Wentylacja pożarowa. Przebieg pożaru i przepływ dymu

Zagrożenia powodowane przez pożar

Pożar jest niekontrolowanym rozkładem termicznym materiałów palnych. Podczas procesu spalania powstają gorące gazy i dym. Spalaniu fazy gazowej towarzyszy płomień. Czynnikami zagrażającymi ludziom podczas pożaru są m.in.: dym, toksyczność produktów spalania, niedostatek tlenu, wysoka temperatura gazów, oddziaływanie płomieni. Temperatura jest wielkością charakteryzującą stan cieplny płynu, a ruch ciepła może odbywać się przez przewodzenie, konwekcję lub promieniowanie. W rzeczywistości na ogół jednocześnie zachodzą wszystkie trzy rodzaje wymiany ciepła, ale najczęściej jeden z nich odgrywa rolę dominującą.

Dym jest złożoną mieszaniną powietrza, gazowych produktów spalania oraz cząstek stałych i ciekłych. Jako górną granicę rozmiaru cząstek tworzących dym przyjmuje się zazwyczaj 10 µm. Działa on drażniąco, toksycznie, ogranicza widzialność i przyczynia się do spadku sprawności ruchowej oraz niedoboru tlenu. Zdolność materiałów do wydzielania dymu w czasie spalania jest bardzo różna i nazywa się ją w technice dymotwórczością. W obliczeniach mających na celu oszacowanie prawdopodobnej ilości wydzielającego się dymu podczas pożaru korzysta się z opracowanych dla różnych materiałów wskaźników dymotwórczości.

Klasyfikacja materiałów budowlanych wg zdolności do wytwarzania dymu podczas procesu spalania wg [5] jest następująca:

• s1 – materiały spalają się prawie bez dymu,
• s2 – materiały, spalając się, wydzielają średnie ilości dymu o średniej gęstości,
• s3 – materiały, spalając się, emitują bardzo dużo gęstego dymu.

Prędkość naturalnego przepływu dymu w klatce schodowej może osiągnąć wartość ok. 5 m/s [2], co może całkowicie uniemożliwić ewakuację ludzi. Na ogół bezpośrednią przyczyną śmierci podczas pożaru nie jest ogień, lecz właśnie produkty spalania. W literaturze tematu szacuje się, że 65–80% wypadków śmiertelnych podczas pożarów spowodowanych jest toksycznością produktów spalania, a za ok. 20% odpowiada oddziaływanie termiczne pożaru. Do oceny zagrożenia toksycznego dymu przyjmuje się wskaźniki toksykometryczne produktów spalania.

Powstawaniu tych związków sprzyja proces niecałkowitego spalania, spowodowany przez niedobór tlenu w środowisku pożaru. Dominującymi produktami toksycznymi występującymi podczas pożaru, powstającymi podczas niecałkowitego spalania, są na ogół: chlorowodór HCl, dwutlenek azotu NO₂, tlenek węgla CO, cyjanowodór HCN, dwutlenek węgla CO₂. Substancje szkodliwe powstałe podczas spalania mogą przedostawać się do organizmu ludzkiego drogą oddechową, ale również poprzez absorpcję przez skórę i przenikanie do układu pokarmowego.

Za śmiertelne stężenia przy 30-minutowej ekspozycji uważa się [3]:

