CC BY
39
st. kpt. mgr inz. Przemyslaw KUBICA Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej bryg. dr inz. Waldemar WN^K Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej
ANALIZA ROZKLADU ST^ZEN TLENU PODCZAS GASZENIA POMIESZCZENIA AZOTEM, PRZY WYMUSZONYCH RUCHACH POWIETRZA
Analysis of distribution of oxygen concentrations during fire extinction in the enclosure by nitrogen with forced air condition
Streszczenie:
Technologia gaszenia pozarow gazami gasniczymi stosowana jest do zabezpieczania mienia wysokiej wartosci. Wspolczesnie jest to najcz^sciej spotykany sposob zabezpieczania serwerowni, archiwow lub magazynow muzealnych. Skutecznosc gaszenia gazem zalezy od utrzymania st^zenia gazu gasniczego przez wymagany czas. Zbyt wczesny wzrost st^zenia tlenu moze spowodowac nawrot pozaru i zniszczenie zabezpieczanego mienia. Mieszanie gazow po wyladowaniu, za pomoc^ za pomoc^ klimatyzatorow pracuj^cych bez dostarczania swiezego powietrza, moze wydluzyc czas retencji. W artykule przedstawiono ^niki badan czasu retencji azotu, przy wybranych wydajnosciach klimatyzacji i powierzchniach nieszczelnosci w pomieszczeniu. Stwierdzono, ze wzrost intensywnosci klimatyzacji do okreslonej wartosci granicznej, wydluza czas retencji. Powyzej tej wartosci, czas retencji pozostaje bez zmian.
Summary:
Gas fire extinguishing technology is used to protect high value assets. Today it is the most common way of securing the server room, archives and museum stores. Gas extinguishing effectiveness depends on maintaining a fire-extinguishing gas concentration for the required time - retention time. Too early increase in oxygen concentration can cause a recurrence of fire and destruction of protected property. Mixing of gas after the discharge, using air conditioners operating without fresh air supply, may extend the retention time. The article presents the results of the retention time of nitrogen with selected air conditioning efficiency and selected areas of leakage in the room. It was found that the increase in the intensity of conditioning to a certain limit, increases the retention time. Above this value, the retention time remains unchanged. While too low intensity conditioning does not ensure uniform mixing of extinguishing gases in the protected space.
Slowa kluczowe: retencja, czas utrzymania st^zenia, SUG gazowe, czyste srodki gasnicze; Keywords: retention, hold time, fixed gas fire extinguishing systems, clean agent;
Gaszenie pozarow gazami znajduje szerokie zastosowanie w zabezpieczaniu mienia wysokiej wartosci, wrazliwego na dzialanie innych srodkow gasniczych. Gazy gasnicze obecnie stosowane w stalych urz^dzeniach gasniczych mozna podzielic na trzy grupy: dwutlenek w?gla, chlorowcopochodne w?glowodorow i gazy oboj?tne. Zgodnie z nomenklatura wprowadzon^ przez NFPA (National Fire Protection Association) chlorowcopochodne w?glowodorow i gazy oboj?tne nosz^ nazw? „czyste srodki gasnicze". Dwutlenek wqgla jest gazem, ktorego historia zastosowan w ochronie przeciwpozarowej si?ga, podobnie jak w przypadku halonow, pocz^tku XX wieku. Skutecznosc gasnicza urz^dzen na dwutlenek w?gla byla wielokrotnie potwierdzona w rzeczywistych sytuacjach. Podstawow^ wad^ dwutlenku w?gla jest jego szkodliwy wplyw na organizm ludzki. Chlorowcopochodne wqglowodoröw nazywane s^ rowniez zamiennikami halonow, poniewaz posiadaj^ szereg cech wspolnych z halonami. Zbudowane s^ najcz?sciej na bazie metanu CH4 lub etanu C2H6 , w ktorych jeden lub wszystkie atomy wodoru zast^pione zostaly atomami chloru, fluoru, jodu lub odpowiednimi kombinacjami. Gazy oboj&ne stosowane do celow gasniczych to azot, argon ich mieszaniny, w jednym przypadku z niewielk^ domieszk^ CO2. Gazy oboj?tne posiadaj^ cechy zdecydowanie rozni^ce je od halonow. Ich dzialanie gasnicze polega na obnizeniu st?zenia tlenu w zabezpieczanym pomieszczeniu. Glown^ zalet^ gazow oboj?tnych jest brak szkodliwego oddzialywania na srodowisko. Stanowi to istotn^ przewag? nad zamiennikami halonow, ktore wprawdzie nie niszcz^ warstwy ozonowej, ale przyczyniaj^ si? do intensyfikacji efektu cieplarnianego.
