CC BY
9
DOI: 10.12845/bitp.43.3.2016.11
st. kpt. dr inz. Piotr Tofilo1 dr hab. inz. Vladimir Mozer2
Przyjçty/Accepted/Принята: 03.06.2016; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 05.09.2016; Opublikowany/Published/Опубликована: 30.09.2016;
Prognozowanie strumienia ciepla na zewn^trz budynku z uzyciem roznych wariantow obliczeniowych w odniesieniu do danych
eksperymentalnych3
Estimating the Heat Flux Outside a Building Using Various Calculation Approaches with Respect to the Experimental Data
Прогнозирование величины теплового потока снаружи здания в случае внутреннего пожара. Сравнение вариантов расчета с экспериментальным данным
ABSTRAKT
Cel: Zbadanie charakterystyki i dokladnosci modeli promieniowania cieplnego wzgl^dem dost^pnych danych eksperymentalnych. Porównanie róznych metodyk obliczania promieniowania cieplnego
Projekt i metody: Ocena wielkosci zewn^trznego strumienia ciepla pochodz^cego z pozaru w budynku i przedostaj^cego si£ do innego budynku lub innej cz^sci tego samego budynku jest wazn^ cz^sci^ inzynierii ochrony przeciwpozarowej. Jednoczesnie nie jest to problem latwy do rozwiqzania, poniewaz wiqze si£ ze zlozonymi procesami charakterystycznymi dla w pelni rozwini^tego pozaru, o dynamice kontrolowanej dost^pem powietrza i wyst^powaniem zewn^trznych plomieni. Obliczanie zasi^gu krytycznego strumienia ciepla pozwala ustanowic minimalne wymagane odleglosci pomi^dzy budynkami. Chociaz istnieje wiele zaawansowanych metod numerycznych, jak np. CFD, które mog^ byc uzyte do obliczania strumienia promieniowania ciepla, w praktyce w rutynowych badaniach inzynierowie bezpieczenstwa pozarowego stosuj^ jedynie najprostsze metody szacunków. Niektóre najnowsze badania doswiadczalne wskazujq, ze metody te mog^ byc niedokladne, poniewaz nie obejmuj^ promieniowania pochodz^cego od plomieni zewn^trznych. Promieniowanie to jest uj^te w niektórych istniej^cych metodologiach obliczeniowych, takich jak Eurokod, czy norma amerykanska NFPA 80A. Metoda wskazana w Eurokodzie uwzgl^dnia wiele parametrów wejsciowych, takich jak geometria pomieszczenia, otworów, obciqzenie ogniowe i warunki wentylacji, a jej dane wyjsciowe to temperatura pomieszczenia oraz geometria i rozklad temperatury plomieni zewn^trznych. W artykule wszystkie metody obliczeniowe oparte na wspólczynniku konfiguracji, czyli zarówno metoda promieniuj^cego prostok^ta, jak i metody uwzgl^dniaj^ce zewn^trzne plomienie, zostaly zbadane z uzyciem programu autorskiego FireRad, który umozliwia stosowanie dowolnych ksztaltów przestrzennych jako zestawu promieniuj^cych powierzchni. W artykule wykorzystano dost^pne publicznie literaturowe dane eksperymentalne z badan kanadyjskich i czechoslowackich.
Wyniki: Wyniki przedstawiono w formie porównania rozkladów strumienia ciepla uzyskanego w eksperymentach z wynikami badan z uzyciem róznych wariantów obliczeniowych promieniowania. Wskazano, które czynniki decyduj^ o wi^kszej zbieznosci danych eksperymentalnych i obliczen.
Wnioski: W artykule zebrano i omówiono wyliczenia z uzyciem róznych metod oraz podano zalecenia do ostroznego prognozowania wielkosci strumienia ciepla. Program FireRad jest przydatnym narz^dziem do obliczen strumienia cieplnego dla zlozonych geometrii.
Slowa kluczowe: promieniowanie cieplne, ochrona przeciwpozarowa, plomien zewn^trzny Typ artykulu: artykul z praktyki dla praktyki
ABSTRACT
Goal: To examine the characteristics and the accuracy of the models of thermal radiation in terms of available experimental data. Comparison of different methodologies for calculating thermal radiation.
Project and methods: Estimating the size of the external heat flux from a fire in a building to another building or another part of the same building is an important part of fire protection engineering. At the same time it is not a trivial issue, because it involves complex processes
1 Szkola Glowna Sluzby Pozarniczej / The Main School of Fire Service, Poland, piotr.tofilo@gmail.com;
2 Uniwersytet Zylinski, Slowacja / University of Zilina, Slovak Republic;
3 Procentowy wklad merytoryczny / Percentage contribution: P. Tofilo - 60%, V. Mozer - 40%;
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
associated with a fully developed fire with dynamics controlled by air access and the presence of external flames. Calculation the range of critical heat flux leads to the establishment of the minimum required distance between buildings. Although there are many advanced numerical methods like CFD which can be used for calculating heat flux of radiation, but for practical purposes only the simplest methods for estimating the heat flux of radiation are routinely applied by fire protection engineers. Some recent experimental studies indicate that these methods may not be accurate, because they do not include radiation from external flames. Radiation from external flames is included in some of the existing computational methodologies like Eurocode or American standard NFPA 80A. The method included in Eurocode includes many input parameters like compartment geometry, characteristics of openings, fire load density and ventilation conditions, and its output parameters are the temperature of the compartment and the geometry and temperature of external flames. In this article, all the methods of calculation based on the configuration ratio, that is both the method of the radiating rectangle, and the methods including external flames, are tested using a copyright program called FireRad which allows the use of any spatial shapes as a set of radiating surfaces. The experimental data used in this paper are public literature data from Canadian and Czechoslovakian experimental programs.
