Proces transformace normy DIN 18 232 díl 2, hodnotové srovnání různých znění normy Dr. Ing. Jiří Pokorný Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Těšínská 39, 746 01 Opava e-mail: jiripokorny@mujmail.cz www.jiripokorny.net Klíčová slova Norma, předpis, kouř, plyny, odvod tepla a kouře, odvětrací zařízení Abstrakt Příspěvek se zabývá popisem procesu transformace normy DIN 18 232 díl 2. V textu jsou rozvedeny jednotlivé části normy DIN 18 232, popsány kapitoly DIN 18 232 díl 2 a stěžejní změny mezi původním a novým zněním. Prezentované grafické závislosti znázorňují jak návrhové odchylky různých znění normy, tak rozdíly vznikající aplikací různých metod stanovení hmotnostního množství kouřových plynů, které byly při zpracování nového normového znění použity. Popis transformace normy dokumentuje inženýrský přístup pracovního výboru při jejím přepracování, zohledňující nejen nové poznatky v daném oblasti, ale rovněž metody modelování požáru. Úvod Norma DIN 18 232 díl 2 patří na území ČR mezi nejpoužívanější předpisy pro navrhování odvětracích zařízení. V červnu 2003 nabylo platnosti její nové znění (dále také NZ). V rámci přepracování normy došlo k odstranění obsahových chyb (např. rovnice pro korekci nezakouřené výšky při překročení mezní plochy kouřového úseku), nesprávných nebo nevhodných definic a k obsahovému doplnění některých částí (např. součinnost odvětracích zařízení a samočinných hasicích zařízení). Nové znění normy umožňuje současně do určité míry také aplikaci tzv. inženýrských metod řešení. Základní částí předpisu DIN 18 232 Technická norma DIN 18 232 sestává z následujících částí DIN 18 232-1 Rauch-und Wärmefreihaltung Teil 1: Begriffe, Aufgabenstellung Díl 1: Pojmy, vymezení úkolů DIN 18 232-2 Rauch- und Wärmefreihaltung 1
Teil 2: Natürliche Rauchabzugsanlagen (NRA); Bemessung, Anforderungen und Einbau Díl 2: Zařízení pro přirozený odvod kouře; Navrhování, požadavky a instalace DIN 18 232-4 Rauch- und Wärmefreihaltung Teil 4: Wärmeabzüge (WA); Prüfverfahren Díl 4: Odvody tepla (WA); Zkušební postupy DIN 18 232-5 Rauch- und Wärmefreihaltung Teil 5: Maschinelle Rauchabzugsanlagen (MRA); Anforderungen, Bemessung Díl 5: Mechanické kouřové odtahy (MRA); Požadavky, navrhování DIN V 18 232-6 Rauch- und Wärmeableitung - Maschinelle Rauchabzüge (MRA) Teil 6: Anforderungen an die Einzelbauteile und Eignungsnachweise Díl 6: Požadavky na stavební díly a průkaz způsobilosti Z hlediska návrhu odvětracích zařízení můžeme za nejdůležitější považovat díly 2 a 5. Pozornost bude dále zaměřena na díl 2 normy DIN 18 232. Obsah předpisu DIN 18 232 díl 2 Základní části normy DIN 18 232 díl 2 tvoří [2] Kapitola 1 Rozsah použití Kapitola 2 Normativní odkazy Kapitola 3 Pojmy Kapitola 4 Symboly a zkratky Kapitola 5 Principy vyměřování Kapitola 6 Vyměřování Kapitola 7 Instalace Kapitola 8 Součinnost s hasicím zařízením Kapitola 9 Označování Kapitola 10 Zkoušky, údržba a opravy Přílohy A, B a C Činitelé působící na proces transformace normy DIN 18 232 díl 2 Původní znění normy DIN 18 232 díl 2 (dále také PZ) bylo vydáno v prosinci 1989 pod názvem Baulicher Brandschutz im Industriebau, Rauch und Wärmeabzugsanlagen, Rauchabzüge, Bemessung, Anforderungen und Einbau (Požární ochrana průmyslových staveb, Zařízení pro odvod kouře a tepla, Kouřové odtahy, Navrhování, požadavky a instalace). V průběhu platnosti normy bylo opakovaně upozorňováno na její nedostatky, chybovost a mezery v technické oblasti řešení. Návrh nového znění normy (Gelbdruck) zpracovaný v březnu 1996 se z formálních důvodů nepodařilo vydat jako platnou normu (Weissdruck). Důvodem byla tzv. Evropská dohoda o odložení (Stillhalteabkommen), která byla iniciována vzhledem k rozpracované evropské normě související se zařízeními pro odvod tepla a kouře. Evropský předpis pro požární odvětrání stavebních objektů je připravován technickou komisí 2
