System wentylacji w garażach i parkingach powinien zapewniać właściwą jakość powietrza podczas codziennego funkcjonowania obiektu oraz ochronę drogi ewakuacji i dostępu ekip ratowniczych podczas pożaru.
Budowa dużych budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej łączy się, z przyczyn praktycznych oraz zgodnie z wymogami prawa, z koniecznością uwzględnienia w takim obiekcie odpowiedniej liczby miejsc postojowych. Jednocześnie wskutek coraz powszechniejszego wykorzystywania samochodów, pomimo podejmowanych działań inwestycyjnych, deficyt miejsc parkowania stanowi stale narastający problem. Ze względu na często występującą bardzo ograniczoną powierzchnię zabudowy oraz wysoką cenę działek budowlanych (szczególnie w obszarach silnie zurbanizowanych) miejsca postojowe dla samochodów wykonywane są coraz częściej w postaci parkingów lub garaży podziemnych. W nowo powstających garażach i parkingach podziemnych należy zaprojektować i wykonać skuteczny system wentylacji, której funkcją jest zarówno bezpieczne wykorzystywanie tej przestrzeni podczas jej normalnego użytkowania (wentylacja bytowa), jak również ochrona drogi ewakuacji oraz dostępu ekip ratowniczych podczas pożaru (wentylacja pożarowa).
© Cora Reed – Fotolia.com
Systemy wentylacji ogólnej (bytowej)
Podczas normalnego funkcjonowania obiektu podstawowym zagrożeniem dla osób korzystających z zamkniętych parkingów są emitowane przez silniki spalinowe toksyczne produkty spalania paliwa, takie jak: tlenki węgla, tlenki azotu, tlenki siarki, związki metali ciężkich i inne związki chemiczne. W związku z powyższym konieczne jest wentylowanie tej przestrzeni, a zaprojektowana instalacja spełnić powinna wymogi przepisów techniczno-budowlanych. W odniesieniu do garaży podziemnych zastosowanie ma 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) oraz rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 marca 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 56, poz. 461) (uwaga: w tekście będą dalej przywoływane tylko odpowiednie paragrafy). Nakłada się obowiązek stosowania wentylacji mechanicznej, sterowanej czujkami niedopuszczalnego poziomu stężenia tlenku węgla. Intensywność wymiany powietrza (ilość powietrza nawiewanego i usuwanego z garaży) powinna zostać określona na podstawie obliczeń uwzględniających wiele zmiennych, takich jak m.in. liczba miejsc postojowych, czas pracy na biegu jałowym, długość dojazdu do bramy, typ silników pracujących samochodów, współczynnik wykorzystania miejsc postojowych, dobowy rozkład wykorzystania parkingu (praca silników rozgrzanych i zimnych) itd. Według standardów projektowania i dla garaży o różnej kubaturze otrzymać można wyniki wahające się w zakresie od 1,5 do 6 wymian powietrza na godzinę. Ilość powietrza wentylacyjnego ustala się również na podstawie badań, na przykład według źródeł amerykańskich dla przeciętnych warunków użytkowania średniej wysokości zamkniętego garażu strumień objętości czystego nawiewanego powietrza wynosi około 27 m3/h na metr kwadratowy powierzchni podłogi. Poprawnie przeprowadzone obliczenia stanowią solidną podstawę do doboru wielkości głównych wentylatorów zasilających instalację wentylacyjną, natomiast o skuteczności systemu w równej mierze decyduje organizacja przepływu powietrza w przestrzeni garażu. Dostępne systemy organizacji przepływu powietrza w przestrzeni garażu zamkniętego zostały omówione w dalszej części artykułu.
Rys. 1. System kanałowy w funkcji oddymiania
Oddzielny problem dla zabezpieczenia garaży zamkniętych stanowią (szczególnie w polskich realiach) samochody wyposażone w instalację gazową. Paliwo LPG (Liquefied Petroleum Gas), którego głównymi składnikami są propan i butan, jest gazem cięższym od powietrza i w przypadku wycieku z instalacji samochodowej gromadzi się w dolnej części pomieszczenia, stwarzając niebezpieczeństwo wybuchu. Przy powszechnym braku odpowiedniej sygnalizacji (detektorów LPG) jest to przyczyna, dla której w wielu garażach podziemnych zabrania się parkowania samochodów wyposażonych w tego typu instalację. Należy również wspomnieć, że instalacje wentylacji garaży podziemnych, w których dopuszcza się parkowanie samochodów zasilanych gazem propan-butan, zgodnie ze znowelizowanymi przepisami techniczno-budowlanymi, muszą być sterowane czujnikami niedopuszczalnego poziomu stężenia gazu propan-butan (§ 108 ust.1 pkt 4).
