Wybrane problemy oddymiania pożarowego w obiektach wielkokubaturowych

Wstęp W dniu 23.04.2001 r. Polski Komitet Normalizacyjny uchwałą nr 15/2001 ustanowił PN-B-02877-4 „Ochrona przeciwpożarowa budynków. Instalacje grawitacyjne do odprowadzania ciepła i dymu. Zasady projektowania.”

W ocenie autora norma ta która na dzień dzisiejszy nie jest normą do obligatoryjnego stosowania zawiera szereg co najmniej dyskusyjnych rozwiązań jak:
- brak powiązania instalacji oddymiającej z instalacją tryskaczową,
- dopuszczenie do wykonywania stref dymowych o powierzchni do 4000 m³,
- uzależnienie powierzchni czynnej klap dymowych od powierzchni przestrzeni poddachowej,
- narzucenie minimalnej liczby klap dymowych od powierzchni przestrzeni poddachowej,
- trudne do spełnienia i nieuzasadnione wymagania w zakresie zapewnienia dostatecznego dopływu powietrza.
Materiałem wyjściowym do opracowania tej normy była niemiecka norma DIN 18232 cz. 2 z 1982 r. odnosząca się do obiektów przemysłowych. Z tych względów poza istotną zmianą dot. uruchamiania klap dymowych nie mogła ona stanowić podstawy do przygotowania tego referatu.
Dlatego też jako materiał wyjściowy przyjęto brytyjskie standardy i opracowania naukowe z lat 90-tych, które w ocenie autora przynajmniej w Europie w sposób najbardziej kompleksowy przedstawiają metodykę projektowania systemów ochrony przed zadymieniem w obiektach wielkokubaturowych.

1. Rozwój pożaru i powstawanie dymu w pomieszczeniach objętych pożarem
W czasie pożaru w pomieszczeniu słup dymu wznosi się ku sufitowi. Unoszące się gazy spalinowe porywają powietrze, zwiększając przez to objętość dymu i obniżając jego temperaturę. Dym rozchodzi się promieniście pod sufitem i tworzy coraz grubszą warstwę wypełniającą pomieszczenie.
Jednocześnie, dym wytwarzający się w czasie pożaru ma do przebycia coraz krótszą drogę. Towarzyszy temu zmniejszenie ilości porywanego powietrza, w wyniku czego następuje wzrost temperatury warstwy dymu oraz jej gęstości. Zjawisko to występuje nawet w przypadku stałych rozmiarów pożaru. Najczęściej jednak następuje rozprzestrzenianie się pożaru, co przy wzrastającej gęstości warstwy dymu, jeszcze wzmacnia ten efekt. Mechanizm ten pokazano na rysunku 1.

Rys. 1 Mechanizm wypełniania dymem w pomieszczeniu objętym pożarem
Strefa 1 – strefa zimnego powietrza, w której zakłada się brak wymiany ciepła ze strefą spalania
Strefa 2 – strefa gorących gazów poniżej stropu, w której zakłada się również brak wymiany ciepła ze strefą spalania
Strefa 3 – strefa, w której wznoszące się gorące gazowe produkty spalania porywają otaczające je powietrze
Strefa 4 – strumień gorących gazów pod stropem


