Studie šíření kouřových plynů otvorem do sousedního prostoru; predikce kritických hodnot Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje Výškovická 40 700 44 Ostrava - Zábřeh E-mail:
[email protected] Homepage: www.jiripokorny.net
Klíčová slova Požár, kouř, plyny, šíření, pronikání, predikce
Abstrakt Příspěvek se zabývá popisem studie zaměřené na stanovení významných parametrů doprovázejících rozvoj požáru ve stavebních objektech (např. průměrná teplota a hustota kouřových plynů, úroveň neutrální roviny, velikost přetlaku v hořícím prostoru). Pozornost byla zaměřena zejména na stanovení hmotnostní množství kouřových plynů pronikajících otvorem ze zdrojové místnosti do přilehlých prostor a souvisejících charakteristik. Sledované parametry byly hodnoceny pro čtyři charakteristické druhy požáru vytvářející vazbu na jeho dynamiku. K dosažení relativní univerzálnosti získaných výsledků byly v rámci studie vytvořeny zjednodušující předpoklady. Získané výsledné hodnoty jsou prezentovány formou grafů.
Úvod Požár a kouřové plyny představují přirozenou a neoddělitelnou spojitost. Téměř samozřejmostí pro technickou odbornou a mnohdy také laickou veřejnost jsou dnes otázky týkající se kvantity kouře, teploty kouřových plynů, optické hustoty kouře a dalších souvisejících charakteristik. Jednou z významných studovaných oblastí je možnost predikce šíření kouřových plynů v prostoru a zejména mimo tzv. zdrojovou místnost (místnost, kde dochází ke vzniku požáru) do sousedních prostor. Šíření kouřových plynů představuje poměrně složitou problematiku, která je současně ovlivněna řadou aspektů (např. dynamika požáru, geometrické parametry prostoru, rychlost a směr proudění větru, otevření, pootevření nebo uzavření komunikačních otvorů, poloha okenních otvorů a jejich narušení vlivy požáru). Popsané vlivy znemožňují vypracovat zcela jednoduchou a přesnou obecnou metodu pro prognózu šíření plynů mezi prostory. Následující odstavce prezentují výsledky studie zaměřené na relativně univerzální odhad stěžejních parametrů v hořícím prostoru a zejména šíření kouřových plynů zavřenými, pootevřenými nebo otevřenými dveřmi do přilehlých místností.
1
Pohyb kouřových plynů ve stavebních objektech Pohyb kouře vznikajícího při požáru v uzavřených prostorách je ovlivněn soustavou faktorů majících menší nebo větší význam. Mezi základní činitelé působící na pohyb kouře lze podle [1, 4] zařadit a) b) c) d) e)
komínový efekt, vztlak, zvětšení objemu plynů, vítr, vzduchotechnická zařízení.
Pohyb kouřových plynů je ovlivněn rovněž dalšími souvisejícími vlivy (např. dynamikou požáru, pohybem výtahů, propustností objektu). Výše uvedené složky působí na pohyb plynů jednotlivě nebo, a to zpravidla, kumulací výše popsaných jevů. Působením zmíněných faktorů dochází k šíření kouře často do značných vzdáleností od zdroje jejich vzniku. Podrobnější výklad k faktorům ovlivňujícím pohyb plynů vznikajících důsledkem požáru přesahuje svým obsahem možnosti tohoto příspěvku.
Hodnocené parametry, obecné zjednodušující předpoklady
a
pravděpodobnostní
aspekty,
Parametry hodnocené v rámci studie Predikce významných charakteristik v hořícím prostoru byla provedena pro tzv. charakteristické druhy požáru (pomalý, střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru)1. Dynamika požáru byla specifikována růstovými konstantami pro jednotlivé druhy požáru. Při zpracování popisované studie byly sledovány následující parametry § dynamická konstanta požáru, § celkový tepelný tok a tepelný tok sdílený konvekcí, § hmotnostní množství kouřových plynů vznikající v hořícím prostoru, § průměrná teplota plynů v hořícím prostoru, § průměrná hustota kouřových plynů, § úroveň neutrální roviny, § velikost přetlaku v hořícím prostoru, § rychlost šíření kouřových plynů, a § hmotnostní množství pronikajícího kouře. Hmotnostní množství plynů vznikajících v prostoru, kde dochází k rozvoji požáru, bylo stanoveno metodikou Thomase a Hinkleyho. Uvedená metodika je v Evropě i zámoří považována za metodu ověřenou a perspektivní. Zásady pro stanovení výše uvedených veličin jsou rozvedeny v dostupné technické literatuře [2, 3, 4, 5 a 6]. Obecné a pravděpodobnostní aspekty Jak vyplývá z předchozích odstavců je šíření kouřových plynů mezi prostory ovlivněno řadou vlivů. Jde zejména o charakteristiky specifikující prostor, kde dochází k rozvoji požáru včetně
1
Vztah mezi veličinami uvedenými v českých technických normách (např. požární zatížení, průměrné požární zatížení) a charakteristickými druhy požáru je uveden v lit. [7].
