Wentylacja pożarowa garaży – dobór systemu i projektowanie wg ITB 493/2015

Systemy wentylacji pożarowej garaży

Systemy wentylacji pożarowej (samoczynne urządzenia oddymiające) wykorzystywane w garażach można podzielić z uwagi na ich cel działania na trzy typy:

• przewodowa wentylacja oddymiająca – wentylacja zapewniająca usuwanie dymu z warstwy zgromadzonej pod stropem i utrzymanie wolnej od dymu przestrzeni, w której możliwa jest ewakuacja i prowadzenie działań ratowniczo-gaśniczych,
• systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła – system, którego zadaniem jest utrzymanie dymu w wyznaczonym obszarze pomiędzy źródłem ognia a miejscem jego usuwania w taki sposób, aby zapewnić łatwy dostęp do źródła ognia dla ekip ratowniczych, jednocześnie istotnie obniżając jego temperaturę i stężenie dymu czy toksycznych produktów spalania,
• systemy oczyszczania z dymu (ang. Smoke Clearence, dilute) – system, którego zadaniem jest usuwanie dymu zmieszanego z napływającym powietrzem kompensacyjnym, przez co zmniejsza się jego temperatura i obniżone zostaje stężenie dymu i toksycznych produktów spalania.

Z uwagi na rodzaj stosowanych urządzeń w wytycznych ITB 493/2015 [1] systemy wykorzystywane w garażach zamkniętych dzieli się na:

• systemy wentylacji przewodowej (kanałowej), będące zazwyczaj systemami wentylacji oddymiającej, oraz
• systemy wentylacji strumieniowej, pracujące z reguły jako systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła.

Obydwa rodzaje urządzeń mogą zostać wykorzystane jako systemy oczyszczania z dymu, przy czym w praktyce większość systemów tego typu to systemy wentylacji strumieniowej.

Graficzne przedstawienie systemów wentylacji pożarowej ujętych w wytycznych ITB 493/2015, pokazano na rys. 1.

Wentylacja oddymiająca zapewnia utrzymanie dymu i innych produktów spalania na pożądanej wysokości ponad drogami ewakuacji poprzez ich usuwanie bezpośrednio z obszaru tzw. zbiornika dymu.

W przypadku garaży zamkniętych typowym systemem wentylacji oddymiającej jest wentylacja przewodowa. W systemie wentylacji oddymiającej dym usuwany jest bezpośrednio spod stropu oddymianej przestrzeni poprzez rozprowadzone pod nim przewody i kratki wyciągowe. Dzięki takiemu działaniu w całym czasie jego pracy widoczny jest podział przestrzeni w garażu na dwie warstwy – utrzymującą się pod stropem warstwę gorącego dymu oraz wolną od zagrożenia warstwę czystego powietrza.

Odmienne działanie mają systemy wentylacji strumieniowej. Autorzy podzielili je na działające jako:

• systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła lub jako
• systemy oczyszczania z dymu.

W systemie wentylacji strumieniowej, jak w każdym systemie wzdłużnym, powietrze transportowane jest całym przekrojem poprzecznym garażu do wybranych punktów wyciągowych.

Różnica pomiędzy systemami kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła a systemami oczyszczania z dymu polega na skuteczności, z jaką ograniczane jest rozprzestrzenienie się dymu w garażu:

• systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła zapewniają utrzymanie dymu w ściśle określonej, ograniczonej przestrzeni pomiędzy źródłem pożaru a punktem wyciągowym, przez co ułatwiają prowadzenie działań ratowniczo-gaśniczych;
• systemy oczyszczania z dymu, zwane także systemami rozcieńczania dymu, nie są w stanie zapewnić wolnego od dymu dostępu do źródła ognia, a ich działanie ogranicza się do obniżenia stężenia dymu i temperatury w takim stopniu, aby możliwe było podjęcie działań ratowniczo-gaśniczych.

