Grawitacyjny system oddymiania

Negatywne oddziaływanie pożaru można ograniczać na różne sposoby, również przez oddymianie. Jednym z jego rodzajów jest oddymianie grawitacyjne.

Umożliwia ono utrzymanie bezpiecznych warunków ewakuacji na pionowych lub poziomych drogach ewakuacyjnych oraz zabezpieczenie konstrukcji budynku przed uszkodzeniem związanym z działaniem wysokiej temperatury. Zmniejsza także prawdopodobieństwo powstania zjawiska rozgorzenia.

Utrudnienia

Ewakuację ludzi z budynku objętego pożarem utrudniają przede wszystkim toksyczne produkty spalania,niedostatek tlenu, wysoka temperatura gazów pożarowych, płomienie oraz ograniczenie widoczności - głównie przez dym. Powoduje on utratę orientacji przez ewakuujących się ludzi mimo właściwego oznaczenia dróg ewakuacyjnych.

Dwutlenek węgla zawarty w powstającym na skutek pożaru dymie nie jest trujący, jednak w zamkniętych pomieszczeniach może okazać się niebezpieczny dla ludzi. Powoduje objawy niedotlenienia (stężenie powyżej 10%), utratę przytomności (powyżej 15%), a nawet śmierć (po przekroczeniu stężenia 30%).

Kolejnym bardzo niebezpiecznym związkiem jest tlenek węgla, znany też pod nazwą czadu. W ludzkim organizmie wywołuje unieczynnienie hemoglobiny, co sprawia, że krew nie może pobierać tlenu do oddychania. Już stężenie 0,03 mg/l może wywołać śmierć, nawet po kilku oddechach.

Powstające w pożarze cyjanowodory działają bardzo silnie trująco na układ oddechowy i naczynioworuchowy, a zawarty w dymie dwutlenek siarki działa niebezpiecznie na śluzówki oczu i górnych dróg oddechowych. Gorące gazy pożarowe mogą powodować poparzenia zarówno ciała, jak i dróg oddechowych. Zgodnie z danymi statystycznymi przyczyny obrażeń ludzi podczas pożarów to w około 66% toksyczne produkty rozkładu termicznego materiałów palnych, a w około 23% oddziaływanie termiczne pożaru [1].

Dym utrudnia także prowadzenie działań ratowniczo-gaśniczych. Toksyczność, temperatura oraz ograniczona widoczność wymaga od służb ratowniczych stosowania odpowiednich środków ochrony dróg oddechowych oraz ubrania ochronnego przed poparzeniami. Brak odpowiedniej widoczności wydłuża czas przeszukiwania pomieszczeń, w których znajdować mogą się ludzie, trudniej też zlokalizować źródło pożaru.

Należy pamiętać, że najważniejszym celem systemów bezpieczeństwa pożarowego budynków jest ochrona życia i zdrowia ludzkiego. Stąd właśnie wymóg zapewnienia właściwych warunków ewakuacji. Jeden z nich dotyczy właśnie dymu - w wymaganym przepisami czasie (od 15 min do godziny) na drogach ewakuacyjnych nie może utrzymywać się warstwa dymu o temperaturze powyżej 60°C i nie powinna ona spaść poniżej 1,8 m od poziomu podłogi. Dodatkowo znaki ewakuacyjne odbijające światło i elementy budowlane znajdujące się w odległości 10 m muszą być widoczne. Stężenie gazów toksycznych nie powinno przekraczać określonych norm: w przypadku tlenku węgla - 700 ppm, dwutlenku węgla - 5% objętości, natomiast zawartość tlenu nie może spaść poniżej 14% objętości. Ważne, aby promieniowanie (w drzwiach pomieszczenia) nie przekraczało 2,5 kW/m2 (kryterium Coopera związane z przekroczeniem progu bólu po około 30 s) [1-3].

Utrzymanie takich parametrów na drodze ewakuacyjnej w czasie pożaru jest niemożliwe bez stosowania urządzeń przeciwpożarowych. Mają one zapobiegać zadymieniu lub służą do usuwania dymu. Sprawdza się tutaj także wentylacja pożarowa - jednym z rodzajów jest wentylacja grawitacyjna.

