CC BY
54
dr inz. Stanislaw KOZIOL
dr inz. Andrzej ZBROWSKI andrzej.zbrowski@itee.radom.pl Instytut Technologii Eksploatacji - Panstwowy Instytut Badawczy
METODA POPRAWY BEZPIECZENSTWA BUDYNKÖW POPRZEZ ZASTOSOWANIE ODZYSKU CIEPLA W UKLADACH WENTYLACJI POZAROWEJ
The method for increasing the safety of the buildings by application of heat recuperation in the fire fighting ventilation
systems
Streszczenie
W budynkach wysokich i wysokosciowych pionowe klatki schodowe stanowi^. jedyn^. drog§ ewakuacyjn^. w przypadku wyst^pienia pozaru. W celu zapewnienia bezpiecznej ewakuacji z wyzszych kondygnacji budynku stosowane s^. uklady wentylacji pozarowej utrzymuj^cej w drogach ewakuacyjnych odpowiedni^. atmosfer^. W wyniku roznicy temperatur nawiewanego powietrza i konstrukcji klatki schodowej powstaje roznica cisnienia powietrza pomi^dzy gornymi, a dolnymi kondygnacjami tzw. ci^g kominowy utrudniaj^cy bezpieczn^. ewakuacji w wyniku niekorzystnej migracji gazow pozarowych lub blokowania mozliwosci otwarcia drzwi wewn^trznych. Likwidacja ci^gu kominowego wymaga stosowania kosztownych instalacji zdolnych do przetlaczania przez klatk§ schodow^ duzych mas powietrza. W artykule wykazano zwi^zek mi^dzy wysokosci^. budynku i parametrami atmosferycznymi wewn^trznymi i zewn^trznymi, a wartosci^. roznicy cisnienia w klatce schodowej oraz jej wplyw na bezpieczenstwo akcji ratowniczej.
Przedstawiono sposob zmniejszenia ci^gu kominowego przez zastosowanie odzysku ciepla w ukladzie wentylacji pozarowej. Zalozeniem zaproponowanej metody jest d^zenie do wyrownania temperatur powietrza nawiewanego z zewn^trz i konstrukcji klatki schodowej, co w konsekwencji prowadzi do minimalizacji powstaj^cej w takich warunkach roznicy cisnien gdyz likwiduje przyczyn^ jej powstawania.
Przedstawiono koncepj wykorzystania odr^bnej instalacji wentylacji mechanicznej, cz^sci instalacji wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej wyposazonych w uklad odzysku ciepla o odpowiedniej wydajnosci do zniwelowania ci^gu kominowego. Przedstawiono przyklady obliczeniowe wykazuj^ce mozliwosc wyrownania cisnien w klatce schodowej budynku o wysokosci 120 m poprzez podgrzanie powietrza wprowadzanego do klatki schodowej przy pomocy powietrza usuwanego (rekuperacji) w wymiennikach o roznej sprawnosci. Wyspecyfikowano najwazniejsze wymagania dotycz^ce ukladu odzysku ciepla, ktore musi on spelniac, by mogl byc zastosowany w tego rodzaju rozwi^zaniu. Wykazano za pomocy obliczen, ze metoda ta pozwala na
zachowanie wymaganych przepisami bezpieczenstwa parametrow atmosfery pozwalaj^cych na bezpieczn^. ewakuacj w warunkach pozaru.
Summary
In tall buildings and skyscrapers the vertical staircases are the only evacuation way in case of the fire. To ensure safe evacuation from the higher floors of the building the special ventilation systems are used for maintaining of the proper atmosphere in the evacuation tract. As a result of the difference in temperatures between the fresh air and the staircase construction the difference between the pressures at the bottom and the top of the building occurs which causes so called chimney effect, which hinders safe evacuation by the strong draught of fire-produced gases and causing difficulties in opening the inner doors. The removal of the chimney effect requires the use of expensive plants for pushing the large amounts of air mass through the staircase. The article shows the relation between the height of the building and the parameters of the atmosphere indoors and outdoors and the value of the pressure in the staircase and its influence on the safety of the rescue mission.
Also the method for decreasing of the chimney effect by use of the heat recuperation in the fire ventilation system is presented. The assumption for the proposed method is the aiming at the equalisation of temperatures of the fresh air and the construction of the staircase, which leads to the minimalisation of created difference in pressures, as it removes the cause of its generation.