Systemy wentylacji pożarowej
Garaże zamknięte stanowią poważne zagrożenie pożarowe w budynku, wystarczy wspomnieć, że przeciętnie występujące obciążenie ogniowe (uzależnione od stopnia wykorzystania powierzchni garażu przez parkujące samochody) ocenia się w przedziale 115 do 150 KW/h/m2. Z tego względu poprawna ochrona tej przestrzeni również systemem wentylacji oddymiającej jest bardzo ważna i regulowana stosownymi przepisami. Zabezpieczenie pożarowe w garażach podziemnych narzuca konieczność mechanicznego usuwania dymu dla garaży o więcej niż 10 stanowiskach, przy czym po nowelizacji rozporządzenia MI (§ 277 ust. 4) obligatoryjnie systemy oddymiania należy stosować dla garaży podziemnych o powierzchni całkowitej przekraczającej 1500 m2.
Rys. 2. Porównanie skuteczności działania systemu kanałowego i bezprzewodowego
Aby ograniczyć skutki ewentualnego pożaru, instalacja wentylacji oddymiającej powinna usuwać lub ukierunkować przepływ dymu w taki sposób, żeby stworzyć warunki do ucieczki ludzi z zagrożonej strefy. Cel ten określany jest przez zapewnienie odpowiedniego poziomu widoczności oraz utrzymanie na drogach ewakuacji akceptowalnej temperatury powietrza. Jednocześnie konieczne jest zapewnienie stałego dopływu powietrza zewnętrznego, kompensującego strumień powietrza usuwanego. Do niedawna na skutek funkcjonującego wówczas w warunkach techniczno-budowlanych zapisu dotyczącego ilości powietrza na potrzeby wentylacji pożarowej przyjmowane było „co najmniej 10 wymian na godzinę”. W obecnej wersji przepisów (§ 270 ust. 1) mowa jest o konieczności usuwania dymu z intensywnością zapewniającą, że w czasie potrzebnym do ewakuacji ludzi na chronionych przejściach i drogach ewakuacji nie wystąpi zadymienie lub temperatura umożliwiająca bezpieczną ewakuację. W praktyce oznacza to, że należy udowodnić za pomocą obliczeń oraz ewentualnych symulacji komputerowych poprawność zastosowanych rozwiązań i niekoniecznie musi to być 10 h-1. Obliczenia strumienia powietrza wentylacyjnego oraz dobór konkretnych rozwiązań technicznych uwzględniać powinny takie czynniki, jak przewidywana moc pożaru, układ architektoniczny garażu, lokalizację dróg ewakuacji, wpływ instalacji tryskaczowej, lokalizację dróg napływu powietrza kompensacyjnego itp. Ponieważ w Polsce brak jest uznanego standardu projektowania dla systemu wentylacji pożarowej garaży, obliczeń dokonać można na podstawie tzw. uznanej wiedzy technicznej, np. normy brytyjskiej BS 7346-7:2006 stanowiącej materiał wyjściowy do opracowywanej normy europejskiej EN 12101-11. Poprawne obliczenia i na ich podstawie dobór elementów systemu wentylacji pożarowej w wielu przypadkach spełniają wymóg § 270 ust. 1. Jednak w przypadku rozległych garaży o skomplikowanym układzie architektonicznym poprawność wykonanych obliczeń można, a nawet należy sprawdzić, wykorzystując symulacje komputerowe oparte na technice numerycznej mechaniki płynów (Computation Fluid Dynamice).
Warto również wspomnieć o zmianie w przepisach (§ 277 ust. 1), zgodnie z którą powierzchnia strefy pożarowej garaży podziemnych nie powinna przekraczać 5000 m2. Na mocy cytowanego przepisu powierzchnię strefy pożarowej można powiększyć o 100% przy zastosowaniu do ochrony tej strefy instalacji tryskaczowej lub wykonanie – oddzielającej od siebie nie więcej niż po dwa stanowiska postojowe – ściany o klasie odporności ogniowej co najmniej EI30 (od posadzki do poziomu zapewniającego pozostawienie prześwitu pod stropem o wysokości 0,1 do 0,2 m na całej długości).
