Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 11 okladka

       11/2019

 

User Menu

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

heroal 2018 Banner C50VSZ 750x150 PL mit-Rahmen1 

baner szklo budowlane

 

20190820-BANNIERE-HALIO-750x100-1D-PL

 

wlasna-instrukcja ift--baner do newslet-2019

 LiSEC SS Konfig 480x120

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

  

budma 2020 - 480x120

 

Wykorzystanie okien oddymiających w systemie wentylacji pożarowej
Data dodania: 21.12.14

Systemy wentylacji pożarowej wykorzystujące naturalną siłę wyporu gorącego dymu są najprostszym sposobem usuwania dymu z obiektów budowlanych. Obszar zastosowania systemów grawitacyjnych obejmuje przede wszystkim budynki przemysłowe i magazynowe, niskie obiekty użyteczności publicznej czy klatki schodowe, w których wymagany jest system zabezpieczenia przed zadymieniem.

 

Wstęp

 

Systemy te mają swoje ograniczenia, wynikające przede wszystkim z niezbędnej dla ich poprawnego działania różnicy temperatur pomiędzy usuwanym dymem a otaczającym powietrzem. W związku z powyższym, w pomieszczeniach wysokich lub o bardzo skomplikowanej architekturze stropu, dym płynący w kierunku punktów jego wyciągu ulegnie wychłodzeniu w stopniu uniemożliwiającym jego skuteczne usunięcie. Systemy wentylacji grawitacyjnej są też szczególnie narażone na niekorzystne oddziaływanie wiatru. W niniejszym artykule przedstawiono wybrane problemy związane z projektowaniem i wykorzystaniem okien oddymiających w systemach grawitacyjnej wentylacji oddymiającej.

 

Wymagania

 

Systemy wentylacji pożarowej stanowią grupę rozwiązań techniczno-budowlanych wykorzystywanych w celu zapewnienia w budynkach poziomu bezpieczeństwa pożarowego wymaganego przepisami budowlanymi [1] oraz przepisów ochrony przeciwpożarowej [2]. Działanie wentylacji grawitacyjnej opiera się na powstałej w wyniku pożaru różnicy gęstości pomiędzy otaczającym powietrzem a unoszącym się gorącym dymem, powodującą powstanie sił wyporu wypychających dym z chronionego obszaru. System wentylacji pożarowej wpływa na poziom bezpieczeństwa pożarowego w obiekcie poprzez:

  • zwiększenie czasu, w którym dym oraz gorące toksyczne gazy pożarowe nie zagrażają osobom ewakuującym się;
  • spowolnienie rozwoju pożaru przez ograniczenie temperatury dymu oraz zwróconego strumienia promieniowania cieplnego;
  • poprawę możliwości prowadzenia akcji ratowniczo- gaśniczej w obiekcie poprzez zmniejszenie zadymienia powstałego w pożarze.

 

Systemy grawitacyjnej wentylacji pożarowej wykorzystują dwa typy urządzeń: klapy dymowe lub okna oddymiające. Warto zauważyć, że obydwa pojęcia z krajowej nomenklatury odnoszą się do jednego typu urządzenia, nazwanego w anglojęzycznej wersji normy jako natural smoke and heat exhaust ventilator, co można przetłumaczyć na język polski jako „urządzenie do naturalnego usuwania dymu i ciepła”. Norma w języku angielskim dzieli wspomniane urządzenia z uwagi na sposób ich montażu, tj. montowane na dachu lub ścianie, i właśnie do tej drugiej grupy zalicza się urządzenie określane w kraju jako „okno oddymiające”. Te delikatne kwestie związane z nazewnictwem urządzeń są w tym wypadku niezwykle istotne, z uwagi na różnice w procedurach badawczych, które rzutują na zakres wykorzystania urządzenia.

 

Badania klap dymowych i okien oddymiających

 

Okna oddymiające – jako urządzenia wpływające na bezpieczeństwo pożarowe obiektu – zostały objęte szczególnym nadzorem, zapisanym przez Komisję Europejską w mandacie 109 [3]. Na podstawie rozporządzenia 305/2011 [4] ich produkcja oraz sposób wprowadzenia do obrotu w krajach Unii Europejskiej jest regulowana zapisami normy zharmonizowanej EN 12101-2 [5]. Podobnie jak klapy dymowe, okna oddymiające przechodzą badania niezawodności działania (Re), pewności działania przy oddziaływaniu wiatru (Wl) oraz skuteczności działania w wysokiej temperaturze (B). W odróżnieniu od klap dymowych, okna oddymiające zazwyczaj nie są poddawane badaniu niezawodności działania przy obciążeniu śniegiem (Sl)1, przez co ich sposób montażu powinien wykluczyć możliwość gromadzeniu się śniegu lub lodu na powierzchni okna. 

