VYUŽITELNOST PROVOZNÍCH VZDUCHOTECHNICKÝCH SYSTÉMŮ K REALIZACI OCHRANNÝCH CÍLŮ PŘI POŽÁRU Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. 1 ABSTRAKT Příspěvek se zabývá popisem studie VDMA zaměřené na posouzení vlivu provozních vzduchotechnických systémů na snížení teploty a hladiny kumulované vrstvy kouřových plynů v prostoru, kde dochází k rozvoji požáru. Při studii bylo využito modelu Thomase a Hinkleyho. V textu jsou dále prezentovány výsledky hodnocení zaměřeného na sledování shodných parametrů s využitím modelu ASMET v prostorách o stejných půdorysných plochách, ale větších světlých výškách. Závěry uvedené v příspěvku nabízí jednoznačné odpovědi na případnou využitelnost běžných provozních vzduchotechnických systémů k realizaci ochranných cílů při požáru. Klíčová slova: Provozní větrání, výměna plynů, teplota, kouř, kouřoprostorá vrstva 1. ÚVOD Stavební objekty jsou vybaveny řadou technických zařízení, které podmiňují jejich funkci. Jde zejména o vodovodní instalace, plynové a elektrické instalace, zařízení výtahů apod. Mezi provozně významné systémy patří také vzduchotechnická zařízení. Vzduchotechnické systémy zajišťují výměnou vzduchu v prostoru a úpravou jeho kvality uživatelské přijatelné prostředí. Mezi základní úpravy vzduchu patří ohřívání, chlazení, vlhčení, směšování a sušení. 1 Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje, Výškovická 40, 700 30 Ostrava-Zábřeh, Česká republika, tel. +420 950 730 150, fax. +420 950 730 103, jiripokorny@mujmail.cz, www.jiripokorny.net
Pravidelná přítomnost vzduchotechnických zařízení ve stavbách a současně cenová náročnost speciálních systémů pro odvod tepla a kouře vyvolávají otázky související s případným využitím běžných vzduchotechnických systémů k zajištění bezpečnosti osob, snížení materiálních škod, usnadnění hasebního zásahu apod. 2. NAVRHOVÁNÍ PROVOZNÍCH VZDUCHOTECHNICKÝCH ZAŘÍZENÍ K návrhu i provozu vzduchotechnických soustav slouží řada fyzikálních veličin (např. teplota a vlhkost vnitřního vzduchu, teplota a vlhkost venkovního vzduchu), kterými lze identifikovat interní mikroklima místností a vyčíslit tepelně vlhkostní bilance budovy. Primárními složkami uvedených bilancí souvisejících s tvorbou mikroklimatu místností jsou tepelné ztráty, tepelné zisky, vodní zisky a toky škodlivin. Na jejich základě se stanovují nutné průtoky vzduchu pro konkrétní vzduchotechnickou soustavu [1]. Pro potřeby řešené problematiky je významná zejména požadovaná provozní výměna vzduchu. Příklady doporučených hodnot výměn vzduchu za časovou jednotku a dávek vzduchu na osobu jsou uvedeny v tab. 1 [1]. Tab. 1 Příklady doporučených hodnot výměn vzduchu za časovou jednotku a dávek vzduchu na osobu Druh místnosti Výměna vzduchu [hod -1 ] Dávka vzduchu na osobu [m 3.s -1 ] obytné místnosti 1-6 0,0056-0,014 kanceláře 3-15 0,0083-0,017 shromažďovací prostory 4-15 0,0056-0,0014 obchodní domy 2-6 0,0056-0,011 restaurace 3-10 0,0083-0,019 učebny 3-5 0,0056-0,011 tělocvičny 3 0,01 nemocnice 6-10 - šatny 2-6 0,0056-0,0083 3. POPIS VÝZKUMŮ PROVEDENÝCH VDMA Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v. (VDMA) se sídlem ve Frankfurtu nad Mohanem sdružuje, zajišťuje zázemí a poskytuje podporu německým firmám produkujícím strojní zařízení staveb (www.vdma.org).