The concept of application of the separate system for mechanical ventilation, part of the ventilation or air-conditioning system equipped with the recuperation system of proper power to eliminate the chimney effect. The calculation examples are presented for the possibility of equalisation of the pressures in the staircase of the 120m tall building by heating the air introduced into the staircase by means of the air removed from the staircase in the heat exchangers of different efficiency. The most important requirements were specified for the heat recuperation system to make it sufficient to be applied in such a solution. It was shown by calculation, that the method allows keeping the law-enforced requirements for the parameters of the atmosphere that allows safe evacuation during the fire.
Slowa kluczowe: wentylacja pozarowa, ci^g kominowy, budynki wysokie, odzysk ciepla Key words: fire-fighting ventilation system, chimney effect, tall buildings, heat recuperation
Wprowadzenie
Pozar jako zagrozenie bezpieczenstwa osob lub mienia musi bye brany pod uwage w przypadku kazdego istniej^cego oraz nowo projektowanego budynku. Zagrozenia te s^. szczegolnie istotne w budynkach wysokich i wysokosciowych, w ktorych z zalozenia jedyn^. drog^. ewakuacji, dla osob przebywaj^cych na gornych kondygnacjach, jest klatka schodowa. Jest to takze jedyna droga dost^pu dla ekip ratowniczych strazy pozarnej. Z tego powodu w takich budynkach klatki schodowe, zgodnie z prawem budowlanym [1] czy tez warunkami technicznymi [2], powinny spelniae okreslone wymagania. Rowniez z tego powodu
stosowane obecnie systemy wentylacji pozarowej przeznaczone dla budynków wysokich i wysokosciowych maj^. za zadanie, jako jeden z podstawowych warunków, zapewnic bezpieczn^ drogç ewakuacji wszystkich osób znajduj^cych siç w budynku oraz prawidlow^. drogç dostçpu dla jednostek strazy pozarnej.
Kluczowym elementem w tego typu rozwi^zaniach jest odpowiedni uklad gwarantuj^cy prawidlow^. pracç systemu wentylacji pozarowej w trakcie akcji ratowniczej. Jednym z istotnych aspektów funkcjonowania takich systemów (system nadcisnieniowy) jest m.in. zapewnienie takiego rozkladu cisnienia w klatce schodowej, który umozliwi bezproblemowe otwarcie drzwi ewakuacyjnych na kazdej z kondygnacji przy równoczesnym uniemozliwieniu przedostania siç gazów pozarowych z pal^cej siç kondygnacji do przestrzeni klatki schodowej stanowi^cej drogç ewakuacyjn^.. Róznica cisnien pomiçdzy korytarzem na danej kondygnacji, a klatk^ schodow^. powinna byc utrzymywana na poziomie 50 Pa [3]. Wymaganie to powoduje wiele problemów, szczególnie w okresie zimowym podczas bardzo mroznych dni oraz letnim podczas upalów. W przestrzeni klatki schodowej (szczególnie zlokalizowanej wewn^trz budynku) panuje wzglçdnie stabilna temperatura wynikaj^ca z bilansu cieplnego budynku i znikomego wplywu warunków panuj^cych na zewn^trz. Przykladowo w okresie zimowym wynosic ona moze 20oC. W tej sytuacji nawiew zimnego powietrza zewnçtrznego w celu napowietrzenia klatki schodowej spowoduje zjawisko ci^gu kominowego. Dzieje siç tak na skutek ogrzania strumienia zimnego powietrza od przegród budowlanych, w których zakumulowana jest duza ilosc energii. Spelnienie powyzszych zalecen (zapewnienie równomiernego rozkladu cisnien na calej wysokosci klatki schodowej) wymaga zmniejszenia lub zniwelowania oddzialywania wplywu konwekcji swobodnej w klatce schodowej.
Najnowszymi rozwi^zaniami, które pojawily siç w ostatnich kilku latach na rynku [4, 5] i jednoczesnie jednymi z najskuteczniejszych s^. systemy bazuj^ce na rozwi^zaniach zapewniaj^cych wytworzenie odpowiedniego dodatkowego przeciwcisnienia. Sumowanie siç tych rozkladów cisnien pozwala w znacznym stopniu zapobiec negatywnym skutkom efektu kominowego (konwekcji swobodnej) podczas akcji ewakuacyjnej. Systemy te wymagaj^. jednak przetlaczania wzglçdnie duzych strumieni powietrza przez przestrzen klatki schodowej oraz stosowania kosztownych rozwi^zan technicznych. Wymusza to znaczne naklady inwestycyjne wynikaj^ce z koniecznosci budowy niezaleznego systemu wentylacji o duzych wydajnosciach i sprçzach dyspozycyjnych [6].
