Evropské pojetí zařízení pro odvod tepla a kouře Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Těšínská 39, 746 01 Opava e-mail:
[email protected]
Klíčová slova Norma, předpis, kouř, plyny, odvod tepla a kouře, odvětrací zařízení
Abstrakt Příspěvek se zabývá popisem připravované evropské normy EN 12 101 související s odvětráním stavebních objektů. Pozornost je zaměřená zejména na technickou zprávu prCR 12101-5 zahrnující výpočtové metody pro posuzování vzniku a pohybu kouřových plynů a dalších dílčích charakteristik, které s hodnocením kouřových plynů souvisí. V textu je proveden popis jednotlivých základních částí, výčet příloh a charakteristika jejich obsahu. Využití výpočtových metod je dokumentováno zpracovanými grafickými výstupy. Z příspěvku je zřejmé, že aplikační rozsah odvětracích zařízení je podstatně širší než vyplývá z technického standardu v ČR.
Úvod V současné době je zpracována a při praktických aplikacích využívána řada technických předpisů souvisejících se zařízeními pro odvod tepla a kouře (dále také odvětrací zařízení). Část předpisů se zabývá zejména koncepčními požadavky posuzování ohrožení osob kouřem a zplodinami hoření, část návrhem zařízení pro odvod tepla a kouře pro typické případy (DIN 18232, předpisy firmy COLT apod.) a část souvisí s prokazováním stanovených kriterií výrobků (např. posuzování výrobků ve smyslu zákona č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů). V současné době dochází k tvorbě evropské normy související se zařízeními pro odvod tepla a kouře. Předpisy pro požární odvětrání stavebních objektů jsou připravovány technickou komisí CEN/TC191/SC1. Výsledným předpisem týkajícím se těchto zařízení má být norma EN 12101.
Obsah navrhovaného předpisu Připravovaná technická norma EN 12101 sestává z deseti částí [1]. Rozsah připravované normy w Část 1 Specifikace kouřových barier (závěsových stěn apod.) w Část 2 Specifikace odvětracích klapek na kouř a teplo w Část 3 Specifikace elektrických ventilátorů na odvod kouře a tepla
1
w w w w w w w
Část 4 Část 5
Odvětrací systémy kouře a tepla - komponenty, instalace, ověřování, údržba Zásady funkčního uspořádání a výpočtové metody pro systémy odvodu kouře a tepla Část 6 Systémy odvodu kouře rozdílem tlaku, návrhové a výpočtové metodiky, instalace zařízení Část 7 Potrubí pro odvod kouře a tepla Část 8 Uzávěry Část 9 Řídicí panely (ovládací zařízení) Část 10 Dodávka energie
Z hlediska návrhu zařízení pro odvod tepla a kouře můžeme za nejdůležitější považovat část 5 a část 6. Část 5 byla v lednu 2000 jako technická zpráva pod označením prCR 12101-5 rozeslána členům CEN k odsouhlasení. Dokument byl znovu upraven počátkem roku 2001. Technická zpráva prCR 12101-5 sestává z osmi základních částí a dvanácti příloh označených písmeny A až L [2]. Přílohy zahrnují hodnotové údaje a zejména rovnice pro výpočet parametrů charakteristických pro kouřové plyny. Základní části technické zprávy prCR 12101-5 tvoří w Úvod w Rozsah platnosti w Normativní údaje w Termíny, definice, symboly a jednotky w Obecná doporučení w Doporučený výpočetní postup w Zásady návrhu odvětracích zařízení w Koordinace požárně bezpečnostních zařízení Přílohy technické zprávy prCR 12101-5 tvoří w Příloha A Tepelný tok uvolňovaný při požáru w Příloha B Kouřové plyny šířící se z požáru přímo do kouřovém rezervoáru w Příloha C Proudění kouřových plynů ze zdrojové místnosti do sousedního prostoru w Příloha D Proudění kouřových plynů pod plochou navrženou za otvorem zdrojové místnosti w Příloha E Návrh kouřového oblaku w Příloha F Rezervoár kouře a kouřové odtahy w Příloha G Vliv podtlakových a přetlakových zón na odvětrací zařízení w Příloha H Kouřové zástěny, odchylka nezavěšených kouřových zástěn w Příloha I Dílčí odvětrávaná sekce, přetlaková komora w Příloha J Metody snížení tlaku w Příloha K Součinnost samočinných hasicích a odvětracích zařízení w Příloha L Tlakové poměry v prostoru
Aplikační rozsah připravované evropské normy Odvětrací zařízení je navrhováno na základě přesně specifikovaného požadavku. Aplikační rozsah uvedeného technického předpisu je podstatně širší než možnosti stávajícího technického standardu reprezentovaného normami požární bezpečnosti staveb na území ČR. Odvětrací zařízení je navrhováno z důvodu w ochrany úniku osob při evakuaci, nebo Odvětrací zařízení je navrženo tak, aby byla zajištěna požadovaná úroveň kumulovaných
2
kouřových plynů v prostoru (vytvoření vrstvy prosté kouře). Za minimální bezpečnou úroveň bezkouřové vrstvy je zpravidla považována úroveň 2,5 až 3 m nad podlahou. w
ochrany majetku, nebo Odvětrací zařízení je navrženo tak, aby se kumulovaná vrstva kouřových plynů nacházela nad materiály v prostoru, které mohou být kouřem poškozeny. Obdobně teplota kumulované vrstvy plynů nesmí překročit požadovanou úroveň s vazbou na konkrétní druh materiálů.