Gaz gasniczy wyladowany do pomieszczenia, aby zapewnic skuteczne ugaszenie pozaru, musi byc utrzymywany w kubaturze pomieszczenia przez wymagany czas, tzw. czas retencji. W zwi^zku z roznic^ g?stosci gazu gasniczego i otaczaj^cego powietrza, po wyladowaniu nast?puje wyplyw gazu gasniczego i obnizanie jego st?zenia obj?tosciowego a wzrost st?zenia tlenu, spowodowany naplywem powietrza z zewn^trz. Szybkosc wzrostu st?zenia tlenu w pomieszczeniu zalezy od powierzchni nieszczelnosci w przegrodach pomieszczenia, g?stosci gazu gasniczego oraz ruchow wszystkich gazow wewn^trz pomieszczenia. Wsrod gazow gasniczych obecnie uznanych przez mi?dzynarodowe normy, najdluzszy czas retencji pozwala uzyskac azot.
Celem artykulu jest analiza wplywu ruchow gazow wewn^trz chronionego pomieszczenia na dlugosc czasu retencji. Aktualnie przyjmowane s^ dwa modele zachowania gazow po wyladowaniu: model bez mieszania gazow tzw. „no mixing during retention" i model z ci^glym mieszaniem gazow tzw. „mixing during retention". Przy braku mieszania, jezeli gaz gasniczy jest ci?zszy od powietrza, to swobodnie opada i wyplywa przez dolne nieszczelnosci w pomieszczeniu, a gornymi naplywa swieze powietrze. Tworz^ si? trzy warstwy: warstwa gazu
gasniczego na dole pomieszczenia, warstwa przejsciowa i warstwa powietrza w gôrnej czçsci pomieszczenia. Jezeli gaz gasniczy jest lzejszy od powietrza sytuacja odwraca siç. Model z ci^glym mieszaniem gazôw zaklada rôwnomierne rozprowadzenie po calej kubaturze zabezpieczanego pomieszczenia. Powietrze naplywaj^ce do pomieszczenia rozciencza mieszaninç gazu gasniczego i powoduje rownomierny spadek stçzenia w chronionej przestrzeni. Model ten stosowany jest dla pomieszczen, w ktorych wystçpuj^ urz^dzenia wprawiaj^ce powietrze w ruch np. klimatyzacja pracuj^ca w obiegu zamkniçtym. Znane normy oraz zrôdla literaturowe nie okreslaj^ intensywnosci, z jak^ nalezy wprowadzac w ruch gaz wewn^trz pomieszczenia, aby zapewnic rownomierny rozklad stçzenia. Powyzsze stanowilo przeslankç do przeprowadzania badania czasu retencji wybranego gazu gasniczego przy rôznych wydajnosciach klimatyzacji.
Zakres artykulu obejmuje analizç dla jednego gazu gasniczego - azotu. Azot jest gazem obojçtnym, bezpiecznym dla srodowiska oraz pozwala uzyskac najdluzsze czasy retencji wsrôd gazôw gasniczych dopuszczonych do stosowania. Powyzsze decyduje, ze azot nalezy do coraz powszechniej stosowanych gazôw gasniczych w SUG-gazowych (SUG - stale urz^dzenia gasnicze, tj. urz^dzenia zwi^zane na stale z obiektem, zawieraj^ce zapas srodka gasniczego i uruchamiane samoczynnie we wczesnej fazie rozwoju pozaru) oraz jest gazem wykorzystywanym w urz^dzeniach inertyzuj ^cych, dzialaj^cych na zasadzie ci^glej redukcji tlenu. Analizç dokonano na podstawie badan, przeprowadzonych w pracowni Technicznych Systemôw Zabezpieczen, w Szkole Glôwnej Sluzby Pozarniczej.
