Wpływ warunków atmosferycznych na skuteczność działania systemów oddymiania grawitacyjnego klatek schodowych w budynkach średniowysokich [rozprawa doktorska] - Szkoła Główna Służby Pożarniczej (1982-2023).; Brzezińska, Dorota; Bogusławska, Arleta (Warszawa Szkoła Główna Służby Pożarniczej, 2023)
Praca zatytułowana "Wpływ warunków atmosferycznych na skuteczność działania systemów oddymiania grawitacyjnego klatek schodowych w budynkach średniowysokich” odzwierciedla kilkunastoletnie doświadczenie autorki w zakresie projektowania systemów wentylacji pożarowej klatek schodowych i przedstawia innowacyjny sposób ilościowego szacowania czasu pracy systemu oddymiania grawitacyjnego. Zastosowanie systemu oddymiania grawitacyjnego jest jedną z możliwości zabezpieczania klatek schodowych w budynkach średniowysokich na wypadek pożaru. Okazuje się jednak, że jego skuteczność jest silnie uzależniona od chwilowych warunków atmosferycznych, w tym temperatury powietrza zewnętrznego i wiatru. W pracy przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych przeprowadzonych w obrębie klatki schodowej budynku średniowysokiego „LabFactor”, należącego do Wydziału Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska Politechniki Łódzkiej. Badania obejmowały analizę naturalnego przepływu powietrza w klatce schodowej w warunkach pracującej instalacji oddymiającej oraz parametrów środowiska zewnętrznego i wewnętrznego - temperatury powietrza zewnętrznego i wewnętrznego oraz kierunku i prędkość wiatru. Pomiary były prowadzone w półrocznym okresie czasu od lutego do lipca 2019 r. Tak długi okres badań, obejmujący zarówno okres zimowy jak i letni, pozwolił na uzyskanie wartości strumienia objętości przepływającego przez klatkę schodową powietrza dla szerokiego zakresu temperatur powietrza zewnętrznego. W trakcie badań dokonano rejestracji ok. 850 000 odczytów wielkości fizycznych charakteryzujących rozkład temperatury i prędkości powietrza w klatce schodowej oraz w otoczeniu budynku. Pomiar strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową był realizowany poprzez zlokalizowany w przekroju klapy dymowej miernik prędkości. Praca składa się z 14 rozdziałów, w których znalazło się 69 rysunków i 10 tabel. Rozdział 1 zarysowuje wstępnie problematykę poruszoną w ramach niniejszej pracy. Przedstawiono w nim analizę obecnego stanu wiedzy w zakresie systemów wentylacji pożarowej, o których szczegółowo jest mowa w dalszej części pracy. Rozdział 2 zawiera opis celu pracy wraz ze szczegółowym opisem jej zakresu. W oparciu podprowadzoną w rozdziale 1 analizę problemu sformułowano tu także tezę pracy. W rozdziale 3 przedstawiono problemy i zagrożenia związane z ewakuacją ludzi z budynku w warunkach pożaru. Autorka zwraca w nim uwagę na szereg czynników mających wpływ na bezpieczną ewakuację z budynku w przypadku wybuchu pożaru, do których należą m.in. wysoka temperatura i promieniowanie cieplne, ograniczona widoczność, toksyczne produkty spalania oraz uszkodzenie konstrukcji budynku. Zwraca się również uwagę, na pojawiające się nieprawidłowości w budynkach eksploatowanych, mające bezpośredni wpływ na wzrost zagrożenia dla życia i zdrowia ich użytkowników. Rozdział 4 opisuje podstawy prawne projektowania systemów wentylacji pożarowej klatek schodowych w Polsce, z uwzględnieniem systemów oddymiania grawitacyjnego budynków średniowysokich, ze zwróceniem szczególnej uwagi na funkcjonującą obecnie częściową swobodę w interpretacji obowiązujących przepisów. Autorka opisuje elementy składowe systemu niezbędne do jego prawidłowej pracy. Omówiona w nim została także zasada działania systemów oddymiania grawitacyjnego, wraz z matematycznym opisem zjawiska. Przedstawione zależności wyraźnie wskazują na wpływ chwilowej różnicy temperatur pomiędzy przestrzenią klatki schodowej a środowiskiem zewnętrznych na przewidywany strumień objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową po uruchomieniu systemu oddymiania. Rozdział 5 zawiera porównanie metodyki doboru elementów składowych systemu oddymiania grawitacyjnego (klapy dymowej i otworu kompensacyjnego) różnych dostępnych wytycznych projektowych. Analiza porównawcza została wykonana w oparciu o źródła krajowe: Normę PN B 02877-4 i wytyczne CNBOP oraz normę niemiecką VDS 2221. Przeprowadzona analiza wskazała jednoznacznie, że zalecana wielkość klapy dymowej i drzwi zewnętrznych napowietrzających, dla tej samej klatki schodowej, może być różna w zależności od przyjętej podstawy wymiarowania systemu. Jednocześnie zwrócono uwagę, że żadna z powszechnie używanych procedur obliczeniowych nie uwzględnia w swojej metodyce wysokości budynku, teoretycznej różnicy