Rys. 3. Zasada działania systemu bezprzewodowego mieszanego [1]
Systemy wentylacji garaży podziemnych
Ze względów praktycznych i ekonomicznych powszechnie stosowane są systemy wentylacji łączące funkcje bytowe i pożarowe. W takim przypadku warunki ochrony przeciwpożarowej stanowić powinny priorytet przy projektowaniu tego dwufunkcyjnego układu. Do niedawna jedynym stosowanym rozwiązaniem wentylacji garaży były instalacje kanałowe spełniającą funkcję wentylacji i oddymiania w przypadku wystąpienia pożaru. Obecnie coraz częściej wykorzystywane są również nowe systemy oparte na odpowiednio rozmieszczonych wentylatorach strumieniowych ukierunkowujących przepływ dymu i napływ czystego powietrza w całej przestrzeni garażu lub parkingu podziemnego, czyli systemy bezprzewodowe. Co ważne, po korzystnej nowelizacji przepisów układy bezprzewodowe mogą być stosowane już bez konieczności występowania o odstępstwo od warunków technicznych.
Oddymianie kanałowe
Kanałowy system wentylacji składa się z sieci przewodów wyciągowych zakończonych kratkami wyciągowymi oraz instalacji nawiewu powietrza zewnętrznego. Omawiany system, spełniając dwie funkcje, musi zapewnić wyciąganie powietrza w normalnych warunkach pracy (pracując z wydajnością przykładowo 4–6 wymian powietrza na godzinę) oraz w warunkach pożaru, kiedy konieczne będzie przetłaczanie powietrza w ilości np. 10 h-1. Dlatego też system ten wyposażony powinien być w wentylator dwubiegowy lub sterowany falownikiem (ze zmienną prędkością obrotów). Kratki wywiewne usytuowane muszą być na dwóch wysokościach: usuwające lżejsze frakcje zanieczyszczeń na wysokości ponad 1,8 m oraz zanieczyszczenia cięższe od powietrza na wysokości mniejszej od 0,8 m ponad poziomem podłogi. Podczas normalnej pracy ok. 60% powietrza usuwanego jest z przestrzeni podstropowej, natomiast 40% z poziomu posadzki. Podczas pożaru wyciąg dolny zostaje odcięty, a 100% pożarowego wydatku powietrza wyciągane powinno być przez kratki górne. Zaprojektowanie takiego układu ze względu na gwałtowną zmianę charakterystyki sieci (zmianę oporów przepływu wywołaną większym strumieniem przetłaczanego powietrza) jest bardzo kłopotliwe i często spotkać można systemy kanałowe, które nie działają prawidłowo w jednym lub obu trybach pracy.
Jeżeli system kanałowy łączy funkcję bytową z pożarową, konieczne jest również zastosowanie odpowiednich przewodów i wentylatorów. Oznacza to, że przewody wentylacyjne muszą mieć klasę odporności ogniowej z uwagi na szczelność ogniową i dymoszczelność E600S co najmniej taką jak klasa odporności ogniowej stropu. Do systemów wentylacji garaży najczęściej stosowane są wentylatory o odporności ogniowej F400 120 (czyli zdolne do pracy w temperaturze 400OC w okresie 120 min). Jeżeli jednak z przeprowadzonych obliczeń lub symulacji wynika wyższa temperatura dymu, konieczne staje się zastosowanie wentylatorów F600 60. Należy pamiętać o takiej lokalizacji wyrzutni zadymionego powietrza, żeby spaliny nie mogły powrócić do obiektu oddymianego.
Równie ważnym jak instalacja wyciągowa elementem systemu jest nawiew powietrza kompensacyjnego. Ze względu na efektywność działania systemu wentylacji pożarowej korzystne jest, jeżeli kratki nawiewające powietrze kompensacyjne znajdują się w dolnej części pomieszczenia, dzięki czemu podczas oddymiania czyste powietrze zewnętrzne podnosi warstwę dymu do strefy podstropowej.