Oczywiste wydaj^. siç koncepcje systemów wentylacji przeciwpozarowej pozwalaj^ce zoptymalizowac dzialanie oraz koszty tego typu instalacji poprzez zniwelowanie oddzialywania wplywu konwekcji swobodnej na funkcjonowanie instalacji oddymiaj^cych.
Zalozeniem nie jest tutaj wytwarzanie przeciwcisnienia, lecz d^zenie do wyrównania temperatur powietrza nawiewanego z zewn^trz i konstrukcji klatki schodowej, co w konsekwencji prowadzi do minimalizacji powstaj^cej w takich warunkach róznicy cisnien gdyz likwiduje przyczynç jej powstawania. Wynika to z zalozenia, iz podgrzewaj^c powietrze w zimie oraz ochladzaj^c w lecie d^zy siç do wyrównania temperatur i co za tym idzie minimalizacji zjawiska konwekcji swobodnej i wynikaj^cej z niej róznicy cisnien zwanej ci^giem kominowym. Stosowanie specjalnych wymienników ciepla przeznaczonych do zmiany temperatury powietrza przeznaczonego do napowietrzania klatek schodowych byloby jednak bardzo trudne do praktycznej realizacji. Wynika to z relatywnie duzej mocy tych wymienników ciepla w porównaniu z istniej^c^. w danym budynku instalacji klimatyzacji czy wentylacji oraz koniecznosci zapewnienia medium grzewczego lub instalacji chlodniczej. W przypadku okresu zimowego nalezaloby zainstalowac nagrzewnicç elektryczn^ o duzej mocy, zamówic tç moc i poniese zwi^zane z tym koszty podczas gdy w przypadku normalnej eksploatacji budynku (nie zdarza siç pozar) moc ta nigdy nie zostalaby wykorzystana. Zastosowanie alternatywnie nagrzewnicy gazowej byloby niedopuszczalne w przypadku pozaru, a kotlownia gazowa pol^czona z nagrzewnic^. wodn^. potrzebowalaby czasu na osi^gniçcie parametrów pracy (akumulacja energii) co uniemozliwiloby reakcjç systemu w wymaganym czasie.
Powietrze naplywaj^ce do przestrzeni klatki schodowej podczas ewakuacji budynku jest z niej nastçpnie wyprowadzane. Z zalozenia nie powinno ono zawierac zadnych gazów pozarowych. Mozna wiçc wykorzystac je do podgrzania powietrza wprowadzanego do klatki schodowej. Efekt ten mozna uzyskac dziçki wykorzystaniu spelniaj^cego odpowiednie wymagania systemu odzysku ciepla. Kluczowym parametrem bçdzie tutaj sprawnosc procesu wymiany ciepla. Instalacja taka poprzez niwelowanie ujemnego wplywu konwekcji swobodnej i minimalizowanie szkodliwego wplywu efektu kominowego, bylaby w stanie zapewnic prawidlow^ pracç instalacji napowietrzania dróg ewakuacyjnych podczas pozaru.
Wplyw ci^gu kominowego w pionowej drodze ewakuacyjnej na bezpieczenstwo pozarowe budynku
Podstawowymi czynnikami stwarzaj^cymi zagrozenie dla ludzi przebywaj^cych w budynku w trakcie pozaru s^.:
• dym - poprzez ograniczenie widocznosci,
• niedostateczna ilosc tlenu,
• toksyczne produkty spalania,
• wysoka temperatura gazów i powierzchni,
• bezposrednie oddzialywanie plomieni.
Dla osób znajdujicych siç w budynku najwiçksze zagrozenie dla ich zdrowia i zycia stanowi dym [7]. Ogranicza on widocznosc, powoduje, ze ludzie traci orientacjç i w konsekwencji nie si w stanie odnalezc drogi ewakuacji. W budynkach znaczna ilosc wyposazenia sklada siç z latwopalnych tworzyw sztucznych, podczas spalania tego typu substancji wydzielane si toksyczne zwiizki, które nawet w niewielkich ilosciach stanowii zagrozenie dla zdrowia i zycia ludzi. Nalezy podkreslic, ze szczególnie wazny z punktu widzenia bezpieczenstwa jest czas ucieczki i ewakuacja osób z objçtego pozarem budynku. W przypadkach gdy osoby znajdujice siç wewnitrz nie si w stanie w sposób prawidlowy i mozliwie szybki wydostac siç z budynku, narazone si na oddzialywanie wszystkich czynników stanowiicych zagrozenie dla zycia.
