Zplodiny hoření, jejich tvorba a vliv na bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky Pokorný Jiří Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Abstrakt Tento příspěvek se zabývá posouzením tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního ve vymezených prostorách. V příspěvku je proveden detailní rozbor vzniku a rozvoje sloupce kouřových plynů v místnosti a následného šíření plynných zplodin hoření do sousedních prostor. Na základě teoretických poznatků a zjednodušujících předpokladů byly vypracovány nomogramy, které mohou sloužit k posuzování rychlosti tvorby plynných zplodin hoření ve stavebních objektech. Úvod Technické předpisy zabývající se problematikou požární bezpečnosti staveb na území České republiky jsou v celé řadě směrů rozpracovány velmi podrobně (způsoby vyjádření požárního rizika, hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí, posuzování intenzity sálání tepla ve vazbě na možnost přenesení atd.). Část jevů souvisejících s průvodními účinky požárů byla v technických předpisech v minulosti řešena pouze rámcově a ve vymezených okruzích a teprve v současnosti jsou rozpracovávány všeobecnější požadavky, metody řešení i výsledné cíle. Jedná se zejména o vliv plynných zplodin hoření vznikajících při požárech na bezpečnost osob nacházejících se v prostorách požárem ohrožených. Je zřejmé, že posuzování plynných zplodin hoření vznikajících v uzavřených prostorách patří mezi prioritní vlivy, které zásadním způsobem ovlivňují bezpečnost osob. Kouř a toxické plyny způsobují téměř 50 % všech obětí při požárech a jsou primární příčinou smrti více než třetiny obětí. Zohlednění těchto vlivů při posuzování staveb z hlediska požární ochrany klade zvýšené nároky na rozsah teoretických poznatků souvisejících se vznikem plynných zplodin hoření v uzavřených prostorách a s jejich šířením uvnitř objektu. Koncepční změna priorit posuzování vyžaduje změnu přístupu jak zpracovatelů navrhovaných řešení, tak orgánů státní správy. 1. Rozdělení prostor z hlediska problematiky tvorby kouřových plynů Požár je doménou, která je charakteristická řadou průvodních jevů majících větší nebo menší význam z hlediska bezpečnosti osob, materiálních hodnot nebo životního prostředí. Významné jsou rovněž kumulativní a synergické účinky popisovaných jevů. Význam posuzování nebezpečí vyplývajícího z průvodních efektů hoření (zejména kouřových plynů) se zvyšuje úměrně se vzrůstajícím počtem ohrožených osob a charakterem prostor, které svým stavebním řešením odvod plynných zplodin hoření znemožňují. Rozdělení uzavřených prostor z hlediska negativních účinků plynných zplodin hoření je zobrazeno na obr. 1.
Uzavřené prostory V prostorách se nachází 100 a více osob V prostorách se nachází méně než 100 osob Prostory přímo (a zpravidla dostatečně) větratelné Prostory přímo nevětrané nebo větrané velmi omezeně prostory kritické Obr. 1 Rozdělení uzavřených prostor z hlediska negativních účinků plynných zplodin hoření 2. Tvorba a šíření plynných zplodin hoření v uzavřených prostorách z hlediska kvantitativního Fakuli lze rozdělit do tří zón [7], a to do Zóny plamene Občasné zóny Kouřové zóny zóna tvoří oblast těsně nad hořícím povrchem hořlavého materiálu, kde je stálý plamen a tok hořících plynů se urychluje. zóna je charakterizována občasným plamenem a přibližně konstantní rychlostí toku hořících plynů. zónou je stoupající sloup plynných zplodin hoření bez plamene. Je charakterizována klesající teplotou a rychlostí s přibývající výškou. Zájmovou oblast z hlediska tvorby a šíření plynných zplodin hoření v uzavřených prostorách představuje zejména třetí zóna fakule označovaná jako kouřová zóna, případně jako kouřový chochol nebo sloupec kouřových plynů (obr. 2). S