Teoretycznie zastosowanie systemu kanałowego do oddymiania powinno wytworzyć przestrzeń wolną od dymu o wysokości co najmniej 1,8 m, jak wykazują jednak prowadzone badania i eksperymenty podczas pożaru spełnienie tego założenia jest bardzo trudne. Wiąże się to m.in. z ograniczoną wysokością garaży podziemnych (w krajowej praktyce rzadko przekraczającej 2,5–3,0 m), podczas gdy np. według badań i przepisów belgijskich garaż wyposażony w wentylację kanałową powinien mieć wysokość co najmniej 3,8 m! Kolejny problem stanowi duża dynamika pożaru samochodu, na skutek której dym bardzo intensywnie miesza się z powietrzem, w krótkim czasie wypełniając ograniczoną przestrzeń między stropem i posadzką. I wreszcie praca często rozległej instalacji kanałowej doprowadzić może do „rozciągnięcia” dymu przez kratki wyciągowe na znaczne odległości od źródła pożaru.
W tym kontekście bardzo ciekawym rozwiązaniem alternatywnym są opisane poniżej systemy bezprzewodowe.
System bezprzewodowy tłokowy
System ten oparty jest na zastosowaniu układu zamontowanych równolegle wentylatorów osiowych transferowych (strumieniowych). Są to najczęściej urządzenia o przekroju kołowym i średnicach od 315 do 450 mm, wyposażone w tłumiki zarówno po stronie wlotowej, jak i wylotowej. Wentylatory te usytuowane są w podstropowej przestrzeni garażu oraz w strefie przebywania ludzi.
Największą skuteczność omawiany układ osiąga w garażach o kształcie prostokątnym, gdzie z jednej strony istnieje możliwość doprowadzenia niezadymionego (czystego) powietrza, a z drugiej strony można zlokalizować wyrzutnie usuwające zanieczyszczone powietrze lub dym podczas pożaru. Powstaje w całym przekroju garażu kontrolowany przepływ powietrza, który w zależności od zadanych parametrów pracy wentylatorów transferowych pełni funkcje wentylacji bytowej, a w sytuacji pożaru – intensywnego oddymiania.
Działanie bezprzewodowego systemu tłokowego w funkcji oddymiania wygląda następująco: po pojawieniu się sygnału alarmowego z systemu detekcji pożaru następuje automatyczne otwarcie bramy wjazdowej lub żaluzji w kratach nawiewnych, przez które wskutek podciśnienia wywołanego pracą wentylatorów wyciągowych do przestrzeni garażu napływa powietrze zewnętrzne. Alternatywnym rozwiązaniem może być uruchomienie nawiewu mechanicznego. Wentylatory wyciągowe i transferowe przechodzą w tryb pracy pożarowej. W zależności od lokalizacji pożaru formowane są odpowiednio strumienie wzdłuż przestrzeni garażu, przekazywane przez kolejne wentylatory transferowe aż do wentylatorów usuwających zadymione powietrze do wyrzutni i na zewnątrz budynku. Główną zasadą jest tu takie uruchomienie konfiguracji systemu (kierunku przepływu), aby dym jak najkrótszą drogą został usunięty z kubatury garażu przy jednoczesnej ochronie dróg ewakuacji ludzi. Jedną z ważnych zalet tego systemu jest brak konieczności stosowania sieci kanałów wentylacyjnych, które w pewnym stopniu ograniczają przestrzeń użytkową garażu.
Dla prawidłowego funkcjonowania opisywanego układu istotne znaczenie ma dobór właściwej liczby wentylatorów przetłaczających, ich wielkość oraz usytuowanie w chronionej przestrzeni garażu. W celu zaprojektowania takiego układu posłużyć się można jedną z dwóch metod: pierwsza oparta jest na doświadczeniach z instalacjami w podobnych architektonicznie obiektach oraz praktycznej wiedzy projektanta, druga natomiast polega na zastosowaniu symulacji komputerowej CFD. Numerycznej analizie podlegają przepływy zadymionego powietrza przy wstępnym rozmieszczeniu oraz wyliczeniu wielkości otworów wyciągowych i nawiewnych oraz wentylatorów strumieniowych w przestrzeni garażu. Symulacja komputerowa pozwala na analizę wielu różnych wariantów przepływów powietrza i dymu przy uwzględnieniu mocy pożaru, jego lokalizacji oraz w konsekwencji weryfikację i optymalizację wielkości i usytuowania wentylatorów transferowych, wyciągowych oraz urządzeń nawiewnych wprowadzających strumień powietrza kompensacyjnego. Prawidłowe wykonanie symulacji komputerowych wymaga jednak starannego opracowania wstępnych założeń do modelu matematycznego, a przy procesie weryfikacji wyników niezbędne staje się doświadczenie projektanta, które pozwoli na ograniczenie liczby rozpatrywanych w symulacji wariantów.
