Poznaj swoje narzędzie pracy (cz. 1)

Wentylacja nadciśnieniowa staje się coraz popularniejszą techniką stosowaną przez strażaków. Firma Tempest, która jako pierwsza użyła przy zwalczaniu pożarów wentylatorów (służących do napełniania balonów), powstała już w 1987 r. Wciąż jednak nie można powiedzieć, że technika ta jest u nas powszechnie znana, oswojona - i dobrze rozumiana.

Jak wielokrotnie podkreślano na łamach PP i w innych źródłach, wentylacja nadciśnieniowa ma duży potencjał operacyjny, ale też niesie ze sobą pewne zagrożenia. Aby stosować tę technikę, trzeba mieć odpowiednie kompetencje, a zdobyć je można jedynie poprzez udział w przemyślanych i regularnych szkoleniach teoretyczno-praktycznych, które jednak ciężko realizować z powodu braków w literaturze fachowej i trudności organizacyjnych. W praktyce strażacy rzadko sięgają po tę metodę, a jeśli już, to jakość jej stosowania pozostawia wiele do życzenia.

Potwierdziły to inspekcje gotowości operacyjnej jednostek ratowniczo-gaśniczych. W piśmie z 13 września 2013 r. (znak: CKR-III-0754/7-36/13) zastępca komendanta głównego PSP nadbryg. Janusz Skulich wskazał braki w wyszkoleniu strażaków i zalecił poprawę sytuacji poprzez przeprowadzenie doskonalenia zawodowego m.in. w dziedzinie wentylacji nadciśnieniowej. Ośrodek Szkolenia KW PSP w Olsztynie zorganizował takie szkolenie w dniach 19-20 maja tego roku.

Podczas warsztatów wykorzystano siedem wentylatorów. Trzy z nich stanowiły wyposażenie Ośrodka Szkolenia, reszta została wypożyczona od firm zajmujących się ich dystrybucją. Głównym założeniem było pokazanie sposobów optymalizowania pracy z wentylatorem, niezależnie od jego typu, rodzaju czy rozmiaru. Niniejszy artykuł streszcza treści teoretyczne i opisuje przebieg zajęć praktycznych podczas tego szkolenia.

Uczestnicy szkolenia wraz z wykorzystywanym sprzętem na tle stanowiska do ćwiczeń

Trochę teorii

Jak można było przeczytać w artykule Stefana Svenssona [1] (, dym powstający w pożarze rozchodzi się w różnych kierunkach w wyniku nadciśnienia (ekspansji) i wyporu termicznego. We współczesnych pożarach powstaje szczególnie dużo dymu, powszechnie stosowane są bowiem materiały syntetyczne i spalanie następuje w warunkach niedoboru tlenu. Wentylacja nadciśnieniowa ma zastąpić dym i zgromadzone w nim ciepło świeżym i chłodnym powietrzem, poprawiając znacznie warunki wewnątrz i często pozwalając zapobiec niebezpiecznym zjawiskom związanym z palnością dymu i gazów pożarowych. Klasyczna krzywa pożaru, którą wszyscy znamy, została stworzona podczas badań NIST w latach 70., kiedy powszechnie używano materiałów pochodzenia organicznego. Obecnie testy w amerykańskim Instytucie Badań nad Bezpieczeństwem Strażaków UL (UL FSRI) pokazują, że owa krzywa wygląda zasadniczo inaczej, a występujące na ogół zjawisko pożaru kontrolowanego przez wentylację (ilość generowanego ciepła i dynamika procesu zależna od ilości dopływającego powietrza, a nie charakterystyki paliwa) jest źródłem dodatkowych zagrożeń dla strażaków [2].

Rys. 1. Porównanie krzywych pożaru: tradycyjnej, współczesnej i właściwej dla natarcia nadciśnieniowego

Na rys. 1 widać dwa wykresy. Pierwszy z nich przedstawia tradycyjną krzywą pożaru (czerwona linia). Jej przebieg częściowo pokrywa się z tzw. krzywą współczesną (niebieska linia).