w
regulace teploty kouřových plynů, nebo Odvětrací zařízení je navrhováno tak, aby teploty plynů kumulující se pod stropní konstrukcí nepřesáhly stanovenou hodnotu. Instalace odvětracího zařízení umožní využití větší škály stavebních materiálů.
w
snížení tlaku, nebo Odvětrací zařízení zajistí snížení tlaku v hořícím prostoru a tím zamezí šíření kouřových plynů netěsnostmi nebo otvory ve stavebních konstrukcích mezi sousedními prostory. Uvedená metoda je využívána zejména v prostorách atrií.
w
usnadnění protipožárního zásahu, nebo Odvětrací zařízení zajistí hasičským jednotkám snadnější orientaci v hořícím prostoru a účinnější hasební zásah. Odvětrací zařízení je navrhováno tak, aby byla zajištěna požadovaná úroveň kumulovaných kouřových plynů v prostoru a nedošlo k překročení mezních teplot (zamezení efektu flashover, odolnost stavebních konstrukcí).
w
kombinace výše uvedených důvodů.
Všechny varianty návrhů jsou vztaženy k určitému časovému intervalu, kterým je ukončení evakuace osob nebo doba do zahájení hasebního zásahu. Vztah mezi účelem a požadovaným efektem odvětracích zařízení je uveden v tab. 1. Tab. 1 Aplikační rozsah odvětracích zařízení Účel navrhovaného zařízení
Požadovaný efekt
Ochrana úniku osob při evakuaci
Vytvoření bezkouřové vrstvy
Ochrana majetku
Vytvoření bezkouřové vrstvy, dodržení limitních teplot
Regulace teploty kouřových plynů
Dodržení limitních teplot
Snížení tlaku
Snížení tlakových poměrů Vytvoření bezkouřové vrstvy, dodržení limitních teplot Vytvoření bezkouřové vrstvy, dodržení limitních teplot, snížení tlakových poměrů
Usnadnění protipožárního zásahu Kombinace více účelů
Vazby uvedené v tab. 1 lze považovat pouze za ilustrativní (např. únik osob není ve skutečnosti ovlivněn pouze úrovni bezkouřové vrstvy, ale také do určité míry teplotou kouřových plynů).
3
Bližší specifikace příloh normy Přílohy A až L zahrnují zejména rovnice pro výpočet řady dílčích charakteristik souvisejících s posuzováním kouřových plynů. Stěžejními údaji vyšetřovanými prCR 12101-5 jsou w hmotnostní množství kouřových plynů pro požáry v hlavním prostoru (např. v prostoru atria) nebo pro požáry v prostorách přilehlých (např. v prostoru prodejny) s následným šířením kouře do prostoru hlavního (podrobnou nebo zjednodušenou metodou), w teploty plynů, w tlakové poměry v prostoru (úroveň neutrální roviny). S využitím výpočetních metod uvedených v přílohách prCR 12101-5 lze stanovit zejména w parametry kouřového rezervoáru, w hloubku kanálových přepážek (channelling screens) a kouřových zástěn, w velikost přiváděcích a odvětracích otvorů, w minimální počet odvětracích zařízení, w požadovaný výkon nucených odvětracích zařízení, w odchylku nezavěšených kouřových zástěn apod. Následující grafické závislosti byly vypracovány s využitím matematických vztahů uvedených v přílohách popisované technické zprávy prCR 12101-5.
