Serwis Smay używa cookies. W przeglądarce internetowej można zmienić ustawienia dotyczące cookies.
Brak zmiany tych ustawień oznacza akceptację dla stosowanych tu cookies.

Warunki obniżenia klasy odporności ogniowej (pożarowej) wentylatorów z F600 na F400

klasy-odpornosci-pożarowej

W systemach wentylacji pożarowej urządzenia do odprowadzenia gorących gazów pożarowych powinny się charakteryzować odpowiednią klasą odporności ogniowejSzczełowe wymagania w tym zakresie precyzują Warunki techniczne, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (w skrócie WT) [1]Wymóg zachowania określonej odporności pożarowej dotyczy m.in. przewodów wentylacyjnych, klap dymowych i przeciwpożarowych, a także wentylatorów oddymiających. 

Klasy odporności ogniowej – wpływ wysokiej temperatury na urządzenia

Na zagrożenie związane z oddziaływaniem wysokiej temperatury na urządzenia mechanicznego odprowadzenia dymów wpływa wiele czynników. Istotna jest tu nie tylko wielkość pożaru, ale także miejsce usytuowania wentylatora w instalacji oddymiającej, sposób jego połączenia z punktami odbioru dymu, odległość wentylatora od punktów odbioru dymu, warunki otoczenia, w których pracować będzie urządzenie itd.  

tym artykule scharakteryzujemy bliżej pojęcie odporności ogniowej wentylatorów oraz odpowiemy na pytanie, w jakich warunkach można obniżyć ten parametr, nie ryzykując obniżenia poziomu bezpieczeństwa całej instalacji oddymiającej. 

Zapisy § 270 p. 4 WT wymagają wentylatorów klasy F60060, gdy temperatura dymu jest wyższa niż 400°C, oraz F400120 w pozostałych przypadkachPrzepis zawiera jednak możliwość odstępstwa od tych warunków[] dopuszcza się inne klasy, jeżeli z analizy obliczeniowej temperatury dymu oraz zapewnienia bezpieczeństwa ekip ratowniczych wynika taka możliwość.  

Możliwość uelastycznienia restrykcyjnych wymagań

Wymagania co do wentylatorów oddymiających muszą być bardzo restrykcyjne, ponieważ są to urządzenia przeznaczone do odprowadzania gorących gazów z przestrzeni objętej pożaremSam pożar jest zjawiskiem gwałtownym, o zmiennej w czasie charakterystyce. Nie zawsze można przewidzieć jego rzeczywisty przebieg oraz krytyczną wartość jego fizycznych parametrów 

Jak wynika z naszych doświadczeń, nawet w trakcie pożaru skromnie umeblowanego mieszkania temperatura dymu może przekroczyć 1000°C (wyniki tego badania wspólnie z Marcinem Ciskiem opisaliśmy szerzej w artykule How to Protect Staircases in Case of Fire in Mid-Rise Buildings. Real Scale Fire Tests [2]). Jednak tak wysoka temperatura występuje jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie pożaru. Gdy dym lub gorące gazy pożarowe wypływa do innych pomieszczeń, trafia do przewodów wentylacyjnych lub unoszą się do góry, następuje wiele zjawisk, takich jak indukcja otaczającego powietrza czy omywanie chłodnych przegród budowlanych. W wyniku tych procesów temperatura dymu i gazów pożarowych się obniżaTeoretyczny rozkład temperatury nad pożarem, gdy dym może swobodnie unosić się do góry, został przedstawiony na rysunku 1. 

klasy-odpornosci-ogniowej

Rysunek 1. Teoretyczny rozkład temperatury oraz prędkości w osi nad pożarem [3] 

Przedstawiona na rysunku 1. zależność zmiany temperatury nad pożarem może zostać opisana następującym wzorem: 

Wymagania co do wentylatorów oddymiających muszą być bardzo restrykcyjne, ponieważ są to urządzenia przeznaczone do odprowadzania gorących gazów z przestrzeni objętej pożaremSam pożar jest zjawiskiem gwałtownym, o zmiennej w czasie charakterystyce. Nie zawsze można przewidzieć jego rzeczywisty przebieg oraz krytyczną wartość jego fizycznych parametrów 

