Usporedba sustava odimljavanja podzemnih garaža

USPOREDBA SUSTAVA ODIMLJAVANJA PODZEMNIH

GARAŽA

Željko Špiljar dipl.inž.stroj.

Tehnička podrška- investitor- projektant- izvođač

Odabir sustava- prirodno odimljavanje

UVOD

Željko Špijar - Usporedba sustava odimljavanja podzemnih garaža

- prirodno odimljavanje- prisilno (mehaničko) odimljavanje

Troškovi - oprema- izvođenje- održavanje

Sustavi odimljavanja podzemnih garaža

- koriste se za odvođenje dimnih plinova i

topline nastalih požarom

Razlikujemo sustave za odimljavanje:

1. Prirodno odimljavanje1. Prirodno odimljavanjegradijent tlaka potreban za odimljavanje

ostvaren je uzgonom uslijed razlike u gustoći

vrućih dimnih plinova i hladnijeg okolnog zraka

2. Prisilno (mehaničko) odimljavanje

gradijent tlaka potreban za odimljavanje ostvaren je

uporabom ventilatora


Valence, Francuska

Prisilno (mehaničko) odimljavanje

1. vatrootpornim ventilacijskim kanalima

2. mlaznim potisnim ventilatorima (“Jet Thrust Fans”)

3. samo odsisnim ventilatorima


Smanjenje materijalne štete i ljudskih žrtava

- brzo otkrivanje požara

- alarmiranje korisnika

- označavanje i položaj evakuacijskih puteva

Stratifikacija dima


Stratifikacija dima

Sustav odimljavanja podzemne garaže vatrootpornim ventilacijskim kanalima

- ventilacijski kanali od vatrootpornog materijala

- ventilacijski kanali obloženi vatrootpornim materijalom

- najčešće korišten sustav do pojave sustava mlaznim potisnim ventilatorima

- ventilacijski kanali raspoređeni su po prostoru garaže


- ventilacijski kanali raspoređeni su po prostoru garaže- izbacivanje dimnih plinova iz garaže pomoćuventilatora

- dimni plinovi se odsisavaju pomoću rešetki ugrađenihdirektno na kanal

- u gornjoj zoni odsisavanje plinova lakših od zraka- u donjoj zoni odsisavanje plinova težih od zraka- ubacivanje svježeg zraka preko ulazno-izlaznih rampite okana za dobavu svježeg zraka

Prednosti sustava vatrootpornim ventilacijskim kanalima

- primjenjiv za sve oblike arhitektonskih izvedbi podzemnih garaža

Nedostaci sustava vatrootpornim ventilacijskim kanalima


Nedostaci sustava vatrootpornim ventilacijskim kanalima

- ventilacijski kanali velikih dimenzija- prilagodba ostalim instalacijama

Sustav odimljavanja podzemne garaže mlaznim potisnim ventilatorima

- ovaj sustav koristi potisnu silu koju ostvaraju mlazni potisni ventilatori smješteni na stropu podzemne garaže

- dimni plinovi razvijeni požarom usmjeravaju prema mjestima ugradnje glavnih odsisnih ventilatora koji izbacuju dimne plinove izvan podzemne garaže

- vrlo rijetko koriste se ventilatori za dobavu svježeg zraka koji ubacuju zrak u podzemnu garažu


Određivanje potrebnog broja i položaja mlaznih potisnih ventilatora: - iskustveno - ovisi o : - površini podzemne garaže

- arhitekturi podzemne garaže - pregradni zidovi- položaj stubišta- dodatni prostori unutar podzemne garaže- položaj okana za dobavu i odsis dimnih plinova

Prednosti sustava mlaznim potisnim ventilatorima

- zauzimaju malo prostora- ne narušavaju svjetlu visinu garaže- ne ometaju vozne puteve - olakšana uskladba s ostalim instalacijama u garaži

Nedostaci sustava mlaznim potisnim ventilatorima

- nije primjenjiv za sve arhitektonske izvedbe garaža


- s pregradama - sa zidovima - sa zatvorenim pojedinačnim garažama

- raspored mlaznih potisnih ventilatora potrebno je uskladiti s pozicijama sprinkler mlaznica kako ne bi došlo do opstrukcijevodenog mlaza iz mlaznice

