Wentylacja strumieniowa garaży – wydajności wyciągu i klasy temperaturowe wentylatorów

Wytyczne mogą być stosowane tylko w przypadku garaży zamkniętych w nowo projektowanych lub modernizowanych budynkach, zaprojek­towanych w całości w oparciu o wymagania zawarte w tym dokumencie. Dotyczą garaży przeznaczonych do parkowania samochodów osobowych i małych pojazdów dostawczych, nieposiadających bezpośredniego wjazdu lub wyjazdu z budynku i o powierzchni przekraczającej 1500 m².

Wskazówki te nie są przeznaczone do projektowania garaży otwartych. W garażach zamkniętych powiązanych funkcjonalnie z budynkami, w których mogą przebywać osoby niezaznajomione z dostępnymi drogami ewakuacyjnymi, zaleca się stosowanie systemu wentylacji kanałowej (SWK) przy jednoczesnym uwzględnieniu zalecenia, że garaże o wysokości poniżej 3,8 m niewyposażone w instalację gaśniczą wodną i garaże o wysokości poniżej 2,8 m wyposażone w instalację gaśniczą wodną powinny być zabezpieczone systemem wentylacji strumieniowej (SWS). Wymóg ten nie wyklucza projektowania SWS w garażach wyższych. Zakres stosowania wynika m.in. z analiz norm zagranicznych (NBN S 21-208-2:2014, NEN 6098:2012, BS 7346-7:2013), które wskazują, że jednym z ważniejszych celów projektowych SWS jest zapewnienie bezpieczeństwa ekipom ratowniczo-gaśniczym.

Taki system wentylacji mechanicznej garażu za­mkniętego powinien spełniać dwa nadrzędne cele projektowe: usuwanie nadmiaru spalin samochodowych podczas normalnego użyt­kowania garażu oraz usuwanie dymu i ciepła w razie wystąpienia pożaru. Wentylację bytową nawiewno-wywiewną realizuje system wentylacji strumieniowej, kierując powietrze ze spalinami z przestrzeni garażu do punktów wyciągowych, skąd jest ono usuwane na zewnątrz budynku przez szachty lub kanały. Napływ kompensacyjny świeżego powietrza zapewniają punkty czer­pania. Wydajność w tej funkcji sterowana jest za pomocą czujników CO i/lub VOC.

Wentylację pożarową oddymiającą, czy­li ochronę przed zadymieniem i wzrostem temperatury w przejściach ewakuacyjnych w czasie potrzebnym do bezpiecznej ewakuacji ludzi, oraz wspomaganie działania ekip ratow­niczo-gaśniczych i zabezpieczenie konstrukcji budynku także realizuje system wentylacji strumieniowej sterowany za pomocą systemu sygnalizacji pożarowej.

Wytyczne zawierają zalecenia dotyczące optymalnego szacowania wydajności wyciągu SWS. Pozwala to uniknąć przyjmowania wydajności większych od wskazywanych dla systemów oczyszczania z dy­mu (smoke clearance) i mniejszych niż zalecane dla systemów kontroli dymu (smoke control).

Wentylatory strumieniowe

Głównym zadaniem wentylatorów strumieniowych jest ukierunkowanie przepływu powietrza do punktów wyciągowych SWS. Wentylatory strumieniowe wytwarzają w danej części garażu większe podciśnienie, co może spowodować odpowiednie ukierunkowanie powietrza kompensacyjnego. Urządzenia te mogą też spowodować lokalne zwiększenie prędkości przepływu powietrza, ale ich głównym zadaniem, decydującym o skuteczności systemu, jest usuwanie zadymienia oraz kompensowanie powietrza.

W wentylatorach strumieniowych zaleca się stosowanie deflektorów nawiewanego powietrza w celu uniknięcia efektu Coandy i rozmieszczanie ich w garażu tak, aby zapobiec powstaniu tzw. martwych stref. Parametrem weryfikującym „martwe strefy” może być prędkość powietrza większa lub równa 0,2 m/s na wysokości 1,2 m nad poziomem posadzki.

Zaleca się montaż wentylatorów strumieniowych w taki sposób, aby spód wentylatora znajdował się na wysokości 2,0–2,5 m nad poziomem posadzki, przy uwzględnieniu lokalnych uwarunkowań architektonicznych i instalacyjnych. Umieszczanie wentylatorów strumieniowych możliwie najniżej pozwala efektywniej wykorzystać strumień nawiewanego powietrza. Umożliwia to również uniknięcie kolizji z innymi instalacjami, które mogą mieć wpływ na profil nawiewanego strumienia powietrza. Mogą wystąpić przypadki projektowe, w których zasadne jest ulokowanie wentylatora strumieniowego wyżej, dlatego wymóg ten jest ogólnym zaleceniem dla większości garaży. Zaleca się, aby łączna wydajność uruchomionych wentylatorów strumieniowych nie była większa niż projektowana wydajność wyciągu pożarowego – w przeciwnym przypadku należy dokonać sprawdzenia działania SWS przy użyciu prób z gorącym dymem.

