Földalatti parkolóban a keletkezett füst térfogathozamának és a füstréteg minimális vastagságának kiszámítása Európai Uniós szabványok alapján. drd. Costel Marian Pietreanu tü. mérnök alezredes Belügyminisztérium, Vészhelyzetek Országos Főfelügyelősége A műszaki segédletek előírják a hő- és füstelszívó berendezések (SHEVS) használatát, parkolók füstmentesítésére, melyek elszívják a füstöt, egy füstmentes réteget (szabad terület) képezve a padló fölött. Ezáltal megnő a személyek és a javak kimenekítésének lehetősége, valamint csökkenhet a beavatkozási idő, tűz esetén. A füstelszívó rendszerek elszívják a hőt és a keletkezett forró gázokat is. Ezeket a rendszereket gyakran használják arra, hogy egy füstmentes réteget képezzenek a felfele áramló füstréteg alatt. Világossá vált, hogy használatuk elősegíti a személyek zárt térből való kimenekítését és a hatékony tűzoltást, csökkenti a füstképződést és a hőmérsékletet, valamint a tűz terjedésének lehetőségét, csökkentve ezáltal a tűzkárokat, valamint az anyagi károkat. A fenti előnyök elérése érdekében szükséges, hogy a rendszer teljes kapacitással és biztonságosan működjön az előírásokban szereplő ideig. A SHEVS alkotóelemei egy hő- és füstelszívó rendszer részeit alkotják, melyeket úgy kell megválasztani és méretezni, hogy a rendszer optimálisan működjön. A SHEVS rendszer a, tűz hatására keletkezett, gázokra jellemző termikus felhajtóerő alapján működik. A rendszer teljesítménye a következőktől függ: - a füst hőmérséklete - a tűzfészek mérete - a ventillátorok aerodinamikai szabadfelülete, vagy a mechanikus ventillátorok által elszívott füstmennyiség - szélhatás - a légbefúvó nyílások mérete, geometriája és helye - a füsttartályok mérete, geometriája és helye - indítási idő a tér tervezése, elhelyezkedése és méretei Egy ideális tűzmodell alapján kiszámítható a tűz mérete, valamint a hőhozam amely, az időben itt is reális módon változik, melyek segítségével megállapítható a személyekre, javakra és a tűzoltókra háruló veszély nagysága és időbeni növekedése. A veszély időbeni változásának számításából kapott eredményeket össze lehet hasonlítani az ajánlott kiürítési vagy oltási idővel. Ezekben a számításokban a tűzterjedési görbét úgy kell kiválasztani, hogy tökéletesen jellemezzék a parkolók helyzetét, a gyúlékony anyagok helyét, valamint a sprinkler rendszer hatékonyságát. Ahol ezek az adatok meghatározhatók, ott a számításoknál követni kell az esetenként megfelelő tűzbiztonsági műszaki eljárásokat. Ahol ehhez hasonló számításokat nem lehet elvégezni, ott lehetséges, a jelen körülmények között elérhető legnagyobb tűzeset alapján meghatározott, egyszerűbb eljárás használata. Ezt az állandó jellegű vagy időfüggetlen modellt nem szabad összekeverni a gyors lefolyású tűzesetekkel, ahol pillanatok alatt tetőzik a tűz és aztán bekövetkezik egy állandó égés. Az eljárás azt feltételezi, hogy ha a SHEVS képes megfelelni a legnagyobb tűzesetnél is, akkor képes ellenállni a tűz kezdeti (általában korai) fázisaiban is. A gyakorlatban, könnyebb meghatározni a lehetséges legnagyobb tűzeset méretét, mint megbecsülni a tűzterjedési sebességet. A füstelszívás elemei a következők: a menekülési útvonalak védelme (az élet biztonsága), a hőmérséklet ellenőrzése, a tűzoltás elősegítése, javak (gépek) védelme és nyomásmentesítés. 1. A menekülési útvonalak védelme (az emberi élet biztonsága) Egy általános megoldás a kiürítési útvonalak védelmére, egy füstmentes réteg kialakítása a mennyezet felé áramló forró füstréteg alatt. A SHEVS ezt az elvet használja, a tűz által érintett szakaszban levő, menekülési útvonalak állandó használhatósága érdekében. A füstmentesítési időt 1