W trakcie pozaru dym rozprzestrzenia siç w sposób wynikajicy z praw fizyki, które stanowii glówni silç napçdowi przemieszczania siç dymu wewnitrz budynku. Norma PN-EN 12101-6 [3] wymienia nastçpujice czynniki powodujice przemieszczanie siç dymu podczas pozaru:
• sila wyporu dzialajica na gazy na kondygnacji objçtej pozarem - ze wzglçdu na zmniejszoni gçstosc dym powstajicy w strefie objçtej pozarem podlega silom wyporu, co prowadzi do przemieszczania do góry przez nieszczelnosci w pionowych przegrodach oraz otwory stanowiice elementy konstrukcyjne budynku,
• rozszerzalnosc cieplna gor^cych gazów w strefie objçtej pozarem wywolana wzrostem temperatury w wyniku powstania pozaru powoduje wzrost cisnienia, któremu towarzyszy wyplyw gor^cych gazów z pomieszczenia,
• sila naporu wiatru - wiatr wiejicy w stronç danej sciany budynku jest przez nii spowalniany, w konsekwencji wzrasta cisnienie po stronie nawietrznej i spadek cisnienia po stronie zawietrznej wywolujic poziomy ruch powietrza i dymu przez budynek ze strony nawietrznej do zawietrznej,
• efekt kominowy - róznica cisnien oraz zwiizany z nii ruch gazu wynikajice ze zmian jego gçstosci, które powstaji na skutek róznicy temperatur; jest to zjawisko fizyczne dziçki któremu powstaje naturalny przeplyw cieplejszego powietrza z dolu do góry w klatkach schodowych budynków, szybach wentylacyjnych, szybach wind itp.,
• instalacje wentylacji, klimatyzacji i ogrzewanie budynku maji istotny wplyw na rozwój pozaru - mogi przykladowo dostarczac powietrze do strefy objçtej pozarem, wspomagajic spalanie lub przemieszczac dym do sisiednich stref; podczas pozaru si
zwykle wyl^czane, jednak mog3 bye tak zaprojektowane aby ograniczaly rozprzestrzenianie si? dymu b^dz byly uzywane w pol^czeniu z cisnieniowym systemem wentylacji pozarowej.
W celu zapobiegania zagrozeniu jakie niesie ze sob^ pojawienie si? dymu, stosuje si? roznego typu rozwi^zania wentylacji pozarowej wyznaczaj^c w budynkach strefy chronione. Sluz^ one kontroli rozprzestrzeniania dymu poprzez takie ukierunkowanie ruchu gazow pozarowych w budynku, aby zapewnie odpowiednie bezpieczenstwo. S3, to przede wszystkim korytarze ewakuacyjne, przedsionki przeciwpozarowe, szyby windowe oraz obudowane i oddzielone drzwiami klatki schodowe (jako obszary wolne od dymu i ognia). Strefy te stanowi^ drog? bezpiecznej ewakuacji osob znajduj^cych si? w budynku.
W budynkach wysokich i wysokosciowych szczegolnie niekorzystny wplyw na bezpieczenstwo pozarowe ma ci^g kominowy. W klatkach schodowych budynkow przeplyw gazow odbywa si? m.in. dzi?ki nieszczelnosciom, otwartym oknom oraz drzwiom. W klimacie polskim jest to szczegolnie odczuwalne w okresie zimowym. Powietrze o temperaturze znacznie nizszej od temperatury przegrod klatki schodowej wplywa do jej wn?trza na niskich kondygnacjach, ogrzewa si? przez co zmniejsza swoj^. g?stose i przeplywa w gorn^ cz?se przestrzeni klatki schodowej, gdzie powstaje strefa podwyzszonego cisnienia, natomiast w dolnej cz?sci cisnienie maleje. Ci^g termiczny powoduje pionowy rozklad cisnienia (Rys. 1).
