Metody kontroly kouře v uzavřených stavebních objektech Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Těšínská 39, 746 01 Opava e-mail:
[email protected]
Klíčová slova kouř, plyny, metody, modely
Abstrakt Příspěvek se zabývá popisem metod pro kontrolu kouře v uzavřených stavebních objektech. Je zde proveden popis jednotlivých metod, jejich matematické vyjádření nebo grafické znázornění a jsou naznačeny aplikační možnosti. V textu je kladen důraz na modelování požáru s vazbou na popisovanou problematiku a rámcově rozveden přehled souvisejících předpisů na území ČR.
Úvod V prostorách, kde dochází k tvorbě a šíření plynných zplodin hoření (dále také jen kouře nebo kouřových plynů), nastane v určitém okamžiku prostředí pro pobyt osob nebezpečné. Důvodem je snižující se hladina plynných zplodin hoření, zvyšování teploty a narůstající koncentrace produktů hoření. Obdobným účinkům musí čelit také příslušníci, zaměstnanci a členové zasahujících hasičských jednotek.
Doba bezpečného pobytu osob Rozbor doby bezpečného pobytu v této části příspěvku je proveden výhradně ve vztahu k ohrožení osob vyplývajícího z tvorby a šíření plynných zplodin hoření. Označíme-li bezpečnou teplotu plynných zplodin hoření pro pobyt osob TBEZ a skutečnou teplotu plynných zplodin hoření Tg, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska teploty plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud T g ≤ T BEZ .
(1)
Označíme-li bezpečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru dBEZ a skutečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru d, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska hladiny plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud d ≥ d BEZ .
(2)
Označíme-li bezpečnou koncentraci plynných zplodin hoření CBEZ a skutečnou koncentraci plynných zplodin hoření Cg, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska toxicity 1
plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud C g ≤ C BEZ .
(3)
Za teoretickou dobu bezpečného pobytu pro osoby tBEZ,T lze považovat dobu do dosažení mezní hodnoty, kteréhokoli z výše uvedených kriterií. Ve skutečnosti je teoretická doba bezpečného pobytu tBEZ,T zkrácena o dobu zpozorování požáru (dobu detekce) tDET. Skutečnou dobu bezpečného pobytu osob tBEZ,S lze vyjádřit rovnicí t BEZ , S = t BEZ ,T − t DET
[s]
(4)
Metody kontroly kouře (Smoke management) Termín „smoke management“, zahrnuje metody zabývající se kontrolou kouře ve stavebních objektech z důvodů zajištění bezpečnosti osob, zasahujících hasičských jednotek a snížení materiálních škod. Mezi základní metody k docílení požadovaného efektu lze zařadit w w w w w
tvorbu kouřových oddělení (kouřových úseků), zředění kouře, vyrovnání tlaku, tvorbu toků vzduchu, využití vztlakového efektu.
Popsané metody mohou být použity samostatně nebo v kombinaci. Kouřová oddělení Rozdělení stavebních objektů do úseků, které jsou ohraničeny stavebními konstrukcemi s příslušnou požární odolností má již dlouhou historii. Dělení objektů na požární úseky poskytuje rovněž určitou úroveň ochrany proti šíření kouře. Principy rozdělování objektů do požárních úseků jsou na území ČR vytyčeny projektovými normami požární bezpečnosti staveb. V zahraničí je tato problematika řešena místními předpisy (např. NFPA 101). Intenzita pronikání kouře do sousedních prostor závisí zejména na velikosti a tvaru prosakujících cest a na vzniklých tlakových diferencích. Pro prvotní přiblížení pronikání kouře do přilehlých prostor lze podle [1, 2] využít hodnot typického pronikání uvedených v tab. 1. Tab. 1 Hodnoty typického pronikání stěnami a podlahou Konstrukční prvek Obvodové stěny (zahrnuje netěsnosti ve stěnách, kolem dveří a oken) Schodiště (zahrnuje netěsnosti ve stěnách, ale ne kolem dveří a
