Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad
VIRTUÁLNÍ CFD MODEL PRO ROOM CORNER TEST Marek Pokorný1), Petr Hejtmánek1), Hana Najmanová1) 1) Architektura
a interakce budov s životním prostředím, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad
ANOTACE Zkušební zařízení Room Corner Test (dále jen RCT) instalované v požární laboratoři (FireLAB) na UCEEB představuje specifickou možnost zjišťování rozvoje požáru ve velkém měřítku. Společně s RCT je vyvíjen i virtuální model RCT pro předběžné a ověřovací požární simulace založené na dynamickém proudění tekutin (CFD). Jak RCT, tak jeho virtuální model mají za cíl pomoci při aplikaci požárně-inženýrského přístupu ve složitých otázkách požární bezpečnosti. Předložený článek za použití virtuálního RCT prezentuje příspěvek dřevěného obkladu na stěnách či stropu k rozvoji požáru ve zkušební místnosti. Porovnány jsou čtyři modelové varianty, ve kterých je měněna pozice dřevěného obkladu o stejné ploše, a dva referenční scénáře za účelem sledování změny chování požáru. Základním ukazatelem pro komparaci je čas dosažení prostorového vzplanutí (tzv. flashover) a hodnota rychlosti uvolněného tepla.
SUMMARY Room Corner Test (RCT), a testing device installed in the Fire lqaboratory of University Centre for Energy Efficient Buildings represents a unique possibility for full-scale fire development investigation. Hand-in-hand with RCT, its computational fluid dynamics (CFD) virtual model is being developed for preliminary testing. Both RCT and its virtual model help to put the use of performance-based design into action. This article uses the virtual RCT model to show the wooden cladding increment to room fire development. There are 4 positions of wooden cladding compared with one another and with 2 reference scenarios. The main indicator for comparison it time needed to flashover and heat release rate.
ÚVOD RCT na UCEEB je unikátní univerzitní zařízení, s jehož využitím lze sledovat účinky požáru stavebních výrobků pro povrchové úpravy stěn a stropů na zkušebním vzorku o ploše až cca 32 m2. RCT umožňuje predikovat náchylnost vzorků k rozvoji požáru a flashoveru ve zkušební místnosti a kvantifikaci rychlosti uvolňování tepla v čase (angl. HRR – Heat Release Rate) včetně analýzy zplodin hoření. S využitím znalosti uvolněného tepla lze stanovit třídu reakce na oheň zkoušeného vzorku. Virtuální RCT pracující na technologii dynamického proudění tekutin – CFD (z angl. Computational Fluid Dynamics) – umožňuje po dodání nezbytných požárně-technických charakteristik sledovaného materiálu simulovat pravděpodobné chování vzorku. Prostorové vzplanutí a třída reakce na oheň Prostorové vzplanutí (flashover) v částečně uzavřeném prostoru (např. místnosti) představuje obvykle velmi rychlý a dynamický přechod z fáze lokálního požáru do fáze požáru plně rozvinutého. Flashoveru předchází postupné hromadění horkých zplodin hoření pod stropem zasaženého prostoru v tzv. akumulační vrstvě, která nahřívá okolní hořlavé povrchy a předměty na zápalnou teplotu. Jinými slovy pro dosažení flashoveru je rozhodující, jak povrchy a předměty reagují svou hořlavostí v počátečních fázích na účinek požáru,
231
