Wentylacja pożarowa garaży – symulacje numeryczne (CFD) wg ITB 493/2015

Analizy numeryczne z wykorzystaniem metody CFD kojarzą się często z najnowocześniejszymi zdobyczami nauki i techniki. Ich podstawa, czyli równania Naviera-Stokesa opisujące zasadę zachowania pędu w płynie, znane są ludzkości od ponad 150 lat. Wciąż jednak nie znamy ich bezpośredniego rozwiązania – na geniusza, który tego dokona, czeka nagroda Instytutu Claya w wysokości 1 mln dol.

Praktyczne wykorzystanie równań N-S umożliwiły po ponad 100 latach metody numeryczne, do dziś rozwiązanie to przeprowadzane jest poprzez uzupełnienie równania zachowania pędu modelami upraszczającymi ruch turbulentny, tzw. modelami turbulencji. Z biegiem lat i rozwojem metod numerycznych oraz rosnącą mocą ogólnodostępnych komputerów rosły możliwości modeli CFD i ich potencjalne zastosowania.

Wykorzystanie modeli numerycznych w przewidywaniu rozwoju pożarów w obiektach budowlanych nakreślił m.in. Emmons [2], przy czym dopiero gwałtowny przyrost mocy komputerów w ostatnich 25 latach umożliwił wykorzystanie komputerowych modeli CFD jako podstawowego narzędzia inżynierskiego w obszarze bezpieczeństwa pożarowego.

Za kamień milowy tego procesu można uznać opracowanie przez amerykański ośrodek NIST oprogramowania Fire Dynamics Simulator (FDS) [3], będącego ogólnodostępnym, otwartym i darmowym modelem CFD na potrzeby inżynierii bezpieczeństwa pożarowego.

Analizy CFD rozprzestrzeniania się dymu i ciepła w obiektach budowlanych, najpierw akademickie, później komercyjne, zyskiwały na dokładności, a czas niezbędny na ich przeprowadzenie zmniejszał się z każdą dekadą.

Narzędzia, dostępne niegdyś tylko dla najpotężniejszych agend rządowych, dziś goszczą na przenośnych komputerach każdego studenta inżynierii środowiska.

Wykorzystanie symulacji komputerowych w inżynierii bezpieczeństwa pożarowego stało się nieodłącznym elementem większości projektów budowlanych [4], do tego stopnia, że często niezwykle trudnym zadaniem jest uzasadnienie braku analiz CFD w sytuacjach, w których są one zbędne.

Metody numeryczne

Podstawą działania modeli CFD są układy równań różniczkowych opisujących ruch płynu w badanym obszarze i czasie. Jest to podejście zgoła odmienne od wykorzystywanego w modelowaniu strefowym.

Zamiast modelowania oczekiwanych zjawisk będących skutkami pożaru, wynikiem modelowania CFD jest opis przepływu płynu w rozpatrywanej przestrzeni.

Poprawne rozwiązanie numeryczne powinno dać wynik zbliżony do rzeczywistego przepływu płynu w sytuacji pożarowej. Model numeryczny nie ma odgórnych granic wynikających z empirycznych zależności opisujących modelowane zjawiska – granicą jego wykorzystania są tylko umiejętności użytkownika i dostępna moc obliczeniowa.

Rozwiązanie skomplikowanych równań różniczkowych jest niezwykle wrażliwe na błąd użytkownika lub wprowadzoną przez niego celową zmianę.

Znane są autorom przypadki nadużycia analiz numerycznych w „rozgrzeszaniu” niezbyt szczęśliwych rozwiązań technicznych systemów wentylacji. W latach poprzedzających wydanie wytycznych ITB 493/2015 argumenty ekonomiczne coraz mocniej zastępowały te praktyczne – można było zaobserwować ciągłe dążenie do zmniejszania wydajności czy klas systemów i udowadnianie słuszności tych działań wątpliwej jakości symulacjami komputerowymi.

W związku z powyższym autorzy uznali za niezbędne opracowanie dokumentu, który będzie można wykorzystać jako swoisty punkt odniesienia – sposób projektowania dobrych systemów, o jasno określonych celach i możliwościach.

Żeby założenie to zostało spełnione, poza opisem metody projektowania systemów niezbędne było również opracowanie jednolitych założeń dla analiz numerycznych i prób odbiorowych, których wzajemne porównanie jest dziś praktycznie niemożliwe.

