Oddymianie klatek schodowych – wybrane wymagania prawne i wytyczne projektowe

Wymagania prawne

Warunki techniczne [1] w § 209 wyróżniają budynki oraz ich części stanowiące odrębne strefy pożarowe w rozumieniu § 226, z uwagi na przeznaczenie i sposób użytkowania, m.in.: ZL – czyli mieszkalne, zamieszkania zbiorowego i użyteczności publicznej charakteryzowane kategorią zagrożenia ludzi oraz PM – produkcyjne i magazynowe. Budynki oraz części budynków stanowiące odrębne strefy pożarowe określane jako ZL zalicza się do jednej lub więcej kategorii zagrożenia ludzi:

• ZL I – zawierające pomieszczenia przeznaczone do jednoczesnego przebywania ponad 50 osób niebędących ich stałymi użytkownikami, a nieprzeznaczone przede wszystkim do użytku osób o ograniczonej zdolności poruszania się;
• ZL II – przeznaczone przede wszystkim do użytku osób o ograniczonej zdolności poruszania się, takie jak: szpitale, żłobki, przedszkola, domy dla osób starszych;
• ZL III – użyteczności publicznej, niezakwalifikowane do ZL I i ZL II;
• ZL IV – mieszkalne;
• ZL V – zamieszkania zbiorowego, niezakwalifikowane do ZL I i ZL II.

W § 207.1 działu VI WT poświęconego bezpieczeństwu pożarowemu, w części zawierającej zasady ogólne, zawarto wymóg, aby budynek i urządzenia z nim związane były projektowane i wykonane w sposób ograniczający możliwość powstania pożaru, a w razie jego wystąpienia umożliwiający ewakuację ludzi lub ich uratowanie w inny sposób oraz uwzględniający bezpieczeństwo ekip ratowniczych.

Zobacz także: Wszystko co musisz wiedzieć o klapach dymowych >>

Ewakuację umożliwiają rozwiązania wyposażone w urządzenia zapobiegające zadymieniu, a „uratowania w inny sposób” – systemy służące do usuwania dymu. Każdy z nich uwzględnia bezpieczeństwo ekip ratowniczych. Warunki Techniczne stawiają wielu rodzajom budynków wysokich i wysokościowych wyższe wymagania niż budynkom mieszkalnym, tj. ZL IV.

Rozporządzenie [1] stanowi, że w budynkach wysokich (od powyżej 25 do 55 m nad poziomem terenu) i wysokościowych (od 55 m nad poziomem terenu) istnieje obowiązek stosowania w przypadku klatek schodowych i przedsionków pożarowych urządzeń zapobiegających zadymieniu (§ 246.2). Natomiast zgodnie z § 245 i § 246.3 klatki schodowe powinny być wyposażone w urządzenia zapobiegające zadymieniu lub służące do usuwania dymu, uruchamiane samoczynnie za pomocą systemu wykrywania dymu w następujących budynkach:

• niskich dla stref pożarowych ZL II;
• średniowysokich użyteczności publicznej dla stref: ZL I, ZL II i ZL III;
• średniowysokich zamieszkania zbiorowego dla kategorii zagrożenia ZL;
• wysokich dla stref PM (przemysłowych i magazynowych).

Ponadto w § 245 WT [1] wymagają, aby klatki schodowe w budynku niskim przeznaczone do ewakuacji ze stref pożarowych z kategorią zagrożenia ZL II oraz w budynkach średniowysokich przeznaczone do ewakuacji ze stref pożarowych z kategoriami ZL I, ZL II, ZL III lub ZL V były obudowane i zamykane drzwiami dymoszczelnymi oraz wyposażone w urządzenia zapobiegające zadymieniu lub służące do usuwania dymu, uruchamiane samoczynnie za pomocą systemu wykrywania dymu.

Każde z omawianych rozwiązań – oddymiania lub zapobiegania zadymieniu – ma indywidualne cechy techniczne i ekonomiczne oraz poziomy bezpieczeństwa, a decyzja o jego wyborze należy do inwestora i projektantów.

