Systemy wentylacji pożarowej w wielkokubaturowych obiektach użyteczności publicznej

Co pewien czas media donoszą o spektakularnych pożarach obiektów wielkokubaturowych, w wyniku których całkowicie zniszczona zostaje konstrukcja budynku i odnotowuje się znaczne straty materialne. W moim przekonaniu prawidłowo zaprojektowane i wykonane systemy oddymiania są wręcz niezbędnym elementem ochrony przeciwpożarowej omawianych budynków. Czym można umotywować takie stwierdzenie? Po pierwsze wspomniane pożary dotyczyły obiektów magazynowych lub produkcyjno-magazynowych, gdzie nagromadzenie materiałów palnych jest zdecydowanie większe niż w większości obiektów użyteczności publicznej, a podejście do wymogów zabezpieczeń przeciwpożarowych znacznie łagodniejsze. Jest to pośrednio powód, dlaczego poważne pożary dotyczą zwłaszcza takich przestrzeni. W obiektach wielkokubaturowych, zaliczanych do kategorii zagrożenia ludzi, incydentów pożarowych odnotowuje się znacznie mniej, m.in. dlatego że obowiązują tu znacznie ostrzejsze wymagania w zakresie zabezpieczenia i monitoringu. Po drugie podstawową funkcją systemów oddymiania w obiektach użyteczności publicznej jest ochrona dróg ewakuacji, co oznacza, że nie służą one głównie ograniczeniu strat materialnych i ochronie konstrukcji budynku, ale muszą zapewnić możliwość bezpiecznego opuszczenia obiektu przez wszystkich jego użytkowników. Skuteczność instalacji musi być największa w początkowej fazie pożaru jeszcze przed przybyciem jednostek ratowniczych. Efektywne usuwanie dymu w początkowej fazie pożaru przyczynia się także do szybkiej lokalizacji źródła ognia i opanowania sytuacji przez służby ochrony obiektu. Zastosowanie systemów oddymiania może być również uzasadnione ekonomicznie. Budynek wyposażony w system oddymiania może uzyskać złagodzenia w zakresie dopuszczalnej powierzchni strefy pożarowej, wydłużenia dopuszczalnej długości drogi ewakuacyjnej, obniżenia klasy odporności pożarowej budynku oraz obniżki składki ubezpieczeniowej.

Rola uczestników procesu projektowego w zapewnieniu skutecznej ochrony obiektu
Prawidłowe wykonanie instalacji ochrony przeciwpożarowej każdego obiektu budowlanego, w tym również obiektów wielkokubaturowych, wymaga świadomego podejścia wszystkich uczestników procesu projektowego – projektantów i wykonawców instalacji, rzeczoznawców ds. zabezpieczenia pożarowego, inspektorów nadzoru oraz inspektorów odpowiedzialnych za odbiór obiektu – przedstawicieli Państwowej Straży Pożarnej (PSP).
Sprawczą rolę przy podjęciu decyzji o wyborze systemu oddymiania ma inwestor. Od niego zależy dystrybucja środków finansowych, co w praktyce oznacza wybór rozwiązań najtańszych, o ile spełniają one minimalne wymogi przepisów i firm ubezpieczeniowych. Inwestor przed podjęciem ostatecznej decyzji powinien mieć jednak świadomość całkowitych kosztów związanych z realizacją każdej z oferowanych instalacji wentylacji pożarowej. W praktyce częstym wybiegiem jest oferowanie tylko elementów lub częściowego systemu bez podawania informacji o infrastrukturze koniecznej dla prawidłowego działania instalacji (np. kosztów dodatkowego okablowania, automatycznego sterowania lub niezbędnych dodatkowych prac budowlanych). Innym czynnikiem mającym wpływ na całkowity koszt instalacji może być konieczność wprowadzania znacznych korekt do działania układu, po nieudanych próbach pożarowych (sytuacja taka zdarza się nad wyraz często). W podjęciu prawidłowej decyzji powinien pomóc inwestorowi rzeczoznawca ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych, który będzie opiniować projekt techniczny instalacji w budynku. Zadaniem rzeczoznawcy jest m.in. uświadomienie inwestorowi, że wybrana instalacja oprócz względów ekonomicznych musi spełniać wymogi przepisów przeciwpożarowych oraz gwarantować dobre warunki ubezpieczenia obiektu. Zgodność zawartych w projekcie technicznym rozwiązań z przepisami oraz sprawdzenie, czy zastosowane elementy instalacji spełniają wymogi ustawy o ochronie przeciwpożarowej (wraz z aktami wykonawczymi), są właśnie w kręgu odpowiedzialności rzeczoznawcy ds. zabezpieczeń przeciwpożarowych. Jego zadaniem jest również określenie wymagań minimalnych systemu dla konkretnego obiektu, które stanowią podstawę założeń do wykonania projektu technicznego instalacji. Tu odpowiedzialność przejmuje projektant. On wraz z wykonawcą ponoszą największą (w zasadzie jako jedyni) odpowiedzialność za prawidłowe działanie instalacji na etapie prób odbiorowych, a przede wszystkim podczas rzeczywistego zagrożenia i we własnym interesie powinni bronić sprawdzonych oraz skutecznych rozwiązań. Często jednak rozwiązania systemowe są narzucane projektantom przez inwestora lub rzeczoznawcę. Jeżeli propozycje te dają gwarancję bezpieczeństwa instalacji i są zgodne z zasadami sztuki inżynierskiej, to nie ma większego problemu. Jeśli jednak przeczą zarówno zasadom tej sztuki, jak i prawom fizyki (a tak czasami bywa), uprawniony projektant nie może ich akceptować. W przypadku pożaru właśnie on obarczany zostanie całą odpowiedzialnością za wadliwe działanie systemu, ponieważ tylko on odpowiada za techniczną stronę projektu. Na koniec wspomnieć również należy o roli przedstawiciela PSP, który sprawdzając kompletność dokumentacji oraz uczestnicząc w próbach odbiorowych, dopuszcza budynek do użytkowania. Jeżeli dopuszczenie wydawane jest ze świadomością niedoskonałości systemu, osoba wydająca ten dokument przejmuje na siebie część moralnej i cywilnej odpowiedzialności za użytkowników obiektu.

