Wyniki badań obiektowych systemu oddymiania klatek schodowych ze zmiennym nawiewem mechanicznym

Wieloletnie doświadczenia praktyczne wskazują, że przebieg pożaru jest zjawiskiem o zmiennej dynamice.

W zależności od rodzaju palącego się materiału oraz ilości powietrza docierającego do objętego pożarem pomieszczenia, podczas całego zdarzenia zmienia się strumień masowy, skład i temperatura tworzącego się dymu. Zmiany te powodują, że docierający na klatkę schodową strumień dymu nie ma ustalonej stałej wielkości ani temperatury.

Również sama klatka schodowa wraz z przyległymi do niej pomieszczeniami nie jest przestrzenią o niezmiennym poziomie szczelności i ustalonych warunkach ciągu termicznego.

W przypadku klatek wydzielonych i oddzielonych od pomieszczeń przyległych mamy najczęściej do czynienia z przestrzenią o wysokim stopniu szczelności, gdzie zachowanie ukierunkowanego przepływu powietrza w kierunku urządzeń oddymiających jest zadaniem stosunkowo prostym.

Sytuacja komplikuje się jednak, kiedy trzeba uwzględnić zmiany szczelności klatki schodowej związane z ewakuacją jednej lub kilku kondygnacji, procedurami stosowanymi przez jednostki ratowniczo-gaśnicze (np. blokowanie w pozycji otwartej drzwi na poziomie wyjścia z budynku) oraz rozszczelnieniem pomieszczenia objętego pożarem (np. wypadnięcie lub wybicie okien).

Podobnie, a nawet jeszcze bardziej złożonym układem hydraulicznych połączeń są klatki wraz z nieoddzielonymi przestrzeniami korytarzy lub rozległymi spocznikami.

Pożar z równym prawdopodobieństwem wybuchnąć może o każdej porze roku i przy praktycznie każdej pogodzie. Warunki atmosferyczne wpływają natomiast na rozkład ciśnienia w przestrzeni klatki schodowej oraz sposób działania urządzeń oddymiających.

Poza koniecznością spełnienia wymagań określonych w § 68 WT [1] układ geometryczny samej klaki schodowej uzależniony jest głównie od wyobraźni architekta. Układ dróg pionowej ewakuacji wpływa na rozkład oporu przepływu powietrza oraz wymianę ciepła z przegrodami budowlanymi.

W celu opracowania rozwiązań technicznych o najwyższej efektywności, uwzględniających opisane powyżej zmienne, zrealizowany został program badawczy pod nazwą bezpiecznaewakuacja.pl. Program obejmował badania obiektowe (testy z ciepłym dymem oraz próby pożarowe) i szeroki zakres analiz numerycznych. Ich wynikiem było opracowanie systemu oddymiania wspomaganego zmiennym nawiewem mechanicznym.

Badania pozwoliły również określić warunki skuteczności i zakres bezpiecznego stosowania systemów oddymiania grawitacyjnego. 

Jednocześnie wraz z wprowadzeniem nowych rozwiązań technicznych konieczne było opracowanie wytycznych projektowych pozwalających na dobór wielkości urządzeń wykonawczych zarówno zoptymalizowanego systemu oddymiania grawitacyjnego, jak i systemu oddymiania z nawiewem mechanicznym. Dokumentem takim są wytyczne CNBOP-PIB W-0003 [2]. Jest to pierwszy i na razie jedyny standard projektowy opisujący zakres zastosowania i metodę projektowania wymienionych powyżej rozwiązań.

Skutki działania różnych systemów oddymiania klatki schodowej

Pomimo niższego poziomu ochrony niż w przypadku systemów różnicowania ciśnienia (całkiem innego sposobu i celu działania) zastosowanie nawiewu mechanicznego ze zmienną wydajnością ma wiele zalet. System taki pozwala uniezależnić skuteczność oddymiania od warunków otoczenia zewnętrznego, takich jak temperatura czy wpływ wiatru.

Skuteczność jego działania zachowana jest również przy zmieniających się warunkach rozwoju pożaru oraz stopniu szczelności klatki schodowej i pomieszczenia, w którym wybuchł pożar. Warunkiem jest jednak prawidłowe wykonanie takiej instalacji, oparte na właściwych założeniach. Ponieważ jednak wytyczne CNBOP-PIB poza procedurą doboru wielkości urządzeń wykonawczych systemu nie określają technicznych aspektów koniecznych dla prawidłowego działania całej instalacji, konieczne są w tym zakresie dodatkowe wyjaśnienia.

Wraz z opublikowaniem wytycznych CNBOP-PIB pojawiły się opinie, że zastosowanie nawiewu kompensacyjnego powodować może niebezpieczny wzrost nadciśnienia w przestrzeni klatki schodowej. W warunkach zadymienia nadciśnienie takie wywoływać może wtłaczanie dymu przez nieszczelności w stolarce budowlanej do pomieszczeń przylegających do klatki schodowej. Jest to stwierdzenie częściowo słuszne, ale nie dla właściwie skonfigurowanego systemu. Najlepszym wyjaśnieniem tego problemu będzie omówienie wyników trzech testów pożarowych.

