System mechanicznej wentylacji wzdłużnej tuneli drogowych w warunkach pożaru |
Data dodania: 03.09.2015 |
Artykuł stanowi kontynuację publikacji „Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych”, która ukazała się w numerze 5/2015 miesięcznika „Chłodnictwo & Klimatyzacja” [1]. Omówiono tam rodzaje systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych wraz z defi nicją zakresu ich stosowania zawartą w dokumentach normatywnych przykładowych państw europejskich i Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej. Niniejsza publikacja dotyczyć będzie jednego z najczęściej stosowanych systemów wentylacji tuneli drogowych i kolejowych, w tym metra, tj. systemu mechanicznej wentylacji wzdłużnej w warunkach pożaru.
System wentylacji wzdłużnej w warunkach normalnej eksploatacji ma za zadanie obniżenie stężenia zanieczyszczeń gazowych. W warunkach pożaru system wentylacji odpowiedzialny jest za skuteczne odprowadzanie dymu i ciepła gwarantujące możliwość ewakuacji osób znajdujących się w tunelu oraz wspomaganie prowadzenia działań ratowniczo-gaśniczych. Spełnienie tych wymagań uzyskuje się przez zapewnienie właściwego, pod względem prędkości i kierunku, przepływu powietrza w tunelu, wywołanego pracą urządzeń wentylacyjnych.
Zasada działania systemu mechanicznej wentylacji
wzdłużnej tunelu w warunkach pożaru Wyróżnia się dwa rodzaje systemów mechanicznej wentylacji wzdłużnej: system wentylacji wzdłużnej z zastosowaniem wentylatorów strumieniowych (rys. 1.), zainstalowanych najczęściej pod stropem tunelu oraz system wentylacji wzdłużnej typu Saccardo nozzle [2] (rys. 2.).
Rys. 1. Schemat wentylacji wzdłużnej tunelu drogowego z wentylatorami strumieniowymi
Rys. 2. Schemat wentylacji wzdłużnej tunelu drogowego typu Saccardo nozzle
Niezależnie od typu systemu mechanicznej wentylacji wzdłużnej, celem nadrzędnym systemu jest wytworzenie takiej prędkości przepływu powietrza w całym przekroju tunelu, która zapewni przemieszczanie się dymu i ciepła w kierunku jednej z głowic tunelu [3, 4].
Rozprzestrzenianie się dymu i ciepła w tunelu uzależnione jest od wielu czynników, jednak największy wpływ ma prędkość przepływu powietrza – przy prędkości bliskiej bądź równej zeru gorąca mieszanina dymu i powietrza unoszona ku górze porywa chłodne powietrze z przestrzeni otaczającej źródło pożaru. Kształtująca się kolumna konwekcyjna, docierając w bezpośrednie sąsiedztwo stropu tunelu, dzieli się na dwa strumienie przemieszczające się w dwóch przeciwnych kierunkach wzdłuż stropu (rys. 3.).
Rys. 3. Przepływ mieszaniny dymu i powietrza w tunelu o prędkości przepływu powietrza bliskiej zeru
Zasięg tych strumieni uzależniony jest m.in. od mocy pożaru oraz intensywności mieszania się dymu i gorących gazów pożarowych z napływającym chłodnym powietrzem. Wyraźny jest rozdział warstwy dymu od chłodnego powietrza. W procesie mieszania się strumienie podstropowe zwiększają swoją objętość przy jednocześnie zmniejszającej się różnicy temperatury. W obszarze, w którym nie występuje różnica temperatury, chłodny już dym przemieszcza się w kierunku jezdni.
Wraz z pojawieniem się w tunelu ruchu powietrza z prędkością bliską bądź większą od 1,0 m/s osiowo-symetryczny charakter kolumny konwekcyjnej zostaje zaburzony. Część dymu przemieszcza się w kierunku zgodnym z kierunkiem przepływu powietrza w tunelu, zaś pozostała w kierunku przeciwnym. Zjawisko cofania się warstwy dymu w odniesieniu do założonego kierunku przepływu powietrza w tunelu w literaturze obcojęzycznej nosi nazwę backlayering (rys. 4.). Występowanie zjawiska przepływu dymu w kierunku przeciwnym do założonego w tunelach jest niepożądane i niekorzystne ze względu na wskazany kierunek ewakuacji ludzi (przeciwny do kierunku przepływu dymu) oraz sposób prowadzenia działań ratowniczo- gaśniczych.
Rys. 4. Przepływ mieszaniny dymu i powietrza w tunelu o prędkości przepływu powietrza bliskiej bądź większej od 1,0 m/s – zjawisko cofania się warstwy dymu
Wzrost prędkości przepływu powierza w przekroju tunelu powoduje zmniejszenie zasięgu strumienia dymu płynącego w przeciwnym kierunku, aż do całkowitego wyeliminowania (rys. 5.). Prędkość przepływu powietrza w tunelu, przy której zjawisko to nie występuje, określa się mianem prędkości krytycznej (vcr).
