Posuzování kouřových plynů v atriích s aplikací kouřového managementu Ing. Jiří Pokorný, Ph.D. Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Těšínská 39, 746 01 Opava e-mail:
[email protected]
Klíčová slova atria, kouř, plyny, plnění, ASMET
Abstrakt Příspěvek se zabývá rozborem posuzování kouřových plynů v prostorách atrií nebo v prostorách obdobných. V textu je proveden rozbor dimenzování návrhového požáru, možnosti posuzování dílčích zájmových charakteristik souvisejících s tvorbou a šířením kouře a základní principy kouřového managementu pro prostory s atriovým charakterem. V závěru jsou shrnuta základní specifika související s posuzováním kouřových plynů v těchto prostorách.
Úvod Stavební prostory s charakterem atrií se v posledních letech stávají samozřejmostí. Obdobně jako v atriích se plynné zplodiny hoření chovají ve velkých otevřených prostorách jako jsou nákupní haly, pasáže, sportovní arény, výstavní síně a letadlové hangáry. Tradiční metody ochrany proti průvodním účinkům požáru spočívající v dělení objektu na požární úseky, instalaci požárně bezpečnostních zařízení ve standardním pojetí a realizaci souvisejících opatření, nemusí být v objektech zmíněného charakteru dostatečně účinné. Pro posuzování dané problematiky lze využít modelování požáru. V daném případě se jako vhodný jeví zejména deterministický zónový model požáru ASMET (Atria Smoke Management Engineering Tools). Metodiku modelu lze využít k posuzování rychlosti tvorby plynných zplodin hoření, ke stanovení průměrných teplot plynů a teplot v ose sloupce kouřových plynů, ke stanovení výšky plamene a doby plnění kumulačního prostoru. Uvedený požární model umožňuje simulace s konstantními vstupními parametry nebo parametry s časovou závislostí. Model ASMET zahrnuje principy řešení softwarů Harvard kodex (vytvořený v roce 1981), ASET (vytvořený v roce 1985), BRI model (vytvořený v roce 1983), CCFM (vytvořený v roce 1990) a CFAST (vytvořený v roce 1993). Principy řešení modelu ASMET jsou dále využity v zahraničních předpisech (např. NFPA 92 B, část 5 připravované normy EN 12 101).
1
Návrhový požár Pro posuzování kouřových plynů v prostorách atrií je nutné provést přiblížení rozvoje požáru ve sledovaném časovém intervalu. V zásadě lze využít idealizovaného modelu konstantního požáru (uvolňovaný tepelný tok je konstantní hodnotou) nebo požáru s postupným rozvojem (uvolňovaný tepelný tok je funkcí času). V mnohých atriích je cíleně omezováno množství hořlavých materiálů se záměrem omezit případný rozvoj požáru. Opačným případem jsou situace, kdy dochází v prostorách atrií k přechodnému nebo trvalému umísťování hořlavých materiálů. Iniciace přechodně nebo trvale umístěných hořlavých materiálů v prostorách atrií může vést ke vzniku rozsáhlých požárů. Tyto případy zpravidla vyžadují podrobnější rozbor dimenzace návrhového požáru. Na základě výzkumů a zahraničních vědeckých prací [1] byly pro konstantní požár v atriích přijaty hodnoty uvedené v tab. 1. Tab. 1 Uvolňovaný tepelný tok pro konstantní požár Charakteristika požáru
Tepelný tok [kW]
Hustota tepelného toku [kW.m-2]
2000
225
5000
500
Minimální rozvoj požáru pro atria s omezeným množstvím hořlavých materiálů Minimální rozvoj požáru pro atria s hořlavými materiály Rozsáhlé požáry
25000
Dimenzace návrhového požáru s uvolňováním tepelného toku v závislosti na čase je podrobněji rozvedena v dostupné technické literatuře [3]. Charakteristický rozvoj požáru pro prostory atrií je znázorněn na obr. 1. 30000
kv = 150 s.MW-1/2
Tepelný tok [kW]
25000 20000
Křivka rychlého rozvoje požáru
