Wpływ efektu komina termicznego na układ różnicowania ciśnień w przestrzeni pionowych dróg ewakuacyjnych
Poprawne działanie systemów oddymiania i ochrony przed zadymieniem pionowych dróg ewakuacji nabiera szczególnego znaczenia w przypadku budynków wysokich, w których podjęcie akcji ratunkowej z zewnątrz budynku jest utrudnione lub niemożliwe.
W budynkach wysokich proces projektowania wentylacji pożarowej, spełniającej znormalizowane wymagania w przestrzeniach chronionych, ulega komplikacji. Dzieje się tak ze względu na znaczący wpływ zjawisk związanych z różnicą gęstości powietrza gorącego i zimnego, prędkością wiatru i wpływem ruchu wind w szybach windowych.
Prace nad zniwelowaniem nie do końca rozpoznanego wpływu tych czynników na system wentylacji pożarowej mogą iść w dwóch różnych kierunkach. Jedną z dróg jest opracowanie stabilizującego układu automatycznej regulacji, opartego na współdziałaniu czujników pomiarowych i elementów sterowania, tak aby zachowane były stałe wartości nadciśnienia na każdej kondygnacji, niezależnie od zakłóceń [1]. Innym podejściem jest droga eksperymentalnego bądź symulacyjnego poznania wpływu niekorzystnych zjawisk i ich minimalizacja poprzez odpowiednie dostosowanie układu sterującego. Wzajemna integracja tych dwóch kierunków poprzez współpracę naukowców i inżynierów - konstruktorów powinna ograniczyć nakłady inwestycyjne, a zarazem podnieść bezpieczeństwo funkcjonowania obiektów z tego typu systemem wentylacji pożarowej.
W artykule poruszony został aspekt minimalizacji wpływu „komina termicznego” na układ różnicowania ciśnień w klatkach schodowych wysokich budynków przy użyciu analizy numerycznej CFD, uwzględniającej dotąd pomijane efekty.
Warunki spełniane przez wentylację pożarową
Celem systemu różnicowania ciśnień [2] powinno być ograniczenie rozprzestrzeniania się dymu z jednej przestrzeni budynku do drugiej przez nieszczelności w przegrodach fizycznych lub przez otwarte drzwi. Rozwiązanie takie daje możliwość zachowania bezpiecznych warunków przebywania w przestrzeniach chronionych, gdzie wymagane jest zabezpieczenie stanu wolnego od dymu. Zgodnie z normą PN-EN 12101-6, przy założeniu zamkniętych drzwi ewakuacyjnych w całym pionie klatki schodowej, do momentu rozpoczęcia ewakuacji musi zostać utrzymane nadciśnienie w stosunku do przestrzeni sąsiedniej rzędu 50 Pa z dokładnością ±10%. Występujące nadciśnienie zabezpiecza przestrzeń chronioną przed zadymieniem, jednak równocześnie może zwiększać siłę potrzebną do otwierania drzwi. Zapisany w normie warunek siły, potrzebnej do otwarcia drzwi na każdej kondygnacji, mówi iż nie może ona przekroczyć 100 N. Natomiast w chwili ich otwarcia, minimalna prędkość wpływu powietrza do obszaru objętego pożarem powinna wynosić 0,75÷2,0 m/s. Jeżeli opisane normą warunki są spełnione, możemy uznać, że system wentylacji został prawidłowo zaprojektowany.
Niestety, uzyskanie prawidłowego rozkładu ciśnienia w klatce schodowej może w pewnych warunkach stanowić trudność. O ile poruszające się windy, działając jak tłoki, mogą skutecznie przemieszczać dym i należy je w sytuacji wystąpienia alarmu sprowadzić na poziom parteru, to w przypadku zmiennych warunków atmosferycznych lub podmuchów wiatru, wahania ciśnienia możemy kompensować jedynie poprzez zmianę wydajności pracujących wentylatorów.
Podstawowe zagadnienia
W pewnych skrajnych warunkach, zarówno w zimie, jak i latem powstaje tzw. efekt kominowy, wynikający z różnic gęstości powietrza na zewnątrz i wewnątrz budynku. Maksymalne różnice gęstości występują zimą, gdy temperatura zewnętrzna spada możliwie nisko. Bywa, że w klatce schodowej brakuje klap upustowo-nadciśnieniowych lub istniejące działają wadliwie. W takich przypadkach na ostatnich kondygnacjach może utrzymywać się nadciśnienie dochodzące do 100 Pa dla 70-metrowego budynku.
Skalę zjawiska dobrze opisuje przybliżony wzór (1). Natomiast jeżeli w górnej przestrzeni klatki schodowej klapy wentylacyjne są otwarte i ciepłe powietrze wydostaje się nimi z budynku, to na poziomie parteru występuje podciśnienie, które jest zjawiskiem niepożądanym. Przepływ powietrza poprzez nieszczelności w obrębie parteru przy zamkniętych drzwiach wejściowych, nie jest w stanie zrównoważyć strumienia wydostającego się powietrza. Na pewnej wysokości powstaje więc płaszczyzna neutralna [3], gdzie ciśnienia wewnętrzne i zewnętrze są sobie równe, co pokazano na rysunku 1. Jeśli taka sytuacja występuje, w wypadku pożaru może nastąpić zassanie dymu z pomieszczeń do klatki schodowej, a następnie rozproszenie w całej kubaturze budynku. Różnicę ciśnień na wysokości x określa różnica ciężaru słupa zimnego i ciepłego powietrza, wyrażana jako:
Δp(x) = (ρext – ρint) * g * x
gdzie:
- Δp - różnica ciśnień [Pa],
- ρext – gęstość powietrza zewnętrznego [kg/m2],
- ρint – gęstość powietrza wewnętrznego [kg/m2],
- g – przyśpieszenie ziemskie [m/s2],
- x – wysokość budynku [m].
- Symulacje przy pomocy narzędzi CFD
- Analiza rozkładu ciśnienia
Podsumowanie
Ujednolicenie procedury odbiorowej w opracowywanej obecnie normie EN 12101-13 może doprowadzić do pozytywnych zmian w sposobie projektowania i skuteczności działania instalacji pożarowych, co niewątpliwie przyczyni się do realnej poprawy bezpieczeństwa funkcjonowania budynków.
W takiej sytuacji należy spodziewać się jeszcze większego zainteresowania metodami numerycznymi w symulacjach różnych układów przepływowych oraz zadymienia na drogach ewakuacyjnych. Należy pamiętać, iż wsparcie w postaci stosowania różnych pakietów CFD jest jedynie symulacją, która powinna być zweryfikowana na rzeczywistym obiekcie, najlepiej jeszcze przed rozpoczęciem prac nad systemem ochrony pożarowej. Po wykonanej weryfikacji i określeniu stopnia wrażliwości wyniku symulacji w zależności od przyjętych uproszczeń, można z założoną dokładnością przewidzieć stan pracy układu wentylacji pożarowej w obiekcie, a przy obliczeniach niestacjonarnych można uzyskać wynik w postaci odpowiedzi dynamicznej.
Aktualnie Firma MERCOR opracowuje autorski system różnicowania ciśnienia w pionowych drogach ewakuacyjnych.
Autor: Witold ZAKRZEWSKI, Piotr ZAWADZKI
Pełny artykuł w miesięczniku CH&K nr 3-2011
