Oddymianie hal magazynowych i produkcyjnych

Oddymianie hal i ochrona ppoż. w przepisach prawnych

Oddymianie hal i inne wytyczne związane z zabezpieczeniem przeciwpożarowym hal przemysłowych są zawarte w różnych przepisach prawnych. Od stycznia 2018 r. obowiązuje w Polsce nowelizacja Rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [1], która nakazuje, aby konstrukcja budynku  zachowała nośność przez określony czas w przypadku wystąpienia pożaru (§ 207 ust. 1). Domyślnie można tu przyjąć, iż czas ten powinien być wystarczający do zapewnienia możliwości opuszczenia budynku przez ludzi, z uwzględnieniem bezpieczeństwa ekip ratowniczych. Wcześniej, tj. do końca 2017 r., przepisy wskazywały, aby bezpieczeństwo konstrukcji zapewnione było przez czas wynikający z rozporządzenia (narzucony przez § 216, określający wymaganą klasę odporności ogniowej elementów konstrukcyjnych, odpowiednią do klasy odporności pożarowej budynku, wynikającej z § 212). W związku z tym budynkom o klasie odporności pożarowej E nie stawiano żadnych wymagań w zakresie odporności ogniowej konstrukcji. Konsekwencją wprowadzonych zmian jest konieczność określenia dla tych budynków przewidywanego czasu utrzymania nośności elementów konstrukcji, mimo że nie jest dla nich wymagana żadna klasa odporności ogniowej. Ma to szczególnie istotne znaczenie w przypadku powszechnie stosowanych stalowych hal przemysłowych.

Problematyka oddymiania hal została poruszona we wnioskach z europejskiego projektu z 2008 r. „Wspieranie rozwoju rynku kształtowników na potrzeby hal przemysłowych i niskich budynków (SECHALO) RFS2-CT-2008-0030” [13]. Stwierdzono, że niewentylowane budynki jednokondygnacyjne już po kilku minutach pożaru mogą wypełnić się dymem, a zawarte w nim substancje toksyczne mogą spowodować obezwładnienie lub śmierć osób. Ponadto, warstwa gorącego dymu o temperaturze 500°C emituje strumień ciepła około 20 kW/m², co po kilku sekundach skutkuje oparzeniami skóry. Jeżeli w początkowej fazie pożaru strażacy muszą wejść do budynku w celu ratowania ludzi, nie mogą oni już przebywać wewnątrz budynku po osiągnięciu przez promieniowanie cieplne natężenia przekraczającego 7 kW/m².

Wymagania związane z ochroną ppoż. hal, w tym oddymianiem hal

Mając na uwadze powyższe użytkownicy budynków produkcyjnych i magazynowych oraz strażacy powinni być zabezpieczeni przed niedopuszczalnym oddziaływaniem ognia i dymu w czasie pożaru, a także przed możliwością odniesienia obrażeń w wyniku uszkodzenia konstrukcji budynku. Aby można było to zapewnić:

• pożar powstały w budynku powinien zachowywać charakter pożaru lokalnego,
• uszkodzenie części budynku, w której powstał pożar nie powinno prowadzić do zniszczenia jego całości,
• zniszczenia konstrukcji budynku, w tym elewacji, nie powinny zagrażać otoczeniu budynku [14].

 

Dodatkowe wymagania w zakresie ochrony przed pożarem hal przemysłowych i znajdującego się w nich mienia określają ubezpieczyciele, przy czym coraz częściej uznają oni, że samo spełnienie polskich przepisów nie zapewnia wystarczającej ochrony. Powszechnie uznaje się, że niedopuszczenie do znacznych rozmiarów pożaru jest gwarantowane w przypadku zastosowania w obiekcie stałych samoczynnych urządzeń gaśniczych wodnych, które wykorzystuje się w coraz większej liczbie obiektów. Jednak wielu właścicieli obiektów przemysłowych w dalszym ciągu nie chce stosować tych urządzeń ze względu na wysokie koszty inwestycyjne oraz brak wymagań w polskich przepisach w tym zakresie.