W wytycznych przedstawiono zbiór podstawowych założeń i warunków brzegowych do wykorzystania, z analizą wpływu ich zmian na wyniki analiz. Dzięki temu osoba weryfikująca analizę CFD będzie w stanie odczytać z symulacji, do jakiego zagrożenia się ona odnosiła i jaki poziom bezpieczeństwa zapewni odwzorowany w niej system [1].

Wykorzystanie metod numerycznych w ocenie systemów

Dobrze wykonana analiza CFD wymaga poprawnego doboru modeli fizycznych i warunków brzegowych mających kluczowe znaczenie dla wyników obliczeń, takich jak np.:

• wartości parametrów pożaru,
• model promieniowania cieplnego,
• model przepływu turbulentnego,
• warunki brzegowe.

Analiza numeryczna z wykorzystaniem metody CFD składa się z czterech podstawowych etapów:

• przygotowanie analizy, tzw. pre-processing, obejmujące:
  — definicję celu i zakresu analizy,
  — definicję obszaru analizy,
  — definicję obszarów granicznych,
  — stworzenie trójwymiarowego modelu numerycznego analizowanej przestrzeni,
  — podział modelu za pomocą siatki obliczeniowej,
  — wybór odpowiedniej metody rozwiązania,
  — wybór modeli fizycznych opisujących analizowany problem,
  — określenie właściwości materiałów;
• rozpoczęcie obliczeń, zawierające:
  —definicję warunków brzegowych,
  − definicję warunków początkowych,
  − ustawienie zmiennych,
  — ustalenie kryteriów zbieżności rozwiązania;
• przeprowadzenie obliczeń wraz z kontrolą poprawności rozwiązania oraz kontrolą spełnienia kryterium zbieżności rozwiązania;
• ocenę wyników przeprowadzonej analizy, tzw. post-processing, obejmującą:
  — sprawdzenie zgodności otrzymanych wyników z przyjętymi kryteriami oceny,
  — w przypadku negatywnego wyniku obliczeń korektę przyjętych założeń i powrót do etapu przygotowania analizy,
  — przygotowanie rysunków i tabel przedstawiających wyniki analizy,
  — opracowanie wyników analizy w formie raportu końcowego.

Przebieg analizy przedstawiono w formie schematu na rys. 1.

Przed przystąpieniem do oceny działania systemu wentylacji pożarowej z wykorzystaniem zaawansowanych narzędzi inżynierskich (jak np. symulacje CFD) należy odpowiedzieć sobie na bardzo istotne pytanie: - Czy celem analizy jest weryfikacja działania systemu z wykorzystaniem szczegółowo opisanych kryteriów, czy raczej maksymalne zbliżenie się do sytuacji rzeczywistej?

Projektant musi pamiętać, że drugi z przytoczonych celów często jest jedynie mirażem – symulacja nigdy nie odda „rzeczywistości”, która sama w sobie jest splotem chaotycznych zdarzeń. Nie ma dwóch takich samych pożarów, tak więc nie istnieje sposób umożliwiający rzetelne zbadanie wszystkich prawdopodobnych zdarzeń w obiekcie. Niemniej jednak analizy CFD pozwalają nam przybliżyć możliwe rzeczywiste skutki pożaru (rys. 2).

Będąc świadomymi swoich ograniczeń, autorzy musieli rozważyć ważną kwestię związaną z prowadzeniem analiz numerycznych, która była dla nich inspiracją do stworzenia własnych wytycznych w tym zakresie. Jeżeli nie jest możliwe dalsze zbliżenie analiz do „rzeczywistości”, wartością samą w sobie jest zapewnienie możliwości porównania analiz między sobą.

W idealnym świecie dwóch niezależnych inżynierów prowadzących analizę dla tego samego obiektu powinno uzyskać bardzo zbliżony wynik. Żeby takie działanie było możliwe, ważne jest zminimalizowanie możliwości popełnienia błędu przez użytkownika programu. Drogą do tego jest katalogowanie warunków brzegowych, w szczególności warunków odnoszących się do rozwoju pożaru, mających największy wpływ na wynik analizy [5, 6].