Wentylatory strumieniowe należy mocować do stropu za pomocą atestowanych kotew z certyfikatem o odporności ogniowej i/lub prętów stalowych gwintowanych. W przypadku znacznej różnicy poziomów stropu i wentylatora strumieniowego należy rozważyć zastosowanie odpowiedniej konstrukcji zapewniającej stabilną pracę wentylatorów strumieniowych.

Wydajność układu wyciągowego

Wydajność wyciągu SWS musi zostać do­brana w sposób zapewniający ograniczenie zadymienia do strefy dymowej, w której wystąpił pożar, i powinna uwzględniać kry­terium obniżenia temperatury. W przypadku braku stałego urządzenia gaśniczego mini­malna wydajność wyciągu SWS powinna być większa lub równa 120 000 m³/h (przy jednoczesnym uwzględnieniu wymogu doboru zapewniającego ograniczenie zadymienia do strefy dymowej, w której wystąpił pożar). Prędkość powietrza na kratach wyciągowych nie powinna przekraczać 8 m/s, dopuszcza się jednak 12 m/s.

Aby uniemożliwić powstawanie zbyt wyso­kich temperatur, autorzy zalecają nie mniejszą wydajność wyciągu niż 120 000 m³/h, co skutecznie uniemożliwi powstanie tempe­ratury wyższej od 400°C, oddziałującej na wentylatory wyciągowe w razie pożaru pro­jektowego o mocy 8 MW. Ograniczenie temperatury gazów pożarowych zabezpieczy również przed powstaniem zjawiska rozgorzenia, które mo­głoby być szczególnie niebezpieczne dla ekip ratowniczo-gaśniczych. Metoda szacowania wydajności przedsta­wiona została w Załączniku nr 1 do wytycznych.

Określanie wydajności wyciągu pożarowego – Załącznik nr 1

Wyciąg pożarowy zgodnie z założonymi celami projektowymi powinien:

• wspomóc proces ewakuacji ludzi z garażu,
• zapewnić dostęp ekip ratowniczo-gaśniczych poprzez obniżenie temperatury poniżej 120°C w odległości większej niż 15 m od miejsca pożaru,
• utrzymać zadymienie w strefie dymowej, w której wystąpił pożar,
• chronić konstrukcję budynku poprzez obniżanie temperatury wewnątrz garażu.

Zgodnie z założeniami głównym czynnikiem determinującym wydajność wyciągu wentylacji strumieniowej jest przepływ powietrza pozwalający utrzymać zadymienie w jednej strefie dymowej przez cały czas trwania pożaru. W pewnych przypadkach projektowych wydajność wyciągu może być determinowana potrzebą zapewnienia odpowiedniego obniżenia temperatury dymu ze względu na bezpieczny dostęp ekip ratowniczo-gaśniczych, np. gdy granicę strefy dymowej stanowi jeden przejazd o relatywnie małej powierzchni przekroju.

Aby utrzymać zadymienie w strefie dymowej, w której wystąpił pożar, należy zapewnić odpowiednią masę powietrza zależnego od powierzchni przekroju granicy stref dymowych oraz żądanej prędkości przepływu powietrza przez ten otwór. Wraz ze wzrostem powierzchni lub prędkości przepływu wzrasta wydajność układu.

Warto zwrócić uwagę, że masa usuwanego powietrza w temperaturze otoczenia różni się od masy usuwanego dymu w warunkach pożarowych. Wynika to ze zmiany (zmniejszenia) gęstości powietrza ogrzanego. W związku z tym wraz ze wzrostem temperatury gazów pożarowych zmniejsza się prędkość na granicy stref dymowych. Dlatego podczas szacowania wydajności układu istotne jest uwzględnienie zmiany temperatury powietrza usuwanego po osiągnięciu przez pożar maksymalnej projektowanej mocy.

W większości przypadków prędkość przepływu równa 1 m/s na granicy stref dymowych jest wartością zadowalającą, aby utrzymać zadymienie w obrębie jednej strefy. W przypadku nietypowych rozwiązań architektonicznych prędkość spełniająca kryterium utrzymania zadymienia w jednej strefie dymowej może wzrosnąć. Na potrzeby wstępnego szacowania tego parametru przedstawiona poniżej metoda powinna być wystarczająca. Zaleca się jednak, aby każdy przypadek projektowy został zweryfikowany przy użyciu symulacji komputerowych.

