Rola systemów wentylacji pożarowej w strategii ochrony ppoż. budynków wielokondygnacyjnych

Strategia ochrony przeciwpożarowej budynku powinna się opierać na zdefiniowaniu celu działania wszystkich instalacji zabezpieczenia ppoż. oraz określeniu wzajemnego współdziałania technicznych środków ochrony przeciwpożarowej. Podstawę w tym zakresie stanowią krajowe przepisy techniczno-budowlane i o ochronie ppoż. Określają one ogólne cele (wymagania podstawowe), których zrealizowanie powinno być podstawą projektowania instalacji zabezpieczeń przeciwpożarowych.

W odniesieniu do systemów wentylacji pożarowej stosowanych w budynkach wielokondygnacyjnych najistotniejsze są dwa z wymagań podstawowych – powstrzymanie rozprzestrzeniania się dymu w budynku (przez ukształtowanie gradacji ciśnienia) i zapewnienie bezpieczeństwa.

W drugim przypadku wymagane jest, żeby osoby znajdujące się wewnątrz budynku mogły go opuścić lub zostać uratowane w inny sposób oraz uwzględnione zostało bezpieczeństwo ekip ratowniczych (załącznik I do rozporządzenia 305/2011 UE [1] oraz § 6 ustawy o ochronie przeciwpożarowej [2] – po nowelizacji § 207 warunków technicznych [3]).

Spełnienie wymagań podstawowych wymaga zastosowania rozwiązań technicznych dobranych w oparciu o opracowany na potrzeby konkretnego budynku scenariusz pożarowy. Scenariusz ten powinien opisywać sekwencję możliwych zdarzeń pożarowych, uwzględniając charakterystykę budynku i jego użytkowników oraz charakterystykę prawdopodobnego pożaru. Wybrane rozwiązania wentylacji pożarowej muszą osiągać nakreślone w scenariuszu cele, opisane jako wymagania funkcjonalne.

Wymagania funkcjonalne wentylacji pożarowej w budynkach wielokondygnacyjnych

Dla budynków użytkowych warunki techniczne przewidują możliwość alternatywnego zastosowania urządzeń służących oddymianiu lub zapobieganiu zadymieniu (niskie budynki ZL II, większość budynków średniowysokich i wysokie mieszkalne) oraz wyłącznie urządzeń zabezpieczenia przed zadymieniem na pionowych drogach ewakuacji budynków wysokich (z wyjątkiem ZL IV) i wysokościowych.

Wymienione urządzenia różnią się zasadniczo sposobem działania i poziomem ochrony użytkowników budynków. Różnice te są szczególnie widoczne, jeżeli przyjrzymy się stawianym różnym systemom wymaganiom funkcjonalnym.

Wymagania funkcjonalne dla systemów różnicowania ciśnienia zostały jasno sprecyzowane w normie PN-EN 12101-6 [5]. Są to kryteria nadciśnienia, przepływu, siły potrzebnej do otwarcia drzwi oraz czasu reakcji systemu na zmiany scenariusza napowietrzania.

Zachowana musi być gradacja ciśnienia w przestrzeniach chronionych, ale warunek przepływu i siły potrzebnej do otwarcia drzwi wymagany jest na granicy strefy chronionej i niechronionej nadciśnieniem.

Konkretne wartości prędkości przepływu przyjęte w normie związane są z rzeczywistymi warunkami, jakie wystąpić mogą podczas pożaru w budynku. Dla budynków, w których funkcją instalacji jest umożliwienie ewakuacji, prędkość przepływu powietrza w drzwiach łączących przestrzeń chronioną i niechronioną nadciśnieniem ustalona została na co najmniej 0,75 m/s.

Na podstawie analizy wyników badań ustalono, że prędkość taka stanowi wystarczającą barierę dla dymu o temperaturze do 60°C, czyli przy granicznych warunkach, kiedy możliwa jest jeszcze bezpieczna ewakuacja kondygnacji, na której wybuchł pożar.

Natomiast wymagana przy systemach przewidujących ułatwienie działań ekip ratowniczych prędkość min. 2 m/s zabezpiecza przestrzeń klatki schodowej przed napływem dymu o temperaturze 200°C.

