Zabezpieczenie przed zadymieniem klatek schodowych w budynkach bloków energetycznych oraz oddymianie maszynowni przemysłowych

W „IB” nr 10/2015 w arty­kule „Wentylacja budynków kotłowni przemysłowych” przedstawione zostały zasady wen­tylacji oraz oddymiania budynków ko­tłowni przemysłowych. Kontynuując ten temat, zajmiemy się klatkami schodowymi, które znajdują się w tych budynkach, oraz przylegającymi do nich maszynowniami. Maszynowniami nazywamy budynki, w których znajdują się turbogeneratory. Są one znacznie niższe od kotłowni, jednak problemy związane z oddymianiem są w nich bardzo podobne. Ponadto ze względu na duże ilości oleju i wodoru, które są wykorzystywane w procesach techno­logicznych, w budynkach maszynowni zachodzi znacznie większe prawdopo­dobieństwo wystąpienia pożaru niż w kotłowniach. W tym przypadku ist­nieje też znacznie większe ryzyko nie­bezpiecznego wzrostu temperatury w górnej części budynku prowadzące do zawalenia się konstrukcji dacho­wej.

Ogólne zasady wentylacji i oddymiania maszynowni przemysłowych są analo­giczne do kotłowni i zostały omówione we wspomnianym artykule.

Na rys. 1 przypomniany jest sche­matyczny układ całego budynku bloku energetycznego.

Zakładając, że przestrzenie maszy­nowni i kotłowni są od siebie oddzie­lone, systemy ich oddymiania w wa­runkach pożaru można traktować niezależnie. W obydwu przypadkach najwłaściwsze jest oddymianie grawi­tacyjne, z zastosowaniem powierzch­ni czynnej otworów zapewniającej odprowadzenie takich ilości dymu i ciepła, jakie mogą powstać podczas pożaru. Ogólną zasadę projektowania wentylacji oddymiającej przedstawio­no w dalszej części tekstu.

Rys. 1 Schemat budynku bloku energetycznego

Oddymianie maszynowni

W przypadku maszynowni mamy, analogicznie jak w kotłowni, do czy­nienia z sytuacją, w której podczas codziennej eksploatacji wydziela­na jest znaczna ilość ciepła (jednak znacznie mniejsza niż w kotłowni), pochodzącego z turbozespołów i in­nych znajdujących się tam urządzeń. Podobnie jak poprzednio wymaga ona ciągłego odprowadzania. W tym celu w dachach maszynowni (lub w gór­nych partiach ścian zewnętrznych) projektowane są okna, klapy lub wywietrzaki, przez które odprowadzane jest ciepłe powietrze. W dolnej części konieczne jest zapewnienie odpowied­niego dopływu powietrza chłodnego. Kryterium obliczeniowym, służącym do wyznaczenia wymaganej powierzchni czynnej otworów, jest temperatura pod stropem maszynowni, jaka jest dopuszczalna ze względu na wystę­pujące tam urządzenia. Standardowo podobnie jak poprzednio przyjmuje się 40-50^oC. W tab. 1 przedstawiono ob­liczeniową powierzchnię czynną otwo­rów odprowadzających ciepło i dopro­wadzających powietrze uzupełniające w maszynowni, w zależności od ilości uwalnianego w niej ciepła oraz tempe­ratury powietrza zewnętrznego.

Tab. 1 Wymagana wielkość otworów wentylacyjnych w warunkach normalnych [3]

W przypadku pożaru w maszynowni możliwe jest również wykorzystywa­nie urządzeń wentylacyjnych, które służą jej w warunkach normalnych. Ze względu na mniejszą wysokość mamy wówczas do czynienia ze znacznie większym strumieniem ciepła wydzie­lającego się do otoczenia, ale jedno­cześnie pod stropem pomieszczenia dopuszczalne jest występowanie znacznie wyższej temperatury – jest to co najmniej temperatura 350^oC, przy której nie występuje jeszcze za­grożenie uszkodzenia stalowej kon­strukcji dachu. W tab. 2 pokazano moc pożaru, przy której, zachowując powierzchnie czynne zaprojektowane do celów bytowych w maszynowni o wysokości 30 m, pod dachem nie zostanie przekroczona temperatura dopuszczalna.

