Kontrola provozuschopnosti požárního odvětrání s využitím kouřových generátorů Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje Výškovická 40, 700 44 Ostrava-Zábřeh E-mail: jirka.pokorny@email.cz Homepage: www.jiripokorny.net Eva Mikulová VŠB-TU Ostrava, Fakulta bezpečnostního inženýrství Lumírová 13, 700 30 Ostrava-Výškovice E-mail: evulka.mikulova@seznam.cz Klíčová slova Požární odvětrání, funkční zkoušky, provozuschopnost, kouřový generátor, pohyb plynů Abstrakt Příspěvek se zabývá posouzením možnosti ověřování provozuschopnosti požárního odvětrání vyvíječi umělého kouře (generátory kouře). Analýza činitelů ovlivňujících pohyb kouře při požárech a při normální situaci a následně provedená měření některých parametrů kouře vyvíjeného kouřovými generátory, jsou podkladem pro závěrečné posouzení využitelnosti generátorů při funkčních zkouškách požárního odvětrání. Úvod Požární odvětrání je technické zařízení, které svou přítomností podmiňuje existenci mnohých staveb. Správná funkce všech technických zařízení vyžaduje bezchybný návrh, odbornou montáž, ověření provozuschopnosti před uvedením do provozu, systematickou kontrolu a pravidelnou údržbu. Zanedbání nebo podcenění některé z citovaných oblastí může vést v konečném důsledku k nesprávné funkci technického zařízení a nenaplnění očekávaných cílových stavů. Příspěvek bude dále zaměřen na oblast ověřování provozuschopnosti požárního odvětrání před uvedením do provozu, zejména pak na předpisy požadovanou funkční zkoušku. Přístup montážních firem i orgánů státní správy k provádění funkčních zkoušek a prokazování provozuschopnosti požárního odvětrání před uvedením do provozu je značně odlišný. V některých případech jsou při funkčních 1
zkouškách využívány kouřové generátory vyvíjející bíle zbarvený dým. Cílem příspěvku je prezentovat dílčí výsledky diplomové práce, které mohou poskytnout odpovědi na rozsah využitelnosti generátorů kouře pro tyto praktické aplikace (funkční zkoušky). Rozdělení požárního odvětrání z pohledu řešené problematiky Právní a technické předpisy v oblasti požární ochrany stanoví téměř u každé stavby požadavek na instalaci požárně bezpečnostních zařízení. Požárně bezpečnostní zařízení jsou systémy, technická zařízení a výrobky pro stavby podmiňující požární bezpečnost stavby nebo jiného zařízení. Jedním z druhů požárně bezpečnostních zařízení je rovněž požární odvětrání. Požární odvětrání lze rozdělit na dvě základní kategorie, a to zařízení pro odvod kouře a tepla (ZOKT) nebo ostatní druhy požárního odvětrání (OPV). Rozdělení požárního odvětrání je schématicky naznačeno na obr 1. Obr. 1 Základní členění požárního odvětrání V prostorách s požárním rizikem je navrhováno zpravidla ZOKT. Cílem tohoto zařízení je prioritně odvod tepla a zplodin hoření po stanovenou dobu z daného prostoru. Rozsah využitelnosti popisovaného požárně bezpečnostního zařízení je však ve skutečnosti podstatně širší. V prostorách bez požárního rizika nebo prostorách obdobných jsou navrhovány zpravidla OPV (např. chráněné únikové cesty). V těchto případech je cílem požárního odvětrání zabránění pronikání zplodin hoření a kouře do těchto prostor, případně při průniku kouře zajistit v těchto prostorách bezpečné prostředí pro unikající osoby. Příspěvek je směřován především k zařízením pro odvod kouře a tepla. Závěry lze analogicky v přiměřeném rozsahu vztáhnout také k jiným typům požárního odvětrání. 2