2. Projektowa wielkość pożaru
2.1. Uwagi ogólne
Punktem wyjścia przy opracowywaniu założeń projektowych z zakresu technicznych środków ochrony przeciwpożarowej jest często projektowa wielkość pożaru. Ma to miejsce również w przypadku wentylacji pożarowej. Jest oczywiste, że tylko wtedy spełni ona założoną funkcję, kiedy ludzie, mienie oraz konstrukcja obiektu, będą chronione w przestrzeni objętej pożarem.
Aby obliczyć ilość ciepła i dymu wydzielającego się w czasie pożaru, należy określić wielkość pożaru, a w szczególności charakteryzujące go parametry, takie jak powierzchnia, jego obwód oraz strumień wydzielającego się ciepła, przypadającego na jednostkę powierzchni pożaru.
Przy projektowaniu systemu wentylacji pożarowej podstawowymi wielkościami, które należy uwzględnić przy określaniu wymagań technicznych, są - masowe natężenie przepływu oraz strumień ciepła gazów pożarowych wydostających się z pomieszczenia objętego pożarem. Zmiana tych parametrów może w zasadniczy sposób oddziaływać na późniejsze warunki przepływu dymu.
Byłoby idealnie, gdyby projektowa wielkość pożaru mogła bezpośrednio odzwierciedlać rzeczywistą ilość i rodzaj materiałów palnych, znajdujących się w pomieszczeniu. Niestety, w praktyce jest to bardzo trudne do osiągnięcia. Chociaż ciepło spalania większości materiałów jest znane, to bardzo rzadko można przewidzieć rzeczywistą ilość materiałów palnych. W pomieszczeniu objętym pożarem, w warunkach rzeczywistych, mogą występować kombinacje różnych rodzajów materiałów w różnej ilości, a co za tym idzie - ilość wydzielającego się ciepła będzie funkcją ilości tych materiałów.
W rzeczywistości rozwój pożaru w pomieszczeniu zależy od wielu czynników, a w szczególności od:
- miejsca powstania pożaru w odniesieniu do rozmieszczenia materiałów palnych w pomieszczeniu,
- rodzaju i ilości występujących w pomieszczeniu materiałów palnych,
- możliwych do zaistnienia reakcji chemicznych pomiędzy materiałami, jeżeli ich opakowanie ulegnie zniszczeniu w wyniku pożaru,
- usytuowania materiałów palnych w stosunku do ścian, stropów, itp.,
- możliwości dopływu tlenu (w szczelnych pomieszczeniach pożar może samorzutnie zostać przerwany na skutek braku tlenu),
- obecności i skuteczności urządzeń gaśniczych,
- zmian palności materiałów w wyniku procesu ich starzenia.
Stąd też nie opracowano do tej pory metod obliczeniowych, pozwalających w sposób teoretyczny ustalić przebieg rozwoju rzeczywistego pożaru. Wielkość pożaru może być określona w praktyce głównie na podstawie analiz statystycznych pożarów, zaistniałych w podobnych, typowych pomieszczeniach oraz na podstawie eksperymentów przeprowadzonych w pomieszczeniach o znanych rodzajach i ilościach materiałów palnych.
2.2. Pożary o stałej mocy
Bardzo często jest wyrażany błędny pogląd, że pojęcie pożar o stałej mocy oznacza że, pożar rozwija się do określonej wielkości, która dalej pozostaje niezmienna na skutek ograniczenia ilości materiału palnego lub dopływu tlenu. Definicja ta nie jest odpowiednia dla pożaru o stałej mocy, stanowiącego podstawę założeń projektowych. W założeniach tych należy przyjąć, że każdy system, który zapewni warunki bezpieczeństwa podczas pożaru o projektowej mocy, zapewni również te warunki dla wcześniejszych etapów tego pożaru. To także oznacza, że pojęcie pożar o stałej mocy projektowej jest pojęciem statystycznym.
Prace, związane z opracowaniem wytycznych do projektowania systemów usuwania dymu w centrach handlowych, dopuszczały możliwość wyboru projektowej mocy pożaru spośród wszystkich prawdopodobnych pożarów, jakie mogą zaistnieć w tych obiektach oraz przyjąć, że zapewniają one ochronę przed zadymieniem dla 90% najmniejszych pożarów. Ta procedura została zaadaptowana również dla innych niż handlowe obiektów, np. pomieszczenia hotelowe czy biurowe. Projektowe wielkości pożarów zostały określone na podstawie wyników popożarowych analiz statystycznych w różnych grupach obiektów, przy czym jako dodatkowe kryterium przyjęto fakt wyposażenia lub niewyposażenia badanych grup obiektów w instalację tryskaczową. Na rysunkach 2 i 3 przedstawiono wyniki tych analiz sporządzonych po pożarach w pomieszczeniach biurowych i handlowych.

