CC BY
24
I
INZYNIERIA POZAROWA
dr inz. Grzegorz Kubickia), st. kpt mgr inz. Tomasz Kietbasab)*, inZ. Jarostaw Wichec)
a)Politechnika Warszawska / Warsaw University of Technology
b)Centrum Naukowo Badawcze Ochrony Przeciwpozarowej - Panstwowy Instytut Badawczy / Scientific and Research Centre for Fire Protection - National Research Institute
c)Smay Sp. z o.o. / Smay LLC
*Autor korespondencyjny / Corresponding author: t.kielbasa@cnbop.pl
Systemy oddymiania klatek schodowych - zalety i ograniczenia stosowanych rozwi^zan technicznych
Stairwell Smoke Exhaust Ventilation Systems- Advantages and Limits of Applied Technical Solutions
Системы дымоудаления лестничных клеток - преимущества и ограничения используемых технических решений
ABSTRAKT
Cel: Celem artykulu jest przedstawienie wlasciwosci rôznych systemôw odprowadzania dymu i ciepla z przestrzeni klatek schodowych. Wprowadzenie: Oddymianie klatek schodowych stanowi fakultatywne rozwigzanie dopuszczone przez krajowe przepisy jako alternatywa dla doskonal-szych, ale drozszych systemôw rôznicowania cisnienia. W artykule skoncentrowano siç glôwnie na ograniczeniach i powaznych zagrozeniach zwigzanych z nieswiadomym zastosowaniem rôznych konfiguracji urzgdzen sluzgcych do oddymiania. Analizie poddano systemy oddymiania grawitacyjnego, oddymiania z wykorzystaniem wentylatorôw wyciggowych oraz najnowsze rozwigzania oddymiania pionowych drôg ewakuacji wspomaganych zmiennym nawiewem.
Metodologia: Postawione w artykule tezy wynikajg m.in. z wieloletnich doswiadczen eksploatacyjnych. Slusznosc przedstawionych zalozen udowod-niona zostala na podstawie wynikôw prowadzonych przy udziale autorôw testôw obiektowych i pelnowymiarowych prôb pozarowych in-situ oraz analiz numerycznych. Podczas realizacji programu badawczego pt. „Bezpieczna ewakuacja" zostaly porôwnane m.in. zasady dzialania wymienionych wyzej systemôw oddymiania klatek schodowych, w rôznych warunkach rozwoju pozaru i przy dynamicznie zmieniajgcym siç stanie szczelnosci klatki schodo-wej (zmianie polozenia drzwi na kondygnacji objçtej pozarem i na poziomie wyjscia z budynku oraz po wypadniçciu okien w pomieszczeniu testowym). Przeprowadzone badania byly realizowane w obiekcie rzeczywistym, o architekturze reprezentatywnej dla najwyzszych budynkôw klasyfikowanych jako sredniowysokie (SW wg [1]). Stanowisko badawcze zostalo wyposazone w aparaturç pomiarowg oraz urzgdzenia do monitoringu, sterowania oraz zbierania i archiwizacji danych. Rôwnolegle do badan obiektowych prowadzone byly analizy numeryczne oparte o modele walidowane w czasie prôb dymowych i testôw pozarowych.
Wnioski: Wszystkie przeprowadzone testy wyraznie wskazujg na najwyzszg skutecznosc systemôw oddymiania klatek schodowych wspomaganych nawiewem mechanicznym, przy czym systemy tego typu muszg zostac wyposazone w wentylatory o zmiennym wydatku. Wiçcej ograniczen efektywnosci dzialania wykazuje oddymianie grawitacyjne. Ograniczenia te dotyczg m.in. wyraznego spadku efektywnosci oddymiania przy niskich temperaturach gazôw pozarowych (w warunkach nie w pelni rozwiniçtego pozaru), przy niekorzystnym ukladzie rôznicy temperatury w przestrzeni klatki schodowej i na zewngtrz budynku oraz podatnosci systemu na oddzialywanie wiatru. Za niewlasciwe, a nawet niebezpieczne, nalezy uznac wykorzystanie wentylatorôw oddymiajgcych do ukierunkowania przeplywu powietrza i dymu przez klatki schodowe. Artykul moze stanowic przydatne zrôdlo informacji dla wszystkich osôb uczestniczgcych w wyborze oraz projektowaniu systemôw oddymiania klatek schodowych. Stowa kluczowe: klatki schodowe, oddymianie grawitacyjne, nawiew mechaniczny, wentylator oddymiajgcy Typ artykutu: oryginalny artykul naukowy
Przyjçty: 15.11.2016; Zrecenzowany: 27.03.2017; Opublikowany: 31.03.2017;
Procentowy wklad merytoryczny: G. Kubicki - 55%, T. Kielbasa - 35%, J. Wiche - 10%;
Proszç cytowac: BiTP Vol. 45 Issue 1, 2017, pp. 142-153, doi: 10.12845/bitp.45.1.2017.11;
Artykul udostçpniany na licencji CC BY-NC-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
ABSTRACT
Aim: The aim of this article is to present the characteristics of various stairwell heat and smoke exhaust ventilation systems.
Introduction: Stairwell smoke exhaust ventilation represents a facultative solution approved by Polish law as an alternative to more effective, but expensive pressure reduction systems. The article concentrates on limits and serious threats associated with unaware use of various configurations of smoke
ventilation devices. The analysis involved: natural smoke and heat exhaust ventilation systems, exhaust ventilation systems with powered ventilators (fans) as well as the newest solutions for smoke removal from vertical escape routes with mechanically-aided air supply.
Methodology: All arguments presented in this paper are based on the authors' many years operational experience. Provided information was confirmed by the results of numerical analyses as well as field research and full-size in-situ fire tests carried out in the presence of the authors. Realisation of the research programme "Bezpieczna ewakuacja" (Safe Evacuation) involved a comparison of, i.a., the operation principles of the stairwell smoke ventilation systems in various conditions of fire development and during dynamically changing stairwell leaktightness (by adjustment of doors position on the floor of fire origin and on the bottom floor as well as after a window break in the test room). The tests were carried out in a real building, characterized by the architecture features representative for the tallest buildings in Poland classified as SW (medium-height), according to [1]. The test stand was equipped with measuring, monitor, control, data collection and archive systems. Together with the field research, the authors performed numerical analyses based on models, validated in the course of hot smoke and fire tests.
