Różnicowanie ciśnień

Wydzielający się w czasie pożaru dym jest toksyczny. Stanowi zagrożenie dla ewakuujących się ludzi i ekip ratowniczych. Jak ograniczyć jego rozprzestrzenianie się w budynku?

Krajowe przepisy budowlane i przeciwpożarowe w określonych przypadkach nakładają obowiązek stosowania instalacji do odprowadzania dymu i ciepła z budynków lub zapobiegających zadymieniu, aby poprawić warunki panujące w obiekcie.

Zadania wentylacji pożarowej

Głównym zadaniem wentylacji pożarowej jest przeciwdziałanie rozprzestrzenianiu się dymu i gorących gazów pożarowych poza kondygnację objętą pożarem oraz wzdłuż ciągów komunikacyjnych. Jej prawidłowe funkcjonowanie umożliwia ewakuację ludzi z zagrożonej strefy oraz ułatwia przeprowadzenie skutecznej akcji gaśniczej dzięki zapobiegnięciu nadmiernemu ograniczeniu widoczności oraz spadkowi stężenia tlenu poniżej wartości zagrażających życiu w poziomych korytarzach ewakuacyjnych i w przedsionkach przeciwpożarowych na kondygnacji objętej pożarem oraz na klatkach schodowych [1]. Wentylacja pożarowa ma również za zadanie zmniejszyć straty popożarowe.

Zjawiska wpływające na instalację

Systemy zapobiegające zadymieniu, inaczej zwane systemami różnicowania ciśnień, działają na zasadzie wytworzenia różnicy ciśnienia pomiędzy przestrzenią chronioną a objętą pożarem. Dzięki temu obszar chroniony utrzymywany jest w stanie wolnym od dymu. Poprawne zaprojektowanie takiej instalacji wymaga właściwej identyfikacji i analizy czynników wpływających na rozkład ciśnienia w przestrzeniach chronionych i przepływu zadymionego powietrza w rozpatrywanym budynku. Kwestią najbardziej problematyczną jest występowanie zjawiska ciągu kominowego, konwekcji i rozprężenia, oporów przepływu, a także oddziaływanie wiatru na budynek. Koincydencja zjawisk wskazanych na rys. 1 wpływa bezpośrednio na kształtowanie się ciśnienia na klatce schodowej, a co za tym idzie - na zapewnienie poprawnego działania instalacji różnicowania ciśnień, zwłaszcza w budynkach wielokondygnacyjnych.

rys. 1 Zjawiska wpływające na instalację różnicowania ciśnień: 1) efekt kominowy, 2) konwekcja, 3) rozprężenie, 4) parcie wiatru, 5) opory przepływu powietrza w klatce schodowej, 6) efekt tłokowy, 7) praca instalacji wentylacji ogólnej [2]

Zjawisko ciągu kominowego, opisywane w PP nr 1/2016, niesie za sobą dwa podstawowe zagrożenia w kontekście funkcjonowania instalacji zapobiegania przed zadymieniem. Pierwsze to niekontrolowany lokalny wzrost różnicy ciśnienia w przestrzeni klatki schodowej i w konsekwencji brak możliwości otwarcia drzwi ewakuacyjnych. Drugim jest lokalny spadek różnicy ciśnienia, co powodować może wystąpienie podciśnienia w przestrzeni klatki schodowej i prowadzić będzie do zassania i dystrybucji dymu utrudniającego lub nawet uniemożliwiającego ewakuację. Przy zastosowaniu w budynku tradycyjnego i najbardziej popularnego układu napowietrzania - z wentylatorem napowietrzającym w dolnej części klatki schodowej i klapą upustową znajdującą się na dachu - bardzo trudno będzie uzyskać równomierną wartość ciśnienia na całej wysokości obszaru chronionego. Należy więc pamiętać, że przy wprowadzeniu niewielkiej ilości powietrza nawiewanego klapa upustowa utrzymuje ciśnienie w górnej części klatki schodowej, zaś w pozostałej przestrzeni ciśnienie nie jest regulowane. Konsekwencją tego rozwiązania będzie niekontrolowany spadek różnicy ciśnienia, co powodować będzie wystąpienie podciśnienia w przestrzeni klatki schodowej i zassania dymu do niej. Przy wtłaczaniu do klatki zbyt dużych ilości powietrza istnieje natomiast ryzyko wystąpienia niekontrolowanego miejscowego wzrostu różnicy ciśnienia w przestrzeni pionowej drogi ewakuacyjnej. W skrajnych przypadkach uniemożliwi to otwarcie drzwi ewakuacyjnych.

