Projektowanie systemów wentylacji pożarowej wielkopowierzchniowych obiektów handlowych wymaga zrozumienia zjawisk fi zycznych związanych z przepływem dymu w warunkach pożaru. Niniejsza praca stanowi pierwszą część cyklu, którego celem jest przestawienie głównych założeń modelowania matematycznego przepływu dymu oraz praktycznego znaczenia zależności, którymi posługujemy się w codziennej pracy. W pierwszej części omówiono problematykę związaną z wypływem dymu z pomieszczeń handlowych do przestrzeni pasaży. 

Wykorzystanie systemów wentylacji pożarowej jest często niezbędnym krokiem przy dostosowywaniu projektowanego wielkokubaturowego obiektu budowlanego do wymagań podstawowych związanych z bezpieczeństwem pożarowym [1]. Poza podniesieniem poziomu bezpieczeństwa pożarowego, wykorzystanie systemów wentylacji pożarowej może mieć również skutek formalno-prawny, polegający na złagodzeniu niektórych wymagań przepisów techniczno-budowlanych [2], np. przez powiększenie maksymalnej dopuszczalnej powierzchni strefy pożarowej czy długości dróg ewakuacji. W niektórych budynkach konieczność zastosowania systemów wentylacji pożarowej wynika wprost z wymagań prawa – do tych przestrzeni można zaliczyć pasaż handlowy oraz przykryty ciąg pieszy, do którego przylegają lokale handlowe i usługowe. Systemy wentylacji pożarowej są tak ważne w ochronie życia, że brak spełnienia wymagań przepisów związanych z ich wykorzystaniem może stanowić podstawę uznania obiektu za zagrażający życiu [3], z konsekwencjami prawnymi, obejmującymi także natychmiastowe zamknięcie obiektu do czasu usunięcia nieprawidłowości.

Wentylacja oddymiająca zapewnia utrzymanie dymu na pożądanej wysokości ponad drogami ewakuacji poprzez usuwanie dymu bezpośrednio z obszaru pod stropem (tzw. zbiornika dymu). Istnieją trzy ogólne kombinacje wzajemnej lokalizacji wyciągu dymu i źródła pożaru, przedstawione na przykładzie pasażu handlowego na rysunku 1. jako scenariusze A, B i C. W scenariuszu A dym powstaje w przestrzeni lokalu handlowo-usługowego, skąd swobodnie wydostaje się do przestrzeni wspólnej. Na skutek działania sił wyporu, dym płynie ku górnej części pasażu, w której zlokalizowano punkty wyciągowe. Taki rodzaj oddymiania często potocznie nazywa się „oddymianiem przez pasaż”. W scenariuszu B usunięcie dymu następuje również ze wspólnego zbiornika dymu, lecz w tym wypadku źródło pożaru znajduje się bezpośrednio w pasażu, a kolumna konwekcyjna dymu może mieć charakter osiowo-symetryczny lub rozpływający. Scenariusz C to pożar występujący w obrębie lokalu wyposażonego we własny system wentylacji pożarowej – dym utrzymywany jest w obrębie oddymianego lokalu i nie wypływa on do pasażu (to rozwiązanie nie jest objęte zakresem niniejszego cyklu publikacji).

Rys. 1. Różne scenariusze działania systemu wentylacji oddymiającej, w zależności od lokalizacji pożaru względem układu przegród budowlanych, opracowanie własne

Skuteczny system wentylacji pożarowej powinien zapewniać warunki ewakuacji osób w tzw. wymaganym czasie bezpiecznej ewakuacji (z ang. Required Safe Evacuation Time, RSET). Drugim wymaganiem jest zapewnienie możliwości prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych, poprzez obniżenie temperatury dymu oraz usunięcie dymu w stopniu umożliwiającym podejście ekip ratowniczych do źródła ognia. Wymagania te zawarto także w §270 ust. 1 przepisów techniczno-budowlanych [1]. Aby powyższe wymagania zostały spełnione, proces projektowania powinien opierać się na obliczeniach uwzględniających zjawiska fizyczne zachodzące w procesie przepływu dymu przez układ przegród budowlanych.

Projektowanie systemów wentylacji pożarowej pasaży

Przepływ dymu od miejsca powstania pożaru do obszaru zbiornika dymu, następuje przede wszystkim w wyniku działania sił natury – siły wyporu, strumieni podsufitowych czy różnicy ciśnienia pomiędzy przestrzeniami (efekt kominowy, działanie wentylacji bytowej, różnice temperatury). Ponieważ system wentylacji pasażu nie wpływa bezpośrednio na ten przepływ, można stwierdzić, że ilość dymu płynąca w układzie przegród zależy od wielkości pożaru i kontekstu architektonicznego, w jakim pożar ma miejsce. Skuteczny system wentylacji musi być w stanie odebrać każdy przepływ dymu mający miejsce w budynku – a zatem istnieje bezpośrednie powiązanie pomiędzy parametrami systemu wentylacji, poziomem bezpieczeństwa w obiekcie budowlanym oraz układem przegród budowlanych, jakie na swojej drodze musi pokonać dym.