Propustnost
Poměr A/Aw
Těsné
0,70.10-4
Průměrné
0,21.10-3
Netěsné
0,42.10-3
Velmi netěsné
0,13.10-2
Těsné
0,14.10-4
Průměrné
0,11.10-3
2
stěnách, ale ne kolem dveří a oken) Výtahové šachty (zahrnuje netěsnosti ve stěnách, ale ne kolem dveří) Podlahy (zahrnuje konstrukční netěsnosti)
Netěsné
0,35.10-3
Těsné
0,18.10-3
Průměrné
0,84.10-3
Netěsné
0,18.10-2
Těsné
0,66.10-5
Průměrné
0,52.10-4
Netěsné
0,17.10-3
A … plocha pronikání, Aw … plocha stěny nebo podlahy Pro přesnější výpočty je nutné zohlednit konkrétní parametry posuzovaných prostor. V současné době neexistuje jednotná metodika pro posuzování pronikání kouře ze zdrojové místnosti (místnost, kde dochází k rozvoji požáru) do přilehlých prostor a z toho vyplývající úroveň nebezpečí v chráněných oblastech. Jako vhodné se jeví posuzování pohybu kouře a jeho vlivu na člověka požárními modely. Rozdělení objektů do dílčích částí vytvořením pasivních zábran patří mezi nejstarší metody kouřového managementu. Zředění kouře Zředění kouře, někdy také označováno jako čištění kouře, je užíváno zejména ve vztahu k bezpečné koncentraci kouře v prostoru, který je vystaven jeho pronikání. Tento způsob zajištění bezpečnosti osob může být efektivní pouze v případech, kdy objem pronikajícího kouře je malý oproti objemu prostoru, kde dochází k jeho pronikání nebo k rychlosti přívodu čerstvého vzduchu a odstraňování kouře. Zředění kouře bývá s úspěchem využíváno rovněž v průběhu hasebního zásahu nebo po jeho ukončení hasičskými jednotkami. Odborníci zabývající se požární ochranou mohou mít nereálné představy o účincích zřeďování kouře. Metodu zřeďování kouře je vhodné aplikovat v prostorách navazujících na prostor, kde dochází k rozvoji požáru. Ve vlastním prostoru, kde se požár rozvíjí, je využití zmíněné metody zpravidla neefektivní. Koncentraci zplodin hoření lze podle [2] vyjádřit rovnicí C = e − at C0
(5)
kde C0 C a t
… … … …
počáteční koncentrace zplodin hoření [obj. %] koncentrace zplodin hoření v čase t [obj. %] rychlost čištění vyjádřená počtem výměn vzduchu za minutu [min-1] doba po ukončení pronikání zplodin hoření do prostoru nebo doba, kdy se zastavila produkce zplodin hoření [min]
Při výpočtech se předpokládá rovnoměrné rozložení kouřových plynů v prostoru. Intenzitu výměny vzduchu pro dosažení koncentrace C lze podle [1, 2] stanovit rovnicí
3
1 C a = ⋅ ln 0 t C
[min-1]
(6)
[min]
(7)
Dobu dosažení koncentrace C lze stanovit rovnicí t=
1 C0 ⋅ ln a C
Doba dosažení koncentrace C [min]
Možná aplikace vztahu (7) je znázorněna na obr. 1. Předpokládejme koncentraci C oxidu uhličitého 5 % obj. Podle [4] lze uvedenou koncentraci oxidu uhličitého považovat za životně nebezpečnou až při půlhodinovém působení. Počáteční koncentrace oxidu uhličitého byly stanoveny na 5, 10, 15, 20 a 30 % obj. Rychlosti čištění vzduchu byly stanoveny na 0,5, 1, 3, 6 a 10 výměn vzduchu za hodinu. 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 5
10
15
20
30
Počáteční koncentrace zplodin hoření [obj. %] 0,5 za hod.
1 za hod.
6 za hod.
10 za hod.
3 za hod.
