Na przestrzeni ostatnich lat obserwowany jest stały wzrost dostępności narzędzi komputerowej mechaniki płynów (CFD) co w połączeniu ze stale rosnącymi możliwościami sprzętowymi pozwala na coraz dokładniejsze modelowanie procesów wymiany ciepła i przepływów powietrza w budynkach. Stopniowa popularyzacja tego typu analizy obserwowana jest również w odniesieniu do systemów wentylacji pożarowej. Najszersze zastosowanie analiza numeryczna znajduje w dalszym ciągu w odniesieniu do instalacji wentylacji oddymiającej, jednak dzięki zastosowaniu nowoczesnych narzędzi i odpowiednich modeli numerycznych można z powodzeniem modelować wybrane procesy na poziomie pojedynczych urządzeń jak i całych instalacji w tym również systemów różnicowania ciśnienia. W niniejszym artykule przedstawiono porównanie skuteczności działania dwóch instalacji nadciśnieniowego zabezpieczenia przed zadymieniem pionowych dróg ewakuacyjnych. Porównania dokonano na podstawie analizy numerycznej (CFD) procesów cieplno-przepływowych towarzyszących eksploatacji ww. instalacji z wymienieniem kluczowych etapów procedury tworzenia modelu numerycznego i problemów z tym związanych.

Zagadnienia związane z modelowaniem komputerowym procesów towarzyszących eksploatacji systemów wentylacji pożarowej zyskują coraz większe znaczenie. Ma to związek z rozwojem narzędzi w postaci oprogramowania oraz stale rosnących możliwości sprzętowych. Obecnie możliwe jest odwzorowanie zjawisk fizycznych i procesów cieplno-przepływowych zachodzących w rzeczywistości. Poziom dokładności gwarantuje poprawność przeprowadzonej analizy w kontekście obserwowanych trendów, jak również wartości konkretnych wielkości fizycznych, takich jak ciśnienie czy temperatura. Obecnie analiza numeryczna stanowi często integralną część dokumentacji projektowej stanowiąc niejednokrotnie jedyną realną możliwość weryfikacji skuteczności proponowanych rozwiązań. Dodatkowo, istotnym problemem jest brak, chociażby ogólnych, wytycznych i wymagań dotyczących prowadzenia symulacji komputerowych, co w konsekwencji często uniemożliwia porównanie poszczególnych modeli oraz powoduje istotne trudności w ocenie uzyskiwanych wyników. W odniesieniu do osób zamawiających wykonanie obliczeń konieczna jest świadomość, że nawet najlepiej wykonane symulacje komputerowe są jedynie pewnym przybliżeniem procesów rzeczywistych. Jako metody numeryczne są z zasady obarczone błędem, którego wielkość może przyjmować wartości z bardzo szerokiego zakresu. Powodem może być chociażby złe uwarunkowanie modelu. Dlatego właśnie tak ważne jest, aby osoba prowadząca obliczenia oraz dokonująca interpretacji uzyskanych wyników dysponowała odpowiednią wiedzą oraz doświadczeniem. Dodatkowo, powinna mieć pełną świadomością w zakresie prowadzonych prac. Z punktu widzenia oceny przeprowadzonych symulacji, często konieczna okazuje się dodatkowa walidacja modelu numerycznego w oparciu o wyniki obliczeń analitycznych oraz wyników pomiarów rzeczywistych.

Rys. 1. Rozkład ciśnienia w przestrzeni klatki schodowej bez napowietrzania wynikający jedynie z różnicy temperatur powietrza wewnętrznego i zewnętrznego dla obliczeniowych warunków zimowych text = -20°C, tint = 20°C

W chwili obecnej obliczenia numeryczne, potocznie zwane symulacjami CFD, są traktowane hasłowo i w wielu sytuacjach stanowią synonim modelowania pracy instalacji wentylacji oddymiającej, szczególnie w odniesieniu do garaży podziemnych. Należy pamiętać, że jest to jedynie jedna z wielu praktycznych aplikacji narzędzi tego rodzaju. Na rynku dostępna jest cała gama oprogramowania wykorzystująca metody numeryczne do rozwiązywania równań mechaniki płynów i wymiany ciepła, przy zastosowaniu różnych algorytmów obliczeniowych.

Przykładem takiego oprogramowania jest pakiet Ansys® Fluent® 12 umożliwiający kompleksową analizę zagadnień związanych z działaniem instalacji wentylacji pożarowej, również w odniesieniu do systemów różnicowania ciśnienia.

