Nowe rozwiązania w systemach wentylacji pożarowej - Grzegorz Kubicki
Autor: Grzegorz Kubicki
Wstęp
Systemy oddymiania oraz ochrony przed zadymieniem funkcjonujące pod wspólną nazwą wentylacji pożarowej mają w
porównaniu z np. instalacjami wymiany i uzdatniania powietrza stosunkowo krótką historię. Na dzień dzisiejszy nie do
końca pozostaje rozpoznanych wiele wielkości fizycznych odpowiedzialnych za ukierunkowany różnicą ciśnienie
przepływu dymu. Sytuacja taka jest szczególnym wyzwaniem dla konstruktorów oraz naukowców i stwarza szerokie pole
do prowadzenia prac innowacyjnych, których efektem jest opracowanie i wdrażanie nowych urządzeń, koncepcji
technicznych, służących podniesieniu bezpieczeństwa funkcjonowania obiektu. Wspomniane prace dotyczą zarówno
całych układów, takich jak np. system sterowania różnicą ciśnienia w budynku jak i poszczególnych elementów tych
systemów przykładowo: układy automatycznego sterowania i detekcji pożaru, nowoczesne konstrukcje wentylatorów
oddymiania i napowietrzania, przeciwpożarowych klap odcinających, nadciśnieniowych, dymowych, układów zasilania
itd. W niniejszym referacie chciałbym przedstawić kilka wybranych przykładów nowatorskiego podejścia do szeroko
pojętych zagadnień wentylacji pożarowej.
Nowe systemy zabezpieczenia przed zadymieniem pionowych dróg ewakuacji. Poprawne funkcjonowanie systemu
gradacji ciśnienia uzależnione jest od jego właściwej konfiguracji w taki sposób, żeby podczas pożaru spełnione zostały
dwa podstawowe warunki. Do momentu rozpoczęcia ewakuacji (przy założeniu zamkniętych wszystkich drzwi
ewakuacyjnych) w całej kubaturze klatki schodowej musi zostać utrzymane z dokładnością do ą 10%, nadciśnienie w
stosunku do przestrzeni sąsiedniej rzędu np. 50 Pa. Nadciśnienie to zabezpiecza przestrzeń chronioną przed
zadymieniem przy spełnienie dodatkowego warunku jaką jest siła potrzebna do otwarcia drzwi na każdej kondygnacji
(nie może ona przekraczać poziomu 100 N). W chwili, kiedy uciekający z kondygnacji objętej pożarem ludzie otworzą
drzwi wiodące do klatki schodowej oraz na poziomie wyjścia z budynku musi zostać spełniony warunek minimalnej
prędkości przepływu powietrza przez te drzwi na odpowiednim poziomie np. 1 m/s. Jeżeli wymienione warunki zostaną
spełnione uznaje się, że system zabezpieczenia przed zadymieniem klatki schodowej wykonany został prawidłowo.
Zintegrowany system zabezpieczenia przed zadymieniem oraz oddymiania dróg ewakuacyjnych w budynkach
wielokondygnacyjnych SMIA.
Od paru lat funkcjonują na polskim rynku systemy wytwarzania i utrzymywania gradacji ciśnienia na pionowych drogach
ewakuacji. Są to przykładowo systemy oparte na współdziałaniu instalacji wentylatorów napowietrzających i klap
upustowych, które w
warunkach pożaru pozwalają na spełnienie wymagań stawianych tego typu systemom.
Rozwinięciem opisanego powyżej znanego układu jest wchodzący na polski rynek system SMIA. System ten został
wykonany, przebadany i dopuszczony do stosowania w krajach skandynawskich, ze szczególną rekomendacją dla
wielorodzinnych domów mieszkalnych.
Jego częściami składowymi są: centralna jednostka wentylatorowa, montowana na najwyższej kondygnacji klatki
schodowej, szafa sterownicza wraz z panelem kontroli i sterowania oraz sterownik ciśnienia. Działanie omawianego
układu zintegrowany jest z zainstalowanym w budynku systemem detekcji pożaru. Alarm z czujki dymu powoduje
uruchomienie centralnej jednostki napowietrzającej. Następuje otwarcie przepustnicy odcinającej przestrzeń klatki
schodowej od otoczenia oraz uruchomienie wentylatora, który zaczyna tłoczyć powietrze zewnętrzne do trzonu klatki
schodowej, wytwarzając w tym obszarze nadciśnienie. Wielkość nadciśnienia jest monitorowana i regulowana
wchodzącym w skład systemu sterownikiem ciśnienia i odpowiada wymogom określonym dla konkretnej instalacji np.
wg. normy 12101-6 na dzień dzisiejszy jest to 50Pa ą 10%. Nawiewany strumień powietrza zewnętrznego zapewnia
również utrzymanie podczas ewakuacji wymaganej prędkości przepływu w otwartych drzwiach klatki schodowej.