Inaczej wygląda sytuacja w przypadku systemów oddymiania. Do momentu ogłoszenia wytycznych CNBOP-PIB W-0003:2016 Systemy oddymiania klatek [6] żaden ze stosowanych standardów projektowania nie określał wymagań funkcjonalnych dla tego typu instalacji. Oznacza to, że doboru urządzeń wykonawczych instalacji dokonywano bez uwzględnienia dynamiki rozwoju pożaru oraz wpływu innych czynników na efektywność oddymiania (rys. 1).

Badania obiektowe, które stanowiły podstawę do opracowania wytycznych, po raz pierwszy określiły wymagania funkcjonalne dla systemów oddymiania klatek schodowych. Wymagania te uwzględniają specyfikę zjawisk towarzyszących rozwijającemu się pożarowi, przebieg ewakuacji i skutki działania ekip ratowniczych.

Przykładowo do przestrzeni klatki schodowej może napływać dym gorący (charakterystyczny dla pożaru rozwiniętego w środowisku bogatym w powietrze), jak również dym o niskiej temperaturze (charakterystyczny dla pożarów w fazie rozwoju oraz rozwijających się przy deficycie powietrza zewnętrznego w pomieszczeniu zamkniętym – sytuacja typowa dla współczesnego budownictwa).

Ponadto napływ dymu może mieć charakter zarówno okresowy (dla klatek obudowanych, oddzielonych i wyposażonych w drzwi pożarowe z samozamykaczami), jak i ciągły (dla klatek nieobudowanych lub w przypadku zastosowania drzwi bez samozamykaczy). Przy zmianie warunków temperaturowych lub/i poziomu szczelności przestrzeni klatki schodowej zmieniają się warunki działania dla systemu oddymiania. W każdej sytuacji system ten powinien jednak działać efektywnie.

W planowaniu strategii ochrony ppoż. budynku ważne jest również powiązanie działania instalacji oddymiania z procedurami straży pożarnej. Przy opracowaniu opisanych w wytycznych rozwiązań technicznych systemu oddymiania klaki schodowej uwzględniono m.in. realny czas podjęcia skutecznych działań ratowniczych oraz takie rutynowe działania, które zmieniają poziom szczelności przestrzeni klatki schodowej (blokowanie drzwi w pozycji otwartej, wybicie okien itd.).

Jednym z ważnych elementów badań było porównanie efektywności działania strażaków w warunkach silnego zadymienia i przy wolnym od dymu dostępie do kondygnacji, na której rozwijał się pożar.

Analiza wymienionych powyżej czynników pozwoliła na sformułowanie poniższych wymagań funkcjonalnych, jakie spełnić powinny rozwiązania techniczne systemu oddymiania klatek schodowych.

Dym przedostający się do przestrzeni klatki schodowej powinien być stale utrzymywany powyżej kondygnacji objętej pożarem. Warunek ten powinien zostać spełniony niezależnie od panujących podczas zdarzenia zewnętrznych czynników atmosferycznych (np. oddziaływania wiatru) oraz wewnętrznego rozkładu ciśnienia w przestrzeni klatki schodowej, związanego np. ze zjawiskiem ciągu termicznego. Dzięki utrzymaniu dymu w górnej części klatki schodowej możliwe jest bezpieczne opuszczenie niższych kondygnacji. Przybyłe na miejsce jednostki straży pożarnej mogą szybciej zlokalizować źródło zagrożenia i przystąpić do akcji ratowniczej.

Po ugaszeniu pożaru lub odcięciu napływu dymu na klatkę schodową instalacja oddymiania jest w stanie w krótkim czasie klatkę oczyścić. Działanie takie umożliwia bezpośrednio po opanowaniu pożaru lub zabezpieczeniu objętej pożarem kondygnacji wyprowadzenie wszystkich osób znajdujących się w budynku oraz ogranicza straty związanie z pożarem.

Działanie systemu oddymiania nie może powodować zwiększenia poziomu zagrożenia dla osób znajdujących się na kondygnacjach położonych powyżej źródła pożaru. Przy niewłaściwie dobranej instalacji prawdopodobieństwo wystąpienia takiego zagrożenia zwiększa się na skutek zalegającego na klatce schodowej dymu lub kiedy skutkiem działania instalacji jest wzrost nadciśnienia w tej przestrzeni.

