W polskich przepisach problem nawiewu kompensacyjnego traktowany jest marginalnie. Brak szczegółowych zaleceń odnośnie do rozmieszczenia punktów nawiewu kompensacyjnego, wymaganej nieprzekraczalnej prędkości obliczeniowej powietrza itp. może skutkować wykonaniem nieefektywnego systemu wentylacji pożarowej.
Podstawowym zadaniem systemów mechanicznej lub grawitacyjnej wentylacji pożarowej w obiektach wielkokubaturowych jest ochrona przed zadymieniem dróg ewakuacji. Ich funkcjonowanie polega na planowym rozszczelnieniu budynku przez otwarcie klap dymowych lub uruchomienie wentylatorów wyciągu dymu. W takich warunkach wytwarza się wewnątrz obiektu podciśnienie powodujące napływ powietrza zewnętrznego przez nieszczelności lub otwory kompensacyjne. Do osiągnięcia zakładanej skuteczności systemu oddymiania konieczne jest uzyskanie kontrolowanego przemieszczenia się dymu w przestrzeni roboczej pomieszczenia. Dymy pożarowe muszą zostać wypchnięte ze strefy przebywania ludzi w kierunku punktów jego odbioru. Spełnienie tego zadania możliwe będzie, jeżeli otwory kompensacyjne rozmieszczone zostaną w sposób przemyślany, a ich wielkość określona z uwzględnieniem bilansu powietrza.
Przeprowadzone badania fizykalne oraz symulacje komputerowe przepływu dymów pożarowych w obiektach wielkokubaturowych wskazują na bezpośrednią zależność pomiędzy prędkością, lokalizacją punktów nawiewnych i metodą ukierunkowania nawiewu powietrza kompensacyjnego a skutecznością przyjętego systemu oddymiania.
Funkcjonowanie systemów oddymiania obiektów wielkokubaturowych
Wybór właściwego systemu oddymiania uzależniony jest od oceny warunków funkcjonowania obiektu, w szczególności charakterystyki architektonicznej pomieszczenia, wielkości zakładanej projektowej mocy pożaru i jego lokalizacji, a także od sposobu użytkowania obiektu. W rozległych pomieszczeniach lub halach przemysłowych należy zapewnić ukierunkowany przepływ dymu, czyli efektywny system usuwania gazów pożarowych z przestrzeni podstropowej, oraz dostosowany do istniejących warunków napływ powietrza kompensacyjnego.
Podstawowym zadaniem skutecznego systemu oddymiania jest umożliwienie ewakuacji ludzi z przestrzeni objętej pożarem. Zadanie to będzie możliwe do zrealizowania, jeżeli przez odpowiednio długi czas (nazywany potocznie czasem ewakuacji) utrzymana zostanie dobra widoczność w strefie przebywania ludzi, a stężenie toksycznych gazów pożarowych w tej przestrzeni nie będzie stanowić bezpośredniego zagrożenia życia. Czas ewakuacji zakłada się najczęściej na poziomie około 15 minut. W praktyce powinien on być ustalony indywidualnie dla każdego obiektu na podstawie badań lub symulacji. Bardzo praktycznym narzędziem pozwalającym na precyzyjne określenie, ile czasu zajmie ludziom opuszczenie płonącego budynku, przy uwzględnieniu efektu paniki oraz ograniczeń ruchowych osób w różnym wieku, jest przykładowa symulacja komputerowa przy wykorzystaniu programu EXODUS.
Obiekty o dużej kubaturze mogą zostać wyposażone w naturalny (grawitacyjny) lub mechaniczny system oddymiania. Zastosowanie systemu oddymiania naturalnego z użyciem klap dymowych wymaga przestrzegania wielu zasad dotyczących wyznaczenia stref pożarowych i sektorów oddymiania (rys. 1) oraz przeanalizowania rozkładu ciśnienia grawitacyjnego dla zmiennych warunków rozwijającego się pożaru. Przeprowadzona ocena powinna uwzględniać takie czynniki jak: zmiana objętości właściwej powietrza wywołana wzrostem temperatury, parcie wiatru, układ i charakter szczelin w przegrodach budowlanych, praca systemu ogrzewania i wentylacji itd.
