virtuální cfd model pro room corner test

Energeticky efektivní budovy 2015
sympozium Společnosti pro techniku prostředí
15. října 2015, Buštěhrad
VIRTUÁLNÍ CFD MODEL PRO ROOM CORNER TEST
Marek Pokorný1), Petr Hejtmánek1), Hana Najmanová1)
1) Architektura
a interakce budov s životním prostředím, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad
ANOTACE
Zkušební zařízení Room Corner Test (dále jen RCT) instalované v požární laboratoři (FireLAB)
na UCEEB představuje specifickou možnost zjišťování rozvoje požáru ve velkém měřítku.
Společně s RCT je vyvíjen i virtuální model RCT pro předběžné a ověřovací požární simulace
založené na dynamickém proudění tekutin (CFD). Jak RCT, tak jeho virtuální model mají za cíl
pomoci při aplikaci požárně-inženýrského přístupu ve složitých otázkách požární
bezpečnosti. Předložený článek za použití virtuálního RCT prezentuje příspěvek dřevěného
obkladu na stěnách či stropu k rozvoji požáru ve zkušební místnosti. Porovnány jsou čtyři
modelové varianty, ve kterých je měněna pozice dřevěného obkladu o stejné ploše,
a dva referenční scénáře za účelem sledování změny chování požáru. Základním ukazatelem
pro komparaci je čas dosažení prostorového vzplanutí (tzv. flashover) a hodnota rychlosti
uvolněného tepla.
SUMMARY
Room Corner Test (RCT), a testing device installed in the Fire lqaboratory of University
Centre for Energy Efficient Buildings represents a unique possibility for full-scale fire
development investigation. Hand-in-hand with RCT, its computational fluid dynamics (CFD)
virtual model is being developed for preliminary testing. Both RCT and its virtual model help
to put the use of performance-based design into action. This article uses the virtual RCT
model to show the wooden cladding increment to room fire development. There are
4 positions of wooden cladding compared with one another and with 2 reference scenarios.
The main indicator for comparison it time needed to flashover and heat release rate.
ÚVOD
RCT na UCEEB je unikátní univerzitní zařízení, s jehož využitím lze sledovat účinky požáru
stavebních výrobků pro povrchové úpravy stěn a stropů na zkušebním vzorku o ploše až cca
32 m2. RCT umožňuje predikovat náchylnost vzorků k rozvoji požáru a flashoveru ve zkušební
místnosti a kvantifikaci rychlosti uvolňování tepla v čase (angl. HRR – Heat Release Rate)
včetně analýzy zplodin hoření. S využitím znalosti uvolněného tepla lze stanovit třídu reakce
na oheň zkoušeného vzorku. Virtuální RCT pracující na technologii dynamického proudění
tekutin – CFD (z angl. Computational Fluid Dynamics) – umožňuje po dodání nezbytných
požárně-technických charakteristik sledovaného materiálu simulovat pravděpodobné
chování vzorku.
Prostorové vzplanutí a třída reakce na oheň
Prostorové vzplanutí (flashover) v částečně uzavřeném prostoru (např. místnosti)
představuje obvykle velmi rychlý a dynamický přechod z fáze lokálního požáru do fáze
požáru plně rozvinutého. Flashoveru předchází postupné hromadění horkých zplodin hoření
pod stropem zasaženého prostoru v tzv. akumulační vrstvě, která nahřívá okolní hořlavé
povrchy a předměty na zápalnou teplotu. Jinými slovy pro dosažení flashoveru je rozhodující,
jak povrchy a předměty reagují svou hořlavostí v počátečních fázích na účinek požáru,
231
technicky vyjádřeno, jakou mají třídu reakce na oheň. Po dosažení flashoveru obvykle
dochází prudkému nárůstu teplot a intenzivnímu vývinu zplodin hoření. V případě RCT
je dosažení flashoveru limitním stavem, kterým zkouška končí a požár je likvidován.
Hlavními znaky indikujícími dosažení flashoveru obvykle jsou [1]: teplota akumulační vrstvy
500 až 600 °C; sálavý tepelný tok cca 20 kW/m2 z akumulační vrstvy dopadající na podlahu;
plameny prošlehávající otvory v ohraničujících stěnách do okolí; hodnota rychlosti
uvolňování tepla (HRR) standardně přes 1 MW.