CEN/TC191/SC1. Výsledným předpisem týkajícím se těchto zařízení má být norma EN 12101. Evropský normalizační záměr byl však v roce 2000 pozastaven. Výsledek činnosti pracovního výboru této komise nezískal v Evropě dostatečnou podporu. Následně byla Evropská dohoda o odložení zrušena a pracovní skupina normalizačního výboru NABau obnovila v říjnu 2000 práce na novém znění normy DIN 18 232 díl 2. V prosinci 2001 byl uvedený dokument předložen veřejnosti jako nové znění normy DIN 18 232 díl 2. Dokument byl na základě připomínek upraven do konečné podoby a v červnu 2003 došlo k vytištění popisovaného předpisu. Stěžejní změny normy DIN 18 232 díl 2 Nové znění normy DIN 18 232 díl 2 obsahuje řadu významných změn a odchylných ustanovení oproti předchozímu znění. V následujících odstavcích budou specifikovány nejvýznamnější z nich [1, 2, 3]. Zrušení vazby na průmyslové stavby Již z titulu normy je patrné, že normu lze aplikovat pro všechny druhy staveb (změna názvu předpisu). Odkaz na průmyslovou výstavbu byl zrušen. Instalace odvětracích zařízení ve vertikálních stavebních konstrukcích Nové znění normy zohledňuje možnost odvodu kouře a tepla také stěnami [6]. Popisovaná změna a rozšíření technické aplikace normy vyvolaly řadu diskusí na toto téma. V současné době neexistuje žádná obecně uznávaná a vědecky podložená metoda pro návrh odvětracích zařízení ve svislých stavebních konstrukcích. V normě jsou zakotveny všeobecně aplikovatelné poznatky, které jsou považovány za přijatelný způsob řešení (umístění odvětracích otvorů s vazbou na úroveň kouřové vrstvy, způsob činnosti zařízení v případě větru apod.). Některé ze všeobecných zásah pro instalaci odvětracích zařízení ve vertikálních konstrukcích jsou znázorněny na obr. 1. v v 1 m.s -1 A w m o, v o, p o T g Q k d A p m p, v p, p p a) rychlost větru 1 m.s -1 3
v v > 1 m.s -1 A w T g m o, v o, p o d Q k A p m p, v p, p p b) rychlost větru > 1 m.s -1 Obr. 1 Všeobecné požadavky pro instalaci odvětracích zařízení ve vertikálních konstrukcích Změna terminologie V normě intenzivně užívaný pojem bezkouřový byl nahrazen pojmem minimálně zakouřený. Úprava terminologie navazuje na jiné předpisy a metody větrání vyskytující se v této oblasti. Zohlednění různých požárních scénářů a modelů sloupce kouřových plynů Předpokládaný požární scénář ovlivňuje do značné míry výsledný návrh odvětracích zařízení. Požadované velikosti odvětracích ploch byly dle lit. [1] stanoveny s využitím zjednodušených zónových modelů. V případě požárů větších rozsahů v prostorách o malých nebo průměrných světlých výškách je využíván model Thomase a Hinkleyho (vrchol plamene zasahuje do vrstvy kumulovaných kouřových plynů), v případě požárů o menších plochách v prostorách o velkých světlých výškách je využíván model Zukoského (vrchol plamene nedosahuje do vrstvy kumulovaných kouřových plynů). Hmotnostní množství kouřových plynů dle Thomase a Hinkleyho lze stanovit rovnicí 3 2 m = 0,188 O y [kg.s -1 ] (1) Hmotnostní množství kouřových plynů dle Zukoského lze stanovit rovnicí 1,667 0, 333 ( z z o ) Q m = 0,076 k [kg.s -1 ] (2) Virtuální počátek sloupce kouřových plynů lze stanovit rovnicí 2 0, 5 k z0 = h fl 175 Q [m] (3) Výšku plamene lze stanovit rovnicí h fl = 42D H ( 1 f ) eff ρ 0 r, pl q c ( g D) 1 2 0,61 [m] (4) Srovnání hmotnostních toků kouřových plynů stanovených metodou Thomase a Hinkleyho a metodou Zukoského pro jednotlivé vyměřovací skupiny je patrné z obr. 2. Z uvedeného obrázku je zřejmá rovněž závislost výšky plamene na vyměřovacích skupinách. 4
