Wentylacja pożarowa stacji metra Cz. 2. – rozwiązania praktyczne z zastosowaniem CFD
Ocena użytkowników: / 0
SłabyŚwietny 
Data dodania: 03.07.2017

W drugiej części publikacji zostaną przedstawione analizy numeryczne dotyczące wspomnianych wcześniej problemów, omówione czynniki wpływające na ich powstanie oraz zaproponowane rozwiązania. Rozważane będą parametry opisujące pożar, sposób doprowadzenia powietrza kompensacyjnego, scenariusze nieprawidłowego wykrycia pożaru oraz wpływ lokalizacji punktów wyciągu na działanie systemu w obrębie stacji i poza nią. 

 

 

2017 5 58 1

 

 

Przedstawione w niniejszej pracy analizy numeryczne rozprzestrzeniania się dymu i ciepła z wykorzystaniem metody CFD wykonano dla hipotetycznej stacji metra połączonej z siecią tuneli, zbudowaną na wzór istniejących stacji II linii Warszawskiego Metra. Model numeryczny przedstawiony na rysunku 1., stanowił poligon doświadczalny, pozwalając analizować różne konfiguracje działania systemów wentylacji (także takich, których raczej nigdy nie doświadczymy w rzeczywistych obiektach). Przeprowadziliśmy ponad 21 analiz numerycznych (opisanych w dużej mierze w niniejszej pracy) oraz niezliczoną liczbę badań roboczych. Niewątpliwie, dostępność narzędzia numerycznego i możliwość jego wykorzystania, jak również szerokie programy badań w pełnej skali, które prowadziliśmy w ostatnich latach były elementem, który przyczynił się do tego, w jaki sposób postrzegamy systemy wentylacji pożarowej obiektów podziemnych. Jak udowadnia to niniejsza praca, poza oceną skuteczności systemu, analizy numeryczne stanowią doskonałe narzędzie do nauki i poznania zjawisk, z którymi zmagamy się codziennie – zachęcamy każdego projektanta do podobnej „zabawy”.

 

 

Przeprowadzone analizy numeryczne

 

Narzędzia numeryczne wykorzystujące metodę obliczeniowej mechaniki płynów stanowią uznane narzędzie weryfikacji przepływów powietrza w obszarach zamkniętych (takich jak np. stacja metra), przez co nadają się do wstępnej oceny skuteczności działania systemów wentylacji w warunkach pożaru. W niniejszej pracy omawiane są najważniejsze wnioski wynikające z przeprowadzonych analiz, patrząc na nasze badania oczami projektanta, podczas gdy więcej szczegółów technicznych pożarodotyczących prowadzonych badań numerycznych zawarto w recenzowanej publikacji naukowej [5].

 

Podobnie jak w przypadku pierwszej części publikacji, autorzy najwięcej miejsca poświęcają systemom wentylacji wzdłużnej. Istnieją dwa powody takiego stanu rzeczy – przede wszystkim dzięki dogłębnemu procesowi odbioru II linii Metra oraz towarzyszącym mu analizom numerycznym udało się nam poznać i realnie „dotknąć” systemów wzdłużnych i w rzeczywistych warunkach przekonać się o ich skuteczności. Drugim powodem są potencjalne problemy z systemami poprzecznymi w niskich stacjach, w których perony nie są fizycznie wygrodzone od torowisk. Można zaryzykować stwierdzenie, że w typowej stacji metra wykonanie systemu wentylacji poprzecznej, który zapewnia trwałe bezpieczeństwo na poziomie peronu przy mocy pożaru około 15 MW jest niemal nieosiągalne – są to wnioski zbieżne z tym, co w kontekście tuneli drogowych opisał Carvel [6]. Nie wykluczamy możliwości zaprojektowania dobrego systemu wentylacji poprzecznej w obszarze peronów stacji metra, ale jest to zadanie niezwykle trudne i wymagające dużego wysiłku, zarówno projektanta jak i osób prowadzących analizy numeryczne.

