Wyniki i wnioski płynące z nabytych doświadczeń owocują powstawaniem nowych i udoskonalaniem już istniejących rozwiązań technicznych, nadając w wielu przypadkach całkiem inną jakość bezpieczeństwu ewakuacji.

Rys. 1. Zadania systemów zapobiegania zadymieniu pionowych dróg ewakuacji
(wspólne dla standardów PN EN1201-6, ITB378/2002)

Od wielu lat zajmuję się praktycznymi aspektami ochrony dróg ewakuacji w budynkach wysokich. W tym czasie byłem i wciąż jestem świadkiem oraz uczestnikiem wielu ciekawych badań, prób, symulacji i eksperymentów naukowych, które wskazywały mocne i słabe strony wielu powszechnie stosowanych systemów wentylacji pożarowej w budynkach wysokich. W prezentowanym artykule chciałbym przedstawić wyniki.

Warunki funkcjonowania systemu różnicowania ciśnienia
Spełnienie warunku zabezpieczenia przed zadymieniem pionowych dróg ewakuacji wymaga zastosowania tzw. układów różnicowania ciśnienia, czyli systemów napowietrzania pożarowego. Podczas działania tego typu układów należy po pierwsze zapewnić gradację ciśnienia od najwyższego na pionowych drogach ewakuacji (klatkach schodowych i w szybach dźwigów przeznaczonych do działań jednostek pożarniczych), do najniższego na poziomych drogach ewakuacji (korytarzach lub w obrębie kondygnacji). Zadanie drugie polega na ukierunkowaniu przepływu powietrza na kondygnacji objętej pożarem z przestrzeni chronionej nadciśnieniem (klatki schodowe i przedsionki pożarowe) do przestrzeni niechronionej nadciśnieniem (kondygnacja objęta pożarem). Przepływ powietrza odbywa się przez drzwi otwarte pomiędzy w/w przestrzeniami budynku z prędkością co najmniej 1 m/s (jeżeli przewiduje się skuteczność działania systemu wyłącznie dla prowadzenia ewakuacji) i min 2 m/s (jeżeli skuteczność systemu ma być zachowana podczas prowadzenia akcji gaśniczej). Oprócz wymienionych powyżej warunków układ nadciśnienia w trzonie klatki schodowej musi gwarantować zachowanie na wszystkich kondygnacjach warunku swobodnego dostępu do przestrzeni chronionej. Warunek ten definiuje siła potrzebna do otwarcia drzwi, której wartość ze względów psychologicznych nie może przekraczać 100 N. Dla realizacji opisanych zadań wykonywane są w budynkach wielokondygnacyjnych układy napowietrzania pożarowego potocznie nazywane systemami różnicowania ciśnienia. Systemy te można zaklasyfikować pod względem sposobu regulacji podstawowych parametrów nadciśnienia i przepływu jako pasywne i aktywne.

Rys. 2. Uproszczony schemat funkcjonowania układów pasywnych

Układy pasywne
Działanie układów pasywnych opiera się najczęściej na wykorzystaniu klap upustowych jako elementów stabilizacji ciśnienia na pionowych drogach ewakuacji. W tego typu systemach do przestrzeni klatki schodowej dostarczana jest stała ilość powietrza wentylacyjnego, którego ilość określona jest obliczeniowo przy uwzględnieniu szacunkowego poziomu nieszczelności oraz odpowiedniego scenariusza zamkniętych i otwartych drzwi ewakuacyjnych. Jeżeli wszystkie drzwi prowadzące na drogi ewakuacji pozostają zamknięte, nadmiar powietrza dostarczanego do przestrzeni klatki schodowej powoduje wzrost ciśnienia powyżej żądanej wartości i otwarcie wycechowanej klapy upustowej. Otwarcie drzwi na kondygnacji z działającą instalacją odbioru powietrza i dymu (jest to kondygnacja objęta pożarem) powoduje spadek nadciśnienia w klatce schodowej, skutkujący przymknięciem klapy upustowej i skierowaniem odpowiedniej ilości powietrza przez drzwi otwarte do przestrzeni nie chronionej nadciśnieniem. Jest to prosty i jednocześnie stosunkowo niezawodny system, dobrze sprawdzający się w budynkach klasyfikowanych jako średniowysokie i wysokie. Projektując jednak układy tego typu, należy uwzględnić możliwy niekorzystny wpływ warunków zewnętrznych na opisywany układ. Trzeba koniecznie zabezpieczyć klapę upustową przed bezpośrednim oddziaływaniem wiatru. Jak wykazały m.in. ostatnio przeprowadzone testy, w przypadku niewystarczającego zabezpieczenia klapy, silny wiatr (o prędkości przekraczającej 8 m/s) wiejący w kierunku prostopadłym do osi klapy upustowej może doprowadzić do jej zablokowania w pozycji otwartej, co praktycznie niweczy skuteczność działania systemu zapobiegania zadymieniu. Klapy upustowe są ponadto urządzeniami dość delikatnymi, wrażliwymi na uszkodzenia mechaniczne oraz podatnymi na zamarzanie.