Warunki spełnienia wymagań funkcjonalnych

Możliwość spełnienia wymagań funkcjonalnych w znacznym stopniu zależy od świadomości ograniczeń wiążących się z zastosowaniem różnych rozwiązań technicznych, zarówno systemów oddymiania, jak i zabezpieczenia przed zadymieniem klatek schodowych, dla różnego typu budynków.

Warto wspomnieć, że zgodnie ze zmienionym § 246 WT [3] przy dwóch lub więcej klatkach schodowych w budynku wysokim i wysokościowym trzeba zagwarantować możliwość ewakuacji do każdej z klatek. Każda klatka musi więc posiadać niezależny, równie efektywny system wentylacji pożarowej.

Jedna klatka w wysokim budynku ZL IV będzie nadal dopuszczalna, jeżeli łączna powierzchnia wewnętrzna na kondygnacji lub jej części nie przekracza 750 m2.

W odniesieniu do urządzeń służących oddymianiu stawiane są poniższe warunki spełnienia wymagań funkcjonalnych:

• Dla bezpieczeństwa ludzi (szczególnie przy założeniu strategii przetrwania pożaru w budynku) istotne znacznie ma ilość dymu, która może zalegać w przestrzeni klatki schodowej. Inicjacja działania systemu oddymiania następować powinna więc niezwłocznie po wykryciu dymu przez system detekcji w przestrzeni klatki.
• Ważne jest również częstsze rozmieszczenie detektorów. Problem ten znalazł odzwierciedlenie w nowelizacji WT, gdzie w zmienionym § 245 mowa o konieczności samoczynnego uruchamiania systemu oddymiania za pomocą systemu wykrywania dymu.
• Jednocześnie niewystarczająca jest tu (poza budynkami niskimi) pojedyncza czujka dymu zamontowana wyłączenie w najwyższej części klatki schodowej. Ponieważ efekt działania takiej czujki zależy od szeregu czynników, takich jak kubatura klatki, lokalizacja pożaru, temperatura dymu, może ona nie wykryć zagrożenia nawet kilkadziesiąt minut po przedostaniu się dymu do przestrzeni klatki schodowej.
• Dla efektywnego skrócenia czasu uruchomienia instalacji oddymiania czujki dymu powinny zostać rozmieszczone co najmniej na co drugiej kondygnacji klatki schodowej. W celu ograniczenia możliwości powstawania fałszywych alarmów inicjacja oddymiania powinna następować po sygnale z dwóch czujek dymu.

Grawitacyjne oddymianie klatki schodowej może działać efektywnie wyłącznie przy wytworzeniu ukierunkowanego przepływu powietrza w tej przestrzeni. Oznacza to, że po wykryciu pożaru następować powinno automatyczne otwarcie klapy dymowej, jak również równolegle otworu napływu powietrza w dolnej części klatki schodowej. Założenie zgodne z krajową normą PN-B-02877-4:2001 [7], pozwalające na stosowanie w funkcji napływu powietrza ręcznie otwieranych drzwi, nie jest właściwe pod kątem efektywności oddymiania.

Efektywność systemu oddymiania grawitacyjnego jest wprost proporcjonalna do temperatury gazów pożarowych i silnie uzależniona od warunków atmosferycznych.

Przy pożarach wewnętrznych w pomieszczeniach o wysokim stopniu szczelności, charakterystycznych dla współczesnego budownictwa, oczekiwać należy silnego zadymienia przy niskiej temperaturze dymu.

Projektując tego typu instalacje, należy brać pod uwagę, że w polskim klimacie przez blisko pół roku panują warunki niekorzystne dla działania systemów oddymiania grawitacyjnego (warunki letnie).

Oddzielny problem dla skuteczności systemów grawitacyjnych stanowi zastosowanie w funkcji odprowadzenia dymu okien oddymiających lub wyrzutni ściennych. Rozwiązania te są bardzo wrażliwe na oddziaływanie wiatru, którego relatywnie słabe parcie może zniweczyć efekt oddymiania lub nawet odwrócić działanie całej instalacji (fot. 1).

Testy i próby pożarowe z zastosowaniem różnych rozwiązań technicznych wykazały, że najskuteczniejszym rozwiązaniem dla oddymiania klatek schodowych są systemy oddymiania wspomagane nawiewem mechanicznym. Instalacje tego typu są w znacznym stopniu odporne na wpływ czynników środowiska zewnętrznego (wiatr i warunki temperaturowe). Skuteczność instalacji nie jest również w tym przypadku uzależniona od temperatury gazów pożarowych (fot. 2).

