Praktyczne aspekty zastosowania wentylacji strumieniowej w

Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej

235

Praktyczne aspekty zastosowania wentylacji strumieniowej w garażach

mgr inż. Wojciech Węgrzyński

mgr inż. Grzegorz Sztarbała

mgr inż. Grzegorz Krajewski

Zakład Badań Ogniowych, Instytut Techniki Budowlanej, ul. Ksawerów 21, 02-656 Warszawa

STRESZCZENIE: Artykuł zawiera podstawowe informacje dotyczące praktycznego

zastosowania systemów wentylacji strumieniowej w garażach zamkniętych. Porównano ze

sobą systemy kontroli dymu i ciepła z systemami oczyszczania z dymu, oraz przedstawiono

kryteria ich oceny.W oparciu o wytyczne NBN S 21-208-2 przedstawiono zasady obliczania

wymaganej wydajności systemu. Przedstawiono także podstawowe metody inżynierskie

wykorzystywane na etapie projektowania i odbioru tego typu instalacji. Rozważania poparto

wynikami badań numerycznych oraz eksperymentalnych prowadzonych przez Zakład Badań

Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej w ciągu ostatnich 11 lat.

SŁOWA KLUCZOWE: Wentylacja strumieniowa, wentylacja pożarowa, jet fan

1. WPROWADZENIE

Zgodnie z wymaganiami rozporządzenia [1] garaże zamknięte o powierzchni całkowitej

przekraczającej 1 500 m² muszą być wyposażone w samoczynne urządzenia oddymiające.

Urządzeniem takim jest system uruchamiany automatycznie po wykryciupożaru, którego

działanie polega na usuwaniu dymu i ciepła z przestrzeni zagrożonej w sposób umożliwiający

ewakuację ludzi oraz zapewniający stały dopływ powietrza kompensacyjnego. Systemy

wentylacji strumieniowej spełniają ten wymóg, gdyż w czasie potrzebnym na ewakuację

ludzi jedynymi pracującymi elementami instalacji są wentylatory wyciągowe oraz

napowietrzające. Działanie tylko tych urządzeń nie zaburza naturalnie formującej się


236

podsufitowej warstwy dymu, jednocześnie umożliwiając ewakuację w czystej od dymu

warstwie powietrza (Rys. 1). Wentylatory strumieniowe, których działanie wymusza

przepływ dymu całym przekrojem garażu, zostają uruchomione dopiero po zakończeniu

ewakuacji ludzi [2].

Rys. 1. Warstwa gorącego dymu pod stropem kondygnacji w czasie przeznaczonym na ewakuację.

Figure 1.Hot smoke layer under ceiling during evacuation time.

2. SYSTEMY WENTYLACJI STRUMIENIOWEJ

Z uwagi na realizowane funkcje systemy wentylacji strumieniowej można podzielić na

dwie grupy: systemy kontroli dymu i ciepła oraz systemy oczyszczania z dymu [3].

2.1. Systemy kontroli dymu i ciepła

Działanie systemów kontroli dymu i ciepła polega na wywołaniu w całym przekroju

garażu wymaganej prędkości przepływu powietrza, zwanej prędkością krytyczną w celu

ograniczenia rozprzestrzeniania się dymu i ciepła do rejonu pomiędzy źródłem pożaru

a szachtem wyciągowym. Cel ten osiągany jest poprzez usuwanie odpowiedniej ilości

powietrza za pomocą wentylatorów wyciągowych. Brakujące powietrze uzupełniane jest

w sposób mechaniczny bądź grawitacyjny za pomocą wentylatorów nawiewnych lub


237

naturalnych otworów napływu powietrza kompensacyjnego. Prędkość przepływu powietrza

w przekroju garażu wyrównywana jest za pomocą wentylatorów strumieniowych

rozmieszczonych w przestrzeni garażu. Jeżeli prędkość przepływu powietrza jest

wystarczająca, dym powinien zostać zatrzymany na wysokości źródła pożaru, umożliwiając

łatwą lokalizację pożaru oraz bezpieczne prowadzenie działań ratowniczo-gaśniczych od

strony nawiewu powietrza kompensacyjnego. Dodatkowym kryterium, które powinien

spełniać skutecznie funkcjonujący system kontroli dymu i ciepła jest utrzymanie dymu

w jednej strefie dymowej (Rys. 2).

