Oddymianie garaży

Obecnie praktycznie każdy nowo powstający obiekt, zarówno mieszkalny, jak i użyteczności publicznej musi zapewnić odpowiednią liczbę miejsc parkingowych. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem jest budowa podziemnych parkingów. Priorytetową sprawą staje się więc zapewnienie odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa budowli tego typu, w szczególności zaś ochrona przeciwpożarowa.

Podczas pożaru płonący samochód lub samochody wydzielają duże ilości ciemnego dymu, a szybki wzrost temperatury powoduje gwałtowny wzrost objętości właściwej zadymionego powietrza i wypełnienie przestrzeni garażu. W tych warunkach niezmiernie ważne jest zastosowanie skutecznego systemu wentylacji, umożliwiającego odprowadzenie z przestrzeni garażu zadymionego powietrza, a przez to stworzenia warunków do ewakuacji i szybkiego podjęcia akcji ratowniczej. W niniejszym artykule przedstawiono podstawowe zasady funkcjonowania bezprzewodowej wentylacji oddymiającej garaży oraz zalety tego systemu w stosunku do instalacji tradycyjnej z kanałami wentylacyjnymi.

System wentylacji kanałowej – ograniczenia sprawnego oddymiania

Obecnie garaże podziemne są najczęściej wentylowane z zastosowaniem systemu kanałowego. Ze względów ekonomicznych oraz z uwagi na ograniczoną powierzchnię techniczną przeważnie łączy on funkcję wentylacji ogólnej i pożarowej. O ile jednak system ten sprawdza się podczas normalnego funkcjonowania obiektu, to w warunkach pożaru napotyka on na szereg ograniczeń. Strumień objętości powietrza, który trzeba odciągnąć z przestrzeni garażu objętego pożarem wzrasta kilkakrotnie w stosunku do ilości odciąganej w warunkach wentylacji, co niejednokrotnie stawia projektanta przed dylematem: czy priorytetem podczas doboru wielkości kanału powinna być wentylacja, czy oddymianie? Przyjęte rozwiązanie musi zapewnić wymaganą skuteczność wentylowania garażu, a w warunkach oddymiania zwiększona prędkość powietrza w przewodach musi pozwolić na odprowadzenie dymu i produktów spalania. Ponadto tryb pracy pożarowej wymaga odciągania całej ilości powietrza z przestrzeni podstropowej, podczas gdy wentylacja ogólna odbywa się z podziałem strumienia powietrza w proporcjach:

• 40% ze strefy przypodłogowej
• 60% z przestrzeni podstropowej.

W warunkach pożaru zamianie ulega więc charakterystyka hydrauliczna sieci, co może doprowadzić do sytuacji, że w niektórych gałęziach sieci wentylacyjnej przepływać będzie zdecydowanie większa od wyliczonej ilość powietrza, podczas gdy w innej części instalacji przepływ będzie mniejszy od zakładanego lub w ogóle nie wystąpi. W przypadku zastosowania rozwiązania z jednym wentylatorem na potrzeby wentylacji ogólnej i oddymiającej dodatkową trudność stanowi dobór urządzenia o wystarczająco szerokiej charakterystyce, mogącego zapewnić odpowiedni spręż i wydatek zarówno podczas wentylacji, jak i oddymiania.

System bezprzewodowego oddymiania garaży

Ciekawą alternatywę dla systemu kanałowego stanowi system bezprzewodowego oddymiania garaży. Oparty jest on na pracy zespołu niewielkich wentylatorów osiowych usytuowanych w górnej części garażu oraz w strefie przebywania ludzi (rys. 1).

