Využití CFD modelování pro návrh přetlakového větrání chráněných únikových cest Milan Drda Ondřej Šikula Poznámku autorů v článku, že by bylo asi vhodné primárně problém větrání chráněných únikových cest (CHÚC) řešit jinak, považuji za relevantní. Z uvedených důvodů lze příspěvek autorů doporučit jako velmi dobrý základ k hlubšímu rozboru požadavků na větrání CHÚC, aby byla brána v potaz všechna rizika působící na člověka (intenzita a škodlivost zplodin hoření v CHÚC, také četnost a délka pobytu člověka v době úniku větranou CHÚC, atd.). Úvod Při návrhu budov jsou v současnosti kladeny stále vyšší požadavky na požární bezpečnost staveb, která je nedílnou součástí každé projektové dokumentace. Se zmenšujícím se prostorem k výstavbě nových budov dochází k trendu výstavby výškových budov, v nichž je potřeba řešit požárně bezpečnostní opatření složitějším návrhem s vysokým podílem aktivních prvků požární ochrany (EPS, SHZ, ZPOTK, OCHÚC aj.). Evakuace osob z požárem zasažené budovy probíhá po únikových cestách. Jedním z typů těchto cest jsou chráněné únikové cesty (dále jen CHÚC). Na CHÚC jsou kladeny požadavky dispoziční, na vnitřní vybavení, použití materiálů s danou reakcí na oheň a indexem šíření plamene po povrchu, rozměrů dveří, odvětrání CHÚC atd. Text článku se podrobněji zabývá stanovením potřebného průtoku vzduchu k přetlakovému odvětrání CHÚC, který je klíčový k dosažení požadovaného přetlaku. Recenzent: Vladimír Galád výšky únikové cesty. Pokud je otevřeno více dveřních otvorů, předpokládá se, že otevřené otvory jsou rozmístěny rovnoměrné po výšce CHÚC, z nichž jeden dveřní otvor je otevřený v 1.NP. Do výpočtu zahrnujeme i všechny další trvale otevřené otvory (větrací průduchy apod.). Hodnoty na minimální přetlak vůči přilehlým požárním úsekům a jedny z možných řešení odvětrání CHÚC viz obr. 1 a obr. 2. Hodnoty uvedených přetlaků lze snížit na polovinu, pokud je v přilehlých požárních úsecích instalováno samočinné stabilní hasicí zařízení. Maximální možná hodnota dosaženého přetlaku v prostoru CHÚC je dle normy [1] 100 Pa. Kromě zmíněné normy [1] platí také ČSN EN 12101, část 6: Technické podmínky pro zařízení pracující na principu rozdílu tlaku (dále jen norma [2]). Tato norma rozděluje zařízení k odvětrání únikových a zásahových cest, kde je potřeba dosáhnout přetlak oproti okolním požárním úsekům, do klasifikačních tříd zařízení A až F v závislosti na způsobu evakuace z objektu, činnosti unikajících osob, účelu únikové cesty atd. Průtoky vzduchu se poté navrhují v závislosti na klasifikační třídě zařízení a na základě dvou kritérií, a to kritéria pro rozdíl tlaků a kritéria pro průtok vzduchu, zároveň se posuzuje maximální síla na klice nutná k otevření dveří při působícím přetlaku, která nesmí být včetně síly pro překonání odporu samozavírače dveří větší než 100 N. Stanovení součinitele místních ztrát dveří (ξ) Rozhodujícím prvkem, kterým dochází ke ztrátě přetlaku, bývají většinou otevřené venkovní únikové dveře. Pokud bychom znali součinitel vřazeného odporu ξ a aplikovali rovnici (1) tak při zanedbání ostatních prvků, kterými dochází ke ztrátě přetlaku, získáme přibližnou hodnotu střední rychlosti vzduchu na dveřích v [m s 1 ] nutnou k vytvoření požadovaného přetlaku. v = 2 Δp ρ ξ (1) Požadavky na průtok vzduchu prostorem CHÚC Podrobný výčet všech požadavků na CHÚC je obsažen v normě [1]. Ta rozděluje únikové cesty na chráněné a nechráněné, a ty dále na CHÚC typ A, B a C. V případě CHÚC B bez požární předsíně nebo CHÚC typ C je možné dle normy [1] odvětrání CHÚC navrhnout pouze jako přetlakové. Dle této normy se množství dodávaného vzduchu při přetlakové ventilaci určí: 1) jako patnáctinásobek objemu prostoru chráněné únikové cesty za hodinu; 2) nebo ze spodní meze přetlaku a z předpokladu, že 5 % dveřních otvorů, nejméně však dva dveřní otvory, jsou otevřené. Pokud jsou otevřeny pouze dva dveřní otvory, předpokládá se otevřený dveřní otvor v 1. NP a dveřní otvor v horní třetině Obr. 1 Přetlakové odvětrání CHÚC B bez požární předsíně Obr. 3 Legenda k obr. 1 a obr. 2 Obr. 2 Přetlakové odvětrání CHÚC C 50 7/2011