 

Kolejnym z badań, które należy przeprowadzić w celu oznakowania okna oddymiającego znakiem CE jest badanie w tunelu aerodynamicznym którego celem jest wyznaczenie tzw. współczynnika wypływu klapy (Cv), opisującego tzw. powierzchnię czynną urządzenia. Współczynnik wypływu wyznaczany jest w trakcie badania dla dwóch stanów [5]:

  • bez oddziaływania wiatru bocznego w przypadku okien oddymiających;
  • z oddziaływaniem wiatru bocznego o prędkości 10 m/s pod najbardziej niekorzystnym kątem natarcia w przypadku klap dymowych.

 

Kiedy okno oddymiające staje się klapą dymową? Nie ma tu jednej, ostrej granicy, gdyż producenci mają niejako dowolność w określaniu kąta montażu swoich urządzeń. Znane są nam klapy dymowe montowane w dachach nachylonych pod kątem 30°, podobnie jak okna oddymiające (okna połaciowe) montowane w dachach płaskich. Kluczem do określenia typu urządzenia będzie zatem sposób wyznaczenia jego aerodynamicznego współczynnika wypływu (powierzchni czynnej).

 

Dlaczego sposób badania jest tutaj tak istotny? W przypadku urządzeń badanych bez wpływu wiatru norma [5] podaje, że urządzenia takie powinny być montowane na dwóch różnych fasadach budynku oraz połączone z systemem detekcji kierunku wiatru. Normatywna definicja systemu kontroli kierunku wiatru to: system nadzoru przeznaczony do kontroli co najmniej dwóch sekcji urządzeń wentylacyjnych rozmieszczonych na oddzielnych elewacjach, aby w przypadku pożaru powodować otwarcie tylko tych klap, które nie będą poddane ciśnieniu parcia wywołanego przez wiatr.

 

 

(...)

 

 

2014 12 33 1

Rys. 1. Schemat [5] oraz wizualizacja stanowiska do wyznaczania powierzchni czynnej klap dymowych

 

 

System taki powinien zapewniać, że okna które zostaną otwarte w czasie pożaru nie będą narażone na bezpośrednie działanie wiatru. Takie założenie, w połączeniu z metodą badania powierzchni czynnej bez oddziaływania wiatru, jest racjonalne. Okno oddymiające badane bez oddziaływania wiatru ma zdecydowanie wyższą wartość powierzchni czynnej od identycznego urządzenia badanego przy oddziaływaniu wiatru. W związku z powyższym, praktyczne wykorzystanie urządzenia badanego bez wpływu wiatru w sytuacji, w której może ono być przedmiotem takiego oddziaływania, jest co najmniej niebezpieczne. 

 

Znając metodykę badania i powyższe zależności, jednoznacznie widać potencjalne problemy z zastosowaniem okien oddymiających jako bezpośredniego zamiennika klap dymowych, a wymiar tego niebezpieczeństwa przedstawiono w kolejnych rozdziałach.

 

Projektowanie systemów wentylacji oddymiającej

 

Dokumentem stanowiącym podstawę wielu projektów systemów grawitacyjnej wentylacji oddymiającej w Polsce jest norma PN-B-02877-4 [6], oparta w większości na niemieckiej normie DIN 18232 Teil 2 [7]. Metodyka obliczeń przedstawiona w normie wymaga oszacowania zagrożenia pożarowego w obiekcie poprzez przyporządkowanie materiałów w nim składowanych do odpowiednich pozycji tabel ryzyka, a następnie odczytanie dla danego poziomu zagrożenia wymaganej powierzchni klap dymowych liczonej jako procent powierzchni rzutu poziomego powierzchni pojedynczej strefy dymowej. Nowocześniejsze metody projektowania systemów grawitacyjnej wentylacji oddymiającej przedstawione w dokumentach normatywnych uwzględniają uzależnienie wymaganej powierzchni czynnej klapy dymowej od rozmiaru pożaru oraz powierzchni otworów napowietrzających [8, 9, 10]. Metody te mogą być trudne w stosowaniu, z uwagi na dużą liczbę niewiadomych i wymaganych założeń, lecz z pewnością stanowią doskonalsze odzwierciedlenie rzeczywistych wymaganych parametrów urządzeń. Metody projektowe nie pozwalają na uwzględnienie niekorzystnego oddziaływania wiatru na system, polegając jedynie na wyznaczonym eksperymentalnie współczynniku przepływu przez okno oddymiające. Jednocześnie normy nie różnicują rodzaju wykorzystywanych urządzeń, a wyniki obliczeń mogą posłużyć do zaprojektowania systemu wykorzystującego zarówno okna oddymiające jak i klapy dymowe. 