Třídy reakce na oheň představují základní hodnocení hořlavosti výrobků pro konkrétní
aplikace ve stavbě s využitím klasifikační stupnice o 7 třídách s označením A1, A2, B, C, D, E
a F. Výrobky třídy A1 a A2 jsou obecně označovány jako nehořlavé a výrobky třídy B až F jako
hořlavé s postupně rostoucí intenzitou. Třída reakce na oheň je v současnosti určována
na základě série až tří malorozměrových zkoušek dle následujících metodik: ISO pec [2];
zkouška v bombovém kalorimetru [3]; zkouška jednotlivým zdrojem plamene – tzv. SBI test
[4]; zkouška malým zdrojem plamene [5]. Malorozměrové zkoušky vycházejí
z velkorozměrového testu RCT pro zkoušení povrchových úprav. RCT tedy může jednou
velkorozměrovou zkouškou nahradit více zkoušek malorozměrových a rovněž postihnout
okrajové podmínky výrazně bližší reálnému chování zkušebních vzorků v průběhu požáru.
Room Corner Test (RCT)
RCT je obecný název pro zkušební postup chování povrchových úprav (výrobků) v reálném
měřítku. Konkrétních zkušebních metodik je více, RCT v UCEEB odpovídá svými vlastnostmi
normě ISO 9705 [6], respektive ČSN EN 14390 [7]. Zkušební místnost vyzděná a zastropená
z pórobetonových prvků je obdélníkového půdorysu o vnitřních rozměrech 2,4 m x 3,6 m,
výšky 2,4 m. V čelní stěně je umístěn dveřní otvor o rozměrech 0,8 m x 2 m. Zdrojem tepla je
plynový hořák o výkonu 100 kW během prvních 10 minut testu a 300 kW po dalších
10 minutách (Obr. 1 a).
Třídu reakce na oheň lze získat s využitím RCT a přílohy A ČSN EN 13501-1 [8], kde je uveden
graf HRR rozdělený do několika výsečí ohraničených různými hodnotami indexu rozvoje
hoření – FIGRA (z angl. FIre Growth RAte), respektive rychlostí uvolňování tepla
pro jednotlivé třídy reakce na oheň (Obr. 1 b).
(a)
(b)
Obr. 1 (a) dispozice zkoušky RCT; (b) rozdělení do tříd reakce na oheň dle HRR při RCT
POPIS MODELOVÉ SITUACE
Experiment prezentovaný v tomto článku byl zaměřen na porovnání příspěvku výrobku
o stejné ploše k flashover efektu při jeho různém umístění a orientaci vůči zdroji požáru.
232
Zvoleným výrobkem byl dřevěný obklad o tloušťce 30 mm, přičemž byly zkoumány čtyři
varianty a dva referenční scénáře (Obr. 2):
A.
B.
C.
D.
E.
výrobek o rozměru 2,4 m x 2,4 m umístěný na stropě při zadní stěně,
výrobek o rozměru 2,4 m x 2,4 m umístěný na zadní stěně,
výrobek o rozměru 2,4 m x 2,4 m umístěný na boční stěně při hořáku,
výrobek o rozměru 2x 1,2 m x 2,4 m umístěný v rohu přímo nad hořákem,
referenční scénář 1: dřevěný obklad umístěný na celé ploše stropu a stěn s výjimkou
stěny čelní (maximální možné osazení dle ISO 9705),
F. referenční scénář 2: prázdný RCT bez obkladu (tedy pouze hořák).
Obr. 2 Jednotlivé modelové varianty – různé instalace výrobku ve virtuálním RCT modelu
Virtuální RCT model je vytvořen v programu Fire Dynamics Simulator 6 (FDS6). Dřevěný
obklad (objemová hmotnost 500 kg/m3, součinitel tepelné vodivosti 0,12 W/(m·K), měrná
tepelná kapacita 2,5 kJ/(kg·K)) byl pro jednoduchost výpočtu definován jako plocha s danou
časovou závislostí uvolňování tepla odvozenou z předchozích fyzikálních zkoušek se zápalnou
teplotou 260 °C a s maximální hodnotou HRR 150 kW/m2 ve 30. sekundě, což odpovídá
měkkému dřevu (např. borovice). Zdrojem požáru byl propanový hořák umístěný v rohu
místnosti (při zadní stěně) o rozměrech sálavé plochy 0,2 m x 0,2 m.