Oddymianie hal również nie jest obligatoryjne, ale stosowanie tego typu systemów pozwala na znaczne złagodzenie wymagań dotyczących klasy odporności pożarowej obiektów i dopuszczalnej powierzchni stref pożarowych, a także wytycznych ewakuacyjnych [1], co przyczynia się do ich bardzo częstego wykorzystania. Zdaniem specjalistów wspomniane złagodzenia są jednak bezzasadnie duże, a ochrona obiektów, szczególnie magazynowych, wyłącznie za pomocą systemów oddymiania nie gwarantuje odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa.

Grawitacyjne oddymianie hal

Oddymianie hal ma na celu zapewnienie bezpieczeństwa poprzez obniżenie temperatury wewnątrz obiektu oraz ograniczenie jej wpływu na elementy budynku podczas pożaru. Systemy oddymiania i odprowadzania ciepła powinny być zgodne z wymaganiami normy EN 12101-2. Typowy schemat systemu oddymiania hali PM przedstawiono na rysunku poniżej, zakłada on, że dym wypływa przez klapy dymowe w dachu, a napływ powietrza uzupełniającego następuje przez otwarte bramy.

Głównym elementem wykonawczym grawitacyjnego systemu oddymiania są klapy dymowe punktowe lub klapy zintegrowane w naświetlach pasmowych. Poza atestowanym bezpieczeństwem pożarowym urządzenia te powinny gwarantować także wysoką efektywność energetyczną – ich konstrukcja musi być pozbawiona mostków termicznych, co umożliwia:

• osiągnięcie bardzo niskich wartości Urc (Urc<1,00 W/(m²K)),
• obniżenie kosztów eksploatacji obiektu,
• podniesienie komfortu użytkowania z uwagi na wyeliminowanie ryzyka powstawania skroplin (kondensatu) na powierzchni klap dymowych i naświetli pasmowych,
• oddymianie pomieszczeń o niskich temperaturach otoczenia (np. chłodni).

 

Szczególna uwagę należy zwrócić na fakt, że od 01.01.2021 roku nastąpiło zaostrzenie wymogów dotyczących efektywności energetycznej budynków, stawianej m.in. urządzeniom oddymiającym i systemom doświetleń dachowych. W przypadku ogrzewanych hal, współczynnik przenikania ciepła Urc dla całego urządzenia powinien wynosić nie więcej niż 1,1 W/(m²K). Utrzymanie obiektów o dużej powierzchni i/lub znacznych gabarytach wiąże się z potrzebą dostarczenia odpowiedniej ilości energii na cele grzewcze. W halach produkcyjnych naświetla zajmują 1/8 powierzchni podłogi, a w halach magazynowych – 1/12, dlatego kwestia termiki tych urządzeń jest w tych obiektach bardzo istotna.

Nie należy także zapominać, że poza funkcją oddymiania hal, klapy są także często wykorzystywane przy codziennym wentylowaniu obiektów, dlatego ważna jest również wydajność systemu odprowadzania nadmiaru ciepła, które jest wytwarzane w procesach technologicznych. W standardowym wykonaniu klapy wyposażone są w siłowniki o niewielkim skoku (30 lub 50 cm), które unoszą ich skrzydła w celu wypuszczenia ciepłego powietrza na zewnątrz obiektu. W przypadku wystąpienia deszczu lub silnego wiatru system automatyki pogodowej szczelne zamknie skrzydła, co uniemożliwi odprowadzenie nadmiaru ciepła. Rozwiązaniem tego problemu, zapewniającym ciągłość pracy urządzeń w funkcji wentylacji bytowej, mimo niesprzyjających warunków atmosferycznych może być klapa dymowa wyposażona w specjalne dysze boczne przeznaczone do odprowadzania zgromadzonego ciepła. Poza grawitacyjnym oddymianiem hal oraz stałą wentylacją, gwarantują one także naturalne doświetlenie obiektu.