Obliczanie wymaganej wydajności układu wyciągowego

(Objaśnienia symboli zamieszczono na końcu artykułu)

1. Obliczanie objętościowego przepływu powietrza na granicy stref dymowych w temperaturze otoczenia:

2. Obliczanie masowego przepływu powietrza na granicy stref dymowych:

3 Obliczanie mocy konwekcyjnej pożaru:

4. Obliczanie przewidywanej temperatury gazów pożarowych po wymieszaniu z zimnym powietrzem:

5. Obliczanie minimalnej wydajności wyciągu pożarowego:

6. Obliczanie prędkości na granicy stref dymowych w temperaturze otoczenia:

Przykład: W garażu zamkniętym projektuje się dwie strefy dymowe. Granica stref dymowych została ograniczona przegrodami dymowymi pomiędzy miejscami postojowymi oraz kurtynami dymowymi nad przejazdami. Powierzchnię otworów na granicy stref dymowych stanowią dwa przejazdy o wymiarach 6,0×2,2 m.

1. Obliczanie objętościowego przepływu powietrza na granicy stref dymowych w temperatura otoczenia (20°C) dla dwóch przejazdów:

2. Obliczanie masowego przepływu powietrza na granicy stref dymowych:

3. Obliczanie mocy konwekcyjnej pożaru dla pożaru projektowego dwóch samochodów:

4. Obliczanie przewidywanej temperatury gazów pożarowych po wymieszaniu z zimnym powietrzem:

5. Obliczanie minimalnej wydajności wyciągu pożarowego:

6. Obliczanie prędkości na granicy stref dymowych w temperaturze otoczenia:

Na rys. 1 przedstawiono wykres zależności wydajności wyciągu pożarowego od powierzchni otworów na granicy stref dymowych.

Klasa temperaturowa wentylatorów oddymiających

Klasa temperaturowa wentylatorów oddymiających powiązana jest ściśle z warunkami pożarowymi panującymi wewnątrz zabezpieczanej strefy budynku. Poprawnie zaprojektowany SWS powinien utrzymać odpowiednie warunki pożarowe wewnątrz garażu: wystąpienie temperatury wyższej niż 400°C na wlocie wentylatora oddymiającego oznaczać będzie, że w chronionej przestrzeni doszło do niekontrolowanego rozwoju pożaru, np. powstania zjawiska rozgorzenia. W związku z tym w większości przypadków stosowanie wentylatorów w klasie temperaturowej wyższej niż F400 nie ma uzasadnienia, ponieważ powstanie wyższych temperatur oznacza niepoprawne zaprojektowanie SWS lub jego działanie. Należy również zwrócić uwagę, że w wielu zagranicznych standardach [5, 6, 7] zalecaną klasą temperaturową wentylatorów wyciągowych jest F300.

1. Klasa temperaturowa wentylatorów głównych wyciągowych znajdujących się na dachu budynku może zostać oszacowana na podstawie:

„ obliczeń empirycznych zgodnie z Załącznikiem nr 2,

„ symulacji komputerowych.

2. Zaleca się, aby klasa temperaturowa wentylatorów głównych wyciągowych znajdujących się w pomieszczeniu wentylatorni na poziomie garażu lub poziomie terenu została oszacowana w oparciu o wyniki symulacji komputerowych.

Komentarz: W przypadku lokalizacji wentylatorów wyciągowych w garażu lub na poziomie terenu istnieje ryzyko bezpośredniego oddziaływania płomieni na te wentylatory (np. pożar samochodu zlokalizowanego przy pomieszczeniu wentylatorni lub bezpośrednio pod wentylatorem wyciągowym). Dlatego zasadne wydaje się zastosowanie symulacji komputerowych pozwalających na jednostkowe podejście do każdego przypadku. Przedstawione w Załączniku nr 2 obliczenia empiryczne mają zastosowanie w momencie całkowitego wymieszania się dwóch mas powietrza – ogrzanego przez pożar oraz zimnego kompensowanego przez otwory nawiewne. Istotne jest również uwzględnienie promieniowania, które może bezpośrednio oddziaływać na wentylator.

3. W przypadku lokalizowania wentylatorów bezpośrednio na stropie garażu (pionowo) zaleca się wykonanie obudowy (komory) od posadzki garażu z otworami w bocznych ścianach, tak aby zminimalizować wpływ bezpośredniego oddziaływania płomieni palącego się samochodu. W razie braku takiej możliwości otwory wyciągowe powinny być lokalizowane w przejazdach garażu.

4. Podczas określania klasy temperaturowej należy uwzględnić wyposażenie garażu w instalację wodną gaśniczą.

5. Zaleca się zastosowanie wentylatorów strumieniowych w klasie F40.120 lub w klasie F30.60 w przypadku wykorzystania w garażu instalacji wodnej gaśniczej.