W procesie projektowania skomplikowanych obiektów budowlanych widoczny jest niedostatek współpracy pomiędzy osobami odpowiedzialnymi za kształtowanie przestrzeni (architekt, konstruktor), a projektantami instalacji. Skutkiem są rozwiązania architektoniczne niekorzystnie wpływające na przepływ dymu w obiekcie, a co za tym idzie na zagrożenia z nim związane. Nieporozumienia pomiędzy branżystami wpływają także na koszt samych prac projektowych. Rozwiązanie problemów związanych z niedostosowaniem kształtu przestrzeni wewnątrz budynku do technicznych możliwości systemów wentylacji pożarowej wymaga czasu, dużego nakładu pracy oraz kosztownych badań numerycznych z wykorzystaniem metody obliczeniowej mechaniki płynów (CFD, ang. Computational Fluid Dynamics), dzięki którym możliwe jest oszacowanie przepływu dymu w układzie przegród budowlanych.

Projektant powinien posiadać wiedzę pozwalającą mu zrozumieć wpływ kontekstu architektonicznego w obiekcie na ilość dymu, jaka może powstać w czasie pożaru. Nie chodzi tu wyłącznie o określenie masy dymu, jaką należy usunąć z obiektu, ale także o zbudowanie intuicji, która pozwoli ocenić skutki decyzji podejmowanych przez innych uczestników procesu budowlanego na działanie systemu. Należy również pamiętać, że rozpoczęcie użytkowania obiektu nie jest zakończeniem procesu tworzenia skutecznego systemu wentylacji pożarowej – praktyka pokazuje, że obiekty handlowo-usługowe są nieustannie zmieniane i modernizowane. Wprowadzanie zmian w systemie wentylacji istniejącego obiektu jest niezwykle trudne, stąd ważne jest wyczucie, czy zmiany architektoniczne np. w obrębie witryn nowych lokali, wymagają ingerencji w istniejące rozwiązania.

Aby móc szerzej omówić zjawiska zachodzące w czasie pożaru obiektu handlowego, niniejszy cykl publikacji podzielono na trzy części: (1) obejmującą zjawiska zachodzące w pomieszczeniu objętym pożarem, (2) obejmującą przepływ dymu pomiędzy lokalem a pasażem oraz (3) poświęconą przepływowi w kolumnach konwekcyjnych dymu oraz usuwanie dymu ze zbiornika dymu. Zakres tematyczny poszczególnych części zilustrowano na rysunku 2.

 Rys. 2. Przepływ dymu z lokalu objętego pożarem do zbiornika dymu w pasażu handlowym

Ile dymu wypływa z pomieszczenia?

(...)

Jaką zależność stosować w praktyce?

(...)

FAQ: Wypływ dymu z pomieszczenia

Omawiając wyniki swoich badań, Autor zazwyczaj spotyka się z trzema pytaniami, na które chciałby teraz odpowiedzieć.

Czy pożar nie będzie przygaszony przez zbyt małą ilość powietrza dopływającą do lokalu przez małe drzwi?

Niestety, ilość tlenu potrzeba do rozwoju groźnego pożaru jest względnie nieduża. Z każdego kilograma tlenu możliwe jest spalenie materiałów palnych wydzielających około 13,1 MJ energii. Do podtrzymania pożaru o mocy kilku MW, wystarczający jest otwór o powierzchni kilku m². W powiązaniu z wymaganiami przepisów techniczno-budowlanych w zakresie ewakuacji oznacza to, że w praktycznie każdym lokalu handlowym możliwy jest swobodny rozwój pożaru, do wielkości zagrażającej życiu i zdrowiu.

Skoro zmniejszenie wymiarów otworu prowadzi do mniejszego strumienia dymu, czy zasadnym nie jest minimalizowanie ich wymiarów?

Niestety, w ocenie Autora takie działanie jest bardzo niebezpieczne i nie powinno być praktykowane. Chociaż istotnie, ilość dymu wypływająca z pomieszczenia o zmniejszonym wyjściu jest mniejsza, dym ten pozostaje w pomieszczeniu i potęguje zagrożenie dla użytkowników i ratowników! Dokładny opis zagrożeń powstałych w wyniku nadmiernego zmniejszenia otworu wejściowego do lokalu Autor opisał w pracy [14]. Temat ten zostanie rozwinięty również w drugiej części publikacji.

Jak do wyników obliczeń ma się działanie instalacji tryskaczowej?