(mechanikus füstmentesítő ventillátorok esetén) úgy kell meghatározni, hogy a füstréteg megfelelő magasságban maradjon, valamint a füst által kibocsátott hő elég alacsony étékű legyen ahhoz, hogy a menekülési útvonalat, a még égő tűz esetén is lehessen használni. 2. Hőmérséklet ellenőrzése Ha a füstmentes réteg magassága nem meghatározó, akkor a menekülési útvonalakkal kapcsolatban végzett számításokat másképpen kell elvégezni. A füstmentesítési időt úgy kell meghatározni, hogy egyedi értéket kapjunk a felsőbb rétegekben levő forró gázok hőmérsékletére. Ez elősegíti olyan anyagok használatát is amelyek amúgy megsemmisülnének a forró gázok hatása alatt. 3. A tűzoltás elősegítése Ahhoz, hogy az oltás hatékony legyen, szükséges hogy a felszereléseiket minél közelebb hozzák a parkoló bejáratához. Aztán, innen el kell szállítani a felszerelést a tűz közelébe. A nagyméretű és többszintes parkolókban ez egy elég hosszadalmas folyamat. Az egyszintes, nagyméretű parkolókban is, a tűzoltóknak megfelelő nyomású vízforrásra van szükségük a hatékony beavatkozáshoz. A keletkező forró gázok nagymértékben késleltethetik és megakadályozhatják a menekítést és az oltást. A SHEVS beépítése a menekülési útvonalak és felszerelések védelmére segítheti a hatékony oltást. Lehetséges egy, a menekülési útvonalakat védő rendszerhez hasonló, SHEVS berendezés kiépítése, egy füstmentes réteg kialakítására a tűzoltók számára, mely segíthet hamarabb felderíteni és eloltani a keletkezett tüzet. 4. Javak (gépek) védelme A beépített szellőző berendezések nem képesek meggátolni a tűz terjedését, de ugyanakkor elegendő oxigént juttatnak a térbe, hogy elősegítsék a tűz fejlődését. Következésképpen, a füstmentesítő rendszer csak a javakat tudja megvédeni és elősegíti a tűzoltók gyorsabb és hatékonyabb beavatkozását. Ezért a javak védelmére különös figyelmet kell fordítani a hatékonyabb tűzoltás érdekében. Figyelembe véve a bentlevő anyagokat, a rendszer tervezésénél szükséges a forró füstréteget a kényes anyagok felett tartani (a menekülési útvonalak védelméhez hasonlóan) vagy a füstréteg hőmérsékletét egy kritikus érték alatt tartása (a hőmérséklet ellenőrzéséhez hasonlóan). 5. Nyomásmentesítés Ahol a füstréteg alacsonyan van és átáramolhat a felső szintekre kisebb réseken keresztül, mint például nem légmentesen záró ajtók, vagy szellőző nyílások, ott a füst terjedését a füstben lévő gázok nyomásának csökkentésével lehet megoldani. Ezt a megoldást nyomásmentesítésnek nevezzük. Ahhoz, hogy megfeleljen a tervezett céloknak, a SHEVS működtetésénél a következőket kell figyelembe venni: a) a menekülési útvonalak védelmére kialakított SHEVS, a BS5839-1-nek megfelelő, füstjelző rendszerek által adott jelek alapján kell működésbe lépjen. Meg kell említeni, hogy a SHEVS egyes részeinek manuális kikapcsolása nem lehetséges, csak abban az esetben, ha kézi indítás szükséges. b) a javak védelmére beépített SHEVS vezérlése manuálisan vagy, az EN 12259-1 valamint a BS 5306-2 szabványoknak megfelelő, vízszállító rendszer segítségével történik, melynek áramlási nyomása megfelel egy sprinkler vízhozamának, vagy mindkét módon. c) A tűzoltás megkönnyítésére beépített SHEVS vezérlése, a BS 5839-1 szabványnak megfelelő, tűzjelző rendszer vagy, a BS 5306-2 szabványnak megfelelő, vízszállító rendszer, melynek áramlási nyomása megfelel egy sprinkler vízhozamának, segítségével történik. A rendszer vezérlése történhet manuálisan vagy a fent említett módszerek kombinációjával is.