Zasada działania, cele i funkcje grawitacyjnego systemu oddymiania

Oddymianie grawitacyjne to system, który wykorzystuje przede wszystkim zjawisko konwekcji, czyli unoszenia gorącego dymu. Swobodna konwekcja ciepła wiąże się z ruchem powietrza wywołanym różnicą temperatur pomiędzy źródłem ciepła a otaczającym powietrzem. Wymiana ciepła spowodowana gradientem temperatury wywołuje zmianę gęstości powietrza, czyli zmianę ciśnienia statycznego, co pociąga za sobą wznoszenie się (wypór termiczny) nagrzanego powietrza o mniejszej gęstości, a opadanie powietrza o większej gęstości. Im większa wymiana ciepła, tym intensywniejszy ruch powietrza [4]. Efekt kominowy, czyli unoszenie się gorącej warstwy dymu powstającego podczas pożaru, nasila się szczególnie przy niższej temperaturze zewnętrznej, gdyż dym ma mniejszą gęstość i jest cieplejszy, co zgodnie z prawami fizyki wymusza jego ruch w górę [5].

Aby system oddymiania grawitacyjnego działał poprawnie (z usuwaniem dymu, bez mieszania warstw zimnych i ciepłych), należy sterować ruchem powietrza za pomocą otworów wentylacyjnych, umieszczonych w dolnej i górnej części pomieszczenia. Usuwanie powietrza poprzez otwory usytuowane w górnej części oddymianej przestrzeni nastąpi, gdy ciśnienie w tym obszarze będzie wyższe od ciśnienia zewnętrznego - w innym przypadku nie pojawi się pożądany przepływ powietrza. Podobnie aby zapewnić napływ powietrza do dolnej części oddymianej przestrzeni, ciśnienie w tym obszarze musi być niższe niż na zewnątrz obiektu. W każdym obiekcie na pewnej wysokości ciśnienie wewnętrzne jest równe ciśnieniu zewnętrznemu. Poziom ten nazywany jest płaszczyzną ciśnienia neutralnego, strefą obojętną lub równoważną ciśnieniu hydrostatycznemu [6].

Wysokość płaszczyzny ciśnienia neutralnego będzie się zmieniała w zależności od temperatury wewnętrznej i zewnętrznej (rys. 1), a także sposobu wentylowania.

Ujemna wartość ciśnienia na wykresie oznacza, że ciśnienie wewnątrz jest mniejsze niż na zewnątrz - i odwrotnie. Należy pamiętać, że usytuowanie otworów na wysokości strefy obojętnej nie przyniesie przepływu pomiędzy oddymianą przestrzenią a przyległymi pomieszczeniami, ponieważ na tej wysokości nie występuje różnica ciśnień. W obiekcie, w którym przewidziana jest wentylacja przepływowa, a powierzchnia otworów napływu powietrza jest równa powierzchni otworów wyciągowych, strefa obojętna znajduje się w przybliżeniu w połowie wysokości przestrzeni oddymianej. Jeżeli powierzchnia otworów napływu będzie mniejsza niż otworów wyciągowych, strefa obojętna przesunie się w górę. Wszystkie otwory znajdujące się powyżej strefy obojętnej będą pod wpływem podwyższonego ciśnienia (w porównaniu z ciśnieniem panującym w przyległych pomieszczeniach) [6].Istnieje możliwość regulowania wysokości strefy obojętnej. Można więc sprawić, że podniesie się ona do bezpiecznej wysokości, na której może negatywnie oddziaływać podwyższone ciśnienie.

Strefa obojętna jest bardzo wrażliwa na działanie wiatru, wytwarzającego ciśnienie od strony zawietrznej budynku. Może on obniżyć poziom strefy obojętnej, a tym samym powodować zadymienie najwyższych kondygnacji. Należy więc mieć na uwadze, że wiatr przepływający nad otworami służącymi do odprowadzania dymu może mieć wpływ na skuteczność wentylacji grawitacyjnej, przyczyniając się do zwiększenia masowego natężenia przepływu przez otwór wentylacyjny (wskutek zjawiska Venturiego). Może też zmniejszyć efektywną powierzchnię otworu wentylacyjnego przez obniżenie współczynnika przepływu - ze względu na wywołanie wiru wewnątrz i tuż nad krawędzią zawietrzną otworu klapy dymowej służącego do odprowadzania dymu [6].

Zgodnie z przeprowadzonymi badaniami na niekorzystne działanie wiatru nie są narażone otwory wentylacyjne (służące do odprowadzania dymu na zasadzie grawitacji) zainstalowane na płaskim dachu, jeśli wysokość podstawy klapy mierzonej od powierzchni dachu wynosi co najmniej 0,2 m. Jednak nawet one mogą być narażone na niekorzystne działanie wiatru przepływającego stycznie do dachu, gdy warstwy gazów mają grubość poniżej 2 m i temperaturę nie wyższą niż 25°C powyżej temperatury otoczenia [6]. Kolejnym ograniczeniem poprawności działania systemu jest wysokość obiektu oraz temperatura panująca na zewnątrz. Działanie systemu będzie skuteczne w obiektach do dwóch, trzech kondygnacji i o wysokości całkowitej ok. 12 m [7].

Oddymianie grawitacyjne wykorzystywane jest w trakcie trwania pożaru przede wszystkim do usuwania dymu i ograniczania promieniowania cieplnego. Poprawia warunki ewakuacji z budynku poprzez usuwanie i rozrzedzanie trujących gazów pożarowych napływającym świeżym powietrzem, zwiększając jednocześnie widoczność na drogach ewakuacyjnych oraz zmniejszając temperaturę na nich panującą. W ten sam sposób wpływa na warunki i bezpieczeństwo prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych. Zmniejsza ryzyko zawalenia się konstrukcji budynku poprzez odprowadzenie na zewnątrz jego bryły gorących gazów ze strefy podsufitowej. Maleje dzięki temu prawdopodobieństwo nagrzania elementów konstrukcyjnych budynku do wartości krytycznych, po których przekroczeniu następuje utrata ich właściwości nośnych.

Składniki grawitacyjnego systemu oddymiania

System grawitacyjnego oddymiania składa się z trzech podstawowych elementów: klapy oddymiającej lub okna oddymiającego, systemu wyzwalającego oraz klapy napowietrzającej.

Klapa lub okno oddymiające mają się w trakcie pożaru otworzyć, aby odprowadzić gromadzący się w strefie podsufitowej dym. Uchylają je specjalne siłowniki po otrzymaniu sygnału alarmu pożarowego. W tym momencie mają się także otworzyć klapy napowietrzające, dzięki czemu wytworzy się ciąg kominowy w strefie zadymionej. To przez nie dostaje się powietrze kompensujące strumień wypływający z budynku. Klapy napowietrzające najczęściej montowane są w ścianach na najniższych kondygnacjach budynku i z reguły ich budowa jest taka jak klap żaluzjowych - mają siłownik i sterowane są tym samym sygnałem, co klapy dymowe i okna oddymiające. Jako systemy wyzwalające działanie klap stosuje się przeważnie czujki dymu lub temperatury zlokalizowane w najwyższych punktach strefy dymowej. Częstym rozwiązaniem są również mechanizmy wyzwalające oparte o mechanizm topikowy lub ampułki pękające w określonych granicznych temperaturach [8]. Wyzwolenie systemu nastąpić może również poprzez przycisk oddymiania lub zewnętrzne urządzenia np. system sygnalizacji pożarowej. Całością systemu oddymiania grawitacyjnego zarządza centrala oddymiania (rys. 2).

Sterowanie systemem grawitacyjnego oddymiania

Oddymianie z wykorzystaniem systemu grawitacyjnego może być sterowane pneumatycznie, elektrycznie, mechanicznie lub pneumatyczno-elektryczne. Przepisy przeciwpożarowe dopuszczają również ręczne uruchamianie urządzeń oddymiających.

Najczęściej stosowanym sposobem otwarcia klap oddymiających jest siłownik pneumatyczny. Termowyzwalacz jest wyposażony w topikowy bezpiecznik - nabój CO2 z mechanizmem uwalniającym iglicę przebijającą nabój. Bezpieczniki termiczne pękają w określonej temperaturze: oznaczone kolorem czerwonym - w temperaturze 68-72°C, kolorem zielonym - w 88-93°C. Spotkać można jeszcze rozwiązanie starego typu, w którym wyzwolenie następuje po przetopieniu się spoiny łączącej dwie blaszki. Gdy iglica termowyzwalacza przebija osłonę naboju CO2, dochodzi do uwolnienia gazu, który poprzez przewód instalacji pneumatycznej przedostaje się do siłownika znajdującego się pod klapą. Następuje wypchnięcie tłoczyska siłownika oraz jego zamknięcie na poziomie wysunięcia maksymalnego.