 

Aby ocenić skuteczność działania systemu wentylacji wzdłużnej stacji metra przeprowadzono serię obliczeń numerycznych, dla scenariusza pożaru w pociągu zatrzymanym na stacji [5]. Różnice pomiędzy badanymi scenariuszami polegały na zróżnicowaniu mocy pożaru, zmianie lokalizacji punktów wyciągu dymu oraz zróżnicowaniu sposobu doprowadzenia powietrza kompensacyjnego do obszaru stacji, przy zachowaniu niezmiennego wydatku objętościowego usuwanego dymu. Sposób doprowadzenia powietrza, oraz lokalizację punktów wyciągu i nawiewu kompensacyjnego dla poszczególnych scenariuszy przedstawiono w tabeli 1. Fragment modelu numerycznego wykorzystanego w pracy przedstawiono na rysunku 1., a oznaczenia wykorzystane w dalszej części publikacji przedstawiono na rysunku 2.

 

 

 2017 5 59 1

 

 

2017 5 59 2

Rys. 1. Model numeryczny wykorzystanej w niniejszej publikacji stacji metra oraz jej lokalizacja w sieci tuneli

 

 

2017 5 59 3

Rys. 2. Uproszczony schemat modelu numerycznego wykorzystanego w analizie

 

 

W badaniach nie uwzględniono wpływu wiatru, co można traktować jako uproszczenie prowadzonych rozważań. Oddziaływanie wiatru, w szczególności w obszarze portali tuneli, może mieć wpływ na przepływ dymu wewnątrz tunelu. W przypadku systemów metra zlokalizowanych na dużej głębokości, z wieloma miejscami połączenia ze środowiskiem zewnętrznym (wyjścia, portale), oddziaływanie to ma mniejszy wpływ na działanie systemu, niż w przypadku np. tuneli drogowych. Wniosek ten autorzy opierają na obserwacjach, które poczyniono w trakcie prowadzonych prób z gorącym dymem w istniejącym systemie metra. Próby prowadzono przez okres 7 miesięcy, w zróżnicowanych warunkach pogodowych. Oddziaływanie wiatru wpływające na skuteczność działania systemów obserwowano wyłącznie na poziomach galerii handlowych. W obszarze samych stacji, oddziaływanie wiatru nie było odczuwalne, co można przypisać działaniu poziomu galerii jako „wiatrołapu”. Należy zauważyć, że badany tunel z obydwu stron zakończono zamkniętymi komorami, a nie portalami łączącymi ten obszar z powierzchnią. W systemach położonych na niewielkiej głębokości czy częściowo otwartych, niekorzystne oddziaływanie wiatru na przepływ powietrza w tunelu można ograniczyć poprzez właściwy bilans powietrza dostarczanego w sposób mechaniczny i grawitacyjny oraz poprzez uruchomienie systemu wentylacji pożarowej w odległych miejscach sieci (np. na sąsiednich stacjach). Uwzględnieniu wpływu wiatru w analizach numerycznych systemów wentylacji pożarowej poświęcono publikację [7].

 

Całkowitą wydajność systemu wentylacji pożarowej dla badanej stacji metra przyjęto jako 300 m³/s, opierając się na wcześniejszych komercyjnych analizach prowadzonych przez autorów. Określenie wpływu wydajności wyciągu dymu na skuteczność działania systemu wentylacji, czy przeprowadzenie optymalizacji tego wyciągu nie było przedmiotem tej pracy – praktyczne informacje związane z prawidłowym określaniem wydajności dla systemów wentylacji wzdłużnej w obiektach infrastruktury kolejowej można odnaleźć m.in. w [8-10]. Jednocześnie, przedstawione wyniki jednoznacznie wskazują, iż nawet przy tak dużej wydajności, dla błędnie zaprojektowanego doprowadzenia powietrza kompensacyjnego, system wentylacji jest nieskuteczny.

 

 

Wpływ mocy pożaru na działanie systemu

 

Moc pożaru to najważniejszy parametr opisujący pożar i determinujący zagrożenia z nim związane. Jak przedstawiono w poprzedniej części publikacji, zgodnie z rozporządzeniem [11] moc pożaru wykorzystana w analizie CFD dla podziemnej stacji metra nie powinna być niższa niż 15 MW. Rozporządzenie nie definiuje szybkości przyrostu mocy do tej wartości, przez co w różnych analizach rzeczywista moc pożaru w chwili oceny wyników może być różna. Na szczęście, jak wskazuje praktyka projektowania systemów wzdłużnych wentylacji pożarowej, dobrze zaprojektowany system jest w stanie skutecznie odprowadzić dym nawet z większego, niż przewidziane zagrożenia. Ilustracją tego są wyniki obliczeń numerycznych przedstawione na rysunku 3. Chociaż lokalnie obserwowane masowe stężenie dymu zmieniło się w sposób istotny, ogólny obszar, który uległ zadymieniu nie uległ znaczącej zmianie.