2.2. Systemy oczyszczania z dymu

Systemy oczyszczania z dymu służą wspomaganiu akcji ratowniczo-gaśniczej poprzez

rozcieńczanie stężenia dymu i substancji toksycznych oraz obniżanie temperatury

w przestrzeni garażu. Systemy tego typu nie zapewniają wytworzenia prędkości przepływu

w garażu wystarczającej do odsłonięcia źródła ognia. Systemy te służą także oczyszczeniu

przestrzeni garażu z dymu po zakończeniu akcji ratowniczo-gaśniczej.

Rys 2. Rozprzestrzenianie się dymu zatrzymane na granicy stref dymowych przez krytyczną prędkość

przepływu powietrza

Figure 2. Smoke backlayering stopped by critical air velocity at the boundary of two smoke zones


238

3. PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW WENTYLACJI STRUMIENIOWEJ

3.1. Praktyka projektowania systemów wentylacji strumieniowej

Wiele stosowanych powszechnie standardów dotyczących wentylacji pożarowej garaży

dopuszcza stosowanie systemów wentylacji strumieniowej. Wytyczne brytyjskie BS 7346-7

[3] dopuszczają zastosowanie systemów wentylacji strumieniowej, jako systemów

oczyszczania z dymu. Norma ta nie podaje metody obliczania niezbędnej wydajności

systemu, sugerując jedynie uzyskanie nie mniej niż 10 wymian powietrza na godzinę.

Wytyczne prezentowane w normie NBN S 21-208-2 [4] przedstawiają sposób obliczania

wymaganej wydajności systemu w zależności od niezbędnej prędkości krytycznej przepływu

powietrza w przekroju garażu. Niezbędną prędkość krytyczną przepływu w garażu wyznacza

się w zależności od szerokości garażu, wyposażenia garażu w instalację tryskaczową oraz

nachyleniapodłogi garażu.

3.2. Elementy systemu wentylacji strumieniowej

Podstawowymi elementami systemu wentylacji strumieniowej są wentylatory nawiewno-

wyciagowe i kraty nawiewno-wyciągowe zainstalowane w szachtach wentylacyjnych oraz

wentylatory strumieniowe rozmieszczone w przestrzeni garażu. Istnieją dwa typy

wentylatorów strumieniowych wykorzystywane w systemach wentylacji strumieniowej

garaży zamkniętych, wentylatory osiowe zwane także impulse-fan oraz płaskie podstropowe

wentylatory promieniowe zwane induction-fan. Podstawowym parametrem

charakteryzującym wentylatory strumieniowe jest ich siła ciągu, zależna od prędkości gazów

wyrzucanych przez wentylator. W zależności od wielkości wentylatory strumieniowe

wykorzystywane w garażach mają wartości siły ciągu w zakresie od około 20 N do około 100

N.W celu uniknięcia kolizji strumienia powietrza wyrzucanego przez wentylator

z przeszkodami architektonicznymi takimi jak np. podciągi, wykorzystuje się elementy

aerodynamiczne montowane na wylocie wentylatora, służące do odchylania strumienia

gazów o określony kąt w pionie [5] (Rys. 3).


239

Rys.3. Wizualizacja przepływu powietrza przez wentylator strumieniowy z kierownicami nachylonymi pod

kątem 6°.

Figure 3. Visualization of flow through jet-fan with wings adjusted to 6° angle.

3.3. Scenariusze zadziałania systemów wentylacji strumieniowej

System wentylacji strumieniowej powinien uruchamiać się samoczynnie po wykryciu

pożaru przez system sygnalizacji pożaru jednocześnie powodując wyłączenie wentylacji

bytowej. W pierwszej kolejności powinno nastąpić zamknięcie bądź otwarcie klap

pożarowych na szachtach nawiewnych i wyciągowych zgodnie ze scenariuszem pożarowym.