Wartość ciśnienia jest wynikiem intensywności ciągu kominowego, wielkości strumienia nawiewanego powietrza oraz zależy od oporów przepływu powietrza. Zjawisko oporu przepływu powietrza dla klatki schodowej o typowej geometrii wynosi kilka paskali. Dokładny opis ruchu powietrza w jej obrębie jest jednak bardzo trudny ze względu na efekt kominowy. Dodatkowo wpływ na niego mają ewakuujący się ludzie, zmiany ciśnienia na skutek przepływu przez nieszczelności oraz straty ciśnienia spowodowane tarciem [2].

Pracę instalacji różnicowania ciśnienia będzie zakłócał również wiatr. Skala jego oddziaływania zależy przede wszystkim od lokalizacji budynku, warunków atmosferycznych, nieszczelności, a także aerodynamicznego kształtu elewacji. Wiatr, opływając budynek, wytwarza w jego otoczeniu charakterystyczny rozkład ciśnienia. Na elewacji przeciwległej zawietrznej powstaje strefa podciśnienia, a na elewacji nawietrznej - strefa nadciśnienia. Siła wiatru i jego kierunek powinny być uwzględniane przy określaniu mocy wentylatora napowietrzającego. Jeżeli na nawietrznej stronie klatki schodowej w stolarce znajdują się nieszczelności, wówczas wpadający wiatr może działać w kierunku przeciwnym do wentylatora napowietrzającego, przeciwdziałając efektom wentylacji pożarowej i zakłócając stabilność strumienia nawiewanego mechanicznie. W przypadku nieszczelności po stronie zawietrznej klatki schodowej powstałe tam podciśnienie spowoduje, że powietrze zostanie wyssane z budynku na zewnątrz [2].

W budynkach wyposażonych w windy istotnym zjawiskiem wpływającym na system różnicowania ciśnień jest efekt tłokowy. Powstaje on wskutek przemieszczania się kabiny, powodując wytworzenie się nadciśnienia. Przemieszczająca się w dół winda wypycha powietrze z szybu poniżej kabiny i zasysa je do obszaru nad kabiną. Skutki efektu tłokowego należy uwzględnić w budynkach, w których windy wykorzystywane są przez ekipy ratownicze jako drogi ewakuacyjne (zwłaszcza dla osób niepełnosprawnych) lub gdy znajdują się w obrębie przedsionków przeciwpożarowych czy klatek schodowych. W takich wypadkach konieczne staje się objęcie szybów windowych instalacją nadciśnieniowego zabezpieczenia przed zadymieniem.

Podczas analizowania warunków pożarowych w budynku należy wziąć pod uwagę ruch powietrza, wspomagany przez konwekcję i rozprężanie. Rozgrzane powietrze ma mniejszą gęstość, dlatego podlega działaniu siły unoszenia i przemieszcza się poprzez nieszczelności w przegrodach oddzielających kondygnacje. Będzie to powodowało przepływ dymu w górę pomiędzy kondygnacjami i wystąpienie zadymienia na poziomych i pionowych drogach ewakuacyjnych. Rozprężenie wynika z rozszerzalności objętościowej (termicznej) gazów, która - przy niewielkich zmianach ciśnienia - towarzyszy znacznemu wzrostowi ich temperatury. Aby przeciwdziałać zjawiskom konwekcji i rozprężania, należy utrzymywać w przestrzeni chronionej klatki schodowej poziom nadciśnienia wynoszący min. 20 Pa oraz zapewnić prędkość przepływu powietrza 1 m/s w czasie ewakuacji użytkowników obiektu.