Conclusions: All performed tests clearly show that stairwell ventilation systems aided by a mechanical air supply work the most efficiently, but they should be equipped with performance-regulated fans. Natural smoke exhaust systems have the most limitations. They include clear loss of efficiency at low temperatures of combustion gases (in the initial phase of fire development), at disadvantageous difference of temperatures between a stairwell and outside area, and system's vulnerability to wind influence. The use of powered mechanical ventilators (fans) for exhaust of air and smoke from the building stairwell ought to be considered inappropriate or even dangerous. Presented paper may constitute a useful source of information for everyone who participates in a choice or design of stairwell smoke ventilation systems. Keywords: stairwell, natural smoke ventialation, mechanical air supply, smoke exhaust fan Type of article: original scientific article
Received: 15.11.2016; Reviewed: 27.03.2017; Published: 31.03.2017;
Please cite as: BiTP Vol. 45 Issue 1, 2017, pp. 142-153, doi: 10.12845/bitp.45.1.2017.11;
Percentage contribution: G. Kubicki - 55%, T. Kielbasa - 35%, J. Wiche - 10%;
This is an open access article under the CC BY-NC-SA 4.0 license (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
АННОТАЦИЯ
Цель: Целью статьи является представление характеристик различных систем дымо- и теплоудаления из лестничных клеток. Введение: Дымоудаление из лестничных клеток - это дополнительное решение, утверждённое государственным законодательством в качестве альтернативы для более совершенных, но дорогих систем дифференциации давления. Авторы статьи сосредоточились, в главной мере, на ограничениях и серьезных угрозах, связанных с бессознательным использованием разных конфигураций оборудования для ды-моудаления. Анализу были подвергнуты системы гравитационного дымоудаления, дымоудаления, использующего вытяжные вентиляторы, а также новейшие методы дымоудаления вертикальных путей эвакуации с помощью переменной циркуляции.
Методология: Представленные в статье тезисы возникли благодаря многолетнему эксплуатационному опыту авторов. На основе результатов проведенных при участии авторов тестов in situ и реальномасштабных пожарных испытаний на реальном объекте, а также численных анализов было доказано, что представленные предположения верны. Во время реализации исследовательской программы под названием „Bezpieczna ewakuacja" (Безопасная эвакуация) были сопоставлены, в частности, правила работы указанных выше систем дымоудаления из лестничных клеток в различных условиях развития пожара и при динамически изменяющимся состоянии герметичности лестничных клеток (изменении расположения дверей на этаже охваченным пожаром и на уровне выхода из здания, а также после выпадения окон в тестовом помещении). Исследования проводились на реальном объекте, архитектура которого характерна для наивысших зданий, причисленных к категории средневысоких (SW - согласно [1]). Испытательный стенд был оборудован измерительной аппаратурой и устройствами для мониторинга, управления, а также сбора и архивизации данных. Одновременно с исследованиями на объектах проводились численные анализы, основанные на моделях, проверяемых во время дымовых и пожарных исследований.
Выводы: Все проведенные исследования четко указывают на наибольшую эффективность систем с механической циркуляцией, а, в частности, систем дымоудаления с переменной циркуляцией. Больше ограничений эффективности имеет гравитационное дымоудаление. Эти ограничения относятся к четкому падению эффективности дымоудаления при низких температурах пожарных газов (в условиях не вполне развитого пожара), при неблагоприятном различии температур внутри лестничной клетки и вне здания, а также чувствительности системы к воздействию ветра. Недопустимым, и даже опасным, следует считать использование вентиляторов дымоудаления для направления потока воздуха и дыма через лестничные клетки. Данная статья может представлять собой полезный источник информации для всех людей, участвующих в выборе и проектировке систем дымоудаления лестничных клеток.
Ключевые слова: лестничные клетки, гравитационное дымоудаление, механическая циркуляция, вентилятор дымоудаления Вид статьи: оригинальная научная статья
Принята: 15.11.2016; Рецензирована: 27.03.2017; Опубликована: 31.03.2017;
Процентное соотношение вклада в создание статьи: G. Kubicki - 55%, T. Kielbasa - 35%, J. Wiche - 10%; Просим ссылаться на статью следующим образом: BiTP Vol. 45 Issue 1, 2017, pp. 142-153, doi: 10.12845/bitp.45.1.2017.11; Настоящая статья находится в открытом доступе и распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC-SA 4.0 (https://creativecommons.Org/licenses/by-nc-sa/4.0/).
Wstçp
Systemy oddymiania klatek schodowych stanowiq jeden z dwoch podstawowych typow instalacji wentylacji pozarowej powszechnie stosowanych na pionowych drogach ewakuacji
budynkow wielokondygnacyjnych. Obowiqzek stosowania urzq-dzen stuzqcych usuwaniu dymu z klatek schodowych (lub urzq -dzen zapobiegajqcych zadymieniu) dotyczy niskich budynkow zaliczanych do kategorii zagrozenia ludzi ZL II, sredniowysokich budynkow ZL I; ZLII; ZLIII i ZL V [1]. Zastosowanie urzqdzen tego
typu dotyczy rowniez budynkow mieszkalnych (ZLIV), gdy prze-kroczona jest dtugosc dojsc ewakuacyjnych. Zawarta w prze-pisach mozliwosc wyboru rozwiqzania technicznego sprawia, ze tytutowe systemy sq powszechnie stosowanq alternatywq dla skuteczniejszych, ale drozszych urzqdzen stuzqcych zapo -bieganiu zadymieniu. Wzgl?dy ekonomiczne nie mogq jednak stanowic jedynego kryterium wyboru rozwiqzania technicznego, ktorego podstawowq funkcjq jest ochrona ludzkiego zycia. Konieczne jest wi?c zaprojektowanie i wykonanie takiego syste-mu oddymiania zabezpieczajqcego przestrzen klatki schodowej, ktory b?dzie zapobiegat utrzymywaniu si? na niej dymu unie-mozliwiajqcego bezpiecznq ewakuacj?, utrudniajqcego dzia-tania oraz stwarzajqcego zagrozenie dla ekip ratowniczych ze wzgl?du na ograniczanie widocznosci, wysokq toksycznosc lub temperatur?. Dokonujqc odpowiedzialnego wyboru konkretne-go rozwiqzania technicznego, warto jest wi?c poznac mocne i stabe strony planowanego systemu. W dalszej cz?sci artyku-tu przedstawione zostaty wady i zalety roznych systemow oddymiania klatek schodowych. Zamieszczone w tekscie wnio-ski i spostrzezenia wynikajq z doswiadczen eksploatacyjnych istniejqcych instalacji, badan obiektowych przeprowadzonych przy udziale autorow, a takze spostrzezen przekazanych przez przedstawicieli strazy pozarnej.