Jednocześnie jednak osiągnięcie opisanej powyżej efektywności oddymiania przy zastosowaniu nawiewu o stałej wydajności jest bardzo trudne. Niska wydajność nawiewu powoduje wprawdzie przetłaczanie powietrza i dymu w warunkach szczelnej klatki schodowej, jednak jakiekolwiek rozszczelnienie klatki schodowej, np. otwarcie drzwi, powoduje zanik tego przepływu.

Stały nawiew o większej wydajności zabezpiecza przestrzeń klatki schodowej przed opadaniem dymu nawet przy niekorzystnych warunkach rozkładu ciśnienia wewnętrznego oraz przy umiarkowanym parciu wiatru, pojawia się tu jednak inne ryzyko.

Podczas silnie rozwijającego się pożaru ilość napływającego do klatki schodowej dymu wzrasta wykładniczo. Strumień dymu miesza się z nawiewanym powietrzem zewnętrznym, powodując wzrost nadciśnienia w górnej części klatki schodowej. Zjawisko to stwarza zagrożenie przenikania dymu do pomieszczeń sąsiadujących z przestrzenią klatki schodowej (rys. 2).

Podczas pożaru warunki przepływu powietrza i dymu w budynku zmieniają się bardzo dynamicznie. W takiej sytuacji optymalnym z przebadanych rozwiązań jest system oddymiania wspomagany zmiennym nawiewem mechanicznym. Intensywność nawiewu powietrza powinna być regulowana przy założeniu stałej wielkości wypływu przez urządzenia oddymiające. Takie rozwiązanie pozwala uzyskać najwyższą efektywność działania instalacji przy napływie na klatkę schodową dymu o szerokim zakresie temperatur oraz przy kontrolowanej i niekontrolowanej zmianie poziomu szczelności klatki schodowej. Skuteczność instalacji nie jest również uzależniona od warunków atmosferycznych. Dzięki utrzymaniu stałej intensywności odprowadzenia dymu i powietrza z klatki schodowej nadciśnienie panujące w tej przestrzeni nie przekracza bezpiecznego poziomu, podobnie jak w przypadku działania systemów grawitacyjnych (rys. 3).

W odniesieniu do urządzeń służących oddymianiu spełnienie wymagań funkcjonalnych wymaga m.in.:

• stosowania certyfikowanych zestawów urządzeń napowietrzających przestrzenie budynku chronione nadciśnieniem (klatki schodowe, przedsionki ppoż., szyby windowe itd.). Zestawy urządzeń muszą spełnić wymagania funkcjonalne z uwzględnieniem takich czynników zakłócających, jak opory przepływu powietrza, wymiana ciepła z przegrodami budowlanymi i zjawisko ciągu termicznego. Ten ostatni warunek jest szczególnie istotny w przypadku budynków o znacznej wysokości (powyżej 50 m), a przewidziany został również w normie projektowej EN 12101-13 (zamiennie za część projektową EN 12101-6). Dla systemów napowietrzania w budynkach wysokościowych wymagane będzie wykazanie za pomocą symulacji skuteczności przyjętych rozwiązań technicznych dla aktywnego przeciwdziałania zjawisku ciągu termicznego. Bardzo skuteczne w tym zakresie są opracowane w Polsce tzw. systemy przepływowe;
• w budynkach wysokich – stosowania regulacji kryterium nadciśnienia w odniesieniu do ciśnienia w przestrzeni niechronionej. Budynek należy traktować jako obiekt hydraulicznych połączeń, w którym wytwarza się indywidualny układ ciśnień. W takim przypadku odniesienie nadciśnienia w przestrzeniach chronionych do atmosfery może powodować poważne zakłócenia w działaniu całego systemu zapobiegania zadymieniu;
• zaprojektowania i wykonania działających równolegle oraz skorelowanych instalacji nawiewu powietrza do przestrzeni chronionej oraz instalacji odbioru powietrza i dymu z kondygnacji, na której zlokalizowany jest pożar.