Zasady działania systemu

Definicję systemu różnicowania ciśnienia opisuje norma PN-EN 12101-6:2007 [3], która określa, że „system różnicowania ciśnień służy do ograniczania rozprzestrzeniania się dymu z jednej przestrzeni budynku do drugiej, przez nieszczelności w przegrodach fizycznych lub przez otwarte drzwi. System taki daje możliwość utrzymania bezpiecznych warunków przebywania w przestrzeniach chronionych, takich jak: drogi ewakuacyjne, drogi dostępu ekip ratowniczych, szyby przeciwpożarowe, przedsionki przeciwpożarowe, klatki schodowe oraz inne przestrzenie, gdzie wymagane jest utrzymanie stanu wolnego od dymu”.

Systemy różnicowania ciśnień dzielimy na systemy podwyższonego i obniżonego ciśnienia. Ciśnienie powietrza przestrzeni chronionej w przypadku systemu podwyższonego ciśnienia jest zwiększone do wielkości powyżej ciśnienia w strefie objętej pożarem (rys. 2).

W przypadku systemu obniżonego ciśnienia ciśnienie powietrza w przestrzeni chronionej jest zaś obniżane poniżej wielkości ciśnienia panującego w strefie objętej pożarem (rys. 3).
 

Najczęściej wykorzystywane są w budynkach systemy nadciśnieniowe. Zgodnie z wymaganiami normy PN-EN 12101-6 obliczeniowe różnice ciśnienia pomiędzy sąsiadującymi pomieszczeniami traktowanymi jako drogi ewakuacyjne może wynosić np. 5 Pa, jak w przypadku klatek schodowych (50 Pa) i przedsionków przeciwpożarowych (45 Pa) [3, 4]. System podwyższonego ciśnienia zbudowany jest z instalacji nawiewu powietrza lub przepływu powietrza w strefie podwyższonego ciśnienia oraz instalacji oddymiania lub odprowadzania powietrza z kondygnacji objętej pożarem na zewnątrz budynku. System obniżonego ciśnienia powinien być wyposażony w wentylatory wyciągowe, a także (jeśli zachodzi taka konieczność) w przewody wentylacyjne do usuwania na zewnątrz gazów pożarowych ze strefy o obniżonym ciśnieniu. System ten jest bardzo rzadko stosowany ze względu na wymagania pożarowe stawiane wentylatorom oddymiającym oraz problemy z utrzymaniem wymaganej gradacji ciśnienia. Polska Norma [3] określa kryteria, które muszą zostać spełnione w zależności od sklasyfikowania budynku (rys. 4, 5 i 6).

Działanie systemów różnicowania ciśnień (nadciśnienia) polega na doprowadzaniu ilości powietrza zewnętrznego wymaganej z uwagi na występujące nieszczelności w sposób jednopunktowy (skoncentrowany) w obrębie najwyższych lub najniższych kondygnacji. Jednostki napowietrzające zlokalizowane są zazwyczaj na dachu budynku. W przypadku nawiewu wielopunktowego rozmieszcza się go równomiernie na całej wysokości klatki schodowej - zgodnie z PN-EN 12101-6:2007 na co trzeciej kondygnacji. Natomiast system przepływu, zakładający skorelowany nawiew i wywiew powietrza z kubatury klatki schodowej, zależny jest od różnicy temperatury powietrza zewnętrznego i wewnętrznego [4].

Podczas projektowania systemu różnicowania ciśnień należy pamiętać, że prędkość przepływu powietrza przez drzwi zależy od powierzchni otwartych drzwi oraz liczby otwartych drzwi do przestrzeni mającej czynną instalację wyciągową lub otwartej na przestrzeń zewnętrzną.