Rys. 2 Odsetek pożarów przekraczających określoną powierzchnię w
pomieszczeniach biurowych
w zależności od zabezpieczenia instalacją tryskaczową

Rys. 3 Odsetek pożarów przekraczających określoną powierzchnię
w pomieszczeniach handlowych
w zależności od zabezpieczenia instalacją tryskaczową
W tabeli 1 podano projektowe wielkości stałych pożarów dla niektórych rodzajów pomieszczeń, jakie należy przyjmować przy określaniu wymagań dla systemów kontroli dymu. W większości zostały one opracowane na podstawie popożarowych analiz statystycznych.
Tabela 1. Podstawowe parametry pożarów projektowych o stałej mocy

Uwagi do tabeli 1:
1. Przeprowadzone eksperymenty wykazały, że wielkość pożaru w pewnych okolicznościach może być mniejsza niż określona w tabeli, lecz nie ma jeszcze pełnych danych pozwalających na uwzględnienie tego zjawiska.
2. Projektowa moc pożaru dla biur i pokoi hotelowych nie została jeszcze oficjalnie uznana, chociaż jest już powszechnie stosowana.
3. Ostatnie informacje o pożarach samochodów wskazują, że stosowane do ich budowy nowe rodzaje materiałów, mogą powodować, że parametry pożarów rzeczywistych będą przekraczały niektóre wielkości podane w tabeli. Do tej pory brak jednak odpowiednich danych.

3. Obliczenia projektowe systemów usuwania ciepła i dymu
3.1. Obliczanie ilości wydzielającego się dymu
Ilość powietrza zasysanego do słupa dymu wznoszącego się nad pożarem Mf może być obliczona przy użyciu wzoru (1)

gdy:
Ce [kg×s-1×m-5/2] - współczynnik zasysania powietrza do słupa dymu powstałego z dużego pożaru, wynoszący odpowiednio:
- 0,19 - dla pomieszczeń o dużej powierzchni, takich jak audytoria, duże otwarte biura, podłogi atrium itp., gdzie strop znajduje się w znacznej odległości od podłogi, określanych również jako pomieszczenia na otwartym planie
- 0,21 - dla dużych niskich przestrzeni, kiedy jest spełniona nierówność Yf0,5,
- 0,34 - dla małych pomieszczeń, takich jak małe sklepy, pomieszczenia biurowe, pokoje hotelowe (przed rozgorzeniem) itp., z otworami wentylacyjnymi z jednej strony (np. pomieszczenia biurowe z drzwiami tylko z jednej strony), określanych jako pomieszczenia typu komorowego
P [m] - obwód pożaru.
Podany tu wzór należy zastosować do zaprojektowania skutecznego systemu sterowania dymem, przy czym odnosi się one do dużych pożarów, tj. takich, dla których ma zastosowanie nierówność (2)

gdy:
Y [m] - wysokość wznoszenia się słupa dymu
Af [m³] - powierzchnia pożaru
O pożarach dużych można mówić również, jeżeli mają następujące parametry:
- wysokość wznoszenia się słupa dymu do podstawy warstwy dymu - od 0,1 m do 20 m
- szerokość słupa dymu - od 0,2 m do 4,5 m
- moc pożaru - od 8 kW do 30 MW
- ilość wydzielającego się ciepła na jednostkę powierzchni - od 200 do 1800 kW×m-2.
Powyższe przedstawiono w formie graficznej na rysunku 4.

Rys. 4 Mechanizmy usuwania dymu z pomieszczenia objętego pożarem
3.2. Obliczanie ilości gazów i dymów wypływających z pomieszczenia objętego pożarem do przyległej przestrzeni (atrium lub pasażu)
Wiele budynków posiada pomieszczenia otwarte do wspólnej przestrzeni, w której poziom stropu (stropodachu) znacznie przewyższa poziom ich sufitu. Jako przykłady mogą służyć jedno i wielokondygnacyjne pasaże handlowe, w których najczęściej zadaszenie pasażu znajduje się na wyższym o kilka metrów poziomie niż górna krawędź otworu łączącego sklep z pasażem. Analogiczne sytuacje można zaobserwować w budynkach atrialnych i tam gdzie występują antresole. Każdy pożar powstały w takim budynku o dużej ogólnej kubaturze, może być traktowany tak, jak pożar w prostym, jednokondygnacyjnym obiekcie z wysoko położonym sufitem.
Odrębnie jednakże należy traktować przypadki, kiedy pożar pojawia się w jednym z przyległych pomieszczeń. Sposób scharakteryzowania wielkości takiego pożaru pozostaje niezmieniony. Słup dymu bezpośrednio nad pożarem jest opisywany równaniem (1), lecz dym z warstwy tworzącej się pod sufitem będzie wypływać przez otwór (otwory) do większej kubatury, o ile nie zostaną podjęte specjalne środki zapobiegawcze. Mechanizm ten został pokazany na rysunku 5.