Instalacja odbioru powietrza i dymu nie jest tożsama z systemem oddymiania korytarzy i służy spełnieniu kryterium przepływu. Oddymianie korytarza jest możliwe, jeżeli zastosowany zostanie na nim wyciąg mechaniczny, a odcięte źródło dymu. Oznacza to konieczność zastosowania drzwi pożarowych z samozamykaczem pomiędzy korytarzem ewakuacyjnym i pomieszczeniami przyległymi. W przypadku wyciągu mechanicznego konieczne jest również zapewnienie stałego napływu powietrza z przestrzeni chronionej nadciśnieniem za pomocą wyposażonych w klapy ppoż. odcinające otworów transferowych lub systemu przerzutu mechanicznego. Wielkość wyciągu powinna odpowiadać ilości powietrza napływającego z przestrzeni chronionej nadciśnieniem.

Na zakończenie warto odnieść się jeszcze do kwestii odporności systemów wentylacji pożarowej na upływ czasu. Zgodnie z przepisami techniczno-budowlanymi budynek przez cały okres swojego użytkowania powinien spełniać wymagania podstawowe określone w załączniku I do rozporządzenia 305/2011 UE oraz w § 6 ustawy o ochronie przeciwpożarowej. Wymaga to również corocznych kontroli stanu instalacji wentylacji pożarowej. Podczas kontroli muszą zostać przeprowadzone:

• testy uruchomienia instalacji (ręcznego oraz automatycznego). Poprawnie funkcjonujący system wentylacji pożarowej powinien zacząć działać zgodnie z wymaganiami scenariusza pożarowego w ciągu 60 s;
• testy poprawnego działania elementów wykonawczych instalacji. W zależności od typu systemu może to być np. otwarcie urządzeń odprowadzenia dymu i ciepła, uruchomienie jednostek nawiewu pożarowego, otwarcie otworów napływu powietrza kompensacyjnego itd.;
• testy poprawnego działania urządzeń dodatkowych, które należą do systemu ochrony dróg ewakuacji, takich jak elektrotrzymacze, siłowniki, ręczne przyciski oddymiania itd.;
• testy podstawowego i niezależnego źródła zasilania;
• w przypadku systemu oddymiania wspomaganego nawiewem mechanicznym również test przepływu.

Podsumowanie

Przepisy określają cel działania systemów zabezpieczenia przeciwpożarowego, standardy i wytyczne projektowe oraz sposób wykonania instalacji służący osiągnięciu tych celów. Podstawową słabością jest jednak ogólny charakter zarówno przepisów, jak i wytycznych.

Rozwiązanie techniczne wentylacji pożarowej muszą być za każdym razem dostosowane do specyficznych uwarunkowań konkretnego obiektu. Bezkrytyczne kopiowanie rozwiązań lub stosowanie wspólnej matrycy postępowania dla różnych budynków może prowadzić do sytuacji, w której nie będzie możliwe spełnienie wymagań funkcjonalnych.

Zgodnie z wyjaśnieniami zawartymi w powyższym tekście właśnie to ostatnie kryterium decydować może zarówno o bezpieczeństwie ludzi znajdujących się w budynku, jak i warunkach działania ekip ratowniczo-gaśniczych.

Literatura

1. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 305/2011 z dnia 9 marca 2011 r. ustanawiające zharmonizowane warunki wprowadzania do obrotu wyrobów budowlanych i uchylające dyrektywę Rady 89/106/EWG (Dz.Urz. UE nr L 88 z 4.04.2011).
2. Ustawa z dnia 24 sierpnia 1991 r. o ochronie przeciwpożarowej (DzU nr 81/1991, poz. 351, z późn. zm.).
3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2015, poz. 1422).
4. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 16 sierpnia 1999 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania budynków mieszkalnych (DzU nr 74/1999, poz. 836, z późn. zm.).
5. PN-EN 12101-6:2007 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 6: Wymagania techniczne dotyczące systemów różnicowania ciśnień. Zestawy urządzeń.
6. Wytyczne CNBOP-PIB W-0003:2016 Systemy oddymiania klatek schodowych.
7. PN-B-02877-4:2001 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Instalacja grawitacyjna do odprowadzania dymu i ciepła. Zasady projektowania.
8. VdS 2221:2007-06 VdS Richlinien fur Entrauchungsanlagen in Treppenraumen (ETA) – Planung und Einbau (Urządzenia do oddymiania klatek schodowych.