technicky vyjádřeno, jakou mají třídu reakce na oheň. Po dosažení flashoveru obvykle dochází prudkému nárůstu teplot a intenzivnímu vývinu zplodin hoření. V případě RCT je dosažení flashoveru limitním stavem, kterým zkouška končí a požár je likvidován. Hlavními znaky indikujícími dosažení flashoveru obvykle jsou [1]: teplota akumulační vrstvy 500 až 600 °C; sálavý tepelný tok cca 20 kW/m2 z akumulační vrstvy dopadající na podlahu; plameny prošlehávající otvory v ohraničujících stěnách do okolí; hodnota rychlosti uvolňování tepla (HRR) standardně přes 1 MW. Třídy reakce na oheň představují základní hodnocení hořlavosti výrobků pro konkrétní aplikace ve stavbě s využitím klasifikační stupnice o 7 třídách s označením A1, A2, B, C, D, E a F. Výrobky třídy A1 a A2 jsou obecně označovány jako nehořlavé a výrobky třídy B až F jako hořlavé s postupně rostoucí intenzitou. Třída reakce na oheň je v současnosti určována na základě série až tří malorozměrových zkoušek dle následujících metodik: ISO pec [2]; zkouška v bombovém kalorimetru [3]; zkouška jednotlivým zdrojem plamene – tzv. SBI test [4]; zkouška malým zdrojem plamene [5]. Malorozměrové zkoušky vycházejí z velkorozměrového testu RCT pro zkoušení povrchových úprav. RCT tedy může jednou velkorozměrovou zkouškou nahradit více zkoušek malorozměrových a rovněž postihnout okrajové podmínky výrazně bližší reálnému chování zkušebních vzorků v průběhu požáru. Room Corner Test (RCT) RCT je obecný název pro zkušební postup chování povrchových úprav (výrobků) v reálném měřítku. Konkrétních zkušebních metodik je více, RCT v UCEEB odpovídá svými vlastnostmi normě ISO 9705 [6], respektive ČSN EN 14390 [7]. Zkušební místnost vyzděná a zastropená z pórobetonových prvků je obdélníkového půdorysu o vnitřních rozměrech 2,4 m x 3,6 m, výšky 2,4 m. V čelní stěně je umístěn dveřní otvor o rozměrech 0,8 m x 2 m. Zdrojem tepla je plynový hořák o výkonu 100 kW během prvních 10 minut testu a 300 kW po dalších 10 minutách (Obr. 1 a). Třídu reakce na oheň lze získat s využitím RCT a přílohy A ČSN EN 13501-1 [8], kde je uveden graf HRR rozdělený do několika výsečí ohraničených různými hodnotami indexu rozvoje hoření – FIGRA (z angl. FIre Growth RAte), respektive rychlostí uvolňování tepla pro jednotlivé třídy reakce na oheň (Obr. 1 b).
(a) (b) Obr. 1 (a) dispozice zkoušky RCT; (b) rozdělení do tříd reakce na oheň dle HRR při RCT
POPIS MODELOVÉ SITUACE Experiment prezentovaný v tomto článku byl zaměřen na porovnání příspěvku výrobku o stejné ploše k flashover efektu při jeho různém umístění a orientaci vůči zdroji požáru.
232
Zvoleným výrobkem byl dřevěný obklad o tloušťce 30 mm, přičemž byly zkoumány čtyři varianty a dva referenční scénáře (Obr. 2): A. B. C. D. E.
výrobek o rozměru 2,4 m x 2,4 m umístěný na stropě při zadní stěně, výrobek o rozměru 2,4 m x 2,4 m umístěný na zadní stěně, výrobek o rozměru 2,4 m x 2,4 m umístěný na boční stěně při hořáku, výrobek o rozměru 2x 1,2 m x 2,4 m umístěný v rohu přímo nad hořákem, referenční scénář 1: dřevěný obklad umístěný na celé ploše stropu a stěn s výjimkou stěny čelní (maximální možné osazení dle ISO 9705), F. referenční scénář 2: prázdný RCT bez obkladu (tedy pouze hořák).
Obr. 2 Jednotlivé modelové varianty – různé instalace výrobku ve virtuálním RCT modelu Virtuální RCT model je vytvořen v programu Fire Dynamics Simulator 6 (FDS6). Dřevěný obklad (objemová hmotnost 500 kg/m3, součinitel tepelné vodivosti 0,12 W/(m·K), měrná tepelná kapacita 2,5 kJ/(kg·K)) byl pro jednoduchost výpočtu definován jako plocha s danou časovou závislostí uvolňování tepla odvozenou z předchozích fyzikálních zkoušek se zápalnou teplotou 260 °C a s maximální hodnotou HRR 150 kW/m2 ve 30. sekundě, což odpovídá měkkému dřevu (např. borovice). Zdrojem požáru byl propanový hořák umístěný v rohu místnosti (při zadní stěně) o rozměrech sálavé plochy 0,2 m x 0,2 m.