Hmotnostní množství kouře [kg.s -1 ] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 8 7 6 5 4 3 2 1 Výška plamene [m] 0 0 1 2 3 4 5 Vyměřovací skupina Výška plamene Thomas a Hinkley Zukoski Obr. 2 Závislost vyměřovacích skupin a hmotnostních toků kouřových plynů stanovených metodou Tomase a Hinkleyho a metodou Zukoského Využitím výše uvedených matematických rovnic, definováním přechodové oblasti a lineární interpolací výsledků pro zajištění jejich kompatibility byly následně stanoveny rozměry odvětracích zařízeních pro jednotlivé vyměřovací skupiny. Při hodnocení byla uvažována konstantní hodnota hustoty tepelného toku 300 kw.m -2. Odchylky ve výsledných hodnotách při různých hustotách tepelný toků byly hodnoceny jako nepodstatné. Rovněž za předpokladu nižší hodnoty hustoty tepelného toku a následně teplot kouřových plynů dochází mnohdy ke komplikovanějším stavům návrhů odvětracích zařízení (minimální tepelné toky lze považovat za kritické případy). Parametry požáru pro jednotlivé vyměřovací skupiny jsou uvedeny v tab. 1. Parametr Tab. 1 Parametry požáru pro jednotlivé vyměřovací skupiny Jednotky Vyměřovací skupina 1 2 3 4 5 Plocha m 2 5 10 20 40 80 Průměr m 2,523 3,568 5,046 7,136 10,093 Obvod m 7,927 11,210 15,853 22,420 31,707 Tepelný výkon Konvektivní tepelný tok kw 1500 3000 6000 12000 24000 kw 1050 2100 4200 8400 16800 5
Ve vyměřovací skupině 3 je obsažen rovněž mezinárodně uznávaný Design fire (požár s hodnotou tepelného toku 5 MW). V tab. 2 jsou znázorněny předpokládané rychlosti šíření požáru. Tab. 2 Předpokládané rychlosti požáru Označení rychlosti šíření požáru Průměrná rychlost šíření požáru [m.min -1 ] Obzvláště nízká 0,15 Střední 0,25 Obzvláště vysoká 0,45 Provedené výpočty byly následně srovnávány s jinými dostupnými zónovými modely (např. modelu dle McCaffreye). Změna návrhových pravidel pro stanovení plochy odvětracích otvorů Nutná plocha odvětracích zařízení je pro jednotlivé vyměřovací skupiny stanovena přímo plošným rozměrem. Procentuální závislost na ploše kouřového úseku byla zrušena. Zmenšením velikosti plochy kouřového úseku pod 1600 m 2, nedochází ke zmenšení požadované aerodynamické plochy odvětracích zařízení. Ve stanovených případech lze zvětšit plochu kouřového úseku až na 2600 m 2. Současně byl snížen počet vyměřovacích skupin (ze 7 na 5). Úprava návrhových pravidel pro stanovení plochy otvorů pro přívod vzduchu V obecné rovině platí, že velikost otvorů pro přívod vzduchu musí tvořit 1,5násobek ploch odvětracích zařízení největšího kouřového úseku. Snížení velikosti otvorů pro přívod vzduchu (až na poměr 1:1) je přípustné jen s vazbou na úpravu velikosti odvětrávacích ploch (jejich zvětšení). Při navrhování je nutné zohlednit skutečnost, že zmenšováním velikosti přívodních otvorů dochází ke zvětšování rychlosti proudění vzduchu do vnitřního prostoru. Tato skutečnost má vliv nejen na únik osob z hodnocené oblasti (pokud jsou přivětrací otvory tvořeny otvory na únikových komunikacích), ale také na vznik turbulentních efektů, které mohou destabilizovat kumulovanou vrstvu plynů v prostoru. Norma nyní uvádí rovněž typické hodnoty výtokových součinitelů pro přivětrací otvory. Součinnost samočinných odvětracích a hasicích zařízení V průběhu zpracování nového znění normy byly vedeny polemiky související se součinností samočinných odvětracích a hasicích zařízení. Ve Věstníku