Utrzymanie odpowiedniego ciśnienia w przestrzeni chronionej wymaga instalacji odbioru powietrza. Powszechnie stosuje się układy okien uchylnych, które mogą być skuteczną metodą - pod warunkiem, że uwzględni się ewentualny niekorzystny wpływ wiatru (możliwość wtłaczania powietrza po „nawiewnej” stronie budynku), a miejsce zainstalowania okien będzie gwarantowało odbiór powietrza z przestrzeni podwyższonego ciśnienia. Innym sposobem usuwania powietrza może być budowa tzw. kanałów grawitacyjnych, ale przy rozsądnych prędkościach przepływu (możliwych do osiągnięcia) są to przewody o nieakceptowalnie dużych rozmiarach (z dużym zapotrzebowaniem na wolną przestrzeń techniczną w budynku). Ponadto kanały grawitacyjne muszą zostać uzbrojone na każdej kondygnacji w klapy pożarowe, automatycznie otwierane na kondygnacji objętej pożarem i zamknięte na wylocie automatycznie otwieraną klapą dymową. Najlepszą metodą odbioru powietrza wydaje się system wyciągu mechanicznego, ale brak jest w tym przypadku zaleceń projektowych dla doboru wydajności instalacji wyciągowej. Instalacja odbioru powietrza powinna pracować z taką intensywnością, by była w stanie odebrać znaczne ilości powietrza trafiające z klatki schodowej i przedsionków pożarowych na kondygnację przy otwartych drzwiach. Z drugiej jednak strony ilość usuwanego w sposób ciągły powietrza nie powinna wytwarzać podciśnienia w stosunku do strefy chronionej, gdy drzwi pozostają zamknięte. Efekt taki uzyskać można, jeżeli na przykład instalacja nawiewu pożarowego do przedsionka wyposażona zostanie w przewód transferu powietrza na korytarz (wraz z układem przepustnic), zapewniający stały jego strumień trafiający na korytarz ze strefy podwyższonego ciśnienia (niezależnie od położenia drzwi) [5].

Norma PN-EN 12101-6 [3] określa również maksymalną wartość siły, jakiej należy użyć, aby otworzyć drzwi do przestrzeni chronionej. Siła ta zależy od pola powierzchni drzwi, różnicy ciśnień po obu stronach drzwi oraz siły potrzebnej do pokonania oporu własnego drzwi (przede wszystkim oporu samozamykacza) i wynosi zgodnie z normą nie więcej niż 100 N. Przekroczenie tej wartości powodować może utrudnienia w ewakuacji oraz wpłynąć na wydłużenie czasu ewakuacji. Osoby starsze, osłabione lub będące w stresie mogą uznać, że drzwi są zamknięte i będą szukały innej drogi ucieczki.

Prawidłowo działająca instalacja nadciśnieniowa nie dopuszcza do wtargnięcia dymu na drogi ewakuacyjne. Specjalny układ elektroniczny kontroluje cały proces oddymiania i przyrostu ciśnienia za pośrednictwem dwóch niezależnych linii oddymiania i grup napędów oraz specjalnych wyłączników nadciśnieniowych. Odpowiednie wysterowanie zainstalowanych w obszarze klap oddymiających i napowietrzających umożliwia skuteczne zabezpieczenie chronionego obszaru. Powietrze powinno napływać do klatki schodowej w sposób równomierny, tzn. wlot zapewnia jego rozpływ w dolnej części klatki schodowej i przemieszczanie się w górę całym jej przekrojem. Otwór wlotowy świeżego powietrza najlepiej spełnia swoją funkcję, gdy umieszczony jest możliwie nisko, nie niżej jednak niż 0,5 m nad podłogą. Nawiew musi dostarczać wymaganą ilość świeżego powietrza z zewnątrz. Zastosowany układ stopniowania ciśnień pozwala na ukierunkowanie jego przepływu [6].

 
rys. 7. Rozmieszczenie elementów instalacji nadciśnieniowej: 1) centrala sterująca z czujnikiem różnicy ciśnień, 2) wentylator, 3) kanał przewietrzania, 4) ręczne przyciski wyzwalające, 5) automatyczne czujki pożarowe, 6) samozamykacze drzwi, 7) rurka miedziana, 8) przewody elektryczne do napędu elektrycznego, linie sygnalizacyjne czujek pożarowych i przycisków, 9) czujnik ciśnienia na klatce, 10) napęd elektryczny, 11) otwór oddymiania, 12) czujnik ciśnienia zewnętrznego [6]

