Wpływ nieszczelności budowlanych pionowych dróg ewakuacyjnych na pracę systemów różnicowania ciśnień [rozprawa doktorska] - Szkoła Główna Służby Pożarniczej (1982-2023).; Fryda, Marcin; Brzezińska, Dorota (Warszawa Szkoła Główna Służby Pożarniczej, 2023)
W pracy zatytułowanej „Wpływ nieszczelności budowlanych pionowych dróg ewakuacyjnych w budynkach na pracę systemów różnicowania ciśnień” autor przedstawił oddziaływanie nieszczelności obudowy klatki schodowej na stabilność regulacji wytworzonego w niej nadciśnienia. Przeprowadzone w roku 2019 wstępne badania laboratoryjne pozwoliły autorowi wysunąć tezę, iż zbyt szczelna obudowa klatki schodowej w znaczny sposób utrudnia regulację różnicy ciśnień na pionowych drogach ewakuacyjnych, a wprowadzenie dodatkowego rozszczelnienia, zlokalizowanego w drzwiach prowadzących z klatki na zewnątrz budynku, stwarza znaczną poprawę funkcjonowania systemów różnicowania ciśnienia w zakresie czasów odpowiedzi regulatora na zmieniające się warunki, jak również pod kątem stabilności różnicy ciśnień w warunkach wszystkich drzwi zamkniętych. Przedstawiona teza znalazła potwierdzenie w opublikowanych w 2021 roku wynikach badań przeprowadzonych w obiekcie rzeczywistym. Dodatkowym efektem przeprowadzonych przez autora doświadczeń było stworzenie urządzenia wspomagającego zwiększenie nieszczelności w obudowie klatki schodowej, nie powodującego jednocześnie konieczności zwiększenia wydajności wentylatora napowietrzającego. Przedstawione rozwiązanie objęte zostało dwoma wnioskami patentowymi, które zostały zarejestrowane pod numerami P.437150 oraz P.437151. Rozdział 1 opisuje genezę tematu oraz cel i zakres pracy. Zwiększone wymagania dotyczące czasów reakcji systemów różnicowania ciśnienia, wynikające z opublikowanych w październiku 2022 roku norm EN12101-6:2022-9 oraz EN12101-13:2022-9, a wcześniej występujących jako projekt norm, były podstawą do podjęcia badań nad wpływem szczelności obudowy na stabilność i dynamikę zmian wytworzonego na klatce schodowej nadciśnienia. Dodatkową motywacją do przeprowadzenia testów związanych ze szczelnością obudowy klatki schodowej były doświadczenia zebrane przez autora podczas pracy zawodowej, wskazujące, iż na klatkach schodowych o minimalnej powierzchni przecieku, występują problemy związane z utrzymaniem wymaganej różnicy ciśnień oraz szybkością dostosowania pracy systemu napowietrzania do zmieniających się podczas ewakuacji warunków na klatce schodowej, związanych z otwieraniem i zamykaniem drzwi. W efekcie, na chronionej drodze ewakuacji, powstają wysokie piki ciśnienia, uniemożliwiające swobodne otwarcie drzwi do klatki schodowej. Przeprowadzone przez autora badania laboratoryjne stały się podstawą do sformułowania przytoczonej na wstępie tezy, wyznaczając jednocześnie cel rozprawy doktorskiej. Rozdział 2 zawiera analizę dotyczącą rozprzestrzeniania się dymu w budynkach wielokondygnacyjnych oraz jego wpływu na bezpieczeństwo człowieka podczas ewakuacji. Oddziaływanie dymu na organizm ludzki w dużej mierze zależy jest od czasu ekspozycji człowieka na działanie toksycznych gazów. Dodatkowo, ewakuacja z budynku w warunkach zadymienia powoduje utratę orientacji, wydłużając tym samym czas ucieczki z płonącego budynku. Rozdział 3 stanowi przegląd literatury dotyczącej systemów różnicowania ciśnień na pionowych drogach ewakuacji. Przedstawiono tu aktualny stan wiedzy w zakresie systemów zabezpieczenia klatek schodowych oraz historyczne testy i badania układów nadciśnieniowych, jak również wskazano czynniki wpływające na prawidłową pracę systemów różnicowania ciśnień. Rozdział 4 podejmuje analizę przepisów krajowych dotyczących pionowych dróg ewakuacyjnych, wynikających z Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 7 czerwca 2019 (Dz.U. 2019 poz. 1065) w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Przedstawione zostały także wymagania techniczne dotyczące zestawów różnicowania ciśnień ujęte w normie PN-EN 12101 – 6: 2007 „Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła - Część 6: Wymagania techniczne dotyczące systemów ciśnieniowych - Zestawy urządzeń”, na podstawie której, zaprojektowane zostało większość instniejących na rynku polskim systemów różnicowania ciśnień. Jako podsumowanie rodziału opisano kierunek zmian kryteriów, jakim powinny sprostać zestawy nadciśnieniowe na podstawie obowiązujących od pażdziernika 2022 roku norm PN-EN 12101-6:2022-09 “Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła - Część 6: Wymagania techniczne dotyczące systemów różnicowania ciśnień - Zestawy urządzeń” oraż PN-EN 12101-13:2022-9 “Systemy kontroli rozprzestrzeniania dymu i ciepła - Część 13: Systemy różnicowania ciśnień (SRC) - Projektowanie i metody obliczeniowe, instalowanie, badania okresowe i konserwacja”. Rozdział 5 zawiera przegląd istniejących rozwiązań technicznych systemów różnicowania ciśnień na pionowych drogach ewakuacyjnych. Na podstawie Europejskiego Biuletynu Patentowego przedstawione zostały istniejące na rynku zestawy nadciśnieniowe służące do ochrony klatek schodowych przed zadymieniem. Rozdział 6 analizuje parametry techniczne istniejących rozwiązań w kontekście wymagań obowiązujących standardów. Głównymi czynnikami wpływającymi na zapewnienie bezpiecznych warunków środowiskowych na klatkach schodowych podczas ewakuacji są stabilność ciśnienia oraz szybkość reakcji systemu napowietrzania na dynamiczne zmiany szczelności związane z otwieraniem i zamykaniem drzwi w obrębie klatki schodowej podczas ewakuacji. Dalsza część rozdziału przedstawia analizę numeryczną przepływu powietrza przez otwarte drzwi oraz nadciśnienia wymaganego na klatce schodowej dla budynków klas A, B, C. Na podstawie przeprowadzonej oceny stwierdzono, że rozszczelnienie klatki schodowej w obrysie drzwi końcowych powoduje zmniejszenie różnic wymaganych objętości strumieni powietrza nawiewanego do klatki dla różnych kryteriów różnicy ciśnień i przepływu przez otwarte drzwi, co w praktyce, powinno przełożyć się na pracę wentylatora napowietrzającego w węższym zakresie wydajności oraz ustabilizować regulację ciśnienia. Jako zakończenie rozdziału została przedstawiona analiza Warunków Technicznych wynikających z dyrektyw energetycznych Unii Europejskiej (Energy Performance of Buildings Directive). Wskazano, że zarówno budynki nowobudowane, jak również budynki remontowane, będą charakteryzowały się w coraz większą szczelnością obudowy, co może dodatkowo potęgować negatyw wpływ na poprawną pracę systemów różnicowania ciśnień. Wskazane jest zatem poszukiwanie rozwiązań technicznych poprawiających stabilną i dynamiczną pracę zestawów ciśnieniowych. Rozdział 7 opisuje stanowisko laboratoryjne przygotowane do testów wpływu nieszczelności obudowy klatki schodowej na pracę systemów różnicowania ciśnień. W rozdziale tym przedsatwione zostały metody doboru jednostek napowietrzających, elementów pomiarowych, elementów symulujących otwarcie i zamknięcie drzwi w obrębie pionowej drogi ewakuacyjnej, elementów umożliwiających rozszczelnienie klatki schodowej , a także stację zbierania danych wraz z opisem kalibracji i walidacji punktów pomiarowych. Rozdział 8 przedstawia z kolei przebieg oraz wyniki badań przeprowadzonych w laboratorium, podczas których wykonano cztery TESTY dla trzech różnych powierzchni nieszczelności (minimalnej, średniej i dużej) obudowy klatki schodowej: - TEST 1 – polegający na wytworzeniu nadciśnienia na klatce schodowej za pomocą wentylatora napowietrzającego o stałym wydatku, przy jednocześnie załączonym wentylatorze wyciągowym, - TEST 2 – polegający na wytworzeniu nadciśnienia na klatce schodowej za pomocą wentylatora napowietrzającego o stałym wydatku i wyłączonym wentylatorze wyciągowym, - TEST 3 – polegający na wytworzeniu nadciśnienia na klatce schodowej za pomocą wentylatora napowietrzającego o zmiennym strumieniu nawiewanego powietrza oraz załączonym wentylatorze wyciągowym, - TEST 4 – polegający na wytworzeniu nadciśnienia na