W przypadku zastosowania prostszego rozwiązania do oddymiania przyjmuje się, że nastąpi zadymienie klatki schodowej i użytkownicy budynku nie będą mieli skutecznej drogi ewakuacji, ale uratują się, pozostając w pomieszczeniach budynku, które mają odpowiednie klasy odporności ogniowej przegród i drzwi. W rozwiązaniu tym system oddymiana służy do oczyszczenia klatki schodowej z dymu w celu zapewnienia bezpieczeństwa ekipom ratowniczym (straży pożarnej), które przystępują do akcji gaszenia pożaru i ewakuacji. Odymianie wymaga zastosowania urządzeń oddymiających, czyli klap dymowych na dachu, które zostaną uruchomione po detekcji pożaru, a także nawiewów kompensacyjnych. Dla osiągnięcia szybkiego efektu ekipy ratownicze mogą wykorzystywać wentylatory przenośne nawiewające powietrze u dołu klatki schodowej.

Z kolei zadaniem systemów zapobiegania zadymieniu jest niedopuszczenie do przedostania się lotnych produktów spalania do przestrzeni dróg ewakuacyjnych (dróg ucieczki użytkowników budynku) i dróg pożarowych (dojścia ekip gaśniczo-ratowniczych). Zadanie to realizują systemy różnicowania ciśnień, tworząc odpowiednie warunki nadciśnienia lub przepływu w drzwiach otwartych. Utrzymanie takich warunków zabezpiecza strefę chronioną przed przedostawaniem się do niej dymu i zapewnia tym samym bezpieczną ewakuację oraz pracę ekip ratowniczo-gaśniczych. W dużym uproszczeniu działanie systemu tego typu polega na uruchomieniu wentylatora nawiewnego po wykryciu pożaru, tak aby tłoczył on powietrze do strefy chronionej w celu zapewnienia w niej nadciśnienia i uniemożliwienia napływu dymu. Wydajność systemu jest automatycznie dostosowywana do zdarzeń zachodzących w czasie ewakuacji, jak np. otwarcie drzwi przeciwpożarowych [13].

Koszty inwestycyjne

W artykule A. Bogusławskiej i D. Brzezińskiej [6] przedstawiono m.in. wyniki obliczeń kosztów inwestycyjnych czterech różnych rozwiązań oddymiania i zapobiegania zadymieniu dla przykładowej klatki schodowej w budynku średniowysokim o wysokości 20 m i kategorii zagrożenia ZL III.

Pierwszym analizowanym rozwiązaniem jest system grawitacyjnego odprowadzania dymu i ciepła z klatki schodowej składający się z klapy oddymiającej z napędem elektrycznym oraz otworów nawiewnych (drzwi), a także centralki sterującej. Obliczenia wykonano zgodnie z normą PN/B-02877-4:2001+Az1/2006 [3].

Drugie rozwiązanie stanowi system różnicowania ciśnienia składający się z jednostki napowietrzającej, układu czujników, centrali sterującej oraz pięciu okien upustowych z siłownikami. Obliczenia wykonano wg normy PN-EN 12101-6 [4] w klasie C.

Trzecie rozwiązanie to oddymianie za pomocą klapy dymowej z nawiewem mechanicznym o stałej wydajności, składającym się z jednostki napowietrzającej, klapy oddymiającej z napędem elektrycznym i centralki sterującej. Obliczenia wykonano w ramach badań prowadzonych na Politechnice Łódzkiej. Rozwiązanie to różni się od pierwszego pod tym względem, że zwiększa niezawodność działania w zmiennych warunków atmosferycznych dzięki mechanicznemu nawiewowi u dołu klatki.

Czwarte rozwiązanie to oddymianie klapami dymowymi z nawiewem mechanicznym o zmiennej wydajności, składające się z jednostki napowietrzającej, klapy oddymiającej z napędem elektrycznym i regulatorem ciśnienia oraz centralki sterującej. Obliczenia wykonano według wytycznych CNBOP [2].

Autorki porównały rozwiązania nr 2–4 przyjmując, że rozwiązanie nr 1 stanowi 100% kosztów. Rozwiązanie drugie było droższe od pierwszego o 715%, trzecie o 135%, a czwarte o 385% [6].