2
A SHEVS rendszert két áramforráshoz kell csatlakoztatni, mely biztosítja a rendszer, a védelmi elemek, valamint a nyugalmi állapotban levő részek ellátását. A hozzá kapcsolódó elemeket is, mint például a füstérzékelők, két táppal kell ellátni. Az áramellátást meg lehet oldani automata generátorokkal, vagy akkumulátorral. A légnyomásos rendszer két légsűrítő és egy levegőtartályból áll, melynek teljesítménye elegendő kell legyen ahhoz, hogy a légsűrítők áram nélkül maradása esetén, legalább három teljes cikluson keresztül képes legyen működésbe tartani a rendszert. A SHEVS, automatikus indítás esetén, 90 másodperc alatt el kell érje a tervezett teljesítményszintet. A segédelemek, mint a szellőző nyílások és csappantyúk, legalább 60 másodpercig működőképesek kell legyenek. Minden zónát külön SHEVS rendszerrel kell ellátni, vagy ha füstzónák el vannak különítve, egy-egy tűzszakaszt képezve megoldható a szellőztetés egy vagy több elszívó ventillátorral, csőrendszer segítségével. Az elszívott térfogathozamot egy standard tűz leghátrányosabb esetére kell kiszámítani, ami kialakulhat a lényeges összekapcsolt szakaszokban. A tűzérzékelést egy, a BS 5839-1 szabványnak megfelelő, füstjelző rendszer látja el, amely a kioldó rendszerén át vezérli, a ventillátorhoz (ventillátorokhoz) csatlakozott, légvezetékekben elhelyezkedő füstzáró csappantyúkat. A füstelzáró csappantyúkat úgy kell elhelyezni, hogy ne veszélyeztesse a tűzálló épület integritását. Minden füstzóna saját légbefúvással kell rendelkezzen. Tervezési elvek Kezdetnek ki kell számítani a menekülési útvonalak füstmentes rétegének magasságát – (Y). Az (Y) minimális értékeit az 1. sz. táblázat mutatja be (CEN/TR 12101-5:2005) 1. sz. táblázat – a menekülési útvonalak légmentes rétegének magassága Épület típusa Minimális magasság (vastagság) Középületek, pl. egyszintes bevásárlóközpontok, 3,0 m kiállítótermek Civil épületek, pl. irodák, lakások, nyitott terem 2,5 m típusú fogházak Parkolók 2,5 m vagy 0,8 H, amelyik kisebb MEGJEGYZÉS: Lásd 6.2.2 f) és 6.5.2.3 Y növekedése, hideg füstrétegeknél Megjegyzem, H a helyiség szabadterületének magassága, azaz a padló és a mennyezet közötti távolság, méterben. Mielőtt meghatároznánk a tűz fölé emelkedő, füstékben áramló levegő, kilogramm per szekundumban (kg.s-1) kifejezett, sebességet, azaz a tömeghozamot, a következő feltételt kell ellenőrizni: Y ≤ 10 ⋅ ( A f ) 0,5
ahol Af a tűz területe, [m2] –ben kifejezve. Az előírt értékek a következő táblázatban láthatók (CEN/TR 12101-5:2005 szabvány).
3
2. sz. táblázat – tűzmodellek előírt értékei
Kiskereskedelmi egységek Standard válaszú sprinklerek Gyorskioldó sprinkerek Sprinklerek nélkül Irodák Standard válaszú sprinklerek Sprinklerek nélkül: ellenőrzött éghető alap Sprinklerek nélkül: teljes körű beavatkozás előrelátható az éghető alapon keletkezett standard tűznél (lásd 6.3) Szállodaszobák Standard válaszú sprinklerek Sprinklerek nélkül Parkoló Egy égő autó
Tűz területe (Af) m2
Tűz kerülete (P) m
10 5
12 9 Nyílás szélessége
Teljes helyiség
Hőáramlás egy területi egységen (qf) 625 625 1200
16
14
225
47
24
255
Teljes helyiség
Nyílás szélessége
255
2 Teljes helyiség 10
6 Nyílás szélessége 12
250 100 400
MEGJEGYZÉS: a célok elérése érdekében, a SHEVS tűzterületét nem szabad összekeverni a beépített sprinkler befogóterületével, melyet a BS 5306-2 szabvány ír elő. Mikor a helyiség teljesen lángba borult, a keletkezett hő egy része kiáramolhat a lángok segítségével, a helyiség nyílásain át, a külső térbe. Ritkán a nyílásokon kiáramló gázok hőmérséklete meghaladja 1000°C.