15000 10000 5000 0 0
180
360
540
720
960
1320 1680
Čas t [s] 2 MW
5 MW
25 MW
Obr. 1 Charakteristický rozvoj požáru pro prostory atrií
2
Posuzování dílčích charakteristik souvisejících s tvorbou a šířením kouře v prostorách atrií V roce 1956 byla v zahraničí provedena analýza rychlosti toku kouřových plynů. Pro analýzu byl uvažován bodový zdroj požáru. Pro určitou výšku nad zdrojem požáru bylo množství vzduchu přisávaného do sloupce kouřových plynů považováno za úměrné k rychlosti tvorby plynných zplodin hoření v dané výšce. Na základě této analýzy a pozdějších výzkumů byly vytvořeny následující matematické vztahy [1]. Nad zdrojem požáru v uzavřeném prostoru dochází k tvorbě sloupce kouřových plynů. Plyny stoupají ke stropní konstrukci a formují pod stropem vrstvu plynných zplodin hoření. Horké plyny se mohou přes otvory v ohraničujících konstrukcích šířit do dalších prostor. Na obr. 2a je zobrazeno šíření kouřových plynů v prostorách atrií. Na obr. 2b je zobrazen idealizovaný stav rozvrstvení kouřových plynů v prostorách atrií. Odvod
Odvod
Zdroj požáru
Zdroj požáru
a) Šíření kouřových plynů v atriích
b) Idealizované rozvrstvení kouřových plynů
Obr. 2 Šíření a rozvrstvení kouřových plynů v prostorách atrií Hmotnostní tok kouřových plynů Množství plynných zplodin hoření je u toku s možnou korekcí stanoveno následujícím vztahem
[
M = 0,071 ⋅ Qk3 ⋅ (z - zo ) 3 ⋅ 1 + 0,026 ⋅ Qk3 ⋅ (z - zo )− 1
kde M Qk z z0
5
2
5
3
]
[kg.s-1]
(1)
množství plynných zplodin hoření [kg.s-1] tepelný tok uvolněný konvekcí [kW] výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] virtuální počátek sloupce kouřových plynů [m]
Pro stanovení virtuálního počátku sloupce kouřových plynů z0 byl vytvořen následující vztah z 0 = 0,083 ⋅ Q 5 - 1,02 ⋅ D f 2
kde z0
[m]
virtuální počátek sloupce kouřových plynů [m]
3
(2)
Q Df
tepelný tok [kW] charakteristický rozměr požáru [m]
Konvektivní poměr tepelného toku lze vyjádřit rovnicí Qk = ξ ⋅ Q kde Qk ξ Q
[kW]
(3)
tepelný tok uvolněný konvekcí [kW] konvektivní zlomek tepla [-] tepelný tok [kW]
Pro konvektivní poměr tepelného toku používá metodika ASMET standardně hodnotu ξ = 0,7. V souladu s principy připravované Evropské normy EN 12 101 je vhodnější uvažovat konvektivní poměr tepelného toku ξ = 0,8 (80 % celkové uvolněné tepelné energie). Stanovení množství kouřových plynů s využitím rovnice (1) je znázorněno na obr. 3. 4500
Množství kouře M [kg.s -1]
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 Stanovení množství kouřových plynů Teploty plynů Teplotu kouřových plynů lze stanovit rovnicí T g = T0 + kde Tg T0 Qk M cP
Qk M ⋅ cP
[K]
teplota plynných zplodin hoření [K] teplota okolního vzduchu [K] konvektivní tepelný tok [kW] množství plynných zplodin hoření [kg.s-1] měrná tepelná kapacita plynů [kJ.kg-1.K-1]
4
(4)
Teplotu v ose sloupce kouřových plynů lze stanovit rovnicí T0 Tcp = T0 + 9,1 ⋅ g ⋅c2 ⋅ ρ 2 p 0 kde Tcp T0 g cP ρ0 Qk z z0
1
3
2
Qk 3
[K]
(z − z 0 ) 3 5
(5)
teplota v ose sloupce kouřových plynů [K] teplota okolního vzduchu [K] gravitační zrychlení [m.s-2] měrná tepelná kapacita plynů [kJ.kg-1.K-1] hustota okolního vzduchu [kg.m-3] konvektivní tepelný tok [kW] výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] virtuální počátek sloupce kouřových plynů [m]
Srovnání průměrných teplot a teplot plynů v ose kouřového sloupce je znázorněno na obr. 4. Při vypracování obrázku byla hodnota virtuálního počátku sloupce kouřových plynů z0 zanedbána. Vzhledem ke značným výškám prostor atrií lze pro grafické srovnání považovat toto zjednodušení za přijatelné.
