Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Návrh požárního větrání podzemní garáže pomocí CFD simulace

Odvod kouře a tepla v podzemní garáži obchodně-zábavního centra byl řešen systémem odvětrání tzv. Smoke clearance efektem. V garáži se uvažovalo s podtlakovým větráním. Rozdíl mezi odváděným a přiváděným vzduchem byl 20 %.


© Fotolia.com

Úvod

Podzemní garáže musejí splňovat hygienické a bezpečnostní předpisy, jejichž neodmyslitelnou součástí je i požární větrání
Podzemní garáže musejí splňovat hygienické a bezpečnostní předpisy, jejichž neodmyslitelnou součástí je i požární větrání

V současnosti se při výstavbě větších objektů jakéhokoli druhu počítá i s návrhem a realizací podzemní garáže. Podzemní garáže musí splňovat hygienické a bezpečnostní předpisy, jejichž neodmyslitelnou součástí je i požární větrání.
Zatímco provozní větrání z garáže odvádí znečištěný vzduch, který vzniká při provozu motorových vozidel (ochrana zdraví osob), systém požárního větrání má funkci odvádět z prostoru přebytečné teplo a zplodiny hoření a zároveň přivádět čerstvý vzduch do prostoru garáže, čímž zvyšuje bezpečnost unikajících osob a bezpečnost jednotek při zásahu.
V současnosti se na požární větrání garáží využívá systém s proudovými ventilátory (impulzními nebo indukčními), které transportují znehodnocený vzduch směrem k hlavním odvodním šachtám. Výhodou tohoto technického řešení je, že není pro transport vzduchu potřeba rozměrných vzduchovodů. Navíc lze systém využívat jak na provozní, tak i požární větrání.
Nevýhodou tohoto systému je, že není zakotven v českých a slovenských právních předpisech a normách. Proto se při jeho projektování přistupuje k využívání norem okolních států. Při projektování je přitom třeba ověření projekčního návrhu CFD (Computational Fluid Dynamics) simulací.

Škodliviny vznikající při požáru

Mezi závažné škodliviny v podzemních garážích patří zplodiny vznikající při požáru. Poznatky z požárů vedou k závěrům, že z hlediska bezpečnosti osob jsou zplodiny hoření pro lidský organismus nebezpečnější než ostatní jevy, které doprovázejí požár. Zplodiny působí ve dvou formách, a to jako kouř a jako toxické plyny. Hlavní příčinou úmrtí při požárech je otrava oxidem uhelnatým. Jedná se o nejnebezpečnější produkt hoření, jehož dolní hranice toxického působení je 0,01 až 0,02 % obj. Při koncentraci vyšší než 1 % obj. ztrácí člověk vědomí a smrt přichází během 1–3 minut. Z toxikologického hlediska je nejzávažnější přítomnost kouře, toxických plynů a nedostatek kyslíku. Vznikající zplodiny hoření snižují obsah kyslíku ve vzduchu, potlačují schopnost člověka reálně uvažovat a tvoří předpoklad pro vznik paniky. Kromě přímých toxických účinků zplodiny hoření zhoršují viditelnost a zmenšují schopnost orientace při evakuaci osob [1].

Požární větrání není určeno k tvorbě nezakouřeného (čistého) prostoru garáže, ale limituje hustotu kouře nebo teplotu během specifikovaného času a napomáhá při úniku osob z prostoru. Z hlediska ochrany zdraví osob musí být zajištěn funkční systém požárního větrání. Doporučuje se přitom propojit systém požárního, provozního a případně havarijního větrání, přičemž takový komplexní systém musí splňovat požadavky kladené na jednotlivé typy větrání [2]. Toto lze zajistit návrhem pomocí proudových ventilátorů, které mohou být vyhotoveny jako jednosměrné nebo reverzibilní. V případě vzniku požáru se spustí větrací systém na vyšší stupeň průtoků vzduchu. Všechny ventilátory použité v systému odvodu horkých plynů při větrání garáží musí být testovány a certifikovány v souladu s ČSN EN 12101-3 [3]. Vzhledem k tomu, že v Čechách a na Slovensku neexistuje norma či metodika návrhu požárního větrání pomocí proudových ventilátorů, přistupuje se k návrhu podle britské normy BS 7346-7: 2013 [4].