Czytaj też: Wentylacja pożarowa garaży – dobór systemu i projektowanie wg ITB 493/2015 >>>

W niniejszym artykule autorzy wytycznych nie poruszają niezwykle ważnych aspektów modelowania numerycznego – doboru schematów obliczeniowych, dyskretyzacji przestrzeni czy podmodeli fizycznych (np. turbulencji czy promieniowania). Dokładny opis każdego z powyższych zasługuje na odrębną obszerną publikację – osoby zainteresowane poszerzaniem swojej wiedzy powinny zapoznać się co najmniej z publikacjami [7–9].

Zakładając, że osoba prowadząca symulację jest świadoma konsekwencji swoich działań oraz że rzeczywista weryfikacja założeń do analizy wymaga oceny nie wyników, lecz plików źródłowych, w artykule omówiono tylko te zagadnienia, które można ocenić na podstawie raportu z obliczeń numerycznych.

W wytycznych [1] podano liczne wartości warunków brzegowych i początkowych czy kryteria oceny. Wiele z tych parametrów budzi kontrowersje lub pytania środowiska co do powodów przyjęcia konkretnych wartości.

Autorzy są tego świadomi, lecz w przypadku tak skomplikowanych obliczeń musieli stanąć przed trudnym wyborem – podania wartości liczbowych, które w ich ocenie są najbardziej właściwe dla prowadzonej analizy, czy pozostawienia wyboru autorowi analizy.

Mając na uwadze przedstawione wcześniej argumenty, wybrano pierwszą z przedstawionych dróg. Co więcej, wydaje się, że cenne byłoby opracowanie podobnych ogólnych zaleceń dla obliczeń prowadzonych w odniesieniu do obiektów atrialnych czy wysokościowych.

Zalecane przez wytyczne [1] krzywe rozwoju pożaru dla pojedynczego samochodu osobowego (w przypadku garaży wyposażonych w samoczynne urządzenia gaśnicze wodne) oraz trzech samochodów osobowych (w przypadku garaży niewyposażonych w samoczynne urządzenia gaśnicze wodne) zaczerpnięto z holenderskiej normy NEN 6098:2010 [10].

Krzywe przedstawione na rys. 3, rys. 4 i rys. 5 powstały w wyniku dużego programu badań nad rozwojem pożaru w garażach zamkniętych, przeprowadzonego w 1999 roku przez holenderską organizację TNO [11]. Osoby zainteresowane światowymi badaniami nad rozwojem pożaru w samochodach osobowych odesłać można do publikacji [12] i [13], w których temat ten omówiono ze szczegółami.

Poza szybkością wydzielania ciepła, istotnymi parametrami opisującymi pożar są masowe ciepło spalania (ΔH_c^eff) oraz współczynnik generacji sadzy (Y_s). Parametry te charakteryzują ilość energii otrzymaną ze spalenia 1 kilograma materiału palnego oraz część produktów spalania, jaką stanowić będzie sadza i aerozole, z których składa się dym.

W przypadku pożarów samochodów bliskimi rzeczywistości wartościami tych parametrów są ΔH_c^eff = 25 MJ/kg (odpowiada to spalaniu mieszaniny tworzyw sztucznych i naturalnych) oraz Y_s = 0,10. Zmiana tych parametrów ma istotny wpływ na ilość dymu generowaną w symulacji, a co za tym idzie, na ocenę skuteczności działania badanego systemu. W pożarze o mocy całkowitej 4,00 MW dla przyjętych powyżej założeń w każdej sekundzie powstaje:

Zmieniając wartość ΔH_c^eff dla materiałów palnych w samochodzie na np. całkowite (wyznaczone metodą bomby kalorymetrycznej) ciepło spalania benzyny (około 42–44 MJ/kg) oraz zaniżając wartość współczynnika Y_s do wartości 0,07, przy pożarze o tej samej mocy otrzymamy:

Pomimo utrzymania tej samej mocy pożaru zmiana parametrów charakteryzujących spalanie spowodowała spadek ilości dymu powstałej w pożarze o 60%, co w bezpośredni sposób wpłynie na widoczność w garażu czy ilość ciepła wypromieniowaną przez warstwę dymu.

