Tillräcklig utspädning av brandgaser

Transkript

1 Lars Jensen Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet, 215 Rapport TVIT-15/795

2 Lunds Universitet Lunds Universitet, med åtta fakulteter samt ett antal forskningscentra och specialhögskolor, är Skandinaviens största enhet för forskning och högre utbildning. Huvuddelen av universitetet ligger i Lund, som har 112 invånare. En del forsknings- och utbildningsinstitutioner är dock belägna i Malmö, Helsingborg och Ljungbyhed. Lunds Universitet grundades 1666 och har idag totalt 6 8 anställda och 47 studerande som deltar i ett 28 utbildningsprogram och ca 2 2 fristående kurser. Avdelningen för installationsteknik Avdelningen för Installationsteknik tillhör institutionen för Bygg- och miljöteknologi på Lunds Tekniska Högskola, som utgör den tekniska fakulteten vid Lunds Universitet. Installationsteknik omfattar installationernas funktion vid påverkan av människor, verksamhet, byggnad och klimat. Forskningen har en systemanalytisk och metodutvecklande inriktning med syfte att utforma energieffektiva och funktionssäkra installationssystem och byggnader som ger bra inneklimat. Nuvarande forskning innefattar bl a utveckling av metoder för utveckling av beräkningsmetoder för godtyckliga flödessystem, konvertering av direktelvärmda hus till alternativa värmesystem, vädring och ventilation i skolor, system för brandsäkerhet, alternativa sätt att förhindra rökspridning vid brand, installationernas belastning på yttre miljön, att betrakta byggnad och installationer som ett byggnadstekniskt system, analysera och beräkna inneklimatet i olika typer av byggnader, effekter av brukarnas beteende för energianvändning, reglering av golvvärmesystem, bestämning av luftflöden i byggnader med hjälp av spårgasmetod. Vi utvecklar även användbara projekteringsverktyg för energi och inomhusklimat, system för individuell energimätning i flerbostadshus samt olika analysverktyg för optimering av ventilationsanläggningar hos industrin.

3 Lars Jensen

4 Lars Jensen ISRN LUTVDG/TVIT--15/795--SE(16) Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box LUND

5 Innehållsförteckning 1 Inledning och problemställning 5 2 Förgiftningsförlopp 7 Konstant brandgasnivå 7 Avklingande brandgasnivå 8 Godtycklig brandgasdos 9 Jämförelse mellan exakt och förenklad beräkning 9 3 Tillräcklig utspädning 11 4 Sammanfattning och slutsatser 15 3

6 4

7 1 Inledning och problemställning Syftet med denna arbetsrapport är att undersöka tillräcklig utspädning av brandgaser i en ventilerad lokal. Brandgaser tillförs lokalen under en kort tid i förhållande till exponeringstiden. Detta ger efter en snabb uppgång ett avklingande tidsförlopp beroende på den normala ventilationen. Utspädningen definieras som utspädd brandgasnivå relativt outspädd brandgasnivå, vilket är ett tal mindre än ett. Utspädningskravet är i dag satt till att brandgaser skall spädas ut en faktor 1 för lokaler med sovande personer. Exponeringstiden är inte direkt angiven, men det kan antas att den är lika med brandskyddskravets tidsgräns 6 min som gäller för lokaler med sovande personer. Utspädningskravet och exponeringstiden kan tillsammans tolkas som ett doskrav. Detta innebär att för ett avklingande tidsförlopp med normal ventilation i drift kan startvärdet vara högre än kravvärdet. Utspädningen behöver inte uppfylla kravet med utspädning med en faktor 1. Frågan är: Vilken utspädning är tillräcklig för en ventilerad lokal när förgiftningen först ökar och därefter minskar den ända tills att brandgaserna är bortventilerade som visas i Figur 1.1? 1 Upptagningstid T 6 min Luftomsättning n= /h Upptagning u(t) Tid t min Figur 1.1 Avklingningsförlopp för luftomsättning.5, 1. och 2. /h och förgiftningsförlopp för upptagningstid 6 min som funktion av exponeringstid. 5

