Otevřít - jiripokorny.net

Metody kontroly kouře v uzavřených stavebních objektech
Ing. Jiří Pokorný, Ph.D.
Hasičský záchranný sbor Moravskoslezského kraje
územní odbor Opava
Těšínská 39, 746 01 Opava
e-mail: [email protected]
Klíčová slova
kouř, plyny, metody, modely
Abstrakt
Příspěvek se zabývá popisem metod pro kontrolu kouře v uzavřených stavebních objektech.
Je zde proveden popis jednotlivých metod, jejich matematické vyjádření nebo grafické
znázornění a jsou naznačeny aplikační možnosti. V textu je kladen důraz na modelování
požáru s vazbou na popisovanou problematiku a rámcově rozveden přehled souvisejících
předpisů na území ČR.
Úvod
V prostorách, kde dochází k tvorbě a šíření plynných zplodin hoření (dále také jen kouře nebo
kouřových plynů), 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.
Doba bezpečného pobytu osob
Rozbor doby bezpečného pobytu v této části příspěvku je proveden výhradně 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 skutečnou
teplotu plynných zplodin hoření Tg, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska teploty
plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud
T g ≤ T BEZ .
(1)
Označíme-li bezpečnou výšku plynných zplodin hoření v prostoru dBEZ a skutečnou výšku
plynných zplodin hoření v prostoru d, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska
hladiny plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud
d ≥ d BEZ .
(2)
Označíme-li bezpečnou koncentraci plynných zplodin hoření CBEZ a skutečnou koncentraci
plynných zplodin hoření Cg, můžeme považovat prostor pro osoby z hlediska toxicity
1
plynných zplodin hoření za bezpečný, pokud
C g ≤ C BEZ .
(3)
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
[s]
(4)
Metody kontroly kouře (Smoke management)
Termín „smoke management“, zahrnuje metody zabývající se kontrolou kouře ve stavebních
objektech z důvodů zajištění bezpečnosti osob, zasahujících hasičských jednotek a snížení
materiálních škod.
Mezi základní metody k docílení požadovaného efektu lze zařadit
w
w
w
w
w
tvorbu kouřových oddělení (kouřových úseků),
zředění kouře,
vyrovnání tlaku,
tvorbu toků vzduchu,
využití vztlakového efektu.
Popsané metody mohou být použity samostatně nebo v kombinaci.
Kouřová oddělení
Rozdělení stavebních objektů do úseků, které jsou ohraničeny stavebními konstrukcemi
s příslušnou požární odolností má již dlouhou historii. Dělení objektů na požární úseky
poskytuje rovněž určitou úroveň ochrany proti šíření kouře.
Principy rozdělování objektů do požárních úseků jsou na území ČR vytyčeny projektovými
normami požární bezpečnosti staveb. V zahraničí je tato problematika řešena místními
předpisy (např. NFPA 101).
Intenzita pronikání kouře do sousedních prostor závisí zejména na velikosti a tvaru
prosakujících cest a na vzniklých tlakových diferencích.
Pro prvotní přiblížení pronikání kouře do přilehlých prostor lze podle [1, 2] využít hodnot
typického pronikání uvedených v tab. 1.
Tab. 1 Hodnoty typického pronikání stěnami a podlahou
Konstrukční prvek
Obvodové stěny
(zahrnuje netěsnosti ve
stěnách, kolem dveří a oken)
Schodiště
(zahrnuje netěsnosti ve
stěnách, ale ne kolem dveří a
Propustnost
Poměr A/Aw
Těsné
0,70.10-4
Průměrné
0,21.10-3
Netěsné
0,42.10-3
Velmi netěsné
0,13.10-2
Těsné
0,14.10-4
Průměrné
0,11.10-3
2
stěnách, ale ne kolem dveří a
oken)
Výtahové šachty
(zahrnuje netěsnosti ve
stěnách, ale ne kolem dveří)
Podlahy
(zahrnuje konstrukční
netěsnosti)
Netěsné
0,35.10-3
Těsné
0,18.10-3
Průměrné
0,84.10-3
Netěsné
0,18.10-2
Těsné
0,66.10-5
Průměrné
0,52.10-4
Netěsné
0,17.10-3
A … plocha pronikání, Aw … plocha stěny nebo podlahy
Pro přesnější výpočty je nutné zohlednit konkrétní parametry posuzovaných prostor.
