Levegővezetési rendszerek és a füstérzékelés Air Distribution and Smoke Detection SZIKRA Csaba egyetemi adjunktus Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Építészmérnöki Kar Épületenergetikai és Épületgépészeti Tanszék
[email protected], www.egt.bme.hu
Abstract As the active fire protection is getting more and more important for old and even for new buildings we have to increase the interest on the effect of the mechanical ventilation on a fire protection system. There are several unknown questions: Does the smoke and heat deflector help the sprinkler system to extinguish the fire or there is a certain delay on the operation time. Does the mechanical ventilation cause certain delay on the smoke detection. If yes, is there any ways to avoid that?
Összefoglaló Ahogy az építmények aktív tűzvédelme egyre fontosabbá válik, a figyelem egyre inkább az épületgépészet hagyományos rendszereinek és a tűzvédelmi rendszerek együttműködésére helyeződik. Számtalan kérdés vetődik fel a sprinkler rendszerek, a gázzal oltó rendszerek és az aspirációs érzékelő rendszerek légtechnikai rendszerrel való együttműködésével kapcsolatban. Az egyik legfontosabb kérdés: vajon a légtechnikai rendszer segíti, vagy gátolja a tűz korai felismerését?
Kulcsszavak Levegővezetési rendszerek, Elárasztásos szellőzés, Dugattyúhatáson alapuló szellőzés, Zónaszellőzés, Érintő szellőzés, Nagy érzékenységű füstérzékelés
A légvezetési rendszer hatása a füst terjedésére
füstfejlődés hőfejlődés
A zárt térben keletkezett szilárd, éghető anyagok tüzeit időbeli lefolyásuk szerint négy szakaszra tagolhatjuk. Az első vagy korai szakaszra az éghető anyag lassú felmelegedése jellemző. Ebben a szakaszban számottevő hő, mely a füst terjedését segíti, még nem szabadul fel. Az első szakasz végét, a második szakasz kezdetét már intenzív füstképződés jellemzi, intenzív hőfelszabadulás továbbra sincs. A harmadik szakaszban már elegendő éghető anyag
1.
2.
3.
1. ábra. A hő és a füst fejlődése a zárt térben.
idő 4.
érte el a gyulladási hőmérsékletet, így ezt a szakaszt a kiterjedt égés jellemzi. A negyedik szakaszban már annyi konvektív és sugárzó hő szabadul fel, hogy a térben az égés folyamata felgyorsul, ennek hatására a hő felszabadulása még intenzívebbé válik, egy idő múlva elérjük azt a pontot, mikor már a konvektív és sugárzási hő intenzitása oly magas, hogy a tűz fészkétől távolabb eső tárgyak is meggyulladnak. A modern füstérzékelő rendszerek egyik legfontosabb követelménye a tűz kezdeti szakaszában keletkező füst lehető legkorábban történő felismerése, a téves riasztások leghatékonyabb kizárása. A tüzet már a korai szakaszban kell detektálni, amikor még a hőfelszabadulás és az ebből következő intenzív feláramlás nem jellemző. Ezen elveket az ismert rendszerek közül leghatékonyabban szolgálja az úgynevezett HSSD (High Sensitivity Smoke Detection), a nagyérzékenységű lézeres részecskeszámláláson alapuló aspirációs füstérzékelő rendszer. Az érzékelő berendezés egy az épületgépészetben megszokott csőhálózaton keresztül mintát vesz a vizsgált térből. A minta végighalad a csőhálózaton, elhalad a lézernyaláb előtt. A mintában lévő lebegő füstszemcséken szóródik a fény, melyet egy optikai LED érzékel. Az optikai LED által generált jelalakból az elektronika különbséget tesz a por és a füst részecskék között. A csőhálózat végpontjain találjuk a szívónyílásokat. Az érzékelő furatok elhelyezési szabályai jelen tudásunk szerint megegyezik a pontszerű érzékelők elhelyezési szabályaival. A csőhálózat méretezésének egy adott topológia esetén kettős célja van: a hálózat minden pontján azonos mennyiségű minta érkezzen a csőhálózatba, illetve a minta a leggyorsabban érkezzen az érzékelő lézersugár nyalábjához.
