Nowoczesny system napowietrzania pożarowego w budynkach wielokondygnacyjnych

Podstawowym typem budynków we współczesnych aglomeracjach miejskich są obiekty wielokondygnacyjne. Coraz więcej nowych inwestycji stanowią budynki o wysokości przekraczającej 25 m, uznawanej przez Prawo budowlane za dolną granicę wysokości budynków wysokich. Obiekty takie muszą posiadać wydzielone strefy pożarowe, umożliwiające przeprowadzenie podczas pożaru bezpiecznej ewakuacji użytkowników. Ponieważ w budynkach wysokich ewakuacja z zewnątrz jest praktycznie niemożliwa, szczególnego znaczenia nabiera skuteczność technicznych systemów ochrony wewnętrznych dróg ewakuacji. Obligatoryjne do stosowania są rozwiązania techniczne zabezpieczające pionowe drogi ewakuacji przed zadymieniem i od ich skuteczności zależy rzeczywisty poziom bezpieczeństwa użytkowników budynku. System zapobiegania zadymieniu powinien pozwalać w każdej sytuacji na wytworzenie i ustabilizowanie rozkładu ciśnienia oraz przepływu powietrza, który zapobiega przedostawaniu się dymu na drogi ewakuacji. Jak wykazują jednak doświadczenia eksploatacyjne, praktyczne wykonanie założeń bezpiecznej ewakuacji nie jest zadaniem łatwym, a skuteczność różnych systemów napowietrzania pożarowego często uzależniona jest od synergii zjawisk fizycznych występujących podczas normalnego funkcjonowania obiektu oraz pojawiających się podczas pożaru.

Rys. 1 Czynniki kształtujące rzeczywisty rozkład ciśnienia w budynku

Problemy z wykonaniem dobrego systemu

Problemy z wykonaniem dobrego systemu zapobiegania zadymieniu pojawiają się już na etapie opracowania koncepcji funkcjonowania takiego układu oraz wyboru standardu projektowego. Przede wszystkim należy unikać uogólnień i bezkrytycznego kopiowania rozwiązań stosowanych w innych budynkach. Praktycznie każdy obiekt jest unikatowy pod względem założeń do projektowania układów różnicowania ciśnienia, dlatego każdorazowo należy przeanalizować m.in.:

– proponowany układ architektury wewnętrznej, ze szczególnym uwzględnieniem organizacji pionowych i poziomych dróg ewakuacji. Istotne jest m.in., czy klatka schodowa łączy kondygnacje podziemne i naziemne oraz organizacja poszczególnych kondygnacji, np. w układzie korytarzowym z przyległymi pomieszczeniami lub typu open-space;

– planowany sposób wykorzystania klatek schodowych podczas normalnego funkcjonowania obiektu. W tym przypadku należy rozstrzyg-nąć, czy klatka schodowa w normalnych warunkach będzie intensywnie wykorzystywana do komunikacji, czy będzie stanowić rzadko używaną awaryjną przestrzeń. W pierwszym przypadku należy liczyć się z ciągłym niedomykaniem lub nawet blokowaniem drzwi ewakuacyjnych, co praktycznie niweczy możliwość skutecznej ochrony tej strefy przed zadymieniem. Rozwiązaniem może być zaprojektowanie drzwi ewakuacyjnych w funkcji normalnie otwartych i wyposażonych w zwalniak elektromagnetyczny pozwalający podczas pożaru na ich automatyczne przejście do pozycji zamkniętej;

– sposób i standard wykończenia obiektu; np. w przypadku budynków z pomieszczeniami przeznaczonymi do wynajęcia częstym przypadkiem jest brak wykończenia części kondygnacji na etapie odbioru budynku. Wiąże się to m.in. z możliwą zmianą stopnia nieszczelności poszczególnych kondygnacji oraz zmianą oporów przepływu powietrza na klatce schodowej;

– lokalizację obiektu względem stron świata i okolicznych budynków; może ona stwarzać specyficzne warunki rozkładu ciśnienia związane z parciem wiatru oraz nasłonecznieniem różnych elewacji.     