Po potwierdzeniu zadziałania klap pożarowych powinno nastąpić równoczesne uruchomienie

wentylatorów wyciągowych oraz nawiewnych. W zależności od rozmiarów obiektu oraz

zaprojektowanych wydajności wentylatory wyciągowe oraz nawiewne mogą zostać

uruchomione z pełną lub ograniczoną wydajnością. Wentylatory strumieniowe powinny

uruchomić się dopiero po upływie czasu przeznaczonego na ewakuację ludzi z zagrożonej

strefy pożarowej. Wcześniejsze uruchomienie wentylatorów strumieniowych skutkuje

gwałtownym zmieszaniem dymu oraz czystego powietrza, co może całkowicie uniemożliwić

ewakuację osób z przestrzeni zagrożonej. W przypadku, gdy wentylatory wyciągowe oraz

nawiewne po wykryciu pożaru uruchamiane były z ograniczoną wydajnością, po

uruchomieniu się wentylatorów strumieniowych powinny osiągnąć pełną projektową

wydajność. W szczególnych przypadkach istnieje możliwość zaprogramowania dodatkowych

powiązań logicznych i czasów zwłoki dla wentylatorów strumieniowych, jak np. dodatkowe

5 minut zwłoki od momentu zadziałania instalacji tryskaczowej.


240

4. NARZĘDZIA INŻYNIERSKIE WSPOMAGAJĄCE PROCES PROJEKTOWANIA

SYSTEMÓW WENTYLAJCI STRUMIENIOWEJ

W trakcie projektowania systemu wentylacji strumieniowej niezbędnym narzędziem

wspomagającym ten proces są obliczenia numeryczne rozprzestrzeniania się dymu i ciepła

z wykorzystaniem metody obliczeniowej mechaniki płynów (Computational Fluid

Dynamics). Obliczeniowa mechanika płynów jest metodą przewidywania przepływów,

transferu ciepła i masy, reakcji chemicznych oraz innych powiązanych przemian poprzez

rozwiązywanie układów równań z wykorzystaniem metod numerycznych. W celu

wykorzystania metody CFD badana przestrzeń jest najpierw dzielona na określoną liczbę

objętości kontrolnych zwanych elementami. Następnie dla każdego z elementów

rozwiązywany jest układ równań różniczkowych w każdej chwili czasowej. Obliczenia

prowadzone są zawsze na modelach trójwymiarowych, a wszystkie

z parametrów są zmienne w czasie[6].

Rys. 4. Przykładowy trójwymiarowy model numeryczny wentylatora strumieniowego wykorzystywany

w obliczeniach numerycznych.

Figure 4. Sample 3d numerical model of a jet-fan used in CFD analysis.

Wykorzystując komputerowe modele obliczeniowe wykorzystujące metodę CFD możliwa

jest weryfikacja skuteczności działania projektowanego systemu wentylacji strumieniowej

w sytuacji pożarowej. W tym celu określane są warunki środowiska w czasie ewakuacji osób

z budynku takie jak przewidywana temperatura, przewidywany lokalny zasięg widzialności

znaków ewakuacyjnych, stężenie dymu oraz toksycznych produktów spalania czy

przewidywany strumień ciepła przekazywany na drodze promieniowania (Rys. 5). Następnie


241

analizując rozprzestrzenianie się dymu i ciepła w garażu w momencie osiągnięcia przez

pożar maksymalnej mocy oceniane jest odsłonięcie źródła pożaru od strony napływu

powietrza kompensacyjnego oraz utrzymanie dymu w obrębie jednej założonej strefy

dymowej. W celu doboru odpowiedniej klasy wentylatorów oceniana jest maksymalna

temperatura dymu.

5. TESTY ODBIOROWE SYSTEMÓW WENTYLACJI STRUMIENIOWEJ

Z WYKORZYSTANIEM GORĄCEGO DYMU

Poprawnie zaprojektowany i wykonany system powinien zostać poddany dodatkowej

weryfikacji przed oddaniem budynku do użytkowania przez przeprowadzenie testów

z wykorzystaniem gorącego dymu. W czasie tego typu testów wytwarzany jest strumień

gorącego powietrza oraz dymu niepowodujący uszkodzenia konstrukcji, instalacji czy

elementów wykończenia wnętrz w obiekcie. W czasie testu z gorącym dymem oceniane są:

utrzymanie dwóch warstw dymu w czasie niezbędnym do ewakuacji osób, zdolność systemu

do odsłonięcia źródła ognia oraz utrzymania dymu w pojedynczej strefie dymowej. Ponadto

prowadzone są pomiary czasów uruchomień oraz wydajności wszystkich elementów systemu

wentylacji strumieniowej, a także oceniana współpraca systemu z innymi systemami

bezpieczeństwa znajdującymi się w budynku.

