Átriumok hő- és füstelvezetésének szimulációja

Absztrakt

Az átriumok vonatkozásában a jelenleg érvényben lévő – Magyarország tűzvédelmi szabályozásának alapját képező – az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról szóló 54/2014. (XII. 5.) BM rendelet (továbbiakban: OTSZ) szigorú követelményeket, de viszonylag széles skálán mozgó megoldási lehetőségeket is megfogalmaz. Ezen megoldási lehetőségek azonban nem csupán tűzvédelmi-, hanem gépész-, villamos-, informatikai-, építészeti-, sőt jogi- és gazdasági ismereteket is megkövetelnek. Összegezve tehát egy komplex feladatról van szó. Ebben a feladatban a pontosság és precizitás, valamint a kellő hozzáértéssel megválasztott és jól paraméterezett megoldási mód életeket menthet, sőt anyagi veszteséget is minimalizálhat. Ezen túlmenően, vagy inkább ezzel együtt
a működőképes, funkcióját megfelelően ellátó hő- és füstelvezetés a tűz- és vagy káreset helyszínére érkező beavatkozó tűzoltó állomány munkáját is elősegítheti.

In connection with atriums the Decree 54/2014. (XII. 5.) of Ministry of Interior on National Fire Prevention Rules – which is the basic of Hungarian fire managemant – conatins strict regulations and wide scale opportunities also. These possible solutions require knowledes in areas of firesafety, mechanical, electrical, IT, architectural, and moreover legal and economic. In summary, this is a complex task. In this topic ccuracy, precision, applicable competence and well parameterized solution method are indispensable to save lifes and materials, or at least minimalize damages. Moreover, or more like with preious things a well functional heat and smoke extraction can help firefighters who arrive to intervene in case of fire and damages.

Jogszabályi háttér

A 2015. március 05. napig hatályos, az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról szóló 28/2011. (IX. 6.) BM rendelet által az átriumok, és azok vonatkozásában használt definíciók
az alábbiak voltak:

Átrium:

az épületek belső egybefüggő függőleges térrésze, mely az épület legfelső, vagy valamely közbenső szintjén részben – a függőleges térrész alapterületének legalább 90%-án – vagy egészben lehatárolásra kerül (udvarlefedések alatti tér).

Átrium alapterülete:

az egybefüggő légtér legnagyobb alapterületű függőleges vetülete.

A 2015. március 05. napján hatályba lépő, jelenleg (2017. május 07.) is hatályos, az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról szóló 54/2014. (XII. 5.) BM rendelet az átriumok vonatkozásában nem, csak azok alapterületére tartalmaz definíciót, így az átrium fogalmának értelmezésében Az országos településrendezési és építési követelményekről szóló 253/1997. (XII. 20.) Korm. Rendelet 1. számú, Fogalommeghatározások c. melléklete ad iránymutatást. Ez alapján:

Átrium:

belső udvar, -kert, e köré szerveződnek a helyiségek

Aula:

fedett belső udvar vagy átrium.

Összegezve tehát a jelenleg hatályos jogszabályi definíciókat, kijelenthető, hogy minden fedett átrium aula, de nem minden aula fedett átrium.

Paragrafus szimbólum

Az Országos Tűzvédelmi Szabályzatról szóló 54/2014. (XII. 5.) BM rendelet (továbbiakban: OTSZ) 4. § (2) bekezdés hő- és füstelvezetésre (valamint az átrium alapterületére) vonatkozó fogalommeghatározásai az alábbiak szerint kerültek rögzítésre:

átrium alapterülete:

az egybefüggő légtér legnagyobb alapterületű függőleges vetülete

hő és füst elleni védelem:

a tűz esetén fejlődő hő és füst terjedését korlátozó, az elvezetését és a füstmentesítést biztosító megoldások összessége

hő- és füstelvezetés:

a védett helyiségbe jutó vagy ott keletkező hő és füst szabadba vezetését biztosító megoldások összessége

hő- és füstelvezető berendezés:

olyan berendezés, amely tűz esetén a hő és füst szabadba áramlását gépi úton, kényszeráramoltatással biztosítja

hő- és füstelvezető rendszer:

hő- és füstelvezető, légpótló szerkezetek, berendezések és azok működtetését biztosító megoldások és rögzítéseik összefüggő rendszere, a beépített tűzjelző berendezés kivételével

hő- és füstelvezető szerkezet:

olyan szerkezet, amely tűz esetén nyitott állapotában lehetővé teszi a hő és füst természetes úton történő kiáramlását a szabadba

Az OTSZ 88. §-a általános előírásokat fogalmaz meg, melyekből az (1) bekezdés e) pontját kiemelve, hő- és füstelvezetést kell létesíteni fedett átriumokban. Erre vonatkozóan a BM OKF úgy foglal állást, hogy fedett átriumokban minden esetben kell hő- és füstelvezetést kialakítani, függetlenül attól, hogy menekülésre számításba van-e véve adott átrium, vagy sem.