• CO – 3,75 g/m³. Tlenek węgla jest substancją bardzo niebezpieczną, silnie trującą, powstającą w wyniku niecałkowitego spalania węgla. Łączy się z hemoglobiną, tworząc karboksyhemoglobinę i powodując niedobór tlenu w organizmie. Stężenie CO na poziomie 6000–8000 ppm w powietrzu już po ok. pięciu minutach powoduje znaczące zmiany w organizmie człowieka, w wyniku czego traci on zdolność do sprawnego działania. Stężenie ok. 12 000–16 000 ppm powoduje śmierć po pięciu minutach. Szacuje się, że zawartość tlenku węgla w gazach pożarowych wynosi 0,1–0,5% objętości [4].
• HCN – 16 g/m³. Nazwa zwyczajowa to kwas pruski. Cyjanowodór działa podobnie do tlenku węgla, ale już przy niższych stężeniach. Paraliżuje system oddechowy już w pierwszym momencie kontaktu, powodując zaburzenia oddychania tkankowego. Stężenie 120–200 ppm po około pięciu minutach powoduje utratę zdolności do działania, natomiast 250–400 ppm jest przyczyną śmierci [2]. Cyjanowodór powstaje np. podczas spalania poliuretanów i ma zapach gorzkich migdałów, który zanika w stężeniach zabójczych dla człowieka. Związek ten wchłania się do organizmu przez drogi oddechowe oraz przez skórę. Intensywne jego wydzielanie występuje zazwyczaj w początkowym okresie pożaru.
• CO₂ – 196,4 g/m³. Podczas pożaru w pomieszczeniach zamkniętych gaz ten może bardzo szybko osiągnąć niebezpieczne stężenia. Dwutlenek węgla, drażniący drogi oddechowe, wywołuje wzmożone oddychanie, co zwiększa ryzyko wchłaniania innych substancji niebezpiecznych. Dwutlenek węgla jest nieco cięższy od powietrza, nie ma zapachu i smaku. Jest gazem bezbarwnym, niepalnym i nie- podtrzymującym palenia, działa dusząco, lecz w niskich stężeniach nie wykazuje właściwości toksycznych, jednak w stężeniu wyższym niż 5000 ppm następuje jego wyraźne szkodliwe oddziaływanie na organizm. Szacuje się, że podczas pożaru stężenie dwutlenku węgla wynosi 0,1–2,5% objętości [4].

• NO₂ – 0,205 g/m³. Stężenie mniejsze niż 1,5 ppm na ogół nie wywołuje żadnych objawów. W zależności od czasu ekspozycji wyższe stężenia dwutlenku azotu powodują zaburzenia oddychania prowadzące do niedotlenienia organizmu, uszkodzeń płuc i zgonu.
• HCl – 1,0 mg/m³. Chlorowodór powstaje np. podczas spalania tworzyw sztucznych wykonanych z polichlorku winylu. Gaz ten charakteryzuje się ostrą, duszącą wonią.Działa drażniąco na spojówki oczu, błony śluzowe i układ oddechowy. Stężenie niebezpieczne wynosi 140 mg/m³.

Podczas pożaru może wydzielać się również wiele innych związków, takich jak np.: fosgen COCl₂ – będący silną trucizną o zapachu zgniłego siana, działającą drażniąco na układ oddechowy oraz powodującą obrzęk płuc i zmiany w krążeniu, tlenki siarki SO₂ i SO₃ – wywołujące skurcze i obrzęki krtani, fosfowodór – będący silną trucizną o zapachu czosnku, działającą drażniąco na błony śluzowe i powodującą uszkodzenie układu nerwowego, fenol C₆H₅OH, formaldehyd, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, dioksyny.

Przebieg pożaru oraz kierunek przepływu gazów spalinowych i dymu

Pożar w budynku w każdym przypadku przebiega zazwyczaj w podobny sposób. Można go zasadniczo podzielić na trzy etapy: okres wzrostu, pełnego rozwoju i zaniku. Po zajęciu materiału przez ogień powstające podczas spalania gazy unoszą się w kierunku sufitu, tworząc tzw. kolumnę konwekcyjną.

Gazy te następnie przechodzą w warstwę dymu. Jeżeli w pomieszczeniu znajduje się instalacja wyciągowa dymu, to jej zadaniem jest utrzymanie jego poziomej warstwy ponad strefą przebywania ludzi.