Rys. 2 Schemat stanowiska badawczego, Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej

Kolejny problem dotyczy sposobu projektowania instalacji różnicowania ciśnienia. Należy pamiętać, że wykonując obliczenia wydajności oraz planując działanie instalacji wentylacji pożarowej, niezależnie od przyjętego standardu projektowego, obracamy się w tzw. rzeczywistości projektowej. Z punktu widzenia projektanta nie jest istotny (ponieważ nie ma on takich informacji) m.in. rzeczywisty poziom nieszczelności obiektu, chwilowy rozkład ciśnienia i temperatury w budynku, rzeczywisty przebieg ewakuacji itp. Osoba wykonująca projekt opiera się na założeniach i uogólnieniach wynikających z zapisów scenariusza pożarowego oraz uśrednionych wielkości tabelarycznych zamieszczonych w normie projektowej. W tym przypadku mamy pewien idealny obiekt oderwany od wpływu środowiska, w którym normalnie funkcjonuje.

Podobny problem, tylko w nieznacznie mniejszej skali, dotyczy prób odbiorowych i okresowych, stanowiących kolejny etap sprawdzenia poprawności wykonanego projektu oraz montażu instalacji wentylacji pożarowej. Nawet najrzetelniej przeprowadzone próby weryfikują sposób funkcjonowania systemu w określonym przez czas, w którym się odbywają, stanie obiektu i przy założeniach konkretnego scenariusza pożarowego. Testy funkcjonowania instalacji wentylacji pożarowej odbywają się przeważnie raz do roku (zgodnie z minimalnymi wymogami ustawy). Kalibracji (dostosowania) pracy układu dokonuje się do jednej określonej sytuacji opisanej m.in. przez ściśle określoną konfigurację i czas otwarcia drzwi między przestrzenią chronioną i niechronioną nadciśnieniem, jednorazowo ustalony poziom nieszczelności klatki schodowej, oporów przepływu powietrza  oraz w odniesieniu do uśrednionych parametrów powietrza nawiewnego. Skonfigurowany do takich parametrów system sterowania ma oczywiście szansę poprawnego funkcjonowania na etapie procedury odbiorowej i okresowych testów wykonywanych zgodnie z założeniami scenariusza pożarowego. Ponieważ początkowy stan budynku i otaczające go środowisko podlegają ciągłym dynamicznym zmianom, trudno mówić w przypadku opisanej metody regulacji o zagwarantowaniu wysokiego poziomu bezpieczeństwa. Na schemacie (rys. 1) zostały zilustrowane niektóre czynniki kształtujące rzeczywisty rozkład ciśnienia w budynku. Dobrze skalibrowany w tym okresie system niekoniecznie musi osiągać takie same parametry, jeżeli istotnie zmieni się temperatura zewnętrzna.

Rys. 3 Funkcjonowanie systemu regulacji predykcyjnej w warunkach rzeczywistej ewakuacji

Jak wykazują doświadczenia praktyczne oraz wyniki różnego typu badań, wszystkie czynniki, nieistotne na etapie projektowania, wykonania i odbioru instalacji, okazują się kluczowe dla funkcjonowania instalacji w momencie rzeczywistego pożaru. Zagrożenie takie przeważnie całkowicie wymyka się z ograniczonych ram scenariusza pożarowego: ludzie uciekający z budynku, ratując życie, ignorują założenia projektowe, a „złośliwa” pogoda nie chce dostosować się do parametrów towarzyszących próbom odbiorowym. W konsekwencji złożony i drogi system bezpieczeństwa może okazać się bezużyteczny.