postupným rozvojem dochází ke zvýšení teploty plynných produktů hoření (nárůstu teplotní diference mezi plynnými produkty spalování a okolím), ke snižování hustoty plynných produktů hoření (nárůstu diference hustoty mezi plynnými produkty spalování a okolím) a tím k nárůstu vztlaku. Nad jakýmkoli hořícím objektem dochází k formování sloupce kouřových plynů. Sloupec dopravuje hmotu a energii z do jednotlivých vrstev v prostoru. Dynamiku sloupce kouřových plynů lze popsat jako funkci rychlosti uvolňování tepelné energie. Při aplikacích se předpokládá, že se hmota a energie z hromadí zejména v horní horké vrstvě. Tvorbu a pohyb plynných zplodin hoření může ovlivnit řada faktorů charakteristických pro určitou konkrétní situaci. Celý proces tvorby a šíření sloupce kouřových plynů je záležitostí velice specifickou a není dosud zcela prostudován. Kouřové plyny uvolněné požárem stoupají ke stropu místnosti. Do sloupce kouřových plynů je přisáván chladnější vzduch, což způsobuje zvětšení objemu a snižování teploty kouřových plynů. Vedením je přenášeno teplo z plynných zplodin hoření do přisávaného chladného vzduchu. S narůstající vzdáleností od zdroje dochází ke snižování teploty, koncentrace pevných kouřových částic a koncentrace toxických zplodin hoření. Sloupec kouřových plynů postupně stoupá až k úrovni stropu nebo podhledu místnosti. Kouřové plyny se začnou v relativně tenké vrstvě pod stropem rozprostírat a postupně se šíří ke konstrukcím ohraničujícím zdrojovou místnost. Při nárazu na ohraničující konstrukce se obrací směrem k podlaze místnosti. Obrácením směru proudění jsou kouřové plyny vháněny do vrstvy, která má nižší teplotu a vyšší hustotu. Proudění směrem k podlaze se z důvodů
vztlaku a třecích sil zpomaluje až nakonec ustává a plyny se vrací zpět do horní vrstvy. Při změnách směru pohybu plynů dochází k dalšímu přisávání chladnějšího vzduchu do kouřové vrstvy a k jejímu postupnému ustálení. Současně je teplo přenášeno vedením do stropní konstrukce a konstrukcí ohraničujících daný prostor. Rychlostní profil Přisávaný kouř Kouřová zóna Přisávaný kouř Občasná zóna Přisávaný kouř Plamen Zdroj Zóna plamene Předpokládaný počátek z 0 Obr. 2 Fakule Sloupec kouřových plynů začíná vytvářet vrstvu, která se prohlubuje. Prohlubováním vrstvy kouřových plynů se zmenšuje vzdálenost, kterou urazí plyny od zdroje, než dosáhnou kumulované vrstvy plynných zplodin hoření. Zkracováním dráhy šíření kouřových plynů dochází ke zmenšování objemu přisávaného vzduchu a tím ke zvyšování teploty plynných zplodin hoření. Teplota z kouřové vrstvy je kromě vedení do ohraničujících konstrukcí odváděna sáláním na povrchy pod touto vrstvou a na objemy, které se v nich nachází (dochází k nárůstu teploty nižší vrstvy). Dosažením teploty kouřové vrstvy 200 C a jejím sáláním na předměty pod touto vrstvou může dojít k urychlení rozvoje. Dosažením teploty nad 400 C (literatura uvádí zpravidla 400 až 600 C) dochází k efektu flashover, tedy k celkovému vzplanutí hořlavých látek v prostoru. Řada modelů dříve posuzovala sloupec kouřových plynů mající tvar obráceného kužele jako samostatnou zónu. Současně se předpokládalo, že horní vrstva je bezprostředně po vzniku ve spojení se sloupcem kouřových plynů. Důsledkem toho byl sloupec kouřových plynů ihned ustálen a dosahoval horní vrstvy nebo stropu, přestože uvolněná