Cílem práce prezentované v tomto článku byl návrh a testování funkčnosti a účinnosti požárního větracího systému, který zároveň splňuje platné evropské normy. Na základě vyhodnocení výsledků dvou alternativ byla posouzena účinnost a použitelnost navržených řešení. Vzhledem k tomu, že výpočet složitého proudění hmotnostních toků (vzduch, tekutiny, škodliviny apod.) se zohledněním geometrie prostoru nelze provést pomocí jednoduchých ručních výpočtů, návrh větrání pomocí proudových ventilátorů se musí testovat pomocí počítačové simulace s využitím CFD. Jedná se o analýzu systémů zahrnujících proudění, přenos tepla a spojených jevů pomocí počítačových modelů. Z důvodu toho, že průtok vzduchu v garáži je ovlivněn stěnami, sloupy, nosníky a vlastními ventilátory, podzemní garáž je dobrým příkladem využití CFD. CFD simulace při požáru poskytuje pohled na proudová pole, která se velmi obtížně předpovídají při návrhu samotného systému.

Návrh požárního větrání pomocí CFD simulace

Obr. 1 Schéma požárního větrání v prostoru garáže, alternativa A1
Obr. 1 Schéma požárního větrání v prostoru garáže, alternativa A1
Obr. 2 Schéma požárního větrání v prostoru garáže, alternativa A2
Obr. 2 Schéma požárního větrání v prostoru garáže, alternativa A2

Odvod kouře a tepla v podzemní garáži obchodně-zábavního centra byl řešen systémem odvětrání tzv. Smoke clearance efektem. V garáži se uvažovalo s podtlakovým větráním. Rozdíl mezi odváděným a přiváděným vzduchem byl 20 %. Přívod vzduchu byl řešen přístupovou rampou a pěti přívodními žaluziemi. Rozdíl mezi alternativami spočíval v různém umístění proudových ventilátorů a odvodních šachet, ale i v násobnosti výměny vzduchu. V první alternativě se uvažovalo s 10násobnou výměnou vzduchu za hodinu (obr. 1), v druhé alternativě se uvažovalo s 15násobnou výměnou vzduchu za hodinu (obr. 2). Po vytvoření modelu a nastavení všech potřebných parametrů (fyzikální okrajové podmínky) byla spuštěn výpočet simulace.

 

Výpočtový model

Výpočtový CFD model byl vytvořen v softwaru PYROS FDS 6.4.0 [5], jehož součástí je i dynamický simulátor požáru Fire Dynamics Simulator (FDS). V tomto případě se jedná o model řízeného toku tekutiny během požáru. Výpočet je řešen podle Navier-Stokesových rovnic, které jsou vhodné pro nízko-rychlostní tepelně poháněný tok sloužící k odvedení kouře a tepla z místa požáru. Pro zobrazení toků tekutin v prostoru během požáru sloužil vizualizační program Smokeview 6.3.6 [6]. Rozdělení výpočetní sítě ve směru osy x = 0,5 m, y = 0,5 m, z = 0,25 m. Délka simulace byla stanovena na 1500 s.

Definování parametrů požáru

Obr. 3 Výkon požáru během počítačové simulace
Obr. 3 Výkon požáru během počítačové simulace

Materiál pro tvorbu zplodin hoření v garáži byl definován jako polyuretanová reakce, při níž vznikají zplodiny hoření (poulyretan GM27). Požár se vyvíjel podle křivky v čase od 0 s do 300 s (obr. 3). Po uplynutí 300 s byl požár plně rozvinutý až po dobu 600 s, kdy nastala fáze dohořívání. V čase 725 s byl simulovaný požár ukončen. Požár byl definován podle normové křivky požáru v uzavřeném prostoru.

 

Zhodnocení výsledků simulace

V první alternativě (A1) byl prostor rozdělen na dvě pomyslné části, přičemž v obou částech byly umístěny odvodní šachty. Proudové ventilátory byly nasměrovány k příslušným odvodním šachtám. Uvažovalo se s 10násobnou výměnou vzduchu za hodinu. Během simulovaného požáru se zplodiny hoření šířily celým prostorem garáže. Po uplynutí 300 s se prostor podzemní garáže zcela zaplnil zplodinami hoření (obr. 4a) a viditelnost v oblasti chráněných únikových cest v tomto čase dosahovala okolo 10 až 15 m (obr. 4b). Po ukončení požáru probíhal proces odvětrání garáže, který však nedosahoval požadovaných parametrů. V době 1300 s, tj. 575 s po ukončení požáru, byl celý prostor garáže zakouřený (obr. 5a) a průměrná viditelnost v prostoru garáže dosahovala maximálně hodnoty 6 m (obr. 5b). Až do ukončení simulace byl prostor garáže znečištěný zplodinami hoření. Z výsledků pro alternativu A1 vyplývá nevhodnost praktického použití takto navrženého systému požárního větrání. Nefunkčnost tohoto řešení je způsobena nevhodným umístěním odsávacích šachet v prostoru garáže vzhledem k tomu, že odsávací šachta je umístěna v blízkosti přístupové rampy, odkud proudí velké množství přiváděného (čerstvého) vzduchu. Přiváděný vzduch není transportován do prostoru garáže, ale je odsáván do hlavní odvodní šachty, dochází k nevhodném zkratu vzduchu.