Jak wynika z naszych doświadczeń, nawet w trakcie pożaru skromnie umeblowanego mieszkania temperatura dymu może przekroczyć 1000°C (wyniki tego badania wspólnie z Marcinem Ciskiem opisaliśmy szerzej w artykule How to Protect Staircases in Case of Fire in Mid-Rise Buildings. Real Scale Fire Tests [2]). Jednak tak wysoka temperatura występuje jedynie w bezpośrednim sąsiedztwie pożaru. Gdy dym lub gorące gazy pożarowe wypływa do innych pomieszczeń, trafia do przewodów wentylacyjnych lub unoszą się do góry, następuje wiele zjawisk, takich jak indukcja otaczającego powietrza czy omywanie chłodnych przegród budowlanych. W wyniku tych procesów temperatura dymu i gazów pożarowych się obniżaTeoretyczny rozkład temperatury nad pożarem, gdy dym może swobodnie unosić się do góry, został przedstawiony na rysunku 1. 

klasy-odpornosci-ogniowej
klasy-odpornosci-ogniowej

Rysunek 2. Schemat instalacji oddymiania głównej auli PW 

Jak można zaobserwować na rysunku 1, wraz ze zwiększeniem odległości od źródła ognia temperatura w osi pożaru istotnie spada. Dzieje się tak, ponieważ do kolumny konwekcyjnej dymu zasysane (indukowane) jest chłodne powietrze. Z tego powodu zwiększa się objętość gazów pożarowych, a jednocześnie zmniejsza się temperatura mieszaniny. Dlatego w przypadku wysokich pomieszczeń wyposażonych w mechaniczny system oddymiania wymóg zachowania wysokiej klasy odporności ogniowej wentylatorów (np. klasy F600, a nawet F400) nie musi być zasadny.  

Obniżenie wymagań co do tych urządzeń musi jednak potwierdzić np. symulacja CFD. Stało się tak w przypadku wentylatorów oddymiających, które zabezpieczają główną aulę Politechniki Warszawskiej. Co prawda symulacja przeprowadzona została przede wszystkim po to, by określić temperaturę mieszaniny dymu i gorących gazów dopływających do plafonu nad krużgankowym dziedzińcem, jednak pozwoliło to wskazać również wymaganą klasę odporności ogniowej wentylatorów. Schemat instalacji oddymiania głównej auli PW przedstawiono na rysunku 2. Dodatkowym wymogiem dla instalacji oddymiania przedmiotowym obiekcie było utrzymanie temperatury dymu pod wykonanym z poliwęglanu plafonem na poziomie poniżej 140°C.  

Analiza numeryczna warunków w budynku wykazała, że przy maksymalnej przyjętej do obliczeń mocy pożaru wynoszącej 12 MW, dzięki znacznej wysokości obiektu oraz odpowiedniej organizacji oddymiania i napływu powierza kompensacyjnego, temperatura mieszaniny gazów pożarowych i powietrza pod plafonem nie przekroczy parametru krytycznego temperatury (rysunek 3.). Dzięki temu w obiekcie nie trzeba było zastosować wentylatorów F600 –klasa F300 okazała się wystarczająca.

klasy-odpornosci-ogniowej

Rysunek 3. Przebieg wzrostu temperatury względem czasu na czujkach temperatury w kratach wyciągowych w plafonie auli dla wydajności instalacji wyciągowej 300 000 m3/h 

Ze względu na ograniczoną wysokość obiektu lub układ architektury wewnętrznej formowanie się kolumny konwekcyjnej indukującej duże ilości powietrza nie zawsze jest możliwe. W zamkniętych przestrzeniach o poważnie ograniczonej kubaturze i wysokości, takich jak pomieszczenia wewnętrzne budynku, przepływ i unoszenie dymu są ograniczone przez układ przegród budowlanych. Chociaż przepływ dymu w poziomie indukuje mniejsze ilości powietrza, to w tym przypadku również jego temperatura maleje na skutek wymiany ciepła ze stropem oraz stopniowego mieszania z otaczającym powietrzem.  