Podstawowe warunki efektywnosci systemow oddymiania klatek schodowych
Pod poj?ciem system oddymiania nalezy rozumiec zestaw wszystkich podzespotow koniecznych do budowy instalacji stuzqcej oddymianiu klatek schodowych, dobranych pod kqtem ich wtasciwego wspotdziatania. Oznacza to, ze gotowy do dzia -tania system obejmowac musi nie tylko elementy wykonawcze takie jak klapy dymowe, urzqdzenia fasadowe, otwory naptywu powietrza kompensacyjnego, ale rowniez system automatycz-nego sterowania, detekcji oraz zasilanie i okablowanie. O efektywnosci takiego systemu mozna mowic, gdy jego dziatanie, co najmniej nie dopusci do opadania dymu ponizej kondygna-cji obj?tej pozarem. System powinien rowniez umozliwic szyb-kie oczyszczenie przestrzeni klatki schodowej z dymu (Ryc. 1). Spetnienie powyzszych celow, niezaleznie od zastosowanego rozwiqzania technicznego, mozliwe b?dzie, gdy:
- wszystkie elementy wykonawcze systemu dziatac b?dq automatycznie i samoczynnie po wykryciu pozaru przez system detekcji lub w wyniku uruchomienia r?cznego przycisku oddymiania (RPO). Dotyczy to zarowno urzq -dzen stuzqcych usuwaniu dymu, jak i urzqdzen naptywu lub nawiewu powietrza kompensacyjnego.
Rycina 1. Cel dziatania systemu oddymiania klatek schodowych A) dym nie moze opadac ponizej kondygnacji obj?tej pozarem B) mozliwe powinno byc szybkie oczyszczenie klatki z dymu (warunkowa ewakuacja)
Figure 1. Aim of operation of stairwell smoke exhaust ventilation system A) smoke should not flow below floor where fire occurred B) there should be possible fast exhaust of smoke from the stairwell (conditional evacuation) Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
- elementy systemu zostanq dobrane i zamontowane z uwzgl?dnieniem sposobu wydzielenia klatki schodowej oraz prawdopodobnej lokalizacji pozaru. Wazne jest tu m.in., czy klatka schodowa jest obudowana i oddzielo -na od potencjalnie zagrozonych pomieszczen drzwiami przeciwpozarowymi (z samozamykaczami), czy tez nie.
Organizacja architektury wewn^trznej (sposob oddzie-lenia roznych przestrzeni funkcjonalnych, konstrukcja i ksztatt klatki schodowej, dtugosc przylegtych do niej korytarzy itd.) decydowac b^dzie o wyborze optymal-nego rozwiqzania technicznego oddymiania oraz o tym, jaki cel dziatania mozliwy b^dzie do realizacji.
- wielkosc urzqdzen wykonawczych zostanie dobrana zgodnie z wypracowanymi na podstawie badan i eks-perymentów procedurami obliczeniowymi, w których oprócz ww. elementów uwzgl?dnione b?dq np. wielkosc chronionej przestrzeni klatki schodowej, prawdopodob-ne zmiany w poziomie jej szczelnosci pojawiajqce si? w czasie trwania pozaru itd.
Systemy grawitacyjnego oddymiania klatek schodowych - zalety i ograniczenia
Oddymianie grawitacyjne klatek schodowych powinno od-bywac si? przez zamontowane w najwyzszym punkcie klatki schodowej urzqdzenie oddymiajqce: klap? dymowq lub scien-ne urzqdzenie oddymiajqce. Jednoczesnie zapewnic nalezy naptyw do przestrzeni klatki schodowej powietrza zewn?trz-nego przez automatycznie otwierane otwory kompensacyjne zlokalizowane w jej dolnej cz?sci. Zestaw urzqdzen wchodzq-cych w sktad systemu oddymiania grawitacyjnego w potqcze-niu z prostym sterowaniem powoduje, ze instalacje te stanowiq najtansze, a co za tym idzie najcz?sciej stosowane sposród pre -zentowanych tu rozwiqzanie. Ograniczenie kosztów jest w petni zrozumiate z punktu widzenie inwestora, ale czy systemy grawi -tacyjne gwarantujq równiez wysokq rzeczywistq skutecznosc dziatania? Odpowiedz na to pytanie nie jest juz tak oczywista. Omawiane rozwiqzanie, oprócz przyst?pnej ceny, ma jeszcze kil -ka innych zalet, niestety jednoczesnie jego skutecznosc moze byc powaznie ograniczona.