klatce schodowej za pomocą wentylatora napowietrzającego o zmiennym strumieniu nawiewanego powietrza i wyłączonym wentylatorze wyciągowym. Przeprowadzone badania wykazały, iż wprowadzenie dodatkowego przecieku z obudowy pionowej drogi ewakuacyjnej, daje możliwość poprawy działania systemu nadciśnieniowego w obszarach regulacji ciśnienia oraz stabilności różnicy ciśnień pomiędzy klatką schodową, a powierzchnią użytkową. Rozdział 9 zawiera opis stanowiska testowego zrealizowanego w budynku rzeczywistym oraz wyniki przeprowadzonych PRÓB. W ramach testów, w obrysie drzwi końcowych ewakuacyjnych została zamontowana przepustnica wielopłaszczyznowa umożliwiająca zmianę powierzchni przecieków obudowy klatki schodowej. W wyniku rozszczelnienia, układ automatycznej regulacji zmieniał wydajność wentylatora potrzebną do uzyskania wymaganego nadciśnienia 50 Pa. Dla każdej z wydajności prowadzone były pomiary czasów reakcji systemu na otwarcie i zamknięcie drzwi pomiędzy korytarzem, a klatką schodową. Na podstawie wyników przeprowadzonych pomiarów potwierdzona została teza, że wprowadzenie dodatkowego rozszczelnienia obudowy klatki schodowej zlokalizowanego w drzwiach prowadzących na zewnątrz budynku stwarza znaczną poprawę funkcjonowania systemów różnicowania ciśnienia w zakresie czasów odpowiedzi regulatora na zmieniające się warunki, jak również pod kątem stabilności różnicy ciśnień w warunkach wszystkich drzwi zamkniętych. Jednocześnie wprowadzony został współczynnik przecieku LC (Leakage Coefficient), będący wskaźnikiem optymalnego objętościowego strumienia powietrza nawiewanego do klatki schodowej, umożliwiający wyznaczenie optymalnej powierzchni nieszczelności obudowy pionowej drogi ewakuacyjnej Rozdział 10 opisuje rozwiązania zgłoszone jako propozycje patentowe, będące rezultatem przeprowadzonych badań. Na podstawie wykonanych testów opracowana została koncepcja systemu różnicowania ciśnień na klatkach schodowych, wykorzystująca klapę rozszczelniającą, która jest zamontowana w obrysie drzwi końcowych, prowadzących na zewnątrz budnku. Rozwiązanie to objęte zostało dwoma wnioskami patentowymi o numerach: P.437150 ("Klapa do rozszczelnienia obudowy pionowej drogi ewakuacyjnej") oraz P.437151 ("System regulowania ciśnienia na pionowych drogach ewakuacyjnych"). Rozdział 11 stanowi podsumowanie i wnioski płynące z przedstawionej rozprawy doktorskiej. Do najważniejszych osiągnięć autora uzyskanych w ramach przeprowadzonych badań należą: 1. Wykazanie pozytywnego wpływu rozszczelnienia obudowy klatki schodowej na utrzymanie stabilnej wartości wymaganego nadciśnienia na chronionej pionowej drodze ewakuacji oraz skrócenie czasu uzyskania wymaganej wartości nadciśnienia na klatce schodowej podczas ewakuacji. 2. Sformułowanie zależności matematycznej umożliwiającej wyznaczanie teoretycznej wartości strumienia powietrza nawiewanego do klatki schodowej, dla której regulacja ciśnienia powinna być najbardziej efektywna. 3. Wyznaczenie współczynnika wycieku LC (Leakage Coefficient), umożliwiającego określanie optymalnej powierzchni wycieku z klatki schodowej przez drzwi końcowe. 4. Zgłoszenie dwóch wniosków patentowych dotyczących klapy do rozszczelnienia obudowy pionowej drogi ewakuacyjnej oraz systemu regulowania ciśnienia na pionowych drogach ewakuacyjnych, mających wpływ na poprawę bezpieczeństwa ewakuacji na klatkach schodowych. Opisana w pracy metoda wyznaczania optymalnych nieszczelności w obudowie pionowej drogi ewakuacyjnej daje duże możliwości udoskonalenia stosowanych dotychczas rozwiązań systemów różnicowania ciśnień na klatkach schodowych, a także stanowi uzupełnienie istniejących standardów ich projektowania. Przedstawiona rozprawa doktorska składa się łącznie z 11 rozdziałów, zawiera 101 pozycji bibliograficznych, 52 rysunków i 14 tabel. [Streszczenie Autora]
Sygnatura RD-16
Bibliografia, wykaz norm i aktów prawnych na stronach 140-145.
Keywords: Rozprawa doktorska; Pożary budynków; Ewakuacja; Systemy oddymiające