Organizace VDMA se zabývala úvahami nad případnou využitelností provozního větrání k realizaci ochranných cílů při požáru [2]. Úvahy byly vedeny zejména s ohledem na možnost odvádění kouřových plynů doprovázejících rozvoj požáru provozními instalacemi, snížení teploty, zajištění viditelnosti pro únik osob do bezpečného prostoru a vytvoření přijatelných podmínek pro hasební zásah záchranných jednotek. Studie byly provedeny pro prostory o parametrech půdorysná plocha prostoru S = 200 m 2, světlá výška prostoru h = 4 m, půdorysná plocha prostoru S = 400 m 2, světlá výška prostoru h = 4 m. Pro potřeby studie byla stanovena rychlost šíření požáru 0,12 m.min -1 a uvolňovaná hustota tepelného toku 300 kw.m -2. V hodnocených prostorách byla provozním větráním zajištěna 4násobná výměna vzduchu za hodinu (L h = 4). Hodnoty byly srovnávány s hodnotami odpovídajícími nevětranému prostoru (L h = 0) o shodných geometrických rozměrech a dynamice požáru. Stěžejními sledovanými parametry byl vliv provozního větrání na snížení teploty v prostoru a na snížení hladiny kumulovaných kouřových plynů. Popisované parametry byly hodnoceny v době dosažení úrovně plynů 2,5 m nad podlahou. Současně byl sledován okamžik předpokládaného uzavření požárních klapek ve vzduchotechnických potrubích a doba tepelného selhání zařízení. Při hodnocení bylo využito modelu Thomase a Hinkleyho. Výsledky studie pro prostor o ploše 200 m 2 jsou uvedeny na obr. 1. Kouřoprostá vrstva [m] Teplota kumulované vrstvy kouře [ C] Výška prostoru h = 4 m Plocha kouřového úseku 200 m 2 Čas [min] Uzavření požární klapky Čas Teplotní [min] selhání provozní vzduchotechniky Obr. 1 Snížení teploty a hladiny kumulovaných kouřových plynů v prostoru o ploše 200 m 2
Výsledky studie pro prostor o ploše 800 m 2 jsou uvedeny na obr. 2. Kouřoprostá vrstva [m] Teplota kumulované vrstvy kouře [ C] Výška prostoru h = 4 m Plocha kouřového úseku 200 m 2 Uzavření požární klapky Čas [min] Teplotní selhání provozní vzduchotechniky Obr. 2 Snížení teploty a hladiny kumulovaných kouřových plynů v prostoru o ploše 800 m 2 Z obr. 1 a 2 je zřejmé, že rozdíly sledovaných parametrů se pro situace bez výměny vzduchu a pro situace se 4násobnou výměnou vzduchu (odchylné způsoby větrání) příliš neliší. Pro prostor o ploše 200 m 2 činí časový rozdíl poklesu vrstvy plynů na úroveň 2,5 m pro odchylné způsoby větrání 15 s. Pro prostor o ploše 800 m 2 činí tento časový rozdíl 2,15 minut. Pro případy, kdy jsou v potrubích instalovány požární klapky, je stanovená časová diference pro prostor o ploše 800 m 2 bezvýznamná. Uzavření požárních klapek v prostoru o ploše 800 m 2 lze předpokládat v intervalu 3 až 4,5 minuty (odpovídá přibližně době dosažení úrovně kouřových plynů 2,5 m nad podlahou bez větrání). V případě, že nejsou ve vzduchotechnických systémech instalovány požární klapky, lze předpokládat funkčnost provozního větrání do doby selhání jednotlivých komponentů zařízení z důvodu vysoké teploty. Komponenty provozních vzduchotechnických systémů nejsou navrhovány s požadavky na zajištění provozu při vyšších teplotách. Obecně nelze vyloučit vznik poruchových stavů (výpadky z činnosti) již v oblasti teplot 40 až 60 C. V popisované studii byla za kritickou teplotu selhání vzduchotechnických systémů považována teplota 200 C. Recipročně lze konstatovat, že při instalaci požárních klapek jsou úvahy související se selháním komponentů vzduchotechnických zařízení z důvodu vysoké teploty bezpředmětné (k reakci požární klapek dochází dříve než k selhání funkce systému z důvodu teploty).