Wbrew zapewnieniom niektórych dostawców urządzeń zamiana systemu przewodowego na strumieniowy (lub odwrotnie) nie jest łatwym przedsięwzięciem. Przede wszystkim obydwa rodzaje systemów cechuje różne zapotrzebowanie na wydajność wentylatora wyciągowego. Wydajność wentylacji strumieniowej jest zazwyczaj zdecydowanie wyższa niż wydajność systemu wentylacji oddymiającej dla tej samej przestrzeni.

Drugim aspektem jest doprowadzenie powietrza kompensacyjnego – o ile w przypadku wentylacji oddymiającej korzystne jest wielopunktowe doprowadzenie powietrza za pomocą małych szachtów, dla wentylacji strumieniowej często potrzebne są szachty pozwalające wtłoczyć dużą ilość powietrza w jednym miejscu, ukierunkowując w ten sposób przepływ w całej kubaturze garażu. Zmiana systemu powinna być zawsze poprzedzona analizami CFD oraz rzetelnym rachunkiem kosztów i zysków.

Dobór systemu wentylacji

Dobór systemu wentylacji pożarowej dla analizowanego obiektu ma kluczowe znaczenie w kontekście celu stosowania systemu. System wentylacji oddymiającej może być stosowany we wszystkich rodzajach garaży bez względu na wielkość strefy pożarowej. Podobnie system wentylacji strumieniowej działający jako system kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła może być stosowany we wszystkich rodzajach garaży bez względu na wielkość strefy pożarowej, przy czym projektując tego typu system, należy mieć na uwadze możliwe problemy z jego zastosowaniem w obiekcie o skomplikowanej architekturze.

Systemy wentylacji strumieniowej działające jako systemy oczyszczania z dymu mogą być stosowane w garażach, w których prawdopodobieństwo jednoczesnego przebywania dużej liczby użytkowników jest niewielkie (zazwyczaj budynki ZL IV i V).

Maksymalna powierzchnia garażu, w którym wytyczne ITB 493/2015 dopuszczają zastosowanie systemu oczyszczania z dymu, to 5000 m², co odpowiada maksymalnej dopuszczonej rozporządzeniem w sprawie warunków technicznych [2] powierzchni strefy pożarowej garażu, bez powiększeń. Maksymalna powierzchnia jednej strefy dymowej w przypadku systemów tego typu nie powinna przekraczać 2600 m².

W garażach o większej powierzchni oraz w obiektach, w których prawdopodobna jest obecność dużej liczby użytkowników jednocześnie (np. ZL I, III), zamiast systemu oczyszczania z dymu należy stosować wentylację strumieniową działającą jako system kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła lub wentylację oddymiającą.

Ponieważ system oczyszczania z dymu jest najmniej efektywnym rozwiązaniem wentylacji pożarowej garażu, nie powinien również stanowić rozwiązania zamiennego przedstawianego w ekspertyzie pożarowej w myśl § 2 ust. 1 warunków technicznych [2] czy wniosku o odstępstwo w myśl § 9 ustawy Prawo budowlane [3]. Oznacza to, że w obiektach, w których projektantom zależy na zapewnieniu wyższego niż minimalny poziom bezpieczeństwa, należy stosować systemy przewodowej wentylacji oddymiającej lub systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła.

W doborze systemu wentylacji pożarowej ważna jest także wysokość garażu. Doświadczenia zgromadzone w ITB w tym zakresie sugerują, że minimalna wysokość garażu zalecana przy projektowaniu skutecznych systemów wentylacji pożarowej wynosi około 2,90 m, przy czym w przypadku systemów przewodowej wentylacji oddymiającej w garażu o takiej wysokości wykonanie systemu może być niemożliwe z uwagi na wymiary przewodów niezbędne do zapewnienia wymaganej wydajności systemu.

W wielu krajach zachodnich (np. Belgii) wykonanie systemu wentylacji oddymiającej w garażu o wysokości mniejszej niż 3,50 m jest niedopuszczalne. Przy doborze systemu należy brać pod uwagę lokalne obniżenia wysokości stropu. Zaleca się, aby ich sumaryczna powierzchnia w stosunku do powierzchni rzutu poziomego garażu nie przekraczała 20%. Przeszkody tego typu powinny być odzwierciedlane w modelu numerycznym garażu powstałym na potrzeby analiz z wykorzystaniem metody CFD.