Kolejnym aspektem ważnym dla temperatury gazów, które dopływają dowentylatorów oddymiających, jest mieszanie dymu z innymi gazami w przewodach oddymiających. Przykładem może być mieszanie gazów w przewodach przy zastosowaniu kanałowego systemu oddymiania garaży. Na każdym przewodzie oddymiającym znajduje się od kilku dokilkudziesięciu kratek oddymiających. Przez kratki najbliższe miejsca pożaru wciągany jest dym o relatywnie wysokiej temperaturze, natomiast im dalej od miejsca pożaru, tym mniejsza temperatura dymu wciąganego do przewoduNiektóre kratki mogą nawet zasysać do instalacji oddymiającej powietrze o temperaturze otoczenia (rysunek 4.) 

klasy-odpornosci-ogniowej

Rysunek 4. Przykładowy rozkład temperatury na kratkach oddymiających dla wentylacji oddymiającej kanałowej w garażu 

Gazy wpadające do przewodu oddymiającego przez różne kratki się mieszają. Dlatego ich temperatura przed wentylatorem jest średnią ważoną zależną od ilości gazów oraz ich temperatury, co można opisać wzorem [3]: 

klasy-odpornosci-ogniowej

Na podstawie powyższego równania można określić, jaka będzie temperatura gazów po ich zmieszaniu. Dla przykładu: instalacja złożona jest z czterech kratek wyciągowych (rysunek 4.). Przez dwie z nich wciągany jest dym zwydajnością 5000 m3/h o temperaturze 600°C. Przez trzecią kratę wpada także 5000 m3/h dymu, ale otemperaturze 410°C. Przez czwartą kratkę do instalacji wpada powietrze otoczenia w ilości 5000 m3/h temperaturze 60°C. W efekcie po zmieszaniu temperatura gazu w kanale będzie równa 319°C.  

Dym dodatkowo wychładza się w wyniku przepływu przez przewody oddymiające i szachty, w wyniku czego, gdy dopływa do często znacznie oddalonych wentylatorów oddymiających, jego temperatura jest jeszcze niższa. Jak pokazuje powyższa analiza, w tym przypadku za wystarczające można uznać zastosowanie wentylatorów o klasie F400.  

Zjawisko mieszania gorącego dymu z chłodniejszym strumieniem powietrza, by obniżyć temperaturę dymu, można wykorzystać również poprzez zastosowanie specjalnych układów wentylacyjnych. Taki układ przedstawiono na rysunku 5. 

klasy-odpornosci-ogniowej

Rysunek 5. Instalacja odprowadzająca dym z kondygnacji z dodatkowym wlotem powietrza zewnętrznego 

Podsumowanie 

Te przykłady wskazują, że w uzasadnionych przypadkach – i po przeprowadzeniu rzetelnej inżynierskiej analizy – można dopuścić zastosowanie w instalacji wentylatorów oddymiających o niższej klasie odporności ogniowejKażdy budynek jest inny, dlatego obniżenie klasy wentylatorów wymaga całościowego spojrzenia na projekt instalacji wentylacji pożarowej przez odpowiedniego projektanta odpowiedzialnego za projekt. Tylko takie podejście pozwala utrzymać warunki bezpiecznego funkcjonowania całej instalacji podczas pożaru.  

 

Literatura 

[1] Obwieszczenie Ministra Inwestycji i Rozwoju z dnia 8 kwietnia 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2019 poz. 1065). 

[2] G. Kubicki, I. Tekielak-Skałka, M. Cisek, How to Protect Staircases in Case of Fire in Mid-Rise Buildings. Real Scale Fire Tests„Safety & Fire Technology” 2019, Vol. 54, Issue 2. 

[3] G. Heskastad, Fire Plumes, Flame Height, and Air Entrainment, [w:] SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 4th edition. 

[4] J. Klote, J. Milke, Principle of Smoke Management, ASHRAE & SFPE 2002.  

Autor

 Dr inż. Izabela Tekielak-Skałka

Kierownik Działu Badań i Analiz CFD w firmie SMAY Sp. z o.o

 Dr inż. Grzegorz Kubicki

Politechnika Warszawska – Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska