Czy wiatr może "zepsuć" oddymianie – wnioski z analizy CFD

WSTĘP

Systemy oddymiania klatek schodowych projektuje się najczęściej w oparciu o wymagania normowe określające m.in. minimalne powierzchnie otworów, ich lokalizację oraz relacje pomiędzy napowietrzaniem a oddymianiem. Przy spełnieniu tych kryteriów zakłada się poprawne działanie instalacji.

W praktyce jednak rzeczywiste warunki pracy systemu mogą odbiegać od założeń projektowych. Jednym z kluczowych, a często niedoszacowanych czynników jest oddziaływanie wiatru.

W niniejszym wpisie przedstawiono analizę numeryczną (CFD), której celem jest ocena wpływu wiatru na kierunek przepływu dymu w klatce schodowej wyposażonej w ścienne urządzenie oddymiające.

ZAŁOŻENIA MODELU

W celu przedstawienia omawianego problemu w ujęciu praktycznym, zbudowano model typowej klatki schodowej w budynku o 5 kondygnacjach nadziemnych.

Instalację wentylacji oddymiającej w modelu zaprojektowano zgodnie z „Wytycznymi VdS 2221:2001-08 (01) Urządzenia do oddymiania klatek schodowych. Projektowanie i instalowanie”. [1]

Powierzchnia obliczeniowa klatki schodowej AKS wynosi 15,39 m2

Otwory w ścianie powinny mieć geometrycznie wolną powierzchnię wynoszącą co najmniej 7,5 % podstawy przynależnej klatki schodowej, jednak nie mniej niż 1,50 m2.

Powierzchnia oddymiania = 15,39 m2 x 7,5% = 1,16 m2

Zaprojektowano ścienne urządzenie oddymiające o powierzchni czynnej 1,50 m2.

Dolna krawędź otworów w ścianie powinna być na wysokości co najmniej 0,80 m, a górna na wysokości co najmniej 1,80 m powyżej górnego podestu schodów, co uwzględniono w modelu.

Geometrycznie wolna powierzchnia otworów dolotowych powietrza powinna odpowiadać co najmniej 1,0-krotnej powierzchni otworu wylotowego.

Powierzchnia napowietrzania ≥ powierzchnia oddymiania ≥ 1,50 m2

Kompensacja powietrza realizowana poprzez okno napowietrzające o powierzchni czynnej 1,50 m2.

Na poziomie formalnym układ spełnia wszystkie podstawowe wymagania projektowe dla oddymiania grawitacyjnego.

MODEL CFD

W celu oceny rzeczywistego zachowania układu przeprowadzono dwie symulacje CFD, różniące się wyłącznie warunkami atmosferycznymi. Analiza koncentruje się na wpływie wiatru na kierunek przepływu dymu.

Założenia wspólne:

• Model turbulencji – LES (Large Eddy Simulation),
• Siatka obliczeniowa – 0,1 m (kartezjańska),
• Źródło testowe – HRRPUA = 471 kW/m2, zgodne z „Wytycznymi CNBOP”. [2]

Scenariusze:

• Nr 1 – warunki bezwietrzne,
• Nr 2 – wiatr o prędkości 3 m/s skierowany prostopadle na elewację z oknem oddymiającym.

Powyższa prędkość reprezentuje wartość zbliżoną do średniej rocznej prędkości wiatru, która zgodnie z „Mapą wietrzności Polski” wynosi przeważnie w granicach 3-4 m/s. [3]

Takie podejście pozwala jednoznacznie ocenić wpływ wiatru jako jedynej zmiennej.

ANALIZA WYNIKÓW

Poniżej przedstawiono otrzymane wyniki w zakresie widzialności na płaszczyźnie 2D, kolor czerwony oznacza pełną widoczność (30 m), a kolor granatowy oznacza kompletny brak widoczności (0 m).

SCENARIUSZ 1 – krok czasowy 360 s

SCENARIUSZ 1 – krok czasowy 400 s

SCENARIUSZ 1 – krok czasowy 450 s

Co możemy zaobserwować?

Przy warunkach bezwietrznych:

• unoszenie się dymu zgodnie z mechanizmem wyporu,
• efektywne usuwanie dymu przez otwór oddymiający,
• stopniową poprawę warunków widzialności w przestrzeni klatki schodowej.

