Poznaj swoje narzędzie pracy! (cz. 2)

W sierpniowym numerze Przeglądu Pożarniczego przedstawione zostały podstawy wykorzystania wentylatorów w działaniach ratowniczo-gaśniczych. Czas, by przyjrzeć się taktyce. Tym razem oprócz informacji teoretycznych przedstawię także praktyczne wnioski.

W stosowaniu wentylacji nadciśnieniowej niezwykle ważne jest miejsce i sposób ustawienia wentylatora lub wentylatorów. Dotyczy to zarówno odległości od otworu wlotowego, kąta nachylenia jak i ustawienia urządzeń względem siebie. Badania przeprowadzone w jednej z hal testowych producenta wykazały, że różne ustawienia powodują różny rozkład ciśnień wzdłuż ścieżki przepływu. Zależności te obrazuje rysunek (rys. 1). Dowódca może więc wybrać konfigurację najlepiej pasującą do danego zdarzenia.

Rys. 1. Różne ustawienia wentylatorów i ich wpływ na rozkład ciśnienia wzdłuż ścieżki przepływu. Kolejno: ustawienie szeregowe w jednym punkcie, ustawienie równoległe (w literę V), ustawienie szeregowe w różnych punktach [1]

Trzeba pamiętać, że w związku z wytwarzaniem nadciśnienia i wtłaczaniem do wnętrza pomieszczenia dużych ilości powietrza wentylacja nadciśnieniowa nie powinna być stosowana, gdy:

• nie ma możliwości obejścia obiektu lub obejrzenia go ze wszystkich stron (identyfikacja otworów wlotowych i wylotowych),
• warunki wskazują na zagrożenie backdraftem,
• nie można stworzyć prostego przepływu: jeden wlot -  jeden wylot (może istnieć więcej niż jeden otwór wylotowy, jednak wskazane jest, aby otwory wylotowe znajdowały się jak najbliżej ogniska pożaru, najlepiej w tym samym pomieszczeniu, co pozwoli uniknąć przetłaczania gorących gazów pożarowych przez obiekt),
• istnieje ryzyko wtłoczenia dymu do pustych ukrytych przestrzeni (pustki, poddasza, kanały itp.),
• osoby poszkodowane lub strażacy znajdują się między pożarem a otworem wylotowym,
• linie gaśnicze (w natarciu i obronie) nie są gotowe,
• wieje silny wiatr od strony wylotu,
• nie można rozpoznać miejsca ogniska pożaru,
• w pobliżu znajduje się ciecz palna lub pył.

Świadoma wentylacja

Wentylacja pożarowa nabiera coraz większego znaczenia taktycznego podczas zwalczania pożarów. Wielu poważanych ekspertów podkreśla jednak, że decyzja o wentylacji (również nadciśnieniowej) musi być świadoma i podyktowana wyraźnymi względami taktycznymi. Paul Grimwood pisze w swojej ostatniej książce o trzech powodach (celach) stosowania wentylacji:

• wentylacja dla życia - ogólnie: prowadzona, aby umożliwić lub ułatwić przeszukanie obiektu lub uzyskać dostęp do osób poszkodowanych w pożarze (zadymieniu). Przy użyciu nadciśnienia: wentylacja przestrzeni zadymionych w oddaleniu lub w bezpośrednim sąsiedztwie pożaru, ma pozwolić na jak najszybsze dotarci do osób poszkodowanych i ewakuację poza strefę zagrożenia,
• wentylacja dla pożaru - ogólnie: prowadzona, aby poprawić warunki pracy wewnątrz obiektu poprzez obniżenie temperatury i poprawę widoczności. Przy użyciu nadciśnienia: wentylacja przestrzeni zadymionych w oddaleniu lub w bezpośrednim sąsiedztwie pożaru mająca na celu poprawę warunków pracy - zasadniczo nastawiona na ugaszenie pożaru, a nie ratowanie osób,
• wentylacja dla bezpieczeństwa - ogólnie: służy poprawie bezpieczeństwa pracy strażaków. Przy użyciu nadciśnienia: wentylacja przestrzeni zadymionych w oddaleniu lub w bezpośrednim sąsiedztwie pożaru, prowadzona w celu usunięcia dymu i zwiększenia bezpieczeństwa (zmniejszenia ryzyka) pracy wewnątrz obiektu [2].

