Zplodiny hoření, jejich tvorba a vliv na bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky Pokorný Jiří Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje územní odbor Opava Abstrakt Tento příspěvek se zabývá posouzením tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního ve vymezených prostorách. V příspěvku je proveden detailní rozbor vzniku a rozvoje sloupce kouřových plynů v místnosti a následného šíření plynných zplodin hoření do sousedních prostor. Na základě teoretických poznatků a zjednodušujících předpokladů byly vypracovány nomogramy, které mohou sloužit k posuzování rychlosti tvorby plynných zplodin hoření ve stavebních objektech. Úvod Technické předpisy zabývající se problematikou požární bezpečnosti staveb na území České republiky jsou v celé řadě směrů rozpracovány velmi podrobně (způsoby vyjádření požárního rizika, hodnocení požární odolnosti stavebních konstrukcí, posuzování intenzity sálání tepla ve vazbě na možnost přenesení požáru atd.). Část jevů souvisejících s průvodními účinky požárů byla v technických předpisech v minulosti řešena pouze rámcově a ve vymezených okruzích a teprve v současnosti jsou rozpracovávány všeobecnější požadavky, metody řešení i výsledné cíle. Jedná se zejména o vliv plynných zplodin hoření vznikajících při požárech na bezpečnost osob nacházejících se v prostorách požárem ohrožených. Je zřejmé, že posuzování plynných zplodin hoření vznikajících v uzavřených prostorách patří mezi prioritní vlivy, které zásadním způsobem ovlivňují bezpečnost osob. Kouř a toxické plyny způsobují téměř 50 % všech obětí při požárech a jsou primární příčinou smrti více než třetiny obětí. Zohlednění těchto vlivů při posuzování staveb z hlediska požární ochrany klade zvýšené nároky na rozsah teoretických poznatků souvisejících se vznikem plynných zplodin hoření v uzavřených prostorách a s jejich šířením uvnitř objektu. Koncepční změna priorit posuzování vyžaduje změnu přístupu jak zpracovatelů navrhovaných řešení, tak orgánů státní správy. 1. Rozdělení prostor z hlediska problematiky tvorby kouřových plynů Požár je doménou, která je charakteristická řadou průvodních jevů majících větší nebo menší význam z hlediska bezpečnosti osob, materiálních hodnot nebo životního prostředí. Významné jsou rovněž kumulativní a synergické účinky popisovaných jevů. Význam posuzování nebezpečí vyplývajícího z průvodních efektů hoření (zejména kouřových plynů) se zvyšuje úměrně se vzrůstajícím počtem ohrožených osob a charakterem prostor, které svým stavebním řešením odvod plynných zplodin hoření znemožňují. Rozdělení uzavřených prostor z hlediska negativních účinků plynných zplodin hoření je zobrazeno na obr. 1.
Uzavřené prostory
V prostorách se nachází 100 a více osob
Prostory přímo (a zpravidla dostatečně) větratelné
V prostorách se nachází méně než 100 osob
Prostory přímo nevětrané nebo větrané velmi omezeně ⇒ prostory kritické
Obr. 1 Rozdělení uzavřených prostor z hlediska negativních účinků plynných zplodin hoření 2. Tvorba a šíření plynných zplodin hoření v uzavřených prostorách z hlediska kvantitativního Fakuli požáru lze rozdělit do tří zón [7], a to do w
Zóny plamene
zóna tvoří oblast těsně nad hořícím povrchem hořlavého materiálu, kde je stálý plamen a tok hořících plynů se urychluje.
w
Občasné zóny
zóna je charakterizována občasným plamenem a přibližně konstantní rychlostí toku hořících plynů.
w
Kouřové zóny
zónou je stoupající sloup plynných zplodin hoření bez plamene. Je charakterizována klesající teplotou a rychlostí s přibývající výškou.
