Procedura obliczeniowa zakłada scenariusz pożaru na posadzce atrium i pozwala określić wymaganą wydajność wentylatorów oddymiających bądźpowierzchnię klap dymowych.
Atria to otwarte przestrzenie przechodzące przez co najmniej dwie kondygnacje i najczęściej zadaszone. Są one częstym elementem architektonicznym w nowoczesnych budynkach. Należy jednak pamiętać, że brak prawidłowej ochrony atrium może spowodować w czasie pożaru duże niebezpieczeństwa dla użytkowników budynku i uniemożliwić im bezpieczną ewakuację. Jednym z podstawowych systemów przeciwpożarowych w atrium jest wentylacja pożarowa. Jest ona realizowana najczęściej za pomocą wyporowych systemów oddymiania, których obowiązek stosowania wynika z § 247 ust. 2 przepisów techniczno-budowlanych [1], mówiącego, że w przekrytym dziedzińcu wewnętrznym należy stosować rozwiązania techniczno-budowlane zabezpieczające przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych. Wyznaczenie w atriach właściwych parametrów instalacji oddymiającej jest niejednokrotnie bardzo kłopotliwe.
Rys. 1 Atrium sterylne [2]
Rodzaje atriów
Istnieją cztery podstawowe typy atriów różniące się zarówno konstrukcją, jak i przeznaczeniem. Zgodnie z klasyfikacją zaproponowaną w Wielkiej Brytanii [2] pod względem architektonicznym atria dzielimy na: sterylne, zamknięte, częściowo otwarte, otwarte.
Atrium sterylne (rys. 1) charakteryzuje się pełnym wydzieleniem od pozostałej części obiektu za pomocą przegród dymoszczelnych oraz posiadających odpowiednią klasę odporności ogniowej EI.
Kolejne atrium – zamknięte (rys. 2) – podobnie jak poprzednie jest wydzielone od pozostałych części obiektu, jednak przegrody wydzielające nie muszą być w nim ani dymoszczelne, ani odporne ogniowo.
Atrium częściowo otwarte (rys. 3) jest szczególnym typem atrium zamkniętego, w którym wydzielone są tylko najwyższe jego kondygnacje, a kondygnacje niższe pozostają otwarte na atrium. Natomiast w przypadku atrium otwartego wszystkie kondygnacje pozostają otwarte (rys. 4). Omówione zostaną: zagrożenia wynikające z braku zapewnienia ochrony przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w atriach i rozwiązania zapewniające ich zabezpieczenie, zasady obliczeń pozwalające na wyznaczenie prawidłowej wydajności wentylatorów oddymiających bądź powierzchni klap dymowych (zależnie od przyjętego systemu) w atrium dla jednego z dwóch możliwych w atrium scenariuszy pożaru zlokalizowanego bezpośrednio na posadzce atrium. W praktyce projektowej zalecane jest porównanie wyników uzyskanych z analizy omawianego scenariusza pożaru z wynikami dla scenariusza pożaru w pomieszczeniu przyległym do atrium, dla którego, szczególnie w obiektach otryskaczowanych, mogą się pojawić inne wyniki obliczeń.
Już blisko rok działa laboratorium LabFactor na Wydziale Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska – pierwsze w Polsce Laboratorium Dymu, zlokalizowane właśnie w przestrzeni atrialnej. Omówione procedury obliczeniowe można tam weryfikować.
Rys. 2 Atrium zamknięte [2]
Podstawowe zagrożenia wynikające z niewłaściwego zabezpieczenia przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w atrium
Przy projektowaniu systemów zabezpieczenia przed zadymieniem w wielokondygnacyjnych atriach najczęściej popełnianym błędem jest stosowanie systemów naturalnego bądź mechanicznego wyciągu dymu otworami znajdującymi się w świetliku atrium, bez uwzględnienia wpływu wysokości budynku. Konsekwencją takiego założenia może być zadymienie w przypadku pożaru kondygnacji znajdujących się powyżej kondygnacji objętej pożarem. Przyczyną takiego zjawiska może być zbyt duża ilość dymu i zbyt niska jego temperatura, wynikająca z procesów zachodzących podczas przepływu strumienia dymu, opisanych dalej.