400 350
Teplota plynů [ 0C]
300 250 200 150 100 50 0 10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Výška z [m] 2 MW (mimo osu)
5 MW (mimo osu)
25 MW (mimo osu)
2 MW (osa)
5 MW (osa)
25 MW (osa)
Obr. 4 Srovnání průměrných teplot a teplot plynů v ose kouřového sloupce Průměrné teploty plynů pro konstantní požáry charakteristické pro prostory atrií (tab. 1) jsou znázorněny na obr. 5.
5
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. 5 Průměrné teploty plynů v atriích Stanovení výšky plamene Výšku plamene lze stanovit rovnicí z f = 0,235 ⋅ Q kde zf Q Df
2
5
− 1,02 ⋅ D f
[m]
(6)
[m]
(7)
výška plamene [m] tepelný tok [kW] charakteristický rozměr požáru [m]
Rovnice (6) byla aproximací zjednodušena na tvar z f = 0,166 ⋅ Q
2
5
V případě, že výška plamene zf je větší než výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem z, nelze rovnici (1) aplikovat.
Základní principy kouřového managementu pro prostory atrií Prioritou pro zpracování návrhů kouřového managementu v prostorách atrií je zajištění bezpečné evakuace osob. Pro management kontroly kouře v atriích je možné vycházet ze všeobecných principů řešení. V zásadě lze využít následujících možností a) b)
kouř postupně vyplňuje stanovený objem prostoru (plyny nejsou odváděny vně atriový prostor), je zachována stabilní hladina kouře s odvodem plynů vně atriový prostor,
6
c)
je navržena nestabilní hladina kouře s odvodem plynů vně atriový prostor.
Návrhy jsou prováděny pro konstantní požár nebo pro požár, kdy rychlost uvolňovaného tepelného toku je funkcí času. Pro posuzování ohrožení osob v případech, kdy kouř postupně vyplňuje stanovený objem prostoru a plyny nejsou odváděny vně atria, lze využít následující matematické vztahy [1]. Plnění prostor kouřovými plyny při konstantním požáru Plnění prostoru při konstantním požáru lze stanovit rovnicí 1 −4 t ⋅Q 3 ⋅ H 3 z = 1,11 − 0,28 ⋅ ln A H H2 kde z H t Q A
(8)
výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] výška stropní konstrukce nad ohněm [m] doba plnění [s] tepelný tok [kW] plocha atria [m2]
Rovnice (8) je odvozena na základě úvahy, že tvořící se sloupec kouřových plynů nemá kontakt se stěnami a umožňuje volné přisávání vzduchu ze všech stran. Rovnicí lze stanovit místo první indikace kouře nad ohněm (počátek přechodové zóny1). Výsledné hodnoty získané rovnicí (8) lze tedy považovat za konzervativní. Rovnice je vhodná k použití za předpokladu poměru A/H2 = 0,9 až 14 a hodnoty z ≥ 0,2 H (musí být splněny obě podmínky). Využití rovnice (8) pro stanovení výšky mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem pro konstantní požár je znázorněno na obr. 6. Následující obrázek byl vytvořen za předpokladu plochy atria 500 m2 a výšek prostorů 3, 6 a 9 m.
1
U skutečných požárů je přechod mezi nezakouřenou částí prostoru a kumulovanou vrstvou plynů pozvolný (tzv. přechodová zóna).