2. ábra. Lézeres részecskeszámláláson alapuló, nagy érzékenységű füstérzékelő. A méretezési célok eléréséhez három beavatkozási lehetőségünk van: a topológia szimmetrikussá tétele, a csőhálózat átmérőjének, illetve a szívónyílások átmérőjének változtatása. A berendezés, mint a működési elvéből látszik, megfelel a bevezetőben említett kettős követelmény rendszernek. A tűz keletkezésének igen korai szakaszában már képes lehet a tűz által generált füstszemcsék nagy biztonsággal történő érzékelésére. A minta adott idő alatt érkezik a szívónyílástól az érzékelőig. Az esetek többségében az érzékelési idő szempontjából a legtávolabbi furatot tekinthetjük kritikusnak. Egy adott rendszer esetén az érzékelési időt nem csak a csőhálózatban utazó minta utazási ideje határozza meg, hanem az is, hogy mennyi idő alatt éri el a szívónyílást a füsttel terhelt levegő. Mivel a szívónyílás
közelében a sebességleépülés igen gyors, gyakorlatilag a szívónyílás nincs hatással a tér levegővezetésére. Az aspirációs érzékelés egyik legfontosabb célja tehát a lehető legkorábbi felismerés. A tűz keletkezésének korai fázisára jellemző a nagyobb és ezért nehezebb füstszemcse méret, illetve, hogy nincs számottevő felhajtó erő, mely a füst szemcséit a szívónyílás felé hajtja. Így kritikussá válik a levegővezetési rendszer füstöt fel-, illetve lefelé hajtó hatása az érzékelési időre. Az alábbi táblázatban négy teljesen különböző elven alapuló levegővezetési rendszer látható.
Dugattyúhatáson alapuló szellőzés Ezt a szellőzési módot nagy hőterhelések elszállítására, illetve nagy tisztaságú légterek előállítására használjuk. Igen intenzív légcsere, de alacsony impulzuserő jellemzi, az áramlás hajtóereje a diffúzió jellegű erő. Amennyiben az átöblítés iránya vízszintes, és az érzékelő a mennyezeten helyezkedik el, úgy előfordulhat, hogy a levegőnél nehezebb füstrészecskék vízszintes irányban elhagyják az átöblített teret, mielőtt még a diffúziós erő hatására elérnék a felsőbb régiókat. Ez az átöblítési mód késlelteti az érzékelési időt. Erre a problémára megoldás lehet, ha a távozó levegő útjába is aspirációs szívónyílásokat helyezünk. Mivel a HSSD már igen kis koncentráció esetében is képes megbízható módon a füst szemcséit detektálni, az érzékelési idő nem csökken számottevően. Legrosszabb eset a vertikális irányú, alsó elvezetés. Ekkor az áramlás diffúziós ereje ellene hat a füstszemcsék mozgását segítő diffúziós erőnek. Mivel kényszerített áramlásról van szó, az áramlás lefelé ható ereje nagyobb, mint a füstszemcsékre ható erő. Főleg hidegebb levegő bevezetésének (hőterhelések Légvezetési rendszer
Dugattyúhatás
Elárasztásos
Zóna
Érintő
Rövid leírása
Függőleges vagy vízszintes irányú egyenletes levegőmozgás
A felhajtóerőn alapuló átszellőzés
A tartózkodó tér célzott, helyi szellőztetése
Intenzív keveredéses szellőztetés a teljes térben
Füstmozgató hatása, koncentráció eloszlása a magasság függvényében
h
c
Alacsony impulzussal Legfontosabb érkező levegő elegendő, hogy a jellemzői zavaró hatásokat a kiküszöbölje. A füst mozgása szemvízszintes átöblítés gátolja a füst pontjából függőleges terjedését.
h
h
h
c
c
c
A tartózkodó tér közvetlen Az általában nagy Alacsony impulzussal átöblítése főleg nyáron impulzussal a helyiségbe markánsan elkülönülhet az vezetett levegő primer és érkező levegő átöblítetlen tértől. A két szekunder keringést okoz, mozgatásáért a helyiség zóna közötti határon a mely a legegyenletesebb hőterhelése felel. Ezért főleg nyáron képtelen a levegőben mozgó keveredést biztosítja. A részecskék csak diffúziós levegőnél nehezebb füst levegőnél nehezebb erővel közlekednek részecskéket az impulzus részecskék felemelésére. keresztül. erő mozgatja.