2
přilehlých prostor a pravděpodobnostní aspekty. Mezi obecné charakteristiky specifikující zdrojovou místnost a přilehlé prostory lze zařadit zejména jejich geometrické rozměry, způsob větrání (přirozené, nucené), počáteční podmínky uvnitř a vně objektu (teplota, tlak, vítr apod.) a způsob využití (vazba na dynamiku požáru). Mezi pravděpodobnostní charakteristiky patří nesporně především poloha okenních otvorů (otevřeno, pootevřeno nebo zavřeno) a poloha dveřních otvorů (otevřeno, pootevřeno nebo zavřeno). Rovněž přítomnost osob ve zdrojové místnosti může mít na rozvoj požáru a následně také na šíření kouřových plynů pozitivní (zpozorování požáru, předání informace o vznikajícím nebezpečí, zamezení rozvoje požáru, případně jeho likvidace) nebo negativní vliv (usnadnění šíření kouře mezi prostory otevřením dveří na únikových komunikacích). Stěžejní zjednodušující předpoklady Zjednodušující předpoklady představují nutnou podmínku obecných studií a dosažení relativní univerzálnosti získaných výsledků. Rovněž v rámci popisované studie byly vymezeny zjednodušující předpoklady, které umožnily vytvoření závislostních grafů. Nejvýznamnější zjednodušující předpoklady § zdrojová místnost nebyla vybavena okenními otvory, § ze zdrojové místnosti ústil jeden dveřní otvor o rozměru 0,8/1,97 m (dveře nebyly vybaveny zpěnitelným těsněním ani jinou protipožární úpravou), § rozvoj požáru nebyl omezen nedostatkem kyslíku, § neutrální rovina odpovídala úrovni kumulované vrstvy plynů, § působení okolních vlivů (např. vítr, infiltrace plynů stavebním objektem, vztlakový efekt vznikající důsledkem rozdílných provozních teplot) bylo zanedbáno (pohyb plynů mezi prostory byl ovlivněn pouze vlastním rozvojem požáru).
Popis studovaných variant, podstatné charakteristiky v hořícím prostoru vyjádřené formou grafických závislostí Popis studovaných variant V rámci studie bylo posuzováno šíření kouřových plynů dveřním otvorem o rozměru 0,8/1,97 m. Pronikání plynů bylo hodnoceno pro následující varianty § otevřené dveře, § pootevřené dveře (úhel otevření 300), § zavřené dveře. Grafické vyjádření podstatných charakteristik vznikajících v hořícím prostoru V rámci studie byly výpočtem stanoveny podstatné charakteristiky doprovázející rozvoj požáru, které ovlivňují šíření kouře otvorem ze zdrojové místnosti do sousedního prostoru. Výstupní hodnoty jsou graficky znázorněny na obr. 1 až 4. Na obr. 1 jsou znázorněny významné parametry pro pomalý rozvoj požáru.
3
Hustota kouře [kg.m-3] 1,146
1,093
1,04
0,99
Přetlak [Pa] 0,942
0,897 140
60 0,4
[m] NR
Neutrální rovina h
0,6
Teplota T g [0C]
80
40 0,2
0,62
0,885
1,145
1,395
1,635 2,5
0,98
100 0,8
0,358
0,99
120
1
[kg.s-1]
Mmost. množství pronikajících plynů m p
1,2
0,118
20
2
0,97 0,96
1,5 0,95 0,94 1 0,93 0,92
0,5
Rychlost proudění plynů v p [m.s-1]
1,195
0,91 0
0 30
120
210
300
390
480
0,9
570
0 30
Čas t [s]
120
210
300
390
480
570
Čas t [s] Mn. plynů (otevřeno)
Mn. plynů (zavřeno)
Mn. plynů (dveře 30)
Teplota plynů
Neutrální rovina
Rychlost proudění plynů
Obr. 1 Pronikání kouřových plynů dveřní otvorem při pomalém rozvoji požáru Na obr. 2 jsou znázorněny významné parametry pro střední rozvoj požáru. Hustota kouře [kg.m-3] 1,075
0,974
0,882
0,802
Přetlak [Pa] 0,733
0,672
150
100
0,6
[m] NR
Neutrální rovina h
1 0,8
Teplota T g [0C]
200
1,229
1,712
2,149
2,543
2,897 3,5
0,98
250 1,4 1,2
0,709
1
1,6
[kg.s-1]
Mmost. množství pronikajících plynů m p
0,192 300
1,8
0,4 50 0,2
3
0,96 2,5 0,94 2
0,92 0,9
1,5
0,88 1 0,86 0,5
0,84
0
0 30
120
210
300
390
480
0,82
570
0 30
120
210
Čas t [s]
300
390
480
570
Čas t [s]
Mn. plynů (otevřeno)
Mn. plynů (zavřeno)
Mn. plynů (dveře 30)
Teplota plynů
Neutrální rovina
Rychlost proudění plynů
Obr. 2 Pronikání kouřových plynů dveřní otvorem při středním rozvoji požáru Na obr. 3 jsou znázorněny významné parametry pro rychlý rozvoj požáru.