Tab. Rola uczestników procesu projektowego w kształtowaniu bezpieczeństwa dróg ewakuacji

Założenia dla projektu systemów oddymiania jako podstawa skuteczności systemu
Dla każdego projektu technicznego systemu oddymiania obiektu wielkokubaturowego procedura projektowa wygląda identycznie, co zilustrowane zostało na rys. 1.

Rys. 1 Etapy projektu technicznego systemów oddymiania obiektów wielkokubaturowych

Podstawą wykonania dobrego projektu technicznego każdej instalacji są szczególnie dobrze opracowane założenia wstępne. W przypadku układów wentylacji pożarowej początkowe wytyczne dla sposobu działania, funkcji, jaką ma pełnić instalacja w obiekcie, wielkości parametrów obliczeniowych oraz układ architektoniczny obszarów chronionych mają kluczowe znaczenie dla faktycznej skuteczności działania systemu. Na tym etapie realizacji inwestycji należy:
 

• Określić przeznaczenie funkcjonalne obiektu pod kątem ochrony przeciwpożarowej zgodnie z zasadami przedstawionymi w warunkach technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Chodzi m.in. o to, w jakiej kategorii zagrożenia ludzi znajduje się obiekt, ile iwjakiej konfiguracji posiada kondygnacji oraz różnego typu pomieszczeń, jakie może być wykorzystanie przestrzeni obiektu (cele handlowe, organizacja imprez sportowych, koncertów, wystawy itd.), jaka jest organizacja architektury wewnętrznej, rozmieszczenie wyjść ewakuacyjnych, sposób organizacji przestrzeni podstropowej, podział przestrzeni na strefy pożarowe itd.
• Określić potencjalne drogi przepływu powietrza i dymu przy różnych lokalizacjach pożaru. Szczególnie istotne jest tu wyznaczenie stref dymowych i wydzielenie zasobników dymu z uwzględnieniem m.in. balkonów, podciągów, szerokości otworów wylotu dymu i napływu powietrza kompensacyjnego, konstrukcji i szczelności stropów podwieszonych (jeżeli występują).
   