Pionowy rozklad cisnienia (Vertical distribution of pressure)
Ryc.1. Ci^g kominowy -schemat rozkladu cisnienia Fig.1. The chimney effect - the diagram of the distribution of the pressure
W okresach letnich, gdy powietrze zewnçtrzne jest o wyzszej temperaturze niz wnçtrze budynków nastçpuje efekt odwrotny - cieple powietrze naplywajice do przestrzeni klatki schodowej ochladza siç zwiçkszajic swoji gçstosc i w konsekwencji opada w dól na skutek dzialania sily grawitacji. W górnej czçsci klatki schodowej budynku z tego powodu pojawia siç cisnienie nizsze od cisnienia na zewnitrz, co powoduje przeplyw powietrza skierowany w dól. W obu przypadkach w okolicach srodka wysokosci slupa powietrza powstaje obszar neutralnego cisnienia. Jest to obszar gdzie cisnienie powietrza zewnçtrznego i wewnçtrznego sí sobie równe. Wartosc cisnienia ciigu kominowego mozna oszacowac nastçpujici uproszczoni zaleznoscii:
Apo = (pp - pg) - h - g[Pa]
gdzie:
pP - gçstosc powietrza zewnçtrznego przy temperaturze Tp [°C] i cisnieniu b [hPa],
pg - srednia gçstosc powietrza wewnçtrznego przy temperaturze Tg¿ [°C] i cisnieniu b [hPa],
h - wysokosc klatki [m],
g - przyspieszenie ziemskie = 9,81 [m/s2].
Wartosci pg i pP mozna obliczyc korzystajic z równania stanu:
pp
Pa
R - Tp
" g " Pa ҐУ — Г kg ]
_ m3 _ yg — , R - Tg _ m3 _
gdzie:
Tp - srednia temperatura powietrza zewnçtrznego [K]
Tg - srednia temperatura powietrza wewnçtrznego [K] pa - cisnienie barometryczne [hPa].
R - Indywidualna stala gazowa powietrza 287.05 [J/kgK]
Badania laboratoryjne, poligonowe oraz testy numeryczne wykazuji, ze w rzeczywistych warunkach ciig kominowy jest nieco mniejszy od wartosci wyliczonej z powyzszej zaleznosci. W pracy [8] wprowadzono wspólczynnik korekcyjny zmniejszajicy tç wartosc. Niestety okreslenie wartosci uniwersalnych tego wspólczynnika wymaga przeprowadzenia symulacji lub badan dla wielu budynków. Zmodyfikowana zaleznosc przyjmuje postac:
gdzie:
C - stala ciigu wyrazana jako
C -AH -y[Pa ] Pa
Ap
C = (pp- pg) - g
m
AH - wysokosc danej kondygnacji ponizej wçzla, dla którego wyliczane jest cisnienie [m], у - wspólczynnik korekcyjny ciigu.
Efekt kominowy stanowi bardzo niekorzystne zjawisko, w kontekscie wentylacji pozarowej. Jest to szczególnie niebezpieczne w przypadku klatek schodowych budynków wysokich i wysokosciowych gdzie prowadzi do powaznych utrudnien w dzialaniu systemów zabezpieczajicych klatki schodowe przed zadymieniem, a w konsekwencji bezpiecznego prowadzenia akcji ewakuacyjnej. Systemy wentylacji pozarowej zwykle wtlaczaji do klatek schodowych duze ilosci powietrza w celu zapewnienia nadcisnienia w przestrzeni klatki w stosunku do korytarzy ewakuacyjnych. Powietrze zewnçtrzne o temperaturze znacznie nizszej od temperatur panujicych wewnitrz klatki schodowej wywoluje silny efekt ciigu kominowego, który wytwarza duzy gradient cisnienia wewnitrz klatki schodowej budynku. Powstala róznica cisnien moze byc tak duza, ze na wielu skrajnych kondygnacjach znacznie si przekroczone, okreslone w normach i wytycznych, wartosci sily koniecznej do otwarcia drzwi na drodze ewakuacyjnej oraz nie si utrzymane minimalne wartosci cisnienia koniecznego do zapobiegania przedostawania siç dymu na klatkç schodowi. Z tego tez powodu szczególnie niebezpieczne jest pojawienie siç efektu podcisnienia, poniewaz skutkowac to moze zasysaniem dymu do wnçtrza klatki schodowej stanowiicej kluczowy element drogi ewakuacyjnej w budynkach wysokich i wysokosciowych.