Zájmovou oblast z hlediska tvorby a šíření plynných zplodin hoření v uzavřených prostorách představuje zejména třetí zóna fakule požáru označovaná jako kouřová zóna, případně jako kouřový chochol nebo sloupec kouřových plynů (obr. 2). S postupným rozvojem požáru dochází ke zvýšení teploty plynných produktů hoření (nárůstu teplotní diference mezi plynnými produkty spalování a okolím), ke snižování hustoty plynných produktů hoření (nárůstu diference hustoty mezi plynnými produkty spalování a okolím) a tím k nárůstu vztlaku. Nad jakýmkoli hořícím objektem dochází k formování sloupce kouřových plynů. Sloupec dopravuje hmotu a energii z požáru do jednotlivých vrstev v prostoru. Dynamiku sloupce kouřových plynů lze popsat jako funkci rychlosti uvolňování tepelné energie. Při aplikacích se předpokládá, že se hmota a energie z požáru hromadí zejména v horní horké vrstvě. Tvorbu a pohyb plynných zplodin hoření může ovlivnit řada faktorů charakteristických pro určitou konkrétní situaci. Celý proces tvorby a šíření sloupce kouřových plynů je záležitostí velice specifickou a není dosud zcela prostudován. Kouřové plyny uvolněné požárem stoupají ke stropu místnosti. Do sloupce kouřových plynů je přisáván chladnější vzduch, což způsobuje zvětšení objemu a snižování teploty kouřových plynů. Vedením je přenášeno teplo z plynných zplodin hoření do přisávaného chladného vzduchu. S narůstající vzdáleností od zdroje požáru dochází ke snižování teploty, koncentrace pevných kouřových částic a koncentrace toxických zplodin hoření. Sloupec kouřových plynů postupně stoupá až k úrovni stropu nebo podhledu místnosti. Kouřové plyny se začnou v relativně tenké vrstvě pod stropem rozprostírat a postupně se šíří ke konstrukcím ohraničujícím „zdrojovou místnost“. Při nárazu na ohraničující konstrukce se obrací směrem k podlaze místnosti. Obrácením směru proudění jsou kouřové plyny vháněny do vrstvy, která má nižší teplotu a vyšší hustotu. Proudění směrem k podlaze se z důvodů
vztlaku a třecích sil zpomaluje až nakonec ustává a plyny se vrací zpět do horní vrstvy. Při změnách směru pohybu plynů dochází k dalšímu přisávání chladnějšího vzduchu do kouřové vrstvy a k jejímu postupnému ustálení. Současně je teplo přenášeno vedením do stropní konstrukce a konstrukcí ohraničujících daný prostor.
Rychlostní profil
Přisávaný kouř
Přisávaný kouř
Kouřová zóna
Přisávaný kouř Občasná zóna Plamen
Zdroj požáru
Zóna plamene Předpokládaný počátek z0
Obr. 2 Fakule požáru Sloupec kouřových plynů začíná vytvářet vrstvu, která se prohlubuje. Prohlubováním vrstvy kouřových plynů se zmenšuje vzdálenost, kterou urazí plyny od zdroje, než dosáhnou kumulované vrstvy plynných zplodin hoření. Zkracováním dráhy šíření kouřových plynů dochází ke zmenšování objemu přisávaného vzduchu a tím ke zvyšování teploty plynných zplodin hoření. Teplota z kouřové vrstvy je kromě vedení do ohraničujících konstrukcí odváděna sáláním na povrchy pod touto vrstvou a na objemy, které se v nich nachází (dochází k nárůstu teploty nižší vrstvy). Dosažením teploty kouřové vrstvy 200 °C a jejím sáláním na předměty pod touto vrstvou může dojít k urychlení rozvoje požáru. Dosažením teploty nad 400 °C (literatura uvádí zpravidla 400 až 600 °C) dochází k efektu flashover, tedy k celkovému vzplanutí hořlavých látek v prostoru. Řada modelů požáru dříve posuzovala sloupec kouřových plynů mající tvar obráceného kužele jako samostatnou zónu. Současně se předpokládalo, že horní vrstva je bezprostředně po vzniku požáru ve spojení se sloupcem kouřových plynů. Důsledkem toho byl sloupec kouřových plynů ihned ustálen a dosahoval horní vrstvy nebo stropu, přestože uvolněná
tepelná energie byla nepatrná. Experimentálně bylo prokázáno, že propojení sloupce kouřových plynů s horní vrstvou je pomalejší, než se předpokládalo. Také teploty a rychlost vzpřimování jsou zpočátku nižší. Modely požáru kladou velký význam na množství plynu, které je do sloupce kouřových plynů přisáváno při jeho tvorbě a vzpřimování. Podle [7] lze množství přisávaného vzduchu pro jednotlivé zóny fakule požáru stanovit následujícími vztahy a) zóna plamene z me = 0,011 ⋅ 2 5 Q´ Q´
0, 566
0 , 909
z 0,00 ≤ 2 5 Q´
< 0,08
(1)
z 0,08 ≤ 2 5 Q´
< 0, 20
(2)
z 0,20 ≤ 2 5 Q´
(3)
b) občasná zóna z me = 0,026 ⋅ 2 5 Q´ Q´ c) kouřová zóna z me = 0,124 ⋅ 2 5 Q´ Q´ kde me Q´ z
1,895
množství přisávaného vzduchu [kg.s-1] tepelný tok [W] výška mezi vrcholem hořlavých materiálů a spodní úrovni vrstvy plynných zplodin hoření pod stropem [m]