Niebieska linia wyraźnie ukazuje podatność dzisiejszego środowiska pożaru na wymianę gazową (wentylację pożarową lub jej brak). Tam, gdzie pożar zmienia charakter z kontrolowanego przez paliwo (KPP) na kontrolowany przez wentylację (KPW), każda dodatkowa wymiana gazowa powoduje jego intensyfikację. Wymiana ta może być spowodowana celowym działaniem straży pożarnej lub np. wypadnięciem okna pod wpływem temperatury. Jedynie podanie wody na palące się powierzchnie, czyli zmniejszenie szybkości wydzielania się ciepła (mocy pożaru), może spowodować, że wentylacja pożarowa usunie nadmiar dymu i ciepła.

Z wentylacją nadciśnieniową w natarciu (zwaną natarciem nadciśnieniowym - Positive Pressure Attack, PPV) jest nieco inaczej. Pokazuje to zielona linia na drugim wykresie. Ta technika przy prawidłowym zastosowaniu i w sprzyjających warunkach może spowodować szybsze usunięcie dymu i ciepła, jednak na ogół po wstępnym wzroście mocy pożaru i temperatury. Oczywiście usunięcie znacznej ilości ciepła w dymie to tylko chwilowe remedium. Jeśli nie zostaną wkrótce przeprowadzone działania gaśnicze, problem wróci ze zwiększoną siłą, z uwagi na dostarczanie do strefy spalania dużych ilości powietrza przemieszczającego się ze znaczną prędkością [3].

Typy wentylatorów

Podczas szkolenia używane były jedynie wentylatory o napędzie spalinowym. Są to urządzenia uniwersalne, więc najbardziej rozpowszechnione, chociaż w niektórych sytuacjach nie można ich stosować. W tabeli wyszczególnione zostały ich wybrane dane techniczne. Warto nadmienić, że w różnych kartach katalogowych tej samej jednostki sprzętowej (np. u producenta i przedstawiciela handlowego) pojawiają się rozbieżności , nie wszystkie modele mają też certyfikaty AMCA 240 (niezależna instytucja badająca m.in. wentylatory). Podane wartości są więc przybliżone lub wynikają z określonych obliczeń. . Nie są to jednak znaczące rozbieżności. Mamy natomiast do czynienia z pewnymi detalami konstrukcyjnymi, które sprawiają, że deklarowana wydajność według standardu AMCA 240 nie jest najbardziej miarodajnym wyznacznikiem przydatności czy skuteczności wentylatora. Myślą przewodnią szkolenia było przyjrzenie się tym mniej oczywistym detalom i pokazanie, jak można przetestować posiadany wentylator i zoptymalizować jego pracę [4].

Zestawienie wybranych parametrów technicznych wentylatorów użytych podczas szkolenia

Pierwszą różnicą, często zauważaną, lecz nie zawsze dobrze rozumianą, jest typ konstrukcji elementu wirującego. W kraju znane są dwa rodzaje wentylatorów - tradycyjne (potocznie zwane zwykłymi lub łopatkowymi) oraz typu turbo. W tych drugich zastosowano specjalne powierzchnie kierunkujące przepływ powietrza, umiejscowione na obudowie w punkcie wylotu powietrza z wentylatora na kratce ochronnej; mają one też niekiedy wirniki o odmiennym kształcie łopat. Owe „prostowniki strumienia” korzystnie ukierunkowują i porządkują strugę powietrza, nadając jej kształt bardziej zbliżony do walca aniżeli do stożka - ten jest charakterystyczny dla wentylatorów tradycyjnych.