System oddymiania grawitacyjnego moze byc rozwiq-zaniem o akceptowalnej skutecznosci, jezeli rozwój pozaru
w pomieszczeniu przylegtym do klatki odbywac si? b?dzie przy wystarczajacej ilosci powietrza (pozar kontrolowany przez wen-tylacj?), czyli w sytuacji, gdy przyrost mocy pozaru b?dzie staty. Towarzyszqca temu zjawisku wysoka stratyfikacja termiczna gazów pozarowych sprzyjac b?dzie efektywnosci catego sy-temu. Próby pozarowe i testy prowadzone w obiekcie rzeczy-wistym wykazaty, ze jezeli pomieszczenie, w którym wybucht pozar, jest stale potqczone z klatkq schodowq przez otwarte drzwi (np. drzwi otwarte podczas ucieczki z pomieszczenia po -zostajq w tej pozycji), to ilosc powietrza przeptywajqca do pomieszczenia z klatki schodowej jest wystarczajqca do rozwoju pozaru. Skutkiem rozwijajqcego si? pozaru jest staty przyrost temperatury gazów pozarowych. Powstajqcy w takich warunkach dym charakteryzuje si? wysokq stratyfikacjq termicznq, dzi?ki czemu wtasciwie zaprojektowany i wykonany system oddymiania grawitacyjnego b?dzie dziatac skutecznie. Konse-kwencjq rozwoju pozaru w opisanej powyzej sytuacji jest jednak niemal pewne rozgorzenie, czyli samoistny zapton wszystkich elementów palnych w pomieszczeniu. Temperatura w pomieszczeniu osiqgac moze 1000°C, co powoduje zapalenie si? nawet niepetnych produktów spalania obecnych w gazach pozarowych. Podczas prowadzonych eksperymentów poczqtek tego gwattownego zjawiska nast?powat ok 14-15 minuty od poczqtku pozaru. Przyktadowy przyrost temperatury, towarzyszqcy roz-wojowi pozaru w pomieszczeniu potqczonym z klatkq schodowq otwartymi drzwiami, odnotowany podczas jednej z prób pozarowych, przedstawiony zostat na Ryc. 2. Chwilowe ostabienie tego zjawiska (pomi?dzy 370 i 500 s) zwiqzane jest z wypale-niem si? pianki oparcia kanapy. Zilustrowany tu test pozarowy zostat przerwany w 720 s., aby nie dopuscic do wystqpienia zjawiska rozgorzenia.
^ 600
O
o
[
-C
ü u
S
o s
e
a s
•N (U
o g
p e
r fi
>o f
z a o
M e
2 r
u ■M t E
2 e
Q.
p m
£ eT
i-
500
200
/ I
j é
/ i
§ Í 1 L
J w A N
J Vy (
1B " -
0,4 m 1,0 m 1,4 m 1,6 m 1,8 m 2,0 m 2,2 m 2,4 m
60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 Czas od zaptonu [s] Time from ignition [s]
Rycina 2. Rozktad temperatury w przekroju pomieszczenia testowego odpowiadajgcy rozwijajgcemu si? pozarowi Figure 2. Temperature distribution in the test room during fire development Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Waznq zaletq systemu grawitacyjnego jest jego zdol- towarzyszy przyrost ilosci dymu oraz temperatury, klapa dymo-nose do samokompensacji. Wraz z rozwojem pozaru, ktoremu wa lub scienne urzqdzenie oddymiajqce b?dzie w stanie nadal
skutecznie odprowadzac dym i ciepto z przestrzeni klatki scho - ciqgu termicznego nastqpi silniejsze zasysanie powietrza uzu-dowej. Jednoczesnie zaskutek wyzszej wytworzonej wartosci petniajqcego przez otwory kompensacyjne.
Rycina 3. Skutki pozaru swobodnierozwijajgcegosi^ w pomieszczeniatestowym Figure 3. Results of fire developing freely inthetestroom Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Opisane powyzej wtasciwosci wyczerpujq jednak zalety systemów oddymiania grawitacyjnego klatek schodowych. Systemy te mogq okazac si? catkowicie nieskuteczne dla po-zarów, których rozwój ograniczony jest ilosciq powietrza, po-zarów wolno rozwijaj^cych si? lub w przypadku, kiedy pozar wybuchnie w pomieszczeniach oddalonych od klatki schodo-wej. Pierwszy przypadek ma miejsce, kiedy pozar rozwija si? w pomieszczeniu zamkni?tym lub posiadajgcym niewielkie nieszczelnosci. Sytuacj? takg obserwowano m.in. podczas
kilku testów pozarowych przeprowadzonych w ramach wy-mienionego powyzej programu badawczego. W kazdym z tych przypadków pozar rozwijat si? w pomieszczeniu testowym, do którego powietrze zewn?trzne naptywato tylko przez nieszczelnosci (pomieszczenie charakteryzowato si? wysokim stopniem szczelnosci - zgodnie z PN-EN 12101 -6 [2]) oraz przez okreso -wo otwierane drzwi prowadz^ce do klatki schodowej. W takich warunkach rozwój pozaru byt ograniczony, az do catkowitego wygasni?cia ptomieni.
200
o O 150
C ü¡
'S =
iQ re
<ü <ü
a. a.
E E 50
tu u
— TDrzwi
— TK1
— TK2
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900
Czas od zaptonu [s] Time from ignition [s]
Rycina 4. Temperatura dymu wydostajgcego si? przez okresowo otwierane drzwi na klatk? (TDrzwi) oraz przeptywajgcego przez klapy dymowe 1 i 2 (odpowiednio TK1 i TK2)
Figure 4. Temperatures of smoke flowing through periodically opened doors to stairwell (TDrzwi) and through NSHEVs 1 and 2 (TK1 and TK2 accordingly) Zródto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Za kazdym razem pomieszczenie testowe wypetniat g?- otwarciu drzwi przedostawat si? do przestrzeni klatki schodo -sty dym o wysokim stopniu toksycznosci, który po kolejnym wej. Temperatura dymu mieszajqcego si? na klatce schodowej
z zimnym powietrzem bardzo szybko spadata, co powodo-wato duze wahania skutecznosci systemu oddymiania. Mata dynamika procesu powodowata równiez cyrkulacje dymu na korytarzu tqczqcym pomieszczenie objçte pozarem z klatkq
schodowq. Oznacza to, ze przystçpujqcy do dziatan ratowni-czo-gasniczych strazacy bçdq musieli dziatac w warunkach praktycznie zerowej widocznosci. Opisane zjawisko zilustro-wane zostato na Ryc. 5.
