kpt. mgr inż. Przemysław KUBICA
SGSP, Zakład Technicznych Systemów Zabezpieczeń

BADANIE SZCZELNOŚCI POMIESZCZEŃ

ZA POMOCĄ WENTYLATORÓW

UMIESZCZONYCH W DRZWIACH

W artykule przedstawiono uproszczony model fizyczny wypływu
gazu przez nieszczelności w obudowie pomieszczenia. Wyniki
modelu potwierdzone zostały serią badań w warunkach rzeczywi-
stych. Badania przeprowadzono w pomieszczeniu o objętości
70 m

3

. Model wykorzystano do określenia ekwiwalentnej po-

wierzchni nieszczelności. Przedstawiono wnioski z badań, zawie-
rające potwierdzenie przydatności modelu.

Simplified, physical model for calculating gas leakage of building
envelopes has been described in the paper. The predictions made
by the model were compared favorably to the results of full scale
test series. These tests were conducted in room with compartment
volumes of 70 m

3

. The model was used to identify equivalent

leakage area. Some interesting conclusions including usefulness of
the model have been formulated.

1. Wprowadzenie

Stałe urządzenia gaśnicze gazowe cieszą się niesłabnącą popularnością na ryn-

ku zabezpieczeń przeciwpożarowych. Podstawową zaletą tych urządzeń jest brak
strat wtórnych, spowodowanych działaniem środka gaśniczego. Straty takie mogą
być szczególnie dotkliwe przy zadziałaniu urządzeń wodnych lub proszkowych.
Gazy gaśnicze obecnie stosowane mają coraz lepsze właściwości funkcjonalne:
niskie stężenia gaśnicze, brak negatywnego oddziaływania na człowieka i środowi-
sko, szybkie i skuteczne gaszenie pożaru. Jednak pełne wykorzystanie wszystkich
zalet gazowego środka gaśniczego, przy jednoczesnym zapewnieniu bezpieczeń-

stwa konstrukcji obiektu, wymaga prawidłowego zaprojektowania urządzenia,
poprzedzonego szczegółową analizą szczelności zabezpieczanego pomieszczenia.

Mechanizmy gaśnicze gazów polegają na obniżeniu stężenia tlenu w pomiesz-

czeniu lub fizykochemicznym oddziaływaniu na płomień. Jeżeli stężenie gazu gaś-
niczego obniży się zbyt szybko, to istnieje możliwość powstania wtórnego pożaru.
Stąd pomieszczenia zabezpieczane gazami powinny posiadać szczelność na tyle
wysoką, by dostatecznie długo utrzymać właściwe stężenie gazu. Z drugiej strony
wprowadzenie gazu gaśniczego do pomieszczenia powoduje zmianę ciśnienia pa-
nującego w tym pomieszczeniu. Wielkość przyrostu ciśnienia, jak również czas
jego trwania zależy od szczelności pomieszczenia oraz szybkości wprowadzania
gazu gaśniczego. Nadmierny wzrost lub spadek ciśnienia może doprowadzić nawet
do katastrofy budowlanej. Wobec powyższego pojawiają się dwa sprzeczne intere-
sy – z jednej strony konieczność maksymalnego uszczelnienia pomieszczenia, aby
gaz gaśniczy nie wydostawał się na zewnątrz, z drugiej niebezpieczeństwo,
że w zbyt szczelnym pomieszczeniu może nastąpić niszczący przyrost ciśnienia.
Stąd też niezbędna jest analiza szczelności pomieszczenia, która pozwoli wyzna-
czyć całkowitą powierzchnię nieszczelności w pomieszczeniu. Na tej podstawie
projektant może obliczyć czas utrzymywania się stężenia gazu w pomieszczeniu
oraz przyrost ciśnienia podczas wyładowania.