Obr. 1 Znázornění doby dosažení koncentrace C Grafické znázornění doby dosažení koncentrace C lze považovat pouze za schématické znázornění využitelnosti rovnice (7). Ve skutečnosti dochází k působení kumulativních a synergických účinků zplodin hoření a celkové posouzení toxického působení na člověka je záležitosti nepoměrně složitější. Ve skutečnosti není možné rovněž zajistit, aby koncentrace zplodin hoření byla stejná v celém prostoru. Z důvodu vztlaku bývá zpravidla vyšší koncentrace v blízkosti stropní konstrukce. Otvor pro odvod kouře umístěný ve stropní konstrukci a otvor pro přívod vzduchu umístěný v blízkosti podlahy tedy zajistí rychlejší zředění kouře než vyplývá z výše uvedených rovnic. Umístění otvorů zajišťujících výměnu plynů je nutné věnovat značnou pozornost. Otvory musí být umístěny tak, aby nedocházelo k přisávání vzduchu znečištěného kouřem. V zahraničí byly prováděny výzkumy srovnávající nejvyšší přípustnou úroveň snížení viditelnosti a toxicitu kouře. Z výzkumů vyplývá, že přípustná úroveň snížení viditelnosti je až 100-krát větší než přípustná úroveň toxicity. Je nutné přiznat, že zkoumání toxicity kouře, je záležitostí složitou a v mnohých ohledech individuální. Vyrovnání tlaku Metoda vyrovnání tlaku vytváří proudění vzduchu o vysokých rychlostech kolem zavřených
4
otvorů a spár stavebních konstrukcí. Vzduch proudící vysokými rychlostmi ve spárách o malých rozměrech zabraňuje pronikání kouře do přilehlých prostor. Princip řešení je znázorněn na obr. 2.
Kouř
+ ∆P, ρo V
Tg
- ∆P
Místnost se zdrojem požáru
Q
Obr. 2 Zamezení šíření kouře do sousedních prostor metodou vyrovnání tlaku Objemový průtok vzduchu spárami stavebních konstrukcí nebo kolem uzavřených otvorů lze podle [1] stanovit rovnicí V = C ⋅ A⋅
2∆P ρo
[m3.s-1]
(8)
kde V C A ∆P ρo
… ... ... ... ...
objemový průtok vzduchu [m3.s-1] výtokový součinitel [-] plocha pronikání [m2] tlaková diference [Pa] hustota okolního vzduchu (vzduch vstupující do oblasti pronikání plynů) [kg.m-3]
Výtokový součinitel závisí zejména na geometrii otvoru pronikání, turbulenci a tření. V obecných případech lze hodnotu výtokového součinitele stanovit v rozsahu 0,6 až 0,7. Za předpokladu hustoty vzduchu ρo = 1,2 kg.m-3 a hodnoty výtokového součinitele C = 0,65, lze rovnici (8) upravit do tvaru V = 0,839 ⋅ A ⋅ ∆P
[m3.s-1]
(9)
Metoda vyrovnání tlaku je nejvíce využívána ve schodišťových prostorách. Schodišťové prostory jsou mnohdy navrhovány tak, aby po určitou dobu vytvořili bezpečné prostředí pro únik osob, které se nacházejí ve stavebních objektech (např. chráněné únikové cesty). Při návrhu systémů vyrovnání tlaku je nutné zohlednit řadu souvisejících vlivů (např. rozdílné tlakové diference v různých výškách, kolísání tlaku při otevírání a uzavírání komunikačních otvorů). Problematika vlastního návrhu systémů vyrovnání tlaku může být dosti složitá. Z tohoto důvodu doporučuji využít dostupné požární modely. Toky vzduchu Teoreticky lze využít toků vzduchu pro omezení nebo úplné zastavení šíření kouře otvory. Metoda toků vzduchu je využívána zejména v otevřených vchodech a koridorech. Pro zajištění funkce této metody jsou potřebné velké rychlosti proudění vzduchu.
5
Šíření kouře otvorem je znázorněno na obr. 3.
Kouř
Tg +∆P Směr šíření kouře
Q
Místnost se zdrojem požáru
Obr. 3 Šíření kouře otvorem Zamezení šíření kouře metodou toků vzduchu je znázorněno na obr. 4.
Tg
Kouř
+∆P, ρo v
Místnost se zdrojem požáru
Q
Obr. 4 Zamezení šíření kouře metodou toků vzduchu Zamezení šíření kouře pouze tokem vzduchu není užíváno ve stavbách příliš často. Problémem je zejména požadovaná menší intenzita toku vzduchu v případě uzavřených otvorů a následně významný nárust intenzity toku vzduchu při otevření otvorů. Rychlost toku vzduchu pro zamezení šíření kouře koridorem lze podle [2] stanovit rovnicí g ⋅Q v = K ⋅ w ⋅ ρ o ⋅ c p ⋅ Tg
1
3
[m.s-1]
kde v Q w ρo cp Tg K g
… ... ... ... ... ... ... ...