W przypadku klatek schodowych wewnitrz budynku, do których wplywa i wyplywa tylko powietrze wewnçtrzne z przestrzeni uzytkowej budynku zjawisko ciigu kominowego moze nie wystçpowac. Efekt kominowy bçdzie pojawic siç dopiero w momencie napowietrzania klatki schodowej przez wentylacjç pozarowi - w momencie gdy bardzo duze ilosci powietrza zewnçtrznego zaczni wymieniac cieplo (ogrzewac siç lub ochladzac) wewnitrz klatki schodowej. Jest to podstawowy problemem przy nadcisnieniowym zabezpieczaniu pionowych stref ewakuacyjnych. Wielkosc efektu kominowego zalezy przede wszystkim od wysokosci obiektu oraz od róznicy temperatur, które bezposrednio wplywaji na gçstosc powietrza.
Sposób zmniejszenia ci^gu kominowego przez zastosowanie odzysku ciepla w ukladzie wentylacji pozarowej
Koncepcja wykorzystania odrçbnej instalacji wentylacji mechanicznej, czçsci instalacji wentylacyjnej lub klimatyzacyjnej wyposazonych w uklad odzysku ciepla o odpowiednio wysokiej sprawnosci, dawalaby mozliwosc zniwelowania efektu kominowego, który jest szczególnie niebezpieczny w przypadku klatek schodowych stanowiicych czçsto jedyni
drog? ewakuacji w przypadku pozaru z budynkow wysokich i wysokosciowych. W przypadku doboru odpowiednich systemow odzysku ciepla, wykorzystywanych rowniez w systemach wentylacji bytowej, do minimalizacji roznic temperatur powietrza nawiewanego przez wentylacj? pozarow^ - szczegolnie zas systemy zapobiegania przed zadymieniem pionowych drog ewakuacji, pozwoliloby na podniesienie bezpieczenstwa i jakosci systemow wentylacji pozarowej cz?sto przy rownoczesnym obnizeniu calosciowych kosztow ukladow przeciwpozarowych.
Nalezy podkreslic, ze prawidlowe zastosowanie odpowiedniego ukladu odzysku ciepla minimalizowaloby powstawanie ci^gow termicznych wyst?puj^cych w pionowych drogach ewakuacji, dzi?ki czemu zapewnione zostalyby dobre warunki kazdemu ze stosowanych systemow napowietrzania jedno lub wielopunktowego [9], systemow przeciwci^gu i wszelkim innym rozwi^zaniom, poniewaz zalozeniem jest doprowadzenie roznicy temperatur do wartosci maj^cej pomijalny wplyw na zjawisko ci^gu kominowego.
Ryc. 2. Schemat ideowy koncepcji systemu wentylacji pozarowej napowietrzaj^cego klatki schodowe budynkow wysokich i wysokosciowych z wykorzystaniem podgrzania powietrza nawiewanego wymiennikiem do odzysku ciepla.
Fig. 2. The diagram of the concept of the fire-fighting ventilation system for the staircases of the tall buildings and skyscrapers with use of heated air introduced by the heat
recuperation
Ideowo koncepcj? systemu wentylacji pozarowej napowietrzaj^cego klatki schodowe budynkow wysokich i wysokosciowych przedstawiono na rysunku nr 2.
Ponizej przedstawiono przyklad obliczeniowy, który wykazuje mozliwosc wyrównania cisnien w klatce schodowej budynku o wysokosci 120 m poprzez podgrzanie powietrza wprowadzanego do przestrzeni klatki schodowej przy pomocy powietrza usuwanego (rekuperacji) w wymiennikach o róznej sprawnosci. Posluzono siç wzorami opisanymi wyzej oraz nastçpuj^ci zaleznoscii na sprawnosc temperaturowi rekuperatora zakladaj^ci równosc strumieni powietrza w wymienniku:
Tr - Tz
r¡ =--------
Tp - Tz
gdzie:
TP - temperatura powietrza wewnçtrznego [oC],
TZ - temperatura powietrza zewnçtrznego [oC],
TR - temperatura powietrza po rekuperatorze [oC],
^ - sprawnosc rekuperatora.
Obliczenia wykonano dla skrajnie niekorzystnych warunków zimowych kiedy temperatura wewn^trz budynku wynosi TP = 20°C, temperatura powietrza zewnçtrznego TZ = -20°C, a sprawnosc rekuperatora ^ = odpowiednio 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 lub 0.9, wspólczynnik korekcyjny ci^gu przyjçto y = 0,9. Wyniki obliczen dla takich zalozen przedstawiono w tabeli nr 1.
Tabela 1.
Porównanie pracy systemu napowietrzania dróg ewakuacyjnych wyposazonego w
rekuperatory róznej sprawnosci
Table 1.