Rys. 2 Elementy kształtujące strumień dymu w obiektach atrialnych

• Dokonać wyboru sposobu realizacji oddymiania dużych powierzchni w zależności od przeznaczenia obiektu i układu architektury wewnętrznej (obiekty wielkoprzestrzenne wolno stojące i stanowiące część innego obiektu, handlowe, atria wewnętrzne). Przy wyborze systemu oddymiania należy pamiętać o ograniczeniach wynikających m.in. z wysokości obiektu. Systemy grawitacyjne mogą być skuteczne w obiektach do 2–3 kondygnacji i wysokości całkowitej ok. 12 m. Pomimo mniejszej skuteczności w początkowej fazie pożaru (wynikającej z niedostatecznych warunków termicznych) mają jednak pewną zaletę w stosunku do oddymiania mechanicznego. Chodzi tu o pewną elastyczność, jeżeli pożar w budynku przekroczy zakładaną projektem moc, przez klapy dymowe może wydostać się zwiększona ilość dymu napływającego do zasobnika. Skuteczniejsze dla wyższych obiektów i w całym czasie trwania pożaru wentylatory oddymiające takiej elastyczności nie mają. Duża grupa obiektów wielkokubaturowych (np. galerie handlowe) wymaga jednoczesnego zastosowania różnych systemów oddymiania. Zadziałanie konkretnej konfiguracji instalacji uzależnione jest w tym przypadku od lokalizacji pożaru, tak jak pokazano na rys. 3.

Rys. 3 Przykładowe rozwiązania systemu oddymiania dla wielokondygnacyjnego obiektu wielkokubaturowego
 

• Sporządzić scenariusz działania instalacji oddymiającej w zależności od lokalizacji pożaru, wyznaczonego czasu ewakuacji (organizacja odbioru dymu i nawiewu powietrza kompensacyjnego, wstępna lokalizacja stref oddy¬mianych). Scenariusz pożarowy decydować będzie o roli poszczególnych elementów zabezpieczenia budynku oraz sekwencyjności działania instalacji w zależności od lokalizacji pożaru. Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z 2003 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków i innych obiektów budowlanych: Dobór urządzeń przeciwpożarowych w obiekcie powinien być dostosowany do wymagań wynikających z przyjętego scenariusza zdarzeń w czasie pożaru, co oznacza, że jest podstawą do wykonania projektu technicznego.
   

Założenia projektowe wykonane z uwzględnieniem opisanych elementów pozwalają na zaprojektowanie i wykonanie instalacji gwarantującej spełnienie podstawowych zadań funkcjonalnych stawianych systemom oddymiania w obiektach wielkokubaturowych. Dalej wszystko zależy już wyłącznie od projektanta i wykonawcy.

Rola kurtyn dymowych i nawiewu pożarowego w funkcjonowaniu systemu oddymiana
Dostępne standardy projektowe (jak np. TR 12101-5 (BS 7346-4:2003) lub NFPA 92B) dość precyzyjnie opisują sposób obliczenia wymaganej powierzchni czynnej klap dymowych lub wydajności wentylatorów oddymiających. Obie te wielkości wyznaczone powinny zostać na podstawie przewidywanej mocy pożaru (określonej dla typu i wyposażenia w inne systemy ochrony przeciwpożarowej lub na podstawie zdefiniowanej dla danego obiektu krzywej rozwoju pożaru) oraz z uwzględnieniem lokalizacji pożaru, a nie tak jak podaje norma krajowa, PN-B-02877-4/Az1:2006, na podstawie powierzchni rzutu dachu. Podobnie wybór i dostosowanie, dla konkretnej organizacji przestrzeni dachowej i kształtu pasm doświetlających, klapy dymowej dzięki bardzo szerokiej ofercie producentów tych urządzeń nie stwarza większych kłopotów. W tym miejscu chciałbym zwrócić jednak uwagę na dwa elementy systemu oddymiania budynku, których rola i sposób wykonania są często zaniedbywane w procesie projektowania i wykonania instalacji. Są to wyznaczające granicę stref dymowych ścianki kurtynowe oraz instalacje nawiewu powietrza kompensacyjnego.
Wydzielenie stref dymowych, czyli obszarów, w których po wykryciu pożaru działać będzie system usuwania dymu, jest charakterystyczne i niezbędne właśnie dla obiektów wielkokubaturowych użyteczności publicznej. W rozległych jednokondygnacyjnych obiektach tego typu stosuje się najczęściej podział przestrzeni podstropowej z wykorzystaniem stałych ścianek kurtynowych (kurtyn dymowych) przylegających bezpośrednio do stropu pomieszczenia – tzw. kurtyn statycznych określanych skrótem SSB (ang. static smoke barriers). W obiektach, gdzie taki podział stwarzałby poważne utrudnienia komunikacyjne oraz kolidował z estetyką wnętrza, lepszym rozwiązaniem jest zastosowanie kurtyn ruchomych (aktywnych) określanych skrótem ASB (ang. active smoke barriers). Przechodzą one automatycznie z pozycji zrolowanej (złożonej) do pozycji rozwiniętej (pożarowej pozycji działania) z chwilą otrzymania sygnału z centrali sterowania pożarowego. Należy przypomnieć, że omawiane elementy systemu wentylacji pożarowej (pomimo czasem bardzo prostej konstrukcji) nie mogą mieć przypadkowych rozmiarów i być wykonane z dowolnych niepalnych materiałów. Kurtyny dymowe niezależnie od zastosowanych do ich wykonania materiałów muszą spełniać wymogi normy PN-EN 12101-1, a ich wysokość powinna być ustalona na podstawie obliczenia grubości warstwy dymu w zasobniku oraz zjawiska spiętrzenia dymu na kurtynie (rys. 4).