 

 

2017 5 60 1

Rys. 3. Porównanie masowej koncentracji dymu ponad peronem stacji metra przy pożarze środkowego wagonu, o mocy: a) 5 MW; b) 15 MW i c) 25 MW. 5 minut od osiągnięcia przez pożar pełnej mocy

 

 

Co ze zmianą skuteczności działania systemu poprzecznego, przy niespodziewanym wzroście mocy pożaru? Ponieważ wzrost mocy w sposób liniowy przekłada się na przyrost masy dymu w zbiorniku dymu, można spodziewać się, że obszar wcześniej zadymiony w niewielkim stopniu, w większym pożarze będzie zadymiony w sposób istotny. Osobie oceniającej analizę numeryczną pozostaje zatem ocena obszaru, w którym pojawiło się jakiekolwiek zadymienie – jeżeli takie zostanie zaobserwowane przy powolnym rozwoju pożaru, w pożarze szybkim należy spodziewać się znacznie większej ilości dymu w tym miejscu. Powyższe oznacza, że systemy wentylacji poprzecznej są bardziej wrażliwe na zmianę parametrów analizy numerycznej, niż systemy wzdłużne. Należy brać to pod uwagę, przy ocenie wyników takich analiz!

 

Poza szybkością wydzielania ciepła istotnymi parametrami opisującymi pożar są efektywne ciepło spalania (ΔHc eff) oraz współczynnik generacji sadzy (Ys). Parametry te charakteryzują odpowiednio ilość energii otrzymaną ze spalenia 1 kilograma materiału palnego oraz część produktów spalania, jaką stanowić będzie sadza i aerozole, z których składa się dym. W przypadku pożarów pojazdów bliskimi rzeczywistości wartościami tych parametrów są ΔHc eff =26 MJ/kg (odpowiada to spalaniu mieszaniny tworzyw sztucznych i naturalnych) oraz Ys = 0,10 (co oznacza wysoką generację sadzy, podobną do powstałej w pożarze utwardzonego PVC). Zmiana tych parametrów ma duży wpływ na ilość dymu generowaną w symulacji, a co za tym idzie na ocenę skuteczności działania badanego systemu. W pożarze o mocy całkowitej 15,00 MW dla przyjętych powyżej założeń w każdej sekundzie powstaje:

 

2017 5 60 2

 

Zmieniając wartość ΔHceff dla materiałów palnych w pociągu na wartość całkowitego ciepła spalania (wyznaczone metodą bomby kalorymetrycznej) na przykład paliw płynnych (około 42÷44 MJ/kg) oraz zaniżając wartość współczynnika Ys do wartości przykładowo 0,07, przy pożarze o tej samej mocy otrzymamy:

 

2017 5 60 3

 

Pomimo utrzymania tej samej mocy pożaru, zmiana parametrów charakteryzujących spalanie spowodowała spadek ilości dymu powstałej w pożarze o 60%, co w bezpośredni sposób wpłynie na widoczność czy ilość ciepła wypromieniowaną przez warstwę dymu. Co więcej, zmiana współczynnika pożaru przekłada się w sposób wykładniczy na szacowany zasięg widzialności, czemu poświęcono publikację [12].

 

 

Doprowadzenie powietrza kompensacyjnego i bezpieczeństwo galerii

 

(...)

 

 

Niewłaściwa detekcja

 

(...)

 

 

Lokalizacja punktów wyciągu dymu

 

(...)

 

 

Podsumowanie

 

Problemy praktyczne z działaniem systemów wentylacji podziemnych stacji kolejowych, opisane ogólnie w poprzedniej części artykułu, można rozwiązać z wykorzystaniem nowoczesnych metod inżynierskich przedstawionych w niniejszej publikacji. Jest to doskonały przykład tego, w jaki sposób analiza CFD może być rzeczywistym narzędziem pracy inżyniera i projektanta, a nie jedynie formalnym potwierdzeniem skuteczności działania systemu na końcu procesu projektowania. Prowadząc tego typu analizy, należy mieć na uwadze skomplikowany charakter przepływów powietrza w układach podziemnych. Nie ma tu miejsca na kompromis w postaci zawężania domeny obliczeniowej do fragmentu sieci, czy stosowania niedoskonałej siatki numerycznej. Analizy CFD prowadzone dla obiektów podziemnych powinna cechować najwyższa jakość – niestety, skutki błędów w tym obszarze mogą być katastrofalne. Podobnie jak podkreślono to w poprzedniej części publikacji – na bezpieczeństwie użytkowników obiektów podziemnych nie należy oszczędzać, a sam projekt systemu powinien być poddany niezależnej weryfikacji numerycznej (z wykorzystaniem symulacji CFD) oraz prób z gorącym dymem.