3. ábra. Különböző levegővezetési rendszerek összevetése.
elszállítása) esetén késlelteti az érzékelési időt. Természetesen a tűz által generált hő keltette felhajtóerő, utóbb felhajtja a füstöt az érzékelő nyílásig, de ekkor már számottevően késik az érzékelés. Kedvezőbb a helyzet felső elvezetés esetén. Ekkor az áramlás diffúziós ereje segíti a füstszemcsék felfelé történő mozgását. Így a hátrányok közül már csak az intenzív keveredés lassítja az érzékelést. A dugattyúhatáson alapuló szellőzés esetén megállapítható, hogy érzékelés szempontjából ez utóbbi eset a kedvezőbb.
Elárasztásos szellőzés Mivel a hőfelszabadulás által keltett felhajtó erő a levegő mozgás oka, így az elárasztás legnagyobb erénye a különböző hőmérsékletű és szennyezettség-szintű levegőrétegek kialakulása.
4. ábra. Elárasztásos levegővezetési rendszer. A rétegződés következménye, hogy a mennyezeten „légpárna” alakul ki, melyen a viszkozitás különbsége miatt nehezebb a keveredés az alsóbb rétegekkel. A függőleges légmozgás lokálisan a hőfelszabadulások nagyságától, helyétől és kiterjedésétől függ. A levegő függőleges irányú mozgásának oka a belső hőterhelés, mely el elegendő a széndioxiddal dúsult levegő elszállítására, azonban alkalmatlan a levegőnél nehezebb szennyezőanyag mozgatására. A helyzet tovább romlik nyáron. Ugyan az elárasztásos szellőző rendszer alkalmatlan hőterhelés elszállítására, ennek ellenére nyáron az érkező levegő általában néhány fokkal hidegebb, mint a helyiség levegője. A levegővezetés ez esetben teljesen alkalmatlanná válik a levegőnél nehezebb lebegő szemcsék elszállítására. Tovább lassítja a füstszemcsék szívónyíláshoz jutását, a különböző hőmérsékletű légrétegek, hiszen a viszkozitás változása a diffúziós erő ellen hat. Összefoglalva elmondható, hogy az elárasztásos levegővezetés jelentősen megnövelheti az érzékelési időt. A keletkező tűz által keltett felhajtóerőnek még a kialakult levegőrétegződéssel is meg kell küzdenie, hogy a füst szemcséit a szívónyílás közelébe juttassa.
Zónaszellőzés A zóna vagy helyi szellőztetés egyik legfontosabb erénye, hogy csak a tartózkodó teret látja el friss levegővel. Ez a szellőző rendszer sok esetben hasonlít az elárasztásos rendszerre, hiszen a tér összességét tekintve viszonylag alacsony impulzussal érkezik a friss levegő. A tartózkodó téren kívül gyakran alakul ki pangó terület, melynek magasabb a szennyezőanyag
tartalma, hőmérséklete. A tartózkodó térben keletkezett füst keveredése szintén nehezebben valósulhat meg, hiszen a levegőnél nehezebb füstszemcsét csak a felhajtóerő és a diffúzió segíti.
Levegő elvezetők
Székek alatti befúvók
Szellőztett tér
5. ábra. Színházterem levegővezetési rendszere. Azokban a helyi levegővezetési rendszerekben, melyek kis hőterhelés elszállításával működnek, a füst terjedése jobban hasonlít a szellőzés mentes terek füstterjedésére. Ez esetben a tűz legkorábbi szakaszában a diffúzió a fő mozgatóerő. A helyi levegővezetési rendszerek ekkor nem gátolják, de nem is segítik a füst terjedését.
Érintő szellőzés Az érintő vagy keveredéses szellőzés jellemvonása a nagy impulzussal a helyiségbe érkező levegő, mely elsődleges és másodlagos keveredési zónákat hoz létre. Az intenzív légmozgás a levegőnél nehezebb füstszemcséket is képes szállítani. Ez a levegővezetési mód okozza a legegyenletesebb koncentráció eloszlást a magasság függvényében.
Ami a légtechnikai szempontok szerint káros, az a füst detektálása szempontjából előnyössé vált, hiszen a HSSD, a nagy hígítás ellenére, már igen kis koncentrációt képes érzékelni. Ha a különböző bevezetési és elvezetési módokat végigtekintjük, a füst érzékelése szempontjából az alsó levegő bevezetés és a felső levegő elvezetés a legelőnyösebb.
Felhasznált irodalom [1]
Howard Goodfellow, Esko Tahti : Industrial ventilation design guide book; 2001