Rys. 5 Wypływ gorących dymów i gazów pożarowych przez otwór:
a) okap i balkon, b) wysoki balkon
Aby zaprojektować system kontroli dymu, należy obliczyć masowy przepływ dymu na każdym odcinku jego drogi. Konieczne jest przy tym sprawdzenie, czy założono w danych okolicznościach realną wielkość pożaru. Może to być wykonane przez obliczenie temperatury gazów poniżej sufitu w pomieszczeniu objętym pożarem lub w otworach prowadzących z tego pomieszczenia. Jeżeli temperatura będzie za wysoka, ciepło radiacji (promieniowania) w pomieszczeniu szybko spowoduje gwałtowne zapalenie wszystkich materiałów palnych i rozgorzenie (flash-over). W takim przypadku należy przyjąć projektową wielkość pożaru, obejmującą całe pomieszczenie, co wiąże się z koniecznością ponownego oszacowania ilości wydzielanego ciepła oraz ponownych obliczeń. Można również przyjąć założenie, że rozgorzeniu w pomieszczeniu objętym pożarem zapobiegną tryskacze.
Masę gazów i dymów pożarowych Mw, wypływających przez otwór pionowy, oblicza się na podstawie wzoru (3)

gdy:
W - szerokość otworu
P - obwód pożaru
Ce - współczynnik zasysania powietrza do słupa dymu powstałego z dużego pożaru
Cd - efektywny współczynnik wypływu dymu przez otwór pionowy
"2" - współczynnik, będąca rezultatem kombinacji różnych parametrów
h - wysokość górnej krawędzi otworu w stosunku do poziomu podłogi
Należy przypomnieć, że różnica pomiędzy pomieszczeniem typu komorowego a pomieszczeniem na otwartym planie, stanowiąca podstawę przyjęcia współczynnika Ce, jest w praktyce uzależniona od możliwości dopływu powietrza do wznoszącego się słupa dymu z wszystkich kierunków. W węższym pomieszczeniu, dopływ powietrza do słupa dymu od strony przeciwnej w stosunku do położenia otworu dolotowego, będzie utrudniony.
Eksperymenty przeprowadzone w pasażach handlowych, wykazały że przepływ dymu pod głębokim okapem z pomieszczenia przylegającego do pasażu, powoduje turbulencję, której skutkiem jest silne mieszanie się dymu z powietrzem. Dlatego też projektując wentylację pożarową, należy przyjmować, że ilość dymu wpływająca do zbiornika dymu MB (masowe natężenie przepływu dymu pod balkonem) jest dwukrotnie większa od wielkości obliczonej według wzoru (4)

Przy takim podejściu wszystkie obliczenia wypływu dymu z pomieszczenia objętego pożarem należy zastąpić równaniem z wartością Y, stanowiącą wysokość mierzoną od podstawy pożaru do podstawy warstwy dymu w pasażu, przy współczynniku Ce równym 0,38. Powyższe można przedstawić w formie graficznej na rysunku 6.

Rys. 6 Różnice w usuwaniu dymu z pasażu i z pomieszczenia handlowego przyległego do pasażu
Powyższa zależność nie odnosi się jednak do tych pasaży, w których podstawa warstwy dymu znajduje się znacznie wyżej niż górna krawędź przeszklenia oddzielającego pomieszczenie sklepowe od pasażu. Stąd też w takich przypadkach wskazane zależności nie powinny być uwzględniane. Uogólniając, dotyczy to każdej sytuacji, w jakiej podstawa warstwy dymu będzie wyżej niż 2 m ponad górną krawędzią otworu. Należy wówczas stosować inne zasady.
3.3. Temperatura warstwy dymu
Średni przyrost temperatury warstwy dymu Q powyżej temperatury otoczenia może być obliczony według wzoru (5)