Przy stosowaniu wentylacji nadciśnieniowej często mówi się o tzw. zasadzie stożka, czyli pokryciu jego podstawą otworu wlotowego. Jest ona jednak pewnym archaizmem. Po pierwsze powstała w czasach, kiedy nie było wentylatorów typu turbo, które z uwagi na kształt strugi nie są w stanie pokrywać otworu wlotowego, a ich skuteczność zawdzięczamy przekroczeniu tzw. prędkości krytycznej, co zapobiega cofaniu się dymu, co jest  główną obawą przy stosowaniu zasady stożka. Po drugie, co udowodniono wielokrotnie, skierowanie całego stożka do wnętrza wentylowanej przestrzeni spowoduje znaczny wzrost wydajności. Wynika on z uniknięcia strat związanych z trafianiem pewnej części strugi poza otwór wlotowy w przypadku stosowania się do zasady stożka, jak też z dodatkowego zasysania powietrza z okolic strugi i wtłaczania go do środka. Analizując dane techniczne producentów, często zauważymy dwie wydajności podawane przy wentylatorach tradycyjnych - certyfikowaną przez AMCA i wynikającą z zasysania dodatkowego powietrza. Dla jednego z użytych na szkoleniu wentylatorów - Fanergy V21 dane te to odpowiednio 35 000 m3/h i >65 000 m3/h. Ponadto, jak wspomniał w swoim artykule Stefan Svensson, stożek znajduje zastosowanie głównie tam, gdzie celem wentylacji nie jest wytworzenie przepływu i wypchnięcie gazów, a stworzenie nadciśnienia w celu zabezpieczenia obszaru przed zadymieniem (np. klatki schodowej). Niezależnie od powyższego, opisywane powyżej wentylatory wyposażone są w element ruchomy w postaci wirnika. Z punktu widzenia aerodynamiki jest to część, która przede wszystkim zasysa powietrze z obszaru za sobą, a jego wypchnięcie i tłoczenie wynika między innymi z obecności pierścienia okalającego wirnik.

Podczas szkolenia wykorzystano również wentylator Ventry 20GX, w którym elementem ruchomym jest śmigło -160. I znów, z punktu widzenia aerodynamiki śmigło przede wszystkim wypycha powietrze, pobierając je z przestrzeni wokół i z tyłu. Jest to takie samo śmigło, jak w samolocie, jedynie odwrócone - by osiągnąć efekt tłoczenia, a nie zasysania. Ma ono zaledwie dwie łopatki, nie ma pierścienia okalającego, a jedynie klatkę ochronną. Umożliwia ona swobodny pobór powietrza, lepszą wydajność i cichszą pracę. Taka konstrukcja wymaga jednak uniesienia pracującego wentylatora nad ziemię, w celu uniknięcia zasysania nieczystości (jest to zresztą problem dotyczący w pewnym stopniu wszystkich wentylatorów). Testowany wentylator śmigłowy ma dodatkowe trzy nogi, które umożliwiają ustawienie go i wypoziomowanie niemal w każdym terenie.

Różne typy wentylatorów. Od lewej: tradycyjny - łopatkowy (WO-14), turbinowy (MT 236 EPT) i śmigłowy (20GX 160)

Wentylator a kształt strugi

W zależności od typu wentylatora wynikającego z jego budowy uzyskuje się różne rodzaje strugi tłoczonego powietrza. W wentylatorach tradycyjnych jest to kształt faktycznie zbliżony do stożka. W turbinowych struga przypomina walec. W śmigłowych nie zostało to jeszcze dokładnie zbadanie, mamy bowiem jednego producenta tego typu sprzętu. To mała strażacka firma, a jej główny inżynier, dowódca operacyjny wyższego szczebla, jest licencjonowanym pilotem i zbudował w swym życiu kilka samolotów. W materiałach katalogowych producent pokazuje, że kształt strugi jest również zbliżony do stożka. Z testów z dymem parafinowym wynikało jednak, że zawiera się pomiędzy stożkiem charakterystycznym dla wentylatorów tradycyjnych a walcem właściwym dla turbowentylatorów.

Ważnym aspektem pracy wentylatorów jest uporządkowanie przepływu powietrza, czyli stopień zbliżenia do przepływu laminarnego. Co oczywiste, turbowentylatory mają tu korzystniejszą charakterystykę od wentylatorów tradycyjnych, aczkolwiek wentylator śmigłowy również może pochwalić się dobrymi parametrami. Rys. 2 obrazuje przybliżony kształt strugi w poszczególnych typach sprzętu. Wypada dodać, że producenci zauważyli korzyści płynące z turbowentylacji i wdrażają technologię prostowania strugi powietrza, opatentowując ją pod różnymi nazwami.