Predykcyjny system napowietrzania pożarowego

Omawiane problemy stały się wyzwaniem dla grupy pasjonatów zagadnień bezpiecznej ewakuacji budynków. W konsekwencji powstało nowoczesne i unikatowe w skali światowej rozwiązanie techniczne funkcjonujące pod ogólną nazwą predykcyjnego systemu napowietrzania pożarowego. Możliwości powstałego urządzenia można scharakteryzować w następujących punktach:

1. Jest w stanie realizować zadania systemów różnicowania ciśnienia zgodne z założeniami scenariusza pożarowego (próby odbiorowe, okresowe testowanie systemu). Założenia scenariusza pożarowego zawsze określają podstawowe parametry pracy instalacji, np. konfigurację elementów otwartych i zamkniętych, a instalacja funkcjonuje w jednym chwilowym stanie hydraulicznym budynku – jest to zadanie, które może zrealizować większość dostępnych na rynku systemów nawiewu pożarowego, ponieważ realizacja scenariusza pożarowego warunkuje pozytywne odebranie instalacji oraz pozytywne przejście wymaganych prób okresowych.

2. Jest w stanie działać z maksymalną możliwą skutecznością, jeżeli podczas zagrożenia zaistnieją zdarzenia nieprzewidziane przez scenariusz pożarowy (niepełne otwarcie drzwi, inna niż zakładana konfiguracja drzwi otwartych, pęknięcie okna, nagła zmiana zewnętrznych warunków atmosferycznych itd.). Jedną z głównych cech charakterystycznych i jednocześnie dużą zaletą omawianych systemów predykcyjnych jest właśnie wysoka odporność na typowe dla rzeczywistego zagrożenia, a trudne do przewidzenia na etapie projektu, zachowania ludzi oraz różnego typu zdarzenia związane z rozwojem pożaru. 

3. Ma zdolność adaptacji do zmian środowiska pracy.Chodzi o zmiany stanu budynku i parametrów fizycznych otoczenia występujące na etapach: budowy, przebudowy, remontów i zmian aranżacji, które mają wpływ na stopień szczelności lub opory przepływu powietrza, np. wymiana stolarki budowlanej, brak obróbki wykończeniowej drzwi, tynkowanie klatki schodowej, obróbka stopni i spoczników itd. Wymienione zmiany są typowe w czasie normalnego funkcjonowania i eksploatacji budynku. Przykładem mogą być często powstające obiekty z kondygnacjami przeznaczonymi do wynajęcia, gdzie najemca sam organizuje wygląd i charakter dzierżawionej przestrzeni. Zmiana aranżacji polegająca chociażby na wyłożeniu podłogi gresem zmienia wielkość szczelin pod dolną krawędzią drzwi, co ma wpływ na stopień szczelności klatki schodowej, a tym samym na funkcjonowanie systemu napowietrzania pożarowego.

4. Ma wysoką niezawodność działania przy ograniczonych kosztach systemu (pełen monitoring stanu pracy i raporty z prób systemu, ograniczone okablowanie sterowania i transmisji danych). Zastosowana w przypadku omawianego systemu sterowania transmisja cyfrowa pozwala podłączyć do jednej jednostki sterowniczej praktycznie dowolną liczbę jednostek napowietrzających, co znacznie ogranicza ilości koniecznego okablowania. Ponadto połączenie urządzeń napowietrzania w pętli (tzw. fire-bus) zwiększa bezpieczeństwo bezawaryjnego funkcjonowania systemu sterowania.

Opisywane rozwiązanie zostało zastosowane w nowoczesnym kompaktowym systemie napowietrzania pożarowego, a odporność na zakłócenia oraz niezawodność działania potwierdzono badaniami przeprowadzonymi na obiekcie rzeczywistym zarówno w Polsce, jak i w ośrodku w Aachen (Niemcy).