Rycina 5. Cyrkulacja powietrza i dymu w obrçbie korytarza tgczgcego pomieszczenie testowe z klatkg schodowg przy otwartych drzwiach na klatkç i dziataniu systemu oddymiania grawitacyjnego
Figure 5. Circulation of air and smoke within the corridor space connecting test room with stairwell during open doors condition and operation of natural smoke ventilation system Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Przy niekorzystnych warunkach zewnçtrznych, takich jak wptyw wiatru (szczególnie przy fasadowych otworach oddy-miajqcych wykonanych, co jest powszechnq praktykq niezgod-nq z zatozeniami normy EN 12101-2 - szerzej wptyw wiatru na efektywnosc oddymiania klatki schodowej opisuje M. Król [6]), lub nizszej niz zewnçtrzna temperaturze powietrza w przestrze -ni klatki schodowej, dym moze opadac ponizej kondygnacji, na której wybucht pozar, lub utrzymywac siç pomiçdzy kilkoma
kondygnacjami. Oba przypadki powaznie ograniczajq mozli-wosc ewakuacji i utrudniajq dostçp do zródta pozaru ekipom ra -towniczo-gasniczym. Zjawisko opadania dymu zaobserwowane podczas testów pozarowych ilustrujq Ryc. 6 i 7. Odniesienie do pozaru rzeczywistego jest w tym przypadku uzasadnione, po-niewaz srednia temperatura dymu powstajqcego podczas nie-dotlenionego pozaru jest bardzo zblizona do temperatury dymu gorqcego wykorzystywanego w czasie testów.
Rycina 6. Efektcofania si? dymu podczas dziatania systemu grawitacyjnego wyposazonego w okna oddymiajgce - efekt parcia wiatru na okno oddymiajace
Figure 6. Effect of smoke flowing downward during operation of natural smoke ventilation system equipped with smoke exhaust windows - effect ofwindimpact onsmoke exhaustwindows Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Rycina 7. Zjawisko odwröconegoprzeptywudymuw chtodnejklatceschodowej Figure 7. Effect of flow of smoke in stairwell at indoor, low temperature Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Systemy oddymiania z wykorzystaniem wentylatorow wyciggowych
Zdarzajq si? przypadki, w ktorych klatki schodowe nie majq bez -posredniego potqczenia z przestrzeniq zewnçtrznq (w gornej czçsci oddzielone sq od niej poddaszem lub stropodachem) lub wyjscie z budynku prowadzi przez korytarz i dwoje lub wiçcej drzwi. W takiej sytuacji projektanci siçgajq po rozwiqzania mechanicznie wymu-szajqce przeptyw powietrza i dymu w przestrzeni klatki schodowej.
Wykorzystanie wentylatorow oddymiajqcych do usuwania dymu i ciepta z przestrzeni klatki schodowej jest najgorszym z mozliwych i bardzo ryzykownym rozwiqzaniem. Uzasadnie-niem tej tezy sq nastçpujqce fakty zwiqzane z funkcjonowa-niem opisanego rozwiqzania:
1. Ruch powietrza i dymu w przestrzeni klatki schodowej odbywa si? na skutek podcisnienia wytwarzanego przez wentylator. W zaleznosci od wysokosci budynku i kon-strukcji klatki schodowej (tj. oporow przeptywu) wartosc tego podcisnienia osiqgac moze kilkadziesiqt Pa. Jak wy-kazujq doswiadczenia obiektowe, bçdzie to powodowac state podsysanie przez nieszczelnosci w stolarce budow-lanej dymu z kondygnacji, na ktorej wybucht pozar, nawet jezeli zastosowane zostaty drzwi pozarowe. Oznacza to, ze klatka schodowa powyzej kondygnacji obj?tej poza-rem bçdzie w sposob ciqgty zadymiona (Ryc. 8 B). Z dru-giej strony, o ile wydajnosc zastosowanego wentylatora bçdzie wystarczajqca do usuwania catego dymu, przedo -stajqcego si? do przestrzeni klatki schodowej (przy czym nalezy zwrocic uwagç, ze nie ma standardu pozwalajqce -go na wyliczenie tej wielkosci), to ograniczone zostanie ryzyko zadymienia wyzej potozonych piçter. Jednoczesnie jednak wyposazona w tego typu instalacjç klatka schodowa pozostanie zadymiona rowniez po ugaszeniu pozaru, do czasu petnego oczyszczenia budynku z dymu.
2. Wobec braku wystandaryzowanych zasad prowadzenia obliczen celem okreslenia wydajnosci wentylatora od-dymiajqcego jego dobor opiera siç czçsto na wiçkszym
lub mniejszym „wyczuciu" projektanta. W praktyce oznaczac moze to, ze wielkosc wentylatora bçdzie nie-wystraczajqca do odprowadzenia catej ilosci dymu przedostajqcego siç do przestrzeni klatki schodowej. Nalezy podkreslic, ze w odróznieniu od systemów gra-witacyjnych systemy oddymiania mechanicznego nie sq „elastyczne". Oznacza to, ze wielkosc (wydajnosc) wentylatora bçdzie wystarczajqca tylko dla okreslonej wielkosci pozaru. Dlatego wydajnosc instalacji oddymiania mechanicznego i jej skutecznosc powinna byc potwierdzana w toku analizy CFD. Opis procedury prze -prowadzenia takiej analizy dla klatki schodowej przed-stawiony zostat np. w artykule [5].
3. Odpornosc pozarowa wentylatorów wyciqgowych moze okazac siç niewystarczajqca dla ich dziatania w warunkach pozaru rozwiniçtego. Podczas jednego z przeprowadzo-nych testów pozarowych doszto do zjawiska rozgorzenia w pomieszczeniu testowym. Temperatura dymu wydostajq-cego siç na klatkç schodowq przekroczyta wówczas 700oC (Ryc. 9). W przypadku pozaru zlokalizowanego w niewielkiej odlegtosci od punktu wyciqgowego (do 2-3 kondygnacji) bardzo prawdopodobne zjawisko rozgorzenia spowodowa-toby wyptyw dymów i gazów pozarowych mogqcych dopro -wadzic do uszkodzenia w zasadzie kazdego z powszechnie stosowanych wentylatorów oddymiajqcych.
