Oddymianie klatek schodowych wspomagane sterowanym nawiewem. Dlaczego warto stosować takie rozwiązanie

Problemy efektywności systemów oddymiania

Minimalnym wymaganiem dla systemów wentylacji pożarowej klatek schodowych powinno być spełnienie dwóch podstawowych warunków. Po pierwsze, działanie systemu nie może zagrażać osobom, które zostaną odcięte przez pożar na kondygnacjach powyżej jego lokalizacji. Po drugie, działanie instalacji powinno ułatwić i zabezpieczyć drogę dotarcia straży pożarnej do kondygnacji, na której zlokalizowany jest pożar. Oczywiście najlepiej, jeżeli klatki schodowe stanowią zabezpieczoną przed napływem dymu przestrzeń zapewniającą możliwość ewakuacji wszystkim użytkownikom budynku. Zastosowanie efektywnych rozwiązań w postaci systemów różnicowania ciśnienia wiąże się jednak ze znacznymi nakładami finansowymi, co szczególnie w przypadku nowo powstających budynków mieszkalnych stanowi trudny do pokonania problem. Ponieważ kwestie finansowe mają dla inwestorów znaczenie priorytetowe, w praktyce realizowane są instalacje bezpieczeństwa literalnie spełniające wymagania przepisów techniczno-budowlanych. 

Nie jest to oczywiście problem dotyczący wyłącznie naszego kraju. Bezwzględna konieczność ochrony pionowych dróg ewakuacji nie stanowi priorytetu w większości państw zachodnich. Zgodnie z lokalnymi przepisami – w tym z polskimi warunkami technicznymi – w większości przypadków za wystarczające zabezpieczenie klatki schodowej uważa się najprostsze rozwiązania oddymiającej wentylacji grawitacyjnej. Rozwiązania takie przeznaczone są w zasadzie wyłącznie do wspomagania działań straży pożarnej, przy założeniu, że użytkownicy budynku będą bezpieczni w swoich mieszkaniach lub w zajmowanych pomieszczeniach do czasu ich uratowania przez strażaków. 

Zastosowanie prostych instalacji oddymiania grawitacyjnego w postaci ręcznie otwieranej kalpy dymowej lub okien oddymiających ma w założeniu podczas akcji ratowniczo-gaśniczych jedynie umożliwić efektywne użycie ratowniczych przenośnych wentylatorów PPV (Positive Pressure Ventilation) będących na wyposażeniu strażaków. Teoretycznie wentylatory takie ustawione przed otwartymi drzwiami klatki schodowej powinny dostarczyć odpowiednią ilość powietrza kompensacyjnego koniecznego do skutecznego oczyszczenia klatki z dymu. Jednak jak pokazują, często tragiczne w skutkach, pożary – szczególnie budynków mieszkalnych – przyjęcie takiej strategii nie zawsze jest skuteczne. Samo zastosowanie wentylatorów PPV jest trudne w licznych przypadkach klatek nietypowych, które nie mają bezpośredniego dostępu do przestrzeni zewnętrznej. Ponadto uproszczony system oddymiania przeznaczony do wspomagania działań strażaków zakłada, że użytkownicy budynku do chwili podjęcia skutecznej akcji będą bezpieczni w swoich mieszkaniach (mają możliwość przetrwania pożaru). Tragiczne skutki pożarów z ostatnich lat wskazują jednak, że strategia taka nie zawsze okazuje się słuszna. 

Biorąc pod uwagę przedstawione powyżej informacje, warto rozważyć wyposażenie klatki schodowej w efektywny system oddymiania. Rozwiązaniem takim są systemy oddymiania wspomagane zmiennym nawiewem mechanicznym. 

Dlaczego warto stosować oddymianie wspomagane sterowanym nawiewem?

Systemy oparte na przetłaczaniu dymu przez drogę ewakuacyjną, jaką jest klatka schodowa, są niedoskonałe z samego założenia – tj. możliwości napływu dymu do klatki schodowej. Rozwiązania takie nie stanowią więc pod względem poziomu bezpieczeństwa alternatywy dla systemów zapobiegania zadymieniu (różnicowania ciśnienia). Jeżeli jednak przepisy zawarte w warunkach technicznych [1] dopuszczają jako alternatywę stosowanie takich rozwiązań w określonych przypadkach, priorytetem powinno być zbudowanie instalacji o możliwie najwyższej efektywności w jak największej liczbie przypadków, tak aby zwiększyć bezpieczeństwo podczas ewakuacji lub akcji gaśniczej konkretnego obiektu. 