temperatur klatka -otoczenie czy prędkości wiatru. Rozdział 6 opisuje programy numeryczne wykorzystane do modelowania przepływu powietrza w obrębie klatki schodowej. Jeden z opisywanych programów - FDS został następnie zweryfikowany pod względem możliwości wykorzystania do wspomagania projektowania oddymiania klatek schodowych, poprzez porównanie danych eksperymentalnych z wynikami uzyskanymi za jego pomocą. Drugi z opisywanych programów - FEMLAB posłużył do wstępnej, jakościowej oceny przepływu i zjawisk w obrębie klatki schodowej, ze zwróceniem szczególnej uwagi na przepływ powietrza w obrębie klapy dymowej. Przeprowadzone symulacje wykazały silny wpływ prędkości i kierunku wiatru na lokalne turbulencje przepływu w pobliżu klapy dymowej. W rozdziale 7 przedstawiono autorski, teoretyczny model matematyczny wykorzystujący równania opisujące mechanizm konwekcji swobodnej i opór przepływu powietrza przez kanał. Dla analizowanej klatki schodowej w budynku rzeczywistym LabFactor opracowano równania aproksymacyjne umożliwiające określenie strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową po uruchomianiu systemu oddymiania grawitacyjnego. Wyniki obliczeń strumienia konwekcyjnego przy wykorzystaniu opracowanego modelu dały dużą zgodność z wynikami pomiarów eksperymentalnych wykonanych na badanym obiekcie. Uzyskana różnica pomiędzy wartością teoretyczną współczynnika aproksymującego a wartością uzyskaną na podstawie badań eksperymentalnych nie przekraczała 3%. Rozdział 8 przedstawia opis budynku, w którym zostało przygotowane stanowisko pomiarowe - do realizacji badań została wykorzystana klatka schodowa stanowiąca część Laboratorium Dymu, znajdującego się w budynku– LabFactor. W przestrzeni klatki schodowej zostały zlokalizowane czujniki pomiarowe, które wraz ze sterownikiem umożliwiły rejestrację danych w odstępach 2-sekundowych dla każdego z cykli otwarcia. W trakcie rejestracji zapisywane były wartości następujących wielkości: temperatury powietrza wewnętrznego pod stropem każdej kondygnacji, prędkości powietrza w przekroju klapy dymowej oraz ciśnienia różnicowego pomiędzy przestrzenią klatki schodowej, a otoczeniem. Temperatura powietrza zewnętrznego oraz kierunek i prędkość wiatru były monitorowane na zewnętrznej stacji pomiarowej, zlokalizowanej na budynku również należącym do Politechniki Łódzkiej, znajdującym się w pobliżu badanego obiektu. Opisano tu także ograniczenia techniczne, jakie pojawiły się w trakcie budowy stanowiska pomiarowego, związane z jego lokalizacją w aktywnie funkcjonującym budynku. W rozdziale 9 przedstawiono wyniki uzyskanych badań eksperymentalnych. Pomiary rzeczywiste pozwoliły na określenie rozkładu temperatury powietrza w obrębie klatki schodowej w cyklu otwarcia, dla okresu zimowego, letniego oraz przejściowego. Zaobserwowano stopniową zmianę wskazań temperatury powietrza dla poszczególnych czujników, zbliżającą się do wartości temperatury powietrza zewnętrznego. Zauważono również silną zależność pomiędzy strumieniem powietrza przepływającego przez klatkę schodową od wpływu wiatru i różnicy temperatury klatka – otoczenie dla poszczególnych cykli pomiarowych. W oparciu o uzyskane wyniki pomiarów przeanalizowano również średnią prędkość w przekroju klapy dymowej dla pojedynczego cyklu otwarcia. Analizie podano kilka niezależnych cykli otwarcia, dla różnych temperatur powietrza zewnętrznego. Każdorazowo zaobserwowano duże turbulencje przepływu, oscylujące wokół średniej wartości strumienia przepływającego powietrza w cyklu otwarcia. Uzyskane w poprzednim kroku krzywe określające chwilowy strumień przepływającego powietrza dla różnych cykli otwarcia nałożono na siebie wykorzystując metodę uśredniania tzw. prostej średniej kroczącej. Określona w ten sposób krzywa pozwoliła zauważyć w analizowanych wynikach pomiaru powtarzające się, chwilowe wahania strumienia objętości powietrza, z charakterystycznym wyniesieniem (lokalnym, skokowym wzrostem strumienia objętości przepływającego powietrza) uzyskiwanym przez system w początkowej fazie po uruchomieniu się systemu oddymiania. Uzyskane wyniki badań doświadczanych pozwoliły zauważyć, że czas rozruchu systemu oddymiania grawitacyjnego jest determinowany przez czas otwarcia wolniejszego elementu spośród klapy dymowej i otworu kompensacyjnego. Dla analizowanego przypadku elementem determinującym pracę systemu z maksymalnym strumieniem objętości przepływającego powietrza było otwarcie drzwi zewnętrznych. Analiza wyników pomiarów pozwoliła na określenie, indywidulanych dla analizowanej klatki schodowej, stałych eksperymentalnych umożlwiającej oszacowanie strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę wywołanego różnicą temperatur klatka – otoczenia, oraz niezależnie wywołanego wpływem wiatru. Rozdział 10 przedstawia wyniki symulacji numerycznych wykonanych w programie FDS, na modelu klatki schodowej, w której realizowane były badania doświadczalne. Analizie został poddany rozkład temperatur oraz prędkość przepływu powietrza w przestrzeni klatki schodowej. Uzyskano zadowalającą zgodność uzyskanych wyników, co potwierdza możliwość wykorzystywanie programu FDS do oceny skuteczności działania systemu oddymiania grawitacyjnego w ciągu roku na etapie projektowania. Rozdział 11 zawiera analizę porównawczą uzyskanych wyników w oparciu o równania aproksymacyjne, badania eksperymentalne oraz symulację CFD, obejmującą m.in. porównanie charakteru strumienia objętości powietrza przepływającego przez klapę dymową w cyklu otwarcia. Zarówno w badaniach eksperymentalnych jak i wynikach symulacji numerycznych obserwuje się charakterystyczne wyniesienie (zwiększenie strumienia objętości powietrza w początkowej fazie względem średniego strumienia powietrza w cyklu otwarcia) po uruchomianiu systemu oddymiania grawitacyjnego. Porównanie strumieni objętości powietrza przepływającego przez klatkę, wyznaczonych w oparciu o równania aproksymacyjne, badania eksperymentalne i symulacje CFD wykazują zadowalającą zbieżność pomiędzy uzyskanymi wartościami, pozwalając na oszacowanie chwilowego strumienia objętości przepływającego powietrza w zależności od temperatury powietrza zewnętrznego. Uzyskane w ten sposób wyniki posłużyły do przedstawienia procedury umożliwiającej oszacowanie przewidywanego okresu czasu w ciągu roku, w którym system oddymiania grawitacyjnego ma szansę działać w sposób efektywny tzn. spełniając założone (przyjęte poprzez analogię do kryteriów wymiarowania systemów oddymiających opisanych w Normie Brytyjskiej [1]). Dla analizowanej geometrii klatki schodowej, efektywny czas pracy systemu szacuje się na 67-80% w ciągu roku. Przedstawiony algorytm, przyjęcia minimalnej oczekiwanej wartości strumienia objętości przepływającego powietrza po uruchomieniu systemu oddymiania grawitacyjnego, pozwala na analizę czasu pracy systemu z inną, określoną wg indywidualnych kryteriów wartością tego strumienia. W rozdziale 12 przedstawiono algorytm umożliwiający oszacowanie strumienia objętości przepływającego powietrza oraz przedziału czasu w ciągu roku, gdy system oddymiania grawitacyjnego działa z założoną, projektowaną wartością tego strumienia. Proponowana procedura obliczeniowa umożliwia określenie strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową po uruchomieniu systemu oddymiania oraz czasu pracy systemu z założoną, projektowaną wartością strumienia przepływającego powietrza, dla dowolnej geometrii klatki schodowej, zlokalizowanej w dowolnym miejscu na świecie dla którego znany jest rozkład temperatur powietrza zewnętrznego w ciągu roku. Na jej podstawie możliwe jest również indywidulane określenie indywidualnych wymagań projektowych w zależności od oczekiwań projektanta systemu. Rozdział 13 stanowi podsumowanie i wnioski płynące z przedstawionej rozprawy doktorskiej oraz najważniejsze osiągnięcia naukowe autorki. Przeprowadzone badania pozwoliły na potwierdzenie tezy pracy o występowaniu okresów czasu w ciągu roku, gdy system odymiania grawitacyjnego nie działa zgodnie z założeniami projektowymi oraz na opracowanie prostego modelu matematycznego do oszacowania strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową po uruchomieniu systemu oddymiania grawitacyjnego. Ponadto, autorka sformułowała zależności matematyczne umożliwiające wyznaczenie szacunkowej wartości strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową oraz przedstawiła procedurę umożliwiającą oszacowanie czasu w ciągu roku, w którym system oddymiania grawitacyjnego zapewnia przepływ powietrza odpowiadający wartości projektowej. Rozdział 14 przedstawia proponowany kierunek dalszych działań, mających na celu uogólnienie proponowanych zależności matematycznych umożliwiających wyznaczenie strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową po uruchomieniu systemu oddymiania. Opisana w pracy metoda szacowania strumienia objętości powietrza przepływającego przez klatkę schodową daje szansę na udoskonalenie stosowanych obecnie metod obliczeniowych elementów składowych systemu oddymiania grawitacyjnego i może być wykorzystana do opracowania kolejnych wersji standardów projektowych w tym zakresie [Streszczenie Autora]
Sygnatura RD-14
Bibliografia, wykaz norm i aktów prawnych na stronach 121-125.
Keywords: Rozprawa doktorska; Województwo mazowieckie; Oddymianie; Warunki atmosferyczne; Pożary wewnętrzne