Stanowisko badawcze
Badania wykonano w komorze laboratoryjnej o wymiarach 5 x 5 x 2,8 m wyposazonej system pomiaru stçzen tlenu. System pomiarowy tworzyly sondy, ktôre przyl^czono do central zasilaj^co-monitoruj^cych. Centrale pol^czono w siec i podl^czono do komputera, ktôry umozliwial odczyt i rejestracje wskazan. W trakcie badania rejestrowano zmiany stçzenia tlenu w 9 punktach pomiarowych. Sondy tlenu rozmieszczono na trzech slupkach pomiarowych: jeden na srodku pomieszczenia (slupek B), dwa w przeciwleglych naroznikach (slupki A i C). Na kazdym slupku zamontowano 3 sondy pomiarowe, odpowiednio na 10 %, 50 % i 90 % wysokosci pomieszczenia.
Ryc. 1. Schemat rozmieszczenie sond tlenu w komorze laboratoryjnej Fig. 1. Schematic arrangement of oxygen probes in the test room
Do komory doprowadzano azot z urz^dzenia do inertyzacji OxyReduct firmy Wagner. Urz^dzenie pobieralo powietrze atmosferyczne, na membranach nast?powal rozdzial azotu od tlenu. Azot wprowadzono do komory badawczej, tlen usuwany byl do atmosfery.
W celu rownomiernego rozprowadzania gazow zal^czano klimatyzatory. Wydatek powietrzny klimatyzatorow pracuj^cych z peln^ moc^, umozliwial uzyskanie 14 wymian na godzin?. W zaleznosci od wariantu badania klimatyzatory byly wyl^czane, lub zmieniano wydatek.
Badania prowadzono dla dwoch przypadkow szczelnosci pomieszczenia:
• pomieszczenie z otwartymi otworami o l^cznej powierzchni 650 cm2,
• pomieszczenie z otwartymi otworami o l^cznej powierzchni 410 cm2.
Otwory rozmieszczano w sposob najbardziej niekorzystny dla utrzymywania st?zenia gazu, tj. polowa ich powierzchni znajdowala si? w najwyzszej cz?sci pomieszczenia, a polowa w najnizszej.
Procedura badania przebiegala w sposob przedstawiony ponizej.
1. Hermetyzacj a komory badawczej, zal^czenie aparatury pomiarowej;
2. Ustawienie klimatyzatorow na zadan^ wydajnosc;
3. Wprowadzenie azotu do komory, za pomoc^ urz^dzenia inertyzuj^cego OxyReduct, az do obnizenia st?zenia tlenu do wartosci 14%;
4. Uruchomienie programu rejestruj ^co - archiwizuj ^cego;
5. Otwarcie otworu o znanej powierzchni;
6. Rejestracja wynikôw przez czas 1800 sekund;
7. Przewietrzenie pomieszczenia; Kryteria oceny
Podstawowym kryterium poddawanym ocenie w poszczegôlnych wariantach byl czas retencji, okreslany zgodnie z norm^ PN EN 15004-1: 2008. Czas retencji jest to czas, przez ktôry utrzymywane jest stçzenie gazu gasniczego w chronionej kubaturze. Czas retencji mierzony jest do chwili, gdy stçzenie gazu na 10%, 50% i 90% wysokosci chronionej kubatury przekracza 85% stçzenia projektowego. W celu zapewnienia skutecznego gaszenia, stawia siç wymaganie aby czas retencji wynosil co najmniej 600 sekund (10 minut).
Wysokosc komory badawczej wynosila H =2,8 m. Na wysokosci 0,1 H = 0,28 m, wysokosci 0,5 H = 1,4 m oraz wysokosci 0,9 H = 2,52 m umieszczono sondy stçzenia tlenu. Na podstawie znanego stçzenia tlenu obliczano stçzenie gazôw gasniczych, zgodnie z rôwnaniem:
cgaz = (1 - ctlen/21) * 100,
gdzie:
cgaz - stçzenie objçtosciowe gazu gasniczego [%],
ctlen - stçzenie objçtosciowe tlenu [%],
21 - stçzenie tlenu w warunkach normalnych [%].
