Wybrane problemy wentylacji pożarowej w budynkach wielokondygnacyjnych

W odróżnieniu od garaży i obiektów wielkokubaturowych systemy wentylacji pożarowej budynków wielokondygnacyjnych mają działanie lokalne, ograniczone do chronionych przestrzeni klatek schodowych, przedsionków pożarowych, szachtów windowych i korytarzy ewakuacyjnych. Dla tej grupy budynków warunki techniczne i przepisy przeciwpożarowe przewidują dwa typy instalacji służących ochronie dróg ewakuacji – są to urządzenia oddymiające lub zapobiegające zadymieniu.

Specyfika systemów oddymiania

W obiektach klasyfikowanych jako niskie oraz średniowysokich najpopularniejszym rozwiązaniem jest instalacja oddymiania klatek schodowych. Są to najczęściej proste systemy grawitacyjne składające się z automatycznie otwieranej klapy dymowej na najwyższej kondygnacji klatki schodowej oraz punktu nawiewu powietrza kompensacyjnego zlokalizowanego w dolnej części chronionej przestrzeni.

Zadaniem takiego systemu jest odprowadzenie z przestrzeni klatki schodowej wyłącznie porcji dymu, która napływa do tej przestrzeni, wraz z otwarciem drzwi na kondygnacji objętej pożarem. Po powrocie drzwi do pozycji zamkniętej (zadziałaniu samozamykacza) i usunięciu dymu klatka musi być dostępna dla osób opuszczających wyżej położone kondygnacje. Rozwiązania takie mają szansę spełnić swoją funkcję, tylko jeżeli spełnione zostaną poniższe warunki.

Skuteczność instalacji związana jest ściśle z warunkami termicznymi i wysokością budynku, dlatego chroniony obiekt zaliczać się może wyłącznie do kategorii obiektów niskich lub średniowysokich.

Warunki techniczne [3] dopuszczają wprawdzie funkcjonowanie takich układów w wysokich budynkach mieszkalnych i przemysłowo-magazynowych, ale szczególnie w odniesieniu do budynków mieszkalnych jest to raczej ukłon ustawodawcy w stronę postulatów deweloperów niż próba zapewnienia realnego poziomu bezpieczeństwa użytkownikom obiektu.

Skuteczność układu zależy od odcięcia ciągłego napływu dymu do klatki schodowej, dlatego wyjścia na pionowe drogi ewakuacyjne muszą być chronione drzwiami dymoszczelnymi (o klasie oporności pożarowej EIS) wyposażonymi w sprawne samozamykacze i niezablokowanymi podczas pożaru. Powszechnym zjawiskiem w obiektach użytkowych, a zwłaszcza mieszkaniowych, jest dewastowanie samozamykaczy lub trwałe blokowanie przez użytkowników drzwi prowadzących na klatkę schodową.

Spotkać się można nawet z sytuacją, w której administracja obiektu wyposaża drzwi ewakuacyjne w mechaniczne blokady umożliwiające ich stałe utrzymanie w pozycji otwartej. Jest to oczywiste sabotowanie bezpieczeństwa pożarowego na rzecz dyskusyjnej poprawy komfortu użytkowników.

System oddymiania powinien być uruchamiany automatycznie po wykryciu pożaru, co wiąże się z koniecznością wyposażenia obiektu w system detekcji dymu (zainstalowanego co najmniej w najwyższym punkcje klatki schodowej) oraz w ręczne ostrzegacze pożarowe uruchamiające alarm pożarowy.

Centrala sterowania pożarowego po otrzymaniu sygnału o zagrożeniu pożarowym powinna otworzyć klapę dymową na najwyższej kondygnacji i punkt nawiewu kompensacyjnego w dolnej części klatki schodowej. Pełne przewietrzanie przestrzeni chronionej warunkuje bowiem skuteczne usunięcie dymu z klatki schodowej.

Bardzo często powyższe zadanie realizowane jest jedynie połowicznie, to znaczy istnieje możliwość automatycznego otwarcia klapy dymowej, natomiast zapomina się o zastosowaniu nawiewu kompensacyjnego.

Podczas prób okresowych i odbiorowych funkcję „automatycznego” otwarcia drzwi na poziomie wyjścia z budynku przejmuje pracownik techniczny, co spotyka się z przyzwoleniem organu nadzorczego. Z przyczyn oczywistych jest to sytuacja niewłaściwa pod kątem zapewnienia warunków bezpiecznej ewakuacji.