Problematyka badania szczelności budynków często podejmowana jest przez

amerykańskie ośrodki naukowe zajmujące się badaniem wymiany cieplnej między
obiektem a otoczeniem. Model infiltracji pomieszczenia przez powietrze zewnętrz-
ne można spotkać pracach Shermana [1, 2]. Autor dokonał analizy łącznego wpły-
wu wiatru, wentylacji mechanicznej oraz wentylacji naturalnej na jakość mikro-
klimatu w obiekcie. DePani zastosował empiryczną zależność strumienia objętości
powietrza od różnicy ciśnień do oceny sumarycznej szczelności pomieszczeń
w jednym budynku [3]. W kolejnej pracy Sherman przedstawił opis wpływu wiel-
kości hydromechanicznych na wartość współczynników empirycznych w równa-
niach wiążących strumień objętości gazu przepływającego wskutek różnicy ciśnień
[4]. Praktyczne zastosowanie rozważań nad badaniem szczelności pomieszczeń
ujęto w formie normy ASTM 779 [5]. Opracowanie to zawiera propozycję oceny
szczelności poprzez wytworzenie w pomieszczeniu nadciśnienia. Do tego celu
wykorzystuje się wentylatory umieszczane w otworze drzwiowym pomieszczenia.

W niniejszym artykule przedstawiono model wypływu gazu przez nieszczel-

ności w pomieszczeniu. Równania otrzymane na podstawie modelu pozwoliły na
wyznaczenie powierzchni nieszczelności w pomieszczeniu, przy znajomości ciś-
nienia i strumienia objętości gazu. Otrzymane wyniki zweryfikowano na stanowi-
sku badawczym, wykorzystując metodę wentylatora umieszczonego w drzwiach.

2. Model wypływu gazu z pomieszczenia przez nieszczelności

Przepływ gazu przez nieszczelności następuje wskutek różnicy ciśnień po obu

stronach otworu, czyli wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia. W rozważanych
zagadnieniach różnica ciśnień jest wynikiem różnej temperatury gazów bądź
wprowadzenia dodatkowej ilości gazu do pomieszczenia. Głównym celem opisu
tego zjawiska jest ustalenie zależności między ciśnieniem, strumieniem objętości
(masy) oraz powierzchnią nieszczelności. Analizę ilościową wypływu gazu przez
nieszczelności można przeprowadzić, opierając się na zasadzie zachowania energii.

Badania dowodzą, że w przypadku przepływów gazów z małymi prędkościami

(v < 0,4 a), można traktować gazy tak jak ciecze, czyli pominąć ich ściśliwość [7].
Procedura badania szczelności pomieszczenia przeprowadzana jest przy różnicy
ciśnień, która nie przekracza 100 [Pa]. Przy takich ciśnieniach prędkości gazu wy-
pływającego przez otwory praktycznie nie przekraczają 10 [m/s]. Dlatego zastoso-
wanie podejścia pomijającego ściśliwość jest w omawianym przypadku w pełni
zasadne. Wypływ gazu z pomieszczenia przez nieszczelności można traktować
podobnie jak wypływ cieczy z dużego zbiornika przez mały otwór.

Równanie Bernoulliego w polu sił grawitacyjnych dla płynu nielepkiego i nie-

ściśliwego (

ρ

= const) w odniesieniu do jednostkowej masy przybiera postać:

(1)

gdzie:
v – prędkość elementu płynu [m/s], g – przyspieszenie ziemskie [m/s

2

], z – wyso-

kość względna [m], p – ciśnienie [Pa],

ρ

– gęstość płynu [kg/m

3

].

Interpretacja fizyczna powyższego równania jest następująca: zmiana energii

mechanicznej (kinetycznej E

k

= 1/2v

2

m i potencjalnej E

p

= mgz) następuje kosztem

zmiany ciśnienia danej objętości płynu [2].

W celu zastosowania równania Bernoulliego do analizy nieszczelności w po-

mieszczeniu należy wyodrębnić myślowo dwa przekroje: wewnątrz pomieszczenia
i w otworze wylotowym (rys. 1). Zgodnie z warunkiem (1) można zapisać:

(2)

Wielkości z indeksem „1” odnoszą się do wnętrza pomieszczenia, a wielkości

z indeksem „2” do płaszczyzny otworu.