7
10 9 8
Výška z [m]
7 6 5 4 3 2 1 0 0
10
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Čas t [s]
3 m (2 MW) 3 m (5 MW) 3 m (25 MW)
6 m (2 MW) 6 m (5 MW) 6 m (25 MW)
9 m (2 MW) 9 m (5 MW) 9 m (25 MW)
Obr. 6 Stanovení výšky mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem Plnění prostor kouřovými plyny pro požár, kdy rychlost uvolňovaného tepelného toku je funkcí času Plnění prostoru kouřovými plyny při rozvíjejícím se požáru lze stanovit rovnicí −3 z −4 A 5 −2 5 5 = 0,91 ⋅ t ⋅ k v ⋅ H ⋅ 2 H H
kde z H t kv A
−1, 45
(9)
výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m] výška stropní konstrukce nad ohněm [m] doba plnění [s] růstová konstanta [s.MW-1/2] plocha atria [m2]
Výsledné hodnoty získané rovnicí (9) lze ze shodných důvodů jako u rovnice (8) považovat za hodnoty konzervativní. Rovnice je vhodná k použití za předpokladu poměru A/H2 = 1 až 23 a hodnoty z ≥ 0,2 H (musí být splněny obě podmínky). Využití rovnice (9) pro stanovení výšky mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem pro požár, kdy rychlost uvolňovaného tepelného toku je funkcí času je znázorněno na obr. 7. Následující obrázek byl vytvořen za předpokladu plochy atria 500 m2 , výšek prostorů 3, 6 a 9 m a tzv. charakteristických druhů požáru (střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru).
8
10 9 8
Výška z [m]
7 6 5 4 3 2 1 0 0
10
30
60
90
120 150 180 210 240 270 300 Čas t [s]
3 m (75)
6 m (75)
9 m (75)
3 m (150)
6 m (150)
9 m (150)
3 m (300)
6 m (300)
9 m (300)
Obr. 7 Stanovení výšky mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem Využití rovnice (9) pro stanovení doby dosažení stanovené bezpečné úrovně kouře je znázorněno na obr. 8. Následující obrázek byl vytvořen za předpokladu plochy atria 1000 m2, bezpečné výšky prostoru 3 m a tzv. charakteristických druhů požáru (pomalý kv = 600 s.MW-1/2, střední kv = 300 s.MW-1/2, rychlý kv = 150 s.MW-1/2 a velmi rychlý rozvoj požáru kv = 75 s.MW-1/2). 14 12
Čas t [min]
10 8 6 4 2 0 3,5
5
6,5
8
9,5
11
12,5
14
Výška stropu nad ohněm H [m] k = 75
k = 150
k = 300
k = 600
Obr. 8 Doba dosažení stanovené bezpečné úrovně kouře
9
K obdobným výsledným hodnotám vede využití zónového modelu CFAST [2], případně prognóza s využitím nomogramů pro charakteristické druhy požáru [4].
Kumulace teplých plynů vznikajících při provozu atrií Důsledkem slunečního záření na střechy atrií nebo obdobných prostor dochází v jejich horních částech ke kumulaci nahřáté vrstvy vzduchu. Přestože podrobné studie týkající se této problematiky nebyly dosud prováděny, lze předpokládat, že teplota nahřátých vrstev může činit i více než 50 °C. Teploty pod touto vrstvou jsou ovlivněny topením a klimatizačními systémy. V případě, že průměrná hodnota teploty sloupce kouřových plynů tvořícího se při požáru je nižší než teplota nahřáté vrstvy, budou se plynné zplodiny hoření kumulovat pod touto vrstvou. Při hodnocení je nutné uvedenou skutečnost zohlednit. Kumulace plynných zplodin hoření pod nahřátou vrstvou je znázorněna na obr. 9.
Nahřátá vrstva vzduchu
Zdroj požáru
Obr. 9 Kumulace plynných zplodin hoření pod nahřátou stropní vrstvou V případě, že jsou v částech, kde dochází ke kumulaci nahřáté vrstvy vzduchu, instalovány kouřové nebo teplotní detektory, je zřejmé, že jejich funkce může být nahřátou vrstvou vzduchu značně ovlivněna. V některých případech bude reakce detektorů zpožděná nebo nenastane vůbec. Řešením je instalovat detektory pod předpokládanou nahřátou vrstvou.