Zgodnie z powyzszym rôwnaniem, znaj^c aktualn^ wartosc stçzenia tlenu, mozna wyznaczyc stçzenie obj çtosciowe gazu gasniczego, ktôry zostal wprowadzony do pomieszczenia. Przyjçto, ze w warunkach normalnych, tj. przed wprowadzeniem gazu gasniczego stçzenie tlenu wynosi 21% objçtosci powietrza. Obnizenie stçzenia tlenu o np. polowç czyli do wartosci 10,5%, jest rôwnoznaczne z tym, ze z pomieszczenia wyparta zostala polowa objçtosci powietrza, a w to miejsce wprowadzono gaz gasniczy. St^d wniosek, ze stçzenie objçtosciowe gazu gasniczego w tym przypadku wynosi 50%.
Za pocz^tek czasu retencji przyjmowano chwilç, gdy odl^czano doplyw azotu i otwierano nieszczelnosci. Stçzenie tlenu wynosilo wôwczas 13 % do 14,5% objçtosciowych, w zaleznosci od badania (z uwagi na ograniczenia sprzçtowe, nie bylo mozliwe uzyskanie kazdorazowo jednakowego stçzenia pocz^tkowego, przy czym pozostawalo to bez istotnego wplywu na wartosc badan^, tj. dlugosc czasu retencji). Jako koniec czasu retencji uznawano chwilç, gdy przynajmniej na jednej wysokosci stçzenie tlenu wzroslo do wartosci odpowiadaj^cej 85% pocz^tkowej wartosci stçzenia gazu gasniczego (14%-15,2% w zaleznosci od badania).
Wyniki badan - wybrane
Przedstawiaj^c wyniki badan pomini^to odczyty z slupkow A i C, umieszczonych w naroznikach pomieszczenia. Roznice mi^dzy poszczegolnymi slupkami byly znacz^ce. Dlatego, maj^c na celu przejrzystosc prezentowanych wynikow, przyj^to slupek B, zlokalizowany na srodku pomieszczenia.
Komora z otworami o l^cznej powierzchni 650 cm2: jeden o powierzchni 325 cm u gory pomieszczenia, drugi o powierzchni 325 cm na dole pomieszczenia. Gaz wyplywa swobodnie, klimatyzacja wyl^czona.
Ryc. 2. Wykres zmiany st^zenia tlenu w czasie. Oznaczenia: slupek B - slupek w srodku pomieszczenia; B1 - sonda na wysokosci 2,52 m; B 2 - sonda na wys. 1,4 m;
B 3 - sonda na wysokosci 0,28 m.
Fig. 2. Graph changes in oxygen concentration over time. Designation: column B - column in the midst of room B1 - probe at a height 2,52 m B 2 - probe at a height 1,4 m; B 3 - probe at a height 0,28 m.
Zrodlo: opracowanie wlasne
2 2 Komora z otworami o l^cznej powierzchni 650 cm : jeden o powierzchni 325 cm u gôry
pomieszczenia, drugi o powierzchni 325 cm na dole pomieszczenia. Praca klimatyzacji z
wydatkiem 5 wymian na godzinç.
Ryc. 3. Wykres zmiany stçzenia tlenu w czasie. Oznaczenia jak na rys. 2. Fig. 3. Graph changes in oxygen concentration over time. Designation: see fig.2
Zrodlo: opracowanie wlasne
2
Komora z otworami o l^cznej powierzchni 650 cm : jeden o powierzchni 325 cm2 u gory pomieszczenia, drugi o powierzchni 325 cm na dole pomieszczenia. Praca klimatyzacji z wydatkiem 14 wymian na godzin?
st^zenie Stupek B obj^tosciowe 02 %
17 16
15 B2 -B3 — — dopuszczalne 00
0 1( )0 2C 0 3( )0 4 )0 5( 0 6( )0 7 M S )0 9 czas )0 10 [s] 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18
Ryc. 4. Wykres zmiany st?zenia tlenu w czasie. Oznaczenia jak na rys. 2. Fig. 4. Graph changes in oxygen concentration over time. Designation: see fig.2
Zrodlo: opracowanie wlasne
Komora z otworami o l^cznej powierzchni 410 cm2: jeden o powierzchni 205 cm2 u gory pomieszczenia, drugi o powierzchni 205 cm2 na dole pomieszczenia. Gaz wyplywa swobodnie, klimatyzacja wyl^czona.
stQzenie Stupek B obj^tosciowe 02 %
16
B2 -B3 — — dopuszczalne 00
14
0 1C 0 2C 0 3( )0 4( )0 5( 0 6( )0 7( )0 8( » 9 czas )0 10 [»] 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18
Ryc. 5. Wykres zmiany st^zenia tlenu w czasie. Oznaczenia jak na rys. 2.