Koeficienty pro jednotlivé oblasti byly stanoveny experimentálně. Vytváření sloupce kouřových plynů a šíření plynných zplodin hoření v místnosti je znázorněno na obr. 3. Qk Qr Qr
a) Iniciace požáru
Qr Qr
b) Rozvoj požáru a šíření tepla
Th, ρh Qk me me me me T0, ρ0
T0,ρ0
c) Tvorba sloupce kouřových plynů Th T0 ρh ρ0
d) Rozprostírání plynů pod stropem místnosti
teplota plynných zplodin hoření [K] teplota okolního vzduchu [K] hustota plynných zplodin hoření [kg.m-3] hustota okolního vzduchu [kg.m-3] Obr. 3 Vytváření sloupce kouřových plynů a šíření plynných zplodin hoření v místnosti
Pokud mají dveře vedoucí do další místnosti nadpraží nižší než stropní nebo podhledová konstrukce, nedochází zpočátku k průtoku plynů přes dveřní otvor do sousední místnosti. Postupným rozpínáním vyšší vrstvy dochází ke snížení styčné plochy mezi vrstvami až k nadpraží otvoru, k tvorbě vzdušného víru a k průtoku plynných zplodin hoření z hořící místnosti do místnosti další. Spodní vrstva vzduchu je stlačována neustále dolů. Popsaný jev je provázen přívodem vzduchu ze sousedního prostoru spodní části otvoru. Toky plynů v otvorech se postupně ustalují. Pohyb plynů přivádí vzduch z okolí v souladu s empiricky odvozenými vztahy. Šíření plynných zplodin hoření mezi místnostmi je znázorněno na obr. 4.
Th, ρh
me
a)
Místnosti jsou odděleny dveřmi
Th, ρh Qk z me
T0, ρ0
me
b) Místnosti jsou propojeny Obr. 4 Šíření plynných zplodin hoření mezi místnostmi 3. Vliv plynných zplodin hoření na bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky V prostorách, kde dochází k tvorbě a šíření plynných zplodin hoření, 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. Rozbor doby bezpečného pobytu v této části příspěvku je proveden výlučně 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 teplotu plynných zplodin hoření Th, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska teploty plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud Th ≤ TBEZ .
(4)
Označíme-li bezpečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru hBEZ a skutečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru hh, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska hladiny plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud hh ≤ hBEZ .
(5)
Označíme-li bezpečnou koncentraci plynných zplodin hoření CBEZ a skutečnou koncentraci plynných zplodin hoření Ch, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska toxicity plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud C h ≤ C BEZ .
(6)
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
[min]
(7)
4. Srovnávací nomogramy pro praktické aplikace 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. 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 stanoveném jinými metodami. Pro možnost praktických aplikací posouzení množství uvolněného plynných zplodin hoření jinými metodami než empirickou rovnicí uvedenou v ČSN 73 0802 byly vytvořeny nomogramy, které umožňují posouzení ohrožení osob těmito produkty hoření. Pro vypracování nomogramů bylo využito metodiky zónového modelu CFAST 3.1.4. Nomogramy, týkající se posuzování tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního, byly zpracovány pro uzavřené prostory o půdorysné ploše 500, 1000, 1500, 3000, 5000, 7500 a 10000 m2. Světlé výšky prostorů byly voleny v hodnotách 3, 6, 9 a 12 m. Nomogramy byly zpracovány pro čtyři charakteristické druhy požárů podle uvolňovaného tepelného toku. Požáry byly definovány jako pomalý rozvoj požáru, střední rozvoj požáru, rychlý rozvoj požáru a velmi rychlý rozvoj požáru. Celková doba simulací činila 600 s. Pokles vrstvy plynných zplodin hoření stanovený metodikou CFAST je ovlivněn uvolňovaným tepelným tokem, tepelnými ztrátami, geometrickými rozměry prostoru a časem. Hodnoty tepelných ztrát, geometrické rozměry prostoru a sledovaný časový interval jsou jednoznačné parametry nevyžadující bližší komentář. Problém může představovat správná volba hodnoty rychlosti uvolňovaného tepelného toku. Dostupná literatura nedává na zmíněnou otázku vždy jednoznačnou odpověď. V tabulkách 1 a 2 jsou uvedeny závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, rychlostmi šíření požárů, rychlostmi odhořívání materiálů, druhy hořících materiálů, požárním a průměrným požárním zatížení, skupinami provozů a výrob, skupinami provozů skladů a druhy provozů. 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] ≤ 0,3
≤ 0,2
≤ 0,4
≤ 0,3