Tab. 2 Wymagana wielkość otworów wentylacyjnych podczas pożaru [3]

Jak wynika z rozważań, w maszynow­niach, podobnie jak w kotłowniach, w większości przypadków w sytuacji wystąpienia pożaru wystarczające do celów oddymiania będzie wykorzy­stanie elementów wentylacyjnych od­prowadzających ciepło technologicz­ne, wytwarzane podczas normalnej pracy urządzeń. Dotyczy to przede wszystkim nowoczesnych maszynow­ni, w których elementy stwarzające szczególne zagrożenie pożarowe po­siadają indywidualne obudowy ognio­odporne oraz są chronione stałymi urządzeniami gaśniczymi wodnymi. Gorzej wygląda sytuacja w starych maszynowniach, gdzie istnieje ryzyko rozszczelnienia przewodów olejowych i możliwość zapłonu oleju w kontakcie z gorącymi elementami instalacji. Tego typu obiekty wymagają modernizacji bądź zastosowania indywidualnych rozwiązań w zakresie oddymiania lub nowoczesnych zabezpieczeń, eliminujących zagrożenie wystąpienia pożaru o dużych rozmiarach.

Dodatkowym elementem, różnicują­cym pod względem problemów zwią­zanych z oddymianiem kotłownie od maszynowni, jest najczęściej wystę­pująca znaczna długość budynków ma­szynowni. Powoduje ona, że w przy­padku wystąpienia pożaru w jednym z jej końców przemieszczający się pod dachem dym ulega wychłodzeniu i może zacząć opadać do posadzki, utrudniając dostęp do źródła pożaru ekipom ratowniczym. Aby temu zapo­biec, zaleca się podział budynków ma­szynowni na strefy dymowe, oddzie­lone od siebie kurtynami dymowymi, tworzącymi zbiorniki dymu. Na rys. 2 pokazano różnice w rozprzestrzenia­niu się dymu w maszynowni o długości 180 m i wysokości 30 m, w pierw­szych minutach trwania pożaru, w której nie zastosowano kurtyn dymowych – rys. 2a, natomiast na rys. 2b zastosowano kurtyny o wysokości 8 m (od dachu). W obydwu przypad­kach dym wytwarzany podczas bar­dzo szybkiego pożaru, rozwijającego się do mocy 21 MW, odprowadzany jest klapami dymowymi o powierzchni 10 m². Widoczne jest, że przy bra­ku kurtyn dym, osiągając przeciwny kraniec budynku, zaczyna się obniżać, co może spowodować utrudnienia dostępu ekip ratowniczych do źródła pożaru.

Rys. 2 Zadymienie w maszynowni o długości 180 m i wysokości 30 m, w której: a) nie zastosowano kurtyn dymowych, b) zastosowano kurtyny o wysokości 8 m od dachu

Zabezpieczenie przed zady­mieniem klatek schodowych

Kolejnym problemem występującym w kotłowniach jest zabezpieczenie przed zadymieniem klatek schodo­wych, zwanych pylonami. Jest to trudne ze względu na ich znaczną wysokość i powstawanie różnicy ciśnienia między ich górną i dol­ną częścią, która dodatkowo ulega zmianom w zależności od tempera­tury otoczenia. Najgorsze warunki do oddymiania klatek schodowych powstają w okresie letnim, kiedy wy­soka temperatura otoczenia może powodować zakłócenia ciągu komino­wego i brak skuteczności oddymia­nia grawitacyjnego. W górnej czę­ści klatki schodowej może wystąpić w takiej sytuacji podciśnienie w sto­sunku do otoczenia. Jednocześnie, jak wskazano wcześniej, w górnej części przestrzeni kotłowni pojawia się nadciśnienie, które w przypadku wystąpienia pożaru dodatkowo wzrasta. W konsekwencji różnica ciśnienia pomiędzy klatką schodową i przestrzenią kotłowni może mieć wartość ponad 100 Pa. W momen­cie otwarcia drzwi do klatki następu­je zatem ukierunkowanie przepływu powietrza (w razie pożaru powie­trza wraz z dymem) w kierunku jej wnętrza. Klatki schodowe w kotłow­niach są jednak dodatkowo chronione przez przedsionki przeciwpożarowe, w których efekt kominowy nie wystę­puje. Najlepszym i najtańszym roz­wiązaniem jest zatem stosowanie rozwiązań technicznych zapobiega­jących zadymieniu przedsionków, co jednocześnie pełni funkcję zabezpie­czenia przed zadymieniem samych klatek. Na rys. 3 przedstawiono, jak za pomocą nawiewu do przedsionka przeciwpożarowego, o wydajności zapewniającej prędkość powietrza w drzwiach między przedsionkiem a przestrzenią kotłowni 0,75 m/s [4], możliwe jest zapewnienie ochro­ny przed zadymieniem przedsionka i klatki schodowej. Wyniki symulacji obrazują sytuację, w której w ko­tłowni występuje pożar i na wysoko­ści +70 m, w warunkach silnego za­dymienia, następuje otwarcie drzwi do przedsionka. Widoczne jest, że strumień powietrza nawiewany do przedsionka skutecznie zapobiega przedostaniu się do niego dymu. Pojawia się jednak pytanie, co będzie w sytuacji, kiedy nastąpi jednoczes­ne otwarcie drzwi z przedsionka do przestrzeni kotłowni i do klatki scho­dowej. Część powietrza nawiewanego do przedsionka zaczyna wtedy wpły­wać od klatki, co skutkuje zmniejsze­niem prędkości przepływu powietrza w drzwiach do kotłowni. W takiej sytuacji może wystąpić napływ do przedsionka niewielkich ilości dymu, który jednak natychmiast po ponow­nym zamknięciu drzwi do klatki zosta­nie usunięty (rys. 4).