J

a

)

Exhaust grill Smoke and heatsource Replacementair inlet Jet fan


242

Rys. 5. Przewidywany lokalny zasięg widzialności znaków ewakuacyjnych świecących własnym światłem

(0-20 m i więcej) w garażu podziemnym. Płaszczyzna na wysokości 2,00 m powyżej posadzki, na 30 sekund

przed (a) i 30 sekund po (b) uruchomieniu wentylatorów strumieniowych.

Figure 5.Predicted local visibility range of evacuation signs with internal light source(0 – 20 m and higher) in

underground car park. Plot at height of 2,00 m above floor, 30 seconds before (a) and 30 seconds after start of

jet-fans.

Rys.6. Próby z gorącym dymem w garażu podziemnym wyposażonym w system wentylacji strumieniowej –

widok na kilka sekund przed uruchomieniem wentylatorów strumieniowych.

Figure 6.Hot smoke test in underground car park with jet-fan ventilation system – picture taken few seconds

before start-up of jet-fans.

b


243

6. PODSUMOWANIE

Systemy wentylacji strumieniowej mogą być skutecznie wykorzystywane w garażach

podziemnych, jako systemy kontroli dymu i ciepła oraz systemy oczyszczania z dymu.

Systemy te spełniają wymagania stawiane przez przepisy polskiego prawa samoczynnym

urządzeniom oddymiającym, należy jednak pamiętać. Poprawnie zaprojektowany system

kontroli dymu i ciepła powinien wytworzyć wymaganą prędkość krytyczną pozwalającą na

ukierunkowanie przepływu dymu zgodnie z założeniami oraz odsłonięcie źródła ognia od

strony nawiewu powietrza kompensacyjnego. Wentylacja strumieniowa wspomaga działania

ratowniczo-gaśnicze poprzez usuwanie dymu i ciepła z przestrzeni zagrożonej oraz realizuje

funkcję oczyszczania z dymu po ugaszeniu pożaru.

W trakcie projektowania systemówwentylacji strumieniowej bardzo istotne jest określenie

niezbędnych opóźnień w działaniu systemu, związanych z czasem ewakuacji z zagrożonej

przestrzeni. Należy pamiętać, że zbyt wczesne uruchomienie wentylatorów strumieniowych

ma działanie odwrotne do pożądanego i może stanowić zagrożenie dla życia i zdrowia osób

ewakuujących się.

Rys. 7. Widok odsłoniętego źródła pożaru od strony nawiewu powietrza w momencie zakończenia próby

dymowej.

Figure 7. Clear view of the smoke and heat source from replacement air side, at the concealment of hot smoke

test.


244

LITERATURA

[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 roku w sprawie warunków

technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. 2002 nr 75 poz. 690)

z późniejszymi zmianami

[2] BS 7346-7 Components for smoke and heat control systems. Code of practice on functional

recommendations and calculation methods for smoke and heat control systems for covered car

parks.

[3] Sztarbała G., Krajewski G., Głąbski P., Węgrzyński W.: Projektowanie systemów wentylacji

pożarowej w obiektach budowlanych. Kurs organizowany przez Zakład Badań Ogniowych.

Warszawa, 19-21 września 2011 r, s. nlb., Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa, 2011.

[4] NBN S 21-208-2 Brandbeveiliging in gebouwen - Ontwerp van rook- en warmteafvoersystemen

(RWA) van gesloten parkeergebouwen.

[5] Sztarbała G., Krajewski G.: Application of CAE in designing proces of fire ventilation based on

jet fan system in underground car parks, 1st EBECC Conference 2008.

[6] Sztarbała G.: An estimation of conditions inside buildings during a fire with the use of

Computational Fluid Dynamics, (w recenzji)

[7] Fluent 6.0 Product Documentation Fluent Inc., 2006.

PRACTICAL APPLICATION OF JET FAN FIRE VENTILATION SYSTEMS IN CAR

PARKS

The paper presents basic information about proper use of jet fan fire ventilation systems

in enclosed car parks. Smoke control and smoke clearance systems are presented and

compared, and their main performance objectives are defined. Furthermore, principles of

operations of each system and their evaluation criteria were described, depending on their

application in buildings. The paper also presents simple method for calculating necessary

system capacity, based on NBN S 21-208-2 guidelines. This study presents short description

of engineering tools used in design stage and commissioning of jet-fan fire ventilation

systems. Considerations are supported by results of numerical calculations and full scale

experiments conducted by Fire Research Department of Building Research Institute in last 11

years.

Documents

Praktyczne aspekty zastosowania wentylacji strumieniowej w