Zdroj: http://www.hzspraha.cz Obr. 2 Příklady systémů požárního odvětrání Montáž, funkční zkouška a kontrola provozuschopnosti Systémy požárního odvětrání se člení na požárně bezpečnostní zařízení a vyhrazená požárně bezpečnostní zařízení [1,2]. Za vyhrazená požární bezpečnostní zařízení se považují zařízení pro odvod kouře a tepla. Ostatní druhy požárního odvětrání lze posuzovat jako požárně bezpečnostní zařízení (nevyhrazená). Obecně lze konstatovat, že na vyhrazená požárně bezpečnostní zařízení jsou z hlediska jejich projektování, instalace, provozu, kontroly, údržby a oprav kladeny zvláštní (přísnější) požadavky. Při montáži požárně bezpečnostního zařízení musí být dodrženy podmínky vyplývající z ověřené projektové dokumentace, popřípadě podrobnější dokumentace a postupy stanovené v průvodní dokumentaci výrobce. Osoba, která provedla montáž, písemně potvrzuje, že požadované podmínky byly dodrženy. Před uvedením požárně bezpečnostního zařízení do provozu zabezpečuje osoba, která provedla montáž, provedení funkčních zkoušek. Při funkčních zkouškách se ověřuje, zda instalované zařízení odpovídá projekčním a technickým požadavkům na jeho požárně bezpečnostní funkci. Provozuschopnost instalovaného zařízení se prokazuje dokladem o jeho montáži, funkční zkoušce, kontrole provozuschopnosti, údržbě a opravách. U vyhrazených požárně bezpečnostních zařízení, a stanoví-li tak průvodní dokumentace výrobce, i u dalších požárně bezpečnostních zařízení, se provozuschopnost prokazuje také záznamy v příslušné provozní dokumentaci (např. provozní kniha). Kontrola provozuschopnosti se dále provádí jednou za rok, pokud výrobce, ověřená projektová dokumentace nebo podrobnější dokumentace nestanoví lhůty kratší. O kontrole provozuschopnosti požárně bezpečnostního zařízení se zpracuje příslušný doklad. 3
Další podrobnosti související s ověřováním provozuschopnosti požárního odvětrání a obsahové náležitosti dokladu o kontrole provozuschopnosti jsou rozvedeny v lit. [2]. Obsah funkčních zkoušek však není právními ani technickými předpisy přesně specifikován. Jak vyplývá z předchozího textu je vymezen pouze cílový stav. Subjekty provádějící montáž systémů požárního odvětrání jsou povinny provést také funkční zkoušku a ke splnění popisované povinnosti přistupují zcela individuálně. Skutečný obsah funkčních zkoušek může mít charakter precizní kontroly, ale opačně také pouze formálního aktu. Základy pohybu plynů ve stavebních objektech Pohyb vzdušin ve stavebních objektech je ovlivňován soustavou faktorů, které mají menší nebo větší význam. Při požárech se některé faktory stávají minoritními a jejich význam lze zanedbat. Naopak dochází ke vzniku vlivů, které ve stavbách za normálního provozu nepůsobí a tyto jevy mohou mít a zpravidla také mají majoritní charakter. Mezi základní činitelé působící na pohyb kouře při požáru lze dle lit. [3, 4] zařadit: komínový efekt vztlak změna tlaku vlivem výšky zvětšení objemu plynů vítr vzduchotechnická zařízení Jedním z nejvýznamnějších faktorů ovlivňujících pohyb plynů při požáru je nesporně vztlakový efekt. Fyzikální příčina vztlaku spočívá v rozdílných teplotách kouře a okolního vzduchu. Teplotní rozdíl způsobuje rovněž rozdíl hustot plynů, který vyvolává tlakovou diferenci. Účinnost stoupá s výškou prostoru (budovy). Pohyb zplodin hoření je ovlivněn rovněž dalšími souvisejícími vlivy (např. dynamikou požáru, propustností objektu, pístovým účinkem výtahů). Přehled a srovnání některých činitelů ovlivňujících pohyb plynů při běžném provozu a při požáru je uveden v tab. 1. 4
Činitel Požární situace Stav bez požáru Změna tlaku vlivem výšky + + Vztlak ++ - Komínový efekt + + Tlak větru + + Zvětšený objem vlivem vyšší teploty + - Vzduchotechnika + + Pohyb lidí a zvířat + + Vytápění - + Umístění otvorů + + Uspořádání prostoru + + Stáří budovy - + Stroje - + Tab. 1 Srovnání některých činitelů ovlivňujících pohyb plynů při normální a požární situaci ++ zásadní význam + významné - žádný nebo zanedbatelný význam Kvantitativní analýzou působících faktorů lze pro konkrétní situace provést prognózu pohybu kouře v objektech a navrhnout technická zařízení, která umožní docílit požadovaného stavu (např. zamezit pronikání kouře do chráněných prostor). Měření parametrů kouře vyvíjeného kouřovými generátory Kouřové generátory jsou využívány v řadě praktických aplikací, v některých případech pak také při funkčních zkouškách požárního odvětrání. Vizuálně lze pozorovat, že kouř z vyvíječů má snahu se pohybovat a při polohování vlastního generátoru také stoupat. Analýzou příčin způsobujících pohyb kouře vyvíjeného generátory lze objasnit vlivy, které pohyb kouře ovlivňují (způsobují). Při zanedbání vlivů okolí, lze v zásadě hovořit o dvou aspektech, které jsou z hlediska pohybu kouře vyvíjeného generátory relevantní: teplotní diference vyvíjeného kouře a okolí kinetická energie kouře způsobená generátorem 5