4. Mechaniczne oddymianie utrudnia prowadzenie dziatan ratowniczo-gasniczych, a nawet stwarza zagrozenie dla ekip ratowniczych. Dziatanie wentylatora oddymiajqcego spowoduje, ze strazacy nacierac bçdq w kierunku prze-ciwnym do przeptywu gazów pozarowych, których temperatura moze dochodzic do kilkuset stopni Celsjusza (podczas testów w korzystniejszych warunkach nawie-wu mechanicznego przekraczata 700oC). Sytuacja taka zilustrowana zostata na Ryc. 10B i 11B.
5. Zastosowanie wentylatora oddymiajqcego spowoduje szybszy przeptyw gazów w kierunku opisanym powyzej, a co za tym idzie dochodzic bçdzie do mieszania
si? gazow pozarowych z utleniaczem (tlenem) zawartym w powietrzu na klatce schodowej. Przy wysokiej tempe -raturze gazow pozarowych moze to prowadzic do poja-wiania si? ptomieni bezposrednio nad strazakami. Wa-runki takie mogq pojawic si? rowniez przy zastosowaniu
innych rozwiqzari, ale w analizowanym przypadku ryzy-ko ich wystqpienia jest najwyzsze. Dziataniem zapobie-gajqcym wystqpieniu takiego zagrozenia jest podawa-nie pulsacyjne rozproszonych prqdow wodnych w stref? podsufitowq.
Rycina 8. Efekt dziatania systemow oddymiania A) z nawiewem mechanicznym i B) wentylatorem oddymiajqcym, kiedy drzwi na klatk? schodo-wq pozostajq zamkni?te
Figure 8. Effect of operation of smoke ventilation system A) with mechanical air supply and B) with smoke exhaust powered-fan, when doors leading to the stairwell stay closed Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
u
o
.c
u r <J o
o
IS •N o W IV <A 10
Q. M
w ^
N ii=
<0 M-
M o
in w
^ ^
3 3
IS IS
^ ^
IV IV
. a
E £
•<V ,<v
1- 1-
\
\
\ 1
f \
>
(
TDrzwi
TK1
TK2
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 102010801140120012601320
Czas od zaptonu [s] Time from ignition [s]
Rycina 9. Rozktad temperatury dymu wyptywajqcego do klatki schodowej przy rozgorzeniu w pomieszczeniu testowym Figure 9. Temperature distribution of smoke flowing to the stairwell during flashover conditions in a test room Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Rycina 10. Efekt dziatania systemow oddymiania A) z nawiewem mechanicznym i B) wentylatorem oddymiajgcym, kiedy drzwi na klatk^ schodowg zostang otwarte
Figure 10. Effect of operation of smoke ventilation system A) with mechanical air supply and B) with smoke exhaust powered-fan, with doors connecting room to the stairwell opened Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Rycina 11. Efekt dziatania systemow oddymiania A) z nawiewem mechanicznym i B) wentylatorem oddymiajgcym, kiedy nast^puje p^kniecie okien, a drzwi na klatk^ schodowg pozostajg otwarte
Figure 11. Effect of operation of smoke ventilation system A) with mechanical air supply and B) with smoke exhaust powered-fan, with window broken in the room under fire and doors to the stairwell opened Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Systemy oddymiania z nawiewem mechanicznym
Podstawowa zasada dziatania systemu oddymiania z na -wiewem mechanicznym polega na zastosowaniu wentylato-ra w funkcji nawiewu powietrza kompensacyjnego. W odröz-nieniu od opisanego powyzej oddymiania przez wentylatory wyciqgowe, nawiew mechaniczny posiada kilka podstawo-wych zalet:
- utrzymuje przestrzen klatki schodowej w nadcisnieniu, co sprzyja doszczelnieniu tej przestrzeni, kiedy drzwi tqczqce klatk? schodowq z kondygnacjq obj^tq poza-rem pozostajq zamkni^te. Umozliwia to warunkowq ewa-kuaj osöb znajdujqcych si? na kondygnacjach powyzej kondygnacji obj?tej pozarem. Ewakuacja moze bye jednak prowadzona jedynie przy zabezpieczeniu przez straz pozarnq lub odpowiednio do tego celu przygoto-wane i wyposazone stuzby techniczne drzwi tqczqcych
przestrzen klatki schodowej z przestrzenig objçtg poza-rem (Ryc. 8A).
zastosowanie nawiewu mechanicznego w znacznym stopniu uniezaleznia efektywnosc systemu od zmien-nych warunkow temperaturowych oraz wptywu wiatru. Dziçki zastosowaniu nawiewu mechanicznego na po-trzeby oddymiania wykorzystywane mogg byc rowniez fasadowe urzgdzenia oddymiajgce (np. okna oddymiajgce lub wyrzutnie scienne).
otwarcie drzwi w warunkach rozwiniçtego pozaru (przed pçkniçciem okien) powoduje naptyw zimnego powietrza
przez doing czçsc otworu drzwiowego, mieszanie siç po -wietrza i dymu oraz wyptyw gorgcej mieszaniny gorng czçscig otworu drzwiowego. Naptyw powietrza sprzy-ja wprawdzie rozwojowi pozaru, ale skutkuje rowniez wystgpieniem siiniejszej stratyfikacji temperatury oraz wyraznym obnizeniem koncentracji dymu w warstwie przypodtogowej. Efekt ten utatwia strazakom dostçp do zrodta pozaru i podjçcie efektywnych dziatan ga-sniczych (Ryc. 12A).
