Oddymianie grawitacyjne w kotłowniach przemysłowych

Pożar, jako zagrożenie dla osób i mienia, musi być brany pod uwagę w przypadku każdej istniejącej i nowo projektowanej inwestycji. Kotłownie przemysłowe nie są wyłączone z tego obowiązku.

Geometria budynków kotłowni jest zasadniczo podobna do atrialnej, również charakteryzuje się brakiem kondygnacji i znaczną wysokością jak w przypadku atrium w budynkach biurowych i usługowych, możliwe wydaje się zatem wykorzystanie w nich rozwiązań i zasad projektowania systemów wentylacji pożarowej podobnych jak w atriach.

Analiza zagrożenia pożarem jest szczególnie ważna w budynkach wysokich i wysokościowych, gdzie klatka schodowa jest jedyną drogą ewakuacji. Jest to również główna droga dotarcia do źródła pożaru dla ekip ratowniczych zarówno w biurowcach, jak i w kotłowniach przemysłowych o znacznej wysokości [1].

Dla ludzi przebywających w budynku w chwili wystąpienia pożaru największym zagrożeniem jest dym [2]. Osłabia widoczność, powodując, że tracą oni orientację i mają problemy ze znalezieniem drogi ucieczki.

W budynkach kotłowni występują substancje łatwopalne, podczas spalania których wydzielane są substancje toksyczne mogące w nawet niewielkich ilościach stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia ludzi. Osoby, które nie są w stanie szybko się wydostać z płonącego budynku, poddawane są działaniu wszystkich czynników stwarzających zagrożenie dla życia [1].

W artykule porównano warunki panujące podczas wystąpienia pożaru w podobnych geometrycznie obiektach, tj. kotłowni przemysłowej i atrium biurowca, o podobnej wysokości i kubaturze.

Dla obydwu przypadków wykonane zostały obliczenia przyrostu temperatury dymu w razie wystąpienia w obiekcie pożaru o mocy 5 i 25 MW. Jedyną różnicą jest zakładana temperatura otoczenia wewnątrz obiektu wynikająca z ilości ciepła przekazywanej do otoczenia – w obu przypadkach jest ona inna ze względu na różne przeznaczenie obu obiektów, przykładowo w kotłowni przemysłowej wytwarzane jest dodatkowe ciepło pochodzące z pracy urządzeń w niej się znajdujących.

Systemy wentylacji pożarowej

W celu przeciwdziałania rozprzestrzenianiu się dymu stosowane są różnego rodzaju rozwiązania wentylacji pożarowej polegające na stworzeniu w budynkach stref chronionych. Ich zadaniem jest kierowanie przepływu dymu w taki sposób, żeby zapewnić odpowiednią ochronę ludzi i umożliwić im bezpieczną ewakuację. Odpowiedni dobór rozwiązań przeciwpożarowych odpowiada za skuteczność oddymiania w odniesieniu do rodzaju budynku [4].

Rozwiązania techniczne wentylacji pożarowej są indywidualne dla każdego budynku i ściśle uzależnione od typu jego konstrukcji, wielkości i przeznaczenia. Mogą być oparte zarówno na systemach wentylacji naturalnej, jak i mechanicznej. Istnieją trzy podstawowe systemy ograniczania rozprzestrzeniania się dymu w obiektach budowlanych:

• systemy ciśnieniowe – powodujące wytworzenie nadciśnienia w strefach sąsiadujących ze strefą objętą pożarem, co uniemożliwia wydostanie się dymu z tej strefy i jego niekontrolowane rozprzestrzenianie w obiekcie;
• systemy przepływowe – powodujące powstrzymanie przepływu dymu za pomocą strumienia powietrza o odpowiedniej prędkości, nawiewanego w kierunku przeciwnym do napływającego dymu;
• systemy wyporu dymu – powodujące laminarny wypór dymu w kierunku jego naturalnego przemieszczania się [3].

Skuteczne oddymianie można osiągnąć za pomocą systemu grawitacyjnego – wykorzystującego klapy dymowe lub mechanicznego – przy zastosowaniu wentylatorów wyciągowych.

Ważnym parametrem charakteryzującym prawidłowe działanie systemów grawitacyjnych jest jednak temperatura usuwanego dymu. W systemach grawitacyjnych powinien być on cieplejszy od otaczającego powietrza o co najmniej 20°C, tak aby siła wyporu z łatwością wypychała go przez otwory w stropie czy ścianach [7].