Výrobci generátorů kouře v průvodní dokumentaci ani jiných zdrojích údaje o teplotě a rychlosti pohybu produkovaného kouře zpravidla neuvádí (označováno jako know-how výrobce). Význam těchto aspektů je možné posoudit pouze na základě měření popisovaných veličin, což bylo důvodem realizace měření. Průběh měření a prezentace dílčích výsledků Pro zkoušku byl zajištěn generátor typu Antari Z 1200 DMX výrobce ANTARI LIGHTING AND EFFECTS, LTD., Taiwan (viz obr. 3 a 4). Teploty byly měřeny pomocí teploměrů typu HC-UTE výrobce Uni-Trend Group Limited, Hong Kong a typu GMH 32 výrobce GREISINGER electronic GmbH., Deutschland (viz obr. 5). Rychlost byla měřena 2 anemometry typu Wind Scribe výrobce DAVIS Instruments Corp., USA (viz obr. 6). Vyvíječ kouře byl umístěn v horizontální poloze. Teplota okolního vzduchu činila 15,3 C. Obr. 3 Vyvíječ kouře Antari Z 1200 DMX Obr.4 Průběh měření Obr. 5 Teploměr HC-UTE a GMH 32 Obr.6 Anemometr Wind Scribe Měření byla prováděna diferencovaně pro určité vzdálenostní rozpětí. Hodnoty teplot naměřené v těsné blízkosti ústí výfuku generátoru jsou znázorněny na obr. 7. Naměřené teploty dosahovaly maximálně 2 C. 6
2 200 Teplomer Greisinger Teplomer Greisinger Teplomer UNI-Trend Teplota [ C] 1 0 0-2 0 2 4 6 8 12 14 16 18 20 22 Vzdalenost [cm] Obr. 7 Teploty v těsné blízkosti ústí výfuku generátoru kouře Teploty naměřené ve vzdálenosti až 0 cm od ústí výfuku generátoru jsou znázorněny na obr. 8. Teplota ve vzdálenosti cm byla významně nižší než teplota v těsné blízkosti ústí generátoru a současně se i nadále rychle snižovala. 60 40 Teplomer UNI-Trend Teplomer Greisinger Teplomer Greisinger Teplota [ C] 30 20 0 0 20 30 40 60 70 80 90 0 1 Vzdalenost [cm] Obr. 8 Teploty ve vzdálenosti až 0 cm od ústí výfuku Výsledky měření teplot až do vzdálenosti 600 cm od ústí výfuku generátoru jsou znázorněny na obr. 9. Teploty ve vzdálenosti 0 až 600 cm od generátoru byly srovnatelné s teplotami okolí. Ve vzdálenosti 600 cm docházelo již ke stoupání a vrstvení kouře v prostoru. 7
80 Prumerne hodnoty ze vsech teplomeru 70 60 Teplota [ C] 40 30 20 0 0 200 300 400 0 600 Vzdalenost [cm] Obr. 9 Teploty do vzdálenosti 600 cm od ústí výfuku generátoru Na obr. je znázorněn pokles teploty a rychlosti proudění kouře vyvíjeného generátorem. 90 80 70 60 Prumerne hodnoty ze vsech anemometru Prumerne hodnoty ze vsech teplomeru 90 80 70 60 Rychlost [m s -1 ] 40 30 20 0 40 30 20 0 Teplota [ C] 0 0 200 300 400 0 600 Vzdalenost [cm] Obr. Pokles teploty a rychlosti kouře vyvíjeného generátorem Shrnutí poznatků zjištěných měřením Srovnáním obr. 7 až 9 lze dospět k závěru, že přes počáteční poměrně vysokou teplotu v bezprostředním okolí ústí generátoru kouře (až 2 C), dochází k jejím intenzivnímu poklesu ( 55 C ve vzdálenosti 0,1 m od ústí generátoru a 20 C ve vzdálenosti 1 m od ústí generátoru). Teploty plynů ve vzdálenosti 1 až 6 m od generátoru byly srovnatelné s teplotou okolí. 8