Przyglądając się powyższym definicjom, łatwo zauważyć ich części wspólne. Rzuca się także w oczy  cel stosowania wentylacji nadciśnieniowej. Oczywiście niejednokrotnie celów stosowania nadciśnienia jest wiele, niemniej jednak rozpoczęcie wentylacji powinno być procesem intencjonalnym, zarządzonym przez kierującego lub wynikającym z przećwiczonych i świadomych algorytmów działania oraz realizowanym w konkretnym celu.

Warto jeszcze wspomnieć o tzw. wentylacji sekwencyjnej, polegającej na kolejnym oddymianiu konkretnych obszarów i zabezpieczaniu tych już oczyszczonych przed ponownym zadymieniem.

Działanie takie pozwala na sukcesywne usuwanie dymu z budynku w miarę zyskiwania przewagi taktycznej przy zdarzeniu (rys 2.). Może to być jeden ze sposobów działania. Inny sposób to jednoczesne wentylowanie całej kubatury lub kierunkowanie strugi przepływu przez obiekt według wcześniej założonej ścieżki.

Rys. 2. Wentylacja sekwencyjna: kolejne oczyszczanie poszczególnych pomieszczeń zgodnie z zamiarem taktycznym kierującego działaniem ratowniczym. Każde wyczyszczone pomieszczenie należy izolować, zabezpieczając przed ponownym zadymieniem. Konieczne jest zabezpieczenie prądem wodnym wylotu z pomieszczenia objętego pożarem (D). Można też zmienić kolejność wentylowanych pomieszczeń: najpierw pomieszczenia 1 i 4 łącznie, a potem kolejne, osobno lub jednocześnie.

Wentylatorowy test

Praktyczna część szkolenia realizowanego w Ośrodku Szkolenia KW PSP w Olsztynie były okazją do przyjrzenia się kilku parametrom wentylatorów, decydującym o łatwości i wygodzie ich użycia. Jednym z ważniejszych jest waga urządzenia. Ona decyduje, czy wentylator zostanie użyty we wczesnej fazie akcji: jedna czy dwie osoby mogą go łatwo wyjąć ze skrytki,  czy jego transport do miejsca ustawienia jest szybki i prosty, czy waga w połączeniu z gabarytami sprzyja ergonomii użycia (porównajmy wentylator stosunkowo lekki umiejscowiony w skrytce bliżej gruntu i stosunkowo ciężki znajdujący się w skrytce na poziomie wzroku lub wyżej). Jeśli dana jednostka decyduje się na aktywne używanie wentylatorów we wczesnej fazie zwalczania pożaru, to jedynie możliwość wyciągnięcia wentylatora ze skrytki w chwilę po przyjeździe na miejsce zdarzenia ma sens. W przeciwnym razie na 99 proc. nie zostanie on użyty w tej fazie działania (a więc w trybie natarcia nadciśnieniowego).

Kolejnym istotnym parametrem jest hałas emitowany przez wentylator podczas pracy. Będzie on utrudniał komunikację na miejscu zdarzenia i praktycznie nie ma sposobu na uniknięcie go (poza oddaleniem się użytkownika radiotelefonu). Testy prowadzone podczas szkolenia opierały się jedynie na wrażeniu uczestników, którzy zgodnie przyznali, że najcichszym wentylatorem z testowanych modeli był Ventry 20GX 160, natomiast najgłośniejszy wydawał się Tempest TCA 21H 6,5. Oczywiście istnieją różne modele wskazanych producentów i nowe technologie, dzięki którym hałas jest mniejszy (np. specjalny kształt łopat w wentylatorach wirnikowych).

Ważna jest także charakterystyka wytwarzanej strugi powietrza - jej kształt i laminarność przepływu. Żeby ją sprawdzić, podawano na element wirujący (zza wentylatora) dym parafinowy z zadymiarki scenicznej. Charakterystyka strugi sprawdzana była za pomocą kawałków papieru toaletowego (doskonałe narzędzie diagnostyczne!) i anemometru (fot. 1).

Fot. 1: Badanie charakterystyki strugi wytwarzanej przez wentylator za pomocą dymu z zadymiarki, tasiemek papierowych oraz anemometru.