Model računalne dinamike fluida

- najsofisticiraniji i najslikovitiji prikaz načina rada i učinkovitosti sustava odimljavanjaje pomoću modela računalne dinamike fluida

(CFD analiza – Computational Fluid Dynamics analysis)

- numerička analiza između ostalog pokazuje:- učinkovitost sustava- omogućuje optimizaciju broja mlaznih potisnih ventilatora - položaj mlaznih potisnih ventilatora u prostoru - smjer prijenosa momenta količine gibanja


- smanjenje zona nepokretnog zraka („mrtvih zona“)- kretanje dima - postignute temperature na konstrukciji građevine

CFD analiza

- skupa- omogućuje smanjenje troškova ostalih aktivnih i pasivnih sustava zaštite od požara - optimizaciju sustava ventilacije- zasniva se na algoritmima aproksimacije rješenja Reynolds-Averaged Navier-Stokes

jednadžbi (RANSE) na diskretnim kontrolnim volumenima- parcijalnim nelinearnim diferencijalnim jednadžbama kojima se opisuje strujanje fluida- diskretizacijom domene i određenim pretpostavkama u vezi sa strujanjem

diferencijalne jednadžbe se prevode u skup rješivih algebarskih jednadžbi


- matematički model domene strujanja sastavljen je od diskretnih volumena definiranih sa četiri plohe, šest ili više ploha

- volumen garaže dijeli se na određen broj diskretnihvolumena

- broj diskretnih volumena ovisi i veličini (volumenu) garaže imemoriji računala

- što je veći broj diskretnih volumena veća je točnost analize


- što je veći broj diskretnih volumena veća je točnost analizeali vrijeme trajanje analize se produljuje

- oko ventilatora kod sustava odimljavanja mlaznim potisnimventilatorima ili oko odsisnih rešetki kod sustavaodimljavanja vatrootpornim ventilacijskim kanalima tegrađevinskih elemenata (greda, zidova, nosača) obično sepostavlja gušća mreža kako bi rezultati bili što kvalitetniji

- određuju se rubni uvjeti, položaj mlaznih potisnih i odsisnih ventilatora ili položajodsisnih rešetki, položaj vatrootpornih ventilacijskih kanala, položaj okana za dobavusvježeg zraka, arhitektonski elementi

- polje strujanja fluida određuje se iterativnim postupkom i proračun je završen kada suzadovoljeni određeni uvjeti konvergencije

- ovisno o zahtjevima prikazuju se rezultati promatranih vrijednosti:- područja rasporeda brzina,- koncentracija ugljičnog monoksida - kretanje dimnih plinova


- kretanje dimnih plinova - prikaz rada mlaznih potisnih ventilatora- temperatura

Usporedba učinkovitosti sustava odimljavanja podzemnih garaža

- na primjeru istovjetne garaže, numeričkom analizomnapravljena je usporedba učinkovitosti odimljavanja sustava vatrootpornim ventilacijskim kanalima sa sustavom mlaznim potisnim ventilatorima

- istovjetni početni uvjeti:

- snaga požara


- mjesto na kojem je nastao požar

- aktivacija sprinkler sustava

- trajanje požara

Geometrija i značajke podzemne parkirne garaže

Red.

brojNaziv Simbol Iznos Jed.

1. Duljina garaže Lgaraže 87,40 m2. Širina garaže Bgaraže 91,40 m3. Visina etaže garaže hgaraže 2,90 m

4. Površina etaže garaže Agaraže 8.438,63 m2

5. Volumen etaže garaže V 12.819,60 m3


5. Volumen etaže garaže Vgaraže 12.819,60 m3

Red.broj NazivPovršina

oknaJed.