 

 

2014 12 33 2

Rys. 2. Model numeryczny okna oddymiającego wykorzystany do oszacowania jego powierzchni czynnej bez oddziaływania wiatru

 

 

Alternatywę do wykorzystania wyników obliczeń analitycznych według metod wybranej normy projektowej stanowi projektowanie z wykorzystaniem metody obliczeniowej mechaniki płynów (CFD). Taki projekt wymaga kompleksowej analizy oddziaływania wiatru na budynek dla wielu różnych kątów oddziaływania wiatru, dla określonego układu okien oddymiających wraz z otworami służącymi dostarczaniu powietrza kompensacyjnego. Zarówno kształt i wymiary klap dymowych, ich rozmieszczenie, jak i doprowadzenie powietrza kompensacyjnego powinny być odwzorowane w takiej analizie w sposób wierny. Taki sposób oceny skuteczności działania systemu pozwala na lepszą optymalizację działania systemu.

 

 

2014 12 34 2

Rys. 3. Model numeryczny budynku, dla którego prowadzono analizy por.wnawcze skuteczności działania różnych systemów grawitacyjnej wentylacji pożarowej

 

 

Podsumowując powyższe rozważania, projektanci dysponują dwiema drogami pozwalającymi zaprojektować system grawitacyjnej wentylacji oddymiającej: 

  • korzystając z wartości współczynnika przepływu CV określonej przez producenta urządzeń określić wymaganą liczbę urządzeń; 
  • korzystając z metod numerycznych ocenić oddziaływanie wiatru na budynek i dysponując tą wiedzą odpowiednio rozmieścić liczbę urządzeń wymaganą dla osiągnięcia założonego celu.

 

W świetle wymagań §270 rozporządzenia [1], pierwsza z wymienionych dróg jest wciąż powszechnie uważana jest za spełniającą postawione w nim wymaganie funkcjonalne dla systemu.] W ocenie autorów w obiektach w których ochrona dróg ewakuacji ma szczególne znaczenie, poleganie wyłącznie na wytycznych projektowych bez weryfikacji skuteczności funkcjonowania systemu z wykorzystaniem metod numerycznych może być niewystarczające, a system tak zaprojektowany może nie gwarantować oczekiwanej od niego skuteczności działania.

 

Skuteczność działania systemów wykorzystujących okna oddymiające

 

Ocena globalnego wpływu zastosowania różnych systemów grawitacyjnej wentylacji oddymiającej była przedmiotem pracy W. Węgrzyńskiego: Ocena skuteczności funkcjonowania grawitacyjnej wentylacji oddymiającej przy oddziaływaniu wiatru [11]. W ramach badań własnych porównywano masowy strumień gazów usuwany z przestrzeni obiektu poprzez system wentylacji oddymiającej z klapami dymowymi, klapami dymowymi wraz z owiewkami przeciwwiatrowymi oraz oknami oddymiającymi zamontowanymi na różnych fasadach budynku. Badania prowadzono dla kilku różnych kątów natarcia wiatru. Oddziaływanie wiatru w każdym przypadku odwzorowywane było z wykorzystaniem profilu logarytmicznego prędkości wiatru, dla przyjętej prędkości 4,00 m/s, na wysokości referencyjnej 5 m i szorstkości terenu 0,30 m. Zaprojektowany budynek wyposażony w różne systemy wentylacji oddymiającej poddawano oddziaływaniu wiatru, przy jednoczesnym odwzorowaniu pożaru w jego wnętrzu. Model przygotowano tak, aby móc oceniać oddziaływanie wiatru pod różnymi kątami natarcia poprzez obrót domeny obliczeniowej.