Zalecana przez wytyczne ITB 493/2015 wartość współczynnika generacji sadzy dla garaży wynosi Y_s = 0,1 g_sadzy/g_paliwa, a zalecana wartość uśrednionego ciepła spalania dla samochodów osobowych 25 MJ/kg. Źródło pożaru powinno mieć powierzchnię (objętość) dobraną tak, aby maksymalna moc pożaru w przeliczeniu na jednostkę powierzchni (objętości) nie przekraczała 625 kW/m² (625 kW/m³). Zmiana tego parametru powoduje zmianę maksymalnej temperatury dymu powstałego w pożarze.

Czas prowadzenia obliczeń

Istotnym aspektem modelowania zjawisk pożarowych, które powinno zawsze być zmienne w czasie (w odróżnieniu od powszechnego w zagadnieniach przepływowych modelowania typu steady-state), jest określenie długości analizy. Czas prowadzenia obliczeń numerycznych powinien być nie krótszy niż potrzebny do osiągnięcia maksymalnej mocy pożaru w analizowanym scenariuszu.

W odróżnieniu od tego, co obserwowane jest na rynku analiz numerycznych, w ocenie autorów wyznaczony czas dojazdu ekip ratowniczo-gaśniczych lub czas rozpoczęcia akcji ratowniczo-gaśniczej nie powinien być podstawą ograniczania czasu trwania obliczeń numerycznych czy maksymalnej mocy pożaru.

Prawdopodobny czas rozpoczęcia akcji ratowniczo-gaśniczej jest dość łatwy do określenia, ale obarczony dużym błędem. Znajduje to potwierdzenie w statystykach czasu dojazdu PSP – w większości wypadków w odniesieniu do obiektów garażowych jest to mniej niż 10 minut, jednak liczba dojazdów w czasie dłuższym przekracza 10%. Wynika to z możliwości powstania nieprzewidzianych zdarzeń, niezależnych od straży pożarnej czy administratora obiektu, które zdecydowanie wydłużają czas rozpoczęcia działań (np. zastawienie hydrantów zaparkowanym pojazdem, wypadek komunikacyjny na drodze przejazdu ekip ratowniczych, opóźnienie w transmisji alarmu pożarowego).

Jednocześnie działania podejmowane przez straż pożarną będą wynikały z oceny kierującego działaniami ratowniczymi, których nie można przewidzieć na etapie opracowania analizy numerycznej rozprzestrzeniania się dymu i ciepła.

Zalecany czas trwania obliczeń numerycznych powinien zatem wynosić od 20 do 30 min, lecz nie krócej niż do osiągnięcia maksymalnej mocy pożaru. Podejście to pozwala na ocenę warunków środowiska w najbardziej niekorzystnej chwili podjęcia działań ratowniczych.

Samodzielna walidacja obliczeń

Kolejnym istotnym aspektem przedstawionym w wytycznych [1] jest podkreślenie roli autora obliczeń w weryfikacji jego pracy. Taka weryfikacja może polegać na porównaniu prędkości przepływu powietrza wytwarzanego przez wentylator w wybranych punktach pomiarowych.

Lokalizację punktów pomiarowych zaproponowano na rys. 6. Wyniki pomiarów powinny być porównane z wynikami otrzymanymi w referencyjnej analizie CFD dla przyjętych modeli fizycznych, warunków brzegowych i wielkości objętości skończonych.

W przypadku wentylatorów strumieniowych rewersyjnych pomiary należy powtórzyć odnośnie do obydwu kierunków działania urządzenia. Jako kryterium poprawności rozwiązania przyjmuje się, że prędkość na pojedynczym punkcie pomiaru nie powinna się różnić pomiędzy pomiarami a analizą CFD o więcej niż 20%, a suma wyników pomiarów ze wszystkich punktów o więcej niż 15%.

Alternatywnym sposobem oceny poprawności obliczeń numerycznych jest ocena szerokości oraz długości strugi powietrza o wybranej prędkości (0,5; 1; 2 m/s), a następnie porównanie otrzymanych wyników pomiarów oraz obliczeń numerycznych, które nie powinny się od siebie różnić o więcej niż 15%. Taka analiza nie jest kosztowna czy długotrwała, a pozwala na eliminację grubych błędów autora analizy, które mogłyby w istotny sposób wpłynąć na otrzymane wyniki.

Samodzielna walidacja jest jedyną drogą do zapewnienia właściwej jakości prowadzonych analiz.