Problematyczną praktyką jest stosowanie wentylatorów w funkcji oddymiania klatki schodowej. Po pierwsze, nie ma żadnego standardu projektowego, na podstawie którego możliwe jest stworzenie takiego rozwiązania (np. wyliczenie wydajności wentylatora wyciągowego).

Po drugie, zastosowanie wyciągu mechanicznego stwarza realną możliwość podsysania dymu przez nieszczelność drzwi ewakuacyjnych i ciągłego zadymienia klatki schodowej. W tym przypadku lepszym rozwiązaniem jest system oddymiania grawitacyjnego z mechanicznym nawiewem kompensacyjnym, którego działanie może skutecznie zabezpieczyć trzon klatki schodowej. Na przeszkodzie jego stosowania stoi jednak również brak standardów projektowych.

Problemy w funkcjonowaniu systemów różnicowania ciśnienia

Skuteczniejszą po względem działania formą zabezpieczenia dróg ewakuacyjnych w budynkach wielokondygnacyjnych są systemy zapobiegania zadymieniu. Instalacje tego typu dzięki wytworzeniu odpowiedniej gradacji ciśnienia oraz ukierunkowaniu przepływu powietrza mają za zadanie nie dopuścić do przedostania się dymu ze strefy objętej pożarem do chronionej przestrzeni. 

Obliczenia projektowe

Główny problem z prawidłowym działaniem omawianego układu polega na tym, że rozwiązanie systemu różnicowania ciśnienia musi zostać starannie dobrane, z uwzględnieniem specyficznego charakteru każdego obiektu (szczególnie wysokości i indywidualnego układu dróg komunikacyjnych).

Do niedawna zdecydowana większość systemów różnicowania ciśnienia projektowana i wykonywana była w oparciu o spolszczoną wersję standardów funkcjonujących we Francji (początkowo w formie opracowanej przez I. Dobrudzkiego, a następnie zawartych w Instrukcji ITB nr 378). Obecnie większość instalacji projektowana jest zgodnie z wytycznymi normy PN-EN 12101-6 [5]. 

Obie drogi projektowe różnią się w założeniach oraz sposobie wykonywania obliczeń, co skutkuje znacznymi różnicami w wielkości systemu napowietrzania.

Bezpieczniejsze dla określenia rzeczywistej wielkości instalacji jest przeprowadzenie obliczeń na podstawie normy europejskiej, ponieważ określa się tu wydajność wentylatorów napowietrzania klatki schodowej dla dwóch scenariuszy działania – warunku wytworzenia nadciśnienia w przestrzeni chronionej i warunku ukierunkowanego przepływu w drzwiach otwartych. 

Standardy francuskie zakładają, że największą wydajność instalacja uzyskuje, kiedy otwarte pozostają drzwi z klatki schodowej do przedsionka przeciwpożarowego i z przedsionka na korytarze ewakuacyjne. 

W praktyce można spotkać obiekty (szczególnie starsze), w których poziom nieszczelności przegród budowlanych jest na tyle duży, że więcej powietrza trzeba dostarczyć do przestrzeni chronionej, kiedy wszystkie drzwi prowadzące do niej pozostają zamknięte. Dodatkową zaletą założeń normy jest oddzielenie przestrzeni chronionej i niechronionej nadciśnieniem.

Taka definicja pozwala na projektowanie systemów różnicowania ciśnienia dla budynków zawierających popularne przestrzenie typu open-space. Przepisy francuskie wymagają wydzielenia przestrzeni klatki schodowej, przedsionka przeciwpożarowego i korytarzy ewakuacyjnych. 

Po obliczeniu wielkości instalacji należy dokonać wyboru systemu realizującego zabezpieczenie dróg ewakuacji przed zadymieniem. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę, jakie typy systemów różnicowania ciśnienia ma do dyspozycji projektant i jakie są ich zalety i wady. 

Ogólnie rzecz ujmując, omawiany układ zbudowany jest z dwóch współdziałających ze sobą instalacji – systemu napowietrzania wydzielonych przestrzeni chronionych nadciśnieniem (klatki schodowej, przedsionka przeciwpożarowego, szachtów windowych) oraz systemu odbioru powietrza i dymu.