 

Dla systemu wykorzystującego klapy dymowe bez owiewek przeciwwiatrowych, dla kąta natarcia wiatru 60°, który uznano za najmniej korzystny, różnica pomiędzy masowym strumieniem dymu usuwanym przez klapy w scenariuszu bez oddziaływania wiatru a scenariuszem z oddziaływaniem wiatru wynosiła 23,6%. Dla okien oddymiających na stronie zawietrznej wartość ta wynosiła 20%, a w przypadku okien oddymiających zlokalizowanych na fasadzie narażonej na oddziaływanie wiatru wynosiła aż 63%. Oznacza to, że praktycznie wyklucza się możliwość otwarcia okien oddymiających na fasadzie nawietrznej, chyba że zasadność tego rozwiązania zostanie podparta niezbędną analizą dla najbardziej niekorzystnego scenariusza. Dokładne wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono w tabeli 1.

 

 

2014 12 34 1

 

 

Różnica pomiędzy masowym strumieniem dymu usuwanym przez klapy dymowe wyposażone i niewyposażone w owiewki przeciwwiatrowe wynosiła około 10%. W przypadku okien oddymiających zamontowanych w sposób poprawny, czyli nie narażonych na działanie wiatru, masowy strumień dymu porównywany z wartością dla klapy dymowej był mniejszy nawet o 37%. Oznacza to, że przy projektowaniu systemów wykorzystujących okna oddymiające, sumaryczna powierzchnia okien powinna być znacznie większa, niż wymagana powierzchnia klap dymowych. Podczas dalszych badań, przy prędkości wiatru zbliżonej do 8 m/s okna zamontowane na fasadzie narażonej na działanie wiatru miały ujemną wartość strumienia masy, co oznacza że więcej powietrza wpadało do obiektu niż było z niego usuwane przez okna.

 

Wykorzystanie metody CFD w projektowaniu okiennych systemów oddymiania

 

Przedstawione tu, zaskakujące różnice w skuteczności działania systemów wentylacji pożarowej zaprojektowanych według tych samych podstaw merytorycznych, w odniesieniu do dostępnych na rynku danych katalogowych urządzeń, są przesłanką dla konieczności zastosowania doskonalszych metod oceny funkcjonowania systemów wentylacji pożarowej narażonych na niekorzystne oddziaływanie wiatru. Taką metodą są analizy numeryczne skuteczności działania systemów wentylacji pożarowej narażonych na niekorzystne działanie wiatru, wykorzystujące metodę obliczeniowej mechaniki płynów (CFD). 

 

 

2014 12 34 3

Rys. 4. Model numeryczny otoczenia budynku wykorzystany w analizie CFD oddziaływania wiatru na okienny system oddymiania

 

 

Pierwszym krokiem analizy CFD dla systemów grawitacyjnej wentylacji oddymiającej jest określenie najbardziej niekorzystnego kąta natarcia wiatru i jego prędkości, posługując się danymi statystycznymi dot. wiatru w badanym rejonie, a następnie prowadząc analizy rozkładu bezwymiarowego współczynnika ciśnienia na ważnych z uwagi na działania systemu powierzchniach budynku. Określony w ten sposób najbardziej niekorzystny kierunek wiatru powinien stanowić warunek brzegowy dla dalszych analiz skuteczności usuwania dymu z budynku w warunkach pożaru. Za najbardziej niekorzystny kierunek wiatru zazwyczaj uznaje się ten, dla którego na płaszczyźnie fasady, na której zamontowano okna oddymiające, otrzymano najwyższe nadciśnienie, a na płaszczyznach otworów napowietrzających zaobserwowano podciśnienie.

 

 

2014 12 34 4

Rys. 5. Model numeryczny budynku, dla którego prowadzono analizę CFD skuteczności działania okiennego systemu oddymiania

 

 

Drugim krokiem prowadzonej analizy skuteczności funkcjonowania systemu grawitacyjnej wentylacji oddymiającej jest analiza skuteczności usuwania dymu przez system w warunkach pożaru. W czasie tej analizy oceniane są nie tylko typowe dla każdego systemu wentylacji pożarowej przewidywane rozkłady masowej koncentracji dymu czy temperatura dymu na drogach ewakuacji, ale także rozkład temperatury dymu zgromadzonego w zbiorniku dymu i usuwanego klapami dymowymi. Ocena ta ma na celu określenie możliwości optymalizacji systemu poprzez zmianę liczby klap dymowych, ich rozmieszczenia czy zmianę sposobu doprowadzenia powietrza kompensacyjnego do obiektu.