W momencie pojawienia się sygnału alarmowego o powstaniu pożaru, następuje automatyczne otwarcie bramy wjazdowej do garażu, przez którą na skutek podciśnienia wywołanego pracą wentylatorów wyciągowych napływa czyste powietrze zewnętrzne (ew. uruchamiany jest nawiew mechaniczny). Jednocześnie wentylatory osiowe przechodzą na tryb pracy pożarowej. Zasysają powietrze podobnie jak kratki wyciągowe i po stronie tłocznej formują strumień, który w końcowej części przekazywany jest do następnego wentylatora. Podobnie jak w przewodach wentylacyjnych jest to ruch uporządkowany, powodujący kontrolowany przepływ przez pomieszczenie, aż do wyrzutni, gdzie powietrze lub dym są usuwane przez zespół wentylatorów wyciągowych. Podstawowe elementy omawianego systemu:

1. wentylatory osiowe. W zależności od konfiguracji sytemu mogą być to urządzenia jedno- lub dwubiegowe (pracujące na potrzeby wentylacji ogólnej i pożarowej lub pełniące w systemie tylko jedną z tych funkcji). W zależności od potrzeb (np. lokalizacji pożaru) stosowane są wentylatory z przepływem jednostronnym lub rewersyjnym, przy czym należy pamiętać, że dla przepływu rewersyjnego wydatek urządzenia spada o około 25%;
2. wentylatory wyciągowe. W warunkach pożaru urządzenia te służą do wyciągu gorących gazów pożarowych. Muszą mieć potwierdzoną badaniami odporność ogniową, niezależne źródła zasilania itd. Najczęściej projektuje się układy z dwoma niezależnymi wentylatorami wyciągowymi, co znacznie podnosi pewność działania instalacji;
3. czujki pożarowe. O skuteczności przyjętego systemu ochrony przeciwpożarowej w znacznym stopniu decyduje czas jego zadziałania. Ta wielkość uzależniona jest z kolei od przyjętego systemu detekcji pożaru, a zwłaszcza od właściwego doboru i rozmieszczenia czujek pożarowych. Przeprowadzone m.in. w Centrum Naukowo-Badawczym Ochrony Przeciwpożarowej (CNBOP) testy różnych rodzajów czujek pożarowych wykazały, że dla garaży podziemnych najbardziej wskazane jest zastosowanie optycznych rozproszeniowych czujek dymu umieszczonych nad stanowiskami postojowymi oraz nadmiarowo-różnicowych czujek ciepła w przestrzeni nad komunikacją. Taka konfiguracja detektorów daje największą pewność działania układu sygnalizacji pożarowej.

Projektowanie systemu bezprzewodowego oddymiania garaży

Dla poprawnego funkcjonowania systemu podstawowe znacznie ma dobór odpowiedniej liczby wentylatorów osiowych i wyciągowych oraz ich właściwe rozmieszczenie, a także ustalenie różnych warunków pracy w zależności od lokalizacji pożaru. Zaprojektowanie skutecznego i pewnie działającego układu możliwe jest dwiema metodami. Pierwsza z nich polega na próbach pożarowych w obiektach rzeczywistych o podobnym układzie architektonicznym do budynku projektowanego. Jest to metoda trudna, kosztowna, a co najważniejsze przeważnie niemożliwa do realizacji. Drugą metodą jest przeprowadzenie symulacji komputerowej. Bardzo użytecznym narzędziem jest tu oprogramowanie oparte na numerycznej mechanice płynów Computation Fluid Dynamics (CFD) pozwalające na modelowanie przepływu powietrza w przestrzeni garażu. Analiza projektu przy zastosowaniu CFD pozwala na określenie dróg przepływu powietrza przy wentylacji oraz dymu w czasie pożaru, a co za tym idzie właściwe rozmieszczenie wentylatorów. Ponadto symulacja komputerowa umożliwia przeanalizowanie różnych wariantów odnośnie miejsca i mocy pożaru, co znacznie ułatwia zastosowanie przemyślanego i pewnego systemu wentylacji parkingu.