System różnicowania ciśnień musi być bardzo wydajny, ponieważ warunki panujące w klatce schodowej ulegają ciągłym zmianom. W pierwszym etapie jego pracy wentylatory napowietrzania wytwarzają i stabilizują przyjęty poziomu nadciśnienia. Otwarcie drzwi ewakuacyjnych powoduje, że system musi dostarczyć do klatki schodowej powietrze w ilości gwarantującej jego przepływ w ich otworze z wymaganą prędkością minimalną. Drzwi ewakuacyjne pozostaną otwarte przez stosunkowo krótki czas, po czym na skutek działania samozamykaczy ponownie się zamkną. W tym momencie system napowietrzania powinien ponownie przesterować się do warunku stabilizacji ciśnienia. Opisana sytuacja może pojawiać się bardzo często, przez cały czas ewakuacji, co oznacza równie częste zmiany parametrów pracy instalacji napowietrzania, przy czym dopasowanie wydatku powietrza za każdym razem musi odbywać się bardzo szybko. Dostosowanie parametrów - określone jako czas, po którym chwilowy wzrost ciśnienia spowodowany zamknięciem drzwi nie przekroczy wartości, przy której siła potrzebna do otwarcia drzwi będzie większa od 100 N, a wydatek powietrza po otwarciu drzwi zostanie osiągnięty z dokładnością ±10% - nosi nazwę czasu reakcji systemu [5].

Standardy projektowe

Najczęściej stosowane w Polsce standardy projektowe to PN-EN 12101-6 [3] oraz Instrukcja ITB 378/2002 [1]. Różnią się one pod względem sposobu obliczania niezbędnej ilości powietrza nawiewanego i odprowadzanego z przestrzeni chronionych.

Instrukcja ITB zgodnie z założeniami francuskimi wprowadza klasy systemu A i B, natomiast PN-EN charakteryzuje sześć klas systemów (klasy A, B, C, D, E i F) dla różnych typów budynków. Ich główne założenia przedstawione zostały w tabeli 2 i 3.

Praktyczna realizacja ochrony przed zadymieniem dróg ewakuacyjnych w budynkach wielokondygnacyjnych, mimo istniejących standardów nie jest łatwa ze względu na mało precyzyjne zapisy polskiej normy i wprowadzenie wielu klas systemów. Wprowadzenie w niej zmian w postaci dwóch klas systemów: MOE (ang. Means of Escape) - gdzie wytwarzanie różnicy ciśnień występuje ze względu na konieczność ewakuacji ludzi i FF (ang. Fire Fighting) - konieczności zapewnienia warunków do prowadzenia akcji gaśniczej, powinno znacznie uprościć procedurę projektową.

Przypisy

1. M. Kosiorek, P. Głąbski, Instrukcja nr 378/2002 ITB Projektowanie instalacji wentylacji pożarowej dróg ewakuacyjnych w budynkach wysokich i wysokościowych, Warszawa 2002.
2. A. Szczęsna, Czynniki wpływające na funkcjonowanie systemu zapobiegania zadymieniu. Powietrze na wspomaganiu, „Magazyn Instalatora” 5 (189), 2014, str. 62-63.
3. PN-EN 12101-6:2007: Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła. Wymagania techniczne dotyczące systemów różnicowania ciśnień. Zestawy urządzeń.
4. P. Holewa, G. Kubicki, G. Sypek, J. Wiche, R. Zapała, Przewodnik. Systemy różnicowania ciśnienia w budynkach wielokondygnacyjnych, SMAY Sp. z o.o., Kraków 2013.
5. G. Kubicki, Warunki skuteczności systemów zapobiegania zadymieniu. Elementy systemów wentylacji pożarowej, „Rynek Instalacyjny” 1-2, 2011.
6. J. Wiatr, Zasady doboru przewodów elektrycznych w instalacjach oddymiających, http://www.sep.krakow.pl/nbiuletyn/nr50ar4.pdf, dostęp elektroniczny 26.08.2016 r.
7. B. Mizieliński, G. Kubicki, Wentylacja pożarowa. Oddymianie, Wydawnictwo WNT, Warszawa 2012.

str. Iwona Orłowska pełni służbę w KP PSP w Pabianicach

luty 2017