VÝSLEDKY KRITERIÁLNÍCH VELIČIN PRO FLASHOVER
Teploty
Z průběhu teplot v akumulační vrstvě uprostřed zkušební místnosti (výška 2,2 m
nad podlahou, Obr. 3) je patrné, že kritická hodnota 500 °C je překročena nejdříve u situace
D (rohový obklad) již ve 2. minutě (103 s), což je výrazně dříve než u ostatních variant –
3. až 4. minuta (176 – 234 s). Výrazný nárůst je patrný ve 4. minutě u varianty A (podhled na
stropě), kde vlivem rovnoměrného prohřívání u stropu dochází k náhlému celoplošnému
vzplanutí podhledu. Teplota u stropu ve všech variantách brzy stoupá nad 800 °C. Zvýšení
výkonu hořáku v 10. minutě má na teplotu akumulační vrstvy minimální vliv. Uvolňované
teplo z obkladu totiž výrazně převyšuje výkon hořáku. Do fáze dohořívání se všechny varianty
dostávají cca v 15. minutě, teplota u stropu mírně klesá. U všech variant je pak znatelný
pokles teploty (až o 300 °C) při vypnutí hořáku ve 20. minutě. Do 30. minuty pak ve všech
variantách obklad vyhoří a teplota horní vrstvy klesne na 200 °C, nejpozději u varianty A
(podhled na stropě), kde je ohnisko hořícího materiálu nejblíže měřícímu bodu.
233
Obr. 3 Průběh teplot v akumulační vrstvě, střed místnosti, výška 2,2 m (vpravo vč. E)
Sálavý tepelný tok
Průběh sálavého tepelného toku, měřeného uprostřed místnosti na podlaze (Obr. 4),
kopíruje tendence popsané u průběhu teplot v akumulační vrstvě. Kritická hodnota
20 kW/m2 je opět překročena nejdříve ve variantě D, a to mezi 3. a 4. minutou (221 s).
Tepelný tok v ostatních variantách překračuje kritickou hodnotu přibližně ve stejném čase
(6. minuta, 331 – 363 s). Tepelný tok dále narůstá v logaritmické křivce. Maximální tepelný
tok dopadající na podlahu místnosti je 85 kW/m2 u variant C a D.
Obr. 4 Průběh tepelného toku dopadajícího na podlahu ve středu místnosti (vpravo, vč. E)
Obr. 5 Plameny prošlehávající dveřním otvorem ven ze zkušební místnosti RCT v jednotlivých
variantách v příslušných časech
Prošlehávání plamenů
Prošlehávání plamenů otvorem vně zkušební místnosti bylo v případě virtuálního modelu
stanoveno vizuálně pomocí programu Smokeview (Obr. 5). Rychlý posun akumulační vrstvy
směrem k podlaze a intenzivnější vývin kouře, byly pozorovány zejména u varianty D (roh)
a varianty A (strop). Okamžiky prošlehnutí přibližně odpovídají časům, kdy u jednotlivých
variant došlo k překročení kritické hodnoty tepelného toku (Tab. 1). Oproti teplotám
234
v akumulační vrstvě je čas prošlehnutí výrazně zpožděn, a to až o 3 minuty. Zajímavé je také,
že u varianty A (strop) dochází k prošlehnutí plamene dříve než k dosažení kritického toku
na podlaze. Je to opět dáno tím, že u varianty A je hořlavý pod stropem a k nárůstu
tepelného toku dochází až ve fázi těsně po flashoveru (295 s versus 331 s).
Maximální hodnota rychlosti uvolňování tepla (HRR)
Jelikož byl obklad definován jako sálavá plocha s pevně danou maximální rychlostí
uvolňování tepla a jelikož ve všech variantách (A až D) byla plocha hořlavého obkladu stejná,
je zřejmé, že i maximální hodnota HRR byla u všech scénářů stejná a jednotlivé varianty
se lišily pouze časem, kdy hodnota HRR dosáhla maxima (dosažení flashoveru). Maximální
hodnota HRR byla zaznamenána opět nejdříve u varianty D (roh), a to ve 3. minutě (286 s).
Následovala varianta A (324 s) a poté C a B (375 a 405 s), viz Obr. 66. Graf je doplněn
o metodiku klasifikace výrobků do tříd reakce na oheň B až E podle velkorozměrové zkoušky,
jak definuje příloha A ČSN EN 13501-1 [8]. Všechny variant A až D by dle těchto kritérií byly
zařazeny do třídy reakce na oheň D, jako je tomu pro měkké dřevo standardně.
Obr. 6 Rychlost uvolňování tepla (HRR) a klasifikace do tříd reakce na oheň B až E (vepsáno
v grafu červeně) dle velkorozměrové zkoušky a požadavků ČSN EN 13501-1 [8]
Porovnání s referenčními scénáři
V případě varianty E hodnoty měřených veličin až několikanásobně převyšují všechny
hodnoty zjištěné u předchozích variant. Teplota v akumulační vrstvě uprostřed místnosti
(výška 2,2 m) přesáhla hodnotu 1000 °C již ve 2. minutě (87 s), od 5. minuty sledovala
setrvalý trend okolo 1500 °C až do 17. minuty, kde byl zaznamenán peak (1668 °C). Ještě
markantnější rozdíl je u teploty v geometrickém středu místnosti (maximum 1500 °C versus
ostatní varianty do 800 °C). Sálavý tok dopadající na podlahu pak převyšoval ostatní varianty
až pětinásobně (maximálně 500 kW/m2). Nejvyšší hodnota HRR je z důvodu větší plochy
hořlavého obkladu výrazně vyšší (4200 kW) a je dosažena ve 3. minutě (212 s). Zajímavé je
též porovnání s referenčním scénářem bez hořlavého obkladu. Teploty i tepelný tok dosáhly
svého maxima až ve 20. minutě (na konci doby působení hořáku): teplota pod stropem
470 °C, teplota uprostřed místnosti 120 °C, sálavý tepelný tok na podlaze 7,5 kW/m 2.