Results: The results are presented as a comparison of the heat flux distributions obtained from experiments to the distributions obtained using various modeling approaches. Factors which determine the increasing convergence of experimental data and calculations were indicated. Conclusion: The article summarized and discussed calculations using various methods; it also provided recommendations for prudent estimation of the size of the heat flux. FireRad proved to be a useful tool in calculating heat flux for complex geometries.
Keywords: thermal radiation, fire protection, external flame Type of article: best practice in action
АННОТАЦИЯ
Цель: Изучить характеристику и точность моделей теплового излучения, сравнивая их с имеющимися экспериментальными данными. Сравнение различных методов расчета теплового излучения.
Проект и методы: Оценка размеров внешнего теплового потока пожара в здании, переходящего на другое здание или другую часть данного здания, является важной частью пожарной инженерии. В то же время это не простая задача, поскольку она связана с многими сложными процессами развитого пожара, с контролируемой динамикой доступа воздуха и наличием внешнего пламени. Расчет критической дальности теплового потока позволяет определить минимальное требуемое расстояние между зданиями. Хотя существует много передовых численных методов, таких как, например CFD, которые могут быть использованы для расчета теплового потока, в практике инженеры пожарной безопасности используют обычно самые простые. Некоторые новейшие экспериментальные исследования указывают на то, что эти методы могут быть не точными, так как в них не учитывается излучение от внешнего пламени. Облучение от внешнего пламени включено в некоторые существующие методики вычисления, такие как Еврокод или американский стандарт ОТРА 80А.
Метод указанный в Еврокоде учитывает большое количество входных параметров, таких как геометрия помещения, отверстий, пожарная нагрузка и условия вентиляции, а его исходные данные - это температура помещения, а также геометрия и распределение температуры внешнего пламени. В этой статье все методы расчета основаны на коэффициенте конфигурации, то есть методе излучающего прямоугольника и методы учитывающие внешнее пламя были исследованы с помощью авторской программы FireRad, которая позволяет использовать любые пространственные формы как совокупность излучающей поверхности. В статье использованы публично доступны литературные экспериментальные данные: канадские и чехословацкие исследования. Результаты: Результаты представлены в форме сравнения распределений теплового потока, полученного в результате экспериментов с использованием различных вариантов расчета излучения. Указаны факторы, определяющие возрастающую сходимость экспериментальных данных и расчетов.
Выводы: В статье собраны и описаны расчеты с использованием различных методов, а также даются рекомендации относительно разумного прогнозирования размера теплового потока. Программа FireRad является полезным инструментом для расчета теплового потока для объектов со сложной геометрией.
Ключевые слова: тепловое излучение, пожарная охрана, внешнее пламя Вид статьи: с практики для практики
1. Wprowadzenie
Promieniowanie cieplne podczas pozarów wewn^trznych grozi ryzykiem, ze ogien rozprzestrzeni si§ poza poza budy-nek. Aby odnalezc skuteczn^ metody wyznaczania strumienia ciepla, na swiecie przeprowadzono wiele badan naukowych [1-3]. Niektóre z tych badan posluzyly za podstaw^ dzisiej-szych przepisów prawa budowlanego i norm dotycz^cych bezpieczenstwa pozarowego.
Istniej^ dwa glówne czynniki wplywaj^ce na wielkosc strumienia ciepla: wielkosc promiennika i jego temperatura. W rzeczywistych pozarach powierzchnia promieniuj^ca obejmuje zazwyczaj obszar otworu w przegrodach budow-lanych oraz plomienie zewn^trzne poza otworem. Mimo ze niektóre metody obliczania strumienia promieniowania cie-pla [1] pomijaj^ plomienie zewn^trzne, ich znaczny wplyw potwierdzaj^ badania eksperymentalne [5]. W zwi^zku z tym istnieje realna potrzeba oceny i ewentualnej poprawy doklad-nosci szacunków wielkosci strumienia ciepla na podstawie charakterystyki budynku i pozaru. Niniejszy artykul zawiera przegl^d wybranych, dost^pnych metod, takich jak metoda promieniuj^cego prostok^ta, metoda opisana w Eurokodzie
[7] oraz autorskie rozwijane i optymalizowane narz^dzie ob-liczeniowe FireRAD [8]. Metody te zostan^ uzyte do prze-widywania strumieni cieplnych na podstawie rzeczywistych danych doswiadczalnych.