Rys. 1. Ukierunkowany przepływ powietrza w przestrzeni garażu, dzięki zastosowanemu systemowi bezprzewodowemu

Metoda symulacji komputerowej ma jednak pewne ograniczenia. Po pierwsze, ze względu na skrócenie czasu obliczeń przyjmuje się szereg uproszczeń odnośnie matematycznego opisu zjawisk odpowiedzialnych za ruch powietrza (stratyfikacji, rozprężania, parcia wiatru itd.). Po drugie, stworzenie dokładnego modelu cyfrowego rozpatrywanego obiektu jest bardzo pracochłonne. Aby możliwe było uproszczenie i skrócenie procesu projektowania za pomocą symulacji komputerowych, konieczne jest lepsze poznanie zjawisk towarzyszących przemieszczaniu się powietrza w wentylowanej strefie.

Innymi słowy stworzenie prawidłowego modelu cyfrowego wymaga przeprowadzenia badań na obiektach rzeczywistych i na ich podstawie stworzenia matematycznego opisu zależności fizycznych. Przykładem mogą być tutaj zagadnienia związane z wzajemnym oddziaływaniem strumieni powietrza przemieszczających się w przeciwnych kierunkach szczególnie na granicy zasięgu strumieni, które stały się w ostatnim czasie przedmiotem zainteresowania zespołu badawczego Politechniki Warszawskiej. Szczególnie interesujący jest obszar (na rys. 1 oznaczony czerwoną przerywaną linią), w którym ustala się pewna pozorna strefa graniczna. Strefa ta ma określoną szerokość, w której powstają lokalne zawirowania (cyrkulacje) strumieni powietrza (rys. 5). Ponieważ występowanie gwałtownych zawirowań powietrza jest zjawiskiem niekorzystnym ze względu na skuteczność procesu oddymiania, należy dążyć do możliwie dużego ograniczenia szerokości obszaru, w którym zawirowania te występują. Dotychczasowe obserwacje zwracają uwagę na zależność pomiędzy prędkościami strumieni bezpośrednio się stykających a szerokością strefy granicznej. Zauważono, że wraz ze wzrostem prędkości na granicy strumieni, wyraźnie zmniejsza się stopień ich wzajemnego mieszania, a więc zmniejsza się szerokość strefy cyrkulacji. Przeciwnie, zmniejszeniu prędkości strumieni towarzyszy silniejsze ich wzajemne oddziaływanie (strefa turbulencji zwiększa swoją objętość).

Porównanie skuteczności systemu kanałowego i bezprzewodowego oddymiania garaży

Żeby porównać funkcjonowania obu omawianych systemów przeanalizować należy kolejne etapy rozwoju pożaru w garażu (rys. 2).

Rys. 2 Porównanie działania wentylacji kanałowej i strumieniowej – początkowa faza pożaru (wentylacja oddymiająca nie działa)

W początkowej fazie pożaru dym wydobywający się z płonącego samochodu wzbija się do góry, zbierając się pod stropem garażu. W skutek intensywnego powstawania nowych ilości dymu jego część „wędruje” w kierunku otworów wywiewnych, znaczna natomiast ilość ulega schłodzeniu od stropów i opada ku dołowi, wypełniając w krótkim czasie całe pomieszczenie. Ponieważ czas zadziałania instalacji oddymiającej, w zależności od skuteczności przyjętego systemu detekcji, wynosi od kilku do kilkunastu minut, już w momencie uruchomienia instalacji oddymiania mamy do czynienia ze znacznym zadymieniem przestrzeni garażu. W tych warunkach systemy z przewodami wyciągowymi nie są w stanie (uwzględniając niewielką zazwyczaj wysokość garaży) odciągnąć takiej ilości zadymionego powietrza, aby utworzona została przypodłogowa warstwa wolna od dymu (pozwalająca na bezpieczną ewakuację i podjęcie akcji gaśniczej). Podobny problem występuje w garażach z wentylacją bezprzewodową, jednak w tym przypadku przyjęte zostało inne założenie. Na skutek pracy wentylatorów przetłaczających następuje ukierunkowanie przepływu zadymionego powietrza w całym przekroju pomieszczenia dzięki czemu możliwa jest ochrona części garażu przed zadymieniem. Skuteczność działania systemu kanałowego i bezprzewodowego można porównać, rozpatrując podstawowe kryteria oceny skuteczności funkcjonowania wentylacji pożarowej garaży podziemnych.