Największa różnorodność możliwych do zastosowania rozwiązań dotyczy systemów napowietrzania pożarowego pionowych dróg ewakuacji. Wyróżnić tu można:

• tzw. układy pasywne, których działanie oparte jest na zastosowaniu jednobiegowych wentylatorów napowietrzających, skalibrowanych do konkretnej wielkości i charakterystyki hydraulicznej klatki schodowej, 
• układ wentylatora napowietrzającego i mechanicznych urządzeń kontroli nadciśnienia (klap nadmiarowo-upustowych),
• tzw. układy aktywne z elektronicznie sterowanym wentylatorem nawiewnym. 

W pierwszym przypadku można mówić o systemach jednego stanu budynku, których skuteczność jest zadowalająca jedynie w przypadku, gdy parametry otoczenia (temperatura, parcie wiatru, opory przepływu powietrza, nieszczelności itd.) są zbliżone do parametrów kalibracji układu.

Zaletami drugiego systemu są: stosunkowo prosty w wykonaniu i kalibracji układ działania, dobra skuteczność w wysokich budynkach (do ok. 50 m) oraz krótki czas reakcji na zmianę położenia drzwi oddzielających przestrzeń chronioną i niechronioną nadciśnieniem. 

Omawiany układ ma zdecydowanie szerszy zakres skutecznego działania niż w pierwszym przypadku, jednak kłopotliwe może być utrzymanie pożądanej wartości nadciśnienia (gwarantującej zachowanie siły 100 N potrzebnej dla otwarcia drzwi) podczas ciepłych dni letnich oraz w przypadku klap upustowych połączonych bezpośrednio z przestrzenią zewnętrzną – ryzyko zamarzania tego urządzenia. 

Kolejnym systemem zapobiegania zadymieniu, który wszedł niedawno na rynek, są monoblokowe układy napowietrzania pożarowego sterowane elektronicznie (tzw. systemy aktywne). Podstawą funkcjonowania omawianego systemu jest płynne sterowanie wydajnością wentylatora za pomocą falownika, który realizuje wytyczne sterownika reagującego na zmiany ciśnienia w przestrzeni chronionej. 

Warunkiem stosowania układów aktywnych jest wykorzystanie niezawodnej automatyki przemysłowej. Dzięki najnowszym osiągnięciom automatyki predykcyjnej, wykorzystującym algorytmy oparte na sieci neuronowej, system ten umożliwia bardzo precyzyjną i błyskawiczną regulację parametrów pracy systemu różnicowania ciśnienia, zachowując jednocześnie wysoką odporność zarówno na zmiany parametrów środowiska zewnętrznego (warunki atmosferyczne) i środowiska wewnętrznego (zmieniające się w czasie nieszczelności obiektu i opory przepływu powietrza), jak i zakłócenia przy realizacji scenariusza ewakuacji.

Przedstawione rozwiązanie jest oparte w całości na polskiej myśli technicznej i na tle innych systemów bezpieczeństwa wyróżnia się niezawodnością, skutecznością działania i błyskawicznym czasem adaptacji. 

Podobnie jak w przypadku systemów pasywnych, dla obiektu o wysokości powyżej 50 m układ nie został przewidziany do aktywnego przeciwdziałania skutkom interferencji ciągu kominowego, oporów przepływu powietrza i wymiany ciepła z przegrodami budowlanymi.

W przypadku budynków wysokościowych istnieje już konieczność budowy układów aktywnie przeciwdziałających zjawiskom zewnętrznego i wewnętrznego ciągu termicznego. Najwyższą skuteczność uzyskują tzw. układy przepływowe składające się z odpowiednio skonfigurowanych układów nawiewnego i wyciągowego. 

Wytworzone podczas działania systemu opory przepływu powietrza są w stanie skutecznie niwelować początkowe rozwarstwienie ciśnienia wywołane ciągiem termicznym, co stanowi podstawę do pełnej realizacji wymagań stawianych systemom różnicowania ciśnienia. 

W przypadku budynków wysokościowych do realizacji scenariusza przepływu w drzwiach otwartych konieczne jest stosowanie jednego lub kilku dodatkowych punktów dostarczenia powietrza zewnętrznego. Przy wykorzystaniu systemu przepływowego funkcję taką pełnić mogą jednobiegowe wentylatory wspomagające montowane na piętrach technicznych, które kompensują ubytek powietrza przez nieszczelności. Kompensacja jest konieczna, jeżeli aktualnie działająca jednostka nawiewu pożarowego znajduje się w znacznej odległości od kondygnacji z czynną instalacją odbioru powietrza i dymu. 