8 Om exponeringstiden omfattar både en uppgång och en nergång i förgiftningen som i Figur 1.1, kommer förgiftningen i slutet av exponeringstiden att vara lägre än den största förgiftningen under exponeringsperioden. Detta måste beaktas. Förgiftningen eller upptagningen av olika brandgaskomponenter bestäms av en upptagningstidskonstant som kan vara kort eller lång. Upptagningstidskonstanten för kolmonoxidförgiftning är några timmar beroende på aktivitet och personstorlek. Utspädningen kan alltså ändras för en ventilerad lokal med en given luftomsättning och en given exponeringstid med reservation för att maximivärdet efter tillförselförloppet inte får överskrida givna kravvärden. Den ändrade utspädning u måste dock uppfylla krav på monentanvärden ckrav, vilket för brandgasvärdet cb kan skrivas som: ckrav > u cb (-) (1.1) Förgiftningsförloppet för konstant brandgasnivå och en avklingande brandgasnivå för ett oventilerat respektive ventilerat fall beskivs för olika exponeringstid, upptagningstid och luftomsättning i avsnitt 2. Kolmonoxid används som ett exempel på en brandgaskomponent. för en ventilerad lokal kan beräknas med förgiftningen för en konstant brandgasnivå och för en avtagande brandgasnivå med ett högre startvärde som ger samma förgiftningdos. Detta ger en faktor större än ett att ändra utspädningskravet.1 med. Sammanfattning och slutsatser ges sist i avsnitt 4. 6

9 2 Förgiftningsförlopp för en ventilerad lokal kan beräknas genom beräkna förgiftningen för en konstant brandgasnivå och för en avtagande brandgasnivå med ett högre startvärde som ger samma förgiftningsdos. Förgiftningsdoserna för det oventilerade fallet med konstant brandgasnivå och det ventilerade fallet med en avklingande brandgasnivå beskrivs i följande två underavsnitt. Kolmonoxid används som ett exempel på en brandgaskomponent. De två beräkningssätten återfinns i arbetsrapporten TVIT-739. Konstant brandgasnivå Kolmonoxidförgiftningen kan beräknas för ett startvärde HbCO(), en konstant CO-halt CO och en exponeringstid t min med en modell med en upptagningstid eller tidskonstant T min och resultatet kan skrivas som följer: CO(t) = CO (-) (2.1) HbCO(t) = HbCO() e -t/t + CO (1 - e -t/t ) / CO.5 (-) (2.2) Tidskonstanten T är en funktion av andningsluftflödet med värdena 378 och 23 min för 6 l/min respektive 12 l/min. Uttrycket (2.2) visar att slutvärdet kan bli CO/ CO.5 för exponeringstider t längre än tidskonstanten T. Resultatet blir givetvis orimligt om CO > CO.5. Uttrycket är en förenklad beräkning med rimlig noggrannhet när HbCO(t) <.2. Uttrycket (2.2) kan användas för att beskriva tidsförloppet vid avgiftning med ett startvärde HbCO() och en låg omgivande kolmonoxidnivå CO nära noll. Tidsförloppet är långsamt, eftersom tidskonstanten T är flera timmar. Förgiftningen reduceras med en faktor.368 (e -1 ) för ett tidsintervall t = T. 7