Warto ponadto zdawać sobie sprawę z pewnego ograniczenia systemów grawitacyjnego odprowadzenia dymu. Otwarcie klapy dymowej w początkowej fazie pożaru, kiedy temperatura gazów nad źródłem ognia jest jeszcze stosunkowo niska, powoduje powolny przepływ dymu, co oznacza, że w tym okresie układ jest jeszcze mało skuteczny. Intensyfikacja wypływu dymu pod wpływem stratyfikacji termicznej wzrasta w miarę wzrostu temperatury pożaru. Wynikająca z opisanych powyżej zjawisk fizycznych istotna bezwładność systemu grawitacyjnego jest przyczyną coraz powszechniejszego stosowania bardziej skutecznego rozwiązania, jakim jest mechaniczny system oddymiania. Zastosowanie wentylatorów pożarowych (posiadających atest do pracy w wysokich temperaturach rzędu 400 lub 630oC) pozwala na znacznie efektywniejsze usuwanie dymu i ciepła we wszystkich typach obiektów wielkokubaturowych, również o skomplikowanym układzie architektonicznym. Zastosowanie systemu mechanicznego jest szczególnie zalecane dla obiektów zaliczanych do grupy zagrożenia ludzi.
Wentylatory oddymiające instalowane są w górnej części pomieszczenia bezpośrednio na dachu lub w stropie, a ich wielkość określana powinna być podobnie jak powierzchnia klap dymowych na podstawie projektowej wielkości pożaru oraz warunków użytkowania obiektu.
Do prawidłowego funkcjonowania systemu bardzo ważne jest przemyślane rozmieszczenie wentylatorów. W przypadku powierzchni o równomiernym rozłożeniu obciążenia ogniowego najbardziej efektywny sposób wentylacji pożarowej polega na równomiernym rozmieszczeniu nad całym chronionym obszarem strefy pożarowej większej liczby mniejszych wentylatorów oddymiających. Jeżeli jakaś część pomieszczenia ze względu na ilość nagromadzonych w niej materiałów palnych stanowi większe zagrożenie pożarowe (możliwe jest zaistnienie pożaru o większej mocy), obszar ten powinien być zabezpieczony większą liczbą wentylatorów oddymiających lub zainstalowane jednostki powinny mieć większą wydajność. W każdym przypadku bardziej efektywny będzie system oparty na pracy większej liczby mniejszych jednostek.
Rys. 1. System grawitacyjnego oddymiania obiektu wielkokubaturowego
Powietrze kompensacyjne w systemach oddymiania
Skuteczność systemu oddymiania obiektu uzależniona jest nie tylko od prawidłowo dobranej wielkości oraz rozmieszczenia punktów odbioru dymu (klap lub wentylatorów), równie ważne zagadnienie stanowi zapewnienie napływu powietrza zewnętrznego. Zadaniem wprowadzanego do budynku tzw. powietrza kompensacyjnego jest przemywanie strefy przebywania ludzi oraz wypieranie dymu w kierunku punktów jego odbioru.
Po uruchomieniu systemu oddymiania i rozpoczęciu procesu usuwania na zewnątrz zadymionego powietrza w pomieszczeniu wytwarza się podciśnienie. Zjawisko to skutkuje napływem powietrza zewnętrznego przez nieszczelności w ścianach oraz drzwiach, oknach i ewentualnie bramach wjazdowych. Duża liczba niewielkich strumieni infiltracyjnych nie ma jednak widocznego wpływu na ukierunkowanie przepływu powietrza w pomieszczeniu. W takich warunkach wytworzony podczas pożaru dym rozprzestrzeniać się może w całej kubaturze obiektu, co znacznie utrudnia prowadzenie skutecznej akcji ratowniczej i gaśniczej.