gdy:
Qw [kW] - konwekcyjny strumień cieplny gazu (dymu)
M [kg×s-1] - masowe natężenie przepływu dymu (np. Mw lub MB)
C [kJ×(kg)-1×K-1] - określone dla danego gazu ciepło właściwe
3.4. Wpływ instalacji tryskaczowych na zbiorniki dymu
Instalacja tryskaczowa ma bardzo istotny wpływ na skuteczność działania systemów ochrony przed zadymieniem. Kiedy warstwa dymu powstaje w pomieszczeniu objętym pożarem, uruchomienie instalacji tryskaczowej obniża jej temperaturę.
W pewnym uproszczeniu można założyć, że systemy mechanicznego wyciągu dymu zapewniają usuwanie stałej objętości dymu bez względu na jego temperaturę. Dlatego też, jeśli stopień wychłodzenia dymu przez tryskacze zostanie przeszacowany, system ten może okazać się co najwyżej przewymiarowany. Tym samym, w mechanicznych systemach wyciągu dymu, przy określaniu wymaganej wydajności wentylatorów wyciągowych chłodzące działanie tryskaczy może zostać pominięte. Ewentualny błąd przyczyni się najwyżej do podniesienia poziomu bezpieczeństwa.
Z kolei, systemy naturalnego wyciągu dymu, wykorzystujące zjawisko wyporu hydrostatycznego dymu, w przypadku niedoceniania chłodzącego działania tryskaczy, mogą okazać się nieskuteczne.
Dlatego można przyjąć do celów projektowych pewne założenia. Jeżeli temperatura gorących dymów i gazów pożarowych opływających tryskacze będzie wyższa od ich temperatury zadziałania, to po pewnym czasie (zależnym od różnicy temperatur) pierwszy tryskacz zacznie działać. Wtedy, w obrębie działania tryskacza nastąpi wychłodzenie dymu. Jeżeli temperatura dymu będzie jeszcze wystarczająco wysoka, następne tryskacze zostaną wzbudzone. Stan równowagi zostanie osiągnięty, kiedy temperatura dymu będzie zbyt niska, by wzbudzić kolejne tryskacze. W tym momencie temperatura warstwy dymu będzie zbliżona do temperatury otwarcia zamków tryskaczy. Dlatego też przy projektowaniu systemu usuwania dymu należy uwzględnić wychłodzenie dymu przez tryskacze, co w praktyce oznacza większą, zależną od skali wychłodzenia powierzchnię otworów do usuwania dymu.
3.5. Głębokość warstwy dymu wypływającej z pomieszczenia
Dym wpływający do zbiornika podsufitowego będzie przemieszczać się w kierunku punktów wyciągu dymu. Przepływ ten będzie wywołany siłami wyporu hydrostatycznego dymu. Nawet jeśli powierzchnia otworów odprowadzających dym jest bardzo duża, głębokość płynącej warstwy będzie zależeć od szerokości warstwy dymu osiągniętej pod pozostałym stropem, temperatury dymu oraz masowego przepływu dymu.
Głębokość warstwy dymu dla jednokierunkowego przepływu może być obliczona według wzoru (6)