VÝSLEDKY KRITERIÁLNÍCH VELIČIN PRO FLASHOVER Teploty Z průběhu teplot v akumulační vrstvě uprostřed zkušební místnosti (výška 2,2 m nad podlahou, Obr. 3) je patrné, že kritická hodnota 500 °C je překročena nejdříve u situace D (rohový obklad) již ve 2. minutě (103 s), což je výrazně dříve než u ostatních variant – 3. až 4. minuta (176 – 234 s). Výrazný nárůst je patrný ve 4. minutě u varianty A (podhled na stropě), kde vlivem rovnoměrného prohřívání u stropu dochází k náhlému celoplošnému vzplanutí podhledu. Teplota u stropu ve všech variantách brzy stoupá nad 800 °C. Zvýšení výkonu hořáku v 10. minutě má na teplotu akumulační vrstvy minimální vliv. Uvolňované teplo z obkladu totiž výrazně převyšuje výkon hořáku. Do fáze dohořívání se všechny varianty dostávají cca v 15. minutě, teplota u stropu mírně klesá. U všech variant je pak znatelný pokles teploty (až o 300 °C) při vypnutí hořáku ve 20. minutě. Do 30. minuty pak ve všech variantách obklad vyhoří a teplota horní vrstvy klesne na 200 °C, nejpozději u varianty A (podhled na stropě), kde je ohnisko hořícího materiálu nejblíže měřícímu bodu.
233
Obr. 3 Průběh teplot v akumulační vrstvě, střed místnosti, výška 2,2 m (vpravo vč. E) Sálavý tepelný tok Průběh sálavého tepelného toku, měřeného uprostřed místnosti na podlaze (Obr. 4), kopíruje tendence popsané u průběhu teplot v akumulační vrstvě. Kritická hodnota 20 kW/m2 je opět překročena nejdříve ve variantě D, a to mezi 3. a 4. minutou (221 s). Tepelný tok v ostatních variantách překračuje kritickou hodnotu přibližně ve stejném čase (6. minuta, 331 – 363 s). Tepelný tok dále narůstá v logaritmické křivce. Maximální tepelný tok dopadající na podlahu místnosti je 85 kW/m2 u variant C a D.
Obr. 4 Průběh tepelného toku dopadajícího na podlahu ve středu místnosti (vpravo, vč. E)
Obr. 5 Plameny prošlehávající dveřním otvorem ven ze zkušební místnosti RCT v jednotlivých variantách v příslušných časech Prošlehávání plamenů Prošlehávání plamenů otvorem vně zkušební místnosti bylo v případě virtuálního modelu stanoveno vizuálně pomocí programu Smokeview (Obr. 5). Rychlý posun akumulační vrstvy směrem k podlaze a intenzivnější vývin kouře, byly pozorovány zejména u varianty D (roh) a varianty A (strop). Okamžiky prošlehnutí přibližně odpovídají časům, kdy u jednotlivých variant došlo k překročení kritické hodnoty tepelného toku (Tab. 1). Oproti teplotám
234
v akumulační vrstvě je čas prošlehnutí výrazně zpožděn, a to až o 3 minuty. Zajímavé je také, že u varianty A (strop) dochází k prošlehnutí plamene dříve než k dosažení kritického toku na podlaze. Je to opět dáno tím, že u varianty A je hořlavý pod stropem a k nárůstu tepelného toku dochází až ve fázi těsně po flashoveru (295 s versus 331 s). Maximální hodnota rychlosti uvolňování tepla (HRR) Jelikož byl obklad definován jako sálavá plocha s pevně danou maximální rychlostí uvolňování tepla a jelikož ve všech variantách (A až D) byla plocha hořlavého obkladu stejná, je zřejmé, že i maximální hodnota HRR byla u všech scénářů stejná a jednotlivé varianty se lišily pouze časem, kdy hodnota HRR dosáhla maxima (dosažení flashoveru). Maximální hodnota HRR byla zaznamenána opět nejdříve u varianty D (roh), a to ve 3. minutě (286 s). Následovala varianta A (324 s) a poté C a B (375 a 405 s), viz Obr. 66. Graf je doplněn o metodiku klasifikace výrobků do tříd reakce na oheň B až E podle velkorozměrové zkoušky, jak definuje příloha A ČSN EN 13501-1 [8]. Všechny variant A až D by dle těchto kritérií byly zařazeny do třídy reakce na oheň D, jako je tomu pro měkké dřevo standardně.