Test pozarowy / F ire test - 20.04.1016
Test pozarowy / Fire test - 27.10.2016
Rycina 12. Przeptyw powietrza i dymu na korytarzu tgczgcym pomieszczenie objçte pozarem przy otwartych drzwiach na klatkç schodowg i dziataniu nawiewu kompensacyjnego
Figure 12. Flow of air and smoke through open doors on the corridor connecting room of fire origin with the stairwell and with mechanical air supply working
Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
- system oddymiania ze wspomaganiem mechanicznym zachowuje wysokg elastycznosc dziatania podobnie jak instaiacje oddymiania grawitacyjnego. Rowniez w tym przypadku, gdy do przestrzeni klatki schodowej przepty-wa dym o wyzszej temperaturze, silniejsza stratyfika-cja termiczna zwiçksza prçdkosc jego przeptywu przez klatkç, a urzgdzenia oddymiajgce sg w stanie odebrac wiçkszy strumien gazow pozarowych.
Sposob realizacji nawiewu mechanicznego
Bardzo waznym zagadnieniem, bçdgcym jednym z gtow-nych celow programu badawczego „bezpiecznaewakuacja.pl" [3], byto okreslenie i przetestowanie optymalnego pod kgtem skutecznosci i niezawodnosci zestawu urzgdzen systemu oddymiania ze wspomaganiem mechanicznym. Analiza zebranych podczas testow i prob pozarowych danych pozwala na scharak-teryzowanie tej metody w nastçpujgcy sposob:
A. Wentylatory statego wydatku dziatajgce w funkcji nawiewu kompensacyjnego nie zawsze pozwalajg na efektywng pra-cç systemu. Moze on powodowac wzrost nadcisnienia na wyzszych kondygnacjach i przesgczanie siç dymu przez zamkniçte drzwi z klatki schodowej. Zbyt mata wydajnosc
jednostki napowietrzajgcej moze z kolei okazac siç niewy-starczajgca dla nalezytego usuwania dymu z klatki przy niekorzystnych warunkach atmosferycznych (parcie wiatru, odwrocony cigg termiczny) lub otwartych drzwiach np. na poziomie wyjscia z budynku (Ryc. 13).
B. Dla optymalnego dziatania systemu oddymiania naj-wlasciwszym rozwiqzaniem jest zastosowanie nawiewu o zmiennym wydatku. Intensywnosc nawiewu powietrza do przestrzeni klatki schodowej powinna byc regulowa-na w zaleznosci od temperatury dymu naptywajgcego do klatki schodowej i zmieniajgcego siç podczas trwa-nia pozaru poziomu szczelnosci tej przestrzeni. W toku prowadzonych badan wykazano, ze: - system jest w stanie zaadaptowac siç w szerokim za -kresie do zmiany wielkosci strumienia wyptywajgce-go z kondygnacji objçtej pozarem na klatkç schodo-wg. Dziçki temu zwiçkszony strumien objçtosciowy gazow pozarowych usuwany jest ze statg efektyw-noscig przez tç instalacjç. Jednoczesnie zachowana jest stata, ustalona prçdkosc przeptywu powietrza w przestrzeni klatki schodowej, poniewaz rosngcy cigg termiczny, przy wyzszej temperaturze gazow po -zarowych, powoduje wzrost cisnienia w gornej czç-sci klatki schodowej. Jest to sygnat do ograniczenia nawiewu mechanicznego.
system oddymiania klatki schodowej wspomagany zmiennym nawiewem mechanicznym skutecznie adap-tuje si? do dynamicznie zmieniajqcych si? warunkow w chronionej przestrzeni. Kiedy zmienia si? potozenie drzwi pomi?dzy klatkq schodowq i pomieszczeniem ob -j?tym pozarem oraz pomi?dzy klatkq schodowq i wyj-sciem na zewn?trz budynku (zmiany charakterystycz-ne przy stopniowej ewakuacji zagrozonej strefy oraz rozpocz?ciu dziatan ratowniczo-gasniczych), w znacz-nym stopniu zmieniajq si? warunki dla dziatania na-wiewu. Utrzymanie statej pr?dkosci przeptywu powie-trza w przestrzeni klatki schodowej wymaga ptynnego
A)
»
iC
<
[®T
B)
regulowania wydajnosci wentylatora napowietrzajqce-go. Regulowany strumien nawiewany przez wentylator zapewnia rowniez wymagany przeptyw na urzqdze-niach oddymiajqcych, przy wyptywie cz?sci wprowa-dzanego do przestrzeni klatki schodowej powietrza przez drzwi na parterze. Zdarzenie takie jest charakte -rystyczne dla sytuacji podj?cia dziatan przez ekipy ra-towniczo-gasnicze, ktore rozpoczynajq rozpoznanie sytuacji pozarowej od wejscia na klatk? schodowq. Opis przedstawiony powyzej sporzqdzony zostat na pod-stawie danych z prob pozarowych. Dziatanie instalacji podczas jednej z wykonanych prob ilustruje Ryc. 14.
Rycina 13. Mozliwe zaburzenia dziatania systemu oddymiania wspomaganego nawiewem mechanicznym przy A) zbyt duzej i B) zbyt matej intensywnosci nawiewu
Figure 13. Possible malfunctions of smoke ventilation system with mechanical air supply at A) too high and B) too low flow velocity Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
— 15 000 3
J- 10 000
Sredni przeplyw " na wyrzutniach /
Average flow 5 QOO through NSHEVs
= wentylator / ventilator
.......drzwi parter
/ door on ground floor
0:15
Czas / Time [hh:mm]
•= wyrzutnia 1 / NSHEV no 1
wyrzutnia 2 / NSHEV no 2
Drzwi otwarte / Door open Drzwi zamkni^te / Door closed
0:30
— drzwi IV pietro / door on IV floor
Rycina 14. Przeptyw na wentylatorze i wyrzutniach oraz sterowanie drzwiami przy realizacji scenariusza stopniowej ewakuacji i dziatania strazy pozarnej Figure 14. Flow through ventilator and through wall natural smoke ventilator as well as control of doors position during realization of scenario of phased evacuation and during operation of fire-fighting units Zrodto: Opracowanie wtasne. Source: Own elaboration.