6. Przyjmuje się, że wentylatory strumieniowe umieszczone w obszarze rozprzestrzeniania dymu w odległości 10 m od źródła ognia mogą zostać uszkodzone z powodu oddziaływania wysokiej temperatury strumienia podsufitowego.

Komentarz: Jeżeli z symulacji komputerowej wynika, że temperatura w miejscu otworu zasysającego wentylatorów strumieniowych nie przekracza wybranej klasy temperaturowej wentylatorów strumieniowych według normy PN-EN 12101-3, w obliczeniach można przyjąć, że wentylatory te nie przerwą swojej pracy.

7. Dopuszcza się zastosowanie wentylatorów nawiewnych bez odporności ogniowej w przypadku, gdy wentylatory te nie przechodzą przez strefę objętą pożarem lub mają obudowy o odporności ogniowej EIS 120.

Komentarz: Średnia prędkość w wentylatorze osiowym może wynosić nawet 18 m/s, dlatego występuje minimalne ryzyko powstania wysokiej temperatury wewnątrz wentylatora na skutek propagacji temperatury i zadymienia wewnątrz układu nawiewnego. Bardziej prawdopodobne jest zassanie gorącego powietrza z zewnątrz przez czerpnię na skutek niekontrolowanego rozwoju pożaru. Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na lokalizację czerpni nawiewu mechanicznego względem innych czerpni grawitacyjnych lub wyrzutni pożarowej.

Określanie klasy temperaturowej wentylatorów wyciągowych – Załącznik nr 2

Poniżej zaprezentowano podejście, które zostało opisane w normie holenderskiej NEN 6098:2012: Smoke control systems for powered smoke exhaust ventilators in car parks, 2012 [6]. Klasa temperaturowa wentylatora uzależniona jest od temperatur, które mogą powstać w przestrzeni garażu. Temperatura gazów pożarowych zależy ściśle od mocy konwekcyjnej pożaru (skumulowanej w dymie) oraz ilości usuwanego dymu – wydajności SWS. Zależność tę opisuje następujący wzór:

Masa usuwanego powietrza i jego temperatura są ze sobą związane. Z uwagi na powyższe do ich jednoczesnego obliczenia należy wykorzystać iteracyjną metodę kolejnych przybliżeń, przyjmując w pierwszym kroku gęstość i temperaturę chłodnego powietrza. W każdym kolejnym kroku należy stopniowo korygować wyniki, aż do otrzymania dwóch kolejnych różniących się maksymalnie o 1%.

W pierwszym kroku jako temperaturę gazów pożarowych należy przyjąć temperaturę otoczenia.

Przykład: W garażu zamkniętym projektuje się wyciąg o łącznej wydajności 180 000 m³/h. Założono pożar dwóch samochodów o łącznej mocy 8 MW. Przyjmuje się, że promieniowanie stanowi 20% całkowitej mocy pożaru (przypadek niekorzystny), a temperatura otoczenia jest równa 20°C.

1. Obliczanie mocy konwekcyjnej pożaru:

2. Obliczanie masy usuwanego powietrza dla pierwszej iteracji, tj. przy założeniu, że temperatura gazów pożarowych jest równa temperaturze otoczenia:

3. Obliczanie kolejnych kroków, aż do uzyskania dwóch kolejnych wyników różniących się maksymalnie o 1%:

Podsumowanie

Wytyczne opracowane w ramach działalności Instytutu Inżynierii Bezpieczeństwa Szkoły Głównej Służby Pożarniczej znaleźć można pod adresem: https://www.sgsp.edu.pl/?page_id=24172 i tam też wnosić ewentualne uwagi do ich zawartości.

Literatura

1. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane (DzU 1994, nr 89, poz. 414, z późn. zm.)

2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z późn. zm.)

3. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU 2010, nr 109, poz. 719, z późn. zm.)

4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 czerwca 2011 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane metra i ich usytuowanie (DzU 2011, nr 144, poz. 859)

5. NBN S 21-208-2:2014: Fire protection in buildings – Design of smoke and heat exhaust ventilation systems for enclosed car park, 2014

6. NEN 6098:2012: Smoke control systems for powered smoke exhaust ventilators in car parks, 2012

7. BS 7346-7:2013: Components for smoke and heat control systems – Part 7: Code of practice on functional recommendations and calculation methods for smoke and heat control systems for covered car parks, 2013

8. Wytyczne projektowe dla wentylacji strumieniowej garaży zamkniętych, „Rynek Instalacyjny” 1–2/2022, rynekinstalacyjny.pl

9. Wentylacja strumieniowa garaży zamkniętych, „Rynek Instalacyjny” 3/2023, rynekinstalacyjny.pl