Srovnání metod pro posuzování kouřových plynů z hlediska kvantitativního 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, srovnání, kvantitativní
Abstrakt Příspěvek se zabývá srovnáním metod pro posuzování tvorby kouřových plynů z hlediska kvantitativního. Pro potřeby srovnání byla odvozena požadovaná srovnávací kritéria. Hodnocené metody byly srovnány z hlediska kvantity a kvality požadovaných vstupních hodnot a z hlediska diferencí získaných výsledků. Výstupní hodnoty byly podkladem pro závěrečná zevšeobecnění.
Úvod Kouřové plyny (dále také plynné zplodiny hoření), vznikající jako jeden z průvodních jevů při požáru, mají zcela zásadní význam na bezpečnost osob, nacházejících se ve stavebních objektech. Doba, po kterou se mohou osoby zdržovat v prostoru, kde dochází k vývinu plynných zplodin hoření, aniž by došlo k jejich ohrožení, je ovlivněna řadou aspektů (rychlost odhořívání látek, rychlost šíření požáru, geometrické parametry prostoru apod.). Obr. 1 znázorňuje značné množství kouře doprovázející průběh požáru.
Obr. 1 Kouřové plyny jako jeden z průvodních jevů požáru
1
Metody pro posuzování kouřových plynů z hlediska kvantitativního Na výzkumných pracovištích jsou zkoumány jevy provázející požár a vyvíjeny metodiky pro jejich posuzování (např. Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, USA). Rozsah metod zabývajících se posuzováním kouřových plynů je poměrně značný. Ke srovnání metod zabývajících se posuzováním tvorby kouře z hlediska kvantitativního byly využity w Hinkleyho metoda, w metoda prof. Torbena Jakobsena, w metodika FIRECALC, w metodika ASMET, w metodika FPEtool a CFAST. Matematické vyjádření jednotlivých metod je rozvedeno v dostupné technické literatuře [1, 3, 4, 5, 6, 7 a 8]. Hinkleyho metoda a metodika ASMET jsou využity rovněž v části 5 připravované normy EN 12 101. Podrobnější popis uvedených metod překračuje možnosti tohoto příspěvku. Přehled uvedených metod zabývajících se posuzováním kouřových plynů z hlediska kvantity není v žádném případě možné považovat za komplexní. Pro potřeby srovnání byly vybrány metodiky, které mají různé teoretické principy řešení a v navazujících částech bude možné jejich srovnání z hlediska rozsahu a kvality požadovaných vstupních hodnot a diferencí výsledků. Výběr srovnávaných metod byl rovněž ovlivněn jejich dostupností pro technickou veřejnost.
Odvození základních charakteristik pro srovnání jednotlivých metod Uvolňovaný tepelný tok Oblast rozvoje požáru, která má z hlediska ohrožení osob kouřovými plyny největší význam, byla podrobena intenzivnímu výzkumu. Z výsledků výzkumu je zřejmé, že rozvoj požáru lze reálně popsat jednoduchými rovnicemi vyjadřujícími rychlost uvolňování tepla [9]. Pro praktické aplikace se často jako nejvhodnější jeví využití tzv. charakteristických druhů požáru (pomalý, střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru) [8].