Zgodnie z założeniem

ρ

= const, można przyjąć, że parcie związane z wysoko-

ścią słupa gazu będzie jednakowe wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia, czyli
gz

1

= gz

2

. Prędkość gazu w pomieszczeniu z dala od otworu wylotowego przyjęto

jako v

1

= 0. Ciśnienie statyczne gazu w otworze jest równe ciśnieniu atmosferycz-

strat

p

p

gz

p

gz

∆

+

+

+

=

+

+

ρ

ρ

2

2

2
2

1

1

2

1

v

2

1

v

2

1

const

p

gz

=

+

+

ρ

2

v

2

1

nemu p

2

= p

atm

, natomiast nadciśnienie (podciśnienie) wewnątrz pomieszczenia

uzyskuje się poprzez zastosowanie odpowiedniego rozwiązania technicznego, np.
nadmuch powietrza za pomocą wentylatora. Dodatkowo po prawej stronie równa-
nia pojawiają się straty ciśnienia

∆

p

strat

. Straty te wynikają z dwóch zjawisk: wyod-

rębnienia wypływającej objętości gazu od reszty pozostającej w pomieszczeniu
oraz z rozproszenia energii w wyniku przepływu przez otwór.

Rys. 1. Wyznaczenie przekrojów

Ostatecznie równanie określające prędkość w przekroju otworu przedstawia się
następująco:

(3)

Strata ciśnienia

∆

p

str

jest niezwykle trudna do wyznaczenia analitycznego,

dlatego w praktyce stosuje się współczynnik korekcyjny α (0 ≤ α ≤ 1), przez który
mnoży się prędkość wyznaczoną z pominięciem strat.

(4)

W zakresie ciśnień i prędkości gazu, jaki stosuje się w metodach badania

szczelności pomieszczeń, można z dużą dokładnością przyjąć α = 1 [7]. Strumień
objętości gazu, który wypływa z pomieszczenia przy danej różnicy ciśnień jest
równy iloczynowi masy i całkowitej powierzchni nieszczelności. W rzeczywistych
warunkach nieszczelności w pomieszczeniu stanowią pewną liczbę otworów,
szczelin zlokalizowanych w różnych punktach obudowy (ścian, podłogi, sufitu).

2

2

1

1

p

1

, v

1

= 0

p

2

= p

atm,

v

2

strat

2

1

2

p

)

2(p

v

∆

−

−

=

ρ

p

ρ

α

)

2(p

v

2

1

2

p

−

=

Sumaryczną powierzchnię wszystkich nieszczelności określa się mianem „ekwiwa-
lentna powierzchnia nieszczelności” (EPN).

(5)

gdzie:
Q – strumień objętości gazu [m

3

/s],

EPN – ekwiwalentna powierzchnia nieszczelności [m

2

],

2

v

– prędkość gazu w otworze [m/s].

Powierzchnia przekroju poprzecznego strugi gazu w płaszczyźnie otworu (2–2

na rys. 1.) jest nieco mniejsza niż powierzchnia otworu. Sytuacja ta ma miejsce
wskutek zjawiska kontrakcji, które powoduje przewężenie strugi gazu przepływa-
jącego przez otwór. Gaz dopływa do otworu z różnych kierunków. Strugi spływa-
jące ze ścian pomieszczenia nie mogą przy krawędzi otworu uzyskać nagłej zmia-
ny zarówno modułu, jak i kierunku prędkości. Pełne przewężenie ustala się prak-
tycznie w niewielkiej odległości za otworem. W tym właśnie miejscu przewężenia
zostaje dopiero osiągnięte w całym przekroju stałe ciśnienie p = p

atm

, a prędkość

równa jest prędkości wyznaczonej na podstawie równania (4). Rzeczywisty stru-
mień objętościowy gazu jest zatem mniejszy od iloczynu prędkości przez pole
powierzchni otworu.