Obr. 4 Geometrie celého prostoru pro CFD simulaci Obr. 5 Geometrie po aplikaci podmínky symetrie včetně okrajových podmínek Zjištění potřebného ξ bylo provedeno pomocí metody Computational Fluid Dynamics (CFD) simulace v programu Ansys Fluent 6.3. Geometrie uvažovaného prostoru zobrazuje obr. 4. Ve Fluentu lze s výhodou použít podmínku symetrie. Výpočet pak lze provádět pouze na poloviční geometrii. Výslednou geometrii pro CFD simulace, včetně použitých okrajových podmínek, ukazuje obr. 5, plochy bez barvy jsou uvažovány okrajovou podmínkou wall. Výsledky provedených CFD simulací ukazuje obr. 6 a obr. 7, kde je patrná parabolická závislost dosaženého přetlaku v závislosti na průtoku či rychlosti proudění otevřenými dveřmi. Výsledné rozložení tlaků po provedení CFD simulací ukazují obr. 8 a obr.9. Z obrázků je patrné, že pro menší rozměr dveří je tlaková diference mezi prostory oddělenými otevřenými dveřmi cca dvakrát vyšší. Obr. 6 Výsledky CFD simulací pro dveře rozměru 800 2 000 mm Souhrnně jsou výsledky uvedeny v tab. 1. Z této tabulky je patrné, že pro jednotlivé šířky dveří je hodnota výsledného ξ téměř shodná a dle rovnice (1) musí být poté hodnota potřebné rychlosti k dosažení daného přetlaku pro jednotlivé dveře také téměř totožná. Výrazně jiné jsou ovšem potřebné průtoky Q [m 3 s 1 ] k dosažení potřebné rychlosti pro různé plochy dveří, vypočtené dle rovnice (2). 2 P Q = A (2) ρ ξ kde A plocha otvoru [m 2 ] P přetlak [Pa] Potřebný průtok vzduchu k dosažení zvoleného přetlaku lze dle normy [2] vypočítat ze vtahu (3), kde parametr exponentu R lze dle této normy uvažovat hodnotou 2. 1/ Q = 083, A P R (3) Obr. 7 Výsledky CFD simulací pro dveře rozměru 1 150 2 000 mm Dílčí závěr Výsledné spočítané průtoky vzduchu metodou CFD zjištěných ξ a vztahu (2) se od průtoků stanovených dle vztahu (3) liší o méně než 0,5 %, což je velmi dobrá shoda. Lze tedy říci, že množství protékající vzduchu otevřenými dveřmi k vytvoření tlakové ztráty určené dle CFD simulacemi zjištěného součinitele ξ a určeného dle vztahu (3) z normy [2] je prakticky shodné. kde ρ objemová hmotnost vzduchu [kg m 3 ] Δp přetlak [Pa] Tab. 1 Hodnoty ξ, potřebné průtoky a rychlosti k dosažení daného přetlaku dle rozměrů dveří Požadovaný přetlak [Pa] 12 25 Výsledná hodnota ξ dveří [ ] Rozměr dveří [mm] v [m s 1 ] V [m 3 h 1 ] v [m s 1 ] V [m 3 h 1 ] 1150 2 000 2,880 23 844 4,157 34 416 2,362 800 2 000 2,865 16 501 4,135 23 817 2,387 7/2011 51
Obr. 8 Výsledné rozložení tlaků pro dveře rozměru 800 2 000 mm, V = 8 kg s 1 Obr. 9 Výsledné rozložení tlaků pro dveře rozměru 1150 2 000 mm, V = 8 kg s 1 Experimentální měření na zmenšeném fyzickém modelu CHÚC Obr. 10 Představa a realita provedených měření Obr. 11 Porovnání výsledků měření a CFD simulace Ověření dosažených přetlaků bylo provedeno na experimentálním fyzickém modelu CHÚC vedoucí čtyřpatrovým schodištěm v měřítku 1:10. Představa provedeného měření a foto z měření viz obr. 10. Provedené měření bylo porovnáno s výsledky CFD simulací provedených na modelu odpovídajícímu experimentálnímu fyzickému modelu viz obr. 10. Z grafu na uvedeném obrázku je patrné, že shoda mezi provedeným měřením a