W przypadku budynków wielkokubaturowych, jakimi są kotłownie przemysłowe, podobnie jak w atriach najwłaściwszym systemem ograniczenia rozprzestrzeniania się dymu jest system jego wyporu. Zarówno wyciąg, jak i nawiew mogą być realizowane na zasadzie wykorzystania ciągu grawitacyjnego bądź za pomocą wentylatorów wymuszających przepływ [3].

Techniki oceny skuteczności działania systemu wentylacji pożarowej

Efektywne działanie systemu oddymiania jest decydującym czynnikiem dla bezpieczeństwa użytkowników obiektu, dlatego instalacje systemów wentylacyjnych muszą być bardzo starannie i szczegółowo zaprojektowane. Dodatkowo często okazuje się, że metody projektowania w oparciu o normy lub wytyczne są niewystarczające.

Trudności dotyczące prawidłowego doboru parametrów projektowych systemów wentylacji występują głównie w obiektach nietypowych, o złożonej geometrii i dużej kubaturze.

Wartości obliczone na podstawie wytycznych lub standardów okazują się często zbyt małe lub za duże w stosunku do rzeczywistych potrzeb. Problemy te można rozwiązać, wykorzystując badania i poddając próbie różne warianty projektowe. Niestety, pomiary te są czasochłonne i bardzo kosztowne.

Alternatywą dla tego typu testów jest zastosowanie programów komputerowych, które wykorzystują modele numerycznej mechaniki płynów – CFD (Computational Fluid Dynamics). Są one wykorzystywane w aerodynamice, hydraulice, meteorologii, budownictwie i wielu innych dziedzinach nauki. Stosowanie symulacji komputerowych przy projektowaniu instalacji wentylacji pożarowej pozwala na weryfikację jej skuteczności już na etapie projektowym [8].

Inną metodą badawczą pozwalającą na ocenę skuteczności działania zaprojektowanego systemu wentylacji pożarowej jest przeprowadzanie testów w modelu analizowanego obiektu, wykonanym w odpowiedniej skali.

Przeprowadzanie prób w takim modelu może się odbywać w różnych wariantach, zależnych między innymi od mocy pożaru, miejsca źródła pożaru, typu i miejsca pracy wentylacji. Budowanie modeli ruchu dymu może być wykorzystywane do: badań, analizy rozwiązań projektowych, weryfikacji symulacji CFD czy rekonstrukcji zdarzeń pożarowych.

Kotłownie przemysłowe

Kotłownie przemysłowe to budynki, w których znajdują się bloki energetyczne elektrowni przemysłowych. Są to turbogeneratory współpracujące z kotłem parowym stanowiące autonomiczny system energetyczny w elektrowni kondensacyjnej lub elektrociepłowni. Posiadają systemy dostarczania paliwa i powietrza oraz odprowadzania spalin i popiołu.

Kotłownie przemysłowe różnią się od innych budynków przemysłowych przede wszystkim znacznie większą wysokością (przekraczającą niejednokrotnie nawet 100 m) i brakiem podziału na kondygnacje [15].

Kotłownie przemysłowe można pod wieloma względami potraktować jak szczególny rodzaj atrium. Rozwiązania architektoniczno-budowlane kotłowni odpowiadają rozwiązaniom przyjętym przy budowie atrium, w związku z czym metody stosowane do ich zabezpieczenia można w dużym stopniu wykorzystać przy projektowaniu systemów oddymiania w kotłowniach przemysłowych.

Istnieją atria różnego typu, różniące się zarówno konstrukcją, jak i przeznaczeniem. Zgodnie z klasyfikacją zaproponowaną w Wielkiej Brytanii, pod względem architektonicznym dzielimy je na cztery podstawowe grupy [3]:

• atria sterylne,
• atria zamknięte,
• atria częściowo otwarte,
• atria otwarte.

Drugim kryterium podziału atriów jest sposób ich użytkowania. Pod tym względem wyróżniamy trzy kategorie przedstawione w tab. 1.

W atrium największe znaczenie mają drogi ewakuacyjne w postaci otwartych balkonów, ponieważ pomieszczenia te podatne są na zadymienie, chyba że stosuje się w nich skuteczne systemy zapewniające ochronę przed zadymieniem.

Zagrożenie rozprzestrzeniania się dymu do atrium lub pomieszczeń przylegających jest podstawowym czynnikiem w projektowaniu systemów zapewniających ochronę przed zadymieniem. Ich działanie polega na ograniczeniu powstawania dymu i jego migracji, tym samym zapewniając utrzymanie odpowiednich warunków na wyjściach na drogach ewakuacyjnych.