(6)

gdzie:
β – współczynnik kontrakcji, 0 ≤

β

≤ 1

Wartość współczynnika kontrakcji wyznaczana jest doświadczalnie. W przypadku
otworów o ostrych krawędziach, w tym szczelin, przyjmuje się

β

= 0,61 [7].

Znając gęstość gazu, różnicę ciśnień wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia

oraz strumień objętości wprowadzanego gazu, można obliczyć ekwiwalentną po-
wierzchnię nieszczelności w obudowie pomieszczenia. W przypadku powietrza
w temperaturze 20ºC,

ρ

= 1,202 [kg/m

3

], na podstawie równań (4) i (6), ekwiwa-

lentna powierzchnia nieszczelności wynosi:

(7)

gdzie:
EPN – ekwiwalentna powierzchnia nieszczelności [m

2

],

Q – strumień objętości gazu [m

3

/s],

p

1

, p

2

– odpowiednio ciśnienie w środku i na zewnątrz pomieszczenia [Pa].

2

v

⋅

=

EPN

Q

2

v

⋅

⋅

=

EPN

Q

β

)

(

271

,

1

202

,

1

)

(

2

61

,

0

2

1

2

1

p

p

Q

p

p

Q

EPN

−

⋅

=

−

⋅

=

3. Badania weryfikujące

W celu weryfikacji analizy teoretycznej przeprowadzono badania w Laborato-

rium Technicznych Systemów Zabezpieczeń SGSP. Badania wykonano w po-
mieszczeniu o wymiarach 5

×

5

×

2,8 m. W otworze drzwiowym umieszczono

wentylator osiowy. Wentylator wyposażono w przyrządy pomiarowe, umożliwia-
jące wyznaczenie strumienia objętości powietrza, które przepływa przez wentyla-
tor. Pozostała część otworu drzwiowego została dokładnie uszczelniona. Pomiar
ciśnień wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia przeprowadzono za pomocą prze-
twornika różnicy ciśnień o zakresie pomiarowym – 100 do 100 Pa.

Rys. 2. Stanowisko pomiarowe

Ponadto mierzono temperaturę powietrza wewnątrz i na zewnątrz pomieszczenia
za pomocą termopar. Różnicę temperatur wykorzystywano do korekcji wydatku
objętościowego, zgodnie z równaniem stanu:

przy nadmuchu powietrza

Q

skor

= Q

went

(T

pom

/ T

zew

) (8)

przy wywiewie powietrza

Q

skor

= Q

went

(T

zew

/ T

pom

) (9)

wentylator

termopary

interfejs

komputer

przetwornik

ciśnienia

przetwornik

ciśnienia

otwór o regulowanej powierzchni

gdzie: Q

skor

– skorygowana wartość strumienia objętości, Q

went

– wartość strumie-

nia objętości odczytana z wentylatora, T

pom

– temperatura w pomieszczeniu, T

zew

–

temperatura na zewnątrz pomieszczania.

Odczyty z przyrządów pomiarowych rejestrowano bezpośrednio, wykorzystu-

jąc system pomiarowy bazujący na oprogramowaniu GENIE 3.0. Połączenie przy-
rządów pomiarowych z komputerem realizowano poprzez zestaw interfejsów serii
ADAM.

Badania rozpoczęto od pomiarów powierzchni nieszczelności dla możliwie

dokładnie uszczelnionego, zamkniętego pomieszczenia. Najpierw zmierzono róż-
nicę ciśnień przy wyłączonym wentylatorze. Po uruchomieniu wentylatora
i 30-sekundowym okresie stabilizacji przyrządów pomiarowych system rejestrował
strumień objętości powietrza, różnicę ciśnień i różnicę temperatur wewnątrz i na
zewnątrz pomieszczenia. Pomiary przeprowadzano przy sześciu różnicach ciśnień
w zakresie od 0 do 60 Pa.