gdy:
DB [m] - głębokość warstwy dymu płynącej pod sufitem lub balkonem
QL [°K] - przyrost temperatury dymu w zbiorniku dymu powyżej temperatury otoczenia
MB [kg×s-1] - masowe natężenie przepływu dymu pod sufitem lub balkonem
WB [m] - szerokość kanału pod sufitem lub balkonem
Cd - współczynnik skuteczności wypływu dymu przez otwór; przyjmujący wartość 0,6, jeśli zabudowano okap tworzący kąt prosty z kierunkiem przepływu dymu oraz wartość 1,0, kiedy nie zastosowano takiego okapu
TL [°K] - temperatura warstwy dymu pod balkonem
To [°K] - temperatura otoczenia
Indeks dolny "B" można łatwo zastąpić indeksem "L", odnoszącym się do minimalnej głębokości przepływu w każdym zbiorniku dymu lub przepływającej warstwie dymu zamiast prostego przepływu pod balkonem.
Innych wartości parametru Cd (dla pośrednich wielkości okapów) nie należy stosować. Zaleca się, aby uwzględniając ostrożność w projektowaniu, przyjmować zawsze jedną z dwóch granicznych wartości.
3.6. Powietrze uzupełniające
Jednym z podstawowych warunków prawidłowego działania systemu wentylacji pożarowej jest zapewnienie napływu powietrza uzupełniającego. W budynku ze szczelnymi fasadami, z którego w warunkach pożaru dymy i gazy pożarowe będą bezpośrednio usuwane, powinna być zapewniona możliwość dostarczania niezbędnej ilości powietrza z zewnątrz. Dostarczanie powietrza winno następować w sposób automatyczny.
W systemach wentylacji naturalnej, obejmujących więcej niż jedną strefę zadymienia, a także kiedy nie można zapewnić wystarczającej powierzchni otworów dolotowych w dolnej części pomieszczeń, możliwe jest wykorzystanie do napływu powietrza uzupełniającego klap dymowych w strefach zadymienia, do których dym się jeszcze nie przedostał. Ze względu na temperaturę powietrza dostarczanego do budynku, nie występuje zjawisko wyporu hydrostatycznego, co oznacza że nie ma przeszkód w równomiernym rozchodzeniu się powietrza we wszystkich kierunkach.
Niezależnie od miejsca usytuowania otworów, przez które będzie dostarczane do budynku powietrze uzupełniające, musi ono być zawsze podawane do strefy zadymienia, w której powstał pożar, poniżej warstwy dymu.
Jest również bardzo istotne, aby klapy dymowe funkcjonujące jako otwory dolotowe, nie były zlokalizowane zbyt blisko klap dymowych służących do odprowadzania dymu, ponieważ wystąpić może wtedy niebezpieczeństwo zasysania części dymu z powrotem do budynku. Do chwili obecnej nie przeprowadzono jeszcze wystarczających badań, które pozwoliłyby ustalić zasady określania minimalnej odległości między klapami dymowymi działającymi jako wloty powietrza oraz klapami odprowadzającymi dym. Niemniej jednak sugeruje się, aby minimalna odległość między nimi wynosiła co najmniej 6 m.
Przepływ powietrza uzupełniającego poniżej warstwy gorących gazów i dymów pożarowych, w przypadku jego nadmiernej prędkości może powodować mieszanie się dymu z powietrzem i powiększenie grubości warstwy dymu. Dlatego też zaleca się, aby szybkość powietrza uzupełniającego w miejscu kontaktu z warstwą gorących gazów i dymów była mniejsza niż 1 m×s-1.
Jeżeli powierzchnia otworów zapewniających dopływ powietrza będzie ograniczona, może okazać się, że duża szybkość napływu utrudni ewakuację. Dlatego też należy dążyć do tego, aby szybkość powietrza wpływającego przez drzwi ewakuacyjne, głównie ze względów psychologicznych, nie przekraczała 5 m×s-1.
3.7. Minimalna ilość punktów wyciągu dymu
Zapewnienie odpowiedniej ilości punktów wyciągu dymu z każdego zbiornika dymu jest bardzo ważne, ponieważ każdej warstwie dymu o określonej grubości jest przyporządkowana maksymalna ilość dymu MCRIT, jaka może być odprowadzona przez pojedynczy otwór wyciągowy. Próby zwiększenia ilości usuwanego dymu doprowadzają jedynie do zasysania czystego powietrza znajdującego się pod warstwą dymu. Zjawisko to, czasem nazwane wyciąganiem zatyczki, powoduje znaczne obniżenie skuteczności systemu wyciągu dymu. Nie stanowi ono problemu, jeżeli rzeczywisty pożar jest mniejszy - o mniejszej mocy cieplnej - niż przyjęto w założeniach projektowych. Jednakże ignorowanie tego zjawiska przy obliczaniu wymaganej wydajności wentylatorów wyciągowych lub niezbędnej, sumarycznej powierzchni klap dymowych, może doprowadzić do wystąpienia zjawiska nadmiernego zasysania czystego powietrza, co należy traktować jako nieprawidłowość w działaniu systemu, gdyż otwory wyciągowe nie będą odprowadzać założonej w projekcie ilości gazów pożarowych.
Aby zapewnić skuteczne usuwanie dymów i gazów pożarowych, ilość otworów wyciągowych musi być tak dobrana, żeby wyeliminować zjawisko zasysania czystego powietrza spod warstwy dymu. Krytyczna ilość dymu MCRIT, jaka może być usunięta przez jedną klapę dymową usytuowaną z dala od ściany, jest określana wzorem (7)