Innowacyjność systemu SMIA polega na możliwości zmiany kierunku przepływu powietrza poprzez zastosowanie w
centralnej jednostce napowietrzającej wentylatora rewersyjnego. Zmiana kierunku przepływu powietrza pozwala po
zakończeniu ewakuacji oraz ugaszeniu pożaru, wykorzystać przestrzeń klatki schodowej do szybkiego oczyszczenia
budynku z dymu oraz oparów środków gaśniczych, co sprzyja ograniczeniu strat materialnych. Należy wyraz
nie
zaznaczyć, że opcja wyciągu powietrza z klatki schodowej, a więc rewersyjnej pracy wentylatora dostępna jest
wyłącznie po zastosowaniu specjalnego klucza będącego w posiadaniu straży pożarnej. Tak jak już wspomniano
opisany system jest szczególnie rekomendowany dla budynków średniowysokich, a jego specyficzne możliwości są
wyjątkowo przydatne do zabezpieczenia obiektów budownictwa wielorodzinnego.
Rys 1. Części składowe systemu SMIA 1. Centralna jednostka wentylatorowa, 2 szafa sterownicza, 3panel kontrolny, 4
regulator ciśnienia
Rys 2. Zasada działania systemu SMIA
Problemy z zabezpieczeniem przed zadymieniem pionowych dróg ewakuacji
Zabezpieczenie dróg ewakuacji jest zadanie stosunkowo prostym do zrealizowania w
budynkach liczących kilka kondygnacji jednak wraz ze wzrostem wysokości zaczynają
pojawiać się coraz to nowe problemy. Prawidłowy rozkład ciśnienia w chronionej przestrzeni jest prawdziwą  piętą
Achillesową wielu budynków wysokich a szczególnie
wysokościowych. Dzieje się tak z wielu przyczyn wśród których wymienić należy błędy
projektowe i wykonawcze, takiej jak chociażby niewłaściwe rozmieszczenie punktów
nawiewnych, nieprawidłowy dobór wentylatorów napowietrzających itd. Za kłopoty
odpowiadają również zjawiska fizyczne, a szczególnie wciąż nie rozwiązany problem wahań ciśnienia związanych ze
zmiennymi warunkami atmosferycznymi. Do dnia dzisiejszego nie funkcjonuje jeszcze przebadany i sprawdzony system
uwzględniający wpływ tzw. komina termicznego, czyli naturalnego rozkładu ciśnienia w kubaturze klatki schodowej
wywołanego różnicą temperatury wewnętrznej i powietrza otaczającego budynek. Ciśnienie grawitacyjne w sposób
najbardziej widoczny daje o sobie znać przy niskich temperaturach zewnętrznych.
Na pewnej wysokości budynku wytwarza się tzw. płaszczyzna obojętna (płaszczyzna
równoważna), na której ciśnienie powietrza wewnątrz i na zewnątrz szybu są sobie równe. Im dalej od tej płaszczyzny
tym większe są wahania ciśnienia. W skrajnie niekorzystnych przypadkach, kiedy temperatura zewnętrzna spadnie
poniżej -18oC różnica ciśnienia wywołana ciągiem kominowym pomiędzy dolnymi i górnymi kondygnacjami w budynku o
wysokości 60 m może przekroczyć kilkadziesiąt paskali. W takich warunkach przy realizacji tradycyjnie najbardziej
popularnego nawiewu jednopunktowego i klap upustowych montowanych w najwyższym punkcie klatki schodowej,
utrzymanie stałej wartości nadciśnienia oraz zapewnienie swobodnego otwierania drzwi ewakuacyjnych na wszystkich
kondygnacjach staje się bardzo trudne lub wręcz niemożliwe. Doświadczenia praktyczne z eksploatacji istniejących
budynków wykazują, że nawet przy zastosowaniu sterowanych ciśnieniowo klap upustowych oraz wentylatorów ze
zmienną prędkością wirnika nie zawsze daje się rozwiązać ten problem.
Klapa upustowo-nadciśnieniowa
Sytuację poprawić może pojawienie się nowych rozwiązań technicznych umożliwiających utrzymanie odpowiedniego
nadciśnienia na drogach ewakuacji. Przykładem może być nowy produkt firmy Mercor klapa upustowo nadciśnieniowa
typu MCR PL 1, której podstawowym zadaniem jest utrzymanie wymaganej różnicy ciśnienia po obu stronach przegrody
budowlanej w której zostanie zainstalowana. Pełni ona zatem rolę zaworu bezpieczeństwa na klatce schodowej lub w
dowolnym innym pomieszczeniu chronionym nadciśnieniem uniemożliwiając wzrost ciśnienia w tej przestrzeni powyżej
zadanej wartości. Konstrukcja klapy upustowo-nadciśnieniowej składa się z obudowy oraz łopatek obrotowych
obciążonych paskami stalowymi, których masa dobrana jest do zadanego dla konkretnej klapy ciśnienia otwarcia.