Przeprowadzone w ten sposób testy były podstawą określenia kształtu wytwarzanej strugi (patrz cz. 1 artykułu w PP 8/2014) oraz stopnia uporządkowania przepływu, wpływającego na wartość bojową wentylatora bardziej niż deklarowana wydajność. Jeden z producentów wprowadził nawet specjalny parametr - siłę ciągu (ang. thrust), aby opisać faktyczną moc swoich urządzeń.  U innych producentów brak podobnych parametrów, na szczęście łatwo można skonstruować proste urządzenie pozwalające na porównanie posiadanych wentylatorów pod tym kątem [3].

Na ćwiczeniach sprawdzano także wszystkie wentylatory pod kątem przepływu przez otwór wylotowy przy zmieniającej się odległości urządzenia od otworu wlotowego. Testy zostały przeprowadzone na stanowisku do ćwiczeń zbudowanym z kontenerów morskich (wielokontenerowy symulator gaszenia pożarów wewnętrznych) [4]. Łączna kubatura wentylowanych pomieszczeń wyniosła około 263 m3, powierzchnia otworu wlotowego - 1,8 m2, otworu wylotowego - 1,96 m2. Zgodnie z teorią prezentowaną przez Stefana Svenssona (można poznać ją PP 7/2014, jak również w jego świetnej książce o wentylacji pożarowej [5]) stosunek powierzchni otworu wylotowego do powierzchni otworu wlotowego wynosi 1,088889 (czyli ≈ 1), a zatem sprawność procesu wymiany gazowej we wnętrzu bliska jest 70 proc. Oznacza to, że jedynie niespełna 3/4 wydatku (m3/s) powietrza dostającego się do wentylowanej kubatury przez wlot opuszcza ją przez wylot. To kolejny dowód na to, że  deklarowane wydajności wentylatorów należy traktować z pewnym dystansem.

Sprawdzana i porównywana była także prędkość wypływu powietrza przez otwór wylotowy podczas zmiany odległości wentylatora od otworu wlotowego. Po każdorazowym ustawieniu wentylatora w danej odległości odczekiwano około 30 sek.  na wytworzenie się przepływu i dokonywano pomiaru przez kolejne 30 sek., uśredniając wskazania anemometru. Taka metoda badania pozwoliła uniknąć błędów pomiaru wynikających z dynamiki zmian towarzyszących każdemu przepływowi. Mierzone było także stężenie tlenku węgla wewnątrz kubatury w chwili osiągnięcia szczytowych wartości wypływu z otworu wlotowego. Charakterystykę przepływów pozwolił zobrazować napuszczany co jakiś czas do wnętrza dym parafinowy. Wyniki testów zawiera tabela 1.

Choć testy przeprowadzone zostały z należytą starannością, mogą być obarczone pewnym błędem, związanym np. ze zmiennymi warunkami wiatru podczas badania poszczególnych wentylatorów. Dlatego przedstawione wyniki są orientacyjne i tak tylko należy je traktować. Niemniej jednak mogą z powodzeniem posłużyć do wyrobienia sobie opinii na temat optymalnego ustawienia danego wentylatora (odległości) względem otworu wlotowego, jak też do bardzo ogólnego porównania poszczególnych urządzeń.

Pamiętajmy, , że producenci dysponują szeroką gamą urządzeń i testowane były jedynie wybrane modele, dostępne w momencie realizacji szkolenia. Niektóre konstrukcje zostały już zastąpione przez nowsze modele. Postęp technologiczny i ciągła rywalizacja na rynku skłania producentów do wdrażania coraz to nowszych rozwiązań, a każda licząca się firma ma do zaoferowania kilka modeli bardzo dobrych wentylatorów.