Procedurę powtórzono przy otwartym dodatkowym otworze o znanej po-

wierzchni 54 cm

2

. Po wykonaniu serii pomiarów zmieniono kierunek ruchu powie-

trza przez odwrócenie wentylatora i powtórnie przeprowadzono pomiary.

Na podstawie wykonanych badań obliczono powierzchnię dodatkowego otwo-

ru. Wartości obliczone porównano z rzeczywistą powierzchnią.

4. Analiza wyników

Tabela 1.

Wartości ciśnienia i strumienia objętości powietrza

nawiew powietrza

do pomieszczenia

wywiew powietrza

z pomieszczenia

∆

p [Pa]

Q

skor

[m

3

/h]

∆

p [Pa]

Q

skor

[m

3

/h]

15,0

600

-18,0

600

21,0

700

-30,0

780

29,0

850

-39,0

910

40,0

1000

-45,0

980

45,0

1060

-50,0

1040

p

o

m

ie

sz

cz

en

ie

za

m

k

n

ię

te

53,0

1160

-60,0

1150

14,0

640

-16,0

600

21,0

770

-30,0

850

31,0

950

-40,0

990

39,0

1070

-48,0

1110

50,0

1230

-55,0

1200

o

tw

ó

r

5

4

c

m

2

56,0

1300

-60,0

1230

Ekwiwalentną powierzchnię nieszczelności obliczono zgodnie z równaniami

przedstawionymi w rozdz. 2.

Tabela 2.

Ekwiwalentne powierzchnie nieszczelności

EPN [cm

2

]

nawiew powietrza

do pomieszczenia

wywiew powietrza

z pomieszczenia

547,0

499,2

539,3

502,7

557,3

514,4

558,2

515,7

557,9

519,2

p

o

m

ie

sz

cz

e-

n

ie

z

a

m

k

n

ię

te

562,6

524,1

603,9

529,6

593,2

547,9

602,4

552,6

604,9

565,6

614,1

571,3

o

tw

ó

r

5

4

c

m

2

613,3

560,6

Błąd między wynikiem teoretycznym a rzeczywistą nieszczelnością obliczono
według równania:

gdzie: ε [%]– błąd względny, EPN

0

[cm

2

] – ekwiwalentna powierzchnia nieszczel-

ności w pomieszczeniu bez dodatkowych otworów, EPN

n

[cm

2

] – ekwiwalentna

powierzchnia zmierzona przy dodatkowym otworze, 54 [cm

2

] – powierzchnia do-

datkowego otworu.

W obliczeniach błędu względnego zrezygnowano z modułu, w celu stwierdze-

nia, czy wyniki są zawyżone czy zaniżone.

Tabela 3.

Obliczona powierzchnia dodatkowego otworu

nawiew powietrza

wywiew powietrza

średni

∆EPN [cm

2

]

ε [%]

∆EPN [cm

2

]

ε [%]

ε [%]

56,9

5,4

30,3

-43,9

-19,2

53,9

-0,1

45,1

-16,4

-8,3

45,1

-16,4

38,2

-29,3

-22,9

46,7

-13,5

49,9

-7,7

-10,6

56,3

4,2

52,0

-3,7

0,2

50,8

-6,0

36,5

-32,5

-19,2

średni błąd:

-4,4%

-22,2%

-13,3%

100

54

54

)

(

0

⋅

−

−

=

EPN

EPN

n

ε

5. Podsumowanie

Na podstawie wyników przedstawionych w tabeli 3. można wnioskować, że

badanie szczelności powinno być przeprowadzane tylko przy wtłaczaniu powietrza
do pomieszczenia, wówczas dokładność wynosi 4,4%. Ponadto takie podejście jest
zbliżone do rzeczywistego procesu wyładowaniu gazu gaśniczego do pomieszczenia.