System oddymiania powinien więc spełniać wymagania funkcjonalne obowiązujące zarówno dla scenariusza szczelnej klatki schodowej, jak i w przypadku kiedy drzwi prowadzące do tej przestrzeni zostaną otwarte. Spełnienie wymogów funkcjonalnych jest konieczne również, gdy zmieniają się parametry pożaru, czynniki atmosferyczne lub poziom szczelności pomieszczenia, w którym zlokalizowany jest pożar. Wymagania funkcjonalne dla systemów oddymiania oraz konstrukcja i zasady projektowania efektywnych rozwiązań opisane zostały w Wytycznych CNBOP-PIB 0003:2016 [2].

W tym miejscu trzeba podkreślić, że systemy oddymiania grawitacyjnego nie gwarantują spełnienia wymagań funkcjonalnych przy niekorzystnych warunkach zewnętrznych oraz niskich temperaturach gazów pożarowych. Jako przykład przedstawić można symulację oddymiania typowej klatki schodowej, gdzie zastosowany został system składający się z klapy dymowej oraz pełniących funkcję napływu powietrza kompensacyjnego drzwi na parterze. Symulacja wykonana została dla okresu letniego, kiedy na skutek występowania na klatce schodowej odwróconego ciągu termicznego warunki dla funkcjonowania systemu oddymiania są niekorzystne. Proces unoszenia ciepłego dymu (w czasie ewakuacji dym napływający do klatki schodowej może mieć niewielką temperaturę) zaburzony jest tu przez niekorzystny rozkład ciśnienia w klatce schodowej. W takich warunkach dym napływający na klatkę schodową unosił się bardzo wolno i miał tendencję do opadania poniżej kondygnacji, na której zlokalizowany był pożar (rys. 1).

Autorzy wytycznych CNBOP-PIB W-003: 2016 [2] jednoznacznie wskazują, że w przypadkach kiedy zalecane jest stosowanie rozwiązań mechanicznych, należy wykonać instalację nawiewną o regulowanej wydajności. Analiza zmiennych warunków przepływu powietrza i dymu podczas rozwijających się pożarów w warunkach zmieniającego się poziomu szczelności klatki schodowej wskazuje, że dla zachowania bezpieczeństwa osób znajdujących się w budynku konieczna jest regulacja wydajności instalacji nawiewnej. W sytuacji kiedy strumień napływającego do klatki schodowej powietrza będzie miał stałą wartość, a dojdzie do szybkiego rozwoju pożaru, gwałtownie zwiększy się strumień gazów pożarowych przepływających przez urządzenie oddymiające (rys. 2).

Skutkiem spiętrzenia gazów pożarowych jest wzrost nadciśnienia w górnej części klatki schodowej (rys. 3). Przy nadciśnieniu rzędu kilkunastu paskali bardzo prawdopodobne staje się przenikanie gorących gazów pożarowych do pomieszczeń sąsiadujących. Co oczywiste, w takich warunkach znacznie utrudnione staje się przetrwanie ludzi do czasu skutecznej interwencji straży pożarnej.

Zastosowanie instalacji nawiewnej o zmiennej wydajności istotnie ogranicza opisane powyżej ryzyko. Oczywiście warunkiem jest tu właściwa konstrukcja i konfiguracja systemu, gdzie wydajność instalacji nawiewnej regulowana będzie tak, żeby, niezależnie od czynników towarzyszących rozwojowi pożaru, zapewniony został na stałym poziomie przepływ objętościowy mieszaniny powietrza i dymu przez urządzenie oddymiające.

Na rys. 4 przedstawiono działanie systemu oddymiania wspomaganego regulowanym nawiewem w warunkach rzeczywistego pożaru. Praktycznie jest tu realizowane zadanie utrzymania stałego wypływu przez ścienne urządzenia oddymiające (linie pomarańczowa i podwójna szara na wykresie), podczas gdy wielkość nawiewu dostosowuje się do zmiany poziomu szczelności klatki schodowej (różne konfiguracje otwartych drzwi oraz zmiana szczelności pomieszczenia przyległego), a także zmieniających się parametrów gazów pożarowych napływających do klatki schodowej (praca wentylatora nawiewnego – podwójna linia czarna na wykresie).

Dzięki takiemu zastosowaniu zmiennego nawiewu w instalacji oddymiania, podczas zmieniających się warunków towarzyszących rozwojowi pożaru, ewakuacji oraz prowadzeniu działań ratowniczych możliwa jest kontrola nadciśnienia i utrzymanie jego wartości na bezpiecznym poziomie, porównywalnym z ciśnieniami normalnie występującymi na klatce schodowej w warunkach rozwiniętego pożaru przy oddymianiu grawitacyjnym (rys. 5).