Rys. 4 Zjawisko spiętrzenia dymu na ściance kurtynowej
 

Elementy te powinny:
 

• posiadać potwierdzoną stosownym świadectwem zdolność do zachowania szczelności dymowej – przenikanie dymu nie może przekraczać 25 m³/m²/h przy nadciśnieniu 25 Pa w temperaturze otoczenia lub 200^oC;
• zachowywać maksymalną dopuszczalną tzw. wolną powierzchnię – łączną powierzchnię otworów i szczelin wokół obwodu kurtyny dymowej (występujących np. na styku konstrukcji kurtyny ze ścianą budynku lub będących wynikiem przesunięcia części kurtyny poddanej sile wyporu gazów pożarowych), która musi być mniejsza od wartości dopuszczalnych. Na zwiększone przecieki dymu narażone są szczególnie tekstylne kurtyny ruchome;
• w przypadku kurtyn aktywnych mieć potwierdzoną niezawodność zmiany położenia z pozycji złożonej do pozycji pożarowej. Oznacza to konieczność pozytywnego zakończenia testu pracy non stop przez minimum 1000 cykli zmian położenia kurtyny.
   

Innym często marginalizowanym problemem przy projektowaniu systemów oddymiania jest zastosowanie właściwych zasad doboru i rozmieszczenia punktów nawiewu kompensacyjnego. W istniejących obiektach można spotkać się z licznymi błędami dotyczącymi doboru i funkcjonowania nawiewu kompensacyjnego. Wymienić można kilka powszechnych problemów tego typu:
 

• Brak instalacji automatycznego otwierania punktów nawiewnych w momencie rozpoczęcia oddymiania. Na przykład cały czas akceptowalnym podczas prób pożarowych rozwiązaniem jest ręczne otwieranie drzwi ewakuacyjnych przez obsługę obiektu po lub nawet przed otwarciem klap dymowych.
• Dobór za małej powierzchni czynnej otworów kompensacyjnych. Problem ten wynika z dość powszechnej chęci ograniczenia wielkości instalacji, co skutkuje przyjmowaniem do obliczeń maksymalnej dopuszczalnej prędkości przepływu powietrza w otworze. Powierzchnię czynną otworów kompensacyjnych opisuje zależność:

gdzie:
V_w – strumień objętościowy dymu napływającego do zasobnika dymu (odbieranego przez instalację wyciągową) [m³/s]
í – dopuszczalna prędkość w otworze nawiewnym (maks. 5 m/s) [m/s]
 

Należy podkreślić, że prędkość 5 m/s może być przyjmowana wyłącznie w przypadku systemów oddymiania mechanicznego i dla otworów o dużym przekroju (drzwi i bramy wjazdowe). Mniejsze otwory kompensacyjne przy przepływie powietrza z taką prędkością zaczynają zachowywać się jak zwężka Venturiego, co oznacza możliwość podsysania dymu z zasobnika w strefie za otworem i wtłaczania go do przestrzeni chronionej (rys. 5).
Ponadto prędkość 5 m/s wymaga wytworzenia różnicy ciśnień po obu stronach przegrody ok. 25 Pa (bez uwzględnienia oporów przepływu samego otworu), co w warunkach oddymiania grawitacyjnego jest trudne do osiągnięcia lub wręcz niemożliwe. W celu ograniczenia tzw. zjawiska Venturiego rzeczywista prędkość przepływu powietrza w otworze kompensacyjnym nie powinna wynosić więcej niż 1,5 m/s, a zalecana wartość (szczególnie dla systemów oddymiania grawitacyjnego) to ok. 1 m/s.