Powierzchnia obliczona przedstawioną metodą jest nieco mniejsza w porów-

naniu z powierzchnią rzeczywistą, czyli pomieszczenie wydaje się szczelniejsze.
Jest to korzystne podczas doboru powierzchni odciążającej przed przyrostem ciś-
nienia, gdyż przyjęcie surowszych wymagań będzie zwiększało bezpieczeństwo.
Natomiast podczas wykorzystywania obliczonej powierzchni nieszczelności do
czasu utrzymywania stężenia należy przyjąć margines błędu około 15%.

Nie stwierdzono wyraźnego związku między wzrostem ciśnienia w trakcie

badania a dokładnością w wyznaczaniu powierzchni nieszczelności, stosunkowo
dokładne wyniki zarówno przy wtłaczaniu, jak i usuwaniu powietrza z pomiesz-
czenia uzyskano przy nad/podciśnieniu w pomieszczeniu w granicach 50 Pa.

Analiza szczelności pomieszczenia zabezpieczanego gazami gaśniczymi zna-

cząco przyczynia się do zwiększania skuteczności gaśniczej, jak również bezpie-
czeństwa konstrukcji. Badania takie powinny być prowadzone przed zaprojekto-
waniem urządzenia gaśniczego oraz w trakcie użytkowania pomieszczenia,
zwłaszcza jeśli nastąpiły w nim istotne zmiany budowlane. Metoda zaprezentowa-
na w artykule pozwala stosunkowo dokładnie oszacować powierzchnię nieszczel-
ności w pomieszczeniu.

Przemysław KUBICA

COMPARTMENT LEAKAGE TESTS WITH THE USE

OF DOOR VENTILATORS

S U M M A R Y

Rooms protected by extinguishing gases should undergo leakage tests. The test
with door ventilator is used to define the total leakage area in a room. With the help
of Bernoulli’s equation it is possible to define the leakage area in a room on the
basis of the following: the measured values of the positive and negative pressure in
a room, the measured value of gas volume flowing in a room.
A series of measurements was made in order to verify the area defined on the basis
of the door ventilator test. The calculated values were compared to the actual area.
The results analysis proved that the smallest average miscalculation (4,4%) is
gained while blowing the air into a room. The areas defined with the use of the
ventilator method are smaller than the actual ones. Making the pressure differences

bigger during the succeeding measurements did not influence the accuracy of the
measured values.
The leakage tests should be conducted while commissioning the extinguishing
device or while using a room. The method presented in the paper makes the exact
evaluation of the leakage area in a room possible.

PIŚMIENNICTWO

1.

Sherman M.: The use of blower-door data. LBL Report #35173 Lawrence Ber-
keley Laboratory, Berkeley, CA (1998).

2.

Sherman M.: Superposition in Infiltration Modeling. Indoor Air V. 2, 1992.

3.

DePani S., Fazio P.: Airtightness testing and air flow modeling of two and
three-unit multifamily buildings. Canadian Conference on Building Energy
Simulation, June 13-14, Ottawa, Canada 2001.

4.

Sherman M.: A Power Law Formulation of Laminar Flow in Short Pipes.
J. Fluids Eng, V. l 114, No 4, 1992.

5.

Standard Test Method for Determining Air Leakage Rate by Fan Pressuriza-
tion, ASTM E779-87, American Society for Testing and Materials. 1987.

6.

Riestschels H.: Lehrbuch der Heiz – und Luftungstechnik, Berlin 1960.

7.

Bukowski J., Kijkowski P.: Kurs mechaniki płynów. PWN, Warszawa 1980.

8.

NFPA 2001 Clean Agent Fire Extinguishing Systems. 2000 edition.

9.

PN 93/M – 51250/01. Stałe urządzenia gaśnicze. Urządzenia na dwutlenek
węgla. Zasady projektowania i instalowania.

10.

Whiteley R.A.: Overpressure Vent Provisions for Inergen Systems. Fire Safety

Engineering, January 2002.