Az [1] egyenletet kísérletileg is igazolták, nagy térfogatú helységekben kialakult tűzeseteknél, ahol a hőkibocsátás 200÷1800 KW/m2 volt. A forró levegő áramlás (az a levegőmennyiség amely tűz esetén felszabaduló gázokban megtalálható) magas. Az összes gyakorlati célnál az éghető anyagok tömege elhanyagolható és a füstgázokat úgy lehet kezelni a számításoknál, mint fertőzött forró levegő. A tűz fölötti füstrétegben edzett levegő sebességét (Mf), kilogramm per szekundumban kifejezve (kg.s-1), kiszámíthatjuk a B.2 egyenlettel: M f = Ce ⋅ P ⋅ Y
3
[2]
2
ahol, Ce – egyenlő 0,19-el tágas terek esetében, mint színházak, stadionok, nyitott irodahelységek, emeletes átriumok, stb., ahol a mennyezet jóval a tűz fölött van, kg·m-5/2·s-1-ben mérve. Ce – egyenlő 0,337-el kis helyiségek esetében, mint üzletek, irodaszobák, hotelszobák, stb., ahol a szellőzés főképpen csak a tűz egy oldaláról várható, mint például egy irodában, ahol csak egy ablak van, kg·m-5/2·s-1-ben mérve. P – a tűz kerülete [m]-ben kifejezve Nincs semmilyen információ mely bizonyítaná, hogy a B.2 egyenlet (vagy bármely aktuális változata ennek) módosítható úgy, hogy az figyelembe vegye a sprinkler-vízsugarak hatásait. A határvonalat a tágas és a kis helyiségek között a beáramló levegő határozza meg, amely minden oldalról emelkedik. Minél keskenyebb lesz a helyiség, annál nehezebben emelkedhet a levegő. Azokat tekintjük kis cellahelyiségeknek, amelyeknek a helyiség maximális mérete kisebb vagy egyenlő az átlagos tűz átmérőjének ötszörösével és a levegő csak egy irányból áramolhat be. Ezt a határmértéket meghatározták és csak elméleti alapja van. Figyelembe véve, hogy Af, a tűz 4
területe 10 m2, az Af=πR2 képletet alkalmazva megkapjuk, hogy R=1,78 m. Tehát egy parkolónál egy átlagos tűz átmérője Φ=3,56 m. Ezt a nézőpontot veszik figyelembe a parkolóknál a Ce együttható meghatározásánál. Ismerve az Mf tömeghozamot, θf füstrétegben a gázok átlaghőmérsékletét, Kelvinben kifejezve (közel a füsték beáramlási ponthoz) ki lehet számolni a következőképpen: Qf θf = [3] c⋅M f ahol, c - a sajátságos levegőhőmérséklet állandó nyomáson, J·kg-1·K-1, normális körülmények között (nyomás = 1 atmoszféra és hőmérséklet T=288°K) c=1000 J·kg-1·K-1. Qf – az a hőáramlás a füstgázokban, melyek a lángokat a tűz fölé vezetik [W] kifejezve [4] Q f = q f ⋅ Af ahol, qf – a négyzetméterre kibocsátott hőmennyiség [W/m2] kifejezve. A qf értékeit az A. melléklet tartalmazza – A hőmennyiségek megengedett kibocsátási értéke a CEN/TR 12101-5:2005 szabványból. Habár különböző határozott számú anyag hőkibocsátási sebességét megfigyelő kutatások befejeződtek, ezek nem jellemzőek minden tűz esetében. Megeshet, hogy az éghető anyagok széles választéka előfordul bármely tűzesetben. Ezért nem alkalmazható egy anyag sajátos értéke, de szükséges úgy a magas mint az alacsony hőkibocsátási sebesség felmérése, hogy meghatározhassák mi történik a legkedvezőtlenebb esetben. A következő értékek és egyenletek használhatók a magas és alacsony hőkibocsátási sebesség meghatározásához, a sprinklerrel felszerelt vagy nem felszerelt esetekben. Tűz sprinklerrel: qf, (alacsony) = 250.000 W/m² qf, (magas) = 625.000 W/m² Tűz sprinkler nélkül, max. 2 m tűzfészekkel: qf, (alacsony) = 250.000 