tepelná energie byla nepatrná. Experimentálně bylo prokázáno, že propojení sloupce kouřových plynů s horní vrstvou je pomalejší, než se předpokládalo. Také teploty a rychlost vzpřimování jsou zpočátku nižší. Modely kladou velký význam na množství plynu, které je do sloupce kouřových plynů přisáváno při jeho tvorbě a vzpřimování. Podle [7] lze množství přisávaného vzduchu pro jednotlivé zóny fakule stanovit následujícími vztahy a) zóna plamene 0,566 m z 0,011 2 5 z e = Q 0,00 < 0, 08 2 5 Q Q b) občasná zóna 0,909 m z 0,026 2 5 z e = Q 0,08 < 0, 20 2 5 Q Q c) kouřová zóna (1) (2) Q = 0,124 z 2 5 Q 1,895 z 0,20 Q 2 5 (3) kde množství přisávaného vzduchu [kg.s -1 ] Q tepelný tok [W] z výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] Koeficienty pro jednotlivé oblasti byly stanoveny experimentálně. Vytváření sloupce kouřových plynů a šíření plynných zplodin hoření v místnosti je znázorněno na obr. 3. Q k Q r Q r Q r Q r a) Iniciace b) Rozvoj a šíření tepla
Q k T h, r h T 0,ρ 0 T 0, ρ 0 c) Tvorba sloupce kouřových plynů d) Rozprostírání plynů pod stropem místnosti T h teplota plynných zplodin hoření [K] T 0 teplota okolního vzduchu [K] ρ h hustota plynných zplodin hoření [kg.m -3 ] ρ 0 hustota okolního vzduchu [kg.m -3 ] Obr. 3 Vytváření sloupce kouřových plynů a šíření plynných zplodin hoření v místnosti Pokud mají dveře vedoucí do další místnosti nadpraží nižší než stropní nebo podhledová konstrukce, nedochází zpočátku k průtoku plynů přes dveřní otvor do sousední místnosti. Postupným rozpínáním vyšší vrstvy dochází ke snížení styčné plochy mezi vrstvami až k nadpraží otvoru, k tvorbě vzdušného víru a k průtoku plynných zplodin hoření z hořící místnosti do místnosti další. Spodní vrstva vzduchu je stlačována neustále dolů. Popsaný jev je provázen přívodem vzduchu ze sousedního prostoru spodní části otvoru. Toky plynů v otvorech se postupně ustalují. Pohyb plynů přivádí vzduch z okolí v souladu s empiricky odvozenými vztahy. Šíření plynných zplodin hoření mezi místnostmi je znázorněno na obr. 4. T h, r h a) Místnosti jsou odděleny dveřmi
T h, r h Q k z T 0, ρ 0 b) Místnosti jsou propojeny Obr. 4 Šíření plynných zplodin hoření mezi místnostmi 3. Vliv plynných zplodin hoření na bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky V prostorách, kde dochází k tvorbě a šíření plynných zplodin hoření, nastane v určitém okamžiku prostředí pro pobyt osob nebezpečné. Důvodem je snižující se hladina plynných zplodin hoření, zvyšování teploty a narůstající koncentrace produktů hoření. Obdobným účinkům musí čelit také příslušníci, zaměstnanci a členové zasahujících hasičských jednotek. Rozbor doby bezpečného pobytu v této části příspěvku je proveden výlučně ve vztahu k ohrožení osob vyplývajícího z tvorby a šíření plynných zplodin hoření. Označíme-li bezpečnou teplotu plynných zplodin hoření pro pobyt osob T BEZ a teplotu plynných zplodin hoření T h, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska teploty plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud Th T BEZ. (4) Označíme-li bezpečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru h BEZ a skutečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru h h, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska hladiny plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud hh h BEZ. (5) Označíme-li bezpečnou koncentraci plynných zplodin hoření C BEZ a skutečnou koncentraci plynných zplodin hoření C h, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska toxicity plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud Ch C BEZ. (6) Za teoretickou dobu bezpečného pobytu pro osoby t BEZ,T lze považovat dobu do dosažení mezní hodnoty, kteréhokoli z výše uvedených kriterií. Ve skutečnosti je teoretická doba bezpečného pobytu t BEZ,T zkrácena o dobu zpozorování (dobu detekce) t DET. Skutečnou dobu bezpečného pobytu osob t BEZ,S lze vyjádřit rovnicí t BEZ, S = t BEZ, T t DET [min] (7)