W wyniku emitowanego ciepła przez kolumnę konwekcyjną i podsufitową warstwę dymu z materiałów znajdujących się we wnętrzu pomieszczenia wydzielają się palne gazy – proces ten nazywany jest pirolizą. Uwolnione gazy palne po zmieszaniu z powietrzem ulegają zapaleniu.

W tej fazie pożaru, z uwagi na duży nadmiar powietrza potrzebnego do spalania, związki toksyczne, takie jak np. HCN i CO, ulegają spaleniu, a powietrze w pomieszczeniu charakteryzuje się w tym momencie jeszcze małą toksycznością. Jeżeli jednak wystąpił niedobór tlenu, produkty rozkładu termicznego okazują się w tej fazie bardzo toksyczne.

Po początkowej fazie pożaru następuje jego rozgorzenie, obejmujące całe pomieszczenie. Warunkiem rozgorzenia jest dostateczny dopływ powietrza zawierającego tlen, niezbędny w procesie spalania. Temperatura w tej fazie sięga ok. 500–600°C. Po rozgorzeniu następuje rozwinięta faza pożaru. W pomieszczeniu występuje wówczas zwykle nadciśnienie i niedobór tlenu, a toksyczne produkty rozkładu rozprzestrzeniają się na znacznym obszarze budynku.

W fazie pożaru rozwiniętego temperatura może nawet przekraczać 1000°C, a promieniowanie może wynosić 25 kW/m² (człowiek znosi promieniowanie o natężeniu 3,5 kW/m² przez ok. 60 sekund). Na marginesie należy zaznaczyć, że na ogół w pomieszczeniach wysokich, o dużej powierzchni, np. w kościołach, pożar nie obejmuje całej przestrzeni, gdyż dym i spaliny ulegają schłodzeniu, zanim dotrą do sufitu.

Bardzo niebezpieczne z punktu widzenia prowadzenia akcji ratowniczo-gaśniczej są pożary charakteryzujące się dużą zmiennością przebiegu procesu spalania. Zmiany parametrów, takich jak temperatura, toksyczność i gęstość dymu oraz szybkość rozprzestrzeniania się płomieni, mogą utrudnić lub niekiedy wręcz uniemożliwić prowadzenie skutecznej akcji ratowniczo-gaśniczej. Kierunek przepływu dymu wydobywającego się z budynku objętego pożarem zależy m.in. od prędkości i kierunku wiatru, czynników topograficznych, rodzaju zabudowy itd. Podczas wypływu dymu z budynku można wyróżnić trzy strefy, a mianowicie:

• strefę początkową o dość dużej energii wypływu w kierunku pionowym,
• strefę przejściową o mniejszej energii kinetycznej smugi, w której następuje zagięcie smugi dymu,
• strefę główną, w której dym ma tę samą temperaturę i prędkość co powietrze, lecz większe stężenie zanieczyszczeń.

W pomieszczeniach zamkniętych, w których nie ma dużych zaburzeń przepływu powietrza, dym ulega uwarstwieniu (rys. 1). Wysoka temperatura gazów spalinowych (dymu) powoduje ich unoszenie się. Jeżeli proces ten zachodzi swobodnie, bez zakłóceń, tworzy się specyficzny strumień konwekcyjny dymu (rys. 2).

Emitowane podczas spalania gazy pożarowe i dym mogą rozchodzić się po budynku, zwiększając tym samym ryzyko rozprzestrzeniania się pożaru na inne pomieszczenia. Kierunek przepływu dymu w budynku zależy od wielu czynników, m.in. od:

• różnicy ciśnień wywołanej efektem kominowym, który z kolei jest wywołany różnicą pomiędzy gęstością powietrza (dymu) w budynku i gęstością powietrza zewnętrznego (rys. 3). Różnica ciśnień wywołana efektem kominowym wg [6]:

gdzie:
Δp – różnica ciśnień [Pa],
T_z – temperatura zewnętrzna powietrza [K],
T_w – temperatura wewnętrzna powietrza [K],
h – odległość od płaszczyzny neutralnej [m].W rzeczywistych warunkach, gdy budynek nie jest objęty pożarem, może wystąpić efekt zmiany kierunku przepływu powietrza w budynku (rys. 4) – efekt kominowy normalny i odwrócony.