4
Rychlost proudění plynů v p [m.s-1]
1,18
Hustota kouře [kg.m-3] 0,942
0,778
0,654
0,559
Přetlak [Pa]
0,485
0,427 700
1 200 0,5
3,594
4,077
4,482 5
4
[m] NR
Neutrální rovina h
300
3,007
4,5
Teplota T g [0C]
400 1,5
2,285
1
500 2
1,395
1,2
600
2,5
[kg.s-1]
Mmost. množství pronikajících plynů m p
3
0,358
3,5
0,8
3 2,5
0,6
2 0,4
1,5 1
0,2
100
Rychlost proudění plynů v p [m.s-1]
1,146
0,5 0
0 30
120
210
300
390
480
0
570
0 30
120
210
300
Čas t [s]
390
480
570
Čas t [s]
Mn. plynů (otevřeno)
Mn. plynů (zavřeno)
Mn. plynů (dveře 30)
Teplota plynů
Neutrální rovina
Rychlost proudění plynů
Obr. 3 Pronikání kouřových plynů dveřní otvorem při rychlém rozvoji požáru Na obr. 4 jsou znázorněny významné parametry pro velmi rychlý rozvoj požáru. Hustota kouře [kg.m-3] 0,733
0,532
0,41
0,329
Přetlak [Pa] 0,273
0,232
2,543
3,765
4,602
5,211
5,676
6,044
1,2
8
1200
5
7
[m]
1
600 2
NR
Neutrální rovina h
800 3
Teplota T g [0C]
1000 4
[kg.s-1]
Mmost. množství pronikajících plynů m p
0,709
1400
6
400 1
200
0
0
6 0,8
5
0,6
4 3
0,4
2 0,2 1
30
120
210
300
390
480
0
570
Rychlost proudění plynů v p [m.s-1]
1,075
0 30
120
210
Čas t [s]
300
390
480
570
Čas t [s]
Mn. plynů (otevřeno)
Mn. plynů (zavřeno)
Mn. plynů (dveře 30)
Teplota plynů
Neutrální rovina
Rychlost proudění plynů
Obr. 4 Pronikání kouřových plynů dveřní otvorem při velmi rychlém rozvoji požáru Související dílčí vstupní hodnoty § světlá výška prostoru h = 3 m, § počáteční teplota okolního vzduchu T0 = 20 °C, počáteční hustota okolního vzduchu ρ0 = 1,22 kg.m-3, § měrná tepelná kapacita cP = 1,005 kJ.kg-1.K-1, § konvektivní tepelný tok Qk = 80 %Qc, § výtokový součinitel otvoru Cv = 0,65, § šířka spáry zavřených dveří činila 0,005 m.
5
Diskuse Hodnoty získané popisovanou studií a znázorněné na obr. 1 až 4 vedou k řadě zajímavých mnohdy překvapivých zjištění. Průměrné teploty plynů v prostoru jsou zpravidla podstatně nižší než předpokládá technická veřejnost zabývající se požární ochranou. Uvedená skutečnost má z hlediska posuzování požární odolnosti stavebních konstrukcí jistě pozitivní význam. Ovšem z hlediska proudění kouřových plynů představují nižší teploty také vznik nižších tlakových diferencí a tím zmenšení vztlakového efektu. Důsledkem může být rozvrstvení kouře v prostoru místo žádoucí kumulace pod stropní místnosti a s tím související zhoršení podmínek pro případnou evakuaci ohrožených osob a zásah hasičských jednotek. Vznikající tlakové diference a rychlosti proudění plynů jsou velmi vysoké. Rychlosti proudění plynů překračující až 7 m.s-1 mohou způsobit velmi intenzivní šíření kouřových plynů mezi místnostmi v jednotlivých podlažích objektu a současně mezi podlažími. Stanovené tlakové diference přesahují při dynamickém rozvoji požáru obecně uznávané průměrné hodnoty 4,5 až 5 Pa vznikající v hořícím prostoru [6]. Při teplotách 200 °C se vznikající tlakové diference nachází v intervalu 1,71 až 2,54 Pa. V uvedené teplotní oblasti dochází tedy k pronikání kouřových plynů i přes instalované požární uzávěry otvorů, které nemají kouřotěsnou funkci. Velikost stanovených tlakových diferencí může vést rovněž k úvahám, zda uvedené hodnoty nejsou větší než tlakové diference vznikající při některých typech odvětrání chráněných únikových cest. K nejméně příznivým situacím dochází nesporně v případech umístění zdrojových místností v blízkosti úrovně neutrální roviny nebo pod ní (nižší podlaží v objektech), kde může dojít k nežádanému šíření kouře do prostor chráněných únikových cest. Hmotnostní množství plynů pronikající dveřmi jsou poměrně značná. Množství plynů proudící otevřenými nebo