Ćwiczenia nie miały wyłonić najlepszego wentylatora. Ich nadrzędnym celem było pokazanie, jakie prawa rządzą wentylacją nadciśnieniową oraz sposobów optymalizacji pracy danego wentylatora. Testy udowodniły, że zastosowanie kurtyny dymowej (opisanej przez Michaela Reicka, jej twórcę i posiadacza patentu, w lipcowym numerze PP) pozwala zatrzymać wypływ gazu w górnej części wlotu (w przypadku zbliżenia wentylatora do otworu wlotowego i wtłaczania całej objętości strugi powietrza, o kształcie zbliżonym tak do stożka, jak i do walca) i zwiększenie tym samym wydatku w otworze wylotowym. To poprawia skuteczność wentylacji i zapobiega rozprzestrzenianiu się zadymienia na obszary wolne od dymu, co jest niezwykle ważnym argumentem przemawiającym za stosowaniem kurtyny dymowej zarówno przy wentylacji nadciśnieniowej, jak i tradycyjnych metodach zwalczania pożarów.

Fot. 2: Przyjęta metoda badania polegała na pomiarze prędkości powietrza w otworze wylotowym przy zmieniającej się odległości danego wentylatora od otworu wlotowego

Fot. 3. Wykorzystanie kurtyny dymowej zwiększa skuteczność wentylacji poprzez przeciwdziałanie spadkom ciśnienia we wnętrzu obiektu powodowanym przez wypływ powietrza ponad strugą w otworze wlotowym

Na ćwiczeniach sprawdzane były różne ustawienia dwóch wentylatorów. Zostały ustawione w rzędzie (tzn. jeden przed drugim w kierunku wlotu) i obok siebie (w kształcie litery V). Brak dwóch jednakowych modeli nieco utrudniał idealne ustawienie,  określenie optymalnej odległości czy wybranie podobnego kąta nachylenia. Dało się jednak zauważyć wyraźny wzrost wydajności wentylatorów ustawionych w literę V w porównaniu do ustawienia w rzędzie. W tym drugim przypadku o ok. 20-30 proc. wzrastała prędkość powietrza w otworze wylotowym, ale ustawienie tych samych wentylatorów w literę V powodowało około 50-60 proc. wzrost.

Ustawiając wentylatory przed wlotem symetrycznie w literę V, najlepiej zachować między nimi kąt około 60° (tzn. 30° między osią każdego wentylatora a osią pionową drzwi) i umieszczać je w odległości około 1,5 m od wlotu. Spowoduje to tzw. efekt Venturiego, czyli powstanie podciśnienia w obszarze między wentylatorami i zassanie większej ilości powietrza wraz ze strugami dwóch wentylatorów [6].

Fot. 4. Ustawienie wentylatorów w kształcie litery V wyraźnie zwiększa skuteczność wentylacji. Badania dowodzą, że jest to najkorzystniejsze ustawienie dwóch podobnych wentylatorów przed otworem wlotowym

W ramach ćwiczeń sprawdzone zostało również działanie pierścieni mgłowych, będących często dodatkowym wyposażeniem wentylatorów. Miały je dwa z testowanych modeli: Ventry 20GX 160 i Rosenbauer Fanergy V21. Do testów posłużył wentylator Rosenbauera, z uwagi na zamontowaną na dyszy nasadę Storz 52 (w drugim z wentylatorów dyszę mgłową można wykorzystać dopiero po wykonaniu  dodatkowego połączenia gwintowanego). Zgodnie z obecnym stanem wiedzy, kropelki mgły wodnej niesione przez strugę powietrza mają małą zdolność wędrówki w głąb obiektu. Na prostych odcinkach są w stanie pokonywać dystans do kilkunastu metrów, nie opływają  przeszkód czy zakrętów wraz ze strumieniem powietrza, tylko uderzają w nie i tam pozostają. Badania dowodzą, że w strumieniu powietrza przemieszczającym się z prędkością około 4 m/s jedynie cząsteczki o średnicy mniejszej niż 0,02 mm mają zdolność podążania ze strugą powietrza. W praktyce niewielka część kropelek wytwarzanych prze urządzenia strażackie (prądownice czy pierścienie mgłowe) ma tak mały rozmiar - często nie jest on pożądany, np. do chłodzenia gazów pożarowych najlepsze efekty dają kropelki w zakresie średnic 0,2-0,4 mm. Wytworzenie takich kropelek wymaga odpowiedniego ciśnienia podawania wody.  Warto zwrócić uwagę na łączenie się małych kropelek w większe pod działaniem silnej strugi powietrza, charakteryzującej się dodatkowo ruchem wirowym wokół osi. To mówi samo za siebie - podawanie mgły z wentylatora sprawdzi się jedynie w na prostych odcinkach [7].

