia stałych warunków środowiskowych (prędkość strugi powietrza, zadymienie) towarzyszących badaniu osłony przeciwwietrznej jest zamocowany na przestrzennej ramie testowy kanał wentylacyjny (rys. 5), w skład którego wchodzą następujące podzespoły: moduł wentylatora o zmiennym wydatku, moduły komór pomiarowych, Rys. 6. Komora pomiarowa: a) widok od strony operatora, b) widok z tyłu: 1 badana osłona przeciwwietrzna, 2 czujnik pomiaru prędkości strugi powietrza, 3 czujnik pomiaru temperatury i wilgotności Każda z komór została wyposażona w trzy okna. Dwa przeszklone umieszczone w przeciwległych ścianach pozwalają na zastosowanie różnych technik pomiaru zadymienia przepływającego powietrza: densytometrii transmisyjnej oraz densytometrii refleksyjnej. Trzecie okno przeznaczone jest do mocowania badanych osłon przeciwwietrznych zgodnie z zaleceniami producenta. Sposób mocowania, średnica i rozmieszczenie rur łączą- 35
3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu cych komorę pomiarową z przestrzenią kanału wentylacyjnego zależą od konkretnego dostawcy. W opracowanym rozwiązaniu zastosowano łatwo wymienne, proste i tanie w wykonaniu panele wykonywane indywidualnie na potrzeby przeprowadzenia procedury badawczej. Montaż i demontaż odbywa się z wykorzystaniem zacisków szybkomocujących zapewniających niezbędną szczelność połączenia komory pomiarowej z panelem z zamocowaną osłoną przeciwwietrzną. Połączenie komór pomiarowych z kanałem testowym zrealizowane jest w technologii kołnierzowej typowej dla instalacji wentylacyjnych. W przypadku komory o przekroju 300 mm x 500 mm następuje bezpośrednie połączenie kołnierzy z kanałem wentylacyjnym. Przy zastosowaniu w badaniach komory o przekroju 300 mm x 700 mm pośrednimi elementami łączącymi są wyprofilowane dyfuzory i konfuzory (rys. 7). w sterowane elektromechanicznie przesłony wielopłaszczyznowe odporne na działanie temperatury do 120 C. Rys. 8. Widok modułu rozdziału strugi powietrza: 1 trójnik z kierownicą powietrza, 2 napęd obrotowy kierownicy, 3 kierownica Rys. 7. Widok wymiennej komory pomiarowej (300 x 700 mm): 1 komora, 2 dyfuzor, 3 konfuzor W projektowanym stanowisku badawczym zastosowano trzy, wzajemnie się uzupełniające, rozwiązania zmierzające do zapewnienia zadanej (w zakresie od 1 do 25 m/s) prędkości strugi powietrza w kanale testowym. Pierwsze z nich polega na zastosowaniu wentylatora o zmiennym wydatku pozwalającym na sterowanie prędkością w jej górnym zakresie zmienności. W zakresie zmienności na poziomie kilku metrów na sekundę możliwe jest sterowanie przez dławienie przepływu na wlocie wentylatora z wykorzystaniem przesłony wielopłaszczyznowej. Trzecim elementem pozwalającym na sterowanie zarówno prędkością powietrza, jak również ilością dymu przepływającego przez komorę testową jest moduł rozdziału strugi powietrza (rys. 8). W module tym zastosowano przesłonę pozwalającą na skierowanie części strugi powietrza do kanału równoległego do zasadniczego kanału testowego. Napęd kierownicy powietrza stanowi siłownik obrotowy stosowany w systemach wentylacji przeciwpożarowej wyposażony w system indeksacji położenia. System mocowania kierownicy do wału napędowego siłownika pozwala na łatwy sposób wymiany przesłony w celu zmiany jej geometrii lub oczyszczenia z nagromadzonych osadów znajdujących się w zadymionym powietrzu. Połączenie stanowiska badawczego z komorą spalania odbywa się przez dwa moduły (rys. 9) wyposażone Rys. 9. Widok modułu przyłączeniowego: 1 przesłona wielopłaszczyznowa, 2 napęd obrotowy Rys. 10. Widok modułu wymiany powietrza: 1 kanał dolotowy, 2 kanał wylotowy, 3 nagrzewnica, 4 przepusty wielopłaszczyznowe Do realizacji ruchu przesłon zastosowano napędy obrotowe wyposażone w system indeksacji położenia pozwalający na monitorowanie stopnia otwarcia/zamknięcia klap decydującego o wielkości strumienia zadymionego powietrza dostarczanego do kanału testowego. 36