Comparison of the ventilation system for the evacuation tracts equipped with the
recuperators of different efficiency
n Tr[°C] PgtkgW] Pptkg/m3] Ap[Pa] a] a. Pd_d[Pa]
0 -20 1.20 1.39 201,53 150,76 -50,76
0,4 -4 1.20 1,31 113.73 106,86 -6,86
0,5 0 1.20 1,29 93,39 96,69 3,31
0,6 4 1.20 1,27 73,63 86,82 13,18
0,7 8 1.20 1,26 54,44 77,22 22,78
0,8 12 1.20 1,24 35,78 67,89 32,11
0,9 16 1.20 1,22 17,64 58,82 41,18
gdzie:
n - sprawnosc rekuperatora,
TR - temperatura powietrza po rekuperatorze [oC], pg - gçstosc powietrza w temperaturze TP [K] przy cisnieniu 1013 [hPa], pp - gçstosc powietrza w temperaturze TR [K] przy cisnieniu 1013 [hPa], pd_g - cisnienie mierzone na drzwiach na górnych kondygnacjach [Pa], pd_d - cisnienie mierzone na drzwiach na dolnych kondygnacjach [Pa].
W obliczeniach zalozono, ze celem instalacji jest utrzymanie cisnienia w przestrzeni klatki schodowej na poziomie 50Pa. Przy zalozeniu liniowego rozkladu cisnienia w klatce schodowej wartosc ta bçdzie zachowana na poziomie plaszczyzny obojçtnej (Rys.1 oraz 2). Przyjmuje siç, ze dla zapewnienia skutecznosci systemu napowietrzania klatek schodowych najnizsza róznica cisnien zmierzona pomiçdzy korytarzem ewakuacyjnym i przestrzenii klatki schodowej wynosi odpowiednio 12.5 Pa wg NFPA 92A - amerykanski standard dotyczicy ochrony przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych, 20Pa wg instrukcji ITB 378/2002 lub 30Pa wg znowelizowanej normy PN-EN 12101 - 6. Najwyzsze cisnienie w klatce schodowej wzglçdem korytarza nie moze zas przekroczyc w zaleznosci od przyjçtego standardu wartosci odpowiadajicej wartosci sily potrzebnej do otwarcia drzwi 133 N wg NFPA 92A, 80 Pa wg Instrukcja ITB 378/2002, 100 N wg znowelizowanej normy PN-EN 12101 - 6. Nalezy wiçc przyjic jako skrajnie niekorzystne wartosci:
• najnizsze dopuszczalne cisnienie 30 Pa,
• najwyzsze dopuszczalne cisnienie 80 Pa.
Z wyników obliczen zamieszczonych w tabeli wynika, ze w odniesieniu do przepisów NFPA 92A oraz Instrukcji ITB 378/2002 wymagane warunki rozkladu cisnien powietrza w klatce schodowej zostani zachowane juz przy sprawnosci rekuperatora na poziomie 70%, zas w odniesieniu do PN-EN 12101 wymagana sprawnosc odzysku ciepla wynosi 80%. Nalezy przy tym uwzglçdnic fakt, ze zakladamy tutaj dowolny system nawiewu powietrza. Przy zastosowaniu specjalnych systemów nawiewu jak np. system przeciwciigu (system SAFETY WAY firmy SMAY [6]) wartosci te mogi okazac siç znacznie nizsze. Poza tym przy tego typu kierunkowych nawiewach powietrza znacznie spadnie wydajnosc instalacji wentylacji pozarowej co moze przyczynic siç do bardzo duzych oszczçdnosci inwestycyjnych zwiizanych z zakupem takiej instalacji do budynku.
Aby jednak system odzysku ciepla mógl zostac zastosowany we wspólpracy z wentylacji pozarowi musialby spelnic odpowiednie wymagania. Wymagania te to przede wszystkim:
• potwierdzona badaniami odpowiednia efektywnosc odzysku ciepla dajica gwarancje minimalizowania do mozliwego do zaakceptowania poziomu efektu kominowego w okreslonych warunkach temperaturowych,
• efektywna praca systemu w przypadku wysokich wilgotnosci powietrza wywiewanego oraz niskich temperatur powietrza zewnçtrznego (problem obladzania w przypadku niektórych wymienników przeponowych),
• efektywnosc odzysku chlodu w przypadku wyzszych temperatur powietrza zewnçtrznego w okresach letnich,
• odpowiednia szczelnosc,
• odpornosc temperaturowa w przypadku pojawienia siç goricych gazów w powietrzu wywiewanym.