Podczas ćwiczenia stwierdzono, że rzeczywiście krople są w stanie pokonać dystans około 16 m (odległość wentylatora od wlotu + 12 m długości kontenera morskiego + 2,5 m szerokości kontenera ustawionego w poprzek). Większość z nich osiadała na podłodze, ścianach, suficie lub framudze drzwi łączących kontenery lub na ścianie znajdującej się naprzeciw otworu wlotowego w odległości około 16 m. Niewielką ich ilość można było zaobserwować w strudze powietrza wydostającej się przez drzwi kontenera (wylot) usytuowane w poprzek osi przemieszczania się strugi.

Fot. 5. Mimo pewnych ograniczeń podawanie mgły wodnej w strudze tłoczonego powietrza ma swoje zalety i może znaleźć zastosowanie podczas akcji

Korzystając z okazji, sprawdziliśmy również dodatkowe wyposażenie dostępne z wentylatorem Rosenbauer Fanergy V21, czyli rękaw do wentylacji studzienek. Wentylator ten ma w standardzie także kliny do blokowania otworów, co jest bardzo dużym udogodnieniem.  W praktyce bez klinów nie da się prowadzić wentylacji nadciśnieniowej w obiektach ze względu na samoczynne zamykanie się drzwi czy okien (otwieranych do środka) w wyniku oddziaływania strugi tłoczonego powietrza.

Na koniec ćwiczeń zrealizowany został scenariusz z natarciem nadciśnieniowym na pożar. System termopar zainstalowany na stanowisku do ćwiczeń pozwalał zaobserwować pewne prawidłowości, które obrazował wykres krzywych pożarowych (patrz: cz. 1 artykułu - PP 8/2014).

Organizowane w Olsztynie ćwiczenia służyły dokładnemu poznaniu przez ratowników własnych narzędzi pracy. Miało to wpłynąć na podejmowanie przez nich świadomych i przemyślanych decyzji podczas prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych. Taka filozofia powinna dotyczyć każdej, nawet najmniejszej jednostki sprzętowej z wyposażenia strażaków i przyświeca ona kadrze Ośrodka Szkolenia KW PSP w Olsztynie. Jej kwintesencję można streścić w słowach sparafrazowanej przysięgi strzelca korpusu US Marines, którą Ed Hartin na swoim świetnym blogu opublikował, jako przysięgę prądownika:

To jest moja prądownica. Wiele jest takich samych, ale ta jest moja. Moja prądownica jest moim najlepszym przyjacielem. Jest moim życiem. Muszę opanować ją tak, jak kontroluję swe życie. Beze mnie jest ona bezużyteczna, bez mojej prądownicy ja jestem bezużyteczny. Będę używał mojej prądownicy skutecznie i sprawnie, by podawać wodę tam, gdzie jest potrzebna. Nauczę się jej wad, zalet, budowy i utrzymania. Będę strzegł jej przed uszkodzeniem, utrzymywał w czystości i gotowości. To przysięgam. [8]

Istnieje chyba ogólna zgoda co do tego, że żadna, nawet najbardziej zaawansowana technologia nie jest w stanie skompensować braków w wyszkoleniu. Jak bowiem mawia mój hiszpański kolega Art Arnalich, dowódca batalionu w rejonie Guadalajara: „Najlepszy zakup? Zatrzymaj stary wentylator i zainwestuj w szkolenie!”.

Szymon Kokot-Góra

Literatura:
[1] A. Arnalich, PPA. Positive Pressure Attack¸ prezentacja multimedialna typu Creative Commons.
[2] P. Grimwood, Euro Firefighter: global firefighting strategy and tactics, command and control and firefighter safety, Jeremy Mills Publishing Ltd, 2008.
[3] http://www.ventry.com/fans/faq/thrust.html.
[4] www.os-psp.olsztyn.pl > Baza szkoleniowa > wielokontenerowy…
[5] Svensson, S., Fire ventilation, Swedish Rescue Services Agency, 2005.
[6] www.cfbt-be.com/images/artikelen/thesis_pgop_v1.0.pdf.
[7] S. Särdqvist, Water and other extinguishing agents, Swedish Rescue Services Agency, 2002.
[8] www.cfbt-us.com