Przebieg testów pożarowych

Testy zostały wykonane dla trzech różnych sposobów oddymiania klatki schodowej.

• W pierwszym przypadku zastosowano w pełni grawitacyjny system oddymiania, złożony z klapy dymowej oraz napływu kompensacyjnego przez drzwi klatki schodowej znajdujące się na parterze.
• W drugim wariancie otwarcie drzwi zastąpiono nawiewem mechanicznym ze stałą wydajnością 14 000 m³/h.
  
• Trzecie badanie wykonane zostało dla nawiewu kompensacyjnego ze zmienną wydajnością, dla którego podstawą regulacji było założenie utrzymania stałego przepływu przez urządzenie oddymiające na poziomie 14 000 m³/h.

Badania doświadczalne wykazały, że największy wpływ na wzrost nadciśnienia w górnej części przestrzeni klatki schodowej ma temperatura wypływających na klatkę gazów pożarowych. Potwierdzają to wyniki przeprowadzonych testów pożarowych, realizowanych według wspólnego scenariusza.

W każdym eksperymencie pożar inicjowany był na jednej z identycznych kanap, kupionych w popularnym sklepie meblowym. W początkowej fazie pożaru wypalała się pianka oraz tkanina obiciowa z oparcia. Następnie ogień rozprzestrzeniał się na siedzisko i stopniowo przenosił na pozostałe elementy wyposażenia pomieszczenia (meble wykonano głównie z płyt laminowanych) (fot. 1 i fot. 2).

Testy pożarowe prowadzone były przez kilkanaście minut od momentu zainicjowania pożaru, po czym straż pożarna przystępowała do gaszenia pomieszczenia (fot. 3).

W trakcie jednego z testów pożarowych opóźniono decyzję o gaszeniu, co spowodowało rozgorzenie w przestrzeni testowej. Podczas tego testu do przestrzeni klatki schodowej chwilowo wpływały gazy pożarowe o bardzo wysokiej temperaturze – przekraczającej 500°C (pożar testowy nr 2).

Czytaj też: Systemy oddymiania klatek schodowych – nowe wytyczne projektowe >>>

Przepływ powietrza i dymu

W pierwszej kolejności należy wyjaśnić kwestię wielkości przepływu powietrza i dymu w przestrzeni klatki schodowej.

Podczas próby pożarowej wykonanej przy działaniu na klatce schodowej klasycznego systemu oddymiania grawitacyjnego pomierzony przepływ powietrza i dymu przez klapę dymową dochodził do 19 000 m³/h (rys. 1). Przepływ taki wynikał wyłącznie z naturalnych zjawisk rozprężania gazów pożarowych oraz ich silnego mieszania się z chłodnym powietrzem w przestrzeni klatki schodowej.

Bardzo podobne wielkości strumienia powietrza pomierzone zostały podczas testu pożarowego nr 3, kiedy testowano działanie systemu oddymiania wspomaganego nawiewem mechanicznym o zmiennej wydajności (rys. 2).

Nadciśnienie w przestrzeni klatki schodowej

Właściwie skonfigurowany system oddymiania ze zmiennym nawiewem mechanicznym pozwala na utrzymanie minimalnego poziomu nadciśnienia w górnej części klatki schodowej. Tezę tę potwierdzają m.in. wyniki testów dymowych i prób pożarowych przeprowadzonych w dziewięciokondygnacyjnym budynku, w ramach wspomnianego wcześniej projektu badawczego.

Podczas pożaru testowego nr 2 sprawdzana była efektywność działania systemu oddymiania wspomaganego nawiewem mechanicznym o stałej wydajności ok. 14 000 m³/h. W takich warunkach gwałtowny przyrost strumienia objętościowego w połączeniu ze stałą wydajnością wentylatora dostarczającego powietrze kompensacyjne spowodował znaczny wzrost nadciśnienia w górnej części klatki schodowej, co ilustruje rys. 3.

Wzrost nadciśnienia podczas pożaru testowego nr 2 spowodowany był przepływem bardzo dużego strumienia gorących gazów pożarowych (temperatura dymu w otoczeniu klapy dymowej dochodziła do 200°C), który zwiększony był dodatkowo stałą wielkością nawiewanego strumienia powietrza kompensacyjnego. Łącznie przez klapę dymową w fazie rozwiniętego pożaru przepływało ponad 45 000 m³/h mieszaniny dymu i powietrza (rys. 4). Eksperyment ten wykazał, że taka metoda kompensacji w warunkach rozwiniętego pożaru może stwarzać zagrożenie zwiększonego przenikania dymu do pomieszczeń przyległych do przestrzeni klatki schodowej.

Jednym z głównych zadań zmiennego nawiewu kompensacyjnego, odróżniającym go od nawiewu ze stałą wydajnością, jest utrzymanie bezpiecznej gradacji ciśnienia. W tym przypadku wzrost nadciśnienia w pobliżu punktu oddymiania byłby sygnałem dla ograniczenia wydajności wentylatora napowietrzającego.