rychlost toku vzduchu [m.s-1] uvolňovaný tepelný tok [kW] šířka koridoru [m] hustota okolního vzduchu [kg.m-3] měrná tepelná kapacita kouřových plynů [kJ.kg-1.K-1] teplota kouřových plynů (směsi vzduchu a kouře) [K] konstanta (K ≥ 1 ) [-] gravitační zrychlení [m.s-2]
6
(10)
Za předpokladu hustoty okolního vzduchu ρo = 1,2 kg.m-3, měrné tepelné kapacity kouřových plynů cp = 1,005 kJ.kg-1.K-1, teploty kouřových plynů Tg = 300 K a hodnoty K = 1, lze rovnici (10) upravit do následujícího tvaru Q v = 0 ,3 ⋅ w
1
3
[m.s-1]
(11)
Využití rovnice (11) je znázorněno na obr. 5. Šířky otvorů byly stanoveny v rozměrech 0,9, 1,45, 3, 5 a 10 m.
Rychlost toku vzduchu [m/s]
4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1
100
500
1000
1500
2000
Tepelný tok [kW] 0,9 m
1,45 m
3m
5m
10 m
Obr. 5 Stanovení rychlosti vzduchu pro zamezení šíření kouře koridorem Výše uvedené rovnice nejsou vhodné pro případy, kdy jsou v hodnocených prostorách instalovány sprinklery. Ve zmíněných případech dochází k velmi malým teplotním rozdílům vzduchu a kouřových plynů a hodnoty získané rovnicemi mohou být poddimenzované. Z hlediska praxe je popisovaná metoda využitelná do požadované rychlosti proudění vzduchu 1,5 m.s-1. Při vyšších požadavcích je využití metody toků vzduchu značně neekonomické. Vztlakový efekt Zvyšování teploty plynů důsledkem požáru způsobuje snižování hustoty plynů a tím dochází k tvorbě vztlakového efektu. Vztlakový efekt je využíván jak u přirozených, tak u nucených systémů a to zejména u prostor, které mají větší světlou výšku (např. atria, nákupní střediska, sportovní haly). Při navrhování systémů s využitím vztlaku vznikajícího při požáru se postupuje podle jednoho z následujících principů w
kouř vyplňuje stanovený objem
Uvedený způsob řešení je využíván u prostor, které jsou vybaveny dostatečně velkými kumulačními prostory pro vznikající kouř. V průběhu kumulace kouře dochází k evakuaci osob z ohrožených prostor objektu. Doba poklesu kumulované vrstvy kouře musí být dostatečná pro rozhodovací proces osob, které se zde nachází a pro jejich bezpečnou evakuaci. w
nestabilní hladina kouře
7
Při využití tohoto způsobu řešení se kouř kumuluje ve stanovených prostorách a následně je odváděn mimo objekt. Objemové množství kouře odvedené do vnějšího prostředí je menší než vlastní intenzita jeho tvorby. Postupně dochází k poklesu kumulované vrstvy kouře. Doba poklesu vrstvy kouře musí být dostatečná pro rozhodovací proces osob, které se zde nachází a pro jejich bezpečnou evakuaci. w
stabilní hladina kouře
Při využití tohoto způsobu řešení se kouř kumuluje ve stanovených prostorách a následně je odváděn vně objekt. Objemové množství kouře odvedené do vnějšího prostředí odpovídá intenzitě tvorby kouře pro předpokládaný návrhový požár.
Využití modelování požáru v souvislosti s popisovanou problematikou Posuzování pohybu kouře v návaznosti na zajištění bezpečné evakuace osob z objektu je mnohdy záležitosti poměrně složitou. Pro posuzování dané problematiky lze využít zejména modelování požáru. Pro praktické aplikace jsou využitelné zejména deterministické zónové modely. Zónové modely rozdělují posuzovanou oblast do několika odlišných částí, které jsou charakterizovány parametry závislými na čase. Zpravidla se používá dvou zón, kde jednou zónou je dolní studená vrstva a druhou potom horní horká vrstva spolu se vzestupným proudem zplodin hoření nad ohniskem požáru. Každá zóna je považována za homogenní, tj. v každém místě zóny je stejná teplota, hustota, koncentrace plynů apod. Zónové modely jsou založeny na řešení rovnic zachování energie, hmoty a hybnosti. Pro posuzování výše uvedené problematiky se jeví jako vhodné využití modelů ASCOS, ASET, ASMET, FPEtool, CCFM, CFAST apod. Standardy pro navrhování jsou rozvedeny zejména zahraničními předpisy (např. NFPA 92 B).