Zwiększenie szczelności klapy uzyskuje się stosując specjalne uszczelki polietylenowe. Dzięki prostej konstrukcji
omawiane urządzenie odznacza się wysoką
niezawodnością a zastosowanie układu wielopłaszczyznowego powoduje, że przy swojej niewielkiej szerokości
urządzeni może być montowane nawet w stosunkowo cienkich przegrodach budowlanych.
Rys 3. Klapa
upustowo - nadciśnieniowa
Innowacyjny system zabezpieczenia przed zadymieniem klatek schodowych w budynkach wysokich i
wysokościowych
Klapy upustowo-nadciśnieniowe stanowią dobre zabezpieczenie trzonu klatki schodowej przed nadmiernym wzrostem
ciśnienia nie rozwiązują jednak problemu jego nierównomiernego rozkładu na całej wysokości chronionej przestrzeni.
Alternatywą może być opracowanie i wdrożenie całkiem nowego systemu napowietrzania klatki schodowej.
Taką próbą jest opracowywany przez firmę SMAY przy współudziale polskich i zagranicznych ośrodków naukowych
system oparty na zastosowanie nawiewu wielopunktowego. W omawianym układzie wszystkie punkty nawiewne
powinny zostać
wyposażone w urządzenia sterujące, dzięki czemu możliwe będzie płynne dostosowanie ciśnienia na poszczególnych
kondygnacjach do wymaganego poziomu, z jednoczesnym uwzględnieniem zmiennych warunków zewnętrznych.
Rys. 4 Symulacje regulowanego nawiewu do klatki schodowej
Przeprowadzone przy wykorzystaniu cyfrowej mechaniki płynów wstępne symulacje
komputerowe klatki modelowej oraz obiektu rzeczywistego wykazały praktyczną przydatność takiego systemu. Obecnie
rozpoczynają się badania fizykalne, których wynikiem może być opracowanie w bardzo nieodległej przyszłości
unikalnego w skali światowej systemu zabezpieczenia przeciwpożarowego klatek schodowych.
Oddymianie korytarzy/kondygnacji objętej pożarem
Należy wspomnieć o pewnym zamieszaniu odnośnie systemów oddymiania korytarzy
ewakuacyjnych. Stosowanie wymienionych już powyżej standardów francuskich nie
dopuszczało możliwości rezygnacji z budowy instalacji oddymiania na korytarzach
ewakuacyjnych co było do niedawna obowiązującym w Polsce standardem. Zapisy normy PN-EN 12101-6 są pod tym
względem bardziej liberalne i dopuszczają możliwość zastosowania w funkcji oddymiania innych rozwiązań
technicznych. W odniesieniu do ogniowych klap odcinających, czyli urządzeń oddymiających warto wspomnieć o
planowanych zmianach w normie EN 1366-10 definiującej obowiązującą metodę badawczą.
Według tej propozycji klapa pożarowa stosowana w systemach mieszanych (pełniących funkcje wentylacji ogólnej i
pożarowej) certyfikowana będzie po wykonania 10 000 cykli otwarcia i zamknięcia. Urządzenia przeciw pożarowe
służące do kontroli przepływu powietrza wykonać będą musiały 20 000 cykli, przy czym 10 000 do kąta otwarcia 45 
60o.
Omawiane zmiany mogą przyczynić się do znacznej poprawy jakości dostępnych na rynku klap pożarowych
stanowiących jeden z kluczowych elementów zabezpieczenia budynku.
W przypadku zastosowania systemu zakładającego odprowadzenie powietrza i dymu z wykorzystaniem punktów
odbioru umieszczonych w elewacji budynku warto przemyśleć zastosowanie stanowiących nowość na polskim rynku
certyfikatowe okna oddymiające firmy COLT. Urządzenie to zbudowane jest ze stalowej ramy ze sworzniami, na której
obracają się szklane lamele. Dzięki specjalnej konstrukcji siłownika liniowego oraz dyskretnemu zamontowaniu na ramie
okna jest on praktycznie niewidoczny, zapewniając jednocześnie dzięki współpracy z BMS dowolny sposób sterowania
stopniem otwarcia okien. Dodatkową zaletę omawianych okien stanowi wysoki współczynnik aerodynamiczny, co
oznacza uzyskiwanie przy pełnym otwarci dużej powierzchni czynnej oddymiania, a więc możliwe jest wykorzystanie w
tej funkcji mniejszej powierzchni elewacji budynku.