 

Omawiając problematykę związaną z prowadzeniem analiz numerycznych dla systemów grawitacyjnej wentylacji oddymiającej należy mieć na uwadze konieczność powtórzenia analiz dla zarówno dużej, jak i małej mocy pożaru. Zasada działania systemu grawitacyjnej wentylacji oddymiającej może spowodować, że system który z łatwością usuwa dym powstały w pożarze stoiska handlowego o mocy 3,50 MW może mieć problem z usunięciem dymu powstałego w niewielkim pożarze o mocy poniżej np. 0,50 MW.

 

 

2014 12 35 1

Rys. 6. Współczynnik ciśnienia [-] na wysokości montażu okien oddymiających

 

 

2014 12 35 2

 

Rys. 7. Współczynnik ciśnienia [-] na fasadzie na której zamontowano okna oddymiające przy najbardziej niekorzystnym kącie natarcia wiatru

 

 

2014 12 35 3

2014 12 35 4

Rys. 8. Przewidywane masowe stężenie dymu oraz przewidywany rozkład temperatury w przekroju przez budynek, w czasie pożaru przy jednoczesnym oddziaływaniu najbardziej niekorzystnego prawdopodobnego wiatru

 

 

Podsumowanie

 

Systemy grawitacyjnej wentylacji oddymiającej wykorzystujące układy okien oddymiających wymagają uwzględnienia większej liczby czynników, niż systemy oparte na dachowych klapach oddymiających. Przede wszystkim, okna oddymiające bez względu na ich powierzchnię czynną są mniej efektywnym rozwiązaniem usuwania dymu z obiektu, przez co sumaryczna powierzchnia projektowanych okien powinna być większa niż wartość powierzchni stanowiącej wynik obliczeń analitycznych. Ponadto, należy zwrócić uwagę na sposób oceny powierzchni czynnej urządzenia (bez lub przy oddziaływaniu wiatru). W przypadku urządzeń, których powierzchnię wyznaczono w warunkach bezwietrznych, należy zapewnić aby układ okien był podwojony, a automatyka pożarowa w budynku decydowała o sposobie jego uruchomienia. Niespełnienie tego wymagania może wykluczyć skuteczne działanie projektowanego systemu. W szczególnych wypadkach (np. budynki zabytkowe), w których nie jest możliwe otwarcie więcej niż jednej fasady, niezbędne może okazać się wykonanie analiz CFD uwzględniających oddziaływanie wiatru, w celu potwierdzenia skuteczności działania systemu. Analizy takie mogą okazać się przydatne także w innych projektach systemu, a na ich podstawie może zostać przeprowadzona optymalizacja zarówno liczby jak i rozmieszczenia okien oddymiających.

 

 

mgr inż. Wojciech Węgrzyński
Zakład Badań Ogniowych,
Instytut Techniki Budowlanej

 


mgr inż. Grzegorz Krajewski
Zakład Badań Ogniowych,
Instytut Techniki Budowlanej

 

 

Bibliografia

[1] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie z dnia 12 kwietnia 2002 r. (Dz.U. Nr 75, poz. 690), z późniejszymi zmianami
[2] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (Dz. U. nr 109, poz. 719), z późniejszymi zmianami
[3] Mandat Komisji Europejskiej nr 109, Wyroby służące do wykrywania i sygnalizacji pożaru, stałe urządzenia gaśnicze i ich podzespoły, wyroby służące do kontroli rozprzestrzeniania ognia i dymu oraz tłumienia wybuchu
[4] 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
[5] PN-EN 12101-2:2006 Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Część 2: Wymagania techniczne dotyczące klap dymowych
[6] PN-B-02877-4 Instalacje grawitacyjne do odprowadzania dymu i ciepła. Zasady projektowania.
[7] DIN 18232 Teil 2. Baulicher Brandschutz im Industriebau. Rauch- und Warmeabzugsaniagen. Rauchabzuge. Bemessung, Anforderungen und Einbau
[8] VDI 6019 Blatt 1 Ingenieurverfahren zur Bemessung der Rauchableitung aus Gebäuden Brandverläufe, Überprüfung der Wirksamkeit. 2006TR
[9] BS 7974 Part 4: Components for smoke and heat control systems. Functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, employing steady-state design fires. Code of practice, Londyn 2003
[10] NFPA 204: Standard for Smoke and Heat Venting, 2012 Edition. 2012
[11] W. Węgrzyński: Ocena skuteczności funkcjonowania grawitacyjnej wentylacji oddymiającej przy oddziaływaniu wiatru. „Budownictwo i Architektura” 3/2014

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne 
Więcej informacji: Świat Szkła 12/2014

 

Czytaj także --

 

 

01 chik
01 chik