Przeczytaj także: Wentylacja pożarowa klatek schodowych budynków mieszkalnych – wybór rozwiązania | RynekInstalacyjny.pl

Wymagania techniczne, niezawodność i bezpieczeństwo

Praktyka wskazuje, że najwięcej problemów w procesie projektowania instalacji oddymiania sprawiają kwestie doprowadzenia powietrza wentylacyjnego [8].

Grawitacyjne odprowadzenie dymu z klatki schodowej (wariant pierwszy) stosunkowo łatwo wykonać i tym samym jest to najtańsze rozwiązanie spośród stosowanych do oddymiania klatek schodowych. System jest prosty i nie wymaga urządzeń regulujących i sterujących, działa niezawodnie w ujęciu technicznym, ale bywa podatny na wpływ zmiennych warunków atmosferycznych – parcia wiatru i temperatury zewnętrznej. Wpływ różnicy temperatury między otoczeniem zewnętrznym a chronioną klatką schodową oceniły m.in. A. Bogusławska i D. Brzezińska [7] podczas badań przeprowadzonych na terenie kampusu Politechniki Łódzkiej w rzeczywistym budynku średniowysokim LabFactor o wysokości 19,8 m. Wyniki wskazują, że ten system oddymiania funkcjonuje z odpowiednią wydajnością przepływu powietrza przez klatkę schodową, czyli 10 wymian/godz. zgodnie z normą brytyjską BS 7346-7:2013, przez ok. 80% roku [7].

Aby system był wydajny, klapy dymowe na dachu budynku powinny być umieszczane bezpośrednio nad przestrzenią klatki schodowej i nie należy stosować okien lub ściennych urządzeń oddymiających. Ścienne punkty wylotu dymu powodują bowiem ryzyko powstania parcia wiatru na nie. Wiatr o prędkości 3–4 m/s, czyli 10–15 km/h, może znacznie zakłócić proces oddymiania lub nawet zmienić kierunek przepływu dymu w przestrzeni klatki schodowej [8].

Zastosowanie mechanicznego nawiewu o stałej wydajności i oddymiania klapami (wariant trzeci [6]) podnosi skuteczność tradycyjnego systemu grawitacyjnego, gdyż zwiększa jego niezależność od panujących warunków atmosferycznych.

Z kolei oddymianie klapami dymowymi z nawiewem mechanicznym o zmiennej wydajności (wariant czwarty [6]) ma wyższą skuteczność niż system grawitacyjny, gdyż zapewnia przepływ powietrza przez klatkę schodową niezależnie od warunków atmosferycznych oraz w zmiennych warunkach otwarcia i zamknięcia drzwi ewakuacyjnych.

System różnicowania ciśnienia (wariant drugi [6]) jest najmniej podatny na zmienne warunki zewnętrzne, zapewnia najwyższe bezpieczeństwo i najlepsze warunki do ewakuacji oraz działania służb ratowniczych, jest też przy tym najdroższy inwestycyjnie.

Zakres stosowania powyższych rozwiązań powinien być ściśle powiązany z rodzajem budynku, jego cechami indywidualnymi oraz charakterem funkcjonowania [6, 8]. Wspomniane powyżej przepisy § 207 WT wymagają od systemów odymiania klatki schodowej łącznego spełniania dwóch zdań – co najmniej uratowania użytkowników budynku w inny sposób niż ewakuacja oraz stworzenia warunków do bezpiecznego działania ekip ratowniczych. System grawitacyjny jest prawnie usankcjonowanym rozwiązaniem, jednak nie zapewnia skutecznej ochrony pionowych dróg ewakuacji, tylko uratowanie użytkowników budynku „w inny sposób”. Z tych powodów rzeczoznawcy ds. zabezpieczeń ppoż. coraz częściej w przypadku wysokich budynków mieszkalnych zalecają stosowanie wentylacji pożarowej chroniącej klatkę schodową przed zadymieniem, czyli systemów różnicowania ciśnienia [8]. Skuteczność oddymiania grawitacyjnego w okresach wysokich temperatur zewnętrznych jest odwrotnie proporcjonalna do wysokości budynku i tym samym już w budynkach wysokich, a nie tylko wysokościowych występuje duże ryzyko, że nawet prawidłowo zaprojektowany system grawitacyjny nie usunie dymu z klatki schodowej [8].