Leader nazywa ją PowAir, Tempest wdraża technologię LAF (Laminar Air Flow), oznaczając wentylatory symbolem SP (Special Operations). Obecny na szkoleniu przedstawiciel Rosenbauera zdradził, że firma również pracuje nad wdrożeniem podobnej technologii. Czynniki te mają duże znaczenie dla sposobu użytkowania danego wentylatora, miały też  wpływ na przebieg późniejszych ćwiczeń. Tylko jeden z używanych wentylatorów (WO-14) wykorzystuje napęd pasowy. Pozostałe mają bezpośrednie przeniesienie napędu z silnika na element wirujący. Wszystkie zapewniały też możliwość regulowania kąta nachylenia względem podłoża.  

Rys. 2. Orientacyjne przepływy i kształty strugi powietrza w poszczególnych typach wentylatorów

Uczestnikom szkolenia zwrócono uwagę na różnice między wentylacją nadciśnieniową (PPV) a natarciem nadciśnieniowym (PPA). PPV to usuwanie dymu co najmniej po wstępnym przygaszeniu pożaru (de facto - oddymianie), natomiast PPA to wsparcie działań w natarciu od pierwszej chwili poprzez wykorzystanie nadciśnienia (de facto - technika gaśnicza) [5].

Wydajność deklarowana i rzeczywista

W kwestii wydajności wentylatorów warto ponownie  przypomnieć artykuł Stefana Svenssona, wyjaśniający zależność sprawności procesu wymiany gazowej (w %) od stosunku powierzchni otworów wlotowych i wylotowych. Z tego względu powinno się traktować deklarowaną przez producenta czy nawet instytucje trzecie wydajność wentylatora traktować jedynie jako sugestię.

Ponadto wytwarzanie stożka wokół wlotu powietrza spowoduje, że część powietrza przetłaczanego przez wentylator pozostanie poza obiektem. Konieczność wytworzenia w obiekcie niewielkiego nadciśnienia pochłonie kolejną część z deklarowanej przez producenta wydajności wentylatora (tym więcej, im większa całkowita kubatura, w której wytwarzamy nadciśnienie).

Skompensowanie nieszczelności w obiekcie dodatkowo zmniejszy faktyczną efektywną wydajność wentylacji nadciśnieniowej. Dopiero objętość powietrza wydostającego się przez otwór wylotowy jest faktyczną miarą skuteczności naszej wentylacji, bowiem tyle właśnie powietrza i dymu wydostaje się z danego obiektu czy pomieszczenia wskutek naszych działań. Powyższe założenia oraz analiza przytoczonego wzoru  posłużyły jako główne wytyczne do późniejszych testów.

Qf = Cd uF AF [m³/s]

gdzie:

Qf - objętościowa wydajność przepływu powietrza (m3/s),
Cd  - współczynnik wydatku właściwy dla danego obiektu,
uF - zmierzona lub teoretyczna prędkość przepływu powietrza przez otwór (m/s),
AF - pole powierzchni otworu wylotowego (m2).

Analizując przytoczony wzór, pozwalający na wyznaczenie ilości powietrza wydostającego się przez otwór wylotowy podczas wentylacji nadciśnieniowej, możemy stwierdzić, że owa ilość zależy w danej sytuacji od dwóch parametrów stałych i jednego zmiennego, a wszystkie one są od siebie zależne wprost proporcjonalnie. Zatem mierząc jedyny zmienny parametr (prędkość powietrza w otworze wylotowym), można wyrobić sobie pogląd na skuteczność wentylacji nadciśnieniowej, zmieniając np. model wentylatora czy jego odległość od otworu wlotowego [6].