Z obr. je patrné, že také rychlost pohybu kouře rychle klesá z hodnoty přibližně 75 m.s -1 v blízkosti ústí generátoru na 5 m.s -1 ve vzdálenosti 1 m od ústí a 0 m.s -1 ve vzdálenosti 6 m od ústí generátoru. Ve vzdálenosti 6 m od vyvíječe kouře docházelo k mírnému vznosu kouře, jeho vrstvení v prostoru a zpětnému pohybu. Pohyb kouře byl ovlivňován zejména kinetickou energií způsobenou vlastním generátorem kouře. Význam diference teplot kouře a okolního vzduchu lze s výjimkou bezprostředního okolí ústí generátoru hodnotit jako zanedbatelný. Srovnání některých parametrů charakterizující odchylky mezi požárními situacemi a simulacemi s využitím kouřových generátorů V následujících odstavcích bude prezentována úvaha ve vztahu k ekvivalenci chování kouře vytvořeného generátory a kouře vznikajícího při reálném požáru. Z provedených měření (viz předchozí odstavce) vyplývá, že diference teplot, hustot a tedy také tlaků způsobených vztlakovým efektem, který je při reálném požáru zpravidla dominantním jevem, má při zkouškách s generátory kouře zanedbatelný význam. Za předpokladu shodných okolních podmínek, zejména pak rychlosti a směru větru, teploty okolního vzduchu, činnosti/nečinnosti vzduchotechnických zařízení a geometrie stavby bude tlaková diference způsobená vztlakem při požáru nebo zkoušce s generátorem kouře zásadně odlišná. Za nesrovnatelné lze tedy rovněž považovat rychlosti proudění plynů a následně také výměnu/pohyb plynů v prostoru. Srovnání tlakových diferencí způsobených vztlakem při teplotách okolí -20 C až 20 C, kouře vyvíjeného generátory 20 C (odpovídá teplotě stanovené měřením ve vzdálenosti 1 m od ústí zařízení), předpokládané teplotě plynů při požáru 200 C a výšek prostoru 3, 6 a 9 m je patrné z obr. 11. 9
Rozdil tlaku [Pa] 60 55 45 40 35 30 25 20 15 5 0-5 Te/To [-] Pozarni situace h=3m Pozarni situace h=6m Pozarni situace h=9m Stav bez pozaru h=3m Stav bez pozaru h=6m Stav bez pozaru h=9m - -2-1 0 1 2 3 4 5 Obr. 11 Srovnání tlakových diferencí vyvolaných vztlakem při požární situaci a zkoušce s generátory kouře Z obrázku 11 je zřejmé, že tlakové diference způsobené vztlakem plynů jsou v režimu požáru a zkoušek generátory kouře zásadně odlišné. Závěr Je nesporné, že generátory kouře byly, jsou a budou využívány pro řadu praktických aplikací souvisejících s požární ochranou. V některých případech je jejich přínos nepopiratelný. Jde zejména o oblast výcviku a odborné přípravy jednotek požární ochrany a v určitém rozsahu také pro ověřování provozuschopnosti zařízení pro odvod tepla a kouře (např. ověření směru tahu nucené ventilace). Při použití kouřových generátorů lze vizuálně pozorovat pohyb vyvíjených plynů. Při jejich vychýlení z horizontální polohy také pohyb vertikální. V prostorách s převažujícím vertikálním rozměrem (např. schodiště) nebo prostorách velkoobjemových (např. velkoobchody) tento pohyb navozuje dojem charakteristického pohybu plynů při požárech. Nelze se však spokojit s pouhým dojmem o správném pohybu vyvíjeného kouře bez podrobnější analýzy jeho chování, zejména pak analýzy příčin pohybu. Jak vyplývá z předchozích odstavců je nejvýznamnější příčinou pohybu kouře vytvořeného generátorem kinetická energie výfuku zařízení (dofuk u konkrétního generátoru činil přibližně 6 m). Vztlakový efekt je zanedbatelný. Generovaný kouř se tedy také nějak pohybuje, avšak srovnání se situacemi reálných požárů je přinejmenším diskutabilní. Závěry směrem ke správnému
návrhu, případně funkci navrženého odvětracího zařízení pouze na základě zkoušek generátory kouře, je vhodné prezentovat pouze s největší opatrností. Poděkování Autoři příspěvku děkují příslušníkům Hasičského záchranného sboru Moravskoslezského kraje územního odboru Opava Renému Ulrichovi, Jiřímu Kurdiovskému a Ing. Romanu Holubcovi za pomoc při měřeních parametrů kouře vyvíjeného kouřovými generátory. Literatura [1] Zákon č. 133/1985 Sb., o požární ochraně, ve znění pozdějších předpisů [2] Vyhláška č. 246/2001 Sb. o stanovení podmínek požární bezpečnosti a výkonu státního požárního dozoru [3] Klote, H. J.: Smoke Control. SFPE Handbook of Fire Protection Engineering. Third Edition, Section 4, Chapter 12. Quincy, National Fire Protection Association, 2002, s. 274-291, ISBN 087765-451-4. [4] Klote, H. J., Nelson, E. H.: Smoke movement in buildings. Fire Protection Handbook, 18 th Edition, Section 7, Chapter 6. Quincy, National Fire Protection Association, 1997, s. 93-4. 11