W/m² qf, (magas) = 1.250.000 W/m² Tűz sprinkler nélkül, 2-4 m tűzfészekkel: qf, (alacsony) = 250 × (hf -1) kW/m² qf, (magas) = 1.250 × (hf -1) kW/m² ahol hf a tűzfészek magassága [m]-ben, a legalacsonyabb pontjától a legmagasabbig. Ennek a meghatározásnak megfelelően, a statisztika szerint egy autó átlagos magassága 2 m alatt van, általában ezért a a megfelelő qf lesz kiválasztva. A mechanikus füstelvezető rendszer ventilátorokból és hozzárendelt csőrendszerből áll, melyeket úgy terveztek, hogy eltávolítsák a tartályból a füst-tömeghozamot. Ugyanakkor ezek ellenállóak kell legyenek a füstöt megelőző hőmérsékletre. Mindemellett szükséges a ventillátorok áramellátását és vezérlését biztosító hálózatok tűz elleni védelme. A megfelelő ventillátorok kiválasztásához, az előző számításból adódó füsttömeghozamot térfogathozammá (Vt) kell alakítani [m3/s] kifejezve, a következő egyenlettel: M f ⋅ Tl Vl = [5] ρ amb ⋅ Tamb ahol, Tl = θ f + T0 [°K] kifejezve
T0 a környezet hőmérséklete, melyet 15 °C ítélnek. Vagyis Tl = θ f + 288 °K ρamb a levegő sűrűsége környezeti hőmérsékleten [kg/m3] kifejezve. Általában a T0 környezeti hőmérsékletet 15 °C (288 °K) tekintjük, ebből következik ρamb=1,225 kg/m3. 5
Ismerve ezeket az értékeket, kiszámítható a füst-térfogathozam. A tér füstrétegének legalacsonyabb szintjének meghatározása az elszívóberendezés irányába való tereléshez.
A térbe behatoló füst áramol az elszívóberendezés nyílásai felé. Ezt az áramlást a füst emelkedő-ereje irányítja. Ha lefelé egy nagy térfogatú szellőző felület is van, például ha a tetőszerkezetet eltávolították, ez az áramló rétegnek lehet egy olyan magassága, mely arányos a tér szélességével, füst hőmérsékletével és tömegtérfogatával. Ez a magasság dl [m] kifejezve, kiszámítható egy sík mennyezet alatti egyirányú áramlásnál: ⎛ M f ⋅ Tl dl = ⎜ ⎜ γ ⋅ θ 0,5 ⋅ W f l ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
2
3
[6]
ahol, γ ernyőtényező és egyenlő 36-al, ha az ernyő magassága merőleges az áramlásra, illetve 78 ha nem W1 egy füsttartály szélessége, a füsthozam irányával megegyező szögben [m]-ben kifejezve. Ha a tűz pont a füsttartály alatt van, bármely tartály legnagyobb területe 2.000 m2 kell legyen, ha van természetes szellőzőrendszer, vagy 2.600 m2 ha van mechanikus füstelvezető ventillátorrendszer. A hossza bármely füsttartálynak, akármelyik tengely mentén maximum 60 m lehet. A füsttartályban a növekedési réteget nem lehet kisebbre tervezni, mint a padló-mennyezet távolság 1/10-e, amikor a tűz a füsttartály alatt van pont vagy a szóródás és mennyezet közötti távolság 1/10-e a szóródó füst-ékeknél. A füsttartályban a növekvő rétegvastagságot számítással igazolják és elég nagy kell legyen, hogy a füstgázok a beáramlási pontjuktól a szellőztetőréteg felé haladjanak. Füstkapuk vagy más felszerelések, melyek a füsttartály határát képezik, legalább 0,1 m-rel kell mélyebben legyenek, mint a növekvő füstréteg kiszámított alapja, figyelembe véve a kapuk bármely szórását. Alkalmazás: Feladat egy olyan földalatti parkoló tervezése, melynek magassága 3 m, sprinkleroltórendszerrel van felszerelve és kérik kiszámolni a kiáramló füsttérfogat hozamát illetve a helységben a füstréteg legkisebb magasságát ahhoz, hogy a szellőztető felé áramoljanak.