Systemy przeciwpożarowe projektowane są również, żeby pomóc strażakom oraz ratownikom w prowadzeniu operacji ratownictwa oraz w zlokalizowaniu i kontrolowaniu ognia. Ogólnie rzecz biorąc, środki ochrony dla punktów wyjścia dróg ewakuacyjnych ułatwiają strażakom wejście do budynku i mogą zmniejszyć uszkodzenia mienia. Środki takie mogą również pomóc w usuwaniu skutków wystąpienia pożaru [14].

Projektowanie wentylacji pożarowej kotłowni przemysłowych zgodnie z zasadami oddymiania atriów

Ponieważ podczas normalnej eksploatacji wydzielana jest w kotłowni bardzo duża ilość ciepła pochodzącego z urządzeń technologicznych, które wytwarzają naturalny ciąg termiczny w kierunku stropu, najwłaściwszym rozwiązaniem jest stosowanie oddymiania grawitacyjnego. Charakteryzuje się ono tworzeniem w obiekcie różnicy ciśnień pomiędzy wlotem i wylotem powietrza, napędzanym m.in. prądami powietrza generowanymi przez lokalne źródła ciepła.

W przypadku projektowania wentylacji pożarowej, jako najbardziej niekorzystny scenariusz, rozpatrzony zostanie przykład pożaru na posadzce atrium.

Zgodnie z zasadami powstawania i unoszenia się dymu opisanymi w wytycznych normowych, np. na podstawie normy BS 7346-4:2003, żeby obliczyć temperaturę warstwy dymu, pierwszym krokiem jest wyznaczenie ilości dymu powstającego w trakcie pożaru – Mf. Określa się ją na podstawie wzoru:

(1)

gdzie:

C_e – współczynnik zasysania powietrza do słupa dymu w czasie pożaru ,

wynoszący: 0,19 – dla pomieszczeń, gdzie strop znajduje się w znacznej odległości od posadzki, np. posadzka atrium; 0,337 – dla małych pomieszczeń, jak pokoje hotelowe, pokoje biurowe, małe sklepy itp., z otworami wentylacji z jednej strony;

P – wielkość (obwód) pożaru, m;

Y – wysokość wznoszenia się słupa dymu, założone 80% wysokości pomiędzy posadzką a sufitem, m (rys. 1).

Czynnikiem mającym największy wpływ na przyrost masy dymu powstającego w czasie pożaru jest wysokość wznoszenia się słupa dymu Y (rys. 1). Mierzy się ją od źródła pożaru do zakładanej wysokości dolnej granicy warstwy dymu. Stąd im niższa przyjęta zostanie dolna granica warstwy dymu, tym mniej dymu będzie powstawało i co za tym idzie – tym mniejsza wymagana wydajność instalacji oddymiającej.

Następnym i najważniejszym dla niniejszego opracowania parametrem do obliczenia jest przyrost temperatury dymu w stosunku do temperatury otoczenia, z zależności:

(2)

gdzie:

Q – konwekcyjna część mocy pożaru, liczona jako 80% całkowitej mocy pożaru, kW;

M_f– strumień masowy dymu, kg/s;

c – ciepło właściwe powietrza, kJ/(kg · K).

W dalszej kolejności możliwe jest już wyznaczenie wymaganej wydajności instalacji oddymiającej z zależności:

 (3)

gdzie:

M_f– strumień masowy dymu, kg/s;

T – temperatura dymu, K;

T₀– temperatura otoczenia, K;

r – gęstość powietrza w temperaturze otoczenia, kg/m³.

Nie zawsze możliwe jest usunięcie całej ilości dymu przez jeden punkt wyciągowy. Zależy to zarówno od uzyskanej wymaganej wydajności instalacji oddymiającej, jak i od grubości warstwy dymu d, liczonej od punktu wyciągu dymu do podstawy warstwy dymu. Maksymalną wydajność, jaką można uzyskać przez jeden punkt wyciągowy, wyznacza się z zależności:

 m³/s  

(4)

gdzie:

g – współczynnik przyciągania ziemskiego, m/s²;

d – grubość warstwy dymu, założone 20% wysokości pomiędzy posadzką a sufitem,  m (rys. 1);

θ – przyrost temperatury dymu w stosunku do temperatury otoczenia, K;

T – temperatura dymu, K;

T₀– temperatura otoczenia, K.

Minimalna liczba punktów wyciągowych wynosi zatem:

 (5)

gdzie:

V – wymagana wydajność instalacji oddymiającej, m³/s;

V_max– maksymalna wydajność jednego punktu wyciągowego, m³/s.

Minimalną powierzchnię otworów, przez które zapewniony będzie napływ powietrza uzupełniającego, wyznacza się z zależności:

  (6)

gdzie:

V – wymagana wydajność instalacji oddymiającej, m³/s;

v – maksymalna prędkość napływu powietrza uzupełniającego, m/s.