Na zakończenie warto jeszcze wspomnieć o problemach z funkcjonowaniem systemów odbioru powietrza i dymu, które często nazywane są błędnie instalacjami oddymiania. Przy ciągłym napływie dymu z pomieszczenia objętego pożarem na poziome drogi ewakuacji (jeżeli drzwi łączące te przestrzenie pozostają otwarte) ograniczona kubatura korytarzy nie pozwala w praktyce na wytworzenie pionowej separacji powietrza i dymu, czyli realizację założeń oddymiania. 

Funkcją systemu odbioru powietrza i dymu jest umożliwienie na kondygnacji objętej pożarem ukierunkowanego przepływu dymu z przestrzeni chronionej nadciśnieniem (klatki schodowej, przedsionka przeciwpożarowego) na korytarz, tak żeby dym nie mógł się przedostać na pionowe drogi ewakuacji.

Planowane zmiany w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych nałożą obowiązek stosowania drzwi pożarowych wyposażonych w samozamykacze pomiędzy pomieszczeniami użytkowymi a korytarzami ewakuacyjnymi. Praktyczna realizacja takiego przepisu ograniczy ilość dymu przedostającego się na poziome drogi ewakuacji, co umożliwi ich skuteczne oddymianie przynajmniej w początkowej fazie pożaru. 

Według obowiązujących obecnie wymagań zadaniem projektanta jest jednak zapewnienie jedynie ukierunkowanego przepływu powietrza i dymu. Z dostępnych metod stosowanych w tym celu na uwagę zasługują dwie najbardziej popularne: okna oddymiające i wyciąg mechaniczny. Pierwsza metoda jest powszechnie stosowna, głównie ze względu na przeświadczenie o jej niższych kosztach.

Warto jednak pamiętać, że jeżeli system okien uchylnych zostanie wykonany prawidłowo, to znaczy:

• uchylne okna wykonane zostaną w każdym narażonym na pożar pomieszczeniu (jeżeli korytarz nie ma okien zewnętrznych),
• okna zostaną zdublowane i sterowane czujnikiem wiatru pozwalającym na otwarcie jedynie okien niewychodzących na aktualnie nawietrzną stronę budynku,
• cały system uchylnych okien połączony będzie we wspólną sieć sterowania pożarowego,

to koszty takiej instalacji nie będą należeć do niskich. 

Alternatywą może być zdecydowanie pewniejszy w działaniu system wyciągu mechanicznego. Warunkiem jest tu jednak taki dobór wydajności instalacji, żeby nie istniało ryzyko wytworzenia podciśnienia na korytarzu w stosunku do przestrzeni chronionej nadciśnieniem. 

Ryzyko to można wyeliminować, stosując wyciąg zbilansowany z ilością powietrza trafiającego z przestrzeni chronionej nadciśnieniem na korytarz. Konieczne jest tu wykonanie przerzutu (grawitacyjnego lub mechanicznego) pomiędzy tymi przestrzeniami. Ciekawym rozwiązaniem jest prezentowany na rys. 8 przerzut mechaniczny wykorzystujący układ przepustnic sterowanych ciśnieniem w przedsionku pożarowym. 

Podsumowanie

Ograniczona forma artykułu pozwala na omówienie tylko niektórych zagadnień funkcjonowania układów wentylacji pożarowej. Najistotniejsze jest jednak odpowiednie podejście do projektowania, wykonania i nadzoru nad instalacją. Tylko w ten sposób można uniknąć błędów, które w przyszłości mnożą problemy techniczne, prawne i koszty konieczne dla przywrócenia podstawowej funkcji systemów wentylacji pożarowej w obiektach użytkowych, czyli ochrony zdrowia i życia ich użytkowników.

Literatura

1. Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej (DzU nr 81/1991, poz. 351, z późn. zm.).
2. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU nr 89/1994, poz. 414, z późń. zm.).
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
4. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 109/2010, poz. 719).
5. PN-EN 12101-6 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 6. Wymagania techniczne dotyczące systemów różnicowania ciśnień. Zestaw urządzeń.
6. Mizieliński B., Kubicki G., Wentylacja pożarowa – oddymianie, WNT 2012.