1. Građevinsko okno A 44,149 m2

2. Građevinsko okno B 18,090 m2

3. Građevinsko okno C 73,435 m2

Metodologija

- izrada geometrije modela etaže

- adekvatna prilagodba modela za potrebenumeričke simulacije te izrada domeneproračuna

- definiranje ulaznih podataka (rubni i početniuvjeti) potrebnih za pokretanje iterativnogpostupka rješenja osnovnih jednadžbi


postupka rješenja osnovnih jednadžbi

- izvođenje numeričke simulacije rješavanjemosnovnih jednadžbi odabranih fizikalnihprocesa

- obrada, analiza i potvrda numeričkih rezultata

Osnovne značajke diskretnih kontrolnih volumena

- sustav mlaznim potisnim ventilatorima

- minimalni volumen diskretnih kontrolnih volumena: 4,1451 10-6 m3

- maksimalni volumen diskretnih kontrolnih volumena: 1,6254 10-2 m3

- minimalna površina plohe: 1,8865 10-4 m2

- maksimalna površina plohe: 1,4346 10-1 m2


- sustav vatrootpornim ventilacijskim kanalima

- minimalni volumen diskretnih kontrolnih volumena: 8,6066 10-7 m3

- maksimalni volumen diskretnih kontrolnih volumena: 2,7989 10-2 m3

- minimalna površina plohe: 1,3853 10-4 m2

- maksimalna površina plohe: 1,5304 10-1 m2

Model požara i rasprostiranja dimnih plinova i lokacija požara

LIF

T 2

LIF

T 1

Z

AJE

DN

IČK

E P

R.

ST

UB

IŠT

E 1

1 3

9x3010x16,5

100

150


- proces izgaranja ovisi o - vrsti tvari zahvaćene požarom- lokalnim uvjetima pri kojima se odvija

- izgaranje predstavlja kompleksan proces oksidacije goriva uz oslobađanje značajne količine topline i svjetlosti koji nije moguće numerički modelirati na domeni dimenzija i složenosti prikazane etaže podzemne garaže

- požar je opisan metodom izvora topline i mase produkata izgaranja koju nazivamo volumetrijskim modelom izgaranja


koju nazivamo volumetrijskim modelom izgaranja

- navedenim modelom požar je matematički formuliran vremenski promjenjivim funkcijama izvora topline i mase dimnih plinova koje stvaraju ravnomjernu distribuciju navedenih skalara u dijelu prostora domene proračuna

- odabranim modelom dimni se plinovi modeliraju kao ISO infinitezimalne površine koncentracija pojedinih produkata izgaranja, koje se, u slučaju nepotpunog izgaranja goriva,sastoje od CO2 i CO

1. Razvoj požara Q(t) = α t2(W) za 0 < t < tg (s)

2. Izgaranje najvećom snagom Q(t) = Qmax (W) za tg < t < td (s)

3. Gašenje požara Q(t) = Qmax e-β(t-td) (W) za td < t (s)

Q – količina oslobođene toplineQmax – najveća oslobođena toplinska snaga (potpuno razvijeni požar)t – vrijemetg –vremenski trenutak prestanka razvoja požaratd –vremenski trenutak početka gašenja požaraα –koeficijent razvoja požaraβ – koeficijent gašenja požara


β – koeficijent gašenja požara

- stehiometrijskim odnosom izgaranja odabranog goriva, određeni su parametri produkcije dimnih plinova kao funkcije vremena

- korištena je opća jednadžba izgaranja odabranog ugljikovodika (goriva) prikazana sljedećim izrazom:

1,11 C6,3H7,1NO2,1+ 7,456 O2 + 28,05 N2->6,3 CO2 + 0,70 CO + 13,94 H2O + 28,05 N2

gdje je gorivo PUR (polyurethane)

- to gorivo je odabrano pretpostavkom kako je veća vjerojatnost da dođe do zapaljenja unutar kabine vozila (primjerice zbog odbačenog opuška na sjedalu


zapaljenja unutar kabine vozila (primjerice zbog odbačenog opuška na sjedalu automobila) nego spremnika goriva

- modelirano je nepotpuno izgaranje s pretpostavkom 90% efikasnosti (pretvorbe C u CO2), kojim je opisan požar s velikom produkcijom dimnih plinova i ugljičnog monoksida

- entalpija nepotpunog izgaranja iznosi 25,0987 MJ/kg, dok je molekularna masa mješavine CO2 i CO 42,40 kg/kmol

Opis požarnog scenarija

- ukupno vrijeme analize iznosi 8 minuta

- požarni scenarij definiran je prema sljedećim zahtjevima:- u trenutku postizanja temperature od 345,15K na unaprijed određenim pozicijama oko mjesta nastankapožara, započinje njegovo gašenje automatskim sustavom raspršivanja vode (Sprinkler sustav)