pootevřenými dveřmi jsou obecně deseti a více násobná oproti uzavřeným dveřím (množství plynů pronikající otevřenými dveřmi představuje často 60-ti násobek množství pronikajícího uzavřenými dveřmi). V této souvislosti se požadavek na uzavření obyčejných dveří u určitých typů únikových cest stanovený v českých technických normách (např. částečně chráněné únikové cesty), jeví jako zcela oprávněný a smysluplný. Uzavřené dveře v provedení bez protipožárních úprav omezují významnou měrou šíření kouřových plynů. Velikosti hodnot prezentovaných grafy uvedenými v předchozích částech tohoto příspěvku mohou vést k úvahám o nepřesnosti provedených výpočtů, případně nesprávnosti předpokladů, které výpočtům předcházely. Je nutné si uvědomit, že výpočty byly úmyslně provedeny tak, aby představovaly kritické (maximálně nepříznivé) hodnoty, kterých lze dosáhnout. Přestože v mnoha případech budou sledované parametry u skutečných požárů podstatně nižší, bude žádoucí v obecných případech bez zcela přesné specifikace zdrojové místnosti včetně přilehlých prostor a pravděpodobnostních vlivů použít prezentovaných hodnot, které jsou na straně bezpečnosti.
6
Závěr Příspěvek prezentuje výsledky studie zaměřené na prognózu významných charakteristik doprovázejících rozvoj požáru. Pozornost byla zaměřena především na šíření kouřových plynů ze zdrojové místnosti otvorem do přilehlých prostor. Studie byla zpracovaná s využitím obecně uznávaných a ověřených metod a její výsledky lze považovat za konzervativní. Zpracované grafy znázorňují výstupní hodnoty pro čtyři charakteristické druhy požárů a umožňují bez hlubších znalostí řešené problematiky předvídat kritické hodnoty (maximálně nepříznivé) hodnoty, které souvisí s rozvojem požáru v závislosti na jeho dynamice. Výsledky studie zabývající se predikcí významných parametrů doprovázejících rozvoj požáru a především studiem-analýzou šíření kouřových plynů do sousedních prostor mohou pomoci vytvořit určitou představu o významu nebezpečí spočívající v šíření kouřových plynů ve stavebních objektech.
Seznam použitých značek cP Cv h hNR mp Qc Qk t T0 Tg vp ρ0 ρg ∆p
měrná tepelná kapacita plynů výtokový součinitel světlá výška zdrojové místnosti výška neutrální roviny nad podlahou hmotnostní množství pronikajících kouřových plynů uvolněný tepelný tok tepelný tok sdílený konvekcí čas teplota okolního vzduchu teplota kouřových plynů rychlost proudění (pronikání) kouřových plynů hustota okolního vzduchu hustota kouřových plynů tlaková diference plynů ve zdrojové místnosti
[kJ.kg-1.K-1] [-] [m] [m] [kg.s-1] [kW] [kW] [s] [°C] [°C] [m.s-1] [kg.m-3] [kg.m-3] [Pa]
Literatura [1] Klote, H. J., Nelson, E. H.: Smoke movement in buildings. Fire Protection Handbook, 18th Edition, Section 7, Chapter 6. Quincy, National Fire Protection Association, 1997. [2]
Šenovský, M., Prokop, P., Bebčák, P.: Větrání objektů. Ostrava, SPBI, 1998, 220 s., ISBN 80-86111-23-7.
[3]
Zařízení pro odvod tepla a kouře - Část 5: Směrnice k provozním doporučením a metodám pro výpočty k zařízením pro odvod tepla a kouře. Technický výbor CEN/TC 191, 2000.
[4]
Reichel, V.: Požární větrání. Brno, Seidl a spol. s r.o., 1998, s. 1-12.
[5]
Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s.
7
[6]
Reichel, V.: Zabraňujeme škodám sv. 26 - Navrhování požární bezpečnosti výrobních objektů - Část III. Praha, SNTL - Nakladatelství technické literatury, 1989, 141 s.
[7]
Pokorný, J.: Zplodiny hoření, jejich tvorba, vliv na bezpečnost osob a alternativní metoda posuzování. Sborník přednášek konference Červený kohout 2003. České Budějovice, 2003, s. 16 - 25.
8