Wykonanie każdej próby wymaga usunięcia z kanału pozostałości dymu mogącego fałszować wyniki badań. Procedura wymiany powietrza w kanale polega na otwarciu przepustu wielopłaszczyznowego umożliwiającego wypływ dymu do atmosfery przy jednoczesnym dostarczaniu świeżego powietrza (rys. 10). Dla uniknięcia kondensacji pary wodnej w kanale dostarczane powietrze jest wstępnie ogrzewane w nagrzewnicy przepływowej o regulowanej temperaturze. Konfiguracja modułu kontrolno-pomiarowego (rys. 11) obejmuje komputer PC z zaimplementowanym specjalizowanym oprogramowaniem współpracującym ze sterownikiem PLC pozwalającym na realizację wszystkich niezbędnych funkcji pomiarowych i sterujących wynikających z opracowanych procedur badawczych. Wyodrębnione w procesie projektowania moduły pozwoliły na elastyczne uruchamianie poszczególnych układów na etapie poprzedzającym integrację sprzętową i programową. Opracowana modułowa konstrukcja stwarza możliwość rekonfiguracji systemu w zakresie zmiany przekroju poprzecznego komory pomiarowej i wyposażenia pomiarowego. Rys. 12. Model 3D stanowiska do badania osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu Rys. 11. Struktura systemu kontrolno-pomiarowego Podstawowe zadania modułu kontrolno-pomiarowego pozwalają na: regulację prędkości powietrza przepływającego przez komorę pomiarową, sterowanie obiegiem powietrza w testowym kanale wentylacyjnym, pomiary wartości progu zadziałania oraz czułości pożarowej, generowanie wykresów charakterystyk pracy czujek dymu. Prototyp stanowiska do badania siłowników Przyjęta metodyka badań pozwoliła na opracowanie modelu 3D stanowiska (rys. 12), umożliwiając przeprowadzenie analizy funkcjonalnej poszczególnych modułów. Na podstawie opracowanego modelu 3D wykonano prototyp stanowiska do badania osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu stosowanych w systemach ppoż. (rys. 13). Rys. 13. Prototyp stanowiska badawczego Oprogramowanie sterujące Uwzględniając parametry zastosowanych elementów wykonawczych i pomiarowych, opracowano szczegółowe algorytmy pracy modułu kontrolno-pomiarowego pozwalające na realizację założonych procedur badawczych. Opracowane algorytmy pozwoliły na powstanie oprogramowania obejmującego graficzny interfejs użytkownika oraz procedury sterujące i pomiarowe. Specjalizowana aplikacja (rys. 14) (opracowana w języku Delphi) zaimplementowana na komputerze PC z systemem Windows pozwala użytkownikowi na prowadzenie prac badawczych wg obowiązujących norm i przepisów z możliwością wprowadzania zmian parametrów testów wynikających z indywidualnych potrzeb (rys. 16). 37
3/2012 Technologia i Automatyzacja Montażu Parametry te, zgodnie z opracowaną procedurą badań, weryfikowane są po zakończeniu każdej z prób polegającej na poddaniu czujki określonemu narażeniu mechanicznemu lub środowiskowemu (m.in. promieniowanie elektromagnetyczne, zmienna temperatura, wilgotność). Wszystkie wprowadzone przez użytkownika parametry przekazywane są do sterownika PLC nadzorującego przebieg realizowanych procedur badawczych. System kontrolno-pomiarowy stanowiska do badań i diagnostyki czujek dymu zainstalowanych w osłonach przeciwwietrznych zbudowano na bazie sterownika Siemens z oprogramowaniem Step7. Rys. 14. Okno programu obsługi stanowiska do badań osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu Podstawowym przeznaczeniem stanowiska jest prowadzenie badań certyfikacyjnych dopuszczających osłony przeciwwietrzne z czujkami dymu do stosowania w systemach ppoż. Z tego względu konieczna jest jednoznaczna identyfikacja badanego obiektu w trakcie całego, długotrwałego procesu certyfikacji. Dopiero po wprowadzeniu danych obiektu (rys. 15), zgodnie z obowiązującym w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej w Józefowie systemem identyfikacji, użytkownik ma możliwość sprawdzenia i zarejestrowania podstawowych parametrów pracy istotnych z punktu widzenia przyszłego zastosowania: wartości progu zadziałania oraz czułości pożarowej. Wnioski Wadliwe działanie elementów systemu sygnalizacji pożarowej może prowadzić do opóźnionego wykrycia lub niewykrycia pożaru oraz generowania fałszywych alarmów. Zagrożenia te mogą doprowadzić do rozprzestrzenienia się pożaru na cały chroniony obiekt, zwiększonej liczby ofiar i poszkodowanych oraz strat materialnych. Opracowany modelowy system badania osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu pozwala na weryfikację dwóch istotnych parametrów: wartości progu zadziałania oraz czułości pożarowej. Skomputeryzowany system kontrolno-pomiarowy umożliwia prowadzenie badań powtarzalności parametrów czujek w ściśle określonych warunkach. Opracowany system badań pozwoli, w szerszym niż dotychczas zakresie zmienności prędkości przepływu zadymionego powietrza, na jednoznaczną ocenę (potwierdzoną certyfikatem) przydatności badanych elementów do zastosowania w systemach sygnalizacji ppoż. Zastosowane rozwiązania sprzętowe i programowe stanowią kontynuację realizowanych prac obejmujących obszar szeroko rozumianego bezpieczeństwa obiektów technicznych. LITERATURA Rys. 15. Okno podprogramu wprowadzania danych o badanym obiekcie Rys. 16. Okno podprogramu wprowadzania parametrów pracy układów wykonawczych stanowiska badawczego 1. PN-ISO 8421-2. Ochrona przeciwpożarowa. Terminologia. Budowlane środki ochrony przeciwpożarowej. 2. PN-EN 54-1:1998. Systemy sygnalizacji pożarowej. Wprowadzenie, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa 1998. 3. Mizieliński B.: Systemy oddymiania budynków. Wentylacja. WNT, Warszawa 1999. 4. Ciszewski J.: Elementy systemu sygnalizacji pożarowej. Punktowa czujka dymu jonizacyjna. Ochrona Mienia i Informacji nr 5/2007. 5. Ciszewski J.: Elementy systemu sygnalizacji pożarowej. Optyczne czujki dymu. Ochrona Mienia i Informacji nr 6/2007. 6. http://www.polon-alfa.com.pl 7. http://www.tycofis.co.uk 8. Wnęk W., Tuzimek Z., Kustra P.: Laboratorium technicznych systemów zabezpieczeń. Wydawnictwo SGSP, Warszawa 1999. 9. PN-EN 54-7:2004. Części składowe automatycznych urządzeń sygnalizacji pożarowej. Punktowe 38
czujki dymu. Czujki dymu pracujące na zasadzie światła rozproszonego, światła przechodzącego oraz na zasadzie jonizacji. 10. ISO/TS 7240 9: 2006.r. Części składowe automatycznych urządzeń sygnalizacji pożarowej. Testy pożarowe dla detektorów. 11. Markowski W.: Czułość czujek pożarowych. Systemy alarmowe nr 2/2008. 12. Honeywell Life Safety Austria GmbH, Sp. z o.o. Przedstawicielstwo w Polsce. 13. Samborski T., Kozioł S., Zbrowski A., Stępień P.: Koncepcja modelowego systemu do badań osłon przeciwwietrznych z czujkami dymu. Problemy Eksploatacji nr 1/2012, s. 135-148. 14. Testing Procedures for the LPCB Approval and Listing of Duct Smoke Detectors Using Point Smoke Detectors, BRE Global Ltd., 2007. Dr inż. Tomasz Samborski, dr inż. Andrzej Zbrowski oraz dr inż. Stanisław Kozioł są pracownikami Instytutu Technologii Eksploatacji Państwowego Instytutu Badawczego w Radomiu.