Powierzchnia obliczeniowa klatki schodowej i parametry systemów oddymiania grawitacyjnego

Szczegółowe zalecenia projektowania systemów oddymiania klatek schodowych zawierają Wytyczne CNBOP-PIB W-0003:2016 [2]. Podają one, że podstawą do wymiarowania elementów systemu oddymiania jest powierzchnia obliczeniowa klatki schodowej, określana w sposób opisany w rozdziale 6.1. Przedstawiona tam metoda obliczeniowa dotyczy klatek schodowych, w odniesieniu do których spełnione są wszystkie poniższe warunki:

• powierzchnia klatki schodowej na dowolnej kondygnacji nie przekracza 40 m²;
• z klatką schodową są połączone korytarze lub inne przestrzenie o długości do 10 m, licząc od granicy powierzchni obliczeniowej klatki schodowej;
• długość dojścia do granicy powierzchni obliczeniowej klatki schodowej z dowolnych drzwi nie przekracza 5 m;
• szerokość przyległego korytarza, stanowiącego wspólną przestrzeń z klatką schodową, nie przekracza 3 m.

W przypadku braku spełnienia któregokolwiek z powyższych warunków Wytyczne wymagają, by skuteczność wstępnie zaprojektowanego systemu oddymiania zgodnego z wymaganiami tego rozdziału została potwierdzona z wykorzystaniem narzędzi CFD. Warunki i zasady prowadzenia obliczeń oraz kryteria oceny skuteczności systemu określone są w rozdziałach 6 i 7.

Wytyczne zalecają, aby klapy dymowe w dachu sytuować możliwie centralnie w stosunku do podstawy klatki schodowej. Przy określaniu powierzchni napływu powietrza kompensacyjnego należy dążyć do spełnienia warunku, by powierzchnia czynna otworów/urządzeń zastosowanych do zapewnienia napływu powietrza kompensacyjnego była nie mniejsza niż powierzchnia czynna zastosowanych urządzeń oddymiających. Sumaryczna powierzchnia czynna klap dymowych w budynkach niskich i średniowysokich powinna odpowiadać co najmniej 5% powierzchni obliczeniowej klatki schodowej i nie mniej niż 1 m², a w budynkach wysokich nie mniej niż 1,5 m².

Według wytycznych CNOBP powierzchnia obliczeniowa klatki schodowej wynika z przestrzeni wymaganej do swobodnego przemieszczania się ludzi pomiędzy najwyższą kondygnacją a poziomem wyjścia z budynku. Jest ona ograniczona wymiarami biegu schodów, wolną przestrzenią między nimi lub inną pustą przestrzenią międzykondygnacyjną oraz spocznikami wydzielonymi wzdłuż linii schodów, o szerokości takiej jak szerokość schodów w budynku (wymiar określony na podstawie projektowanej geometrii; rys. 2). Powierzchnię obliczeniową klatki schodowej definiują wielkości pól powierzchni: A, B, C i D (zgodnie z rys. 3). Należy również zdefiniować powierzchnię E, która służy do wyliczenia powierzchni klatki schodowej (A_KS), nie jest jednak wliczana do powierzchni obliczeniowej klatki schodowej (A_KS-O).

Do zdefiniowania powierzchni obliczeniowej klatki schodowej zastosowano następujące parametry, zobrazowane na rys. 2:

x – rzeczywista szerokość biegu schodów (nie mniejsza niż minimalna szerokość użytkowa biegu wynikająca z WT);

y – minimalna szerokość spocznika wynikająca z WT i nie mniejsza niż x;

A – maksymalna powierzchnia rzutu biegów schodów, o zdefiniowanej szerokości biegu (x):

(1)

B – minimalna wymagana powierzchnia spoczników wynikająca z geometrii klatki schodowej i wymaganej minimalnej szerokości użytkowej spocznika (wynikającej z WT):

(2)

C – powierzchnia pozostałych otworów międzykondygnacyjnych:

(3)

Powierzchna C powinna spełniać następujący warunek:

(4)

W przypadku niespełnienia tego warunku można skorzystać z zasad projektowania zawartych w omawianych Wytycznych, jednak niezbędne jest potwierdzenie skuteczności projektowanego systemu oddymiania za pomocą analiz CFD zgodnie z rozdziałem 7;

D – powierzchnia duszy schodów, której stawia się następujący warunek:

(5)

W przypadku niespełnieniu powyższego warunku można korzystać z zasad przedstawionych w Wytycznych po zweryfikowaniu skuteczności za pomocą analiz CFD;

E – pozostałe powierzchnie poziomych dróg ewakuacyjnych i spoczników. Jeżeli dla jednej klatki schodowej na poszczególnych kondygnacjach uzyskano różne wartości powierzchni obliczeniowej A_KS-O, do dalszych obliczeń należy wybrać największą z tych wartości.

W załączniku do Wytycznych podano przykłady wyznaczania powierzchni obliczeniowej A_KS-O dla klatek schodowych o różnej konstrukcji.

Wytyczne podają, że w przypadku klatek schodowych w budynkach istniejących, których wymiary biegu lub spocznika są mniejsze niż wymagane przez aktualne WT, do wyznaczenia powierzchni obliczeniowej klatki należy przyjąć minimalne szerokości użytkowe biegu/spocznika wynikające z aktualnych wymagań WT.

Wytyczne informują także, jak określać parametry elementów wykonawczych systemów oddymiania grawitacyjnego – urządzeń oddymiających i napływu kompensacyjnego.

Sumaryczna powierzchnia czynna klap dymowych (A_cz) w budynkach niskich i średniowysokich powinna odpowiadać co najmniej 5% powierzchni obliczeniowej klatki schodowej (A_KS-0) i nie powinna być mniejsza niż 1 m²:

(6)

Klapy dymowe w dachu należy usytuować jak najbardziej centralnie w stosunku do podstawy klatki schodowej. W stropach pochylonych klapy dymowe należy umieszczać na 1/3 wysokości stropu, licząc od góry.

W procesie określania powierzchni napływu powietrza kompensacyjnego należy dążyć do spełnienia warunku, by powierzchnia czynna otworów/urządzeń zastosowanych do zapewnienia napływu powietrza kompensacyjnego (A_{cz_komp}) była nie mniejsza niż powierzchnia czynna zastosowanych urządzeń oddymiających (A_cz):

(7)

Wymaga to jednak użycia urządzeń przebadanych pod kątem aerodynamicznym przez niezależne i kompetentne laboratorium badawcze z uwzględnieniem normy PN-EN 12101-2 i z akredytacją dla normy PN-EN ISO/IEC 17025.

Jeżeli powierzchnia czynna zastosowanych otworów kompensacyjnych (A_cz–komp) nie jest znana, ich powierzchnię należy wyznaczyć na podstawie powierzchni geometrycznej urządzeń oddymiających (A_{odd_geom}) według jednej z dwóch metod:

1. Jeśli otworem kompensacyjnym mają być drzwi otwarte pod kątem co najmniej 90°, powierzchnię geometryczną kompensacji (A_komp-geom) należy przyjąć jako o 30% większą od powierzchni geometrycznej urządzeń oddymiających (A_odd-geom):

(8)

Funkcję napływu powietrza kompensacyjnego mogą pełnić automatycznie otwierane pojedyncze drzwi, pod warunkiem że łączą one przestrzeń klatki schodowej bezpośrednio z przestrzenią zewnętrzną, lub co najwyżej automatycznie otwierane dwoje drzwi w układzie szeregowym, łączące przestrzeń klatki schodowej z przestrzenią zewnętrzną, jeżeli odległość pomiędzy nimi nie będzie przekraczać 5 m.