Provozní vzduchotechnické systémy nejsou vybavovány záložními zdroji elektrické energie, které zajistí jejich činnost také v případě výpadku běžné dodávky. Současně rozvody elektrických kabelů nejsou vždy navrhovány pro požární situace (zajištění funkčnosti v případě požáru). Účinnost provozních vzduchotechnických systémů (včetně komponentů) k realizaci ochranných cílů při požáru, které nejsou navrženy na předpokládané teploty doprovázející požár, nejsou vybaveny záložními zdroji elektrické energie a speciálními elektrickými kabely je více než diskutabilní. Současně je nutné zohlednit skutečnost, že návrhy vzduchotechnických zařízení mohou být rozmanité. Systémy provozního větrání nemusí být vždy navrženy tak, aby plyny proudily směrem ke stropní konstrukci (v praxi se setkáváme také s opačným směrem proudění plynů). U systémů, kde dochází při běžném provozu k proudění plynů směrem k podlaze, lze předpokládat intenzívní víření kouře vznikajícího při požáru a bezprostřední zakouření celého prostoru. 4. SROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ STUDIE PROVEDENÉ VDMA S VÝSLEDKY ZÍSKANÝMI MODELEM ASMET Atria Smoke Management Engineering Tools (ASMET) je deterministickým zónovým modelem požáru [3]. Uvedený model lze využít k posuzování rychlosti tvorby plynných zplodin hoření, ke stanovení průměrných teplot plynů a teplot v ose sloupce kouřových plynů, ke stanovení výšky plamene a doby plnění kumulačního prostoru. Model požáru umožňuje simulace s konstantními vstupními parametry nebo parametry s časovou závislostí. Výše uvedeným požárním modelem byly ověřovány shodné modelové situace jako u studie provedené VDMA. Byly hodnoceny prostory se stejnými půdorysnými plochami bez nuceného větrání (L h = 0) nebo se 4násobnou výměnou vzduchu za hodinu (L h = 4). Světlá výška hodnocených prostor činila 2 12 m. V hodnocených prostorách byla předpokládána hodnota požárního zatížení 40 kg.m -2 (tzv. rychlý rozvoj požáru). Tepelný tok sdílený konvekcí činil 80 % z celku a časový interval hodnocení 10 s. Stěžejními sledovanými parametry byl opět vliv provozního větrání na snížení teploty v prostoru a na snížení hladiny kumulovaných kouřových plynů při požární situaci. Popisované parametry byly hodnoceny v době dosažení úrovně hladiny kumulovaných plynů 2,5 m nad podlahou. Závěry hodnocení pro prostor o ploše 200 m 2 jsou uvedeny na obr. 3. 2 Odchylná světlá výška byla volena záměrně z důvodu srovnání rozdílů nejen mezi aplikovanými požárními modely, ale rovněž mezi prostory s různými výškami.
14 600 Nezakouřená výška prostoru [m] 12 10 8 6 4 2 Teplota kumulované vrstvy kouře [ C] Kouřoprostá vrstva [m] Výška h = 12 m Plocha S = 200 m 2 2,5 m 500 400 300 200 100 Teplota v prostoru [ 0 C] 0 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Čas [s] Bez ventilace S ventilací Teplota s ventilací Teplota bez ventilace Uzavření požární klapky Teplotní selhání provozní vzduchotechniky Obr. 3 Snížení teploty a hladiny kumulovaných kouřových plynů v prostoru o ploše 200 m 2 Závěry hodnocení pro prostor o ploše 800 m 2 jsou uvedeny na obr. 4. 14 100 Nezakouřená výška prostoru [m] 12 10 8 6 4 2 Kouřoprostá vrstva [m] Výška h = 12 m Plocha S = 800 m 2 2,5 m 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Teplota v prostoru [ 0 C] 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 Čas [s] 0 Bez ventilace S ventilací Teplota s ventilací Teplota bez ventilace Obr. 4 Snížení teploty a hladiny kumulovaných kouřových plynů v prostoru o ploše 800 m 2 Z obr. 3 a 4 je patrné, že rozdíly sledovaných parametrů jsou pro situace bez výměny vzduchu a pro situace se 4násobnou výměnou vzduchu významnější než u studie provedené VDMA.