- 240 sekundi nakon aktiviranja automatskog sustava gašenja požara (period evakuacije), započinje s radom mehanički sustav izmjene i transporta zraka

- temperaturni osjetnici postavljeni su na visini 2,7 m iznad poda etaže


- temperatura od 345,15K postignuta je na poziciji Temp-4 u 63 sekundi simulacije

- s obzirom da u tom trenutku započinje s radom automatski sustav gašenja požara raspršivanjemvode, požar ne postiže definirane parametre u pogledu najvećeg toplinskog intenziteta i trajanjaincidenta

- stoga su usvojeni novi parametri volumetrijskog modela požara kojim su uzeti u obzir efektidjelovanja automatskog sustava gašenja požara raspršivanjem vode


Tijek izvođenja simulacije

- osnovne postavke proračuna polja temperatura i brzina strujanja:

Prostorna diskretizacija: 3DVremenska shema simulacije: nestacionarnaPrijenos tvari: mješavina dvije komponentePrirodna konvekcija: full buoyancy effects

(strujanje izazvano gradijentom gustoće)Termička kondukcija: mass weighted mixing law

(funkcija koncentracije komponenata u mješavini)Vrsta strujanja: viskozno, turbulentno


Vrsta strujanja: viskozno, turbulentnoModel turbulencije: κ-e RNG, Standard Wall FunctionsFormulacija gustoće Nestlačivi idealni fluid

- kod strujanja kombiniranih s prijenosom topline, značajke fluida, posebno gustoće, funkcije su temperature

- gradijent gustoće uzrokovan prijenosom topline izaziva strujanje uslijed razlike uzgona- formulacija gustoće pomoću modela nestlačivog idealnog plina preporuča se u onimslučajevima kada je promjena tlaka tijekom proračuna mala te ne utječe na stlačivostmedija

- ovim modelom uzima se u obzir promjena gustoće plina uslijed promjene temperature- termalna kondukcija produkta izgaranja, definirana mješavinom dvaju plinova definirana je u ovisnosti o koncentraciji pojedinih komponenta

- iznosi skalarnih varijabli (temperatura, tlakova, brzina strujanja, prijenosa tvari, itd.) usvakom vremenskom koraku, trajanja 0,25 sekundi, određeni su iterativnim postupkom

- tijekom navedenog vremenskog koraka izvedeno je 10 iteracija- kriteriji konvergencije bili su reziduali skalarnih varijabli proračuna, te razlika masenog


- kriteriji konvergencije bili su reziduali skalarnih varijabli proračuna, te razlika masenogprotoka na ulaznim i izlaznim plohama iz domene proračuna.

- pod rezidualima podrazumijevamo razliku varijabli proračuna u dvjema uzastopnimiteracijama

- promatrani su reziduali mase, komponenata brzina, te produkcije i disipacijeturbulentnekinetičke energije

- kao kriterij konvergencije reziduala navedenih skalarnih varijabli proračuna usvojenaje preporuka o njihovu smanjenju tijekom proračuna za tri reda veličine (10-3)

- pored reziduala skalarnih varijabli promatrana je i razlika masenog protoka izmeđuulaznih i izlaznih ploha iz domene proračuna nakon završetka izgaranja požara

- kao kriterij konvergencije razlike masenog protoka usvojena je vrijednost od 0,2%ukupnog masenog protoka

- s obzirom na usvojeni požarni scenarij, tijek izvođenja numeričke simulacije oslobađanja topline izgaranjemgoriva i propagacije nastalih dimnih plinova moguće je podjeliti na tri vremenski različite faze:

- period razvoja požara bez djelovanja automatskog sustava gašenja raspršivanjem vode (od 0 do 63 sekunde simulacije)

- gašenje požara uslijed djelovanja automatskog sustava gašenja raspršivanjem vode (od 64 do 303 sekunde proračuna)

- period djelovanja mehaničkog sustava izmjene i transporta zraka pokrenutog sa svrhomodimljavanja prostora etaže (od 304 do 480 sekunde simulacije)

- prva faza simulacije karakteristična je po intenzivnom oslobađanju topline tedisperziji dimnih plinova uslijed mehanizma prirodne konvekcije

- u drugoj fazi simulacije nastavljena je produkcija i progagacija dimnih plinova mehanizmom prirodne konvekcije, nonešto slabijim intenzitetom u skladu s postavkama volumetrijskog modela izvora topline i mase


nešto slabijim intenzitetom u skladu s postavkama volumetrijskog modela izvora topline i mase

- u trećoj fazi simulacije dolazi do povećanja brzine strujanja zraka unutar domene proračuna uslijed početka djelovanjamehaničkog sustava izmjene i transporta zraka. Transportni ventilatori od početka djelovanja pa do kraja simulacije radenajvećom snagom. U ovoj fazi proračuna dolazi do intenzivne evakuacije dimnih plinova iz domene proračuna.