Hmotnostní množství kouře [kg.s-1]
Hmotnostní množství kouřových plynů stanovené metodami dle technické zprávy prCR 12101-5 pro tzv. pomalý rozvoj požáru je znázorněno na obr. 1. 60 50 40 30 20 10 0 0
30
120
240
360
480
600
Čas [s]
Hinkleyho metoda
metodika ASMET
Obr. 1 Hmotnostní množství kouře uvolňované při pomalém rozvoji požáru Grafická závislost byla zpracována za předpokladu hodnoty růstové konstanty kv = 600 s.MW-1/2 (hodnota požárního zatížení p ≤ 6,5 kg.m-2), rychlosti šíření požáru 0,3 m.min-1 , výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů 6 m. Při výpočtech bylo předpokládáno 80 % tepla sdíleného konvekcí.
4
Objemové množství kouře [m 3.s-1]
Využití různých metod umožňujících stanovení hmotnostního nebo objemového množství kouře může dle [3] vést ke značně odchylným výsledkům. Objemové množství kouřových plynů stanovené metodami T. Jakobsena, Firecalc, ASMET1, CFAST a Hinkleyho metodou pro tzv. pomalý rozvoj požáru je znázorněno na obr. 2. 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0
30
120
240
360
480
600
Čas [s]
Hinkley
T. Jakobsen
ASMET
CFAST
FIRECALC
Obr. 2 Objemové množství kouře uvolňované při pomalém rozvoji požáru Hmotnostní množství kouřových plynů stanovené metodou ASMET (součást technické zprávy prCR 12101-5) pro typické hodnoty uvolňovaných tepelných toků pro prostory atrií je znázorněno na obr. 3 [4].
Množství kouře M [kg.s-1]
4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Výška z [m] 2 MW
5 MW
25 MW
Obr. 3 Hmotnostní množství kouřových plynů pro typické hodnoty uvolňovaných tepelných toků v prostorách atrií 1
Metodika ASMET (Atria Smoke Management Engineering Tools) je produktem NIST (National Institute of Standards and Technology), Gaithersgburg, Maryland, USA.
5
Průměrné teploty kouřových plynů stanovené metodou ASMET (součást technické zprávy prCR 12101-5) pro typické hodnoty uvolňovaných tepelných toků pro prostory atrií jsou znázorněny na obr. 4 [4]. 70 65
Teplota plynů [0C]
60 55 50 45 40 35 30 25 20 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100
Výška z [m] 2 MW
5 MW
25 MW
Obr. 4 Průměrné teploty pro typické hodnoty uvolňovaných tepelných toků v prostorách atrií Popisovanou metodikou lze stanovit mimo jiné také velikost odvětracích otvorů. Aerodynamická plocha odvětracích otvorů v závislosti na hloubce kouřových plynů kumulovaných pod stropní nebo podhledovou konstrukcí je znázorněna na obr. 5.
25
otvorů [m 2]
Aerodinymická plocha odvětracích
30
20 15 10 5 0 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Čas t [s] Vrstva plynů 1 m
Vrstva plynů 2 m
Vrstva plynů 3 m
Obr. 5 Aerodynamická plocha odvětracích otvorů Graf na obr. 5 byl zpracován za předpokladu hodnoty požárního zatížení 100 kg.m-2 (tzv. rychlý rozvoj požáru), výšky přisávání vzduchu do sloupce kouřových plynů 6 m, šířky kouřového rezervoáru 10 m a plochy přisávacích otvorů 10 m2. Pro stanovení hmotnostního
6
množství kouřových plynů bylo využito metodiky ASMET. Při výpočtu bylo předpokládáno 80% tepla sdíleného konvekcí. Při podrobnějším prostudování celé řešené problematiky je zřejmé, že způsob stanovení některých posuzovaných charakteristik je poměrně složitý (zejména podrobná metoda stanovení hmotnostního množství kouřových plynů v případech, kdy se plyny ze zdrojové místnosti šíří do sousedního prostoru). Mezi nejméně náročné situace nesporně patří vznik požáru v jednom prostoru a následná tvorba a šíření kouře v tomto prostoru.