Zastosowanie systemu wentylacji pożarowej w garażu niższym niż 2,90 m jest także możliwe, o ile na drodze analiz CFD, przeprowadzonych według zaleceń zawartych w wytycznych, udowodnione zostanie, że zmniejszona wysokość garażu nie wpłynie na obniżenie poziomu bezpieczeństwa w budynku oraz nie zostaną przekroczone kryteria oceny.

Systemy wentylacji pożarowej mogą być stosowane w garażach wyposażonych w samoczynne stałe urządzenia gaśnicze wodne (np. instalację tryskaczową). Obecność stałego urządzenia gaśniczego wpływa w sposób istotny na moc pożaru, który może powstać w garażu, co bezpośrednio przekłada się na wymaganą wydajność systemów.

W garażach, w których obecna jest zarówno instalacja wentylacji pożarowej, jak i stałe urządzenie gaśnicze, jego elementy, takie jak tryskacze, czujki temperatury itp., nie powinny być instalowane w miejscu, w którym w czasie potrzebnym na ich uruchomienie będą narażone na przepływ powietrza wywołany działaniem wentylacji pożarowej o prędkości większej niż 1 m/s.

W wielu projektach instalacji stałych urządzeń gaśniczych wodnych przyjmuje się założenie, że działanie systemu wentylacji pożarowej nie spowoduje opóźnienia zadziałania instalacji tryskaczowej. W związku z przedstawionymi powyżej problemami obydwa projekty powinny być ze sobą skoordynowane. W uzasadnionych przypadkach w odniesieniu do systemów wentylacji strumieniowej uruchomienie wentylatorów strumieniowych lub innych elementów systemu wentylacji pożarowej w garażu może zostać opóźnione do momentu otrzymania sygnału z zaworu kontrolno-alarmowego instalacji tryskaczowej.

Proces projektowania

Aby ułatwić proces projektowania systemów wentylacji pożarowej garaży, autorzy przygotowali trzy schematy blokowe prezentujące właściwą kolejność prac dla każdego z opisywanych systemów. Co ważne, każdemu projektowi towarzyszy analiza CFD prowadzona według zaleceń rozdziału 7 wytycznych [1].

Analiza ta nie jest jedynie zwieńczeniem procesu projektowego, lecz jej nadzwyczaj ważnym krokiem. Częstą sytuacją jest powrót do rozważań koncepcyjnych po wstępnych analizach CFD, co pozwala na zaprojektowanie doskonalszego systemu, wkomponowanego w specyfikę architektoniczną budynku. Wbrew powszechnej opinii, błędne wyniki oceny nie stanowią dużego problemu dla projektanta – istnieje wiele działań, które mogą zdecydowanie zwiększyć skuteczność projektowanego systemu po jego wstępnej diagnozie z wykorzystaniem narzędzi numerycznych.

Wentylacja oddymiająca

W szacowaniu wydajności systemu wentylacji oddymiającej niezbędne jest określenie wysokości warstwy wolnej od dymu, która będzie podstawowym parametrem w późniejszych obliczeniach. Następnie, po podziale obiektu na strefy dymowe, następuje określenie wymaganej wydajności systemu (rys. 2). Projektant może określić jej wartość z wykorzystaniem metod analitycznych lub zawartych w wytycznych nomogramów doboru.

Po określeniu wydajności wyciągu dymu należy określić sposób doprowadzenia powietrza kompensacyjnego do garażu oraz rozmieścić punkty nawiewne i wyciągowe. Należy mieć na uwadze możliwe niekorzystne zjawiska fizyczne związane ze zbyt dużą prędkością przepływu powietrza – w przypadku punktów nawiewnych zjawisko mieszania się wprowadzanego powietrza z dymem, a w przypadku punktów wyciągowych przeciąganiem czystego powietrza przez warstwę dymu (ang. plugholing).