Ręczne otwieranie klap może następować przez tzw. system pilota lub bezpośrednio z tzw. skrzynki właściwej w której znajdują się naboje z gazem[5].

W przypadku instalacji mechanicznej uruchomienie klapy oddymiającej następuje w momencie przekroczenia w jej otoczeniu określonej temperatury i zadziałania elementu topikowego. Klapa otwiera się dzięki siłownikom pneumatycznym lub sprężynowym. Dodatkowo, możliwe jest zastosowanie rygla elektromagnetycznego do uruchomienia instalacji z systemu sygnalizacji pożarowej. Elektryczne sterowanie to obecnie jedno z najbardziej popularnych rozwiązań. W momencie wykrycia pożaru czujki dymu lub temperatury  przekazują alarm do centrali oddymiania. Za jej pośrednictwem, przy pomocy siłowników, następuje otwarciem okien lub klap oddymiających oraz otworów napowietrzających. System może być uruchamiany ręcznie poprzez wciśnięcie przycisku oddymiania. Tego typu rozwiązania bardzo często mają opcję przewietrzenia oraz moduły pogodowe, które zapewniają automatyczne zamknięcie otworów przy silnym wietrze lub deszczu. System współpracować może z systemem sygnalizacji pożarowej.

Konieczne jest zsynchronizowanie pracy instalacji oddymiającej z innymi instalacjami znajdującymi się w obiekcie, a tych jest coraz więcej (instalacja tryskaczowa, uruchomienie kurtyn dymowych, zamknięcie oddzieleń przeciwpożarowych, zatrzymanie działania instalacji użytkowych i co najważniejsze - automatyczne otwarcie otworów napowietrzających). Najczęściej wszystkie są zintegrowane wokół systemu sygnalizacji pożarowej.

Wymagania formalnoprawne

Zgodnie z przepisami [10] we wskazanych grupach obiektów obligatoryjne są samoczynne urządzenia oddymiające uruchamiane za pomocą systemu wykrywania dymu oraz zapobiegające zadymieniu lub służące do usuwania dymu (grawitacyjnie lub mechanicznie) z pomieszczeń i dróg ewakuacyjnych. Niekiedy ich stosowanie umożliwia złagodzenie wymagań co do klasy odporności pożarowej budynków, dopuszczalnej powierzchni stref pożarowych, długości dojść i przejść ewakuacyjnych. Przepisy techniczno-budowlane określają, że instalacja wentylacji oddymiającej, a tym samym grawitacyjny system oddymiania powinien zapewnić, że  w czasie potrzebnym do ewakuacji ludzi na chronionych przejściach i drogach ewakuacyjnych nie wystąpi zadymienie lub temperatura uniemożliwiające bezpieczną ewakuację. Musi mieć stały dopływ powietrza zewnętrznego uzupełniającego jego braki w wyniku wypływu wraz z dymem [10]. Doprecyzowanie wymagań wymienionych w przepisach techniczno-budowlanych dotyczących drogi ewakuacyjnej znalazło miejsce w § 2 ust. 1 pkt 10 rozporządzenia ministra spraw wewnętrznych i administracji w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów [11]. Określono, że pod pojęciem zabezpieczenia przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych należy rozumieć zabezpieczenie przed utrzymywaniem się na drogach ewakuacyjnych dymu w ilości, która ze względu na ograniczenie widoczności, toksyczność lub temperaturę uniemożliwiałaby bezpieczną ewakuację. Co ważne, niezabezpieczenie przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych wymienionych w przepisach techniczno-budowlanych w sposób w nich określony może stanowić podstawę do uznania użytkowanego budynku za zagrażający życiu ludzi [11].