Projektowanie systemu oddymiania hal

Obliczenia parametrów projektowanej instalacji oddymiania hal PM można wykonać na postawie wytycznych normowych. Obecnie w Polsce stosowane są w tym zakresie najczęściej cztery normy – polska PN-B02877-4 [5], brytyjska BS 7346-4:2003 [6], amerykańska NFPA 204:2018 [7] oraz niemiecka DIN 18232-2:2007-11 [8]. Założenia projektowe normy polskiej różnią się zasadniczo od trzech pozostałych, ponieważ jej głównym parametrem wyjściowym jest powierzchnia obiektu, a nie wielkość projektowa pożaru i wysokość wznoszenia się słupa dymu. Jest ona często preferowana ze względu na łatwość doboru wymaganej powierzchni czynnej klap, która najczęściej wynosi 3% powierzchni rzutu hali. Pozostałe dokumenty wymagają natomiast stosunkowo skomplikowanych obliczeń i uwzględnienia szeregu dodatkowych parametrów, takich jak wielkość projektowa pożaru (zależna od rodzaju i wysokości składowania materiałów palnych) oraz przewidywana wysokość dolnej granicy warstwy dymu. Pojawia się zatem pytanie – czy stosowanie wytycznych normy polskiej jest właściwe, skoro inne standardy zalecają znacząco odmienne podejście projektowe?

Symulacja oddymiania hali

W dalszej części artykułu przedstawiono porównanie wyników symulacji komputerowych systemu oddymiania przykładowej hali magazynowej, składającej się z dwóch stref pożarowych, w których zaproponowano systemy oddymiania w oparciu o normę polską i amerykańską.

Założenia projektowe symulacji

Na podstawie normy BS 9999 [9] do analiz przyjęto pożar obliczeniowy rozwijający się zgodnie z krzywą normową rozwoju pożaru szybkiego, opisaną wzorem Q=αt², gdzie:

• Q – moc pożaru [kW],
• α – współczynnik wzrostu pożaru = 0,047 [kW/s²] – szybki rozwój,
• t – czas rozwoju pożaru [s].

Ponadto, do analiz przyjęto następujące założenia w zakresie geometrii obiektu i zastosowanych w nim systemów zabezpieczeń przeciwpożarowych oraz analizowanych scenariuszy:

• analizowany obszar hali produkcyjno-magazynowej obejmuje dwie strefy pożarowe, stanowiące jednocześnie odrębne strefy dymowe – SD1 i SD2,
• wysokość analizowanej hali wynosi od o 11,7 do ok. 12,1 m,
• wysokość składowania materiałów palnych wynosi do 9 m,
• hala wyposażona jest w system sygnalizacji pożaru, a ochrona obiektu pracuje w trybie ciągłym (24/7) i jest przeszkolona w zakresie niezwłocznego powiadamiania najbliższej jednostki PSP o zagrożeniu.

 

Analizy przeprowadzono dla pierwszych 900 s trwania pożaru, w czasie których zakłada się ciągły wzrost mocy pożaru, zgodnie z krzywą przedstawioną na rysunku powyżej. Czas rozwoju pożaru przyjęto na podstawie wytycznych normy [8], która wskazuje charakterystyczne przykłady dla hal przemysłowych, w zależności od rodzaju składowanych w nich materiałów:

• pożar bardzo szybki – z udziałem cieczy palnych i spienionych tworzyw sztucznych,
• pożar szybki – z udziałem tworzyw sztucznych i tkanin,
• pożar średni – palet drewnianych i pudeł z kartonu.

 

Podobnie jak w ogólnie przyjętej praktyce projektowej w prezentowanym przykładzie założono, że zainicjowany pożar rozwija się do momentu zadziałania stałych samoczynnych urządzeń gaśniczych wodnych lub do podjęcia skutecznych działań gaśniczych, ewentualnie aż do całkowitego spalenia się materiałów palnych. W najczęściej spotykanym przypadku prowadzenia działań gaśniczych przy pomocy prądów wody, strumień potrzebny do przerwania rozwoju pożaru określa się na podstawie prawa zachowania energii. Jak wykazał w swojej publikacji [12] Paul Grimwood, międzynarodowy konsultant straży pożarnych ze straży pożarnej południowo-wschodniej Anglii (Kent), należy przyjmować, że do przerwania rozwoju pożaru niezbędne jest podawanie 0,385 litra wody na sekundę, na każdy megawat (MW) jego aktualnej mocy.