Znając rozmieszczenie punktów wyciągowych oraz sposób kompensacji, można przejść do weryfikacji działania systemu z wykorzystaniem metody CFD. Jeżeli analiza CFD nie da pozytywnego wyniku, należy przede wszystkim poddać dogłębnej analizie obszar przy punktach nawiewnych – zbyt duża prędkość nawiewu, obok zbyt małej wydajności systemu, to najczęstszy powód nieskutecznego działania systemu wentylacji przewodowej.

Czasem do zwiększenia skuteczności wystarczy także zwiększenie liczby punktów wyciągu dymu. Oczywiście ostatecznym narzędziem w rękach projektanta jest zwiększenie wydajności systemu lub zmiana podziału na strefy dymowe. Jeżeli system okazał się skuteczny, pozostaje jedynie dobrać właściwe klasy temperaturowe oraz parametry pracy urządzeń.

Proces projektowania

Wentylacja strumieniowa – kontrola dymu i ciepła

Aby uprościć wstępne wymiarowanie systemów, autorzy w wytycznych przedstawili nomogramy doboru wydajności systemu dla garaży o szerokości do 32 m (rys. 3). W przypadku garaży szerszych nie jest możliwe (oraz ekonomicznie uzasadnione) uzyskanie jednorodnej prędkości przepływu w całej jego szerokości, przez co niezbędne jest wykorzystanie innych narzędzi do określenia wydatku – dla ITB 493/2015 tym narzędziem są analizy CFD.

W przypadku wentylacji strumieniowej ewakuacja osób musi zostać uwzględniona już we wczesnym stadium projektu. Dobór wentylatorów, kierunki ich działania czy sposób doprowadzenia powietrza kompensacyjnego muszą być przeprowadzone tak, aby chronić jak największą liczbę dróg ewakuacji i wyjść z garażu.

Jeśli system nie działa skutecznie, pierwszym krokiem do jego poprawy jest weryfikacja sumarycznej siły ciągu wentylatorów strumieniowych. Jeżeli wentylatory strumieniowe poruszą zbyt dużo powietrza, którego nie odbierze szacht, możliwa jest obserwacja „rozdmuchiwania” dymu po garażu poprzez ruch powietrza „pod prąd” w kierunku działania wentylatorów – rys. 4.

Zjawisko to najczęściej obserwowane jest przy ścianach, gdzie wzmacnia je efekt Coandy. Rozwiązaniem tego problemu nie jest zatem dodanie wentylatorów strumieniowych, lecz wręcz zmniejszenie ich liczby (a raczej lepsze określenie, które wentylatory są nam niezbędne w danym scenariuszu).

Bez względu na działanie wentylatorów sama wydajność systemu musi wystarczać do odebrania całego dymu powstałego w pożarze – bez właściwego wydatku żadna liczba wentylatorów strumieniowych nie zmieni złego systemu w dobry. Ważne jest także właściwe doprowadzenie powietrza – projektant powinien zwrócić szczególną uwagę, czy brama wjazdowa do garażu jest otwarta.

Innymi słowy – jeżeli projektant nie zapewni jej otwarcia, zrobią to za niego służby ratownicze, często nieświadomie zmieniając sposób działania systemu. Innym częstym problemem pojawiającym się w przypadku szczelnych przestrzeni (np. garaże położone głęboko pod ziemią) jest wytworzenie w przestrzeni garażu zbyt dużego podciśnienia lub nadciśnienia w wyniku niewystarczającej grawitacyjnej kompensacji powietrza.

Wentylatory usuwają niezmienną objętość powietrza, jednak jego masa zmniejsza się w wyniku rozprężenia termicznego gazów pożarowych. Może to oznaczać, że zbilansowane dla temperatury otoczenia nawiew i wyciąg przestają sobie odpowiadać, a w garażu następuje podniesienie ciśnienia względem otaczającej przestrzeni (np. klatek schodowych). Skutkiem jest np. zadymienie pionowych dróg ewakuacji lub przekroczenie kryterium siły niezbędnej do otwarcia drzwi na klatkę. Obserwacja powyższego zjawiska możliwa jest podczas oceny rozkładu ciśnienia w garażu w trakcie analizy CFD.