2. Dostfpne metody inzynierskie
2.1. Promieniuj^cy prostok^t
Najcz^sciej stosowan^ podstawow^ metody oceny ze-wn^trznego strumienia promieniowania jest metoda tzw. pro-mieniuj^cego prostok^ta, w którym kazde okno w strefie po-zarowej jest oddzielnym promiennikiem lub wszystkie okna dzialaj^ jako jeden promiennik z uwzgl^dnieniem odsetka powierzchni niechronionych. Aby przeprowadzic obliczenia z wykorzystaniem tego podejscia, nalezy wczesniej ustalic temperatura prostok^ta. Zazwyczaj jest to temperatura we-wn^trz pomieszczenia obj^tego pozarem. Temperatura pro-stok^ta jest nast^pnie przeliczana na strumien ciepla emito-wanego przez prostok^t z uwzgl^dnieniem emisyjnosci, która zakladana jest do celów technicznych jako 1,0 lub 0,9 oraz
MC CNEflOBAHMN b Pd3BMTElC
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
w^p^lcEs^nnikal^or^fLCt^i^i^c^i^, obliczanegozo pomocn paastych wzorArv ^jc^^y^nki^slc^i^STi lzb SaMio. brzepisy przeciwpozarowp nlekeórych krajów k^p^Efadcj^ dwa lEbwipa oj gaziomow stru-rnirnia ciipSr odejccw^lí^clpja^^f^c^ typomkudynTówoorn-yákii n^otó^zeniu ogmoisym. Zazwyikaj w^iplaa;tor(: p) udynleów mksofekiyeh i buafypków uzytecznosci publicznej nalezy do kategorii o nizszej temperaturze (ok. 830°C i 84 kW/m2), podczas gdy budynkiprzemyslowe i handlowe nalei ere ka -tegorn cE^z^zN teiiLneeetuok (í^iE.lCl^(^osc il68 kW mui: No uproszczone pkdejfEie npierz ziç so emc^ir)^(;:^ne'rsi doky-h z lpy ôtX i uwz^dniu ijiory anzrz0 weaunków jiorarowyuy widzmiiNcN w wte.n di^nEoeii 6ksperym6Pt:ainynbz ce ukaieio -o dokumcpdr ÍE^I1..!?/'1 Za^^ta^e1;!) ^dejsda Tes1).-;.;0-ng prostota kpnwepyji eac^len(siE(^omutal^ci^nB^s^1sn^ miemalne odleAo.ci sej-aracpi budyntów1 N.októre z ostatnii6 badan poddaj^ jednak ww^tpliwosc skutecznosc tej nieskompliko-leiiccf rno-ody. Zgodnic n ssimi uoyskiwang wartoCf itrumiei nia uiepsr leiiO mndocincowana ra Noglçdu ni dicuwzpfwdnie-nii tar metoilsie oddziatbwanio plomieni zzwuetinnyed.
6i2. MetPNyEWbgOkdnzbj^ce ^omieme newnztlgnib
tómela (czzbien ebtórmetod l^znacbaniz sfrumtenia cie-pia,któee (^Oie)r^^s^ jsrsn^^^nit^esfi^i^^^ almoiteni EewnçtrbnRoL Naj baedzi e( znan^ j^^t mcSeda podann w Aneksia B Euiokodu S6EB-Z-0 [7]. Uproszczona wersja tej -netoi— zssrstí^lr nieUaw-no przedstawiona w kanadyjskim badaniu ekapcrymertal-nem (I-C^(.Vr tyg podesúciu promieniowBnio dd j:jlomieni dodaje sip do promieniowania z wewselrr ysymie-tanreniii .oUwora). Ubi myrogyje zewartej wUuroPpdcia o"^l:i<3S,z:^i;r roz. poclyna-e iiç ep ooiny maksymainej mozSswei mrcy yobarn Szfobnnses goydzieienio ctcylng w ]s bmieizczeninl iutzorEp eEilsí^n gd wselkos ci psml6IZcznnie i i ^go ilio-sow (roían auig 1).
TF
ut_dr.T1/21
D/wr )
i-r
Gdzie:
Af= powierzchnia podlogi [m2
A. = powierzchnia otworów [m2], loe n izedkie wysokosc otworów [m], s^ tf s.bei^onie ggniowe [MJ/m2], -sF uczas frwanrn nozaru [s], D-W p stoiinelz dfag^z- pdzn pormeoznzenia (rvyu Ucoc/y -i- k-lka ^osobOTp oprnon Eurnko H(, O — Av^heq/At
(wspólczynnik otworów pomieszczenio -ning factor of the compartment).
ang. opa-
W nastçpnym etapie obliczana jest maks^i^a tempe -ratura w pomieszczeniu (równanie 2), która nastçpnie nyta j est do obliczenia promieniowania z wewnijtrz r rmieerrnrjriit i-akc prormemuji.cy prostok^ o tempe3aaurz- O 1 emiipna-sdaównej -t.
7) = 6000 (l - e—0r) Oa5(l - e-<°><>086«) + r0 teC)()!^ Gdzi): a
TTC
jf
A
V
2 hea / 3
Rio-p O^^i^^Eti^Co modelu plomieni zewnçtrznych [7] I^ig. 1. Gcemetry of external flames [7]
Uw4pl3dnjan4 í^sj ru serszegr-nuács dingosc prtoijnz(3Uii;t ZBavn^trzi.ie^iti oio(jc;iíonil ^goilnje s kilktms oldstojco.i'nnji wa-E^otrtama zw^oanymj z rlteœusci^ ilciaay ¡yonad ojirm, naj-i;:BaS(^l^t itE0(kn:ie b rówgnyiem gt j ¿t (t^o)-grng: sg ta^te^e innr we^eernty] jak: plor^em lt^y mote szero-
kosé oluna, woipji^ j)Sosulenj \ryienu-znn;r "d-yntyleirj1, ^vn>-zcw
¿fSi¿1-yLi = Li + /ie(-/s;c
'z = »(Ui:)2/j-
jl-
(re
toi
Rozktad ^umj;) eua-yrz- wzd-us r+ujen /rs jnUomir^aii^ u-d£ito si— Sak, ^^moh^iwr Uylo stzc^or:^i^tiie upzoizczoopj iji^sC^tui^n-lilMntsnia z(^o1;igfz^ powierzehrn nor^m)en:^i^jpo)^cg. d^ro-d-ept:tnn^r^c^ua^uzuje^st 1inio"-vy iro^oanyya nir ^n^e^lac^0 c-f Tw id nrzePpnju cuiiptz o^ljs;-j)nzc e aównayia 5 i zan3:^!-8- siç zgodc niti ;-nc.8sti^n^eeo fi.