Kierunek przepływu powietrza zależy m.in. od wzajemnej relacji temperatury wewnętrznej i zewnętrznej (rys. 5), co można zauważyć, porównując zachowanie się wentylacji grawitacyjnej latem i zimą;

• temperatury pożaru (rys. 6). Podczas pożaru wzrasta różnica ciśnień pomiędzy strefą objętą pożarem a jej otoczeniem. Z uwagi na wysoką temperaturę i zmiany gęstości gazy spalinowe wykazują pływalność. Ze względu na wysoką temperaturę występuje siła unoszenia, spowodowana różnicą gęstości. Pomiędzy strefami ognia względem płaszczyzny neutralnej pożaru tworzy się różnica ciśnień. Różnicę ciśnień pomiędzy pomieszczeniem objętym pożarem a otoczeniem można wyrazić wzorem [6,1]:

gdzie:
Δp_f – różnica ciśnień [Pa],
T_o – temperatura otoczenia [K],
T_f – średnia temperatura w pomieszczeniu, w którym występuje pożar [K],
H – odległość od płaszczyzny neutralnej [m].

Powierzchnia obojętna jest powierzchnią izobaryczną pomiędzy pomieszczeniem objętym  pożarem a jego otoczeniem.

Oddalanie się dymu od źródła pożaru wpływa na spadek temperatury dymu w wyniku jego rozprężania się, a tym samym wraz z oddalaniem się od źródła zmniejsza się efekt unoszenia:

• gradientu prędkości wiatru i kierunku oddziaływania na budynek (rys. 7 i 8). Oddziaływanie wiatru może wspomagać usuwanie dymu z budynku lub może przyczyniać się do jego przenoszenia się do sąsiednich pomieszczeń. Wiatr może ułatwić przenoszenie się pożaru na kolejne kondygnacje, a nawet na budynki sąsiednie;
• zmian ciśnienia, wywołanych np. przez ruch wind, otwarcie okien i drzwi, wybuchy gazów lub pyłów;
• ukształtowania architektonicznego budynku. Biorąc pod uwagę, że kierunek przepływu gazów spalinowych i dymu zależy od różnicy ciśnień, dążyć należy do stworzenia takich warunków, które będą sprzyjały kontrolowanemu przepływowi powietrza i dymu podczas pożaru. Zaleca się, aby w obszarach objętych pożarem ciśnienie było niższe od panującego w jego bezpośrednim otoczeniu, co zapobiegnie przenikaniu dymu i gorących gazów do kolejnych stref. Na rys. 9 przedstawiono przykładowe koncepcje gradacji ciśnień.

W kolejnym artykule omówione zostanie bezpieczeństwo pożarowe

Literatura

1. Kampmeyer J.E., Smoke control. What, why and how, P.E., F.NSPE, ASHRAE, Triad Fire Protection Engineering, Springfield.
2. Mizieliński B., Systemy oddymiania budynków, WNT, Warszawa 1999.
3. Budownictwo ogólne, praca zbiorowa pod kierunkiem prof. dr. hab. inż. P. Klemma i dr hab. inż. M. Kisiorek, Arkady, Warszawa 2009.
4. Sawicki T., Tworzywa sztuczne a zagrożenie pożarowe, „Bezpieczeństwo Pracy” nr 7–8/2003.
5. Dyrektywa Rady Wspólnot Europejskich 89/106/EEC Bezpieczeństwo pożarowe.
6. ASHRAE Handbook – HVAC Applications (SI): Fire and smoke management, Chapter 52, 2007.
7. EST3: Smoke Management Application Manual, USA,2006.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!