Závěrečná shrnutí Prostory s charakterem atrií mají z hlediska aplikace preventivních opatření proti rozvoji požáru řadu specifických vlastností odchylných od běžných prostor ve stavebních objektech. Jde zejména o následující charakteristické odchylky 1. V prostorách atrií není zpravidla možné aplikovat standardní dělení objektu na požární úseky. 2.
Kouřové plyny, které se kumulují v horních částech atrií, mají zejména v době rozvoje požáru nízkou teplotu. Ke snížení teploty plynných zplodin hoření dochází především 10
z důvodu přisávání značného množství okolního vzduchu do sloupce kouřových plynů. Nízká teplota kouřových plynů může způsobit rozvrstvování kouře v různých výškách prostoru. 3.
V prostorách s výškou větší než 10 m, tedy také v prostorách atrií, je omezená účinnost detekčních a hasicích zařízení. Důvodem je snížení teploty plynných zplodin hoření mezi ohniskem požáru a instalovanými detekčními a hasicími zařízeními. Následkem snížení teploty kouřových plynů dochází ke zpoždění reakce uvedených zařízení.
4.
V horních částech atriových prostor dochází důsledkem provozu ke kumulaci vzduchu o vyšších teplotách. Teplejší vzduch vytváří tzv. vzduchový polštář, který zabraňuje proudění kouřových plynů do horních vrstev. Vzduchový polštář brání nejen kumulaci plynů v nejvyšších místech prostoru atrií, ale rovněž znesnadňuje indikaci kouřových plynů samočinnými systémy (tepelné a kouřové detektory) a návazně tedy zpožďuje reakci celé řady bezpečnostních prvků.
Na základě publikovaného příspěvku a výzkumů probíhajících v zahraničí (zejména v Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, USA), lze odvodit následující závěry 1. Pro posuzování tvorby kouřových plynů v prostorách atrií je nutné provést reálný návrh požáru odpovídající danému konkrétnímu prostoru. Rozbor dynamiky požáru může být proveden ve více variantách a pro posuzování lze využít nejméně příznivé vstupní hodnoty. 1.
Prostory s charakterem atrií umožňují kumulaci kouřových plynů ve značných objemech. V případě, že do doby ukončení evakuace nedochází k ohrožení osob kouřovými plyny, které se kumulují v horních částech prostoru, není z pohledu zajištění bezpečného úniku osob nutné odvádět kouřové plyny vně objekt. Tuto úvahu ovšem nelze zevšeobecnit. Požadavek na odvod kouře do volného prostoru může vyplynout z jiných důvodů (např. usnadnění hasebního zásahu).
2.
Při posuzování rozvoje a šíření kouřových plynů je nutné zohlednit kumulaci teplejších plynů, které jsou charakteristické pro běžný provoz atrií. Součásti hodnocení by mělo být posouzení minimální energie nutné pro překonání teplotního rozdílu a následně doba dosažení této energie. Do okamžiku dosažení minimální energie k překonání teplotní diference se budou plyny kumulovat pod vrstvou teplejších plynů vznikajících při provozu.
3.
Využití uvedených matematických vztahů je podmíněno znalostí mezních aplikačních podmínek vymezených jejich autory.
4.
Pohyb plynných zplodin hoření mezi prostory atrií a prostory přilehlými je záležitostí mnohdy značně složitou a vyžaduje další výzkumy.
5.
V oblastech využití jiných metod kouřového managementu pro zabránění šíření kouře z přilehlých prostor do atrií (např. metody toků vzduchu) a využití samočinných hasicích zařízení v uvedených prostorách je nutný další výzkum.
11
Literatura [1]
Klote, H. J.: Method of Prediction Smoke Movement in Atria With Apllication to Smoke Management. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 1994, 98 s.
[2]
Peacock, D. R., Reneke, A. P., Jones W. W., Forney, P. G.: A Technical Reference for CFAST: An Engineering Tool for Estimating Fire and Smoke Transport. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 2000, 171 s.
[3]
Pokorný, J.: Rozbor tepelného namáhání pro potřeby modelování požáru. Praha, MVgenerální ředitelství HZS ČR jako přílohu časopisu 150-HOŘÍ č. 12/02, 2002, s. 1214, ISSN 0862-8467.
[4]
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.
12