Rys. 5 Zjawisko Venturiego przy przepływie powietrza ze znaczną prędkością przez otwór kompensacyjny

Inny problem dotyczy koncentracji otworów kompensacyjnych na jednej ze ścian zewnętrznych budynku lub uwzględnienia w bilansie powietrza kompensacyjnego napływającego z bardzo odległych punktów nawiewnych (co w praktyce nie jest możliwe do zrealizowania). Planując rozmieszczenie punktów nawiewnych, należy pamiętać, że ich skuteczny zasięg (określony przez prędkość zamierania strumienia powietrza) uzależniony jest od wielkości otworu i dla niewielkich powierzchni (odpowiadających np. powierzchni okien napowietrzających) nie przekracza 15 m. Dla dużych otworów, takich jak drzwi lub bramy wjazdowe, wynosi ok. 30 m.
Wykorzystywanie nawiewu mechanicznego w funkcji napowietrzania pożarowego, bez przeprowadzenia analizy wpływu takiego nawiewu na działanie systemu oddymiania, jest również problematyczne, ponieważ duże prędkości przepływu mogą powodować silne turbulencje powietrza i w konsekwencji zadymienie przestrzeni chronionej lub rozprzestrzenianie pożaru poza bezpośrednio zagrożoną strefę.

Rys. 6 Przykład niewłaściwego rozmieszczenia otworów kompensacyjnych

Współdziałanie różnych systemów ochrony przeciwpożarowej w obiekcie
Na zakończenie trzeba wspomnieć jeszcze o roli współdziałania różnych systemów ochrony przeciwpożarowej w obiektach wielkokubaturowych. Dla prawidłowego funkcjonowania systemów oddymiania kluczowe znaczenie ma zwłaszcza system wykrywania pożaru oraz działanie stałych urządzeń gaśniczych. Jeżeli budynek pełni funkcję obiektu użytkowego, działanie systemu wentylacji pożarowej inicjowane jest z centrali sterowania pożarowego po wykryciu zagrożenia przez system detekcji (dla określonej strefy dymowej). Przyjęcie takiego rozwiązania jest konieczne, ponieważ system oddymiania pełni w tym przypadku funkcję ochrony dróg ewakuacji i klapy muszą zostać otwarte w początkowej fazie pożaru, kiedy użytkownicy muszą w jak najkrótszym czasie opuścić budynek. Sterowanie automatyczne po przekroczeniu zadanych warunków w otoczeniu klapy (wyzwalacze termiczne), a zwłaszcza system uruchamiania ręcznego nie gwarantują spełnienia powyższego wymogu.
Kolejną trudną i dyskusyjną kwestią jest współpraca systemów oddymiania z instalacją tryskaczową. Są to dwa zupełnie różne systemy pełniące odmienne funkcje w obiekcie. Jak już wspomniano, systemy oddymiania przez pozostawienie podczas pożaru dróg ewakuacji wolnych od dymu mają za zadanie ułatwienie ewakuacji z budynku. Podstawową funkcją instalacji tryskaczowej jest natomiast kontrola rozprzestrzeniania się ognia oraz obniżenie temperatury gazów pożarowych. Wysoka skuteczność instalacji tryskaczowej zapobiegania rozwoju pożaru sprawia, że pomimo wysokich kosztów jest ona bardzo popularna szczególnie w obiektach użytkowych, ale warto pamiętać, że nie każda lokalizacja główek tryskaczy jest wskazana. Na przykład w miejscach, w których od potencjalnego źródła ognia do stropu odległość przekracza 12–15 m, obniża się drastycznie czułość tryskaczy na panujące daleko od nich zjawiska pożarowe. Czas reakcji tryskaczy umieszczonych pod stropem, kopułą atrium, jest bardzo długi. Sens ich instalowania w takich miejscach jest co najmniej wątpliwy i nieuzasadniony. Należ również rozważyć celowość stosowania tryskaczy pod balkonami, jeżeli jest to przestrzeń wyłączona z zagrożenia pożarowego, a przewidziano system oddymiania grawitacyjnego, ponieważ mogą one wyłącznie obniżyć temperaturę dymu i utrudnić jego usunięcie poza budynek.

dr inż. Grzegorz Kubicki
Politechnika Warszawska