W niniejszym artykule opisane zostały wyniki obliczeń przeprowadzonych, właśnie z wykorzystaniem oprogramowania Ansys® Fluent®, dla dwóch modeli numerycznych tej samej klatki schodowej wyposażonej w niezależne instalacje napowietrzania o różnym sposobie organizacji przepływu powietrza. Przestrzeń chroniona będąca pionową drogą ewakuacji stanowi zewnętrzna, żelbetowa klatka schodowa budynku biurowego o całkowitej wysokości wynoszącej 90 m (23 kondygnacje). Obudowa klatki schodowej została doszczelniona, tak aby łączna nieszczelność klatki schodowej w funkcji panującego w niej nadciśnienia odpowiadała wartościom normatywnym przedstawionym w normie PN-EN 12101-6. Na potrzeby gromadzenia i opracowania danych wejściowych do modelu numerycznego oraz jego walidacji prowadzone były ciągłe pomiary temperatury powietrza zewnętrznego, rozkładu temperatury i ciśnienia statycznego wewnątrz klatki schodowej oraz temperatur powierzchni ścian i schodów, będących wymiennikami o znacznej pojemności cieplnej. Dodatkowo, podczas prowadzenia prób oraz testów, całość danych była rejestrowana w sposób ciągły, pozwalając na pełen monitoring interesujących z punktu widzenia modelowania CFD wielkości oraz ustalenie korelacji pomiędzy poszczególnymi parametrami.

System z nawiewem wielopunktowym

Pierwszym z analizowanych systemów był klasyczny nawiew wielopunktowy realizowany przy pomocy instalacji ze zbiorczym szachtem napowietrzającym zlokalizowanym w szybie windowym oraz wlotami powietrza na co drugiej kondygnacji. Powietrze podawane było do klatki dzięki zastosowaniu dwóch wentylatorów napowietrzających zlokalizowanych na skrajnych kondygnacjach (K0 i K23). Średnica otworów nawiewu powietrza do przestrzeni klatki schodowej wynosiła 250 mm.

Układ przepływowy z ukierunkowanym i kontrolowanym przepływem (SWAY®)*

Drugim systemem był układ przepływowy ze specjalną organizacją przepływu powietrza polegającą na wytworzeniu ukierunkowanego i kontrolowanego przepływu powietrza w przestrzeni klatki schodowej dzięki zastosowaniu wentylatorów rewersyjnych zlokalizowanych, podobnie jak w przypadku rozwiązania bazowego, na skrajnych kondygnacjach (K0 i K23). Otwory nawiewno-wywiewne wykonano w sąsiedztwie wentylatorów w obudowie klatki schodowej w postaci wylotów z kanałów napowietrzających o średnicy 560 mm. Instalacja o takiej konstrukcji nie wymaga prowadzenia szachtu napowietrzającego wzdłuż całej klatki schodowej, co jest szczególnie ważne w kontekście dostosowania budynków istniejących do obowiązujących przepisów, kiedy powszechnym problemem jest brak miejsca na prowadzenie przewodu o znacznych wymiarach geometrycznych. Dzięki zastosowaniu elementów automatyki układ może dynamicznie kompensować niekorzystny wpływ czynników zewnętrznych, takich jak gwałtowne zmiany temperatury powietrza lub kierunku i prędkości wiatru, pozwalając na stabilizację nadciśnienia w przestrzeni klatki schodowej niezależnie od aktualnych parametrów otoczenia.

Założenia do analizy (…)

Wnioski (…)

Podsumowanie

Obecnie na rynku polskim działa wiele firm specjalizujących się w prowadzeniu symulacji komputerowych i wykorzystujących całe spektrum narzędzi, które dość znacznie różnią się między sobą i powinny być stosowane stosownie do ich przeznaczenia, z pełną świadomością ograniczeń i zakładanych uproszczeń. Prowadzone są również prace zmierzające do wprowadzenia precyzyjnych wymagań dotyczących prowadzenia obliczeń, sporządzania raportów oraz archiwizacji plików wsadowych. Jak wskazuje praktyka dotycząca innych dziedzin obliczeń inżynierskich działania takie są nieodzowne, jednak trudno przypuszczać, że staną się automatycznie rozwiązaniem występujących obecnie problemów.

Dla uporządkowania sytuacji i wypracowania pewnych standardów postępowania konieczna jest współpraca całego środowiska ludzi związanych z szeroko rozumianą wentylacją pożarową. Zasadne wydaje się uzupełnienie modelowania komputerowego o kompleksowe próby odbiorowe będące w istocie najlepszą metodą oceny poprawności działania proponowanych rozwiązań. Ponadto nie można zapominać, że wymienione działania przyniosą pożądane efekty jedynie w połączeniu z systematycznie rosnącymi kwalifikacjami osób wykonujących obliczenia CFD oraz wzrastającą świadomością oczekiwań i potencjalnych zagrożeń ze strony osób zlecających analizę numeryczną, czego Państwu i sobie serdecznie życzę.

* Prezentowany układ przepływowy jest chroniony prawem patentowym i stanowi własność intelektualną Firmy Smay Sp. z o.o.