gdy:
MCRIT [kg×s-1] - krytyczna ilość usuwanego dymu dla jednego otworu wyciągowego (bezpośrednio przed wystąpieniem zjawiska zasysania czystego powietrza spod warstwy dymu)
ro [kg×m-3] - gęstość powietrza w temperaturze otoczenia
g [m×s-2] - przyśpieszenie ziemskie
D [m] - grubość warstwy dymu poniżej punktu wyciągu dymu
To [°K] - temperatura absolutna otoczenia
QL [°C] - przyrost temperatury warstwy dymu
TL [°K] - To+QL
Wv [m] - charakterystyczny wymiar klapy dymowej (np. jej średnica lub średnica koła o tej samej powierzchni)
Analiza tego równania daje podstawę do stwierdzenia, że maksymalna ilość dymu, jaka może być odprowadzona przez jeden otwór, rośnie szybko wraz z grubością warstwy dymu. Pozwala także wysnuć wniosek, że dla zoptymalizowania skuteczności usuwania dymu lepiej zastosować kilka mniejszych otworów wyciągowych niż jeden duży.
Mała odległość otworów od ścian będzie pogarszać możliwość odprowadzania dymu, chociaż dostępne są jedynie dane dla niektórych przypadków. Jeśli otwory wyciągowe są małe w porównaniu z grubością warstwy dymu, krytyczna ilość usuwanego dymu może być określona wzorem (8)

Równanie to odnosi się ściśle jedynie do przypadków, kiedy charakterystyczny wymiar otworu do odprowadzania dymu Wv jest znacznie mniejszy, niż grubość warstwy dymu pod tym otworem. Zastosowanie wzoru daje mniej korzystne rezultaty (wymagana większa liczba mniejszych otworów wyciągowych), niż użycie wzoru podanego wcześniej, który ma zastosowanie do klap usytuowanych w większej odległości od ścian. Dlatego zaleca się stosowanie go do otworów zlokalizowanych blisko ścian.
Wymaganą ilość punktów wyciągu dymu N można obliczyć z nierówności (9)

gdy:
Me [kg×s-1] - masowe natężenie dopływu dymu do warstwy dymu (np. Mf lub MB)
Jeżeli budynek jest chroniony instalacją tryskaczową, przy obliczeniach MCRIT należy uwzględnić obniżenie temperatury warstwy dymu, spowodowane chłodzącym działaniem tryskaczy.
3.8. Wentylacja przepływowa - powierzchnia otworów do odprowadzania dymu
Usuwanie dymu drogą wentylacji naturalnej jest możliwe dzięki wyporowi hydrostatycznemu gorących, a więc znacznie lżejszych od otaczającego słup dymu zimnego powietrza, gazów i dymów pożarowych. Ta różnica gęstości gazów stanowi siłę napędową systemu usuwania dymu. Ilość usuwanego dymu w największym stopniu zależy od grubości warstwy dymu i jego temperatury.
Zaletą systemu odprowadzania dymu metodą wentylacji naturalnej jest jego prostota i niezawodność, jak również możliwość działania w bardzo zróżnicowanych warunkach pożarowych. Jeżeli wielkość pożaru przekroczy z różnych przyczyn przyjęte parametry projektowe, większa grubość warstwy dymu oraz wyższa temperatura dymu prowadzi automatycznie do zwiększenia ilości odprowadzanego dymu. Dlatego w pewnym zakresie system działa jak samokompensujący się układ.
Dokładną zależność pomiędzy ilością odprowadzanego dymu, powierzchnią otworów do odprowadzenia dymu, powierzchnią otworów dolotowych powietrza oraz grubością warstwy dymu, określa równanie (10)