W przypadku zastosowania systemu oddymiania grawitacyjnego powierzchnię klap dymowych oblicza się na podstawie wzoru:

 (7)

gdzie:

A_v– całkowita powierzchnia klap dymowych, m²;

A_i – całkowita powierzchnia otworów dolotowych, m²;

C_v– współczynnik przepływu dymu przez klapę (zwykle od 0,5 do 0,7);

C_i– współczynnik przepływu powietrza przez otwory dolotowe (ok. 0,6);

M_f– strumień masowy dymu, kg/s;

ρ – gęstość powietrza w temperaturze otoczenia, kg/m³;

g – przyspieszenie ziemskie – 9,81 m/s²;

d – głębokość warstwy dymu pod klapą dymową, m;

θ – przyrost temperatury warstwy dymu powyżej temperatury otoczenia, K;

T – temperatura dymu, K;

T₀– temperatura otoczenia, K.

Przedstawiona powyżej procedura obliczeniowa [3] umożliwia wyznaczanie projektowanej instalacji oddymiającej dla atrium.

W przypadku atrium biurowca i kotłowni przemysłowej głównym czynnikiem, który odróżnia oba przypadki, jest wytwarzane ciepło, które w przypadku wystąpienia pożaru ma istotny wpływ na pracę systemu oddymiającego.

W kotłowniach mamy do czynienia z sytuacją, w której podczas normal­nej eksploatacji wydzielana jest bardzo duża ilość ciepła pochodzącego z kotła i wymaga­jącego ciągłego odprowadzania.

W atrium pasażu handlowego zakładamy temperaturę wewnętrzną równą 20°C, która jest realną wartością występującą w tego typu obiektach. Natomiast istotnie większa temperatura wewnętrzna została założona w przypadku kotłowni przemysłowej – równa 40°C.

W tab. 2 przedstawiono dane wykorzystane do obliczeń i otrzymane wyniki dla atrium, a w tab. 3 dla kotłowni przemysłowej.

Jak wiadomo, najważniejszym parametrem decydującym o możliwości stosowania wentylacji grawitacyjnej i mechanicznej jest przyrost temperatury dymu w stosunku do temperatury otoczenia.

Na podstawie otrzymanych wyników można zauważyć, że wartości przyrostu temperatury dla atrium w biurowcu są dwukrotnie wyższe niż w kotłowni przemysłowej w obu wariantach. Jednak biorąc pod uwagę dwie różne założone temperatury otoczenia wynikające ze specyfiki obiektów, wartości temperatury dymu w obu wariantach będą większe dla kotłowni przemysłowej.

Uwzględniając otrzymane wyniki i zakładając najmniej korzystny wariant temperatury zewnętrznej w porze letniej, tj. 35°C, gorący dym w przypadku kotłowni w dwóch wariantach oraz atrium w wariancie o mocy pożaru 25 MW będzie mógł bez większych problemów zostać odprowadzony przez klapy dymowe.

Natomiast w przypadku pożaru o mocy 5 MW dla atrium temperatura dymu przy przyroście temperatury wynoszącym 7,19°C będzie miała wartość jedynie 27,19°C. Oznacza to, że zbyt chłodny dym nie będzie miał wystarczającej siły unoszenia i nie zostanie odprowadzony przez klapy dymowe, co nie pozwala na zastosowanie w takim przypadku instalacji wentylacji grawitacyjnej.

Najwłaściwszym rozwiązaniem jest zastosowanie wentylacji mechanicznej. Dla kotłowni przemysłowej przy tych samych najmniej korzystnych założeniach temperatura dymu w stosunku do temperatury zewnętrznej w porze letniej jest większa i wynosi 43,45°C przy pożarze o mocy 5 MW i aż 57,26°C w przypadku pożaru o mocy 25 MW (tab. 3).

Oznacza to, że w przypadku pożaru możliwe jest wykorzystywanie do ochrony kotłow­ni tych samych urządzeń wentylacyjnych, które w warunkach normal­nych służą do jej wentylacji, ponieważ mamy wówczas do czynienia ze znacznie większym strumieniem ciepła wydzie­lającego się do otoczenia. Nie ma zatem charakterystycznego dla tak wysokich przestrzeni zagrożenia zatrzymania się dymu na skutek wychłodzenia [15].