Výpočetní postupy s využitím příloh normy Jak vyplývá z předchozích odstavců jsou aplikační možnosti normy EN 12 101 značně rozsáhlé. Následující vývojové diagramy znázorňují některé z nich. Na obr. 6 je zobrazena metodika postupu v případě vzniku požáru, tvorby a šíření kouřových plynů přímo v hlavním prostoru (např. prostor atria). Příloha A, B -1
Stanovení množství kouře Ml [kg.s ]
Návrh rezervoáru kouře Smax ≤ 2000 nebo 2600 [m2] Stanovení teploty kouře Θl, Tl [°C, K]
Příloha F
Příloha F
Stanovení min. hloubky vrstvy kouře dl [m] Příloha F
Zavěšená Návrh zástěn
Návrh délky zástěny dh [m]
Příloha H
Pevná
Návrh parametrů odvětracího zařízení (přirozené, nucené)
Příloha F
Ověření neutrální roviny [m]
Příloha L
Obr. 6 Vznik požáru, tvorba a šíření kouřových plynů přímo v hlavním prostoru
7
Na obr. 7 je zobrazena metodika postupu v případě vzniku požáru a tvorby kouřových plynů ve vedlejším prostoru (např. prodejna) a následného šíření plynů otvorem do hlavního prostoru (např. prostor atria). Stanovení množství kouře proudícího otvorem Mw [kg.s-1]
Příloha C
Stanovení teploty kouře proudícího otvorem Θw, Tw [°C, K]
Příloha C
Stanovení množství kouře v hlavním prostoru Mx [kg.s-1]
Příloha E
Návrh rezervoáru kouře Smax ≤ 2000 nebo 2600 [m2] Stanovení teploty kouře v rezer. Θl, Tl [°C, K] Stanovení min. hloubky vrstvy kouře dl [m]
Příloha F
Příloha F
Příloha F
Příloha H
Zavěšená Návrh zástěn
Návrh délky zástěny dh [m]
Pevná
Návrh parametrů odvětracího zařízení (přirozené, nucené)
Příloha F
Ověření neutrální roviny [m]
Příloha L
Obr. 7 Vznik požáru a tvorba kouřových plynů ve vedlejším prostoru a následné šíření plynů otvorem do hlavního prostoru Na obr. 8 je znázorněna metodika postupu v případě vzniku požáru a tvorby kouřových plynů ve vedlejším prostoru (např. prodejna), následného šíření kouřových plynů otvorem pod balkónovou konstrukci a rozvedeny varianty pro případy, kdy jsou plyny odváděny z rezervoáru pod balkónem nebo dále stoupají do hlavního prostoru, kde je vytvořen kouřový rezervoár.
8
Stanovení množství kouře proudícího otvorem Mw [kg.s-1] Stanovení teploty kouře proudícího otvorem Θw, Tw [°C, K] Stanovení množství kouře proudícího pod balkónem MB [kg.s-1] Stanovení teploty kouře proudícího pod balkónem ΘB, TB [°C, K] Hloubka kanálových přepážek dB [m]
Odvod z části pod balkónem
Proudění do hlavního prostoru Varianta řešení
Zástěna do prostoru dB + ∆dB
Zavěšená zástěna
Stanovení množství kouře v hlavním prostoru Mx [kg.s-1]
Pevná Návrh parametrů odvětracího zařízení
Návrh rezervoáru kouře Smax ≤ 2000 nebo 2600 [m2] Stanovení teploty kouře Θl, Tl [°C, K]
Ověření neutrální roviny [m]
Stan. min. hloubky vrstvy kouře dl [m]
Dále shodně jako u obr. 6 Obr. 8 Vznik požáru a tvorba kouřových plynů ve vedlejším prostoru, následné šíření plynů otvorem pod balkónovou konstrukci, případně dále do hlavního prostoru
Ověření neutrální roviny [m]
9
Závěrečná shrnutí Vypracování technické normy EN 12 101 umožní vytvoření jednotného evropského standardu pro navrhování odvětracích zařízení. Vzhledem ke skutečnosti, že stávajícími předpisy pro navrhování zařízení pro odvod tepla a kouře lze dojít ke značným odchylkám, bude jednotná koncepce návrhu těchto zařízení značným přínosem. S vazbou na uvedený technický předpis probíhají v ČR v současné době dokončovací práce na technické normě určené k navrhování zařízení pro odvod tepla a kouře pro jednopodlažní objekty a pro poslední nadzemní podlaží vícepodlažních objektů. Tento předpis má vyplnit vakum ve stávající soustavě technických dokumentů zabývajících se požární bezpečnosti staveb. Koncepce české normy zabývající se popisovanou problematikou vychází z principů připravované technické normy EN 12 101.
Literatura [1]
Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s.
[2]
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.
[3]
Pokorný, J.: Srovnání metod pro posuzování kouřových plynů z hlediska kvantitativního. Praha, MV-generální ředitelství HZS ČR v časopise 150-HOŘÍ č. 10/03, 2003, s. 11-13, ISSN 0862-8467.
[4]
Pokorný, J.: Posuzování kouřových plynů v atriích s aplikací kouřového managementu. Sborník přednášek mezinárodní konference Požární ochrana 2003. Ostrava, SPBI-TUO, 2003, s. 354 - 367, ISBN 80-86634-17-5.
10