T =
1 w
1 —Z,4725(
+ Tn
^j = (f„ - 7-z4 (l - 0,4725 (L, • ï:^)) + TB
(5)
(6)
Gdtatn:
Lo - dlugosc plomieni [m], tnx - dyytans y^zdluz osi plomieni [m], w ^ t-:-)^n:i ^n^roi<i]:):5^ oStvo^^cv lm]p - ruoio^ ^Oíiíjr^ [lpjjVl .
c^eyla pronnenio^a-ota c(^pa^i^rr^je:4i ^ch je st obli czi^ny na p o dstewie t^e^eratary i emisyjnosci plomienia, która zalezy od grubosci plomienia (która z kolei zalezy od wysokosci okna) i oblicza siç j^ z równania 7:
)T- e iГnпtj-É(lasuta srtpszeom [Ira] g
At - powierzchnia calkowita przegród wraz z otwo-
Nastçpnie obliczane s^ parametry geometrii plomi enize-wnçtrznych zgodnie z ryc. 1.
St = 1 — e
-0,3 dr
(7)
Gdzie:
df - grubosc plomiœia [m],
0,3 - wspólczynnik emisyjnosci zalecany w Eurokodzie (badania kanadyjskie zalecaj^ wspólczynnik 0,5 w celu osi^-gnizc^ia wiçkst^i^j :^g^odnosci z z^li el^s^gterjzmetnterz).
W praktyce trudnosci^ w pelnym zastosowaniu tej meto-dologii jest to, ze zgodnie z jej zalozeniem temperatura plo-mienia zmniejsza si§ wraz z jego dlugosci^. Aspekt ten jest rzadko brany pod uwag^, poniewaz wymaga jeszcze wi^kszej liczby promieniuj^cych powierzchni i oddzielnych temperatur, co cz^sto w praktyce inzynierskiej jest zbyt uci^zliwe. Uproszczone podejscie zaproponowane przez kanadyjskich naukowców obejmuje tylko dwa dodatkowe promieniuj^ce prostok^ty reprezentuj^ce plomien.
W niniejszym artykule nie przytoczono pelnego opisu metodologii obliczeniowej zawartej w Eurokodzie z uwagi na jej stosunkowo duz^ obszernosc.
2.3. Algorytm FireRad
Autorski algorytm komputerowy FireRad [8] zostal stwo-rzony do prowadzenia obliczen z uzyciem wspólczynników konfiguracji (ang. viewfactor). Moze byc on wykorzystywany do badania rozkladów strumieni promieniowania w prze-strzeni jako izopowierzchnie oraz strumienia padaj^cego na dan^ powierzchni^ w postaci map konturowych. Oblicze-nia mozliwe s^ dla prostych i zlozonych geometrii, równiez z uwzgl^dnieniem wplywu przeszkód (cz^sciowego i calkowi-tego zasloni^cia promieniuj ^cych powierzchni). FireRad moze obliczac rozklad strumienia ciepla emitowanego pierwotnie z róznych powierzchni, takich jak prostok^ty, zewn^trzne plomienie, stozki, cylindry lub inne dowolne ksztalty. W od-niesieniu do zewn^trznych plomieni podstawowe ustawienia zakladaj^ podejscie zgodne z Eurokodem w zakresie tempe-
BiTP Vol. 43 Issue 3, 2016, pp. 117-126 D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
ratury pomieszczenia, wielkosci plomienia, temperatury plo-mienia - zarówno pocz^tkowej w plaszczyznie otworu, jak i dalszej, zmieniaj^cej si§ wzdluz plomienia. W odniesieniu do rozkladu temperatury wzdluz plomienia struktura moze byc podzielona na kilka sekcji, gdzie kazda cz^sc moze cha-rakteryzowac si§ indywidualn^ temperatura Bior^c pod uwag^ te mozliwosci, FireRad to wygodny program do ana-lizy i porównan róznych wariantów modelowania obejmu-j^cy zarówno promieniowanie z otworów, jak i plomienie zewn^trzne. W niniejszym artykule program FireRad zostal wykorzystany do przeprowadzenia wszystkich obliczen, od najprostszego (prostok^t) do najbardziej zlozonego wariantu, tzn. takiego, w którym plomienie zewn^trzne modelowane s^ jako zestaw powierzchni o róznej temperaturze.
3. Dane eksperymentalne
W celu dokonania oceny dokladnosci wyzej opisanych metod obliczeniowych do porównania zostaly wybrane dwa zestawy danych eksperymentalnych oparte na raportach z badan kanadyjskich [5-6] i czechoslowackich [4]. Szcze-góly obydwu tych eksperymentów przedstawione s^ na ryc. 2. Zilustrowano w nich pomieszczenie z otworem, symbo-licznie przedstawiony pozar z warstw^ dymu i plomieniami zewn^trznymi oraz rozmieszczenie aparatury pomiarowej (radiometrów mierz^cych strumien cieplny). W badaniach czechoslowackich jako material palny wykorzystano drew-no, natomiast naukowcy kanadyjscy wykorzystywali drewno i propan. W artykule do porównan przyj^to pozary drewna, gdyz uwaza si§ je za bardziej naturalny rodzaj pozaru.