Značajke ventilacijskog sustava etaže podzemne parkirne garaže


Rezultati numeričke simulacije

- analiza propagacije i ekstrakcije dimas lijeve strane prikazan je sustav odimljavanja vatrootpornim ventilacijskim kanalimaa s desne strane sustav mlaznim potisnim ventilatorima


t= 20 s

t = 60 s (aktiviranje spinkler instalacije, 63. sekunda)

t= 120 s


t= 180 s

t= 240 s

t= 300 s


t = 310 s (početak odimljavanja – 304. sekunda)

t= 320 s


t = 330 s

t = 340 s

t = 350 s


t = 360 s

t = 370 s

t = 380 s


t = 390 s

t = 400 s

t = 410 s


t = 420 s

t = 430 s

t = 440 s


t = 450 s

t = 460 s

t = 470 s


t = 480 s

- propagacija dima identična u oba slučaja su a sve postavke istovjetne u oba slučaja, osimkontrolnih volumena

Područja nepokretnog zraka

z=0,5 m


z=1,0 m

z=1,5 m


z=2,0 m

z=2,5 m

Procjena investicije pojedinih sustava

- bez obzira da li je neki sustav učinkovitiji, vrlo važnu uloguima sagledavanje investicijskih troškova

- obratiti pozornost:

- kako odabir pojedinog sustava utječe na povećanjeili smanjenje troškova ostalih instalacija koje su uskopovezane sa sustavom za odimljavanje, kao što su na


povezane sa sustavom za odimljavanje, kao što su naprimjer elektro instalacije

- na troškove montaže i održavanja svakog sustava krozduže vremensko razdoblje

- na ograničenja svakog pojedinog sustava

Utjecaj odabira tipa ventilatora na cijenu investicije


- razlika u cijeni odsisnih ventilatora ovisi između ostalog o: - razini buke- promjeru - dužini kućišta (kratko ili dugačko)

Utjecaj klase vatrootpornosti ventilatora na cijenu investicije


Osvrt na investicijske troškove vatrootpornih ventilacijskih kanala


Ostali investicijski troškovi

- troškovi - električne energije

- montaže

- uporabe sustava

- održavanja sustava


Osvrt na izradu numeričke analize za odimljavanje podzemnih garaža


ZAKLJUČAK

- postavljanjem oba sustava u istovjetnu podzemnu garažu, razvojem požaraistovjetnih karakteristika (snage požara, smještaja požara, trajanja požara, itd) prikazana jeučinkovitost svakog pojedinog sustava korištenjem računalne numeričke analize

- numeričke analize oba sustava prikazale su istovjetan razvoj požara te je to potvrda kako supostavke numeričke analize kao i rubni uvjeti pretpostavljeni pravilno za oba sustava

- rezultati numeričke analize su pokazali da će sustav mlaznim potisnim ventilatorima bržeizbaciti dimne plinove razvijene požarom od sustava vatootpornim ventilacijskim kanalima

- posebice je ta brzina odimljavanja izraženija u ranijoj fazi odimljavanja


- posebice je ta brzina odimljavanja izraženija u ranijoj fazi odimljavanja

- sustav vatrootpornim ventilacijskim kanalima će uspješno izbaciti dim otprilike 90 sekundinakon sustava mlaznim potisnim ventilatorima, no vrijeme trajanja odimljavanja je u obaslučaju manja od 10 minuta od početka razvoja požara

- površine nepokretnijeg zraka po volumenu podzemne garaže je nepovoljnija na manjimvisinama kod sustava vatrootpornim ventilacijskim kanalima, što je i očekivano budući da surešetke za odsis smještene pod stropom


Documents

Usporedba sustava odimljavanja podzemnih garaža