System bezprzewodowy mieszany
System bezprzewodowy mieszany składa się z takich samych elementów i działa w podobny sposób jak omówiony powyżej system tłokowy, przy czym wentylatory transferowe w tym rozwiązaniu usytuowane są w przestrzeni garażu w sposób pozornie nieuporządkowany. Podobnie jak w poprzednim systemie urządzenia te spełniają podwójną funkcję, to jest wentylacji bytowej i pożarowej. Układ strumieni powietrza kształtowanych przez wentylatory powinien zostać zaprojektowany w taki sposób, żeby kierunki przepływu powietrza zapewniały dokładne przemywanie wszystkich rejonów przestrzeni garażowej i w końcowym etapie powodowały przepływ zadymionego powietrza do wentylatorów wyciągających dym na zewnątrz. Bezprzewodowy system mieszany jest zalecany do stosowania w niewielkich garażach o skomplikowanym układzie architektonicznym, gdzie kłopotliwe może być zaprojektowanie systemu tłokowego.
Główne wentylatory wyciągowe powinny być tak zlokalizowane, aby usuwany dym nie przedostawał się do górnej części budynku. Dla prawidłowego funkcjonowania omawianego systemu podstawowe znaczenie ma dobór odpowiedniej liczby wentylatorów, ich kierunkowe rozmieszczenie oraz wielkość rozwijanego strumienia powietrza. Szczególnie w tym przypadku użytecznym narzędziem projektowym jest symulacja komputerowa oparta na oprogramowaniu CFD pozwalająca na modelowanie i analizowanie przepływu powietrza w przestrzeni garażu i stanowiąca właściwie jedyną metodę weryfikacji przyjętych rozwiązań.
Współdziałanie systemów ochrony przeciwpożarowej garaży
Skuteczne działanie systemów wentylacji bytowej i pożarowej garaży zamkniętych uwarunkowane jest ponadto ich pełnym współdziałaniem z innymi elementami i układami ochrony przeciwpożarowej budynku, takimi jak systemy detekcji, stałe urządzenia gaśnicze, system DSO itd. Przykładowo szybkie i pewne wykrycie pożaru wymaga stosowania odpowiednio dobranego systemu detekcji. Badania wykonane przez Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej wykazały, że dla garaży podziemnych najbardziej wskazane jest zastosowanie współdziałania optycznych rozproszeniowych czujek dymu umieszczonych nad stanowiskami postojowymi oraz nadmiarowo-różnicowych czujek ciepła w przestrzeni nad ciągami komunikacyjnymi. Urządzenia wykrywające przekazują sygnał do układu alarmowego sygnalizacji optycznej i akustycznej oraz sterowania układem oddymiania, gdy w jednej strefie zadziałają dwie czujki, wtedy zaczynają być uruchamiane urządzenia i systemy przewidziane w scenariuszu pożarowym dla danej strefy.
Uwagi końcowe
Garaże podziemne stanowią szczególną część budynków, w której występują toksyczne dla ludzi zanieczyszczenia, a ewentualny pożar może mieć bardzo niebezpieczne konsekwencje dla wszystkich użytkowników obiektu. Z tych powodów tak istotny jest poprawny wybór i staranne wykonanie sytemu wentylacji tej przestrzeni. Opisane powyżej rozwiązania oddymiania garaży mogą ułatwić projektantowi wybór najbardziej efektywnego dla konkretnego przypadku rozwiązania. Projektując omawiane systemy, szczególną uwagę należy zwrócić na organizację przepływu i kierunków ruchu strumieni powietrza. Uwzględnione powinno być także oddziaływanie towarzyszących zjawisk, takich jak: charakterystyka dymu, moc źródła pożaru, gradient temperatury, wahania ciśnienia, stopień zanieczyszczenia powietrza doprowadzanego z zewnątrz jako powietrze kompensacyjne. Przy projektowaniu systemów wentylacji i oddymiania garaży warto posiłkować się najnowocześniejszą techniką komputerowego wspomagania projektowania.
prof. dr hab. inż. Bogdan Mizieliński
dr inż. Grzegorz Kubicki
Politechnika Warszawska
Bibliografia
B. Mizieliński, G. Kubicki, Kontrolowany przepływ powietrza w bezprzewodowym oddymianiu garaży, referat, Konferencja Naukowo-Techniczna SGSP, Warszawa 2005.