Tab. 1 Časy překročení kritérií pro flashover efekt v jednotlivých variantách
kritérium
A
234
331
295
324
kritická teplota 500 °C ve výšce 2,2 m
kritický tepelný tok 20 kW/m2 na podlaze
prošlehnutí plamene
maximální hodnota HRR
235
čas [s] pro jednotlivé situace
B
C
D
E
219
176
103
87
363
338
221
118
405
401
309
153
405
375
286
212
ZÁVĚR
Komparací jednotlivých modelovaných variant bylo potvrzeno, že na orientaci, respektive
na umístění hořlavých výrobků ve vztahu ke zdroji požáru, popřípadě ve vztahu k větracím
otvorům, závisí. Čas, kdy jsou splněny podmínky pro flashover, se různí, a to až o 5 minut.
Model potvrdil i fakt, že malé místnosti, jako je zkušební místnost Room Corner Testu
(2,4 x 3,6 m), postačí relativně malá plocha dřevěného obkladu (cca 6 m2), aby došlo
k flashoveru. Při porovnání vizualizací k flashoveru prokazatelně došlo ve dvou situacích –
D a A, a to v časech 295 a 309 s. U situací B a C byly splněny všechny podmínky
pro prostorové vzplanutí mezi 6. a 7. minutou (401 a 405 s). Z hlediska měřených hodnot je
ve všech případech nejrizikovější varianta D, tedy instalace obkladu v rohu místnosti přímo
nad zdrojem požáru (vše viz Tab. 1).
I přes velké rozdíly v chování požáru a jeho rozvoji by všechny varianty byly zatřízeny
dle přílohy ČSN EN 13501-1 do třídy reakce na oheň D, jako je tomu pro měkké dřevo
při běžném zkoušení sérií malorozměrových zkoušek (Obr. 6). Navíc, přestože standardně
nelze podchytit různou nebezpečnost variabilního uspořádání hořlavých výrobků, jedna
ze série malorozměrových zkoušek (SBI test [4]) zkouší výrobek v rohové pozici, která
ze simulací vyšla jako nejméně bezpečná. V současném zkušebnictví jsme na bezpečné, tedy
správné straně. Tento článek ale má za cíl poukázat na fakt, že velkorozměrová zkouška,
popřípadě její virtuální alternativa, může posloužit při posuzování atypických instalací
výrobků požárně-inženýrským přístupem.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Dillon, Scott Edward. Analysis of the ISO 9705 Room/Corner Test: Simulations,
Correlations and Heat Flux Measurements. Faculty of the Graduate School, University of
Maryland. Maryland: University of Maryland, 1998.
ČSN EN ISO 1182. Zkoušení reakce výrobků na oheň – Zkouška nehořlavosti. Praha:
ÚNMZ, 2010.
ČSN EN ISO 1716. Zkoušení rekace výrobků na oheň – Stanovení spalného tepla
(kalorické hodnoty). Praha: ÚNMZ, 2010.
ČSN EN 13823. Zkoušení reakce stavebních výrobkůl na oheň – Stavební výrobky kromě
podlahových krytin vystavené tepelnému účinku jednotlivého hořícího předmětu. Praha:
ÚNMZ, 2010.
ČSN EN ISO 11925-2. Zkoušení reakce na oheň – Zápalnost stavebních výrobků
vystavených přímému působení plamene – Část 2: Zkouška malým zdrojem plamene.
Praha : ÚNMZ, 2010.
ISO 9705. Fire tests – Full scale room test for surface products. Geneva: International
Organization for Standardization, 1993.
ČSN EN 14390. Požární zkouška – Velkorozměrová požární zkouška výrobků pro
povrchové úprvavy. Praha: ČNI, 2007.
ČSN 13501-1. Požární klasifikace stavebních výrobků a konstrukcí staveb – Část 1:
Klasifikace podle výsledků zkoušek reakce na oheň. Praha: ÚNMZ, 2010.
236