4. Srovnávací nomogramy pro praktické aplikace Při posuzování určitých typů stavebních objektů (zejména obchodních center, velkoprodejen, objektů, kde dochází ke kumulaci prodejen a jejich propojení s atrii apod.) stanoví technická norma ČSN 73 0802 požadavek na posouzení ohrožení osob plynnými zplodinami hoření. Posouzení je rozděleno na posouzení průvodních jevů na nechráněných únikových cestách a v chráněných únikových cestách. Ve smyslu ČSN 73 0802 lze evakuaci osob po nechráněné únikové cestě považovat za vyhovující, pokud unikající osoby jsou evakuovány z hořícího prostoru v časovém limitu, kdy plynné zplodiny hoření nezaplní prostor do úrovně 2,5 m nad podlahou. Časový limit, kdy lze pobyt v postiženém prostoru považovat za bezpečný, se stanoví podle empirické rovnice uvedené v technickém předpisu nebo podle množství uvolněných plynných zplodin hoření stanoveném jinými metodami. Pro možnost praktických aplikací posouzení množství uvolněného plynných zplodin hoření jinými metodami než empirickou rovnicí uvedenou v ČSN 73 0802 byly vytvořeny nomogramy, které umožňují posouzení ohrožení osob těmito produkty hoření. Pro vypracování nomogramů bylo využito metodiky zónového modelu CFAST 3.1.4. Nomogramy, týkající se posuzování tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního, byly zpracovány pro uzavřené prostory o půdorysné ploše 500, 1000, 1500, 3000, 5000, 7500 a 10000 m 2. Světlé výšky prostorů byly voleny v hodnotách 3, 6, 9 a 12 m. Nomogramy byly zpracovány pro čtyři charakteristické druhy požárů podle uvolňovaného tepelného toku. Požáry byly definovány jako pomalý rozvoj, střední rozvoj, rychlý rozvoj a velmi rychlý rozvoj. Celková doba simulací činila 600 s. Pokles vrstvy plynných zplodin hoření stanovený metodikou CFAST je ovlivněn uvolňovaným tepelným tokem, tepelnými ztrátami, geometrickými rozměry prostoru a časem. Hodnoty tepelných ztrát, geometrické rozměry prostoru a sledovaný časový interval jsou jednoznačné parametry nevyžadující bližší komentář. Problém může představovat správná volba hodnoty rychlosti uvolňovaného tepelného toku. Dostupná literatura nedává na zmíněnou otázku vždy jednoznačnou odpověď. V tabulkách 1 a 2 jsou uvedeny závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, rychlostmi šíření požárů, rychlostmi odhořívání materiálů, druhy hořících materiálů, požárním a průměrným požárním zatížení, skupinami provozů a výrob, skupinami provozů skladů a druhy provozů. Tab. 1 Závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, rychlostmi šíření požárů, rychlostmi odhořívání materiálů a druhy hořících materiálů Char. druh Pomalý rozvoj Střední rozvoj Rychlý rozvoj Velmi rychlý rozvoj Rychlost šíření [m.min -1 ] Rychlost odhořívání materiálů [kg.m -2.min -1 ] 0,3 0,2 0,4 0,3 0,6 0,5 > 0,6 > 0,5 Převažující druh hořících materiálů Pevný dřevěný materiál s horizontální orientací (podlaha) Pevný dřevěný materiál (nábytek) Lehký dřevěný materiál (skříně z překližky) Materiály na bázi textilií a plastů (čalouněná křesla)
Rychlosti šíření požárů a rychlosti odhořívání materiálů byly odvozeny za předpokladu, že převážná většina hmot nacházejících se v hořícím prostoru je na bázi dřeva nebo celulózy a jejich normová výhřevnost tedy odpovídá nebo se blíží výhřevnosti dřeva (H 17 000 kj.kg -1 ). V případě, že hořlavé materiály nemají tento charakter a jejich výhřevnost je vyšší, není vhodné pro zatřídění do charakteristického druhu tab. 1 použít. Tab. 2 Závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, požárním zatížením, průměrným požárním zatížením, skupinami výrob a provozů, skupinami provozů skladů a druhy provozů Char. druh Pomalý rozvoj Střední rozvoj Rychlý rozvoj Velmi rychlý rozvoj Požární zatížení dle ČSN 73 0802 nebo průměrné požární zatížení dle ČSN 73 0804 [kg.m -2 ] Skupina provozů a výrob dle ČSN 73 0804 (nebo skupina provozů skladů dle ČSN 73 0845) p; p 6,5 1 (I) 6,5 < p; p 25 2 (II), 3 (III) 25 < p; p 100 4 (IV), 5 (V) p; p > 100 6 (VI), 7 (VII) Příklady druhů provozů vstupní prostory, haly, dvorany, chodby hygienická zařízení vodoléčebné sály, sklady sádry stáje, kromě stájí pro drůbež výměníkové stanice tepla zasedací, přednáškové a konferenční síně, bankovní haly kmenové učebny, posluchárny hlediště v kinech a divadlech výstavní síně, obrazárny, galerie kostely, modlitebny vyšetřovny, terapeutické pokoje, prostory pro rehabilitaci, masáže, lékařské ordinace tělocvičny, sportovní haly prodejny nehořlavých výrobků, osobních automobilů, domácích potřeb prodejny masa, obuvi, koženého zboží, potravin, textilu, oděvů bytové domy, rodinné domy, ubytovací zařízení dílny krejčovské, obuvnické, čalounické, tesařské a truhlářské prodejny knih, hudebnin, barev, laků, pneumatik velkoprodejny bez ohledu na sortiment zboží prodejní sklady s hořlavými materiály Hodnota p nebo p pro velmi rychlý rozvoj nemá překročit 400 kg.m -2. V případě, že k překročení této hodnoty dojde, je nutné provést podrobné posouzení uvolňovaného tepelného toku a tvorby plynných zplodin hoření.
V případě vzniku pochybností o začlenění do příslušného charakteristického druhu podle tab. 1 nebo 2, je nutné za výsledné považovat nejméně příznivé hodnoty. Při vhodném začlenění posuzovaného prostoru do určitého charakteristického druhu, lze z nomogramů ve velmi krátkém časovém intervalu stanovit pokles vrstvy plynných zplodin hoření v závislosti na čase. Získané výsledky jsou vždy výsledky konzervativními. Vlastní nomogramy budou rozvedeny při prezentaci tohoto příspěvku. Závěr Jak vyplývá z příspěvku, je prognóza rychlosti tvorby plynných zplodin hoření záležitostí poměrně složitou. Pro posuzování těchto vlivů lze využít modelování. V současné době se pro praktické aplikace jeví jako využitelné zejména zónové modely, neboť modely typu pole nejsou dosud dostatečně rozpracovány. Širší aplikace teoretických informací a výsledků, které se týkají stanovení množství uvolněných plynných zplodin hoření, je podmíněna řadou zjednodušujících předpokladů. Na základě těchto předpokladů byly vypracovány nomogramy, které slouží k posuzování rychlosti tvorby plynných zplodin hoření ve vymezených prostorách. Nomogramy jsou dalším možným způsobem hodnocení ohrožení osob kouřovými plyny vznikajícími při požárech, odchylným od standardu vytvořeného platným technickým předpisem na území ČR.
Literatura [1] In Sborník přednášek mezinárodní konference Požární ochrana 99. Ostrava, SPBI- TUO, 1999, s. 43-51, ISBN 80-86111-36-9. [2] Šenovský, M., Prokop, P., Bebčák, P.: Větrání objektů. Ostrava, SPBI, 1998, 220 s., ISBN 80-86111-23-7. [3] Balog, K., Kvarčák, M.: Dynamika. Ostrava, SPBI, 1999, 96 s., ISBN 80-86111-44-X. [4] Reichel, V.: Požární větrání. Brno, Seidl a spol. s r.o., 1998, s. 1-12. [5] Cooper, L. Y.: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Compartment Fire Generated Environment and Smoke Filling. Massachusetts, National Fire Protection Association Quincy, Society of Fire Protection Engineers Boston, 1987, 21 s. [6] Peacock, D. R., Reneke, A. P., Jones W. W., Bukowski, W. R., Forney, P. G.: A User s Guide for FAST: Engineering Tools for Estimating Fire Growth and Smoke Transport. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Sandards and Technology, 2000, 190 s. [7] Peacock, D. R., Reneke, A. P., Jones W. W., Forney, P. G.: A Technical Reference for CFAST: An Engineering Tool for Estimating Fire and Smoke Transport. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Sandards and Technology, 2000, 171 s. [8] Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s. [9] ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb - Nevýrobní objekty. Praha, Český normalizační institut, 2000, 117 s.