Rychlost šíření požáru a rychlost odhořívání materiálů Z následujících odstavců příspěvku bude zřejmé, že jednotlivé metody zabývající se tvorbou kouřových plynů vyžadují zadání různých vstupních hodnot. Vstupní hodnoty se skládají z řady proměnných a konstant. Zpravidla se jedná o zadání uvolňovaného tepelného toku, výšky nad vrcholem hořlavých materiálů a frakčních zlomků tepelných ztrát (metodiky FIRECALC, ASMET, FPEtool a CFAST). V určitých případech je ovšem nutné zadat také například obvod požáru nebo teploty plynů (Hinkleyho metoda a metoda prof. Torbena Jakobsena). Z důvodu srovnatelnosti výsledných hodnot jednotlivých výpočtových metod, týkajících se stanovení tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního, bylo nutné vytvořit objektivní srovnávací kritéria. Jako příklad lze uvést odvození rychlosti šíření požáru a rychlosti odhořívání materiálů, na základě kterých je možné stanovit srovnatelný tepelný tok
2
odpovídající charakteristickému druhu tepelného namáhání. Další podrobnosti související s odvozením zmíněných veličin jsou rozvedeny v lit. [8]. Závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, rychlostmi šíření požárů, rychlostmi odhořívání materiálů a druhy hořících materiálů jsou uvedeny v tab. 1. Tab. 1 Závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, rychlostmi šíření požárů, rychlostmi odhořívání materiálů a druhy hořících materiálů Char. druh požáru Pomalý rozvoj požáru Střední rozvoj požáru Rychlý rozvoj požáru Velmi rychlý rozvoj požáru
Rychlost šíření Rychlost odhořívání požáru materiálů [m.min-1] [kg.m-2.min-1]
Převažující druh hořících materiálů
≤ 0,3
≤ 0,2
Pevný dřevěný materiál s horizontální orientací (podlaha)
≤ 0,4
≤ 0,3
Pevný dřevěný materiál (nábytek)
≤ 0,6
≤ 0,5
> 0,6
> 0,5
Lehký dřevěný materiál (skříně z překližky) Materiály na bázi textilií a plastů (čalouněná křesla)
Rychlosti šíření požárů a rychlosti odhořívání materiálů byly odvozeny za předpokladu, že převážná většina hmot nacházejících se v hořícím prostoru je na bázi dřeva nebo celulózy a jejich normová výhřevnost tedy odpovídá nebo se blíží výhřevnosti dřeva (H ≈ 17 MJ.kg-1).
Předpokládané průměrné teploty a hustoty kouřových plynů Pro srovnání uvedených metod posuzování tvorby plynů z hlediska kvantity, byly odvozeny tzv. průměrné teploty a hustoty plynů. Teplotu kouřových plynů lze stanovit rovnicí T g = T0 + kde Tg T0 Qk M cP
Qk M ⋅ cP
[K]
(1)
[kg.m-3]
(2)
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]
Hustotu kouřových plynů lze podle [2] stanovit rovnicí ρg = kde ρg Tg
354 Tg hustota kouřových plynů [kg.m-3] teplota plynných zplodin hoření [K]
Teploty a hustoty kouřových plynů pro charakteristické druhy požáru a stanovený časový interval jsou uvedeny v tab. 2.
3
Tab. 2 Průměrné teploty a hustoty kouřových plynů
Charakteristický druh požáru
Průměrná/Maximální teplota [K]
Průměrná/Maximální hustota plynů podle stanovené teploty [kg.m-3]
Pomalý rozvoj požáru
314/347
1,127/1,017
Střední rozvoj požáru
341/413
1,037/0,856
Rychlý rozvoj požáru
392/520
0,902/0,679
Velmi rychlý rozvoj požáru
467/645
0,757/0,548
Průměrná teplota kouřových plynů byla stanovena jako aritmetický průměr teplot z časového intervalu 0 až 600 s v závislosti na uvolňovaném tepelném toku pro daný charakteristický druh požáru (při výpočtech se předpokládalo 80 % tepla sdíleného konvekcí). Výška kouřového sloupce, kde docházelo k přisávání okolního vzduchu činila 6 m. Množství kouřových plynů bylo stanoveno modelem ASMET (deterministický zónový model požáru). Průběh teplot pro charakteristické druhy požáru je znázorněn na obr. 2. Teploty byly stanoveny rovnicí (1). 700
Teplota [K]
600 500 400 300 200 100 0 0
60
240
420
600
Čas [s] Pomalý
Střední
Rychlý
Velmi rychlý
Obr. 2 Průběh teplot při rozvoji požáru
Srovnání vstupních a výstupních hodnot vybraných metod Srovnání vstupních hodnot vybraných metod Různé metody posuzování tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního mají rozdílné požadavky na kvalitu i na rozsah vstupních hodnot. Rozbor vstupních hodnot pro jednotlivé metody výpočtu je proveden v tab. 3.
4
Tab. 3 Rozbor vstupních hodnot pro jednotlivé metody výpočtu Druh metody pro stanovení tvorby plynných zplodin hoření
Požadované vstupní hodnoty 1. Obvod požáru. 2. Vzdálenost od podlahy ke spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem. 1. Obvod požáru. 2. Hustota okolního vzduchu. 3. Vzdálenost od podlahy ke spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem. 4. Gravitační zrychlení. 5. Teplota okolního vzduchu. 6. Teplota plynných zplodin hoření. 1. Uvolněný tepelný tok. 2. Výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní vrstvou plynných zplodin hoření pod stropem. 3. Frakční zlomek tepelných ztrát uvolněných radiací. 4. Frakční zlomek ostatních tepelných ztrát. 1. Tepelný tok uvolněný konvekcí. 2. Výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní vrstvou plynných zplodin hoření pod stropem. 3. Virtuální počátek sloupce kouřových plynů. 1. Uvolněný tepelný tok. 2. Výška, kde je vypočítáván tok plynů V(z). 3. Frakční zlomek tepelných ztrát uvolněných radiací. 4. Frakční zlomek ostatních tepelných ztrát.
Hinkleyho metoda
Metoda prof. Torbena Jakobsena
FIRECALC
Metodika ASMET
Metodika FPEtool a CFAST
Z tab. 3 je zřejmé, že kvalita i kvantita požadovaných vstupních hodnot je odchylná pro různé metody řešení stanoveného problému. Otázka požadovaných vstupů pro provedení simulace sledovaného parametru může tedy ovlivnit také výběr metodiky řešení.
Srovnání výstupních hodnot vybraných metod Srovnávací výpočty uvedené v této části příspěvku byly provedeny za následujících základních předpokladů: 1. Plocha požáru nebyla limitována stavebními konstrukcemi, které by omezovaly jeho volné šíření. Světlá výška prostoru, kde byly prováděny simulace, činila 6 m. Výška byla v průběhu výpočtů považována za konstantní a odpovídala výšce, kde dochází k přisávání vzduchu do 5
sloupce kouřových plynů. 2. Jednotlivé druhy požárů byly simulovány s využitím tzv. charakteristických druhů požáru (pomalý, střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru) a odvozených kriterií (rychlost šíření požáru, předpokládané teploty plynů v prostoru). 3. Rozvoj simulovaných požárů nebyl ovlivněn nedostatkem kyslíku. V tab. 4 jsou uvedeny výstupní hodnoty získané využitím metod uvedených v úvodu příspěvku pro pomalý rozvoj požáru. Tab. 4 Pomalý rozvoj požáru Čas t [s]
10
ASMET [m3.s-1]
Hinkleyho Metoda FIRECALC [m3.s-1] metoda1 prof. 3 -1 [m .s ] TJ [m3.s-1] 0,72 1,47 -3
FPEtool, CFAST [m3.s-1]
Odchylka2 ∆ xmax
%
0,70
0,61
0,49
-
30
2,18
4,42
1,49
1,40
1,29
0,20
13,42
60
4,37
8,84
2,37
2,30
2,06
0,31
13,08
120
8,79
17,68
3,80
3,70
3,31
0,49
12,89
180
13,26
26,52
5,04
4,90
4,41
0,63
12,50
240
17,77
35,36
6,17
6,10
5,43
0,74
11,99
300
22,33
44,20
7,25
7,30
6,41
0,89
12,19
360
26,93
53,04
8,30
8,50
7,37
1,13
13,29
420
31,58
61,88
9,33
9,70
8,32
1,38
14,22
480
36,27
70,72
10,40
10,90
9,27
1,63
14,95
540
41,01
79,56
11,40
12,10
10,23
1,87
15,45
600
45,79
88,40
12,40
13,40
11,19
2,21
16,49
Uvedení výstupních hodnot pro střední, rychlý a velmi rychlý rozvoj požáru překračuje možnosti tohoto příspěvku.