Rozwiązanie problemu niekontrolowanego wzrostu ciśnienia w górnej części klatki schodowej potwierdzają wyniki badań obiektowych.

W próbie pożarowej nr 3, gdzie do odprowadzenia dymu i ciepła zastosowany został zestaw urządzeń ze sterowanym nawiewem mechanicznym, strumień powietrza przepływającego przez klatkę schodową mieścił się w zakresie określonym przez wytyczne CNBOP-PIB.

Faktyczne, zmierzone nadciśnienie w górnej części klatki schodowej było dużo mniejsze od obserwowanego podczas próby pożarowej nr 2.

Ciekawe jest również porównanie wyników parametru nadciśnienia z testu nr 3 z testem nr 1, który dotyczył skuteczności systemu oddymiania grawitacyjnego. Wyniki badań zilustrowane zostały wykresami różnicy ciśnienia pomiędzy górną przestrzenią klatki schodowej a przestrzenią otaczającą.

Rys. 5 ilustruje zmiany w układzie ciśnienia podczas stosowania nawiewu grawitacyjnego, natomiast rozkład ciśnienia podczas stosowania systemu oddymiania ze zmienną wydajnością nawiewu kompensacyjnego przedstawiono na rys. 6.

Wyniki testów jednoznacznie wskazują, że w warunkach pożaru, zarówno przy zastosowaniu klasycznego układu oddymiania grawitacyjnego, jak i właściwie skonfigurowanego systemu oddymiania z nawiewem mechanicznym o zmiennej wydajności, odnotowuje się praktycznie identyczny poziom nadciśnienia w sąsiedztwie urządzeń oddymiających. Nadciśnienie to nie przekracza jednak 5 Pa, co uznać można za wartość bezpieczną dla sąsiednich pomieszczeń.

Oczywiście dym napływający do klatki schodowej może stopniowo przenikać do przestrzeni przyległych w ilościach proporcjonalnych do poziomu szczelności przegród budowlanych wydzielających przestrzeń klatki schodowej. Jest to jednak problem, który dotyczy zarówno systemów oddymiania grawitacyjnego, jak i wspomaganego nawiewem mechanicznym.

Warto pamiętać, że warunkiem zminimalizowania oddziaływania dymu na przestrzenie przyległe jest jak najszybsze usunięcie dymu z przestrzeni klatki schodowej.

Wszystkie testy i symulacje potwierdzają, że w tym zakresie najlepsze, najbardziej efektywne i odporne na zmienne warunki otoczenia jest zastosowanie zmiennego nawiewu mechanicznego w systemie oddymiania, przy czym wielkość nawiewu powinna zostać ustalona przy założeniu działania instalacji w różnych warunkach otoczenia zewnętrznego i przy realizacji różnych scenariuszy działania w obrębie pionowych dróg ewakuacji. Takie założenia były podstawą opracowania metody obliczeniowej przedstawionej w wytycznych CNBOP-PIB W-0003.

Parametry obliczeniowe w wytycznych CNBOP-PIB

Wytyczne CNBOP-PIB zawierają opis procedury obliczeniowej wielkości urządzeń wykonawczych systemów oddymiania wspomaganego zmiennym nawiewem mechanicznym. Podane zostały również pewne umowne parametry, takie jak średni przepływ powietrza w przekroju powierzchni obliczeniowej klatki schodowej 0,2 m/s, nadciśnienie 15 Pa i prędkość w otwartych drzwiach 1,0 m/s.

Wielkości te zastosowane w prostych zależnościach matematycznych (m.in. opartych na zapisach PN-EN 12101-6) pozwalają na dobór wielkości urządzeń wystarczającej do skutecznego działania systemu również w warunkach działania ekip ratowniczo-gaśniczych.

Wytyczne w żadnym przypadku nie zalecają spełnienia warunku nadciśnienia w klatce schodowej lub warunku prędkości przepływu na drzwiach prowadzących do, lub z klatki schodowej.

Podsumowanie

• Zastosowanie systemu oddymiania wspomaganego sterowanym nadążnie nawiewem mechanicznym stanowi optymalne pod względem inżynierskim rozwiązanie usuwania dymu i ciepła z przestrzeni klatki schodowej.
• Instalacja taka, zaprojektowana zgodnie z zaleceniami opisanymi w wytycznych CNBOP-PIB W-0003, pozwala na stabilną i pewną pracę całego systemu przy dynamicznie zmieniających się warunkach podczas pożaru.
• Jest to również rozwiązanie zapewniające wysoki poziom bezpieczeństwa zarówno podczas ewakuacji pięter poniżej kondygnacji objętej pożarem, jak i prowadzenia działań gaśniczych.

Literatura

1. 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, ze zm.).
2. Kubicki G., Ratajczak D., Kiełbasa T., Systemy oddymiania klatek schodowych, Wytyczne CNBOP-PIB W-0003:2016, wyd. 1, grudzień 2016.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!