W części teoretycznej warsztatów prowadzący zwrócili uwagę na zjawisko przepływu gazów przez obiekty. Wentylacja nadciśnieniowa będzie zawsze powodowała pewne turbulencje i mieszała powietrze z gazami palnymi, powodując ich wejście w zakres palności. Jednak największe turbulencje i straty ciśnienia powstaną w miejscach zawężenia przepływu (np. drzwi wewnętrzne) oraz zmiany jego kierunku (np. zakręty na korytarzu). W dużych otwartych przestrzeniach pewne turbulencje i mierzalna prędkość przepływu pojawiają się blisko przewężeń (np. wejście i wyjście do dużej hali), natomiast we wnętrzu następuje spokojniejsze przesuwanie się objętości gazu przy pewnym nadciśnieniu. Mimo to stratyfikacja warstw zostanie zachwiana, stąd z uwagi na duże kubatury i idące za tym zagrożenia (potencjalnie większy pożar, więcej dymu) natarcie nadciśnieniowe  niesie większe ryzyko!

Na marginesie, nadciśnienie generowane przez wentylator może sięgać 50-70 Pa, podczas gdy ciśnienie warstwy gęstego dymu osiąga zazwyczaj do 30 Pa. W badaniach nad wentylacją stwierdzono też, że dla danego obiektu różna odległość wentylatora od otworu wlotowego daje różną prędkość powietrza wydostającego się z wylotu. Oznacza to, że każdy wentylator ma swój optymalny punkt ustawienia i nie jest to wcale dyktowane zasadą stożka [7].

Istnieje też odpowiedni algorytm stosowania natarcia nadciśnieniowego, wynikający z prawidłowości zachodzących podczas wentylacji. Po rozpoznaniu i zlokalizowaniu źródła pożaru należy wybrać korzystny tor przepływu. Biorąc pod uwagę kierunek i siłę wiatru, trzeba dobrać otwór wylotowy możliwie najbliżej ognia, udrożnić go, a następnie ustawić wentylator w pobliżu wlotu i.

Spowoduje to wstępne skierowanie gazów pożarowych w kierunku wylotu. Kolejnym krokiem będzie udrożnienie wlotu i skierowanie strugi do wewnątrz przy pełnej mocy silnika. Na ogół, zgodnie z przedstawionym wykresem, spowoduje to krótkotrwały wzrost temperatur i mocy pożaru, szczególnie w okolicy jego ogniska. Dlatego zaleca się odczekanie około pół minuty przed wejściem do wnętrza - po to, aby nastąpiło wyczyszczenie ścieżki natarcia z dymu i gazów, co poprawi widoczność i obniży temperaturę.

***

W kolejnej części artykułu przybliżę kilka ważnych zagadnień taktycznych związanych ze stosowaniem wentylacji nadciśnieniowej oraz przebieg i wyniki ćwiczeń z wentylatorami.

Dziękuję współprowadzącemu szkolenie mł. bryg. Krzysztofowi Hołujowi za udostępnienie materiałów wykorzystanych w szkoleniu.

St. kpt. Szymon Kokot-Góra
jest starszym wykładowcą w Ośrodku Szkolenia PSP w Olsztynie, kierownikiem przedmiotu taktyka działań gaśniczych

fot. Szymon Kokot-Góra

Literatura
[1] S. Svensson, , Wentylacja to nie panaceum, „Przegląd Pożarniczy” 7/2014.
[2] S. Kerber, , Study of the effectiveness of fire service vertical ventilation and suppression tactics in single family homes, UL FSRI, 2013 (http://ulfirefightersafety.com/wp-content/uploads/2013/07/UL-FSRI-2010-DHS-Report_Comp.pdf).
[3] S. Kokot-Góra, O pożarach wewnętrznych po nowemu, Olsztyn 2012, http://www.os-psp.olsztyn.pl/images/stories/do_pobrania/mat_dyd/ o_pozarach_wewnetrznych.pdf .
[4] Opracowano na podstawie materiałów katalogowych producentów sprzętu.
[5] K. Garcia, R. Kauffmann, R. Shelble, Positive pressure attack for ventilation and firefighting, Fire Engineering Books & Videos, United States of America, 2006.
[6] P. Grimwood, Positive Pressure Ventilation (Offensive), Technical Bulletin 4/2010, Departament Straży w Kent (UK).
[7] O.A Ezekoye, , S. Svensson, , R. Nicks, , Investigating positive pressure ventilation, Interflam 2007, London