2. W przypadku zastosowania innego automatycznie otwieranego otworu kompensacyjnego łączącego przestrzeń klatki schodowej bezpośrednio z przestrzenią zewnętrzną (np. okno, żaluzja, przepustnica itp.), dla którego producent udostępnia, na swoją odpowiedzialność, informację na temat powierzchni efektywnej urządzenia, powierzchnię kompensacji (efektywnej) przyjmuje się jako wartość o 30% większą od wartości powierzchni geometrycznej urządzeń oddymiających:

(9)

Podsumowanie

Wybór sposobu ochrony dróg ewakuacyjnych – instalacji oddymiania lub systemu różnicowania ciśnień – powinien uwzględniać także akceptowalność cech danego rozwiązania w każdych warunkach, zmieniających się w ciągu roku. W wielu budynkach stawia się na systemy oddymiania grawitacyjnego ze względu na niższe koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, co jest także wyborem powszechnie akceptowalnym w zakresie bezpieczeństwa w budynkach niskich i średniowysokich oraz niektórych wysokich. Systemy różnicowania ciśnienia, choć są znacznie droższe i trudniejsze w utrzymaniu, zapewniają wysokie bezpieczeństwo zwłaszcza w budynkach wysokich i wysokościowych dzięki przewidywalnej i regulowanej pracy w reakcji na zmianę warunków w obiekcie oraz niepoddawaniu się wpływom zmiennych warunków atmosferycznych.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2022 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t.j. DzU 2022, poz. 1225)

2. Wytyczne CNBOP-PIB W-0003 Systemy oddymiania klatek schodowych, maj 2019, https://www.cnbop.pl/wydawnictwa/wytyczne/wytyczne-systemy-oddymiania-klatek-schodowych.pdf (dostęp: 20.03.2024)

3. PN-B-02877-4:2001Az2006 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Instalacje grawitacyjne do odprowadzania dymu i ciepła. Zasady projektowania

4. PN-EN 12101-6:2022 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 6: Wymagania techniczne dotyczące systemów różnicowania ciśnień. Zestawy urządzeń

5. PN-EN 12101-13:2022 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 13: Systemy różnicowania ciśnień (SRC). Projektowanie i metody obliczeniowe, instalowanie, badania okresowe i konserwacja

6. Bogusławska Arleta, Brzezińska Dorota, Systemy wentylacji pożarowej klatek schodowych, „Instal” 12/2017

7. Bogusławska Arleta, Brzezińska Dorota, Systemy oddymiania klatek schodowych. Wpływ temperatury zewnętrznej na przepływ powietrza, „Cyrkulacje” 76 (lipiec–sierpień), 2023

8. Kubicki Grzegorz, Problemy projektowania systemów oddymiania klatek schodowych w budynkach wielokondygnacyjnych, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” 4/2023, DOI:10.15199/9.2023.4.3

9. Kubicki Grzegorz, Wentylacja pożarowa klatek schodowych budynków mieszkalnych – wybór rozwiązania, „Rynek Instalacyjny” 10/2021, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/systemy-ppoz/117546,wentylacja-pozarowa-klatek-schodowych-budynkow-mieszkalnych-wybor-rozwiazania 

10. Kubicki Grzegorz, Tekielak-Skałka Izabela, Wyniki badań obiektowych systemu oddymiania klatek schodowych ze zmiennym nawiewem mechanicznym, „Rynek Instalacyjny” 5/2017, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/systemy-ppoz/30339,wyniki-badan-obiektowych-systemu-oddymiania-klatek-schodowych-ze-zmiennym-nawiewem-mechanicznym 

11. Łącki Włodzimierz, Systemy różnicowania ciśnienia. Nowelizacja normalizacji w zakresie projektowania, obliczania, montażu oraz badań i konserwacji, „Rynek Instalacyjny” 12/2022, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/systemy-ppoz/153696,systemy-roznicowania-cisnienia 

12. Sztarbała Ewa, Sztarbała Grzegorz, Siła otwarcia drzwi 100 N a samozamykacz w drzwiach do przestrzeni chronionej, „Cyrkulacje” 76 (lipiec–sierpień), 2023

13. Joniec Waldemar, Systemy różnicowania ciśnienia – wybrane aspekty stosowania, „Rynek Instalacyjny” 11/2023, https://www.rynekinstalacyjny.pl/artykul/systemy-ppoz/162621,systemy-roznicowania-cisnienia-wybrane-aspekty-stosowania