Obr. 6 Rychlost uvolňování tepla (HRR) a klasifikace do tříd reakce na oheň B až E (vepsáno v grafu červeně) dle velkorozměrové zkoušky a požadavků ČSN EN 13501-1 [8] Porovnání s referenčními scénáři V případě varianty E hodnoty měřených veličin až několikanásobně převyšují všechny hodnoty zjištěné u předchozích variant. Teplota v akumulační vrstvě uprostřed místnosti (výška 2,2 m) přesáhla hodnotu 1000 °C již ve 2. minutě (87 s), od 5. minuty sledovala setrvalý trend okolo 1500 °C až do 17. minuty, kde byl zaznamenán peak (1668 °C). Ještě markantnější rozdíl je u teploty v geometrickém středu místnosti (maximum 1500 °C versus ostatní varianty do 800 °C). Sálavý tok dopadající na podlahu pak převyšoval ostatní varianty až pětinásobně (maximálně 500 kW/m2). Nejvyšší hodnota HRR je z důvodu větší plochy hořlavého obkladu výrazně vyšší (4200 kW) a je dosažena ve 3. minutě (212 s). Zajímavé je též porovnání s referenčním scénářem bez hořlavého obkladu. Teploty i tepelný tok dosáhly svého maxima až ve 20. minutě (na konci doby působení hořáku): teplota pod stropem 470 °C, teplota uprostřed místnosti 120 °C, sálavý tepelný tok na podlaze 7,5 kW/m 2. Tab. 1 Časy překročení kritérií pro flashover efekt v jednotlivých variantách kritérium A 234 331 295 324
kritická teplota 500 °C ve výšce 2,2 m kritický tepelný tok 20 kW/m2 na podlaze prošlehnutí plamene maximální hodnota HRR
235
čas [s] pro jednotlivé situace B C D E 219 176 103 87 363 338 221 118 405 401 309 153 405 375 286 212
ZÁVĚR Komparací jednotlivých modelovaných variant bylo potvrzeno, že na orientaci, respektive na umístění hořlavých výrobků ve vztahu ke zdroji požáru, popřípadě ve vztahu k větracím otvorům, závisí. Čas, kdy jsou splněny podmínky pro flashover, se různí, a to až o 5 minut. Model potvrdil i fakt, že malé místnosti, jako je zkušební místnost Room Corner Testu (2,4 x 3,6 m), postačí relativně malá plocha dřevěného obkladu (cca 6 m2), aby došlo k flashoveru. Při porovnání vizualizací k flashoveru prokazatelně došlo ve dvou situacích – D a A, a to v časech 295 a 309 s. U situací B a C byly splněny všechny podmínky pro prostorové vzplanutí mezi 6. a 7. minutou (401 a 405 s). Z hlediska měřených hodnot je ve všech případech nejrizikovější varianta D, tedy instalace obkladu v rohu místnosti přímo nad zdrojem požáru (vše viz Tab. 1). I přes velké rozdíly v chování požáru a jeho rozvoji by všechny varianty byly zatřízeny dle přílohy ČSN EN 13501-1 do třídy reakce na oheň D, jako je tomu pro měkké dřevo při běžném zkoušení sérií malorozměrových zkoušek (Obr. 6). Navíc, přestože standardně nelze podchytit různou nebezpečnost variabilního uspořádání hořlavých výrobků, jedna ze série malorozměrových zkoušek (SBI test [4]) zkouší výrobek v rohové pozici, která ze simulací vyšla jako nejméně bezpečná. V současném zkušebnictví jsme na bezpečné, tedy správné straně. Tento článek ale má za cíl poukázat na fakt, že velkorozměrová zkouška, popřípadě její virtuální alternativa, může posloužit při posuzování atypických instalací výrobků požárně-inženýrským přístupem.
LITERATURA [1]
[2] [3] [4]
[5]
[6] [7] [8]
Dillon, Scott Edward. Analysis of the ISO 9705 Room/Corner Test: Simulations, Correlations and Heat Flux Measurements. Faculty of the Graduate School, University of Maryland. Maryland: University of Maryland, 1998. ČSN EN ISO 1182. Zkoušení reakce výrobků na oheň – Zkouška nehořlavosti. Praha: ÚNMZ, 2010. ČSN EN ISO 1716. Zkoušení rekace výrobků na oheň – Stanovení spalného tepla (kalorické hodnoty). Praha: ÚNMZ, 2010. ČSN EN 13823. Zkoušení reakce stavebních výrobkůl na oheň – Stavební výrobky kromě podlahových krytin vystavené tepelnému účinku jednotlivého hořícího předmětu. Praha: ÚNMZ, 2010. ČSN EN ISO 11925-2. Zkoušení reakce na oheň – Zápalnost stavebních výrobků vystavených přímému působení plamene – Část 2: Zkouška malým zdrojem plamene. Praha : ÚNMZ, 2010. ISO 9705. Fire tests – Full scale room test for surface products. Geneva: International Organization for Standardization, 1993. ČSN EN 14390. Požární zkouška – Velkorozměrová požární zkouška výrobků pro povrchové úprvavy. Praha: ČNI, 2007. ČSN 13501-1. Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 1: Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. Praha: ÚNMZ, 2010.
236