Mówiąc o układach pasywnych (chociaż dotyczy to również systemów aktywnych), warto zwrócić uwagę na pewien aspekt projektowania wielkości urządzeń. W zdecydowanej większości przypadków (dla klatek schodowych o stopni szczelności wg EN PN12101-6 wysokim, średnim a nawet nieszczelnych), strumień powietrza nawiewu pożarowego trzonu klatki schodowej osiąga maksymalną wartość przy realizacji scenariusza ukierunkowanego przepływu w drzwiach otwartych. Wówczas dla spełnienia wymagań stabilizacji nadciśnienia w przestrzeni chronionej wystarczająca jest znacznie mniejsza wydajność instalacji. Zdarzają się jednak sytuacje, w których osiągniecie zakładanego poziomu nadciśnienia wymaga doprowadzenia do przestrzeni klatki schodowej większej ilości powietrza, niż wymaga tego warunek zapewnienia minimalnej prędkości przepływu w drzwiach otwartych. Są to np. klatki schodowe w budynkach wysokich z lat 70-tych i 80-tych XX w., często posiadające jedną przeszkloną elewację zewnętrzną a czasami również zabudowany w duszy schodów szacht windy. Z sytuacją taką zetknąłem się chociażby podczas projektowania stanowiska laboratorium wentylacji pożarowej na wydziale Inżynierii Środowiska. Poziom nieszczelności przegród zewnętrznych i wewnętrznych był w tym przypadku na tyle wysoki, że dla realizacji zadania wytworzenia nadciśnienia w warunkach drzwi zamkniętych konieczne stało się nawiewanie ponad 23 000 m³/h powietrza, podczas gdy realizacja zadania ukierunkowanego przepływu w drzwiach otwartych wymagała zaledwie 17 000 m³/h. Z tego oraz tego typu przypadków wypływają dwa dość istotne w moim przekonaniu wnioski. Po pierwsze: nie zawsze możliwe jest zastosowanie popularnej metody obliczeniowej zawartej w instrukcji ITB 378, która nie uwzględnia konieczności określenia strumienia powietrza wentylacyjnego koniecznego dla stabilizacji ciśnienia w warunkach kiedy wszystkie drzwi prowadzące na klatkę schodową pozostają zamknięte (zakłada się maksymalny przepływ przy scenariuszu drzwi otwartych). Po drugie: dla klatek schodowych o bardzo niskim poziomie szczelności, w opisanej powyżej sytuacji zastosowanie systemu różnicowania ciśnienia opartego na klapach upustowych nie będzie gwarantować skutecznego działania (dobrana wielkość wentylatora może nie gwarantować spełnienia warunku osiągnięcia bezpiecznego poziomu nadciśnienia).

Układy aktywne
Pod pojęciem aktywnych systemów różnicowania ciśnienia należy rozumieć system napowietrzania pożarowego, w którym funkcje regulacji przepływu powietrza, w ilości niezbędnej dla realizacji zadań scenariusza pożarowego pełnią automatycznie sterowane urządzenia: wentylatory nawiewne ze zmienną prędkością obrotową lub klapy sterowane czujnikami ciśnienia. Szczególną popularność zyskują ostatnio systemy, gdzie wydajność wentylatorów reguluje się w zależności od aktualnie realizowanego scenariusza napowietrzania (warunek stabilizacji ciśnienia lub przepływu w drzwiach otwartych) za pomocą przetwornicy częstotliwości (falownika). Układy tego typu od wielu lat funkcjonują w wentylacji pożarowej, w ostatnim jednak czasie pojawiają się bardzo ciekawe rozwiązania układów regulacji, dzięki którym można mówić o całkiem nowej jakości funkcjonowania systemów różnicowania ciśnienia. Mam tu na myśli układy sterowania predykcyjnego, dzięki którym aktywny system napowietrzania pożarowego posiada zdolność adaptacji do aktualnych, dynamicznie zmieniających się podczas pożaru warunków środowiska pracy. Tradycyjne powszechnie stosowane obecnie układy regulacji, oparte na prostych modelach PID są w stanie realizować założenia scenariusza pożarowego i dobrze sterować układem napowietrzania pożarowego w tzw. rzeczywistości projektowej. (...)

Rys. 3. Działanie tradycyjnego algorytmu regulacji przy zmiennych parametrach pracy

Nie bójmy się dobrej elektroniki przemysłowej
Przy zastosowaniu układów predykcyjnych sterowanie odbywa się za pomocą przetwornicy częstotliwości (falownika). W tym miejscu należy uczynić bardzo ważną dygresję odnośnie zastosowania urządzeń elektronicznych w ochronie przeciwpożarowej. Powszechne doświadczania z elektroniką codziennego użytku (najczęściej made in China) powodują powszechnie nieufne podejście do tego typu rozwiązań jako wysoce awaryjnych. Jak wynika z doświadczeń krajów wysokorozwiniętych całkowicie niesłusznie. Trzeba pamiętać, że w obszarze automatyki przemysłowej i militarnej obowiązują zupełnie inne standardy produkcji i nadzoru nad wyrobem. Jakość produktu końcowego potwierdza w tym przypadku bardzo rygorystyczna procedura certyfikacji wyrobu, a jego cechą musi być absolutnie 100% niezawodność.