1
Konstanta v rovnici k = 0,38. Odchylka je stanovena pro metody FIRECALC, ASMET, FPEtool a CFAST. 3 Hodnota uvolňovaného tepelného toku je menší než 1 kW (nelze řešit metodikou FIRECALC). 2
6
3
-1
Objemové množství kouře [m .s ]
Objemové množství kouřových plynů stanovené jednotlivými metodami pro pomalý rozvoj požáru je znázorněno na obr. 3. 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. 3 Uvolňované množství kouře při pomalém rozvoji požáru Maximální hodnotová odchylka stanovaná pro charakteristické druhy požáru je znázorněna na obr. 4.
Maximální hodnotová odchylka
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10
60
180
300
420
540
Čas [s] Pomalý
Střední
Rychlý
Velmi rychlý
Obr. 4 Stanovení maximální hodnotové odchylky Maximální procentuální odchylka pro charakteristické druhy požáru je znázorněna na obr. 5.
7
Maximální odchylka [%]
35 30 25 20 15 10 5 0 10
60
180
300
420
540
Čas [s] Pomalý
Střední
Rychlý
Velmi rychlý
Obr. 5 Stanovení maximální procentuální odchylky
Závěrečná shrnutí Zhodnocení poznatků získaných srovnáním vypočtených hodnot Srovnáním výsledných hodnot získaných jednotlivými vybranými metodami lze dospět k následujícím závěrům: 1. Maximální hodnotová diference výsledků všech srovnávaných metod činí mnohdy 100 % a více. Srovnání těchto hodnot je z hlediska praktických aplikací nevyužitelné. Výsledné hodnoty získané Hinkleyho metodou jsou využitelné pro prvotní rámcové odhady množství uvolňovaných kouřových plynů (připravovaná norma EN 12 101 předpokládá aplikaci této metody u požárů rozsáhlejšího charakteru). Výsledné hodnoty lze považovat za hodnoty velmi konzervativní. Metoda prof. Torbena Jakobsena vyžaduje zadání většího rozsahu vstupních hodnot než metoda Hinkleyho. Současně výstupní hodnoty získané touto metodou se ostatním metodám blíží pouze za předpokladu vysokých teplot v hořícím prostoru. Při rozvoji požáru je ovšem předpoklad vysokých teplot zavádějící a využití této metody je diskutabilní. U obou výše uvedených metod je jednou ze stěžejních vstupních hodnot obvod požáru. Pro srovnání metod byly odvozeny rychlosti šíření požáru. Diametrálně odchylné výstupní hodnoty získané Hinkleyho metodou a metodou prof. Torbena Jakobsena mohou vést k úvahám o správnosti odvozených rychlostí šíření požáru. Ovšem i v případě podstatně nižších rychlostí šíření požáru pro jednotlivé charakteristické druhy požáru, vykazují zmíněné metody značné odchylky od metod ostatních. 2. Srovnáním vypočtených hodnot získaných metodikami FIRECALC, ASMET, FPEtool a CFAST lze stanovit maximální diferenci přibližně 29 %. Diference větší než 20 % bylo dosaženo ve 27,5 % ze všech vypočtených hodnot. V případě, že těchto 27,5 % vypočtených hodnot bude považováno za hodnotu zanedbatelnou nebo přijatelnou, je získaná procentuální diference (20 %) využitelná také pro praktické aplikace (např. formou bezpečnostního koeficientu).
8
Jako nejperspektivnější metody posuzování tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního se jeví metody, kde tvorba kouřových plynů závisí na uvolňovaném tepelném toku a na výšce nad povrchem hořlavých materiálů, případně na dalších souvisejících parametrech. Výsledky těchto metodik jsou srovnatelné v přípustných mezích. Rovněž požadované vstupní hodnoty jsou relativně dostupné.