VdS-2815 [4] bylo konstatováno, že kombinované použití obou druhů zařízení je zpravidla smysluplné a při jejich správném návrhu nedochází ke vzniku kolizních situací. Diskuse dále směřovaly k otázkám, zda lze zohlednit přítomnost samočinných hasicích zařízení určitými úlevami při návrhu odvětracích zařízení (např. snížením velikosti odvětracích ploch). Při diskusích byla zohledněna zejména skutečnost, že při aktivaci samočinných hasicích zařízení a v počátečním stádiu jejich působení nedochází ke snížení vývinu kouřových plynů (z důvodu ochlazování dochází zpravidla spíše k poklesu plynů do nižších úrovní). Závěrem bylo konstatováno, že samočinná hasicí zařízení působí účinně na snížení vývinu kouře teprve po 15 minutách od vzniku požáru. Současně bylo rozhodnuto, že vliv 6
samočinných hasicích zařízení může být zohledněn snížením návrhové skupiny o 1 stupeň v případech, kdy doba od rozvoje požáru je delší než výše uvedený časový interval. Tato idea je zakomponována v normě s vazbou na vyměřovací skupiny vyšších stupňů (lze bez dalšího průkazu předpokládat vyměřovací skupiny 3). Srovnání původního a nového znění normy Transformací normy a zohledněním světových trendů v oblasti navrhování odvětracích zařízení dochází při aplikacích podle původního nebo nového znění normy k určitým odchylkám v rozměrech požadovaných odvětracích ploch a následně dalších návrhových požadavků. Na některé z nich bude upozorněno v následujících odstavcích. Odchylky při aplikacích různých znění normy pro jednotlivé vyměřovací skupiny, různé světlé výšky prostoru a požadované aerodynamické plochy odvětracích otvorů jsou znázorněny na obr. 3. 25 Aerodynamická plocha A w [m 2 ] 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 Vyměřovací skupina h = 6 (NZ) h = 9 (NZ) h = 12 (NZ) 0,5h (PZ) Obr. 3 Závislost vyměřovacích skupin, světlých výšek prostorů a požadované aerodynamické plochy odvětracích zařízení Graf byl zpracován za předpokladu plochy kouřového úseku 1600 m 2 a výšky vrstvy s nízkým výskytem kouře 50 % světlé výšky prostoru. Světlé výšky prostoru činily 6, 9 a 12 m. Z obr. 3 je patrné, že požadovaná aerodynamická plocha odvětracích otvorů navržená podle původního znění normy se blížila objektům o větších světlých výškách (přibližně 10 až 11 m). Na obr. 4 je znázorněno srovnání závislosti výšky vrstvy s nízkým výskytem kouře a požadované aerodynamické plochy odvětracích otvorů. Hodnocení bylo provedeno pro vyměřovací skupinu 3. 7
70 60 Aerodynamická plocha A w [m 2 ] 50 40 30 20 10 0 2,5 4 5,5 7 8,5 10 Vrstva s nízkým výskytem kouře [m] h = 6 (NZ) h = 9 (NZ) h = 12 (NZ) h = 6 (PZ) h = 9 (PZ) h = 12 (PZ) Obr. 4 Závislost výšky vrstvy s nízkým výskytem kouře a požadované aerodynamické plochy odvětracích otvorů Graf byl zpracován za předpokladu plochy kouřového úseku 1600 m 2 a světlých výšek prostorů 6, 9 a 12 m. Z obr. 4 je patrné, že požadované aerodynamická plocha odvětracích otvorů navržená podle původního znění normy se do značné míry blíží požadovaným aerodynamickým plochám odvětracích otvorů stanoveným podle nového znění normy. Obr. 4 rovněž dokumentuje podstatně širší aplikační možnosti nového znění normy s vazbou na zvolenou výšku vrstvy s nízkým výskytem kouře. Ze srovnání obou znění normy DIN 18 232 díl 2 provedené dle lit. [1] a uvedenými grafickými závislostmi lze odvodit následující poznatky v případě, že výška vrstvy s nízkým výskytem kouře činí 50 % světlé výšky prostoru, vedou obě znění normy ke srovnatelným výsledkům, zmenšením výšky vrstvy s nízkým výskytem kouře dochází k redukci požadovaných odvětracích ploch, zmenšením