Oprócz opisanych powyżej właściwości system wspomagany regulowanym nawiewem ma dodatkowe zalety. Dzięki możliwości dostosowania nawiewu do zmieniającego się poziomu szczelności przestrzeni chronionej (np. pozostawionych otwartych drzwi wejściowych) system jest w stanie w krótkim czasie całkowicie oczyścić z dymu klatkę schodową. W trakcie pożaru stwarza to możliwość przeprowadzenia ewakuacji kondygnacji położonych powyżej tej, na której zlokalizowany jest pożar (pod warunkiem zabezpieczenia drzwi na kondygnacji objętej pożarem). Ponadto po ugaszeniu pożaru możliwe jest szybkie oczyszczenie budynku z dymu, co ogranicza straty związane z pożarem. 

Podczas prowadzenia działań gaśniczych opisywany system może pełnić funkcję taką, jaką w założeniu spełnić powinny przenośne wentylatory PPV – chodzi tu o tzw. natarcie ciśnieniowe. Po otwarciu drzwi do pomieszczenia, w którym zlokalizowany jest pożar, i wypadnięciu lub wybiciu okien, zwiększona wydajność instalacji nawiewnej może skutecznie zapobiegać wypływaniu dymu na klatkę schodową, pozwalając strażakom na prowadzenie natarcia zgodnie ze strumieniem chłodnego powietrza. Dym wypychany jest przez wybite okna i następuje jednocześnie oczyszczanie kolejnych kondygnacji klatki schodowej. Takie działanie instalacji oddymiania ze zmiennym nawiewem mechanicznym ilustrują wyniki symulacji (rys. 6 i 7). 

Podsumowanie 

1. Wybierając instalacje oddymiania klatek schodowych alternatywne wobec urządzeń służących zapobieganiu zadymieniu, należy pamiętać, że są one znacznie bardziej podatne na oddziaływanie czynników zewnętrznych (np. efektu nieznacznego ciągu termicznego, parcia wiatru) i zjawisk kształtujących przepływ powietrza i dymu podczas pożaru. 
2. Dla zapewnienia warunków przynajmniej częściowej ewakuacji budynku lub możliwości przetrwania pożaru (do czego obligują zarówno WT, jak i ustawa o ochronie ppoż.) konieczne jest stosowanie przetestowanych, skutecznych rozwiązań technicznych. System oddymiania klatki schodowej o zwiększanej wydajności nawiewu, skonstruowany tak, jak przewidują to Wytyczne CNBOP-PIB [2], pozwala nie tylko na usuwanie dymu z klatki schodowej, jak w innych alternatywnych rozwiązaniach inżynierskich, ale również na ograniczenie zadymienia tej przestrzeni w dodatkowych, przedstawionych powyżej sytuacjach. Warto również wspomnieć, że po dwóch latach funkcjonowania planowane jest w marcu br. przedstawienie nowego wydania tego standardu, w którym zawarte zostaną zmiany podyktowane nowelizacją warunków technicznych oraz uwzględniające niektóre postulaty zgłaszane przez projektantów po jego pierwszym wydaniu.
3. Literatura
4. 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.).
5. Wytyczne CNBOP-PIB W-003:2016 Systemy oddymiania klatek schodowych.3. Burdzy T., Kubicki G., Analiza wpływu wydajności nawiewu w systemach oddymiania klatek schodowych na podniesienie efektywności instalacji, „Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja” nr 1(50)/2019, s. 22–28.
6. Król M., Analiza efektywności oddymiania grawitacyjnego budynków w warunkach działania wiatru, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2018.
7. Kubicki G., Oddymianie klatek schodowych – jak zaprojektować i wykonać efektywny system, Seminarium Naukowo-Techniczne „Ochrona przeciwpożarowa w budownictwie”, Zakopane, 6–8 października 2016.
8. Sztarbała E., Sztarbała G., Analiza rozwoju pożaru w pomieszczeniu mieszkalnym oraz analiza rozprzestrzeniania się dymu i ciepła w obrębie dróg ewakuacji w budynku średniowysokim – wyniki badań w skali rzeczywistej, obliczeń numerycznych oraz testów z ciepłym dymem, Seminarium Naukowo-Techniczne „Ochrona przeciwpożarowa w budownictwie”, Zakopane, 6–8 października 2016.