Rys. 3 Rozkład prędkości powietrza przy otwarciu drzwi do przed­sionka przeciwpożarowego

Rys. 4 Rozkład prędkości powietrza w przypadku jednoczesnego otwarcia drzwi z przedsionka przeciwpożarowego do prze­strzeni kotłowni i do klatki schodowej

Dla porównania na rys. 5 przed­stawiono sytuację, w której nie za­stosowano oddymiania przestrzeni kotłowni. Powoduje to większy niż w poprzednim przypadku przyrost ciśnienia w górnej części kotłowni. Dym w takich warunkach w większej ilości przedostaje się do przedsionka i klatki schodowej nawet przy kilkuse­kundowym otwarciu drzwi.

Na rys. 6 widać z kolei sytuację, w której nie zastosowano ani oddy­miania przestrzeni kotłowni, ani na­wiewu powietrza do przedsionka. Dym gwałtownie przedostaje się wówczas do przedsionka i klatki schodowej.

Rys. 5 Zadymienie w czasie jednoczesnego otwarcia drzwi z przed­sionka przeciwpożarowego do przestrzeni kotłowni i do klatki schodowej

Rys. 6 Zadymienie w czasie jednoczesnego otwarcia drzwi z przed­sionka przeciwpożarowego do przestrzeni kotłowni i do klatki schodowej

Podsumowanie

Podsumowując, można stwierdzić, że w maszynowniach przemysłowych, szczególnie tych nowoczesnych, w których zastosowane są odpowied­nie obudowy urządzeń i elementów stwarzających największe zagro­żenie pożarowe, podobnie jak w ko­tłowniach, system wentylacji bytowej powinien być wystarczający do celów oddymiania. Ze względu na znaczne długości budynków maszynowni waż­ne jest jednak tworzenie w nich do­datkowych podziałów na strefy dymo­we (za pomocą stałych lub ruchomych kurtyn dymowych), zwiększających skuteczność oddymiania (ze wzglę­du na wyższą temperaturę i większą grubość warstwy dymu) oraz zabez­pieczających przed obniżaniem się warstwy dymu, spowodowanym jego wychłodzeniem.

Jednocześnie, jak wykazano, wystar­czającym zabezpieczeniem klatek scho­dowych (pylonów) jest zastosowanie napływu powietrza do przedsionków przeciwpożarowych, co w przypadku otwarcia drzwi do kotłowni wytwarza strumień przepływu zapobiegający na­płynięciu dymu do przedsionka i samej klatki.

Przedstawione rozważania obrazują, jak wiele czynników może mieć istot­ny wpływ na warunki występujące w budynkach bloków energetycznych w przypadku powstania pożaru oraz jak, za pomocą narzędzi inżynierii po­żarowej, można je przewidzieć i na tej podstawie zastosować odpowiednie rodzaje zabezpieczeń.

dr inż. Dorota Brzezińska

Politechnika Łódzka, WIPOS

Literatura

1. PN-B-02877-4:2001 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Instalacje gra­witacyjne. Zasady projektowania do od­prowadzania dymu i ciepła.

2. E. Fiedler, Naturaliche Beluftung von Industriegebauden, BHKS-Almanach 2007.

3. Ventos – program wspomagający obliczenia powierzchni czynnej w wentylacji grawitacyjnej.

4. PN-EN 12101-6:2007 Systemy kon­troli rozprzestrzeniania dymu i ciepła – Część 6: Wymagania techniczne do­tyczące systemów różnicowania ciśnień – Zestawy urządzeń.

5. D. Brzezińska, Wentylacja przemysło­wych bloków energetycznych, „Ochrona Przeciwpożarowa” nr 3/2014.