Rys. 2. Wzrost sprawności systemu oddymiania naturalnego w funkcji czasu i temperatury
Z dotychczasowych badań oraz pomiarów fizykalnych połączonych z wizualizacją, przeprowadzanych w Instytucie Ogrzewnictwa i Wentylacji Politechniki Warszawskiej, wynika bezpośrednia zależność pomiędzy prędkością i ukierunkowaniem strumieni powietrza kompensacyjnego do strefy pracy pomieszczenia a skutecznością oddymiania tej strefy. W polskich przepisach problem nawiewu kompensacyjnego traktowany jest marginalnie. Nie ma jednoznacznych wytycznych dotyczących na przykład: rozmieszczenia otworów wlotowych, zalecanej wysokości ich usytuowania, dopuszczalnej prędkości przepływu powietrza, skutecznego zasięgu strumienia kompensacyjnego. Tymczasem wszystkie wymienione elementy mają kluczowe znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania systemu wentylacji pożarowej. Jako przykład posłużyć może zjawisko towarzyszące wykonaniu otworów kompensacyjnych o zbyt małej powierzchni. W wyniku powstającego podczas pożaru wewnątrz obiektu podciśnienia prędkość przepływu powietrza przez te otwory może osiągnąć wysokie wartości, rzędu 5 m/s, a więc znacznie przekraczające dopuszczalne 1–1,5 m/s. Przy wysokich wartościach prędkości przepływu otwór kompensacyjny zaczyna funkcjonować jak zwężka Venturiego, co oznacza, że przy ścianie zewnętrznej wytwarza się obszar podciśnienia powodujący zasysanie dymu ze strefy podstropowej, wymieszanie go z powietrzem zewnętrznym i wprowadzenie do strefy pracy (rys. 3).
Rys. 3. Podsysanie dymu przez strumień powietrza wlotowego przy zbyt wysokiej prędkości nawiewu
Przykładem obiektu, w którym nie przewidziano odpowiedniej powierzchni otworów kompensacyjnych, może być nowo powstała hala odlotów terminalu lotniczego na warszawskim Okęciu. Zaprojektowana początkowo zbyt mała powierzchnia otworów nawiewu powietrza kompensacyjnego była powodem problemów z właściwym rozdziałem powietrza oraz jego zbyt wysoką prędkością przepływu (rys. 4). W tym przypadku akceptowalnym rozwiązaniem okazało się wykonanie dodatkowych punktów nawiewu powietrza w uchylnych oknach na jednej z elewacji (rys. 5).
Rys. 4. Organizacja nawiewu powietrza kompensacyjnego w hali odlotów przy wstępnych założeniach
Rys. 5. Organizacja nawiewu powietrza kompensacyjnego w hali odlotów po uzupełnieniu systemu o automatycznie otwierane okna na jednej z elewacji
Kolejnym zagadnieniem wymagającym omówienia jest skuteczny zasięg strumienia powietrza napływającego do chronionej przestrzeni. Przy prędkościach rzędu 1,5–2,0 m/s napływający z niewielkich otworów kompensacyjnych strumień półograniczony (przylepiony do podłogi) będzie miał zasięg około 13–15 m. Oznacza to, że w przypadku rozległych powierzchni ich centralna część nie będzie w sposób właściwy omywana powietrzem zewnętrznym. Rozwiązaniem może być zastosowanie do celów nawiewu pożarowego nawiewników wyporowych rozmieszczonych z dala od ścian zewnętrznych, w strefie, gdzie nie występuje w sposób naturalny uwarstwiony ruch powietrza. Zastosowanie nawiewników wyporowych wyłącznie jako awaryjnego nawiewu pożarowego jest jednak trudne do uzasadnienia pod względem ekonomicznym, ale w wielu obiektach można pokusić się o wykorzystanie w tym celu istniejącej instalacji nawiewnej wentylacji bytowej. Proponowany kombinowany system nawiewu powietrza kompensacyjnego wymaga przeprowadzenia symulacji komputerowej potwierdzającej skuteczność takiego rozwiązania.
Organizacja nawiewu powietrza kompensacyjnego
Projektując system napływu powietrza kompensacyjnego, zastosować można różne warianty rozszczelnienia budynku. Mogą to być:
1. Stałe otwory w ścianach zewnętrznych budynku (rys. 7A). Otwory kompensacyjne usytuowane w ścianach zewnętrznych budynku muszą być zabezpieczone ruchomą przegrodą, która chroni obiekt podczas normalnego jego funkcjonowania przed niekontrolowanym napływem powietrza zewnętrznego (znacznymi stratami energii). Możliwe jest tu zastosowanie jednej z kilku konstrukcji nawiewników kompensacyjnych, których warianty przedstawione zostały na rys. 6.