CFD simulací je v oblasti přetlaku do 60 Pa zhruba akceptovatelná. Chování modelu při otevření dolních únikových dveří ukazuje obr. 13. Je patrné, že otevřením únikových dveří hodnota dosaženého přetlaku řádově poklesla a jak uvádí norma [2], takovýto přívod vzduchu do větraného prostoru je nevhodný. Naproti tomu norma [1] říká, že při výšce větraného prostoru do 45 m, a přívodu vzduchu ze spodní úrovně, není nutno použít vzduchovodů. Legenda k obr. 10 a obr. 12: 1 Ventilátor SUNON PMB1212PLB2-A 2 Anemometr Schiltknecht C-64369, označovaný v tabulkách jako anemometr2 3 Hadice pro snímání přetlaku napojená na snímač přetlaku LD 301 4 Hadice pro snímání tlaku vzduchu okolí modelu napojená na snímač přetlaku LD 301 5 Měřicí ústředna Almemo 2590 k vyhodnocení rychlosti proudění snímané vrtulkovými anemometry 6 Měřicí ústředna PRODONIG HC03 k vyhodnocení snímaného přetlaku snímačem LD 301 7 Snímač diferenčního tlaku, přetlaku, absolutního tlaku a výšky hladiny kapalin LD 301 propojený s měřicí ústřednou PRODONIG HC 03 8 Měřicí ústředna Almemo 2290-2 9 Anemometr Schiltknecht C-56995 10 Odvodní otvor vzduchu. 11 Anemometr Schiltknecht C-56995 12 Vyřezaný otvor o rozměrech 100/200 mm představující otevřené dveře v 1.NP Při měření IV byla použita geometrie jako při měření III, ale otvor představující otevřené dveře v 1.NP byl zvětšen na rozměr 150 200 mm, čidlo pro snímání přetlaku bylo umístěno naproti přívodu. Schéma měření je na obr. 14. Cílem tohoto měření bylo zjistit velikost přetlaku na jedné ze stěn CHÚC, která je orientovaná kolmo k přívodu vzduchu. Měření probíhalo při otevřených dveřích do 1.NP o velikosti 150 200 mm. Výsledky porovnání s naměřenými hodnotami z měření III jsou zobrazeny na obr. 15. Při otevření dveří v 1.NP řádově klesl přetlak v modelu viz obr. 13. Při směrování proudu přívodního vzduchu 52 7/2011
INFO 032 Obr. 12 Měření II (vlevo) a měření III Obr. 13 Hodnoty naměřených přetlaků při měření II a III Obr. 14 Měření IV Obr. 15 Porovnání výsledků z měření III a IV 7/2011 53
proti posuzovanému místu se v důsledku působení dynamického tlaku zvyšuje hodnota přetlaku na daném povrchu CHÚC viz simulace na obr. 14 a srovnej výsledky experimentálního měření IV proti měření III na obr. 15. Diskuze výsledků a závěr Teoreticky a experimentálně dosažené výsledky ukazují, že v případě vypuknutí požáru, a následném otevření únikových dveří do volného prostranství, řádově klesne přetlak v CHÚC. Bude-li pro stanovení průtoku přívodního vzduchu do CHÚC použit výpočet založený na násobnosti objemu prostoru CHÚC daný normou [1], není ve většině případů možné zajistit v CHÚC při otevřených únikových dveřích přetlak požadovaný touto normou. Takto stanovený průtok vzduchu slouží pouze k ředění škodlivin, jejichž vnikání do CHÚC se připouští. Tato metoda výpočtu je v projekční praxi hojně využívána, přičemž obvykle nebývá řešena distribuce vzduchu s ohledem na zajištění maximálně přípustné koncentrace škodlivin v kritických místech prostoru dosažených ředicím efektem. Tato problematika by mohla být efektivně řešitelná zde použitou metodou CFD. Vhodnou metodikou pro zajištění přetlaku dává norma [2], jejíž výsledky jsou ve výborné shodě s výsledky zde prezentovaných simulací. Z hlediska teoretického tak lze považovat problém se stanovením průtoku vzduchu za vyřešený. Z praktického hlediska tím však bohužel vyvstává ještě závažnější problém, a sice ten, že vypočtené průtoky vzduchu dle normy [2] pro dosažení požadovaného přetlaku jsou tak obrovské, že jejich zajištění je u menších CHÚC technicky náročné a investičně téměř neúnosné. Je tak na zvážení zda bezpečnost a