Y – a füstmentes levegő szabad magassága a menekülési útvonalakon, 2.4 m Af – a tűz területe 10 m2 P – a tűz kerülete 12 m Ce – egyenlő 0,19 kg·m-5/2·s-1 Ellenőrizzük az egyenletet: Y ≤ 10 ⋅ ( A f ) 0,5 ⇒ 2,4 ≤ 10 ⋅ (10) 0,5 ⇔ 2,4 ≤ 31,62, tehát ez a
követelmény is teljesült. Mf – a füstékben levő levegő sebessége, mely a tűz felé emelkedik, tömeghozam: M f = Ce ⋅ P ⋅ Y
3
2
⇒
M f = 0,19 ⋅ 12 ⋅ 2,4
3
2
⇔ M f = 8,477 kg/s.
qf – négyzetméterre eső kibocsátott hőmennyiség, 250 MW/m2 Qf – hőáramlás a füstgázokban, mely a lángokat a tűz fölé viszi: Q f = q f ⋅ A f ⇒
Q f = 250 ⋅ 10 ⇔ Q f = 2500MW c – állandó nyomáson a levegő hő-együtthatója, J·kg-1·K-1. Természetes körülmények között (légnyomás = 1 atmoszféra, T0 =15°C = 288°K), c = 1000 J ⋅ kg −1 ⋅ C −1 ; 6
θ f - a füstben a gázok átlaghőmérséklete, Kelvinben kifejezve (majdnem a füsték behatolási pontjánál)
θf =
Qf c⋅M f
⇒ θf =
2500000 ⇔ θ f = 294,91 °C; 1000 ⋅ 8,477
Tl = θ f + T0 ⇒ Tl = 294,91 + 288 ⇔ Tl = 582,91°K;
ρ amb - a levegő sűrűsége környezeti hőmérsékleten [kg/m3] kifejezve. Általában T0=Tamb a környezet hőmérséklete 15°C (288°K), ebből következik ρ amb = 1,225 kg/m3 Vl = levegő sebessége a füstékben, mely a tűz fölé emelkedik, térfogathozam: M f ⋅ Tl 8,477 ⋅ 582,91 ⇒ Vl = ⇔ Vl = 14 m³/s; Vl = ρ amb ⋅ Tamb 1,225 ⋅ 288 Tehát a kiürített füst-térfogathozam Vl = 14 m³/s; A tartályban a füstréteg minimális magasságának meghatározása, hogy az a szellőzőberendezés felé áramoljon: 2
⎛ M f ⋅ Tl ⎞ 3 ⎟ dl = ⎜ ⎜ γ ⋅ θ 0,5 ⋅ W ⎟ f l ⎠ ⎝ γ – ernyőtényező és egyenlő 36-al, mert az ernyő magassága merőleges az áramlásra W1 – füsttartály szélessége, a füsthozam irányával megegyező szögben, egyenlő 60 m-rel, mert ez a legnagyobb méret amit elérhet. A fentieket figyelembe véve elérjük: 2
2
⎛ 8,477 ⋅ 582,91 ⎞ 3 ⎛ 8,477 ⋅ 582,91 ⎞ 3 ⎜ ⎟ ⎟ ⇔ d l = 0,264 m; ⇔ dl = ⎜ dl = ⎜ 36 ⋅ 294,910,5 ⋅ 60 ⎟ ⎜ 36 ⋅ 294,910,5 ⋅ 60 ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ Tehát, a tartályban a füstréteg legkisebb magassága, hogy a szellőző-berendezés felé áramoljon dl=0,264 m. Következtetések
1. Ez a számítási módszer, mely a parkolókból kiürített füsthozam meghatározásának alapja, kisebb eredmények eléréséhez vezet, tehát kisebb teljesítményű szellőzőberendezés kiválasztásához vezet. 2. A befektetés kisebb mértékű. 3. Mint több más európai országban alkalmazott módszer, csak egy tűzeset előfordulását veszi figyelembe parkolóházanként, nem több egyidejű tűzesetet. 4. A módszer figyelembe veszi, hogy a parkolóház fel van-e szerelve vagy sem sprinkleroltórendszerrel a P118-99 Építkezések tűzvédelmi normatívájával szemben.
7