10 Avklingande brandgasnivå Kolmonoxidförgiftningen kan beräknas för avklingande CO-halt med startvärdet CO enligt (2.3), exponeringstid t min, upptagningstid T min och luftomsättningstid S min. Resultatet kan skrivas som följer utan någon kolmonoxidförgiftning i starten HbCO()=: CO(t) = e -t/s CO (-) (2.3) HbCO(t) = CO(e -t/s - e -t/t )/(1-T/S)CO.5 T <>S (-) (2.4) HbCO(t) = CO e -t/t t / T CO.5 T = S (-) (2.5) Uttrycken (2.4) och (2.5) har båda ett maximum för en tidpunkt tmax som kan anges: tmax = ln(s/t)/(1/t-1/s) T <>S (-) (2.6) tmax = T T = S (-) (2.7) Upptagningstiden eller tidskonstanten T är en funktion av andningsluftflödet med värdena 378 och 23 min för 6 l/min respektive 12 l/min och en blodvolym på 5.5 l. Hur upptagningstiden eller tidskonstanten T beror på andningsflödet qa och blodvolymen Vb redovisas i Figur 2.1 med isolinjer för tidskonstanten T. 1 T min V b l q a l/min Figur 2.1 Upptagningstiden T som funktion av andningsflöde och blodvolym. 8

11 Godtycklig brandgasdos Kolmonoxidförgiftning kan upptill lindrig förgiftning.2 beräknas med (2.8) för dosen COdos ppmmin, parametern CO.5 = 6 ppm och upptagningstiden T min som: HbCO = COdos / CO.5 T (-) (2.8) Dosen COdos kan för startvärdet CO och luftomsättningstiden S min anges som CO S för oändlig exponeringstid, vilket för ett ventilerat fall med utspädd avklingande brandgasnivå ger högst förgiftningen enligt uttrycket: HbCO = CO S / CO.5 T (-) (2.9) Jämförelse mellan exakt och förenklad beräkning Beräkningsuttrycken (2.1-7) gäller linjära upptagningsmodeller och kan även tillämpas på kolmonoxidförgiftning som har en olinjär upptagningsmodell. En jämförelse mellan exakt och förenklad beräkning av HbCO-halt redovisas som funktion av exponeringstid från till 12 min för både konstant och avklingande CO-halt i Figur Valda tidsförlopp och startvärden för CO-halt CO i ppm, luftomsättningstid S i min, upptagningstid T min och Figur-nr redovisas i Tabell 2.1. Kurva för exakt beräkning markeras med fall nr som alltid ligger under motsvarande kurva för förenklad beräkning. Samtliga kurvor för exakt och förenklad beräkning visar på små skillnader för HbCO-halt <.2, vilket motsvarar gränsen för lindrig kolmonoxidförgiftning. Slutsatsen är därför att beräkningssättet enligt (2.1-7) kan användas för att beräkna tillräcklig utspädning för ett ventilerat fall med samma förgiftning som för ett fall med konstant utspädning.1. Tabell 2.1 Jämförelse mellan förenklad och exakt beräkning fall typ CO ppm S min T min Figur 1 konstant konstant konstant konstant konstant konstant konstant konstant konstant avklingning avklingning avklingning avklingning avklingning

12 HbCO-halt Exponeringstid t min Figur 2.2 HbCO-halt exakt och förenklat för olika exponeringstid och fall HbCO-halt Exponeringstid t min Figur 2.3 HbCO-halt exakt och förenklat för olika exponeringstid och fall