Fig. 5. Graph changes in oxygen concentration over time. Designation:
see fig.2
Zrodlo: opracowanie wlasne
Komora z otworami o l^cznej powierzchni 410 cm2: jeden o powierzchni 205 cm2 u gory pomieszczenia, drugi o powierzchni 205 cm2 na dole pomieszczenia. Praca klimatyzacji z wydatkiem 0,25 wymian na godzin?
stQzenie SlupekB obj^tosciowe 02 %
16 -
15 - -B3 — — dopuszczalne 00
10
1( )0 2C >0 3 )0 4( )0 5( JO 6( )0 7 JO 8( JO 9 czas JO 10 [S] 00 11 00 12 00 13 00 14 00 15 00 16 00 17 00 18
Fig. 6.
Ryc. 6. Wykres zmiany st?zenia tlenu w czasie. Oznaczenia jak na rys. 2. Graph changes in oxygen concentration over time. Designation: see fig.2
Zrodlo: opracowanie wlasne
Komora z otworami o l^cznej powierzchni 410 cm2: jeden o powierzchni 205 cm2 u gory pomieszczenia, drugi o powierzchni 205 cm2 na dole pomieszczenia. Praca klimatyzacji z wydatkiem 5 wymian na godzinç.
Ryc. 7. Wykres zmiany st^zenia tlenu w czasie. Oznaczenia jak na rys. 2. Fig. 7. Graph changes in oxygen concentration over time. Designation: see fig.2
Zrodlo: opracowanie wlasne
Analiza wynikow
Czas retencji dla poszczegolnych wariantow badan przedstawiono w Tabeli 1. Badanie dowiodly jednoznacznie, ze praca klimatyzatorow po wyladowaniu powoduje wydluzenie czasu retencji, tym samym jest korzystna dla skutecznego dzialania gazowych urz^dzen gasniczych. Przy tych samych nieszczelnosciach, swobodny wyplyw gazu, bez ci^glego mieszania, nie zapewnial utrzymania minimalnego wymaganego czasu retencji 10 minut (600 sekund). W przypadku pracy klimatyzatorow z odpowiednim wydatkiem, czas retencji byl dluzszy.
Tabela 1.
Czas retencji w sekundach
Tabel 2.
Retention time (in seconds)
Powierzchnia dodatkowych otworow wydajnosc klimatyzacji [wym/h]
14 5 3 1 0,25 0
650 cm2 660 120 x x x 50
410 cm2 x 1650 1620 1370 510 310
szare tlo - czas retencji ponizej wymagan normy x - nie robiono badania
Wraz ze wzrostem intensywnosci klimatyzacji obserwowano wzrost rownomiernosci rozprowadzenia gazu po kubaturze pomieszczenia oraz wydluzenie czasu retencji. Po osi^gni^ciu granicznej wydajnosci, dalszy wzrost wydajnosci nie wplywal znacz^co na wydluzenie czasu retencji. Dla przypadku 410 cm2 wartosci^ graniczn^ byly 3 wymiany na godzin? (wykres 5).
wydajnosc [wym/h]
Ryc. 8. Zaleznosc czasu retencji od wydajnosc wentylacji przy powierzchni dodatkowych otworow wynosz^cej 410 cm2
Fig 8. Dependence of the retention time of the performance of additional ventilation holes
on the surface of 410 cm2
Wzrost nieszczelnosci w pomieszczeniu powodowal skrocenie czasu retencji przy tej samej intensywnosci wentylacji. Dla przypadku 410 cm2 wydajnosc 5 wym/h byla wystarczaj^ca do uzyskania rownomiernego rozprowadzenia gazu po pomieszczeniu (Tabela 1). Natomiast dla nieszczelnosci 650 cm2, przy wydajnosci 5 wym/h, naplyw powietrza do dolnej cz^sci pomieszczenia nast^powal zbyt szybko i klimatyzator nie zapewnial rownomiernego rozprowadzenia gazu.