Oddziaływanie rozproszonego strumienia wody na warstwę dymu wciąż pozostaje jednym z nierozwiązanych problemów Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego. Wiemy, że tryskacze mają działanie lokalne – tj. powodują opadanie dymu w ich sąsiedztwie, przy czym dym wciąż ma wyższą temperaturę niż otaczające powietrze i wciąż tworzy górną warstwę dymu. W praktyce projektowej uwzględnienie działania tryskaczy odbywa się poprzez ograniczenie mocy pożaru (zazwyczaj 2,50÷3,25 MW lub 5,00÷6,50 MW w zależności od typu tryskacza). Przyjęcie tak wysokich mocy pożaru, nawet w obiekcie chronionym urządzeniem gaśniczym, można uznać za uzasadnione i konserwatywne. Alternatywny sposób wyznaczania mocy pożaru w obiekcie chronionym instalacją tryskaczową przedstawiono w niemieckiej normie [15].

Podsumowanie

Mnogość dostępnych modeli obliczeniowych służących określeniu masy dymu wypływającej z pomieszczenia handlowego objętego pożarem nie ułatwia pracy projektantom systemów wentylacji pożarowej. Każdy z modeli wywodzi się z eksperymentów pożarowych prowadzonych w przeszłości, każdy ma swój optymalny zakres zastosowania, a wyniki uzyskane różnymi metodami różnią się zasadniczo. W ocenie Autora, dla typowych przypadków zasadnym jest użycie metodologii opisanej w normie CEN/TR 12101-5 [12] lub wartości pochodzących bezpośrednio z analiz numerycznych, podanych w tej pracy w formie tabelarycznej. Praktyczne wykorzystanie wyników przedstawionych badań, w projektowaniu bezpiecznych systemów wentylacji pożarowej, jest nierozerwalnie powiązane ze zjawiskami zachodzącymi w trakcie przepływu dymu pod przegrodami poziomymi (balkonami, antresolami) i zostanie opisane w kolejnej części cyklu.

dr inż. Wojciech WĘGRZYŃSKI
− Zakład Badań Ogniowych,
Instytut Techniki Budowlanej

LITERATURA:

[1] Ministerstwo Infrastruktury, Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Z późniejszymi zmianami. DzU 2002 Nr 75 Poz. 690. (2002).

[2] S. YOKOI: Study on the prevention of fi re-spread caused by hot upward current, in: Rep. Build. Res. Inst. No. 34, 1960.

[3] K. STECKLER: Flow Induced by Fire in a Compartment. Report NBSIR 82-2520, U.S Dep. Commer. 19 (1982) 913–920. doi:10.1016/S0082-0784(82)80267-1.

[4] P. H. THOMAS: On The Upward Movement of Smoke and Related Shopping Mall Problems, Fire Saf. J. 12 (1987) 191–203.

[5] H. P. MORGAN: The horizontal fl ow of buoyant gases toward an opening, Fire Saf. J. 11 (1986) 193–200. doi:10.1016/0379-7112(86)90062-7.

[6] H. P. MORGAN, G. O. HANSELL: Atrium buildings: Calculating smoke fl ows in atria for smokecontrol, Fire Saf. J. 12 (1987) 9–35. doi:10.1016/0379-7112(87)90013-0.

[7] P. H. THOMAS, H. P. MORGAN, N. MARSHALL: The spill plume in smoke control design, Fire Saf. J. 30 (1998) 21–46. doi:10.1016/S0379-7112(97)00037-4.

[8] H. P. MORGAN, B. K. GHOSH, G. GARRAD, R. PAMLITSCHKA, J.-C. De SMEDT, L. R. SCHOORBAERT: Design methodologies for smoke and heat exhaust ventilation, BRE, Watford, UK, 1999.

[9] J.-P. VÉRITER: Comparison of existing empirical methods to quantify the air entrainment in smoke spill plumes − Proposal for a simplied method for sizing smoke ventilation systems in atria. University of Ghent, 2012.

[10] BSI, BS 7974 Part 4: Components for smoke and heat control systems. Functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, employing steady-state design fi res. Code of practice, (2003).

[11] R. HARRISON: Entrainment of Air into Thermal Spill Plumes, University of Canterbury, 2009.

[12] CEN, CEN/TR 12101-5:2005: Smoke and heat control systems. Guidelines on functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, 2005.

[13] W. WĘGRZYŃSKI: Wpływ układu przegród w budynku na przepływ dymu w warunkach pożaru. Instytut Techniki Budowlanej. Warszawa, 2017.

[14] W. WĘGRZYŃSKI: Wpływ przegród budowlanych na przepływ dymu w wielkokubaturowym obiekcie budowlanym. Ochr. Przeciwpożarowa. (2017).

[15] VDI, VDI 6019 Blatt 1 Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit, (2006).