A (2) bekezdés előzőktől eltérően a hő- és füstelvezetés létesítésére nem kötelezett objektumokat sorolja fel:

a) a legfeljebb 500 m² alapterületű és legalább EI2 15 C minősítésű bejárati ajtóval rendelkező gépészeti helyiségben vagy helyiségcsoportban,

b) a legfeljebb 500 m²alapterületű, nem közösségi rendeltetésű helyiségben, amelyben jellemzően nem tűzveszélyes osztályba tartozó anyagot tárolnak,

c) a legfeljebb 200 m² alapterületű helyiségben, ha a belmagasság felső harmadában
az alapterület legalább 5%-ának megfelelő szabad nyílásméretű, üvegezett, padlószintről nyitható homlokzati nyílászáróval rendelkezik,

d) a kizárólag nem tűzveszélyes osztályba tartozó anyag és csak ilyen anyagból készített termék, tárgy éghető anyagú csomagolás és tárolóeszköz nélküli tárolására szolgáló, földszintes tárolóépületben,

e) az ömlesztett tárolású mezőgazdasági terménytároló helyiségben,

f) az olyan – beépített tűzoltó berendezéssel nem védett – raktárhelyiségben, amelynek tetőfedése vagy a helyiséget felülről lezáró egyéb szerkezete a tűzzel szemben számottevő ellenállással nem rendelkezik,

g) menekülési útvonalon lévő, legfeljebb 20 m² alapterületű

ga) szélfogó helyiségben,

gb) biztonságos térbe nyíló kijárati ajtóval rendelkező közlekedőkben és

h) a térfeltöltés elvén működő, teljes elárasztásos beépített tűzoltó berendezéssel védett helyiségben, a menekülési útvonal kivételével.

A hő- és füstelvezetés lehetséges módozatairól a 90. § (1) bekezdése ad iránymutatást, mely szerint a hő- és füstelvezetés biztosítható:

a) természetes úton hő- és füstelvezető szerkezettel,

b) gépi úton hő- és füstelvezető berendezéssel vagy

c) a természetes és a gépi megoldás kombinációjával.

Ugyanezen, 90. § (3) bekezdése 3 esetet sorol fel, melyeknél számítással alátámasztandó
a hő- és füstelvezetés megfelelősége. Ezek sorra:

a) természetes füstelvezetés 15 métert meghaladó belmagasságú, lépcsőháznak nem minősülő térben való alkalmazása,

b) természetes füstelvezetés és e rendelet által előírtnál nagyobb belépési sebességű gépi légpótlás együttes alkalmazása vagy

c) természetes füstelvezetéshez tartozó természetes légpótlás e rendelet által előírtnál nagyobb belépési sebességű gépi légpótlással való kiegészítése esetén.

Az (5) és (6) bekezdések megállapításai szerint: „Gépi hő- és füstelvezetés esetén a szükséges elszívási teljesítmény 2 m³/s a természetes füstelvezetéshez tartozó hatásos nyílásfelület minden m²-ére számítva.

A hő- és füstelvezetés tervezése során figyelembe kell venni a túlnyomásos füstmentesítéssel ellátott terek és a füstelvezetéssel ellátott terek kapcsolatát, az egyidejű működés során kialakuló nyomásviszonyokat és biztosítani kell a nyílászárók kézi nyithatóságát a 98. § (8) bekezdésében foglaltak szerint.”

A jogszabályi hátteret a (jelenleg hatályos) OTSZ hatálybalépésével egyidejűleg, a tűzvédelmi tervezést segíteni hivatott, úgynevezett Tűzvédelmi Műszaki Irányelvek is kiegészítik. Ezek sora folyamatosan bővül. Engedélyeztetésükhöz, hatálybaléptetésükhöz nem szükséges az Európai Parlament jóváhagyása sem, így módosításuk, javításuk, bővítésük a korábban a tűzvédelmi szabályozásban megszokottaktól eltérően, mondhatni egyszerűen végrehajtható. Erre a különböző szakágak jelesebb képviselői által alkotott bizottságok javaslatai, és általuk meghatározottak kerülnek rögzítésre. Természetesen mindez a jogi szabályozásban meghatározottaknak nem ellene menően, hanem azt elősegítve történik.