Podsumowanie i wnioski
W przypadku gaszenia gazami, czynnikiem decyduj^cym o skutecznosci jest czas utrzymywania st^zenia gazu gasniczego w zabezpieczanej kubaturze, tzw. czas retencji. W przypadku zbyt krotkiego czasu retencji istnieje prawdopodobienstwo nawrotu pozaru i koniecznosci uzycia innych srodkow gasniczych, co moze spowodowac zniszczenie chronionego mienia.
Na podstawie wykonanych badan stwierdzono:
• Praca klimatyzatorow po wyladowaniu gazu korzystnie wplywa na wydluzenie czasu retencji.
• Minimalny wydatek klimatyzacji, ktory zapewni rownomierne rozprowadzenie gazow w pomieszczeniu, zalezny jest nieszczelnosci, ktore wyst^puj^
w pomieszczeniu. Wraz ze wzrostem nieszczelnosci wymagany jest wzrost wydajnosci klimatyzacji. • Zwiçkszanie intensywnosci klimatyzacji powyzej wartosci granicznej, nie wplywa na dalsze wydluzanie czasu retencji.
Niezbçdne jest prowadzenie dalszych prac badawczych, które pozwol^ wypracowac zaleznosci, umozliwiaj^ce analityczne wyznaczania wydajnosci klimatyzacji, koniecznej do równomiernego rozprowadzenia gazu w chronionej kubaturze.
Literatura
1. PN EN 15004-1:2008 „Stale urz^dzenia gasnicze -- Urz^dzenia gasnicze gazowe - Cz^sc 1: Ogólne wymagania dotycz^ce projektowania i instalowania";
2. NFPA 2001: "Standard on Clean Agent Fire Extinguishing Systems". Edition 2008;
3. Wn^k W., Kubica P., Szczelnosc pomieszczen chronionych stafymi urzqdzeniami gasniczymi Ochrona Przeciwpozarowa - wrzesien 1/2007;
4. Dewsbury J., Whiteley R.A., Review of fan integrity testing and hold time standards, Fire Technology 36 (4) (2000);
5. Dewsbury J.,. Whiteley R.A, Extensions to standard hold time calculations Fire Technology, Vol. 36, No. 4, 2000;
6. Hetrick T. M., Analysis of Hold Time Models for Total Flooding Clean Extinguishing Agents Fire Technology, 44, 2008;
7. Hetrick M., Rangwala S., A modified hold time model for total flooding fire suppression, Fire Safety Journal 45 (2010);
Recenzenci
dr Ewa Pietraszek
dr inz. Stefan Wilczkowski
bryg.dr inz. Waldemar Wn^k - adiunkt, kierownik Zakladu Technicznych Systemow Zabezpieczen w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej w Warszawie. Jest przewodnicz^cym Komitetu Technicznego nr 264 ds. systemow sygnalizacji pozarowej przy Polskim Komitecie Normalizacji. Autor wielu prac naukowo-badawczych,referatow na konferencjach i atrykulow z zakresu technicznych systemow zabezpieczen. Wspolorganizotor roznych Konferencji z zakresu szeroko rozumianego Bezpieczenstwa Budowli.
st. kpt. mgr inz. Przemyslaw Kubica - absolwent dziennych studiow magisterskich w Szkole Glownej Sluzby Pozarniczej. Bezposrednio po zakonczeniu studiow obj^l stanowisko asystenta w Zakladzie Technicznych Systemow Zabezpieczen. Specjalizacja - stale urz^dzenia gasnicze. W roku 2003 ukonczyl podyplomowe studia "Kontrola Dzialan Zapobiegaj^cych Powaznym Awariom Przemyslowym". W latach 2002-2004 roku pelnil funkcj? czlonka Komisji Problemowej ds. Ochrony Dobr Kultury Przed Nadzwyczajnymi Zagrozeniami. Od 2009 roku kierownik Pracowni Technicznych Systemow Zabezpieczen. Od 2010 roku reprezentant SGSP w Polskim Komitecie Normalizacyjnym: Komitet Techniczny 244 ds. Sprz^tu, Srodkow i Urz^dzen Ratowniczo - Gasniczych.