Rys. 2 Porównanie działania wentylacji kanałowej i strumieniowej – w pełni rozwinięty pożar (przy działaniu wentylacji kanałowej)

1. Uzyskiwany zakres widzialności w czasie Pożaru (rys. 3). Podczas działania instalacji kanałowej następuje znaczne ograniczenie widoczności w znacznej przestrzeni garażu. Ponadto może w tym przypadku nastąpić „rozciągnięcie” dymu przez kratki wyciągowe, a więc powiększenie obszaru złej widoczności. W instalacji bezprzewodowej powierzchnia garażu ulega podziałowi na strefę „nawietrzną”, w której mamy do czynienia z silnym zadymieniem oraz na strefę „zawietrzną”, praktycznie wolną od dymu. Dzięki takiemu podziałowi możliwa jest łatwa lokalizacja pożaru i podjęcie akcji gaśniczej, ponadto przez cały czas można przeprowadzić ewakuację garażu

2. Koncentracja szkodliwych produktów spalania w strefie przebywania ludzi. W tym przypadku sytuacja wygląda podobnie jak przy analizie poziomu widoczności. Szkodliwe produkty spalania, a więc dymy i gazy pożarowe stanowiące największe zagrożenie dla ludzi mogą rozprzestrzeniać się praktycznie bez przeszkód gdy działa wentylacja kanałowa, natomiast system przetłaczający powoduje spychanie toksycznych produktów spalania w kierunku wentylatorów wyciągowych, przy czym znaczna część przestrzeni garażu przez cały czas trwania pożaru pozostanie wolna od tych zanieczyszczeń.

Rys. 2 Porównanie działania wentylacji kanałowej i strumieniowej – w pełni rozwinięty pożar (przy działaniu wentylacji strumieniowej)

3. Temperatura gazów w strefie przebywania Ludzi (rys. 4). Gorące gazy pożarowe mogące rozprzestrzeniać się w sposób praktycznie niekontrolowany podczas pracy sieci kanałowej, powodują znaczne podniesienie temperatury powietrza w dużej części garażu. Skutkiem tego może być większe zagrożenie dla ludzi i istotne utrudnienie akcji gaśniczej, jak również rozprzestrzenienie się pożaru na sąsiednie samochody. Dzięki ukierunkowanemu przepływowi powietrza uzyskujemy znaczne schłodzenie gazów w najbliższym sąsiedztwie pożaru, co ułatwia skuteczne gaszenie, a także poważnie ogranicza możliwość rozprzestrzeniania się pożaru. Oprócz wymienionych powyżej, system bezprzewodowego oddymiania garaży charakteryzuje się jeszcze szeregiem dodatkowych zalet:

• jak wynika z porównania kosztów wykonania obu systemów, instalacja systemu bezprzewodowego jest porównywalna cenowo do najtańszej instalacji
  kanałowej, przy czym uzyskiwany poziom bezpieczeństwa zwiększa się bardzo wyraźnie;
• dzięki wyeliminowaniu kanałów zmniejszają się opory sytemu, dzięki czemu można stosować wentylatory o mniejszym sprężu oraz wydatku, a więc tańsze w eksploatacji i o wiele cichsze;
• system bezprzewodowy pozwala optymalnie wykorzystać przestrzeń garażu, ułatwiając komunikację i zwiększając przestrzeń przeznaczoną na parkowanie samochodów;
• ponieważ system bezprzewodowy sprawdza się w bardzo rozległych garażach, możliwe jest znaczne powiększenie strefy pożarowej, co pozwala zrezygnować z oddzieleń i bram pożarowych w tym obszarze;
• zastosowanie systemu bezprzewodowego dzięki szybkiemu schładzaniu gazów pożarowych umożliwią rezygnację z instalacji tryskaczowej (stosowanie
  instalacji tryskaczowej jest wtedy wręcz nie zalecane).