funkčnost CHÚC nezajišťovat primárně jinými způsoby. Ale to je již nad rámec tohoto článku. Z dosažených výsledků dále vyplývá, že dynamický tlak proudícího vzduchu by mohl být využit jako zajímavá podpůrná možnost zvýšení dosaženého přetlaku na vnitřních dveřích vedoucích do CHÚC, a to i v případě průtoku vzduchu stanoveného pouze za účelem dosažení ředicího efektu. Zde by mohl napomoci snížení pronikání kouře do prostoru CHÚC. Využití tohoto jevu je možné promyšlenou distribucí přívodního vzduchu do CHÚC, za pomocí experimentu, nebo CFD metody jak bylo drobně prezentováno v tomto článku. Poděkování Článek vznikl za podpory Specifického výzkumu 2011 na Vysokém učení technickém v Brně s číslem FAST-S-11-1. Literatura [1] ČSN 730802 Požární bezpečnost staveb Nevýrobní objekty. 2009 [2] ČSN EN 12101-6 Zařízení pro usměrňování pohybu kouře a tepla Část 6: Technické podmínky pro zařízení pracující na principu rozdílu tlaků Sestavy. 2006 [3] ČSN 730872:1996, Ochrana staveb proti šíření požáru vzduchotechnickým zařízením [4] ČSN 730818:1997, Požární bezpečnost staveb Obsazení objektů osobami [5] TOMAN, Stanislav, KARLOVSKÁ, Ivana. Větrání chráněných únikových cest při požáru. Tzbinfo [online]. c2004 [cit. 20. října 2010]. Dostupné na: <http://www.tzbinfo.cz/2064-vetrani-chranenych-unikovych-cest-pri-pozaru>. ISSN 1801-4399. [6] DRDA, Milan. Modelování větrání chráněných únikových cest: diplomová práce. Brno, 2011. 120 s. Vysoké učení technické v Brně. Fakulta stavební. Ústav technických zařízení budov. Vedoucí diplomové práce Ing. Ondřej Šikula, Ph.D. Poznámka recenzenta Projektant musí v praxi řešit různé typy únikových cest staveb, které chrání osoby při úniku před požárem a zplodinami hoření. Právě různá skladba přístupových koridorů k únikovým cestám, vertikální rozložení stavby a četnost dveří v podlažích stavby může zkomplikovat technické řešení vzduchotechniky CHÚC, jelikož v hustě obsazené vysoké budově může být při počátku evakuace osob současně v podlažích otevřeno i hodně nadpoloviční množství dveří mezi přístupovým koridorem a větraným schodištěm. To dynamicky ovlivňuje bilance vzduchového výkonu zařízení. Autoři článku poukazují v tab. 1, že je třeba při tlakovém rozdílu 25 Pa pro menší otevřený únikový otvor až 23 817 m3 h 1 vzduchu. Pokud bychom měli zajistit 15 výměnu objemu CHÚC, pak můžeme tímto množstvím vyvětrat objem necelých 1600 m 3 za hodinu. Při půdorysu schodiště například 4 4 = 16 m 2 by to byla výška 100 m. Tak vysokou budovu snad v ČR ani nemáme. Kdybychom větrali CHÚC čtyřpodlažní budovy (cca 12 m) se schodištěm 16 m 2 s výměnou vzduchu 15 měl by postačovat větrací příkon daný součinem 12 16 15 = 2880 m 3 h 1. To je 12 % oproti výsledku podle výpočtů metodou přetlaku. Rozdíl je tedy více jak 8násobek! Autoři: Ing. Milan Drda, Ing. Ondřej Šikula, Ph.D., Ústav technických zařízení budov, Fakulta stavební, VUT v Brně Recenzent: Ing. Vladimír Galád, samostatný projektant, Praha; člen redakční rady Topenářství instalace The use of CFD modelling for the design of pressurized ventilation of protected escape routes Fire safety is one of the most important features of existing buildings. This is especially important for tall buildings with more floors. The authors deal with the modelling of air flow in protected escape routes. The experimental measurement was done on the building model and compared with simulation. Keywords: fire safety, CFD, protected escape route, ventilation INFO 033 Instalace nemůže být jednodušší Nová generace trubicových solárních systémů Thermomax Direct Flow 1 nasuňte trubici 2 sklopte trubici 3 zaklapněte trubici 54 7/2011