Podsumowanie
Wybierajgc rozwigzanie techniczne systemu oddymiania klatki schodowej, nalezy przede wszystkim zdefiniowac cel dzia -tania tej instalacji w konkretnym budynku. Jak wynika z powyz-szego tekstu, nie kazde z powszechnie stosowanych rozwigzan w równym stopniu utatwia ewakuacjç oraz dziatanie ekip ratow -niczo-gasniczych. Znajomosc opisanych powyzej ograniczen róznych systemów moze utatwic dokonanie wtasciwej oceny ryzyka ich zastosowania w budynku i swiadomego wyboru roz-wigzania technicznego na potrzeby osiggniçcia oczekiwanego poziomu bezpieczenstwa pozarowego obiektu budowlanego. Przedstawione w powyzszym artykule tezy opierajg siç na wy-nikach badan obiektowych, które staty siç podstawg opraco-wania nowych wytycznych projektowych CNBOP-PIB [7]. Jest to pierwszy standard, który przedstawia m.in. zasady dobo-ru wielkosci elementów wykonawczych systemu oddymiania wspomaganego zmiennym nawiewem.
Literatura
[1] Rozporzgdzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadac budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2015 r., poz. 1422)
[2] PN-EN 12101-6:2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepta - Czçsc 6: Wymagania techniczne dotyczgce systemów róznicowania cisnien - Zestawy urzgdzen.
[3] Strona internetowa projektu pt. Bezpieczna ewakuacja, www.bez-piecznaewakuacja.pl [dostçp: 10.02.2017].
[4] Kubicki G., Oddymianieklatekschodowych-jakzaprojektowaciwyko-nac efektywny system; Ochrona przeciwpozarowa w budownictwie, Seminarium Naukowo-Techniczne, Zakopane 6-8 pazdziernika 2016.
[5] Sztarbata E., Sztarbata G., Analiza rozwojupozaru wpomieszczeniu mieszkalnym oraz analiza rozprzestrzeniania siç dymu i ciepta w ob-rçbie dróg ewakuacji budynku sredniowysokim - wyniki badan wskali rzeczywistej, obliczen numerycznych oraz testów z cieptym dymem, Ochrona przeciwpozarowa w budownictwie, Seminarium Nauko-wo-Techniczne, Zakopane 6-8 pazdziernika 2016.
[6] Król M., Analiza wptywu warunkówzewnçtrznych na skutecznosc usu-wania dymu z klatek schodowych za pomocq okien oddymiajqcych, Ochrona przeciwpozarowa w budownictwie, Seminarium Nauko-wo-Techniczne, Zakopane 6-8 pazdziernika 2016.
[7] Wytyczne CNBOP-PIB, W-0003:2016 Systemy oddymiania klatek schodowych.
ST. KPT. MGR INZ. TOMASZ KIEtBASA - absolwent Wydziatu Inzy-nierii Bezpieczenstwa Pozarowego Szkoty Gtównej Stuzby Pozarni-czej. W CNBOP-PIB od 2004 roku zwigzany z dziatalnoscig certyfi-kacyjng i dopuszczeniowg. Prowadzit procesy certyfikacji systemów i podzespotów urzgdzen gasniczych i zabezpieczajgcych oraz wyko-nywat oceny warunków produkcji wyrobów do ochrony ppoz. w za-ktadach produkcyjnych zlokalizowanych na catym swiecie. Od 2010 roku kierownik Jednostki Certyfikujgcej CNBOP- PIB. Autor lub wspót-autor kilkunastu publikacji (rozdziatów w monografiach, artykutów, standardów, referatów) poswiçconych tematyce zwigzanej z ochrong przeciwpozarowg. Autor kilkadziesiçciu wystgpien podczas szkolen, warsztatów, seminariów i konferencji o zasiçgu krajowym i miçdzy-narodowym. Cztonek Komitetu Technicznego PKN nr 180 ds. Bezpie-czenstwa Pozarowego Obiektów.
INZ. JAROStAW WICHE - wiceprezes Zarzgdu, Dyrektor Techniczny SMAY Sp z o.o. Z wyksztatcenia inzynier mechanik, absolwent Wydziatu Mechanicznego Politechniki Krakowskiej. Od 2000 roku zwigzany z branzg wentylacyjng jako konstruktor wiodgcy, autor szeregu produktów zwigzanych z zabezpieczeniami przeciwpozarowymi w budownictwie, znajdujgcych siç w ofercie firmy SMAY. Autor licznych publikacji z zakresu wentylacji pozarowej. Menadzer prowadzgcy gru-pç inzynierów, mechaników i automatyków w trzech generacjach ze-stawu do róznicowania cisnien oferowanego przez firmç SMAY. Szef projektu „Bezpieczna ewakuacja", realizowanego w obiekcie poligo-nowym w Sosnowcu.
DR INZ. GRzEGoRz KuBICKI - wyktadowca Politechniki Warszaw-skiej z ponad 18-letnim stazem. Specjalista w dziedzinie wentylacji pozarowej, prowadzgcy przedmiot „Wentylacja pozarowa". Zatozyciel i od 11 lat kierownik studiów podyplomowych „Systemy oddymiania budynków - wentylacja pozarowa". Autor lub wspótautor wielu artykutów i referatów oraz podrçcznika akademickiego z dziedziny wentylacji pozarowej Wentylacja Pozarowa. Autor licznych ekspertyz oraz koncepcji technicznych z zakresu bezpieczenstwa pozarowego (m.in. dla portu lotniczego im. F. Chopina w Warszawie, Auli Gtównej PW, Warsaw Spire itd). Aktywny cztonek SITP cztonek sekcji wentylacji i klimatyzacji PAN, cztonek PZITS. Uczestnik i wspótautor programów badawczo-rozwojowych dotyczgcych systemów róznicowania cisnie-nia, uktadów adaptacyjnych dla systemów wentylacji pozarowej oraz systemów oddymiania klatek schodowych.