Proces projektowania

Wentylacja strumieniowa – oczyszczanie z dymu

Wymagania stawiane systemom oczyszczania z dymu są zdecydowanie niższe, niż systemom kontroli. (rys. 5) Z założenia dopuszcza się zadymienie całego obszaru garażu, a jedynym skutkiem pożaru, na który system ma wpływ, jest temperatura dymu. Skutki pożaru w garażu z systemem oczyszczania będą większe niż w garażu z wentylacją oddymiającą czy systemem kontroli dymu i ciepła, jednak często rachunek ekonomiczny i społeczno-ekonomiczny koszt pożaru nie uzasadniają wykorzystania systemu droższego.

W przypadku systemu oczyszczania z dymu punktem wyjścia może być przyjęcie wydajności systemu 160 000 m³/h. Ta „magiczna liczba” powstała jako uśrednienie wyniku licznych analiz w ITB jako wartość, przy której w większości garaży udało się osiągnąć zamierzony cel działania (a poniżej tej wartości było to zazwyczaj niemożliwe). Nie jest to jednak jedyna właściwa wydajność – nierzadko, szczególnie w bardzo małych kubaturach, niezbędne jest podniesienie tej wartości tak, aby uzyskać wymaganą temperaturę dymu w garażu.

Co zrobić, jeżeli analiza CFD wykaże nieskuteczne działanie systemu? Projektant ma niewiele narzędzi, którymi może wpłynąć na system oczyszczania z dymu. W przypadku odnotowania zbyt wysokiej temperatury dymu niezbędne jest zwiększenie wydajności wyciągu lub zmiana bilansu powietrza nawiewanego do garażu.

Należy podkreślić, że system oczyszczania z dymu może zostać zrealizowany także z wykorzystaniem wyciągu przewodowego, co nie zostało ujęte w wytycznych ITB 493/2015, ale jest przedmiotem prac i zostanie uwzględnione w przyszłości.

Podsumowanie

Wytyczne ITB 493/2015 stanowią bogate opracowanie dotyczące projektowania systemów wentylacji pożarowej garaży zamkniętych przeznaczonych dla samochodów osobowych. Poza problematyką związaną z procesem projektowym w wytycznych zawarto rekomendacje związane z oceną działania systemów i ich wymiarowaniem, prowadzeniem analiz CFD czy badaniami in-situ.

Uzupełnieniem wiedzy zawartej w wytycznych ITB 493/2015 mogą być inne publikacje autorów dotyczące:

• wykorzystania zaawansowanych narzędzi w procesie projektowania oraz doboru pożaru projektowego [4],
• często popełnianych błędów w projektowaniu garaży [5] oraz
• wpływu użytkownika modelu numerycznego na wynik prowadzonej analizy [6].

Literatura

1. Węgrzyński W., Krajewski G., Systemy wentylacji pożarowej garaży. Projektowanie, ocena, odbiór, 493/2015, Instytut Techniki Budowlanej, 2015.
2. 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.).
3. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (DzU nr 89/1994, poz. 414, z późn. zm.).
4. Krajewski G., Węgrzyński W., Wykorzystanie narzędzi inżynierii bezpieczeństwa pożarowego w projektowaniu i odbiorze systemów wentylacji pożarowej garaży zamkniętych, „Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza – BiTP” Vol. 36, Issue 4, 2014, p. 141–156.
5. Krajewski G., Węgrzyński W., Wentylacja pożarowa garaży – błędy projektowe i wykonawcze, „Materiały Budowlane nr 10/2014, s. 141–143.
6. Węgrzyński W., Krajewski G., Dobór modeli oraz warunków brzegowych a wynik analizy numerycznej rozprzestrzeniania się dymu i ciepła, „Materiały Budowlane” nr 10/2014, w. 144–146.