Rys. 3 Uzyskiwany zakres widzialności w czasie pożaru a) podczas działania systemu kanałowego; b) podczas działania systemu bezprzewodowego

Rys. 4 Rozkład temperatury w przestrzeni garażu a) podczas działania systemu kanałowego; b) podczas działania systemu bezprzewodowego

Rys. 5 Strefa cyrkulacji wokół granicy rozdzielającej strumienie powietrza przemieszczające się w przeciwnych kierunkach

Podsumowanie

Prowadzone prace badawcze oraz wnioski wynikające z obserwacji zrealizowanych już instalacji bezprzewodowej wentylacji i oddymiania garaży potwierdzają wysoką skuteczność instalacji tego typu. Połączenie relatywnie niskich kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych z wieloma zaletami technicznymi powoduje, że omawiany system należy traktować jako bardzo perspektywiczny. W chwili obecnej niejednoznaczne przepisy odnośnie realizacji oddymiania garaży powodują, że powszechne stosowanie systemu bezprzewodowego oddymiania garaży napotyka na opory osób odpowiedzialnych za odbiór instalacji przeciwpożarowych.

Wzorem państw Europy Zachodniej pomimo pewnych trudności instalacje takie zdobywają jednak uznanie i są coraz szerzej montowane także w Polsce. Ponieważ omawiany system stosowany jest od niedawna, wiele zjawisk towarzyszących bezprzewodowemu oddymianiu nie jest jeszcze wystarczająco przebadanych i poznanych. Konieczne jest prowadzenie badań zmierzających do usprawnienia procesu projektowania. Stosowanie obecnie kolejnych rozstawień wentylatorów przetłaczających, a więc i prowadzenie komputerowych obliczeń dla każdego wariantu znacznie wydłuża okres projektowania, a osiągnięcie dobrego efektu w dużej mierze uzależnione jest od doświadczenia inżyniera analizującego przyjęte rozwiązanie. Usprawnienie procesu projektowania wymaga poszerzenia wiedzy o wzajemnym oddziaływaniu strumieni poruszających się w przeciwnych kierunkach, o osiach zarówno równoległych, jak i znajdujących się pod pewnym kątem. Opisanie przepływu równaniem ciągłości strumienia oraz równaniami zachowania pędu Naviera-Stokesa, pozwala na przybliżone określenie przemieszczania się cząstek powietrza, a co za tym idzie na ustalenie stopnia wzajemnego oddziaływania strumieni. Uwzględnione powinno być także oddziaływanie towarzyszących zjawisk, jak: gradient temperatury, wahania ciśnienia i ewentualnie stopień zanieczyszczenia powietrza. Zbudowanie modelu obliczeniowego uwzględniającego wszystkie ww. elementy może stać się bardzo przydatnym narzędziem dla projektantów instalacji oddymiania zamkniętych podziemnych garaży.

Literatura
1. Mizieliński B., Wpływ strumieni zakłócających na kształtowanie się strumieni powietrza wentylacyjnego, Prace Naukowe. Budownictwo 78/1083 Warszawa
2. Mizieliński B., Wentylacja i oddymianie garaży systemem bezprzewodowym, COW 11/4004
3. Mizieliński B. Kubicki G., Kontrolowany przepływ powietrza w bezprzewodowym oddymianiu garaży, Mat. konferencyjne 2005
4. Płaczkowski R., Przeciwpożarowe zabezpieczenia podziemnych garaży samochodowych, Systemy Alarmowe 4/2001
5. Materiały informacyjne firmy York


Autorzy: prof. dr hab. inż. Bogdan Mizieliński, dr inż. Grzegorz
Kubicki, Politechnika Warszawska, Instytut Ogrzewnictwa
i Wentylacji
Opracowanie: Redakcja
Źródło: ''Polski Instalator