Wzór ten można przekształcić w bardziej dogodną formę (11)

gdy:
Av [m³] - całkowita powierzchnia klap dymowych
Ai [m³] - całkowita powierzchnia otworów dolotowych
Cv - współczynnik odprowadzania dymu (zwykle pomiędzy 0,5 a 0,7)
Ci - współczynnik doprowadzenia powietrza dla otworów dolotowych (typowo ~ 0,6)
ML [kg×s-1] - masowe natężenie przepływu odprowadzanego dymu
ro [kg×m-3] - gęstość powietrza w temperaturze otoczenia
g [m×s-2] - przyśpieszenie ziemskie
D [m] - głębokość warstwy dymu pod klapą dymową
QL [°C] - przyrost temperatury warstwy dymu powyżej temperatury otoczenia
TL [°K] - temperatura absolutna warstwy dymu
To [°K] - temperatura absolutna powietrza w otoczeniu
3.9. Wydajność mechanicznej wentylacji wyciągowej
System mechanicznej wentylacji składa się z wentylatorów oraz połączonych z nimi przewodów, przez które gazy i dymy pożarowe przepływają do zbiornika dymu. Elementy systemu powinny być odporne na działanie przewidywanej temperatury dymów i gazów pożarowych. Układ sterowania i zasilania systemu powinien być zabezpieczony tak, aby zapewnić zasilanie wentylatorów w czasie pożaru.
Masowe natężenie przepływu dymu, obliczone według zasad opisanych w poprzednich rozdziałach, może być przekształcone, z uwzględnieniem temperatury dymu, na odpowiadające mu objętościowe natężenie przepływu, za pomocą wzoru (12)

gdy:
VL [m³×s-1] - objętościowe natężenie wyciągu dymu, wymagane dla zbiornika dymu (wymagana wydajność wentylatorów wyciągowych)
ML [kg×s-1] - Mf (masowe natężenie przepływu dymu w słupie dymu powyżej pożaru) lub MB (masowe natężenie przepływu dymu pod balkonem)
To [°K] - temperatura powietrza w otoczeniu
TL [°K] - To + QL
ro [kg×m-3] - gęstość powietrza w temperaturze otoczenia

Podsumowanie
W niniejszym referacie przedstawiono zasady projektowania systemów usuwania dymu z wielkokubaturowych obiektów jednokondygnacyjnych, dla których przyjęto za podstawę projektowania pożary o stałej wielkości projektowej. W referacie przedstawiono tylko niektóre elementy, które należy brać pod uwagę przy projektowaniu systemów usuwania dymu.
Ze względów technicznych nie omówiono takich kwestii jak:
- dopuszczalna wielkość stref zadymienia,
- wpływ wiatru na systemy usuwania dymu,
- zasady doboru i stosowania automatycznie opuszczanych kurtyn dymowych,
- zasady współdziałania z innymi systemami ochrony przeciwpożarowej w budynku.
Zagadnienia te zostały omówione w opracowaniach specjalistycznych wymienionych w niniejszym referacie.
Marian Skaźnik
Stowarzyszenie Inżynierów i
Techników Pożarnictwa
Oddział w Katowicach
Katowice, listopad 2001

LITERATURA

1. Morgan H. P., Ghosh B. K. Garrad G., Panlitschka R., De Smedt J. C, Schoonbaert L. R. Design methodologies for smoke and heat exhaust ventilation. Building Research Establisment. Report 368. Garston 1999.
2. Hinkley P. L. Sprinkler operation and the effect of venting: Studies using a zone model BRE Report 213. Garston BRE 1992.
3. Morgan H. P. and Gardner J. P. Desing principles for smoke ventilation in enclosed shopping centres. Building Research Establishment. Report 198. Garston 1990.
4. Hansell G. O. and Morgan H. P. Design approaches for smoke control in atrium buildings. Building Research Establishment Report 258. Garston 1994.
5. M. Skaźnik. Metody ograniczania zagrożeń powodowanych przez dymy i gazy pożarowe. Mercor Gdańsk, EKO-POŻ Katowice 1999.
6. M. Skaźnik. Projektowanie systemów usuwania ciepła i dymu oraz ochrony przed zadymieniem. Mercor Gdańsk, EKO-POŻ Katowice 2001.

Źródło: ''