Načrtovanje odvoda dima in toplote v velikih dvoranah

Načrtovanje odvoda dima in toplote v velikih dvoranah

V velikih dvoranah je nesmiselno določati zahteve za odvod dima in toplote po klasičnih metodah z uporabo standardov in smernic, kot so npr. VDS 4020, SZPV 405-1 ali TRVB 125. V vseh naštetih je omejena višina prostora ali pa njihovih zahtev po velikosti dimnih sektorjev v tako visokih in velikih prostorih ni mogoče izpolniti. Vsi ti dokumenti temeljijo na enakomernem požaru in ne upoštevajo razvoja požara. Hkrati so dvorane tudi arhitekturno zelo razgibane (npr. zaradi različnih višin tribun), naklon strehe pa močno vpliva na razporeditev dima v dvorani, kar predstavlja dodatno omejitev pri načrtovanju. 

Iz teh razlogov se v zadnjem času večina dvoran projektira z uporabo računalniškega simuliranja v fazi projektiranja stavbe in dimnega preizkusa v fazi dokončanja objekta. Z dimnim preizkusom se mora potrditi načrtovani sistem ODT. Prva dvorana v Sloveniji, v kateri je bila uporabljena računalniška simulacija, je bila dvorana Stožice, v bližnji okolici pa tri dvorane na Hrvaškem (Arena Zagreb, Osijek in Split). Računalniška simulacija je primerna tudi za vse večetažne stavbe z razgibano odprto arhitekturo, npr. za trgovske centre, poslovne stavbe z atriji itd.

Slika 1: Dodajanje hladnega dima toku toplega zraka, dvorana Podmežakla

Računalniška simulacija odvoda dima in toplote

Najbolj pravilna in hkrati tudi ekonomična pot za določitev zahtev za odvod dima in toplote v velikih dvoranah je računalniška simulacija ali CFD (Computational fluid dynamics). Pred pričetkom je potrebno postaviti robne pogoje simulacije. Najpomembnejši vhodni podatek je višina brezdimne cone na evakuacijskih poteh. V nadaljevanju predstavljam postopke simulacije v dvorani Podmežakla. Pri izdelavi računskega modela so bili upoštevani najverjetnejši požarni scenariji glede na predvideno uporabo objekta. Tako so bile računsko preverjene tri možnosti požara v dvorani: 

 - na prizorišču (športno igrišče), 

 - med občinstvom na tribunah, 

 - v garderobi pod tribunami. 

Pri vseh treh možnostih so bila preverjena še različna mesta požara na tribunah in na igrišču ter različne moči in hitrosti razvoja požara.

                            Slika 2: Razporeditev dima po prostoru dvorane

Simulacija je potekala v več fazah:

a)     Izvedba 3D-modela

Na podlagi arhitekturnih načrtov se je v kodi programa zapisal poenostavljen 3D-model. Izvedene poenostavitve arhitekture ne vplivajo na rezultate simulacije.

b)     Izvedba numerične mreže

Numerična mreža je prilagojena mestu požara. Tako je na področjih, kot so npr. območje okoli požara, območje dimne cone, numerična mreža precej gostejša.

c)      Določitev vhodnih podatkov - referenčnega požara

Ta del je pri izdelavi CFD-simulacije najpomembnejši, saj pri napačnih vhodnih podatkih dobimo tudi napačne rezultate. Natančnost in reprezentativnost dobljenih numeričnih rezultatov je neposredno odvisna od kakovosti in resničnosti vhodnih parametrov.

d)     Izvedba numerične simulacije

Na podlagi ustvarjenega 3D-modela, numerične mreže in vhodnih podatkov simuliramo odvod dima iz dvorane v obdobju od 0 do 600 s. Skupno število numeričnih kvadratov je bilo milijon tristo tisoč.

e)     Obdelava, analiza in potrditev numeričnih rezultatov

Iz rezultatov dobimo informacijo o ustreznosti odvoda dima in toplote. Če so dobljeni rezultati neustrezni, je treba skupaj z arhitekti najti ustreznejše rešitve namestitve ali števila kupol in dovodnih odprtin ter ponoviti simulacijo. Na podlagi rezultatov se lahko določijo tudi dodatne zahteve za krmiljenje ODT, časovni pogoji itd.

Slika 3: Razporeditev toplote po 300 sekundah v sredini dvorane

V izračunih je bilo upoštevano gorenje mešanice lesa in umetnih materialov z močjo požara od 1 MW do 5 MW in z naraščanjem požara po t²-krivulji. S simulacijo so bile računsko preverjene temperature pod stropom zaradi vpliva požara na jekleno konstrukcijo ter čas, v katerem se je dim spustil na evakuacijski nivo južne in vzhodne tribune. Poleg tega so se s ponavljanjem simulacij preverjali še vplivi različnih lokacij požara, vpliv lege in velikosti odprtin za dovod in odvod zraka, razporeditve temperatur in tlakov po prostoru ter hitrosti zraka na odprtinah za dovod in odvod zraka. Pri simulaciji so bila upoštevana dejanska mesta in velikosti odprtin. Dovodne in odvodne odprtine so se odpirale s časovnimi zamiki glede na zaznavanje žarkovnih javljalnikov v dvorani.