Rys. 5.Przepływ mieszaniny dymu i powietrza w tunelu o prędkości przepływu powietrza równej prędkości krytycznej
Najczęściej stosowaną zależnością matematyczną do wyznaczenia wartości prędkości krytycznej w przekroju tunelu jest układ równań rozwiązywany iteracyjnie, zaproponowany przez Kennedy, Gonzalez i Sanchez [5] w 1996 roku. Jego zmodyfikowaną formę podaje norma NFPA 502 [9] w następującej formie:
gdzie: vcr – prędkość krytyczna powietrza (m/s) w przekroju tunelu w sąsiedztwie źródła pożaru po stronie „nawietrznej” (m/s) Kg – współczynnik korekcyjny uwzględniający nachylenie tunelu (-), g – przyśpieszenie ziemskie (m/s2), H – wysokość tunelu (m), Q – obliczeniowa całkowita moc pożaru (kW), cp – ciepło właściwe powietrza przy stałym ciśnieniu w temperaturze otoczenia (kJ/kgK), ρo – gęstość powietrza w temp. otoczenia (kg/m3), A – pole przekroju porzecznego tunelu w sąsiedztwie źródła pożaru (m2), T – przewidywana temperatura gazów pożarowych (K), ψ – kąt nachylenia tunelu (°), To – temperatura otoczenia (K), Frcr – krytyczna wartość liczby Froude’a przyjmowana na podstawie pracy [6] i równa 4,5 (–).
Ze względu na zasadę działania systemu, która polega na przemieszczaniu dymu z założoną prędkością, a nie przetłaczaniu go, wyznaczona prędkość krytyczna dla projektowanej mocy pożaru służy do obliczenia wymaganej całkowitej siły ciągu wywołanej pracą wentylatorów strumieniowych.
Przewidywana moc pożaru w tunelach drogowych
(...)
Wyznaczenie wymaganej siły ciągu
Siła ciągu
(...)
Strata ciśnienia związana z przepływem powietrza w pustym tunelu
(...)
Straty ciśnienia na wlocie i wylocie z tunelu
(...)
Strata ciśnienia wywołana pojazdami znajdującymi się w tunelu po stronie „nawietrznej”
(...)
Strata ciśnienia powietrza związana z przepływem przez obszar źródła pożaru
(...)
Strata ciśnienia powietrza związana z różnicą wysokości położenia portali tunelu
(...)
Oddziaływanie wiatru
(...)
Całkowita siła ciągu
(...)
Podsumowanie
System mechanicznej wentylacji wzdłużnej stosuje się najczęściej w tunelach drogowych o ruchu jednokierunkowym w danej nawie o długości nieprzekraczającej 3000 m.
W przypadku projektowania systemu wentylacji wzdłużnej z wentylatorami strumieniowymi, dobierając liczbę wentylatorów strumieniowych, należy mieć na uwadze następujące czynniki:
Rys. 6. Model trójwymiarowy terenu otoczenia tunelu wykonany na potrzeby analiz CFD, w celu oceny oddziaływania wiatru na tunel drogowy
Rys. 7. Przewidywany rozkład temperatury powietrza (w zakresie 20÷220ºC i więcej) w przekroju pionowym wzdłuż osi tunelu, przy mocy pożaru Q = 20,00 MW i prędkości referencyjnej uref = 4,00 m/s w odniesieniu do różnych kątów natarcia wiatru
mgr inż. Ewa SZTARBAŁA doradztwo w zakresie projektowania i symulacji systemów wentylacji pożarowej
dr inż. Grzegorz SZTARBAŁA Adiunkt w Katedrze Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej,
LITERATURA: [1] E. SZTARBAŁA, G. SZTARBAŁA: Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych. Chłodnictwo i Klimatyzacja. nr 5/2015. pp. 78–82. 2015. [2] F. TARADA, R. BRANDT: Impulse Ventilation for Tunnels – A State of the Art Review. 13th International Symposium on Aerodynamics and Ventilation of Vehicle Tunnels. New Brunswick. New Jersey. USA. 2009. [3] G. SZTARBAŁA: Oddziaływanie wiatru na przepływ powietrza w tunelu w warunkach pożaru. Warszawa. 2012. [4] G. SZTARBAŁA: Oddziaływanie wiatru na przepływ powietrza w tunelach drogowych wentylowanych naturalnie. Budownictwo i Architektura. nr 12/2013. 2013. [5] W. D. KENNEDY, J. A. GONZALES, J. G. SANCHEZ: Deriviation and application of the SES critical velocity equations. ASHREA Trans: Research. nr 102(2). 40-4. 1996. [6] C. LEE, R. CHAIKEN, J. SINGER: Interaction between duct fi res and ventilation fl ow: an experimental study. Combustion Science & Technology. nr 20 (1-2). pp. 59–72. 1979. [7] H. INGASON, A. LONNERMARK: Heat release rates in tunnel fi res: a summary. Handbook of Tunnel Fire Safety. ICE Publishing. 2011. pp. 309–327. [8] World Road Association (PIARC). Road Tunnels: Vehicule Emmisions and Air Demand for Ventilation. Paris, France. PIARC. 2012. [9] NFPA 502 Standard for Road Tunnels, Bridges and Other Limited Access Highways. 2014. [10] RABT. Richtlinien fur die ausstattung und den betrieb von strassentunnelenForschunsgessellschaft fur Strassen- und Verkehrswesen. Cologne. Germany. 1994. |
POLECAMY WYDANIA SPECJALNE
-
Pompy ciepła 2023-2024
-
Pompy ciepła 2021-2022
-
Pompy ciepła 2022-2023
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2021
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2022
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2023
-
Pompy ciepła 2020-2021
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2020
-
Pompy ciepła 2019-2020
-
Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2019