Az átriumok hő- és füstelvezetési megoldásainak vizsgálata során 2 Tűzvédelmi Műszaki Irányelv (továbbiakban: TvMI) általi javaslatokat kell fontolóra venni. Természetesen javaslatok lévén ezek betartása nem szükséges, de elégséges feltétel a hatóság részére, amennyiben az erősebb szabályozók, mint jogszabályok, rendeletek, szabványok előírásai is teljesülnek. Azonban a TvMI-k által meghatározottak, a tervezői szabadságot növelve, más módon is érvényesíthetőek. Ezzel azonban a tervezői szabadsággal együtt, sőt akár hatványozottabban, a tervezői felelősség is megnő. A korábban az éppen aktuális OTSZ vagy ÖTM rendelet kötelező előírásai révén adott keretek, egy a tervezői szabadságot csökkentő biztonságot is jelentettek az adott feladat szellemi megalkotója számára.

A szóban forgó 2 TvMI a Hő és füst elleni védelem c. TvMI [TvMI 3.1:2015.03.30] (továbbiakban: Hő és füst TvMI), valamint a Számítógépes tűz- és füstterjedési, valamint menekülési szimuláció c. TvMI [TvMI 8.2:2016.07.01.] (továbbiakban: Szimuláció TvMI).

Szoftveres Szimuláció

A Thunderhead Engineering Consultants, Inc. által fejlesztett PyroSym szoftver 64 bites kiadás tekintetében a 2017.1.0209 [1] verziószámnál jár. A PyroSym sok egyéb mellet alkalmas hő- és füstelvezetés szimulációjára. Támogatja a Fire Dynamics Simulator (FDS) és Smokeview (SMV) előállítását, megjelenítését, melyek magyarul a Tűzterjedés és Füstfejlődés jelenségének szimulációjának fordíthatóak. Ezen technológiák alapjait egy az Amerikai Egyesült Államokbeli kormánya által létrehozott szervezet, a National Institute of Standards and Technology (Nemzeti Szabványügyi és Technológiai Intézet) fektette le.

Mivel a PyroSym 2017.1.0209 x64 szoftver támogatja az FDS 6.0 és újabb verzióit, így
a Szimuláció TvMI Kombinált égési- és áramlási szoftverek egyetlen rekordot tartalmazó táblázata [2] alapján felhasználása Magyarországon is elfogadott.

Szoftver- és hardverigény

A PyroSim szoftver futtatásához a Thunderhead Engineering Consultants, Inc. a következő minimum számítógép-konfigurációt javasolja [3]:

32 vagy 64 bites Windows operációs rendszer (Windows 95-nél újabb), Mac OS X, Linux
256 MB RAM
videókártya OpenGL 1.1 vagy újabb támogatással
572 MB telepítés utáni tárterület

A PyroSim cluster-ben is futtatható, különböző erre vonatkozó feltételek teljesülése esetén.

A gyártó a kiegyensúlyozott teljesítmény eléréséhez pedig az alábbi összetétel javasolja:

64 bites Windows 7 (vagy újabb kiadás), ill. 64 bites Windows Server 2012 (vagy újabb kiadás)
Egy darab többmagos processzor helyett jobb több processzor alkalmazása több maggal. Természetesen a gyorsabb processzorok jobbak, azonban egy kissé lassabb, de több maggal rendelkező processzor optimálisabb konfiguráció.
Közepes kategóriájú videókártya OpenGL 2.0 támogatással
1 millió cellára 1 GB RAM számolandó. 8 GB RAM általában több, mint elég,
de nagyon nagy modellekhez 16 GB is szükséges lehet.
A szimuláció párhuzamos futtatásához a PyroSim FDS menüjében, a Run FDS Parallel menüpont kiválasztásával a szoftver az egyes hálókat (mesh) automatikusan hozzárendeli a számítógép magjaihoz.
Az 572 MB telepítés utáni tárterületen kívül további 2-4 GB háttértár a (nagy) modellek kimeneti fájljaihoz