Slika 4: Prikaz zadimljenosti žarkovnega javljalnika v odvisnosti od časa (aktiviranje javljalnika)

Na sliki 4 je prikazan graf zadimljenosti na mestu žarkovnega javljalnika.

Slika 5: Vidljivost po 325 sekundah

Vidljivost na evakuacijskih poteh je ena izmed najpomembnejših ugotovitev simulacije, saj z njo lahko dokažemo, da se v določenem času (v času umika ljudi iz dvorane), evakuacijske poti ne bodo zadimile. Tako na zgornji sliki vidimo, da se na južni tribuni dim ni spustil na nivo hodnika (rdeča ravnina), v levem kotu vzhodne tribune pa so se že začeli pojavljati rumeni pasovi, ki pomenijo zadimljenost, torej zmanjšanje vidljivosti, vendar več kot 4 m nad zgornjim nivojem vzhodnih tribun.

Med pomembnejšimi rezultati so bile tudi hitrosti zraka na odvodnih in dovodnih odprtinah, in sicer so bile hitrosti na dovodnih odprtinah do 2 m/s, na odvodnih odprtinah pa je bila hitrost odvisna od lege kupole. Na kupolah v bližini požara je bila hitrost zraka tudi do 3 m/s.

S preverjanjem temperature zraka v okolici jeklenih nosilcev pod stropom smo dokazali, da je bila temperatura dimnih plinov pod stropom največ 90°C, to pa je daleč pod mejo, pri kateri bi jeklo pričelo izgubljati svoje lastnosti.

Vroči dimni preizkus

V okviru zaključnih pregledov na športni dvorani Podmežakla je bil tudi vroči dimni preizkus, s katerim se je želelo preveriti izvedbo odvoda dima in toplote, ki je bila načrtovana v fazi PGD in PZI. Preizkus je potekal v okviru pregleda odvoda dima in toplote v skladu s pravilnikom o pregledovanju aktivne požarne zaščite.

Osnova preizkusa je bila avstralska metoda po standardu AS 4391:1999 Smoke  management systems – Hot Smoke Test, Standards Association of Australia (1999), ki določa način izvedbe in postopke, s katerimi izračunamo moč požara.

Preizkus smo opravili v podjetju Ekosystem skupaj z izvajalci Meteorit in Eurolux ter GARS Jesenice.

Preizkus smo izvedli s simulacijo 1 MW izvora vročega zraka, kateremu smo dodali hladen dim. Izvor toplote so bile štiri ponve, v katerih je bila vnetljiva tekočina. Posamezna ponev je imela površino 0,64 m², skupaj torej 2,54 m². Na višini 4 m smo dodali hladen dim iz treh dimnih generatorjev, ki so skupno lahko proizvajali 150.000 m³ hladnega dima na uro (Dvorana ima volumen približno 85.000 m³.).

Slika 6: V pripravi na glavni preizkus smo najprej izvedli preizkus z eno ponvijo in manjšim dimnim generatorjem.

Preizkus je trajal 15 minut. Spremljali smo ga s termovizijsko kamero (območje delovanja od -30°C do +110°C), z gasilsko termovizijsko kamero (območje delovanja do +1.000 °C), z merilniki hitrosti pretoka zraka ter z merilniki temperature na odvodnih in dovodnih odprtinah.

Slika 7: Fotografija izvora toplote s termokamero

Z merilniki hitrosti pretoka zraka smo merili pretoke skozi kupole in odprtine za dovod svežega zraka. Rezultati so se zelo približali izračunanim in jih potrdili. Med najpomembnejšimi je bil podatek o izmenjavi zraka v dvorani, ki smo ga dobili tako, da smo sešteli vse pretoke zraka skozi kupole. Tako je bil maksimalen volumski pretok zraka v dvorani 460.000 m³/h, kar pomeni 5,4-kratno izmenjavo zraka na uro. Za mehanski odvod dima in toplote bi za enako izmenjavo zraka potrebovali več zelo velikih ventilatorjev in močan električni agregat (rezervno napajanje).

Slika 8: Termovizija stropa, temperature pod stropom

Iz termovizijske kamere smo lahko ugotavljali temperaturo pod stropom in segrevanje jeklene konstrukcije. Na sliki 8 je razvidno, da je bila temperatura okolice 26°C, trapezna pločevina nad požarom pa se je segrela na 40°C. Močnejši jekleni nosilci se niso segreli, ker je bil čas njihove izpostavljenosti toplemu zraku prekratek.

Načrtovanje odvoda dima in toplote v velikih dvoranah ni enostavno. Tudi priprava dimnega preizkusa je zahtevala veliko znanja, izkušenj, predvsem pa študija primerov iz tujine. Med posredne rezultate preizkusa lahko štejem predvsem izkušnjo realnega požara, pri katerem smo lahko nadzorovano spremljali vse požarne veličine. Glede na velike spremembe na področju požarne varnosti, umikanja države kot nadzornega organa, nizkega nivoja pregledov APZ in znanja odgovornih projektantov požarne varnosti upam, da to ni bil zadnji realni preizkus odvoda dima in toplote.

mag. Aleš Drnovšek, udie