Předpisy a metodiky na území ČR související s popisovanou problematikou Při posuzování určitých typů stavebních objektů (zejména obchodních center, velkoprodejen, objektů, kde dochází ke kumulaci prodejen a jejich propojení s atrii apod.) stanoví technická norma ČSN 73 0802 požadavek na posouzení ohrožení osob plynnými zplodinami hoření. Posouzení je rozděleno na posouzení průvodních jevů požáru na nechráněných únikových cestách a v chráněných únikových cestách [6, 7]. Hodnocení evakuace osob v chráněných únikových cestách je založeno na posuzování pronikání kouřových plynů z přilehlých prostor, kde se předpokládá možný vznik požáru, do chráněné únikové cesty a stanovení způsobů provětrávání cest tak, aby unikající osoby nebyly ohroženy plynnými produkty hoření. Mechanismus posuzování ohrožení osob v chráněných únikových cestách je záležitostí specifickou. Ve smyslu ČSN 73 0802 lze evakuaci osob po nechráněné únikové cestě považovat za vyhovující, pokud unikající osoby jsou evakuovány z hořícího prostoru v časovém limitu, kdy plynné zplodiny hoření nezaplní prostor do úrovně 2,5 m nad podlahou. Časový limit, kdy lze pobyt v postiženém prostoru považovat za bezpečný, se stanoví podle empirické rovnice uvedené v technickém předpisu nebo podle množství uvolněných plynných zplodin hoření 8
stanoveném jinými metodami. Obdobný princip posuzování je rozveden rovněž v ČSN 73 0831 [8]. Zásady pro navrhování požárního odvětrání stavebních objektů stanoví Příloha H ČSN 73 0802. Při návrzích lze rovněž využít principy rozvedené v AKTUAL bulletinu Speciál 20 Požární odvětrání stavebních objektů s návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804 [3]. Pro prognózu tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního lze využít také systém nomogramů zpracovaný s vazbou na tzv. charakteristické druhy požáru [5]. Posuzování pohybu plynů ve stavebních objektech je zpravidla individuální záležitostí vyžadující zohlednění řady konkrétních podmínek.
Závěr Z požárů z posledních let je zřejmé, že značná část poškození zdraví nebo úmrtí lidí je způsobena plynnými zplodinami hoření. Rychlost tvorby plynných zplodin hoření a jejich šíření stavebními objekty představují zásadní otázku pro posouzení ohrožení osob. Moderní pojetí ochrany osob před účinky požáru vyžaduje zaměřit pozornost zejména na zkoumání nebezpečí vyplývajícího z plynů, které doprovázejí rozvoj požáru, jejich šíření stavebními objekty a návrh recipročních opatření pro zajištění bezpečnosti osob. Vlastní rizikovost působení kouřových plynů vedla ke vzniku soustavy bezpečnostních opatření sloužících ke kontrole kouře v uzavřených prostorách, tzv. „smoke management“. Systém kontroly kouře zahrnuje metody, které mohou být použity samostatně nebo v kombinaci pro ovlivnění negativních vlivů kouře ve prospěch osob nacházejících se v objektech ohrožených požárem a zasahujících hasičských jednotek.
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]
Klote, H. J.: Smoke control. SFPE Handbook of Fire Protection Engieneering, 2nd Edition, Section 4, Chapter 12. Quincy, National Fire Protection Association.
[3]
Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s.
[4]
Orlíková, K., Štroch, P.: Chemie procesů hoření. Ostrava, SPBI, 1999, 87 s., ISBN 8086111-39-3.
[5]
Pokorný, J.: Doktorská disertační práce, Zplodiny hoření, jejich tvorba a vliv na bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, 1997, 102 s.
[6]
ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb - Nevýrobní objekty. Praha, Český normalizační institut, 2000, 117 s.
[7]
Reichel, V.: Výklad ČSN 73 0802 PBS - Nevýrobní objekty. Praha, Čuhel Oskar ve spolupráci s MV- ředitelstvím HZS ČR, 2000, 121 s.
9
[8]
ČSN 73 0831 Požární bezpečnost staveb - Shromažďovací prostory. Praha, Český normalizační institut, 2001,32 s.
10