V současné době neexistuje jednotná metodika pro posuzování pronikání kouře ze zdrojové
místnosti (místnost, kde dochází k rozvoji požáru) do přilehlých prostor a z toho vyplývající
úroveň nebezpečí v chráněných oblastech. Jako vhodné se jeví posuzování pohybu kouře a
jeho vlivu na člověka požárními modely.
Rozdělení objektů do dílčích částí vytvořením pasivních zábran patří mezi nejstarší metody
kouřového managementu.
Zředění kouře
Zředění kouře, někdy také označováno jako čištění kouře, je užíváno zejména ve vztahu k
bezpečné koncentraci kouře v prostoru, který je vystaven jeho pronikání.
Tento způsob zajištění bezpečnosti osob může být efektivní pouze v případech, kdy objem
pronikajícího kouře je malý oproti objemu prostoru, kde dochází k jeho pronikání nebo
k rychlosti přívodu čerstvého vzduchu a odstraňování kouře. Zředění kouře bývá s úspěchem
využíváno rovněž v průběhu hasebního zásahu nebo po jeho ukončení hasičskými jednotkami.
Odborníci zabývající se požární ochranou mohou mít nereálné představy o účincích
zřeďování kouře. Metodu zřeďování kouře je vhodné aplikovat v prostorách navazujících na
prostor, kde dochází k rozvoji požáru. Ve vlastním prostoru, kde se požár rozvíjí, je využití
zmíněné metody zpravidla neefektivní.
Koncentraci zplodin hoření lze podle [2] vyjádřit rovnicí
C
= e − at
C0
(5)
kde
C0
C
a
t
…
…
…
…
počáteční koncentrace zplodin hoření [obj. %]
koncentrace zplodin hoření v čase t [obj. %]
rychlost čištění vyjádřená počtem výměn vzduchu za minutu [min-1]
doba po ukončení pronikání zplodin hoření do prostoru nebo doba, kdy se
zastavila produkce zplodin hoření [min]
Při výpočtech se předpokládá rovnoměrné rozložení kouřových plynů v prostoru.
Intenzitu výměny vzduchu pro dosažení koncentrace C lze podle [1, 2] stanovit rovnicí
3
1 C 
a = ⋅ ln 0 
t C 
[min-1]
(6)
[min]
(7)
Dobu dosažení koncentrace C lze stanovit rovnicí
t=
1  C0 
⋅ ln

a C 
Doba dosažení koncentrace C [min]
Možná aplikace vztahu (7) je znázorněna na obr. 1. Předpokládejme koncentraci C oxidu
uhličitého 5 % obj. Podle [4] lze uvedenou koncentraci oxidu uhličitého považovat za životně
nebezpečnou až při půlhodinovém působení. Počáteční koncentrace oxidu uhličitého byly
stanoveny na 5, 10, 15, 20 a 30 % obj. Rychlosti čištění vzduchu byly stanoveny na 0,5, 1, 3,
6 a 10 výměn vzduchu za hodinu.
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
5
10
15
20
30
Počáteční koncentrace zplodin hoření
[obj. %]
0,5 za hod.
1 za hod.
6 za hod.
10 za hod.
3 za hod.
Obr. 1 Znázornění doby dosažení koncentrace C
Grafické znázornění doby dosažení koncentrace C lze považovat pouze za schématické
znázornění využitelnosti rovnice (7). Ve skutečnosti dochází k působení kumulativních a
synergických účinků zplodin hoření a celkové posouzení toxického působení na člověka je
záležitosti nepoměrně složitější.
Ve skutečnosti není možné rovněž zajistit, aby koncentrace zplodin hoření byla stejná v celém
prostoru. Z důvodu vztlaku bývá zpravidla vyšší koncentrace v blízkosti stropní konstrukce.
Otvor pro odvod kouře umístěný ve stropní konstrukci a otvor pro přívod vzduchu umístěný
v blízkosti podlahy tedy zajistí rychlejší zředění kouře než vyplývá z výše uvedených rovnic.
Umístění otvorů zajišťujících výměnu plynů je nutné věnovat značnou pozornost. Otvory
musí být umístěny tak, aby nedocházelo k přisávání vzduchu znečištěného kouřem.