Pro prostor o ploše 200 m 2 činí časový rozdíl poklesu vrstvy plynů na úroveň 2,5 m pro odchylné způsoby větrání 45 s. Pro prostor o ploše 800 m 2 nebylo možné časovou diferenci při poklesu vrstvy plynů na úroveň 2,5 m stanovit, neboť hladina kumulovaných nedosáhla této úrovně (pro větší výšky než 2,5 m nad podlahou byla časová diference ještě významnější než pro prostory o ploše 200 m 2 ). Rozdíly teplot při odchylném větrání byly větší než ve studii provedené VDMA. Obecně lze konstatovat, že vliv větraného a nevětraného prostoru se při aplikaci modelu ASMET a při větších světlých výškách prostor projevil výrazněji než u studie provedené VDMA. Avšak v případě zohlednění reakce instalovaných požárních klapek a předpokládaného teplotního kolapsu vzduchotechnických systémů (zejména u prostor s menšími plochami) není rovněž při aplikaci modelu ASMET zásadní rozdíl ve sledovaných parametrech při odchylném způsobu větrání hodnocených prostor. 5. ZÁVĚREČNÁ SHRNUTÍ, DISKUSE VÝSLEDKŮ V příspěvku jsou prezentovány výsledky studie prováděné VDMA. Studie byla zaměřená na posouzení vlivu provozních vzduchotechnických systémů na snížení teploty v prostoru a na snížení hladiny kumulovaných kouřových plynů (využitelnost k realizaci ochranných cílů při požáru). Popisované parametry byly hodnoceny v době dosažení úrovně hladiny kumulovaných plynů 2,5 m nad podlahou. Současně byl sledován okamžik předpokládaného uzavření požárních klapek ve vzduchotechnických potrubích a doba tepelného selhání zařízení. Studie byla prováděná v definovaném prostoru a bylo využito modelu Thomase a Hinkleyho. Hodnocené prostory nebyly větrány, případně zde byla zajištěna 4násobná výměna vzduchu za hodinu. V textu jsou rovněž prezentovány výsledky hodnocení zaměřeného na sledování shodných parametrů s využitím modelu ASMET v prostorách o stejných půdorysných plochách, ale větších světlých výškách. Srovnáním vypočtených hodnot lze dospět k závěru, že rozdíly sledovaných parametrů pro situace bez výměny vzduchu a pro situace se 4násobnou výměnou (odchylné větrání) vzduchu nemají zásadní charakter. Při instalaci požárních klapek ve vzduchotechnických systémech a jejich reakce na požár, bude provozní větrání v relativně krátkém čase vyřazeno z činnosti (pro uvedená hodnocení byla předpokládáno uzavření požárních klapek při dosažení teploty kouřových plynů 100 C). Dalším aspektem je funkčnost provozních vzduchotechnických zařízení za vyšších teplot. Ke vzniku poruch může docházet již při teplotách 40 až 60 C. Za
kritickou teplotu selhání vzduchotechnických systémů lze považovat teplotu 200 C. Uvedených teplot je zejména v prostorách s menší půdorysnou plochou (např. 200 m 2 ) dosahováno již v časovém úseku 4 minut. Provozní vzduchotechnické systémy nejsou zpravidla vybavovány záložními zdroji elektrické energie, které zajistí jejich činnosti také v případě výpadku běžných dodávek. Otázkou k diskusi je rovněž instalace kabelů zajišťující funkčnost v případě požáru, které nejsou u popisovaných systémů standardně navrhovány. Rovněž vlastní koncepce návrhu provozních vzduchotechnických systémů (navrhované směry proudění vzduchu) může zcela vyloučit úvahy o využitelnosti těchto systémů pro požární účely. Na základě výše uvedených poznatků je prokazatelné, že využití provozních vzduchotechnických systémů k realizaci ochranných cílů při požáru je vzhledem k jejich nedostatečné účinnosti a souvisejícím vlivům, které mohou způsobit kolaps celého systému neúčelné. Pro odvod kouřových plynů je vhodnější navrhovat speciální větrací systémy s dostatečnou kapacitou pro odvod kouře v technickém provedení odpovídajícím předpokládaným podmínkám požáru. Alternativou řešení je rovněž navrhování víceúčelových systémů, které mohou splnit uvedené požadavky (ventilátory s proměnnou intenzitou větrání ve speciálním provedení apod.). LITERATURA [1] Cihlář, J., Günter, G.: Technická zařízení budov, C-Vzduchotechnika, Cvičení, ateliérová tvorba. Brno, Fakulta stavební VUT v Brně, 1995, 205 s., ISBN 80-85867- 67-2 [2] Gesprächskreis Entrauhung, Kaltenrauchung/Sprinkler und Entrauchung, Informationsblatt Nr. 2. Frankfurt am Main, Verband deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.v., 2003, 8 s. [3] Klote, H. J.: Method of Prediction Smoke Movement in Atria With Apllication to Smoke Management. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Sandards and Technology, 1994, 98 s.