Mechanizm napływu powietrza zewnętrznego do kolumny konwekcyjnej dymu powstającej w czasie pożaru, decydujący o ilości tworzącego się dymu, został opisany w formie matematycznej m.in. przez Zukoskiego, Heskestada, Mc Caffreya, Thomasa [4]. Na rys. 5 przedstawiono model swobodnego słupa dymu według Heskestada, który został przyjęty jako wzorcowy w standardach brytyjskich i amerykańskich [3, 5]. Do słupa dymu ponad źródłem pożaru zasysane jest powietrze zewnętrzne, co powoduje wzrost jego objętości i obniżenie temperatury dymu. Oznacza to, że im wyżej od przewidywanego źródła pożaru zlokalizowane są punkty wyciągowe systemu oddymiającego, tym wydajność tego systemu musi być większa. Po przekroczeniu wysokości granicznej, zależnej od wielkości projektowej pożaru, wykonanie skutecznej instalacji oddymiającej staje się niemożliwe.
Rys. 3 Atrium częściowo otwarte [2]
Opisane zjawiska, zachodzące w czasie przepływu dymu, dają odpowiedź na pytanie – dlaczego ochrona otwartych na atrium dróg ewakuacyjnych poprzez usuwanie dymu przez otwory w zadaszeniu pasażu jest możliwa w atriach otwartych tylko w przypadku, kiedy są one niskie, a w atriach wyższych tylko zamkniętych lub częściowo otwartych. W takich atriach różnica poziomów między projektową podstawą warstwy dymu (znajdującą się zawsze na poziomie najwyższej otwartej kondygnacji) a źródłem pożaru jest stosunkowo niewielka, a co za tym idzie ilość dymu wpływającego do zbiornika dymu jest jeszcze na tyle mała, a temperatura na tyle wysoka, że możliwe jest jego odprowadzenie przez klapy dymowe lub za pomocą wentylatorów oddymiających, zabudowanych w górnej części atrium.
W celu wyeliminowania zagrożenia zadymienia kondygnacji znajdujących się powyżej kondygnacji objętej pożarem należy stosować odpowiednie rozwiązania techniczne, dostosowane do rodzaju atrium. W przypadku atriów dwukondygnacyjnych istnieje możliwość usuwania dymu przez system wyciągowy zlokalizowany w świetlikach, jednak wydajność instalacji oddymiającej musi być każdorazowo wyznaczona na podstawie dokładnych obliczeń ilości i temperatury dymu powstającego w trakcie pożaru. W przypadku atriów o większej liczbie kondygnacji konieczne jest zastosowanie ich obudowy (zgodnie ze schematami na rys. 1-3) lub systemów zapewniających usuwanie dymu bezpośrednio z kondygnacji objętej pożarem i zabezpieczenie przed jego przedostaniem się do otworów łączących sąsiednie kondygnacje.
Rys. 4 Atrium otwarte (ang. fully open atrium) [2]
Wyznaczanie parametrów instalacji oddymiającej atrium – pożar na posadzce atrium
Obliczenia parametrów projektowanej instalacji oddymiającej można wykonać na podstawie wytycznych normowych, np. na podstawie normy BS 7346-4:2003 [3] bądź normy NFPA 92 [5]. Dalej zaprezentowane zostały zasady wyznaczania odpowiedniej powierzchni czynnej klap dymowych bądź wydajności wentylatorów oddymiających (w zależności od wybranego systemu oddymiania) na podstawie normy brytyjskiej BS 7346-4:2003 [3]. Na rys. 6 przedstawiono schemat wielokondygnacyjnego atrium otwartego, z którego dym w przypadku pożaru usuwany jest za pomocą punktów wyciągowych zlokalizowanych w świetliku, a napływ powietrza uzupełniającego następuje przez otwarte drzwi wejściowe do atrium. Dolna granica warstwy dymu znajduje się ponad najwyższym poziomem przebywania ludzi, tak aby zapewniona była odpowiednia wysokość strefy wolnej od dymu, wynosząca minimum 1,8 m od posadzki tej kondygnacji. Zgodnie z zasadami powstawania i unoszenia się dymu opisanymi wyżej ilość dymu powstającego w trakcie pożaru Mf zależy od wielkości (obwodu) pożaru, a przede wszystkim od wysokości wznoszenia się słupa dymu. Należy też zauważyć, że wbrew częstej opinii w żaden sposób nie jest ona zależna od wielkości pomieszczenia! Ilość tę określa się na podstawie wzoru:
(1)
gdzie: Ce – współczynnik zasysania powietrza do słupa dymu w czasie pożaru, wynoszący: 0,19 [kg·s-1·m-5/2] – dla pomieszczeń, gdzie strop znajduje się w znacznej odległości od posadzki, np. posadzka atrium; 0,337 [kg·s-1·m-5/2] – dla małych pomieszczeń jak pokoje hotelowe, pokoje biurowe, małe sklepy itp. z otworami wentylacyjnymi z jednej strony; P -obwód pożaru [m]; Y – wysokość wznoszenia się słupa dymu [m]. Widać, że czynnikiem mającym największy wpływ na przyrost masy dymu powstającego w czasie pożaru jest wysokość wznoszenia się słupa dymu Y. Mierzy się ją od źródła pożaru do zakładanej wysokości dolnej granicy warstwy dymu. Wynika stąd, że im niżej przyjęta zostanie dolna granica warstwy dymu, tym mniej dymu będzie powstawało i co za tym idzie – mniejsza będzie wymagana wydajność instalacji oddymiającej. Należy pamiętać, że zawsze musimy ją przyjąć na wysokości co najmniej 1,8 m ponad najwyższym poziomem przebywania ludzi. Wielkość projektową pożaru (obwód P i moc konwekcyjną Q)przyjmuje się w zależności od przeznaczenia atrium i ilości materiałów palnych występujących na jego posadzce, a także od przewidywanego czasu rozpoczęcia działań gaśniczych przez najbliższą jednostkę straży pożarnej. Zwykle nie uwzględnia się instalacji tryskaczowej, nawet jeżeli jest ona zainstalowana pod świetlikiem atrium, ponieważ najczęściej jest ona na tyle wysoko, że nie ma gwarancji jej zadziałania.
Rys. 5 Swobodny słup dymu
Po wyznaczeniu strumienia masowego dymu powstającego podczas pożaru należy obliczyć przyrost jego temperatury w stosunku do temperatury otoczenia z zależności [3]:
(2)
gdzie: Q -konwekcyjna część mocy pożaru [kW], Mf – strumień masowy dymu [kg/s], c – ciepło właściwe powietrza [kJ/kg•K].
Możliwe jest już wyznaczenie wymaganej wydajności instalacji oddymiającej:
(3)
gdzie: Mf – strumień masowy dymu [kg/s], T – temperatura dymu [K], T0 – temperatura powietrza w otoczeniu [K], p – gęstość powietrza w temperaturze otoczenia [kg/m3].
Nie zawsze jest możliwe usunięcie całej ilości dymu przez jeden punkt wyciągowy. Zależy to zarówno od uzyskanej wymaganej wydajności instalacji oddymiającej, jak i od grubości warstwy dymu dliczonej od punktu wyciągu dymu do podstawy warstwy dymu (rys. 6). Wynika to ze zjawiska podsysania powietrza spod warstwy dymu występującego w warunkach, kiedy wydajność punktu wyciągowego jest zbyt duża w stosunku do ilości dymu występującego poniżej tego punktu. Maksymalną ilość dymu, jaką można usunąć przez jeden punkt wyciągowy, wyznacza się z zależności [4]:
(4)
gdzie: g – współczynnik przyciągania ziemskiego [m/s2], d – grubość warstwy dymu [m], θ – przyrost temperatury dymu w stosunku do temperatury otoczenia [K], T- temperatura dymu [K], T0 – temperatura powietrza w otoczeniu [K].
Minimalna liczba punktów wyciągowych wynosi zatem:
N ≥ V/ Vmax (5)
gdzie: V – wymagana wydajność instalacji oddymiającej [m3/s], Vmax – maksymalna wydajność jednego punktu wyciągowego [m3/s].
Minimalną powierzchnię otworów, przez które zapewniony będzie napływ powietrza uzupełniającego, wyznacza się z zależności:
A ≥ V/υ (6)
gdzie: V – wymagana wydajność instalacji oddymiającej [m3/s], υ – maksymalna prędkość napływu powietrza uzupełniającego [m/s].