4.22 m
u i
s
<D i
1.82 m
Os okna / Window
2,4; 3,0; 3,5; 4,0 m
Badane odleglosci / Distance
Radiometry / Radiometers
Os okna / Window axis
4- 4-f «------
T
10 8 1.72 m
4.5 m
Odleglosci / Distance
Pomieszczenie/Room 5.95 x 4.4 x 2.75 m Okno/Window: Szer/Width=1.1, 1.45, 2.5; Wys/Hight=1.45 m Obciqzenie ogn./Fire load: drewno/wood 38 kg/m2, propan/propane Material przegrod: plyta izolacyjna / Barrier material: insulating board
Pomieszczenie/Room 5.3 x 4.85 x 3.55 m Okna/Windows 2 x 1.8 x 1.65, separacja/separation 0.9 m Obciqzenie ogn./Fire load: drewno/wood 40,50,60 kg/m2 Material przegród: beton / Barrier material: concreta
Ryc. 2. Stanowiska eksperymentalne: a) badania kanadyjskie, b) badania czechoslowackie Fig. 2. Experimental station a) Canadian experiments b) Czechoslovakian experiments Zrodlo: Opracowanie wlasne na podstawie [5-6]. Source: Own elaboration based on [5-6].
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
Tabela l. Podsumowanie eksperymentów czechoslowackich [4] Table l. Summary of Czechoslovakian experiments[4]
Eksperyment, numer Experiment, number Exp l Exp 2 Exp 3
Obciqzenie ogniowe (drewno), [kg] / Fire load (wood) [kg]" 4G 5G 6G
Temperatura w pomieszczeniu [0C] / Compartment Temperature (measured) [0C] 915 957 936
Strumien ciepla, odleglosc 4,5m [kW/m2] / Heat flux, distance 4.5m [kW/m2] 8,7 12,1 12,2
Strumien ciepla, odleglosc 6,0m [kW/m2] / Heat flux, distance 4.5m [kW/m2] 5,4 7 7
Strumien ciepla, odleglosc 8,5m [kW/m2] / Heat flux, distance 4.5m [kW/m2] 2,5 3,4 3,1
Strumien ciepla, odleglosc 10,0m [kW/m2] / Heat flux, distance 4.5m [kW/m2] 1,35 1,8 1,7
Tabela 2. Podsumowanie badan kanadyjskich [5-б ] Table 2. Summary of Canadian experiments [5-6]
Eksperyment, numer Experiment, number Exp lO Exp ll Exp l2
Wielkosc otworu [m] / Opening size [m] 1.1x1.45 1.45x1.45 2.5x1.45
Temperatura w pomieszczeniu [0C] / Compartment Temperature (measured) [0C] 958 1G83 1G5G
Temperatura plomieni w otworze [0C] / Flame temperature in opening [0C] 942 1G1G 1G79
Wysokosc plomieni ponad otworem [m] / Flame length above the opening [m] 3 2,5 3,2
Strumien ciepla, odl. 3,0m, srodek [kW/m2] / Heat flux, dist. 3.0m, centerline [kW/m2] 11,82 17,49 28,79
Strumien ciepla, odl. 3.0m, max [kW/m2] / Heat flux, dist. 3.0m, max [kW/m2] 13,65 19,45 31,47
4. Porównanie obliczen i danych eksperymentalnych
Porównanie wyników obliczen róznych metod opartych na wspólczynnikach konfiguracji przeprowadzono przy uzyciu programu FireRad. Program ten oblicza rozklady strumienia ciepla od promieniuj^cych powierzchni o dowolnych ksztaltach, wl^czaj^c promieniuj^ce prostok^ty i plomienie zewnçtrzne.
W przypadku plomieni zewnçtrznych metodologia zasto-sowana w programie FireRad opiera siç na podejsciu zgod-nym z Eurokodem, z mozliwosci^ podzialu plomienia wzdluz jego dlugosci na wiele sekcji (w przypadku tego badania - 16). Przyklad wizualnej konfiguracji eksperymentalnej FireRad i rozkladu strumienia padaj^cego na eksponowan^ po-wierzchniç przedstawiaj^ ryc. 3 i 4. Wyniki obliczen zapre-zentowano w tabelach 3 i 4 oraz na ryc. 5.
¡i^ii ■ti™. "-M I
Ryc. 3. Uklad eksperymentalny badan czechoslowackich ujçty w programie FireRad (zewnçtrzne plomienie z gradientem temperatury) Fig. 3. Czechoslovakian experimental setup included in FireRad(external flames with thermal gradient) Zrodlo: Opracowanie wlasne na podstawie [5-6]. Source: Own elaboration based on [5-6].
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
Ryc. 4. Przykladowe wyniki programu FireRad - rozklad strumienia ciepla promieniowania z mozliwosci^ odczytu precyzyjnej wielkosci
strumienia w dowolnym punkcie Fig. 4. Example results from FireRad - heat flux of radiation with a possibility of reading precise size of the flux in any point
Zrôdlo: Opracowanie wlasne na podstawie [5-6]. Source: Own elaboration based on [5-6].