Podsumowanie
Systemy odzysku ciepla stosowane w instalacjach wentylacji mechanicznej wplywaji bezposrednio na energochlonnosc instalacji, a co za tym idzie koszty uzytkowania budynku. Poza aspektami zwiizanymi ze zuzyciem energii efektywnosc tych urzidzen nie wplywa bezposrednio na bezpieczenstwo osób przebywajicych w budynku. W przypadku jednak zastosowania rekuperatora jako elementu instalacji oddymiajicej jego efektywnosc staje siç parametrem kluczowym gdyz zalezy od niej bezposrednio bezpieczenstwo osób ewakuowanych z budynku podczas pozaru. Dlatego wymienniki ciepla (rekuperatory) zastosowane w tego typu instalacjach muszi byc dobierane z zachowaniem szczególnej dbalosci o uzyskanie wymaganych parametrów pracy. Majic na uwadze korzysci jakie moze przyniesc wykorzystanie opisanej metody poprawy bezpieczenstwa pozarowego budynków, opierajic siç o dostçpne zalecenia normatywne, wytyczne i procedury badawcze w zakresie wymagan jakie powinny spelniac rekuperatory w systemach wentylacyjnych, powinny zostac podjçte w tym zakresie odpowiednie prace badawcze i rozwojowe. Celem badan powinno byc wypracowanie procedur pozwalajicych okreslic i zweryfikowac wymagania jakie powinien spelniac system odzysku ciepla, aby mozna bylo go zastosowac do instalacji napowietrzania dróg ewakuacyjnych.
Literatura
1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz. U. Nr 89, poz. 414) z pózniejszymi zmianami (Dz. U. z 2010 r. Nr 234 poz. 1623 tekst jednolity);
2. EN-13141-7 Ventilation form buildings Performance testing of components/products for residential buildings -Part 7: Performance testing of mechanical supply and exhausted ventilation unit (including heat recovering) for mechanical ventilation systems intended for single family dwellings;
3. PN-EN 12101-6:2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepla. Czçsc 6: Wymagania techniczne dotyczqce systemôw rôznicowania cisnien. Zestawy urzqdzen;
4. Dzial rozwoju firmy SMAY; Safety Way® - nowy sposôb na ochrony klatek schodowych; Chlodnictwo i Klimatyzacja 1-2/2009;
5. Dzial rozwoju firmy SMAY; Praktyczne spostrzezenia wynikajqce z badan systemu Safety Way®; Chlodnictwo i Klimatyzacja 3/2009;
6. Kubicki G.; Wiche J., Safety Way® - pierwszy inteligentny system ochrony przed zadymieniem drôg ewakuacji; Ochrona Przeciwpozarowa 3/2010;
7. PN-B-02856:1989 - Ochrona przeciwpozarowa budynkôw - Metoda badania wlasciwosci dymotwôrczych materialôw;
8. Sypek G., Tekielak I., Wiche J., Rôznicowanie cisnienia w pionowych drogach ewakuacyjnych budynkôw wysokosciowych. Analiza numeryczna dzialania systemôw; Chlodnictwo i Klimatyzacja 6/2010;
9. Sypek G., Wiche J., Temperatura a systemy ochrony przed zadymieniem pionowych drôg ewakuacji; Ochrona Przeciwpozarowa 12/2009.
Dr inz. Stanislaw Kozio! jest adiunktem w Instytucie Technologii Eksploatacji - PIB w Radomiu. Kieruje pracami Dzialu Projektowania. Jest autorem lub wspolautorem 60 publikacji naukowych, 10 uzyskanych patentow oraz 50 zgloszen patentowych. Bral udzial w realizacji 40 projektow badawczych, ponadto kierowal 20 projektami badawczymi i rozwojowymi.
Dr inz. Andrzej Zbrowski jest adiunktem w Instytucie Technologii Eksploatacji - PIB w Radomiu. Kieruje Zakladem Doswiadczalnym. Jest autorem lub wspolautorem 130 publikacji naukowych, 35 uzyskanych patentow oraz 110 zgloszen patentowych. Bral udzial w realizacji 40 projektow badawczych, ponadto kierowal 12 projektami badawczymi i rozwojowymi.
Recenzenci
Dr inz. Pawe! Janik
Dr inz. Waldemar Wnçk