W przypadku zastosowania systemu oddymiania grawitacyjnego powierzchnię klap dymowych oblicza się na podstawie wzoru:
(7)
(7)gdzie: Av – całkowita powierzchnia klap dymowych [m2], Ai– całkowita powierzchnia otworów dolotowych [m2], Cv – współczynnik przepływu dymu przez klapę (zwykle od 0,5 do 0,7), Ci – współczynnik przepływu powietrza przez otwory dolotowe (ok. 0,6), Mf – strumień masowy dymu [kg/s], p – gęstość powietrza w temperaturze otoczenia [kg/m3], g – współczynnik przyciągania ziemskiego [m/s2], d – głębokość warstwy dymu pod klapą dymową [m], θ – przyrost temperatury warstwy dymu powyżej temperatury otoczenia [K], T- temperatura dymu [K], T0 – temperatura powietrza w otoczeniu [K].
Przedstawiona procedura obliczeniowa umożliwia wyznaczenie projektowanej instalacji oddymiającej dla atrium, co zaprezentowano na przykładzie.
Rys. 6 Schemat oddymianego atrium [6]
Przykład obliczeniowy
Do obliczeń przyjęto atrium trzykondygnacyjne, częściowo otwarte, którego przekrój przedstawiono na rys. 7 i rzut na rys. 8 [6]. Źródło pożaru zlokalizowane zostało na posadzce atrium, bezpośrednio pod świetlikiem. Całkowita wysokość atrium (wraz ze świetlikiem) wynosi 26 m. Punkty wyciągowe zlokalizowane są w bocznych ścianach świetlika, na wysokości 24 m. W celu zmniejszenia wymaganej wydajności instalacji oddymiającej dwie najwyższe kondygnacje atrium zostały wydzielone za pomocą kurtyn dymowych, opadających na wypadek pożaru. Dzięki temu dolna granica warstwy dymu zlokalizowana została na wysokości / = 11 m od posadzki atrium. Do obliczeń przyjęto pożar o mocy konwekcyjnej Q= 5 MW i obwodzie P= 12 m. Temperatura obliczeniowa otoczenia wynosi T0= 200C. Przyjęto, że napływ powietrza uzupełniającego będzie się odbywał otworami wejściowymi do atrium, których powierzchnia czynna wynosi AiCi= 27 m2.
Obliczenia dla analizowaneg o przypadku
1. Obliczenie strumienia dymu powstającego w czasie pożaru Uwzględniono, że analizowanym pomieszczeniem jest atrium, w którym strop znajduje się w znacznej odległości od posadzki, i przyjęto wartość współczynnika Ce = 0,19. Obwód pożaru P = 12 m, natomiast wysokość wznoszenia się słupa dymu Y = 11 m (zgodnie z założeniami). Otrzymano:
2. Obliczenie przyrostu temperatury dymu w stosunku do temperatury otoczenia
Uwzględniono obliczony wcześniej strumień dymu powstającego w czasie pożaru M f = 83,18 m3/s oraz konwekcyjną część mocy pożaru Q = 5 MW (zgodnie z założeniami). Ciepło właściwe powietrza c = 1,01 kJ/kg • K. Na tej podstawie otrzymano:
3. Obliczenie wymaganej wydajności instalacji oddymiającej
W pierwszej kolejności założono, że atrium będzie oddymiane w sposób mechaniczny. Uwzględniono obliczony wcześniej strumień masowy dymu powstającego w czasie pożaru Mf = 83,18 m3/s oraz temperaturę dymu, która stanowi sumę temperatury otoczenia T0 = 293 K (zgodnie z założeniami) i obliczonego wcześniej przyrostu temperatury dymu θ = 59,52 K, i wynosi T = 352,52 K. Gęstość powietrza p = 1,2 kg/m3. Na tej podstawie otrzymano:
Rys. 7 Przekrój atrium – pożar na posadzce atrium [6]
4. Obliczenie maksymalnej ilości dymu, jaką można usunąć przez jeden punkt wyciągowy
Uwzględniono obliczoną wcześniej temperaturę dymu, która stanowi sumę temperatury otoczenia T0 = 293 K (zgodnie z założeniami) i obliczonego wcześniej przyrostu temperatury dymu θ = 59,52 K i wynosi T = 352,52 K. Przyjęto grubość warstwy dymu równą różnicy wysokości punktów wyciągowych (24 m) i dolnej granicy warstwy dymu (11 m) d = 13 m. Przyspieszenie ziemskie g = 9,81 m3/s. Na tej podstawie:
Widoczne jest, że maksymalna ilość dymu, jaką można usunąć przez jeden punkt wyciągowy, jest wielokrotnie większa niż całkowita wydajność instalacji oddymiającej i nie spowoduje konieczności zwiększenia liczby punktów wyciągowych.