Tabela 3. Wyniki obliczen dla danych z badan czechoslowackich
Table 3. The results of calculation for data obtained during Czechoslovakian tests
Konfiguracje eksperymentalne - obci^zenie ogniowe i odleglosc radiometru Experimental configurations - fire load and measurement distances
40 kg 50 kg 60 kg
4.5 m 6 m 8 m 10 m 4.5 m 6 m 8 m 10 m 4.5 m 6 m 8 m 10 m
Temperatura (Temperature) [°C]
w pomieszczeniu - Eurokod (Compartment - predicted by Eurocode) 1021,8 1092,7 1137,7
w plaszczyznie otworu okiennego - Eurokod (Window - predicted by Eurocode) 1032,3 1032,3 1032,3
w pomieszczeniu - eksperyment (Compartment - measured)" 915,0 957,0 936,0
Strumien ciepla - promieniuj^cy prostok^t [kW/m2] (Heat flux - radiating rectangle [kW/m2])
w oparciu o temperature prognozowan^ (Eurokod) (based on temperature predicted by Eurocode)" 10,01 6,44 4,13 2,76 12,39 7,97 5,11 4,92 14,11 9,08 5,82 3,89
w oparciu o temperature mierzon^ (eksperyment) (based on measured temperature)" 6,98 4,49 2,88 1,92 8,15 5,25 3,36 2,25 7,61 4,90 3,14 3,30
Strumien ciepla - zewn^trzne plomienie [kW/m2] (Heat flux - external flames [kW/m2] )
w oparciu o obliczenia (Eurokod) (based on Eurocode calculations)" 4,71 3,11 2,01 1,33 4,71 3,11 2,01 1,33 4,71 3,11 2,01 1,33
Strumien ciepla l^czny [kW/m2] (total heat flux [kW/m2] )
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
Mierzony (measured) 8,7G 5,4G 2,5G 1,35 12,1G 7,GG 3,4G 1,8G 12,2G 7,GG 3,1G 1,7G
Prognozowany zgodnie z Eurokodem (predicted using Eurocode) 14,73 9,55 6,14 4,G9 17,11 11,G9 7,12 6,25 18,82 12,19 7,83 5,21
Prognozowany z uzyciem temp. Mierzonej (predicted using measured temperature) 11,69 7,6G 4,89 3,25 12,87 8,36 5,37 3,57 12,32 8,G1 5,15 4,63
Zródlo: Opracowanie wlasne na podstawie [5-6]. Source: Own elaboration based on [5-6].
Tabela 4. Wyniki obliczen dla danych z badan kanadyjskich
Table 4. The results of calculation for data obtained during Canadian tests
Numer eksperymentu i wielkosc otworu (Experiment number and opening size)
Exp 1G (1.1 x 1.45 m) Exp 11 (1.45 x 1.45 m) Exp 12 (2.5 x 1.45 m)
Temperatura (Temperature) [°C]
w pomieszczeniu - Eurokod (Compartment - predicted by Eurocode) 791,2 882,1 1G23,G
w plaszczyznie otworu okiennego -Eurokod (Window - predicted by Eurocode) 977,5 995,6 1G5G,3
w pomieszczeniu - eksperyment (Compartment - measured)" 958,G 1G83,G 1G5G,G
Strumien ciepla - promieniuj^cy prostok^t [kW/m2] (Heat flux - radiating rectangle [kW/m2])
w oparciu o temperatura prognozowany (Eurokod) (based on temperature predicted by Eurocode)" 3,74 6,97 17,82
w oparciu o temperature mierzony (eksperyment) (based on measured temperature)" 7,37 1G,13 19,35
Strumien ciepla - zewnçtrzne plomienie [kW/m2] (Heat flux - external flames [kW/m2] )
w oparciu o obliczenia (Eurokod) (based on Eurocode calculations)" 3,56 4,53 7,47
Strumien ciepla l^czny [kW/m2] (total heat flux [kW/m2] )
Mierzony (measured) 11,82 17,49 28,79
Prognozowany zgodnie z Eurokodem (predicted using Eurocode) 7,3G 11,5G 25,29
Prognozowany z uzyciem temp. Mierzonej (predicted using measured temperature) 1G,81 14,67 26,82
Zródlo: Opracowanie wlasne na podstawie [5-6]. Source: Own elaboration based on [5-6].
D0I:10.12845/bitp.43.3.2016.11
a)
e r 3
^ s <5 1,5
Strumien catkowity (Total flux) (Tc, k=0.3) Strumien catkowity (Total flux) (Tc, k=0.5) Strumien catkowity (Total flux) (Tw, k=0.3) Strumien catkowity (Total flux) (Tw, k=0.5) Strumien od prostok^ta (Window flux) (Tc) Strumien od prostok^ta (Window flux) (Tw) • Experiment
6 8 10 12 14
Strumien ciepta (Heat flux) [2W/m2]
4
2
0
0
16
18
20
b)
I AD
Strumien catkowity (Total flux) (Tc, k=0.3)
LB AD
A^ci^ A Strumien catkowity (Total flux) ("Tc, k=0.3)
¿BAD B Strumien catkowity (To^al fl^^) (Tw, k=0.3) A ■ AD
A^ B^ aadd □ Strumien catkowity (Total flux) ("Tw, k=0.3)
^ ^A '""D • Strumien od prostykirta(WindovT flux) (Tc) ABAD
A ■ A D o Strumien od prostok^ta (Window ■flux) (Tw) A ■ A □
O ........V--V,AA»Dn •■■♦"• Experiment
" » " f D
O A HA _
O A ^¿..A D
O A Í^A... D
A........
■ A ♦
- A ■ D
■ A V ■ A*
D
D
A D ■ A D ■A □
A ••. D
1 o A
■ o A B
• o A
• o A m
• —-9a— -A- AB
• o A AB
• o A Al
• o A A B
• o A A B
—•— —6— —A- -A—B—
10 1k
D □
D
Strumien ciepta (Heat flux) [kW/m2]
4
3
2
0
0
k
20
2k
c)
m> ,
«D
№ *>
№ •D
«3J
•a. •t> •o •o *o *o
AD
■ m
m ¡a m azi m ad m ad m ad
_ en
m ad
AB AD AB AD AB AD AB AD AB AD AB AD .