Ezzel szemben a futtatáshoz rendelkezésre álló számítógép a következő konfigurációval rendelkezett:

64 bites Windows 10 Pro operációs rendszer
Intel® Core™ i5-4300Y (3M Cache, 1,60-2.30 GHz, 2 mag, 4 szál) processzor
8 GB RAM
OpenGL 4.0 grafikus gyorsítás támogatás
Intel® HD Graphics 4200 videokártya
256 GB SSD

Szoftver- és hardverigény

Bemenő adatok

A modell alapjául szolgáló épület, melynek átriumában a hő- és füstelvezetés szimulálása létrehozásra került földszint plusz 4 emelet kialakítású. Beton épület, melyben az egyes szintek felvétele 3 méterenként történt meg.

Szimulációs modellépület

A szimuláció poliuretán reakciójával került futtatásra. Benne 2 db vizsgáló háló lett kialakítva, melyek 0,5 m³, ill. 0,25 m³ befoglaló egységekből épülnek fel. A tűzteljesítmény 3,5 MW, felfutása 300 sec, t²-es módozatban. A T²-es felfutású HRR (heat release rate ~ tűzteljesítmény, hőfejlődési sebesség, hőáram) görbéje a tűzfejlődés átmeneti kalkulációjára használatos a tűzvédelem tervezési céljaiban. A T²-es parabolikus növekedés egyenlete: ahol a HRR [kW], a tűzfejlődési együttható [kW/s2], és t az idő [s]. [4]

Néhány gyakran használt tűzfejlődési együttható értéke meg van adva, de az egyéni együttható értéke meghatározható. A T²-es tűz felfutása beállítható meghatározott HRR értékig, vagy elérési időig. A kimeneti eredmény a HRR és idő tengelyek által meghatározott grafikon lesz.

A lehetséges szimulációk kétféle kialakítással, vagyis kétféle hő- és füstelvezetési megoldás és füst vizsgálatával kerültek végrehajtásra. Először kupola alkalmazásával, mint hő- és füstelvezető szerkezet, másodszor pedig gépi elszívás, mint hő- és füstelvezető berendezés alkalmazásával. Mindkét esetben az átrium tetején, közepére helyezve a szerkezeteket, vagy berendezéseket.

A tűzfészek minden esetben egy közelítően az átrium közepére, de a slice-tól (metszetvonal) kissé elcsúsztatva helyezett, 1 m³ befoglaló méretű kockával került modellezésre.

Hő- és füstelvezetési megoldások

Az OTSZ fogalmainak értelmében a hő- és füstelvezetés funkciót elláthatja hő-
és füstelvezető berendezés, -rendszer, és/vagy -szerkezet. Sorra értelmezve definíciójukat,
a következők állapíthatók meg:

Hő- és füstelvezető berendezés esetében a gépi úton történő szabadba áramláson, kényszeráramoltatáson van a hangsúly.

Típus és felépítés szerint lehetnek: axiálventilátor, radiálventilátor, csatorna ventilátor, tetőventilátor, Jet ventilátor, Jet impulzusventilátor. Hatékonyságuk nagy, mivel az általuk létrehozott légáram nem teszi lehetővé, hogy füst és égéstermék holtterekben megszoruljon.

Gépi elszívás ábrázolása teremgarázsban,
Colt Hungária Tűzvédelmi és Klímakontroll Kft.,
Mélygarázsok füstelvezetése, szellőztetése

A hő- és füstelvezető rendszer lehet légpótló szerkezet, berendezés, ezek működtetését biztosító megoldások, valamint rögzítések összefüggő rendszere. Ide nem sorolandó
a beépített tűzjelző berendezés.
A hő- és füstelvezető szerkezet pedig nyitott állapotban, természetes úton teszi lehetővé
a hő és füst szabadba áramlását.

Hő- és füstelvezető kupola, VENTURHIS hő- és füstelvezető kupolák

A hő- és füstelvezető szerkezetek, bár viszonylag egyszerű felépítéssel rendelkeznek, szélsőséges időjárási viszonyok között is üzemképesnek kell lenniük. Ilyen szélsőséges eset, mellyel számolni kell tervezés, kivitelezés során például: oldal ható, nyitási irányra merőleges szél; alacsony, vagy magas hőmérséklet. Kiegészítő funkciót is betölthetnek, mint például fényáteresztő kialakítás esetén a bevilágító szerepe.