V zahraničí byly prováděny výzkumy srovnávající nejvyšší přípustnou úroveň snížení
viditelnosti a toxicitu kouře. Z výzkumů vyplývá, že přípustná úroveň snížení viditelnosti je
až 100-krát větší než přípustná úroveň toxicity. Je nutné přiznat, že zkoumání toxicity kouře,
je záležitostí složitou a v mnohých ohledech individuální.
Vyrovnání tlaku
Metoda vyrovnání tlaku vytváří proudění vzduchu o vysokých rychlostech kolem zavřených
4
otvorů a spár stavebních konstrukcí. Vzduch proudící vysokými rychlostmi ve spárách o
malých rozměrech zabraňuje pronikání kouře do přilehlých prostor. Princip řešení je
znázorněn na obr. 2.
Kouř
+ ∆P, ρo
V
Tg
- ∆P
Místnost se zdrojem požáru
Q
Obr. 2 Zamezení šíření kouře do sousedních prostor metodou vyrovnání tlaku
Objemový průtok vzduchu spárami stavebních konstrukcí nebo kolem uzavřených otvorů lze
podle [1] stanovit rovnicí
V = C ⋅ A⋅
2∆P
ρo
[m3.s-1]
(8)
kde
V
C
A
∆P
ρo
…
...
...
...
...
objemový průtok vzduchu [m3.s-1]
výtokový součinitel [-]
plocha pronikání [m2]
tlaková diference [Pa]
hustota okolního vzduchu (vzduch vstupující do oblasti pronikání plynů) [kg.m-3]
Výtokový součinitel závisí zejména na geometrii otvoru pronikání, turbulenci a tření.
V obecných případech lze hodnotu výtokového součinitele stanovit v rozsahu 0,6 až 0,7. Za
předpokladu hustoty vzduchu ρo = 1,2 kg.m-3 a hodnoty výtokového součinitele C = 0,65, lze
rovnici (8) upravit do tvaru
V = 0,839 ⋅ A ⋅ ∆P
[m3.s-1]
(9)
Metoda vyrovnání tlaku je nejvíce využívána ve schodišťových prostorách. Schodišťové
prostory jsou mnohdy navrhovány tak, aby po určitou dobu vytvořili bezpečné prostředí pro
únik osob, které se nacházejí ve stavebních objektech (např. chráněné únikové cesty). Při
návrhu systémů vyrovnání tlaku je nutné zohlednit řadu souvisejících vlivů (např. rozdílné
tlakové diference v různých výškách, kolísání tlaku při otevírání a uzavírání komunikačních
otvorů).
Problematika vlastního návrhu systémů vyrovnání tlaku může být dosti složitá. Z tohoto
důvodu doporučuji využít dostupné požární modely.
Toky vzduchu
Teoreticky lze využít toků vzduchu pro omezení nebo úplné zastavení šíření kouře otvory.
Metoda toků vzduchu je využívána zejména v otevřených vchodech a koridorech. Pro
zajištění funkce této metody jsou potřebné velké rychlosti proudění vzduchu.
5
Šíření kouře otvorem je znázorněno na obr. 3.
Kouř
Tg
+∆P
Směr šíření kouře
Q
Místnost se zdrojem požáru
Obr. 3 Šíření kouře otvorem
Zamezení šíření kouře metodou toků vzduchu je znázorněno na obr. 4.
Tg
Kouř
+∆P, ρo
v
Místnost se zdrojem požáru
Q
Obr. 4 Zamezení šíření kouře metodou toků vzduchu
Zamezení šíření kouře pouze tokem vzduchu není užíváno ve stavbách příliš často.
Problémem je zejména požadovaná menší intenzita toku vzduchu v případě uzavřených
otvorů a následně významný nárust intenzity toku vzduchu při otevření otvorů.
Rychlost toku vzduchu pro zamezení šíření kouře koridorem lze podle [2] stanovit rovnicí

g ⋅Q
v = K ⋅
 w ⋅ ρ o ⋅ c p ⋅ Tg





1
3
[m.s-1]
kde
v
Q
w
ρo
cp
Tg
K
g
…
...
...
...
...
...
...