) AB AD
O AB AD
•O AB AD
•O AB AD
• O AB AD
• O AB AD
A Strumien catkowity (Total flux) (Tc, k=0.3)
A Strumien catkowity (Total flux) (Tc, k=0.5)
B Strumien catkowity (Total flux) (Tw, k=0.3)
□ Strumien catkowity (Total flux) (Tw, k=0.5)
• Strumien od prostok^ta (Window flux) (Tc)
O Strumien od prostok^ta (Window flux) (Tw) Experiment
• O AB
• O AB
• O A
• O i
• O • O • O • O • O • O • O • O • O • O
A D A D A □
. J A D a,
ab A .a*
A B
.-•A D
A D _ AD B...... A D
15 20
Strumien ciepta (Heat flux) [kW/m2]
A B A B
i I
—3Á— 1 A A A
-A—
25
A D A
A -A
«Ê-a
30
4
3
2
1
0
0
5
10
35
Ryc. 4. Porownanie roznych wariantow wyliczania strumienia ciepla w odniesieniu do wynikow badan kanadyjskich w pomieszczeniu z otworem o wielkosci: a) 1.1x 1.455 b) 1.415 x 1.45 c) 2.5 x 1.415m (Tc - temperatura pomieszczenia, Tw - temperatura w plaszczyznie otworu
olkiennego, k - wspolczynnik emisyjnosci pfom.eni) Fig 4. Comparison of various calculation variants of the heat flux in relations toCanadian test results in a room with an opening of: a) 1.1 x 1.45 b) 1.45 x 1.415 c) 2.5 x e.45m (Tc - compartment temperature,Tw - window temperature, k - flame emissivity coefficient)
Zrôdlo: Opracowanie wlasne na podstawie [5-6]. Source: Own elaboration based on [5-6].
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
S. Omówienie wyników
Wyniki dwóch omawianych w artykule badan zosta-ly otrzymane z wykorzystaniem podobnych, ale w pewnym stopniu rózni^cych siç od siebie pomieszczen badawczych. W badaniach kanadyjskich zmienna jest wielkosc otwo-ru, a w czechoslowackich obci^zenie ogniowe. Obydwie te wielkosci wpiywaj^ na charakterystykç pozaru wewn^trz pomieszczenia, temperaturç w pomieszczeniu oraz wielkosc i temperaturç plomieni na zewn^trz. Pomieszczenie w badaniach kanadyjskich charakteryzuje siç wspólczynnikami wentylacji 0,018 do 0,041, podczas gdy ten wspólczynnik dla pomieszczenia czechoslowackiego wynosi 0,062. Przy tej samej mocy pozaru (prçdkosci wydzielania ciepla) powin-no to siç wi^zac z lepszym dostçpem powietrza, wiçkszym udzialem procesu spalania wewn^trz pomieszczenia oraz mniejszym promieniowaniem od plomieni zewnçtrznych. Nie potwierdza tego jednak temperatura pomieszczenia, która w badaniach czechoslowackich jest nizsza. Zdaniem autorów na wyniki w badaniach kanadyjskich znacz^cy wplyw miala bardzo dobra izolacyjnosc materialu sciennego. W porównaniu do betonowych scian pomieszczenia czecho-slowackiego, ocieplone sciany pomieszczenia kanadyjskiego pochlanialy mniej ciepla, a co za tym idzie zmierzone tempe-ratury pomieszczenia byly wyzsze. Widac to równiez w wy-nikach obliczeniowych temperatury w pomieszczeniu, które w przypadku badan czechoslowackich s^ wiçksze niz wyniki eksperymentalne, a w przypadku badan kanadyjskich na od-wrót. Niestety nie ma dostçpnych danych z badania czecho-slowackiego dotycz^cych wielkosci i temperatury plomieni zewnçtrznych oraz temperatury w plaszczyznie okna, dlatego ten aspekt nie moze zostac porównywany i omówiony. Nalezy zwrócic równiez uwagç na to, ze w obydwu badaniach wystç-powaly dwa rózne zakresy odleglosci pomiarowych (4,5-10 m w czechoslowackim i 2,4-4 w kanadyjskim). Porównuj^c do-kladnosc predykcji, nalezy tez pamiçtac o tym, ze na wyniki pomiaru moze miec tez wplyw miejsce eksperymentu (prze-strzen otwarta czy hala badawcza) ze wzglçdu na panuj^ce w nim warunki srodowiska (absorpcja promieniowania, wiatr, temperatura zewnçtrzna).
Zgodnie z metodologi^ modelowania przedstawion^ w raporcie kanadyjskim zamiast temperatury pomieszczenia, jako temperatura prostok^ta promieniuj^cego powinno siç przyjmowac temperatura plomienia w plaszczyznie okna (lub temperatura wyzsz^ sposród tych dwóch). W metodzie wykorzystano takze wiçkszy wspólczynnik emisyjnosci plomieni k (0,5 zamiast 0,3). Zastosowanie powyzszych metod poprawia wyniki prognozy wykonywane przez FireRad oraz metod^ Eurokodu do poziomu bardzo dobrej zgodnosci z eksperymentem.
W przypadku danych czechoslowackich przewidywana temperatura w pomieszczeniu, obliczona zgodnie z Euroko-dem, okazala siç znacznie wyzsza niz zmierzona, niezaleznie od korekty. Jezeli jako temperatura promieniuj^cego prosto-k^ta przyjçta zostanie temperatura pomieszczenia, wtedy juz sama wielkosc strumienia ciepla na bazie promieniuj^cego prostok^ta jest zblizona do l^cznego strumienia mierzonego. Oznacza to, ze pierwsze wyzwanie w prognozowaniu strumienia ciepla polega na dokladnym prognozowaniu temperatury. W danych czechoslowackich mozna zauwazyc pewn^ ano-maliç dla radiometrów znajduj^cych siç w wiçkszych odleglo-sciach od otworu okiennego (8-10 m), które wydaj^ siç znacznie zanizac wielkosc strumienia ciepla, nawet gdy uwzglçdni-my tylko promieniuj^cy prostok^t. Moze to byc oznak^ zlej kalibracji lub absorpcji promieniowania przez powietrze na wiçkszych odleglosciach.