W związku z powyższym grawitacyjny system oddymiania stosowany jest najczęściej do usuwania dymu z klatek schodowych, poziomych dróg ewakuacyjnych,szybów dźwigów, scen teatralnych, budynków produkcyjno-magazynowych. Spotkamy go głównie w klatkach schodowych, których przestrzeń przypomina komin lub szyb. Do poprawnego działania tego systemu konieczne jest, oprócz wpływu warunków atmosferycznych, odpowiednie dobranie powierzchni oddymiania i napowietrzania oraz zapewnienie wydzielenia klatki schodowej drzwiami. Najczęściej stosowanym standardem według którego projektuje się grawitacyjne systemy oddymiania klatek schodowych jest norma PN-B-02877-4 [12]. Ze względu na możliwość złagodzenia wymagań techniczno-budowlanych grawitacyjny system oddymiania wykorzystywany do odprowadzania dymu i ciepła stosowany jest w obiektach wielkokubaturowych, takich jak hale magazynowe czy produkcyjne. W ich przypadku podstawowym zadaniem oddymiania jest ochrona konstrukcji budynku przed utratą stateczności. Zgodnie z określonym standardem projektowym hale dzieli się na strefy oddymiania za pomocą kurtyn dymowych, aby ograniczyć rozprzestrzenianie się dymu w warstwie podsufitowej. Ma to gwarantować usunięcie dymu z części hali bezpośrednio nad źródłem pożaru (rys. 3).

Poprawne działanie systemu wymaga dostarczenia świeżego powietrza w miejsce odprowadzanych gazów i dymów pożarowych. Najczęściej do tego celu wykorzystywane są klapy napowietrzające, bramy i doki załadunkowe.

Podsumowanie

Oddymianie grawitacyjne ma jedną podstawową zaletę: jest bardzo proste w działaniu. W porównaniu z wentylacją mechaniczną jego wykonanie nie wymaga dużych nakładów finansowych. Ma także wady, przede wszystkim: niską skuteczność przy niewielkiej mocy pożaru - niskich temperaturach dymu, wysoką bezwładność działania oraz podatność na oddziaływanie warunków atmosferycznych. Zwłaszcza przy stosowaniu okien oddymiających konieczne jest uwzględnienie kierunku wiatru, który może powodować wtłaczanie dymu do obiektu.

st. str. Iwona Orłowska jest młodszym technikiem w Sekcji Kontrolno-Rozpoznawczej Komendy Powiatowej PSP w Pabianicach, absolwentką Wydziału Inżynierii Bezpieczeństwa Pożarowego Szkoły Głównej Służby Pożarniczej w Warszawie.

Literatura:

[1] B. Mizieliński, Systemy oddymiania budynków. Wentylacja, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999.

[2] M. Konecki, A. Kolbrecki, Badanie wpływu warunków środowiska pożaru na możliwy czas ewakuacji, Prace Instytutu Techniki Budowlanej. Kwartalnik, nr 3 (131), 2004, s. 11-24.

[3] A. Teodorczyk, Program komputerowy do obliczania dopuszczalnego czasu ewakuacji, BIT KGSP nr 1, 1988, s. 41-53.

[4] Z. Orzechowski, J. Prywer, R. Zarzycki, Mechanika płynów w inżynierii i ochronie środowiska, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2009.

[5] E. Skiepko, Podstawy projektowania instalacji oddymiania grawitacyjnego, elektro.info  10/2014, 26 października 2014 r.

[6] M. Skaźnik, Projektowanie systemów usuwania ciepła i dymu oraz ochrony przed zadymieniem, Mercor 2001.

[7] G. Kubicki, Systemy wentylacji pożarowej w wielkokubaturowych obiektach użyteczności publicznej. Inżynier Budownictwa, www.inzynierbudownictwa.pl, dostęp z 5 listopada  2013 r.

[8] A. Nowotka, Oddymianie grawitacyjne - elementy systemu oddymiania, Infor.pl, dostęp z 5 września  2011 r.

[9] http://www.dhpolska.pl/baza-wiedzy/jak-dziala-system-oddymiania-grawitacyjnego.html dostęp z 11 czerwca 2016 r.

[10] Rozporządzenie ministra infrastruktury z 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (t. jedn. DzU z 2015 r. poz. 1422).

[11] Rozporządzenie ministra spraw wewnętrznych i administracji z 7 czerwca 2010 r. w sprawie ochrony przeciwpożarowej budynków, innych obiektów budowlanych i terenów (DzU z 2010 r. nr 109, poz. 719).

[12] PN-B-02877-4 Ochrona przeciwpożarowa budynków. Instalacje grawitacyjne do odprowadzania dymu i ciepła. Zasady projektowania.

Data publikacji: sierpień 2016