Jeden samochód ratowniczo-gaśniczy umożliwia podanie 20 litrów wody na sekundę przy pomocy trzech prądów wody z prądownic 75 z dyszą 18 mm, co pozwala na przerwanie rozwoju pożaru o mocy do 52 MW, a więc też pożaru lokalnego (do 50 MW). W związku z powyższym, wykorzystując samochód ratowniczo-gaśniczy można ugasić pożar bardzo szybki, jeżeli rozwija się on nie dłużej niż 8,5 min, szybki – 17 min i średni – 34 min, a przy pomocy hydrantu DN33 o podanych wyżej parametrach – bardzo szybki, jeżeli rozwija się on nie dłużej niż 3 min, szybki – 6 min i średni – 12 min. W rzeczywistości czasy te będą powiększone o czas inkubacji pożaru, mogący trwać od kilkudziesięciu do kilkuset sekund, w którym może on zostać zauważony przez pracowników (jeżeli przebywają oni w hali) lub być wykryty przez urządzenia detekcji pożarowej [14]. Jednocześnie polskie statystyki pokazują, że czas dojazdu jednostek gaśniczych od momentu otrzymania informacji o pożarze w 94% przypadków mieści się w 15 min (źródło danych KGPSP).

Na podstawie powyższych rozważań można zatem stwierdzić, że w przypadku pożarów bardzo szybkich w halach niewyposażonych w stałą instalację gaśniczą możliwość uratowania obiektu przez jednostkę PSP praktycznie nie istnieje. Także instalacja oddymiająca ma szansę pozytywnego oddziaływania na warunki występujące w czasie pożaru jedynie w przypadku, kiedy jego szybkość rozwoju jest ograniczona. Poniższe analizy dotyczą więc pożaru szybkiego, rozwijającego się przez 15 min. Zakłada się, że jeżeli po tym czasie nie nastąpi rozpoczęcie działań gaśniczych hala ulegnie zawaleniu, a zatem dalsze jej oddymianie nie będzie zasadne. Konsekwencją takiego założenia jest przyjęcie do obliczeń wymaganej powierzchni czynnej klap dymowych (przeprowadzonych za pomocą wzorów przedstawionych w normie NFPA 204) dla maksymalnej mocy pożaru szybkiego, jaka osiągana jest po 15 min od jego rozpoczęcia, tj. 35 MW.

Porównanie wariantów systemów oddymiania hali

Oddymianie hali porównano dla czterech wariantów systemów, zaprojektowanych alternatywnie według wytycznych normy polskiej lub amerykańskiej. Dodatkowo, wzięto pod uwagę doposażenie hali w system sygnalizacji pożaru i w stałe urządzenia gaśnicze wodne. Szczegóły rozwiązań przedstawiono poniżej:

• wariant I – oddymianie grawitacyjne według PN-B02877-4; analizowany obszar hali obejmuje trzy strefy dymowe: SD1, SD2a i SD2b – SD1 i SD2 oddzielone są od siebie za pomocą ściany pełnej na całej wysokości hali, a SD2 jest podzielona kurtyną dymową na dwie strefy dymowe SD2a i SD2b; dolna krawędź kurtyny dymowej znajduje się na wysokości 10 m od posadzki; obiekt wyposażono w system detekcji dymu; oddymianie hali odbywa się za pomocą klap dymowych o łącznej powierzchni czynnej wynoszącej minimum 48,5 m² w strefie dymowej SD1, 55,9 m² w strefie dymowej SD2a i 47,4 m² w strefie dymowej SD2b; powietrze uzupełniające dla potrzeb oddymiania jest dostarczane przez bramy przemysłowe oraz okna i żaluzje napowietrzające o łącznej powierzchni geometrycznej wynoszącej 89 m² dla strefy dymowej SD1 oraz 69 m² dla SD2a i SD2b (rysunek poniżej); klapy dymowe i otwory przewidziane do uzupełniania powietrza dla potrzeb oddymiania są otwierane samoczynnie w całej strefie dymowej, niezwłocznie po wykryciu dymu – czas jego wykrycia wyznaczono na 60 s.
• wariant II – oddymianie grawitacyjne według NFPA 204; każda ze stref pożarowych stanowi odrębną strefę dymową: SD1 i SD2; łączna powierzchnia czynna klap dymowych wynosi 36,2 m² w każdej strefie dymowej; powietrze uzupełniające dla potrzeb oddymiania jest dostarczane przez bramy przemysłowe oraz okna napowietrzające o łącznej powierzchni czynnej wynoszącej 40,5 m² dla strefy dymowej SD1 oraz 45 m² dla strefy dymowej SD2 (rysunek poniżej); w hali nie ma systemu detekcji pożaru, ale każda z klap dymowych wyposażona jest w wyzwalacz termiczny (68°C) oraz monitorujący czujnik ciśnienia; w przypadku ręcznego uruchomienia oddymiania hali lub zadziałania termowyzwalacza w jednej z klap dymowych, sygnał o otwarciu alarmowym przekazywany jest do centrali sterującej oddymianiem, która automatycznie otwiera pozostałe klapy dymowe w strefie dymowej, a także bramy przewidziane do napowietrzania; czas uruchomienia instalacji oddymiającej wyznaczono na 360 s.
• wariant III – założenia jak w wariancie II, ale hala została wyposażona w system sygnalizacji pożaru; klapy dymowe i otwory przewidziane do uzupełniania powietrza dla potrzeb oddymiania są otwierane samoczynnie w całej strefie dymowej, niezwłocznie po wykryciu dymu – czas jego wykrycia wyznaczono na 60 s.
• wariant IV – założenia jak w wariancie III, ale hala zostałą wyposażona w instalację tryskaczową; klapy dymowe i otwory przewidziane do uzupełniania powietrza dla potrzeb oddymiania są otwierane samoczynnie w całej strefie dymowej, przy czym dla klap przewidziano 3 min zwłokę w stosunku do uruchomienia się instalacji tryskaczowej (68°C), której zadziałanie wyznaczono na 360 s.

Na powyższym rysunku pokazano schematy instalacji oddymiającej hali, w przypadku zastosowania w niej systemu bazującego na wymaganiach polskiej normy [4] oraz amerykańskiej normy [6]. Widoczna jest znacząca różnica w wymaganej licznie klap dymowych w poszczególnych częściach hali, w zależności od zastosowanego standardu. Rysunki 1, 2 i 3 w galerii poniżej pokazują wyniki symulacji w zakresie spadku zasięgu widzialności na 1,8 m od posadzki w strefie SD1 oraz w jej przekroju pionowym, a także przyrostu temperatury w przestrzeni podstropowej hali, dla opisanych wcześniej czterech wariantów zabezpieczeń. Rysunki 4, 5 i 6 przedstawiają analogiczne wyniki dla strefy SD2.

Wnioski symulacji oddymiania hal

Analizując przeprowadzone symulacje można stwierdzić, że decydujące znaczenie dla niedopuszczenia do zniszczenia stalowej hali przemysłowej w wyniku pożaru ma opanowanie go w czasie, w którym nie przekroczył on jeszcze poziomu pożaru lokalnego (moc 50 MW). W przypadku pożarów o bardzo szybkim rozwoju jest to praktycznie niemożliwe bez zastosowania samoczynnych urządzeń gaśniczych. W pożarach szybkich i średnich najistotniejsze jest czy czas osiągnięcia przez pożar mocy 50 MW będzie dłuższy od czasu, w którym z samochodu ratowniczo-gaśniczego zostaną podane 3 prądy wody (zależy od odległości hali od najbliższej jednostki ratowniczo-gaśniczej oraz od szybkości przekazania do niej sygnału o pożarze). Sygnał o pożarze powinien pochodzić z instalacji wykrywczej i jednocześnie powodować otwarcie dopływu powietrza przez otwory dolotowe, a najlepiej również otwarcie klap dymowych. Ponadto:

• zarówno system zgodny z PN jak i z NFPA (bez względu na SSP) bez instalacji tryskaczowej nie zapewniają ochrony konstrukcji hali wykonanej w klasie E, gdyż we wszystkich przypadkach temperatura graniczna pod stropem (350°C), nad źródłem pożaru, przekroczona zostaje już po ok. 10 min,
• system oddymiania hali zgodny z PN zapewnia utrzymanie warstwy dymu na wysokości ok. 6 m od posadzki przez cały czas trwania analizy, tj. 15 min od rozpoczęcia pożaru, kiedy przewidywane jest rozpoczęcie działań gaśniczych, natomiast system zgodny z NFPA, bez względu na zastosowanie SSP zapewnia utrzymanie warstwy dymu na wysokości >1,8 m od posadzki, co jest w zupełności wystarczające dla celów ewakuacji oraz ewentualnego podjęcia próby działań gaśniczych, które jednak i tak najprawomocniej nie będą prowadzone ze względu na zagrożenie utraty nośności konstrukcji hali,
• zastosowanie instalacji tryskaczowej zapewnia ochronę mienia i konstrukcji budynku, a współpracująca z nią instalacja oddymiająca gwarantuje dodatkowo odprowadzanie dymu oraz utrzymanie odpowiedniego poziomu widoczności dla osób ewakuujących się, a także ekip ratowniczo-gaśniczych,
• znacząco większa powierzchnia klap dymowych i otworów napowietrzających, jaka wynika z wymagań normy PN w stosunku do NFPA (ok. 30% w strefie SD1 i 300% w strefie SD2) nie ma pozytywnego wpływu na warunki ewakuacji z hali w pierwszych minutach od rozpoczęcia pożaru, ani na bezpieczeństwo jej konstrukcji w późniejszej fazie pożaru.

 

Literatura
1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU z 2015 r., poz.1422).
2. D. Brzezińska, „Wentylacja awaryjna obiektów budowlanych”, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2019.
3. D. Brzezińska, „Wentylacja pożarowa obiektów budowlanych”, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2015.
4. D. Brzezińska, P. Bryant, „Strategie ochrony przeciwpożarowej budynków”, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2018.
5. PN-B-02877-4:1001 „Instalacje grawitacyjne do odprowadzania dymu i ciepła. Zasady projektowania”.
6. BS 7346–4:2003 “Components for smoke and heat control systems. Functional recommendations and calculation methods for smoke and heat exhaust ventilation systems, employing steady – state design fires”.
7. NFPA 204:2018 “Standard for Smoke and Heat Venting”.
8. DIN 18232-2:2007-11 “Smoke and heat control systems – Part 2: Natural smoke and heat exhaust ventilators”.
9. BS 9999:2008 “Code of practice for fire safety in the design, management and use of buildings”.
10. Janik P. „Wnioski z pożarów 2010 – 2012.” Ochrona Przeciwpożarowa, Nr 2, 2013.
11. PN-EN 1991-1-2 „Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje. Część 1–2: Oddziaływania ogólne. Oddziaływania na konstrukcje w warunkach pożaru”.
12. P. Grimwood, „The Harrow Court Final Report, Fire Brigades Union Region 9”, 2005.
13. Raport Projektu Europejskiego „Wspieranie rozwoju rynku kształtowników na potrzeby hal przemysłowych i niskich budynków RFS2-CT-2008-0030”.
14. D. Ratajczak, D. Brzezińska, „Oddymianie hal produkcyjnych i magazynowych”, „Nowoczesne Hale” 2016, nr 1.