Kanadyjscy badacze sugeruj^, ze udzial promieniowania od zewnçtrznych plomieni w odniesieniu do calkowitego strumie-nia ciepla wynosi 20-60% (25-44% w pozarach drewna). Me-
D01:10.12845/bitp.43.3.2016.11
toda Eurokod pozwala otrzymac zblizone wartosci - 30-50% - w przypadku danych kanadyjskich. Nalezy przypomniec, ze wielkosc udzialu promieniowania od plomieni zewnçtrznych byla juz wczesniej szacowana w badaniach eksperymentalnych. Znana badaczka brytyjska Margaret Law [2] w swojej pracy doswiadczalnej przy uzyciu radiometru ze specjaln^ oslon^ ustalila ten udzial na maksymalnie 20%. W badaniu przepro-wadzonym przez Law wykorzystano pomieszczenie o wymia-rach 7,7 x 3,7 x 3 m ze wspolczynnikami wentylacji 0,022, 0,044 i 0,089 i obci^zeniem ogniowym 7,5, 15,30 i 60 kg/m2. Autorka eksperymentu swierdzila, ze stosowanie przegrod z materialow izolacyjnych zwiçksza strumien ciepla o ok. 15%.
Waznym pytaniem w odniesieniu do omawianych badan jest to, jakie wielkosci strumienia ciepla powinny byc porow-nywane tzn. wielkosci maksymalne czy usredniane. W przypadku obu badan nie jest jasne, jaki rodzaj danych jest ujçty w raportach - maksymalne chwilowe wartosci lub usrednio-ne w czasie. W opinii autorow uproszczone metody powinny uwzglçdniac poziom usredniony strumienia ciepla, ktory moze zostac zastosowany do oceny zagrozenia budynkow.
6. Wnioski
Najnowsze badania doswiadczalne wykonane w Kana-dzie wykazuj^, ze promieniowanie cieple od zewnçtrznych plomieni moze byc istotnym zrodlem promieniowania ciepl-nego, lecz nie jest to poparte w takim samym stopniu przez badania czechoslowackie. Zastosowanie izolacji z wlokna na scianach pomieszczenia moglo przyczynic siç do powstania wyzszych strumieni ciepla w ostatnim eksperymencie ka-nadyjskim. Kluczowym czynnikiem wplywaj^cym na wy-niki predykcji jest dokladnosc temperatury pomieszczenia i temperatur plomienia w plaszczyznie otworu. W celu uzy-skania najbardziej wiarygodnych wynikow, jako temperaturç promieniuj^cego prostok^ta nalezy przyj^c wyzsz^ z dwoch wspomnianych temperatur, a emisyjnosc plomieni oparzec na wspolczynniku k = 0,5. Bior^c pod uwagç rozklad proba-bilistyczny zewnçtrznego promieniowania do celow inzynier-skich, metoda oparta na Eurokodzie jest zdaniem autorow wystarczaj^co konserwatywna (jej wyniki s^ czçsto zblizone do pomiarow eksperymentalnych). Dla pomieszczen o wy-sokim wspolczynniku otworow (ang. opening factor) promieniowanie od zewnçtrznych plomieni jest znacznie nizsze i oznacza to, ze prost^ metodç promieniuj^cego prostok^ta mozna uznac wtedy za wystarczaj^c^.
Bardziej dokladne wyliczenia przestrzennych rozkladow strumieni ciepla mog^ okazac siç istotne dla optymalizacji projektu budowlanego. Program FireRad udostçpnia wiele opcji do obliczen strumienia ciepla w zaleznosci od zalozen i wymagan poszczegolnych krajow.
Literatura
[1] Law M., Heat radiation from fires and building separation, "Fire Research Technical Paper" 1963, No. 5.
[2] Law M., Radiation from fires in a compartment, "Fire Research technical Paper" 1968, No. 20.
[3] Mcguire J.H., Fire and the spatial separation of buildings, "Fire Technology" 1965, 1(4), 278-287
[4] Reichel V., Navrhovâni pozârni bezpecnosti staveb - Odstupové vzdâlenosti [ZS 16], Ceska statni pojistovna, Praha 1984.
[5] Cheng H., Hadjisophocleous G.V., Experimental study and modeling of radiation from compartment fires to adjacent buildings, "Fire Safety Journal" 2012, 53, 43-62.
[6] Cheng H., Modeling of fire spread in buildings and modeling of fire spread from the fire building to adjacent buildings, PhD thesis, Carleton Univ., 2010.
[7] EN 1991-1-2: Eurocode 1. Actions on Structures, Part 1-2.
[8] Oprogramowanie Fire Engineering Platform (FEP), http:// www.fireplatform.eu, [dostçp: 10.06.2016].
DOI:10.12845/bitp.43.3.2016.11
•к A A
st. kpt. dr inz. Piotr Tofilo - adiunkt w Zakladzie Bezpieczenstwa Pozarowego Budynków w Szkole Glównej Sluzby Pozarniczej. Prowadzone przedmioty na studiach dziennych, zaocznych i podyplomowych: bezpieczenstwo pozarowe budynków, stosowanie narzçdzi inzynierii w zakresie ochrony obiektów przed zadymieniem, stosowanie narzçdzi inzynierii w zakresie oceny warunków ewakuacji.
dr hab. inz. Vladimir Mozer - prodziekan Wydzialu Inzynierii Bezpieczenstwa Pozarowego ds. rozwoju i wspólpracy miçdzy-narodowej Uniwersytetu w Zylinie.