Zevšeobecnění získaných poznatků Na základě srovnání výsledných hodnot získaných jednotlivými vybranými metodami a následných grafických závislostí (obr. 3 až 5), lze odvodit následující všeobecné závěry: 1. S narůstajícím časem a hodnotou uvolňovaného tepelného toku, dochází k nárůstu kouřových plynů uvolňovaných za časovou jednotku. 2. S narůstajícím časem a hodnotou uvolňovaného tepelného toku, dochází k nárůstu maximální odchylky (vyjádřeno hodnotovou nebo procentuální odchylkou) mezi jednotlivými srovnávanými metodami pro daný charakteristický druh požáru. 3. S narůstajícím časem a hodnotou uvolňovaného tepelného toku, dochází zpravidla k nárůstu maximální odchylky (vyjádřeno hodnotovou nebo procentuální odchylkou) mezi jednotlivými charakteristickými druhy požáru. Z příspěvku je patrné, že pro posuzování kouřových plynů z hlediska kvantitativního lze využít řadu metodik. Metody pro stanovení množství plynných zplodin hoření jsou často založeny na experimentálních výsledcích a empirických poznatcích. Všechny uvedené metody mají vymezen přípustný aplikační rozsah stanovený jejich tvůrci. U většiny metod dochází současně k jejich dalšímu vývoji a srovnávání se skutečnými požáry. Na základě zjištěných skutečností jsou metody dále rozvíjeny a zdokonalovány. Je tedy zřejmé, že volba dané metodiky a možnosti následných aplikací jsou záležitostí poměrně citlivou a zpravidla vyžadují další znalosti popisované problematiky. Nesprávná volba metodiky nebo její použití, může vést ke zcela zcestným výsledkům a následným dimenzačním požadavkům. Předpoklad mnohých odborníků, kteří se zabývají požární ochranou, že pro posuzování ohrožení osob kouřovými plyny postačí základní znalosti dané problematiky a určitý minimální počet fyzikálních nebo empirických rovnic, může být v řadě případů nesprávný. Současně je nutné si uvědomit, že snižující se hladina kumulovaných kouřových plynů není jediným nebezpečným aspektem kouře tvořícího se v uzavřeném prostoru. Rovněž toxicita a vysoké teploty plynných zplodin hoření představují pro osoby značné riziko. Navíc posuzování toxicity plynů může být záležitosti nepoměrně složitější než posuzování kouřových plynů z hlediska kvantity.
Literatura [1]
Bradáčová, I.: Vývin kouře při požáru. In Sborník přednášek mezinárodní konference Požární ochrana ´99. Ostrava, SPBI-TUO, 1999, s. 43-51, ISBN 80-86111-36-9.
[2]
Šenovský, M., Prokop, P., Bebčák, P.: Větrání objektů. Ostrava, SPBI, 1998, 220 s., ISBN 80-86111-23-7.
9
[3]
Morgan, H.P., Gardner, J.P.: Zásady projektování kouřového odsávání v uzavřených nákupních centrech. Borehamwood, Herts, Stanice výzkumu požárů, Instituce pro výzkum ve stavebnictví, 1999, 44 s.
[4]
Uživatelská příručka FIRECALC v. 2.3. Australia, CSIRO Division of Building, Construction and Engineering, 1993, s. 1-68.
[5]
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.
[6]
Deal, S.: Technical Reference Guide for FPEtool Version 3.2. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Standards and Technology, 1995, 149 s.
[7]
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 Sandards and Technology, 2000, 171 s.
[8]
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.
[9]
Pokorný, J.: Rozbor tepelného namáhání pro potřeby modelování požáru. Praha, MVředitelství Hasičského záchranného sboru ČR v časopise 150-HOŘÍ č. 12/2002, 2002, s. 12-14, ISSN 0862-8467.
10