Rys. 4 Funkcjonowanie systemu regulacji predykcyjnej przy zakłóceniach ekstremalnych

Badania weryfikujące rzeczywistą skuteczność systemu odbyły się na specjalnie w tym celu skonstruowanym stanowisku doświadczalnym na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej (rys. 2). Obiektem regulacji jest tu 11-kondygnacyjna klatka schodowa (o łącznej wysokości ponad 50 m) oraz szczelny przedsionek pożarowy. Celem testów było m.in. sprawdzenie odporności opracowanego w ramach programu badawczego układu sterowania na bardzo silne zakłócenia związane z realizacją nietypowych scenariuszy pożarowych. Eksperymenty były przeprowadzone np. w warunkach jednoczesnej ewakuacji (bardzo częste zmiany konfiguracji otwartych drzwi), przy celowym zakłócaniu stanu środowiska wewnętrznego (nietypowe rozszczelnianie przestrzeni chronionej), oraz w zmiennych warunkach środowiska zewnętrznego (szeroki gradient temperatury zewnętrznej). Wyniki testów przeprowadzonych w różnych warunkach wykazują dwie podstawowe, unikatowe właściwości systemów predykcyjnych. Po pierwsze, przy próbach odpowiadających charakterowi rzeczywistej ewakuacji (sposób niekontrolowany – ludzie np. opuszczają kondygnacje nie objęte pożarem, i konfiguracja drzwi otwartych przy ewakuacji jednoczesnej całego budynku) układ wykazywał bardzo krótkie czasy reakcji, czyli osiągnięcia wyjściowych parametrów nadciśnienia w przestrzeni chronionej po powrocie do realizacji scenariusza wszystkich drzwi zamkniętych (rys. 3).

Druga, nawet cenniejsza właściwość algorytmu regulacji sterującej systemem napowietrzania pożarowego polega na jego bardzo wysokiej odporności na zakłócenia przy realizacji najbardziej nawet niekorzystnych scenariuszy zakłócających. Przez pojęcie niekorzystnych scenariuszy zakłócających można rozumieć tu np. częste i bardzo szybko następujące zmiany stanu obiektu regulacji: drzwi otwarte, drzwi zamk­nięte oraz najtrudniejszy przypadek – zmiana wydajności instalacji napowietrzającej z minimalnych wydajności rzędu kilkuset m³/h do kilkunastu tysięcy m³/h. Przypadek taki może dotyczyć napowietrzania pożarowego szczelnych przestrzeni, takich jak przedsionki pożarowe lub klatki schodowe w budynkach o znacznym stopniu szczelności, gdzie dla uzyskania wymaganego nadciśnienia wystarczy minimalny strumień powietrza zewnętrznego, natomiast otwarcie drzwi między przestrzenią chronioną i niechronioną nadciśnieniem musi powodować  skokowy wzrost wydajności instalacji, aż do uzyskania wymaganej prędkości przepływu. W warunkach stanowiska badawczego dla napowietrzenia niewielkiej przestrzeni przedsionka pożarowego do wymaganego nadciśnienia 50 wydajność wynosiła ok. 800 m³/h (sterowanie wentylatora 10 Hz), a po otwarciu drzwi (o przekroju 1,8 m²) nastąpił wzrost wydajności do ok. 21 000 m³/h. Jednocześnie przeprowadzane było dodatkowe „męczenie” układu regulacji  polegające na niepełnym zamykaniu drzwi oraz wielokrotnym ich otwieraniu oraz zamykaniu w krótkim przedziale czasowym (tzw. test wzbudzeniowy). We wszystkich przypadkach układ umiał znaleźć właściwy punkt pracy oraz nie wpadał w oscylację (co było normą przy podobnych testach dla prostszych algorytmów regulacyjnych).

Podsumowanie

W dziedzinie wentylacji pożarowej jest sporo miejsca dla zastosowania najnowszych osiągnięć techniki instalacyjnej i automatyki przemysłowej. Zaprezentowane rozwiązanie jest najlepszym dowodem, że faktyczne bezpieczeństwo budynku nie musi być fikcyjnym pojęciem zapisanym w przepisach i standardach projektowych. Aktywne układy napowietrzania pożarowego wyposażone w algorytmy predykcyjne przynoszą nową jakość systemów różnicowania ciśnienia, zapewniając wyjątkowy poziom bezpieczeństwa użytkowników obiektów wielokondygnacyjnych.

dr inż. Grzegorz Kubicki

Politechnika Warszawska