výšky kouřové vrstvy dochází k nárůstu velikosti aerodynamicky účinné plochy odvětracích otvorů, nová metoda umožňuje širší aplikační možnosti (větší rozsah a různorodost vstupních dat a výstupních hodnot) při zachování jednoduchosti návrhu. Závěrečná shrnutí Proces transformace normy DIN 18 232 díl 2 byl z mnoha rozličných důvodů procesem velmi náročným a zdlouhavým. Pracovní skupina implementovala do normy aktuální poznatky z oblasti navrhování odvětracích zařízení, opravila chybná textová a matematická znění. Jedním z podkladů pro přepracování normy byl návrh evropské normy EN 12 101, která je 8
připravovaná technickou komisí CEN/TC191/SC1. Nově upravená norma DIN 18 232 díl 2 obsahuje některé z principů uvedené v připravované evropské normě. Pro vlastní aplikaci však i nadále zachovává svůj konzervativní charakter upřednostňující hodnotový (tabulkový) způsob navrhování. Rovněž některé technické principy prezentované normou lze považovat za diskutabilní (např. alternativní zmenšení velikosti přisávacích otvorů při současném zvětšení odvětracích otvorů bez dalšího posuzování úrovně neutrální roviny v prostoru, možné zvětšení plochy kouřového úseku až na 2600 m 2 ). Přes nesporný přínos, za který je možné proces transformace normy považovat, je zřejmé, že norma DIN 18 232 díl 2 tvoří přechodnou a časově limitovanou metodu určenou k navrhování odvětracích zařízení. Dokončením prací na Evropské normě EN 12 101 bude docházet k nahrazení parciálních částí normy DIN 18 232 a tím k vytvoření jednotného evropského standardu pro navrhování odvětracích zařízení. Seznam použitých značek A p velikost ploch pro přívod vzduchu [m 2 ] A w velikost ploch pro odvod kouřových plynů [m 2 ] d výška vrstvy s nízkým výskytem kouře [m] D charakteristický rozměr požáru [m] f r,pl tepelná ztráta radiací [-] g gravitační zrychlení [m.s -2 ] h fl výška plamene [m] H eff efektivní výhřevnost dřeva [kj.kg -1 ] m množství plynných zplodin hoření [kg.s -1 ] m p hmotnostní množství přitékajícího vzduchu [kg.s -1 ] m o hmotnostní množství odváděných kouřových plynů [kg.s -1 ] O obvod požáru [m] p p tlaková diference v otvoru pro přívodu vzduchu [Pa] p o tlaková diference v otvoru pro odvod kouřových plynů [Pa] q c tepelný výkon [kw] Q k tepelný tok sdílený konvekcí [kw] T g teplota plynných zplodin hoření [K] v p rychlost přitékajícího vzduchu [m.s -1 ] v o rychlost odváděných kouřových plynů [m.s -1 ] v v rychlost větru [m.s -1 ] y výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] z výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] z 0 virtuální počátek sloupce kouřových plynů [m] ρ 0 hustota okolního vzduchu [kg.m -3 ] 9
Literatura [1] Hegger, F.T.: Neues Verfahren zur Projektierung von Rauch- und Wärmeabzugsanlagen. Berlin, 2001, 13 s. [2] DIN 18 232-2 Rauch- und Wärmefreihaltung, Teil 2: Natürliche Rauchabzugsanlagen (NRA); Bemessung, Anforderungen und Einbau. Berlin, DIN Deutsches institut für normung e.v., 2003. [3] DIN 18 232-2 Baulicher Brandschutz im Industriebau, Rauch und Wärmeabzugsanlagen, Rauchabzüge, Bemessung, Anforderungen und Einbau. Berlin, DIN Deutsches institut für normung e.v., 1989. [4] VdS Merkblatt 2815 Zusammenwirken von Wasserlöschanlagen und Rauch- und Wärmeabzugsanlagen. Köln, VdS Schadenverhütung, 2001. [5] Reisewitz, G., Schmees, M.: Rauchabzug zur sicheren Zeite. Detmold, Fachverband Licthkuppel, Licthband und RWA e.v., Brand Aktuell 14/03, 2003, s. 2-3. [6] Hegger, T. F.: Rauchabzug über Wände jetzt DIN-geregelt. Detmold, Fachverband Licthkuppel, Licthband und RWA e.v., Brand Aktuell 14/03, 2003, s. 4. 10