...
rychlost toku vzduchu [m.s-1]
uvolňovaný tepelný tok [kW]
šířka koridoru [m]
hustota okolního vzduchu [kg.m-3]
měrná tepelná kapacita kouřových plynů [kJ.kg-1.K-1]
teplota kouřových plynů (směsi vzduchu a kouře) [K]
konstanta (K ≥ 1 ) [-]
gravitační zrychlení [m.s-2]
6
(10)
Za předpokladu hustoty okolního vzduchu ρo = 1,2 kg.m-3, měrné tepelné kapacity kouřových
plynů cp = 1,005 kJ.kg-1.K-1, teploty kouřových plynů Tg = 300 K a hodnoty K = 1, lze rovnici
(10) upravit do následujícího tvaru
Q
v = 0 ,3 ⋅  
 w
1
3
[m.s-1]
(11)
Využití rovnice (11) je znázorněno na obr. 5. Šířky otvorů byly stanoveny v rozměrech 0,9,
1,45, 3, 5 a 10 m.
Rychlost toku vzduchu [m/s]
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1
100
500
1000
1500
2000
Tepelný tok [kW]
0,9 m
1,45 m
3m
5m
10 m
Obr. 5 Stanovení rychlosti vzduchu pro zamezení šíření kouře koridorem
Výše uvedené rovnice nejsou vhodné pro případy, kdy jsou v hodnocených prostorách
instalovány sprinklery. Ve zmíněných případech dochází k velmi malým teplotním rozdílům
vzduchu a kouřových plynů a hodnoty získané rovnicemi mohou být poddimenzované.
Z hlediska praxe je popisovaná metoda využitelná do požadované rychlosti proudění vzduchu
1,5 m.s-1. Při vyšších požadavcích je využití metody toků vzduchu značně neekonomické.
Vztlakový efekt
Zvyšování teploty plynů důsledkem požáru způsobuje snižování hustoty plynů a tím dochází
k tvorbě vztlakového efektu. Vztlakový efekt je využíván jak u přirozených, tak u nucených
systémů a to zejména u prostor, které mají větší světlou výšku (např. atria, nákupní střediska,
sportovní haly).
Při navrhování systémů s využitím vztlaku vznikajícího při požáru se postupuje podle jednoho
z následujících principů
w
kouř vyplňuje stanovený objem
Uvedený způsob řešení je využíván u prostor, které jsou vybaveny dostatečně velkými
kumulačními prostory pro vznikající kouř. V průběhu kumulace kouře dochází k evakuaci
osob z ohrožených prostor objektu. Doba poklesu kumulované vrstvy kouře musí být
dostatečná pro rozhodovací proces osob, které se zde nachází a pro jejich bezpečnou
evakuaci.
w
nestabilní hladina kouře
7
Při využití tohoto způsobu řešení se kouř kumuluje ve stanovených prostorách a následně je
odváděn mimo objekt. Objemové množství kouře odvedené do vnějšího prostředí je menší
než vlastní intenzita jeho tvorby. Postupně dochází k poklesu kumulované vrstvy kouře. Doba
poklesu vrstvy kouře musí být dostatečná pro rozhodovací proces osob, které se zde nachází a
pro jejich bezpečnou evakuaci.
w
stabilní hladina kouře
Při využití tohoto způsobu řešení se kouř kumuluje ve stanovených prostorách a následně je
odváděn vně objekt. Objemové množství kouře odvedené do vnějšího prostředí odpovídá
intenzitě tvorby kouře pro předpokládaný návrhový požár.
Využití modelování požáru v souvislosti s popisovanou problematikou
Posuzování pohybu kouře v návaznosti na zajištění bezpečné evakuace osob z objektu je
mnohdy záležitosti poměrně složitou. Pro posuzování dané problematiky lze využít zejména
modelování požáru.
Pro praktické aplikace jsou využitelné zejména deterministické zónové modely. Zónové
modely rozdělují posuzovanou oblast do několika odlišných částí, které jsou charakterizovány
parametry závislými na čase. Zpravidla se používá dvou zón, kde jednou zónou je dolní
studená vrstva a druhou potom horní horká vrstva spolu se vzestupným proudem zplodin
hoření nad ohniskem požáru. Každá zóna je považována za homogenní, tj. v každém místě
zóny je stejná teplota, hustota, koncentrace plynů apod. Zónové modely jsou založeny na
řešení rovnic zachování energie, hmoty a hybnosti.