Zachowanie układu jest zgodne z założeniami projektowymi dla oddymiania grawitacyjnego. Teraz wprowadźmy do modelu wiatr o prędkości 3 m/s z nawiewem na ścianę, w której znajduje się okno oddymiające.

SCENARIUSZ 2 – krok czasowy 360 s

SCENARIUSZ 2 – krok czasowy 400 s

SCENARIUSZ 2 – krok czasowy 450 s

Przy uwzględnieniu wiatru:

• wzrost ciśnienia na elewacji z otworem oddymiającym,
• powstanie ciągu wstecznego przez okno oddymiające,
• wtłaczanie powietrza do wnętrza klatki schodowej,
• przemieszczenie dymu w dół – w kierunku otworu napowietrzającego.

W efekcie dochodzi do odwrócenia zamierzonego kierunku przepływu, co prowadzi do pogorszenia warunków na drodze ewakuacyjnej.

Z punktu widzenia bezpieczeństwa to sytuacja niedopuszczalna.

Należy podkreślić, że jest to wynik dla konkretnej konfiguracji geometrycznej i kierunku oddziaływania wiatru, jednak mechanizm zjawiska ma charakter uniwersalny.

INTERPRETACJA ZJAWISKA

Oddymianie grawitacyjne działa na zasadzie siły wyporu dzięki różnicy gęstości i ciśnienia – ciepły dym unosi się do góry i jest usuwany przez otwór na zewnątrz.

Oddziaływanie wiatru wprowadza dodatkowy składnik ciśnienia zewnętrznego:

• po stronie nawietrznej następuje wzrost ciśnienia,
• może dojść do zrównoważenia lub przekroczenia siły wyporu
• w skrajnych przypadkach – do odwrócenia kierunku przepływu.

Oznacza to, że skuteczność systemu zależy nie tylko od jego geometrii i spełnienia wymagań normowych, ale również od warunków brzegowych, w jakich pracuje.

KLUCZOWE WNIOSKI

1. „Zgodność z normą” to często za mało – system spełnia wymagania, a mimo to działa nieprawidłowo.

2. Wiatr może być czynnikiem krytycznym – nawet 3 m/s wystarczą żeby odwrócić kierunek przepływu.

3. Ścienne urządzenia oddymiające są wrażliwe na warunki zewnętrzne – bezpośrednia ekspozycja na wiatr zwiększa ryzyko ciągu wstecznego.

4. Realne zagrożenia dla użytkowników – dym trafia dokładnie tam, gdzie nie powinien – na drogę ewakuacyjną.

5. Analiza CFD pokazuje rzeczy, których nie widać w projekcie – bez symulacji ten problem mógłby pozostać niewidoczny.

PODSUMOWANIE

Przedstawiony przypadek pokazuje, że rzeczywiste działanie systemów oddymiania może istotnie odbiegać od założeń przyjętych na etapie projektowania.

Nie oznacza to, że rozwiązania oparte na oddymianiu przez okna są z natury nieskuteczne. Wskazuje jednak, że ich efektywność jest silnie uzależniona od warunków zewnętrznych, w tym oddziaływania wiatru.

Dlatego w procesie projektowym warto uwzględniać nie tylko wymagania formalne, ale również analizę rzeczywistych scenariuszy pracy instalacji.

CHCESZ SPRAWDZIĆ SWÓJ PROJEKT?

Jeśli chcesz sprawdzić, jak Twój system oddymiania zachowa się w warunkach rzeczywistych – analiza CFD pozwala to ocenić jeszcze przed realizacją inwestycji.

Skontaktuj się z nami, aby omówić możliwości analizy Twojego przypadku.

Źródła:

[1] Wytyczne VdS 2221:2001-08 (01) Urządzenia do oddymiania klatek schodowych. Projektowanie i instalowanie.

[2] Wytyczne CNBOP-PIB W-0003:2016 „Systemy oddymiania klatek schodowych” (wyd. II, maj 2019 r.).

[3] Dygulska A., Perlańska E. Akademickie Centrum Czystej Energii: Mapa wietrzności Polski, Projekt Czysta Energia, Ochrona Środowiska III, Słupsk 2015