Autorzy wytycznych mają świadomość, że jest to proces żmudny i długotrwały, jednak w ich ocenie niezbędny. Świadomość tę powinny mieć również osoby zlecające analizy – być może szerokie oczekiwanie rynku na przedstawianie wiarygodnych dowodów prawidłowości prowadzonych obliczeń przyczyni się do szerszej autoweryfikacji prac przez „symulantów”.

Nieocenione w tym obszarze byłyby także uniwersalne badania porównawcze – co w przypadku laboratoryjnych badań odporności ogniowej jest chlebem powszednim, a w obszarze metod numerycznych nigdy się nie przyjęło.

Podsumowanie

Podsumowując praktykę prowadzenia analiz CFD w bezpieczeństwie pożarowym, nie można nie wspomnieć o sposobie prezentacji wyników. Przyjęło się, że analizę CFD wieńczy długie na kilkaset stron opracowanie wypełnione kolorowymi rysunkami.

Dla autorów wytycznych ważniejsza od kolorowych obrazków jest jednoznaczna ocena wyników analizy, a nie sam sposób ich przedstawienia. Jeżeli darzymy osobę prowadzącą analizę zaufaniem, powinniśmy zaufać jej także w ocenie wyników analizy.

Wnioski z przeprowadzonych analiz powinny być jednoznaczne. Autorzy symulacji powinni potwierdzić spełnienie przyjętych kryteriów oceny lub wskazać metody czy rozwiązania techniczne pozwalające na osiągnięcie tego stanu.

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.

Literatura

1. Węgrzyński W., Krajewski G., Systemy wentylacji pożarowej garaży. Projektowanie, ocena, odbiór, 493/2015, Instytut Techniki Budowlanej, 2015.
2. Emmons H.W., The prediction of fires in buildings, „Symp. Combust.” 17 (1979), p. 1101–1111.
3. McGrattan K., Hostikka S. et al., Fire Dynamics Simulator User’s Guide, Sixth Edition, 2016.
4. McGrattan K., Fire modeling: Where are we? Where are we going?, „Fire Saf. Sci.” (2005), p. 53–68.
5. Węgrzyński W., Krajewski G., Dobór modeli oraz warunków brzegowych a wynik analizy numerycznej rozprzestrzeniania się dymu i ciepła, „Materiały Budowlane” nr 10/2014, s. 144–146.
6. Węgrzyński W., Krajewski G., Vigne G., Wpływ zmienności współczynnika generacji dymu w ocenie bezpiecznych warunków ewakuacji w zaawansowanych analizach CFD. Wyniki badań fizycznych i numerycznych, w: „Pożary wewnętrzne”, Olsztyn, 2016.
7. Merci B., Computer Modeling for Fire and Smoke Dynamics in Enclosures: A Help or a Burden?, (n.d.).
8. McGrattan K., Miles S., Modeling Fires Using Computational Fluid Dynamics (CFD), in: „SFPE Handb. Fire Prot. Eng.”, Springer New York, 2016, p. 1034–1065.
9. Sztarbała G., An estimation of conditions inside construction works during a fire with the use of Computational Fluid Dynamics, „Bull. Polish Acad. Sci. Tech. Sci.” 61 (2013), p. 155–160.
10. NEN 6098:2010 Ontw. nl Rookbeheersingssystemen voor mechanisch geventileerde parkeergarages, 2010.
11. Oerle van N., Lemaire A., Leur van de P., Effectiveness of Forced Ventilation in Closed Car Parks, in: „TNO Rep.” No. 1999-CVB-RR1442, 1999.
12. Spearpoint M.J., Tohir M.Z.M., Abu A.K., Xie P., Fire load energy densities for risk-based design of car parking buildings, „Case Stud. Fire Saf.” 3 (2015), p. 44–50.
13. Krajewski G, Węgrzyński W., Wykorzystanie narzędzi inżynierii bezpieczeństwa pożarowego w projektowaniu i odbiorze systemów wentylacji pożarowej garaży zamkniętych, „BITP” nr 4/2014, s. 141–156.
14. Węgrzyński W., Krajewski G., Wentylacja pożarowa garaży – dobór systemu i projektowanie wg ITB 493/2015, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2017, s. 31–36.

Czytaj też: Projektowanie wentylacji pożarowej w garażach podziemnych w Polsce na tle standardów europejskich >>>