5. Obliczenie minimalnej powierzchni otworów, przez które będzie zapewniony napływ powietrza uzupełniającego do atrium
Uwzględniono obliczoną wcześniej wymaganą wydajność instalacji oddymiającej V = 83,35 m/s oraz przyjęto maksymalną dopuszczalną prędkość przepływu powietrza wentylacyjnego przez otwory napowietrzające υ = 5 m/s [3]. Na tej podstawie otrzymano:
Otrzymana powierzchnia jest mniejsza od przyjętej w założeniach, a zatem nie ma konieczności korygowania zakładanej wielkości powierzchni czynnej wejść do atrium, wynoszącej 27 m2.
Rys. 8 Rzut atrium – pożar na posadzce atrium [6]
6. Obliczenie powierzchni czynnej klap dymowych
Alternatywnie przeprowadzono obliczenia dla przypadku zastosowania w analizowanym atrium grawitacyjnego systemu oddymiania. W tym przypadku uwzględniono powierzchnię czynną napływu powietrza wentylacyjnego AiCi = 27 m2 oraz wartości pozostałych parametrów zgodne z opisami w poprzednich punktach
Omówione zasady obliczeń dla jednego z możliwych w atrium scenariuszy pożarowych – pożaru zlokalizowanego bezpośrednio na posadzce atrium – pokazują, jak w stosunkowo prosty sposób można dokonać obliczenia wymaganej wydajności wentylatorów oddymiających w przypadku zastosowania systemu mechanicznego bądź powierzchni czynnej klap dymowych w systemie grawitacyjnym.
Ostateczne wymagania dla instalacji oddymiającej przyjmuje się po porównaniu wyników obliczeń dwóch scenariuszy (dodatkowo należy przeanalizować nieomawiany tu scenariusz pożaru w pomieszczeniu przyległym do atrium) i wyłonieniu wartości większych, dających właściwe zabezpieczenie atrium w najbardziej niekorzystnych warunkach. Dodatkowo, szczególnie w przypadku atriów o skomplikowanej architekturze, zalecane jest przeprowadzenie symulacji komputerowych CFD potwierdzających skuteczność działania projektowanego systemu oddymiania pod względem spełnienia wymagań przepisów i weryfikacja, czy zapewnia on odpowiednie warunki ewakuacji dla użytkowników atrium (na wszystkich kondygnacjach) w przewidywanym czasie ewakuacji, co także zostało zaprezentowane.
Uwaga: artykuł przygotowano na podstawie materiału z Salonu Klimatyzacja 2016.
dr inż. Dorota Brzezińska
Politechnika Łódzka
Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska
Literatura
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).
2. H.P. Morgan, B.K. Ghosh, G. Garrad, Design methodologies for smoke and heat exhaust ventilation, BRE Report BR 368, London 1999.
3. BS 7346-4:2003 Components for smoke and heat control systems. Functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, employing steady state design fires; Code of practice.
4. B. Karlson, J.G. Quintiere, Enclosure Fire Dynamics.2000 by CRC Press LLC.
5. NFPA 92 Standard for Smoke Control Systems, 2015 Edition.
6. D. Brzezińska, Wentylacja pożarowa obiektów budowlanych,Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2015.
7. D. Brzezińska, Oddymianie atriów,Międzynarodowa Wystawa Techniki Wentylacyjnej Klimatyzacyjnej i Chłodniczej – Forum Wentylacja 2016, materiały seminaryjne, Warszawa 2016.