Rys 5 Żaluzjowe okna do wentylacji i oddymiania
Zgodnie z proponowanymi zmianami w zapisach EN 12101-2 powierzchnia czynna okien oddymiających powinna
zostać wyznaczona doświadczalnie bez uwzględnienia wpływu bocznego wiatru. Oznacza to, że w celu zabezpieczenia
prawidłowego funkcjonowania systemu usuwania dymu konieczne będzie podwojenie ilości okien oddymiających w
stosunku do wyników otrzymanych doświadczalnie i rozmieszczenie ich na dwóch przeciwległych lub sąsiadujących
ścianach. Ponadto system otwierania okien współpracować musi z systemem rejestrującym kierunek aktualnego
przepływu wiatru.
Przeciwpożarowe zabezpieczenie instalacji wentylacji ogólnej
W systemach ochrony przeciwpożarowej budynków równie ważne jak ochrona dróg
ewakuacji jest zabezpieczenie instalacji wentylacyjnych przed przedostawaniem się dymu i gazów pożarowych. Funkcję
tego zabezpieczenia pełnią przeciwpożarowe kalpy odcinające już wkrótce certyfikowane wg. wymienionych powyżej
zasad. Zgodnie z polskimi przepisami wszelkie instalacje wentylacji mechanicznej muszą zostać wyposażone w klapy
przeciwpożarowe w miejscu przejścia przewodów przez przegrodę budowlaną stanowiącą oddzielenie pożarowe. Jeżeli
montaż tych urządzeń jest obligatoryjna, to nasuwają się następujące pytania:
Po pierwsze czy jedyną możliwą do zaakceptowania pozycją oczekiwania, czyli normalną pozycją pracy jest pełne
otwarcie klapy? Po drugie, jeżeli tak to przy spełnieniu celu nadrzędnego, jakim jest zabezpieczenie przeciwpożarowe,
czy możliwe jest wykorzystanie klap pożarowych jako elementów regulacyjnych w sieci przewodów wentylacyjnych?
Odpowiedzi na pierwsze pytanie szukać należy przepisach prawa, które nie narzucają konieczności stosowania
wyłącznie urządzeń dwupołożeniowych. Klapy przeciwpożarowe muszą spełniać natomiast wymagania techniczne
dotyczące ich nadrzędnej funkcji, jaką jest zabezpieczenie przeciwpożarowe. Wymagania te dotyczą w szczególności
odporności mechanicznej i pełnej niezawodności działania. Z tego względu, jeżeli rozważa się możliwość
wykorzystania klapy jako elementu regulacyjnego konieczne jest przebadanie urządzenia np. w Zakładzie Badań
Ogniowych Instytutu Techniki Budowlanej w szerszym zakresie niż dotyczy to wyłącznie klap jednofunkcyjnych.
Rys 6 Klapa przeciwpożarowa z funkcją regulacji przepływu
Odpowiadając na drugie pytanie należy wziąć pod uwagę nowoczesne konstrukcje klap przeciwpożarowych, a
zwłaszcza stale rosnące możliwości elektronicznego nadzoru i sterowania ich pracą, co pozawala na spełnienie przez
omawiane urządzenia funkcji regulacyjnych. Dodatkową zaletą promowania takiego rozwiązania może być istotna
poprawa bezpieczeństwa budynku, ograniczenia kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Na polskim rynku dostępne
są już pierwsze urządzenia wielofunkcyjne które oprócz funkcji klapy przeciwpożarowej pełnić mogą zadania:
- elementu regulacyjnego w systemach CAV
- elementu regulacyjnego w systemach ze zmienną ilością powietrza potrzebną do odebrania zysków ciepła (VAV)
- elementu regulacyjnego dla pomieszczeń o zmiennym technologicznym zapotrzebowaniu
powietrza.
- elementu odcinającego poprawiającego bilans energetyczny budynku
Analizując możliwość różnych zastosowań dodatkowych dla klap przeciwpożarowych
należy bezwzględnie przestrzegać jednej fundamentalnej zasady. Priorytetowym zadaniem omawianych urządzeń musi
pozostać ochrona przeciwpożarowa.
Podsumowanie
W podsumowaniu zwrócić należy uwagę na wciąż niedoskonałe przepisy prawa, które
niejednokrotnie stanowią poważne utrudnienie przy wprowadzaniu nowoczesnych rozwiązań technicznych ochrony
przeciwpożarowej budynków. Przykładem może tu być chociażby bezprzewodowy system oddymiania budynków, który
do dnia dzisiejszego pomimo wielu pozytywnych opinii jest trudny do zastosowania na skutek niezbyt szczęśliwemu
zapisowi w warunkach technicznych. Wypada mieć nadzieję, że następujące nowelizacje prawa nie zamkną drogi do
wprowadzania nowocześniejszych, bezpieczniejszych i bardziej przyjaznych inwestorom technik wentylacji pożarowej.