≤ 0,6
≤ 0,5
> 0,6
> 0,5
Převažující druh hořících materiálů Pevný dřevěný materiál s horizontální orientací (podlaha) Pevný dřevěný materiál (nábytek) 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 ≈ 17 000 kJ.kg-1). V případě, že hořlavé materiály nemají tento charakter a jejich výhřevnost je vyšší, není vhodné pro zatřídění do charakteristického druhu požáru tab. 1 použít. Tab. 2 Závislosti mezi charakteristickými druhy požárů, požárním zatížením, průměrným požárním zatížením, skupinami výrob a provozů, skupinami provozů skladů a druhy provozů Char. druh Požární zatížení dle Skupina provozů požáru ČSN 73 0802 a výrob dle nebo průměrné ČSN 73 0804 (nebo skupina požární zatížení dle provozů skladů dle ČSN 73 0804 ČSN 73 0845) [kg.m-2]
Příklady druhů provozů
w
vstupní prostory, haly, dvorany, chodby Pomalý w hygienická zařízení rozvoj 1 (I) p; p´≤ 6,5 w vodoléčebné sály, sklady sádry požáru w stáje, kromě stájí pro drůbež w výměníkové stanice tepla w zasedací, přednáškové a konferenční síně, bankovní haly w kmenové učebny, posluchárny w hlediště v kinech a divadlech w výstavní síně, obrazárny, galerie w kostely, modlitebny Střední rozvoj 2 (II), 3 (III) w vyšetřovny, terapeutické pokoje, 6,5 < p; p´≤ 25 prostory pro rehabilitaci, požáru masáže, lékařské ordinace w tělocvičny, sportovní haly w prodejny nehořlavých výrobků, osobních automobilů, domácích potřeb w prodejny masa, obuvi, koženého zboží, potravin, textilu, oděvů Rychlý w bytové domy, rodinné domy, rozvoj 4 (IV), 5 (V) 25 < p; p´≤ 100 ubytovací zařízení požáru w dílny krejčovské, obuvnické, čalounické, tesařské a truhlářské w prodejny knih, hudebnin, barev, Velmi laků, pneumatik rychlý w velkoprodejny bez ohledu na p; p´> 100 6 (VI), 7 (VII) rozvoj sortiment zboží požáru w prodejní sklady s hořlavými materiály Hodnota p nebo p´ pro velmi rychlý rozvoj požáru nemá překročit 400 kg.m-2. V případě, že k překročení této hodnoty dojde, je nutné provést podrobné posouzení uvolňovaného tepelného toku a tvorby plynných zplodin hoření.
V případě vzniku pochybností o začlenění do příslušného charakteristického druhu požáru podle tab. 1 nebo 2, je nutné za výsledné považovat nejméně příznivé hodnoty. Při vhodném začlenění posuzovaného prostoru do určitého charakteristického druhu požáru, lze z nomogramů ve velmi krátkém časovém intervalu stanovit pokles vrstvy plynných zplodin hoření v závislosti na čase. Získané výsledky jsou vždy výsledky konzervativními. Vlastní nomogramy budou rozvedeny při prezentaci tohoto příspěvku. Závěr Jak vyplývá z příspěvku, je prognóza rychlosti tvorby plynných zplodin hoření záležitostí poměrně složitou. Pro posuzování těchto vlivů lze využít modelování požáru. V současné době se pro praktické aplikace jeví jako využitelné zejména zónové modely požáru, neboť modely typu pole nejsou dosud dostatečně rozpracovány. Širší aplikace teoretických informací a výsledků, které se týkají stanovení množství uvolněných plynných zplodin hoření, je podmíněna řadou zjednodušujících předpokladů. Na základě těchto předpokladů byly vypracovány nomogramy, které slouží k posuzování rychlosti tvorby plynných zplodin hoření ve vymezených prostorách. Nomogramy jsou dalším možným způsobem hodnocení ohrožení osob kouřovými plyny vznikajícími při požárech, odchylným od standardu vytvořeného platným technickým předpisem na území ČR.
Literatura [1]
In Sborník přednášek mezinárodní konference Požární ochrana ´99. Ostrava, SPBITUO, 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.
[3]
Balog, K., Kvarčák, M.: Dynamika požáru. Ostrava, SPBI, 1999, 96 s., ISBN 8086111-44-X.
[4]
Reichel, V.: Požární větrání. Brno, Seidl a spol. s r.o., 1998, s. 1-12.
[5]
Cooper, L. Y.: SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, Compartment Fire Generated Environment and Smoke Filling. Massachusetts, National Fire Protection Association Quincy, Society of Fire Protection Engineers Boston, 1987, 21 s.
[6]
Peacock, D. R., Reneke, A. P., Jones W. W., Bukowski, W. R., Forney, P. G.: A User´s Guide for FAST: Engineering Tools for Estimating Fire Growth and Smoke Transport. Gaithersburg, Building and Fire Reserch Laboratory, National Institute of Sandards and Technology, 2000, 190 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]
Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s.
[9]
ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb - Nevýrobní objekty. Praha, Český normalizační institut, 2000, 117 s.