 

 

 

 

dr inż. Wojciech WĘGRZYŃSKI
– Zakład Badań Ogniowych,
Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

dr inż. Grzegorz KRAJEWSKI
– Zakład Badań Ogniowych,
Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa

 

 

LITERATURA:

[1] W. WĘGRZYŃSKI, G. KRAJEWSKI: Wentylacja pożarowa stacji metra. Cz. 1. Problemy i wyzwania. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 2017.

[2] E. SZTARBAŁA, G. SZTARBAŁA: Systemy wentylacji pożarowej tuneli drogowych. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 5/2015.

[3] E. SZTARBAŁA, G. SZTARBAŁA: System mechanicznej wentylacji wzdłużnej tuneli drogowych w warunkach pożaru. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 8/2015.

[4] E. SZTARBAŁA, G. SZTARBAŁA: Wykorzystanie metod obliczeniowej mechaniki płynów (CFD) do opracowania koncepcji systemu wentylacji pożarowej tunelu drogowego. Chłodnictwo i Klimatyzacja. 5/2016.

[5] W. WĘGRZYŃSKI, G. KRAJEWSKI: Sposób doprowadzenia powietrza kompensacyjnego a wzdłużna wentylacja pożarowa stacji metra. Bezpieczeństwo i Tech. Pożarnicza. 43/2016. 231–241. doi:10.12845/bitp.43.3.2016.21.

[6] R. CARVEL, G. REIN, F. COLELLA: Using active systems to control tunnel fire events. Proc. ICE - Eng. Comput. Mech. 165 (2012) 245–252. doi:10.1680/eacm.11.00015.

[7] W. WĘGRZYŃSKI, G. KRAJEWSKI: Combined Wind Engineering, Smoke Flow and Evacuation Analysis for a Design of a Natural Smoke and Heat Ventilation System. Procedia Eng. 2016.

[8] G. SZTARBAŁA: Projektowanie systemów wentylacji pożarowej sieci metra. Instytut Techniki Budowlanej. 2014.

[9] A. BEARD, R. CARVEL: The handbook of tunnel fire safety. Thomas Telford Publishing. 2005. doi:10.1680/hotfs.31685.

[10] NFPA, NFPA 502: Standard for Road Tunnels, Bridges, and Other Limited Access Highways. 2017.

[11] Ministerstwo Infrastruktury, Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 17 czerwca 2011 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty budowlane metra i ich usytuowanie, DzU 2011 Nr 144 Poz. 859. 2011.

[12] W. WĘGRZYŃSKI, G. KRAJEWSKI, G. VIGNE: Wpływ zmienności współczynnika generacji dymu w ocenie bezpiecznych warunków ewakuacji w zaawansowanych analizach CFD. Wyniki badań fizycznych i numerycznych, in: Pożary Wewnętrzne. Olsztyn. 2016. doi:10.13140/RG.2.2.19041.51041.

[13] W. WĘGRZYŃSKI, G. KRAJEWSKI: Doświadczenia z wykorzystania narzędzi inżynierskich do oceny skuteczności funkcjonowania systemów wentylacji oddymiającej. Mater. Bud. 2014.

[14] G. KRAJEWSKI, P. SULIK, W. WĘGRZYŃSKI: Metody numeryczne w projektowaniu systemów wentylacji pożarowej tuneli drogowych. Logistyka. 2014.

[15] G. KRAJEWSKI, W. WĘGRZYŃSKI, Air curtain as a barrier for smoke in case of fire: Numerical modelling, Bull. Polish Acad. Sci. Tech. Sci. 63 (2015) 145–153. doi:10.1515/bpasts-2015-0016.

[16] R. BUCHMANN, R. RUCKSTUHL: Provisions for reliable and effective smoke detection in 6road tunnels, in: 7th Int. Conf. Tunn. Saf. Vent. 2014: pp. 75–82.