Pro posuzování výše uvedené problematiky se jeví jako vhodné využití modelů ASCOS,
ASET, ASMET, FPEtool, CCFM, CFAST apod.
Standardy pro navrhování jsou rozvedeny zejména zahraničními předpisy (např. NFPA 92 B).
Předpisy a metodiky na území ČR související s popisovanou
problematikou
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 [6, 7].
Hodnocení evakuace osob v chráněných únikových cestách je založeno na posuzování
pronikání kouřových plynů z přilehlých prostor, kde se předpokládá možný vznik požáru, do
chráněné únikové cesty a stanovení způsobů provětrávání cest tak, aby unikající osoby nebyly
ohroženy plynnými produkty hoření. Mechanismus posuzování ohrožení osob v chráněných
únikových cestách je záležitostí specifickou.
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
8
stanoveném jinými metodami.
Obdobný princip posuzování je rozveden rovněž v ČSN 73 0831 [8].
Zásady pro navrhování požárního odvětrání stavebních objektů stanoví Příloha H ČSN 73
0802. Při návrzích lze rovněž využít principy rozvedené v AKTUAL bulletinu Speciál 20
Požární odvětrání stavebních objektů s návaznosti na ČSN 73 0802 a ČSN 73 0804 [3].
Pro prognózu tvorby plynných zplodin hoření z hlediska kvantitativního lze využít také
systém nomogramů zpracovaný s vazbou na tzv. charakteristické druhy požáru [5].
Posuzování pohybu plynů ve stavebních objektech je zpravidla individuální záležitostí
vyžadující zohlednění řady konkrétních podmínek.
Závěr
Z požárů z posledních let je zřejmé, že značná část poškození zdraví nebo úmrtí lidí je
způsobena plynnými zplodinami hoření. Rychlost tvorby plynných zplodin hoření a jejich
šíření stavebními objekty představují zásadní otázku pro posouzení ohrožení osob.
Moderní pojetí ochrany osob před účinky požáru vyžaduje zaměřit pozornost zejména na
zkoumání nebezpečí vyplývajícího z plynů, které doprovázejí rozvoj požáru, jejich šíření
stavebními objekty a návrh recipročních opatření pro zajištění bezpečnosti osob.
Vlastní rizikovost působení kouřových plynů vedla ke vzniku soustavy bezpečnostních
opatření sloužících ke kontrole kouře v uzavřených prostorách, tzv. „smoke management“.
Systém kontroly kouře zahrnuje metody, které mohou být použity samostatně nebo
v kombinaci pro ovlivnění negativních vlivů kouře ve prospěch osob nacházejících se
v objektech ohrožených požárem a zasahujících hasičských jednotek.
Literatura
[1]
Klote, H. J., Nelson, E. H.: Smoke movement in buildings. Fire Protection Handbook,
18th Edition, Section 7, Chapter 6. Quincy, National Fire Protection Association,
1997.
[2]
Klote, H. J.: Smoke control. SFPE Handbook of Fire Protection Engieneering, 2nd
Edition, Section 4, Chapter 12. Quincy, National Fire Protection Association.
[3]
Reichel, V.: Požární odvětrání stavebních objektů v návaznosti na ČSN 73 0802 a
ČSN 73 0804. Praha, MV-ředitelství HZS ČR, 2000, 34 s.
[4]
Orlíková, K., Štroch, P.: Chemie procesů hoření. Ostrava, SPBI, 1999, 87 s., ISBN 8086111-39-3.
[5]
Pokorný, J.: Doktorská disertační práce, Zplodiny hoření, jejich tvorba a vliv na
bezpečnost osob a zasahující hasičské jednotky. Ostrava, VŠB-TU Ostrava, 1997, 102
s.
[6]
ČSN 73 0802 Požární bezpečnost staveb - Nevýrobní objekty. Praha, Český
normalizační institut, 2000, 117 s.
[7]
Reichel, V.: Výklad ČSN 73 0802 PBS - Nevýrobní objekty. Praha, Čuhel Oskar ve
spolupráci s MV- ředitelstvím HZS ČR, 2000, 121 s.
9
[8]
ČSN 73 0831 Požární bezpečnost staveb - Shromažďovací prostory. Praha, Český
normalizační institut, 2001,32 s.
10