Obr. 4 Alternativa A1 v čase 300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m
Obr. 4 Alternativa A1 v čase 300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m
Obr. 5 Alternativa A1 v čase 1300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m
Obr. 5 Alternativa A1 v čase 1300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m

Ve druhé alternativě byly hlavní odvodní šachty umístěny na opačném konci garáže než hlavní přívod vzduchu rampou. Toto umístění způsobuje masivní příliv přiváděného vzduchu do celého prostoru garáže. V této variantě se uvažovalo s 15násobnou výměnou vzduchu za hodinu. Během simulovaného požáru se prostor garáže zaplavil zplodinami hoření (obr. 6a), prostory únikových cest však zůstaly dostatečně viditelné, když viditelnost v prostoru únikových cest byla v čase 300 s cca 25 m (obr. 6b). S narůstajícím časem se viditelnost v prostoru únikových cest snižovala jen nepatrně. Po ukončení požáru se prostor začal významně „čistit“ a v čase 1000 s od spuštění simulace byl prostor garáže znečištěn kouřem už jen nepatrně. Prostor podzemní garáže byl zcela vyvětraný v čase 1300 s (obr. 7). Celkové vyvětrání zakouřeného prostoru garáže trvalo 575 s od ukončení požáru.

Obr. 6 Alternativa A2 v čase 300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m
Obr. 6 Alternativa A2 v čase 300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m
Obr. 7 Alternativa A2 v čase 1300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m
Obr. 7 Alternativa A2 v čase 1300 s: a) vývoj zplodin hoření, b) viditelnost v garáži ve výšce 1,75 m

Závěr

Z výsledků simulace vyplývá, že navrhované řešení požárního větrání garáže podle první alternativy (A1) je nevhodné, protože prostor garáže zůstal po uplynutí 1500 s simulace kontaminovaný. V druhé alternativě (A2) se prostor garáže zcela vyvětral již po 575 s od ukončení požáru a během požáru zůstaly prostory v oblasti chráněných únikových cest dostatečně viditelné, což by přispělo k bezpečnější evakuaci osob. Na základě výsledků simulace pro dvě alternativy větrání podzemní garáže lze doporučit k realizaci pouze druhou alternativu (A2), která splňuje všechny platné předpisy týkající se projekčního návrhu větrání pomocí proudových ventilátorů a je vhodným řešením odvodu kouře a tepla z prostoru podzemní garáže. Z výsledků počítačových simulací vyplývá, že vhodné umístění jednotlivých prvků větracího systému významně ovlivňuje celkovou funkčnost a efektivnost systému požárního větrání. Lze konstatovat, že CFD simulace se v této studii osvědčila nejen jako vhodný nástroj k prokázání funkčního návrhu požárního větrání, ale i jako efektivní projekční nástroj pro stanovení vhodného umístění jednotlivých komponent větracího systému.

Literatura

  1. Oravec, M. Manažérstvo priemyselných havárií. [online]. Košice: ICV TU, 2011. 11–18 s. [cit. 2016.01.14]. ISBN 978-80-553-0727-5. Dostupné na Manažérstvo priemeselných havárií, e - skriptá v PDF .
  2. ČSN 73 6058. Jednotlivé, řadové a hromadné garáže. 2011.
  3. STN EN 12101-3. Zariadenia na odvod tepla a splodín horenia. Časť 3: Požiadavky na odsávacie ventilátory tepla a splodín horenia. 2015.
  4. BS 7346-7. Components for smoke and heat control systems. Code of practice on functional recommendations and calculation methods for smoke and heat control systems for covered car parks. 2013.
  5. Fire Dynamics and Smoke Control, Quickly build Fire Dynamics Simulator (FDS) models with PyroSim
  6. McGrattan, K. et al. Fire Dynamics Simulator Technical Reference Guide Volume 4: Configuration Management. [online]. USA: National Institute of Standards and Technology, 2016. 1–8 s. [cit. 2016.04.06].
English Synopsis
Designing ungerground garage ventilation using CFD simulation

The removal of heat and combustion products in the underground garage of the commercial and entertainment center was solved by the smoke clearing system. In the garage, vacuum ventilation was considered. The difference between the exhaust and the intake air was 20%.