 

 

PODOBNE ARTYKUŁY:

POLECAMY WYDANIA SPECJALNE

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2017

  • Pompy ciepła 2015

  • Pompy ciepła 2016

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2015

  • Katalog klimatyzatorów typu SPLIT. Edycja 2016

  • Pompy ciepła 2014

  • Pompy ciepła 2012

  • Pompy ciepła 2013

  • Termografia w podczerwieni 2009

  • Pompy ciepła 2010

 

 

  02 ss2  omii   kig 134x45 left  

Katalog firm chłodnictwo, klimatyzacja, wentylacja

CHŁODNICTWO: Agregaty (chillery) chłodzone powietrzem, Agregaty (chillery) chłodzone wodą, Agregaty absorpcyjne, Agregaty skraplające, Aparatura kontrolno-pomiarowa, Chłodnice, Chłodnictwo w transporcie, Chłodziwa i nośniki ciepła, Czynniki chłodnicze, Dry-coolery, Drzwi chłodnicze (okucia, akcesoria), Elementy rozprężające, Filtry - osuszacze czynnika chłodniczego, Komory chłodnicze i zamrażalnicze, Kontenery chłodnicze, Maszyny do produkcji lodu (płatkarki, kostkarki), Materiały termoizolacyjne, Meble chłodnicze i zamrażalnicze, Monobloki chłodnicze, Odolejacze, separtory, Oleje sprężarkowe, Płyty warstwowe, Pompy cyrkulacyjne, Silniki, Siłowniki, Sprężarki chłodnicze, Tunele mroźnicze (kriogeniczne), Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Urządzenia rozmrażające, Wieże chłodnicze, Wyłączniki i przekaźniki czasowe, Wymienniki ciepła (parowacze, skraplacze), Wymienniki płytowe, Zasobniki chłodu, Zawory, Zespoły spręzarkowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

KLIMATYZACJA i WENTYLACJA: Aparatura kontrolno-pomiarowa, Aparaty grzewczo-wentylacyjne, Centrale klimatyzacyjne monoblokowe, Centrale klimatyzacyjne rooftop, Centrale klimatyzacyjne sekcyjne, Chłodnice/nagrzewnice kanałowe, Czerpnie i wyrzutnie, Filtry powietrza, Kanały wentylacyjne, Klapy ppoż. (oddymiające, odcinające), Klimakonwektory, Klimatyzacja samochodowa, Klimatyzatory kompaktowe (przenośne, okienne), Klimatyzatory split, Klimatytory multi splity, Kolektory słoneczne, Kratki, nawiewniki, dysze, Kurtyny powietrzne, Materiały termoizolacyjne, Nasady kominowe, wywietrzniki, Nawilżacze (parowe, zraszające, ultradźwiękowe, komory zraszania), Oczyszczacze powietrza, Odciągi miejscowe, Okapy kuchenne, Osuszacze powietrza, Pompy ciepła, Pompy cyrkulacyjne, Przepustnice, Rekuperatory i regeneratory do odzysku ciepła, Siłowniki, Stropy, belki chłodząco-grzejące, Systemy Super Multi, Szafy klimatyzacji precyzyjnej, Tłumiki hałasu, Układy i aparatura regulacyjna, zabezpieczająca i nadzorująca, Wentylatory dachowe, Wentylatory oddymiające, przeciwwybuchowe, chemoodporne, Wentylatory osiowe, Wentylatory promieniowe, Wentylatory strumieniowe (oddymiające), Wymienniki gruntowe, Pozostałe akcesoria, Projektowanie, badania, doradztwo techniczne, certyfikacja.

MATERIAŁY, NARZĘDZIA, PRZYRZĄDY, AKCESORIA: Izolacje akustyczne, termiczne, Materiały i przyrządy lutownicze i spawalnicze, Materiały uszczelniające, Narzędzia, Rury, kształtki, akcesoria, Urzadzenia i środki czyszczące, Urządzenia do inspekcji i czyszczenia systemów wentylacyjno-klimatyzacyjnych, Urządzenia do usuwania i napełniania instalacji chłodniczych; recyklingu czynników chłodniczych, Wibroizolacje, Zamocowania i tłumiki drgań.

INNE: Zrzeszenia i organizacje, Oprogramowanie komputerowe, Portale internetowe, Targi, wystawy, szkolenia.