Pomimo podobnych rozwiązań architektonicznych i budowlanych w atriach i kotłowniach przemysłowych funkcjonują inne wymagania dotyczące ewakuacji. Przede wszystkim w przypadku kotłowni przemysłowych znacząco mniej jest ewakuującego się personelu, co ma istotny wpływ na krótszy czas korzystania z drzwi ewakuacyjnych w przedsionkach przeciwpożarowych.

Projektowanie systemów wentylacji pożarowej dla kotłowni przemysłowych jako szczególnego przykładu atrium jest jednak zasadne, ponieważ atria są już dobrze poznane pod kątem zasad oddymiania i możliwe jest wykorzystywanie stosowanych dla nich metod projektowania w odniesieniu do kotłowni.

Podsumowanie

Projektowanie systemów pożarowych polegających na odprowadzeniu dymu i ograniczeniu jego rozprzestrzeniania się ma na celu przede wszystkim umożliwienie ewakuacji z budynku przebywających w nim w czasie pożaru osób. Jest to proces wymagający wiedzy o rozprzestrzenianiu się dymu, o jego właściwościach oraz skutkach, jakie przynieść może niekontrolowane unoszenie się dymu i gazów pożarowych w pomieszczeniach.

Dym stanowi bezpośrednie niebezpieczeństwo dla ewakuujących się ludzi z objętego pożarem budynku, ponieważ utrudnia lub uniemożliwia widoczność, powoduje dezorientację i panikę, wydłuża czas i drogę ewakuacji.

W przypadku doboru systemów oddymiania dla atrium i kotłowni przemysłowej ważnym wyznacznikiem jest przyrost temperatury dymu oraz jego temperatura.

Na podstawie uzyskanych wyników można stwierdzić, że w kotłowniach nie ma konieczno­ści stosowania mechanicznych instala­cji oddymiających, ponieważ naturalny ciąg termiczny wytwarzany w wyniku emisji ciepła z kotła gwarantuje sku­teczne odprowadzanie dymu nawet w przypadku pożaru o niewielkiej mocy.

Dodatkowo olbrzymia kubatura tych obiektów zapewnia, że w przypadku niewielkiego pożaru rozrzedzenie dymu będzie tak duże, iż nie stworzy on za­grożenia dla osób mogących tam wówczas przebywać.

Mimo znacznej wyso­kości obiektu nie jest konieczne stosowanie w nim systemu wentylacji mechanicznej z uwagi na występujący stały ciąg grawitacyjny, który nawet przy niewielkiej mocy pożaru spowo­duje odprowadzanie dymu w kierunku punktów wyciągowych i zapobiegnie po­wstaniu stratyfikacji.

Literatura

1.  Kozioł S., Zbrowski M., Metoda poprawy bezpieczeństwa budynków poprzez zastosowanie odzysku ciepła w układach wentylacji pożarowej, „Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza” nr 3/2012, s. 39–46.
2.  Dekajło K., Analiza stabilności przepływów termicznych w pochyłej geometrii, Warszawa 2008.
3. Brzezińska D., Wentylacja pożarowa obiektów budowlanych, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2015.
4. Zaranek P., Analiza stosowalności systemów oddymiania klatek schodowych w oparciu o symulacje CFD, „Inteligentny Budynek” nr 5/2012.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU nr 75, poz. 690, z późn. zm.).
6. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 21 kwietnia 2006 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU nr 80, poz. 563).
7. Węgrzyński W., Krajewski G., Sulik P., Systemy wentylacji pożarowej w budynkach, www.inzynierbudownictwa.pl.
8. Kubicki G., Wentylacja pożarowa w budynkach użyteczności publicznej, „Instal Reporter” nr 11/2013.
9. Klote J. et al., Handbook of Smoke Control Engineering, Wydawnictwo ASHRAE, 2012.
10.  www.e-slownik-geologiczny.pl/liczba-froude-a.
11. Saito K., Ito A., Nakamura Y., Kuwana K., Progress in Scale Modeling, Volume II: Selections from the International Symposia on Scale Modeling, ISSM VI (2009) i ISSM VII (2013), Springer 2014.
12.  Fliszkiewicz M., Krauze A., Maciak T., Badania skuteczności projektowanych instalacji wentylacji oddymiającej, przy wykorzystaniu symulacji CFD, Zeszyty Naukowe SGSP.
13.  Lougheed G.D., Considerations in the Design of Smoke Management Systems for Atriums, Construction Technology Updates No. 48, National Research Council of Canada, December 2000.
14. Lougheed G.D., Basic Principles of Smoke Management for Atriums, Construction Technology Updates No. 47, National Research Council of Canada, December 2000.
15. Brzezińska D., Oddymianie kotłowni przemysłowych. Wymagania prawne i rozwiązania techniczne, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2016.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!