Rys. 6. Możliwe do zastosowania warianty uzbrojenia otworów kompensacyjnych
2. Automatycznie otwierane drzwi, okna lub bramy znajdujące się w strefie przebywania ludzi (rys. 7B). Rozwiązanie takie jest wygodne i praktyczne, należy jednak pamiętać o konieczności wyposażenia wymienionych elementów stolarki budowlanej w automatykę sterującą otwarciem podczas alarmu pożarowego. W niektórych typach obiektów, na przykład magazyny lub obiekty handlowe, automatycznie otwierane drzwi stanowić mogą drogę dla potencjalnego włamywacza i z tego powodu w wymienionych typach budynków należy rozważyć zastosowanie bezpieczniejszych rozwiązań lub zastosować system weryfikacji sygnału alarmowego w celu ograniczenia ryzyka wywołania fałszywego alarmu pożarowego. Coraz powszechniej stosowanym rozwiązaniem jest montaż specjalnych okien fasadowych pełniących funkcje klap dymowych lub otworów napływu powietrza kompensacyjnego.
Rys. 7. Metody nawiewu powietrza kompensacyjnego
3. Otwarte klapy dymowe – przy czym rozwiązanie to może być zastosowane tylko w przypadku otwierania klap dymowych w strefach nieprzylegających bezpośrednio do strefy objętej pożarem (rys. 7C). Omawiana metoda, choć dopuszczalna, nie jest zalecana ze względu na niekorzystny kierunek napływu powietrza (ze strefy podstropowej), co może prowadzić do zakłócenia procesu oddymiania.
4. Możliwa jest kombinacja wymienionych wyżej wariantów nawiewu powietrza kompensacyjnego (rys. 7D), ale przy zastosowaniu wymienionych powyżej ograniczeń.
5. Zastosowanie nawiewu mechanicznego (rys. 8). Wykorzystanie wentylatorów do nawiewu powietrza kompensacyjnego możliwe jest wyłącznie w przypadku potwierdzenia możliwości stosowania takiego układu na podstawie badań lub symulacji komputerowych.
Rys. 8. Zastosowanie mechanicznego nawiewu powietrza kompensacyjnego
Projektując sposób zabezpieczenia otworów kompensacyjnych, należy pamiętać, że powinny one zostać wyposażone w system automatycznego otwierania, współpracujący z systemem detekcji pożarowej.
Podczas eksploatacji obiektu należy dbać o drożność otworów napływu powietrza, aby nie dopuścić do sytuacji, w której np. drzwi, przez które napływa powietrze, będą w sposób trwały zamykane lub zastawione. Należy również pamiętać, że każda przebudowa lub modernizacja obiektu powinna uwzględnić wykonanie niezbędnych zmian w systemach ochrony przeciwpożarowej. Zmiany te powinny zostać skonsultowane ze specjalistami w dziedzinie ochrony przeciwpożarowej i naniesione na istniejące schematy zabezpieczeń obiektu.
Podsumowanie
Przepisy, normy i wytyczne dotyczące zasad wykonania systemów usuwania dymu z obiektów wielkokubaturowych powszechnie marginalizują zagadnienie nawiewu kompensacyjnego, ograniczając się najczęściej do niejednoznacznych wskazówek odnośnie do minimalnej łącznej powierzchni otworów wlotu powietrza. Brak szczegółowych zaleceń odnośnie do rozmieszczenia punktów nawiewu kompensacyjnego, wymaganej nieprzekraczalnej prędkości obliczeniowej powietrza itd. skutkować może wykonaniem nieefektywnego systemu wentylacji pożarowej. Konieczne staje się opracowanie na podstawie badań naukowych oraz symulacji wykorzystujących numeryczną mechanikę płynów uniwersalnych zasad doboru wielkości i rozmieszczania otworów kompensacyjnych w obiektach o różnym przeznaczeniu oraz przy zastosowaniu różnych systemów ochrony przeciwpożarowej.
Bogdan MIZIELIŃSKI
Grzegorz KUBICKI
Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
Politechnika Warszawska
Literatura
B. Mizieliński, Systemy oddymiania budynków, Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999.