13 3 Tillräcklig utspädning Den normenliga utspädningen här definierad som kvoten mellan utspädd brandgasnivå och outspädd brandgasnivå med värdet.1 för rum med sovande. Detta siffervärde kan som ett doskrav ökas med en faktor f som funktion av luftomsättningen n /h och exponeringstiden t min. Faktorn f redovisas som i Figur parvis som isodiagram och diagram för exponeringstid 6 min och olika upptagningstider. Upptagningstiderna 23 min och 378 min motsvarar hög aktivitet med andningsflöde 12 l/min respektive låg aktivitet med andningsflöde 6 l/min. Alla isodiagram i Figur 3.1, 3.3 och 3.5 och alla diagram i Figur 3.2, 3.4 och 3.6 är ytterst lika, men det finns mindre skillnader. Några siffervärden redovisas i Tabell 3.1 för de tre upptagningstiderna, 23 och 378 min, luftomsättningarna.5, 1., 1.5 och 2. /h samt exponeringstiderna 3, 6, 9 och 12 min. Siffrorna visar att utspädningen endast kan ökas med en faktor 1.28 för luftomsättning.5 /h och exponeringstid 6 min. Siffrorna visar på mindre skillnader för olika upptagningstid. Siffrorna i Tabell 3.1 visar så väl som isolinjer och kurvor i Figur att utspädningsfaktorn f ökar med både luftomsättning och exponeringstid medan upptagningstiden har endast marginell betydelse. Slutsatsen är att den enklare beräkningen med upptagningstiden noll ger en obetydlig överskattning av den tillräckliga utspädningen. Tabell 3.1 Faktor f för olika upptagningstid T, luftomsättning n och exponeringstid t. T min n /h t 3 min t 6 min t 9 min t 12 min

14 Exponeringstid t min T min Luftomsättning n /h Figur 3.1 Utspädningsfaktor f för luftomsättning n och exponeringstid t med T= min. 2.5 T min t 6 min Luftomsättning n /h Figur 3.2 Utspädningsfaktor f för luftomsättning n för t=6 min och T= min. 12

15 12 T 23 min Exponeringstid t min Luftomsättning n /h Figur 3.3 Utspädningsfaktor f för luftomsättning n och exponeringstid t med T=23 min. 2.5 T 23 min t 6 min Luftomsättning n /h Figur 3.4 Utspädningsfaktor f för luftomsättning n för t=6 min och T=23 min. 13

16 12 T 378 min Exponeringstid t min Luftomsättning n /h Figur 3.5 Utspädningsfaktor f för luftomsättning n och exponeringstid t med T=378 min. 2.5 T 378 min t 6 min Luftomsättning n /h Figur 3.6 Utspädningsfaktor f för luftomsättning n för t=6 min och T=378 min. 14

17 4 Sammanfattning och slutsatser Syftet med denna arbetsrapport är att undersöka tillräcklig utspädning av brandgaser i en ventilerad lokal. Brandgaser tillförs lokalen under en kort tid i förhållande till exponeringstiden. Detta ger efter en snabb uppgång ett avklingande tidsförlopp beroende på den normala ventilationen. Utspädningen definieras här som utspädd brandgasnivå relativt outspädd brandgas-nivå, vilket är ett tal mindre än ett. Utspädningskravet är.1 för lokaler med sovande personer och.5 för övrigt. Exponeringstiden är inte direkt angiven, men det kan antas att den är lika med brandskyddskravets tidsgräns 6 min som gäller för lokaler med sovande personer. Utspädningskravet och exponeringstiden kan tolkas som ett doskrav. Detta innebär att för ett avklingande tidsförlopp med ventilation i drift kan startvärdet vara högre än kravvärdet. Förgiftningen eller upptagningen av olika brandgaskomponenter bestäms av en upptagningstidskonstant som kan vara kort eller lång. Upptagningstidskonstanten för kolmonoxidförgiftning är några timmar beroende på aktivitet (andningsflöde) och personstorlek (blodvolym). Utspädningen för en lokal med en given luftomsättning och en exponeringstid kan ändras med en faktor enligt Figur 4.1. Upptagningstiden har ytterst marginell betydelse. 5 T min t min Luftomsättning n /h Figur 4.1 Utspädningsfaktor f - som funktion av luftomsättning n /h och exponeringstid t min. 15

18 Utspädningen kan ändras, men notera att maximivärdet efter tillförselförloppet inte får överskrida givna kravvärden enligt (1.1). Förgiftningsförloppet för konstant brandgasnivå och en avklingande brandgasnivå för ett oventilerat respektive ventilerat fall beskivs för olika exponeringstid, upptagningstid och luftomsättning i avsnitt 2. Kolmonoxid används som ett exempel på en brandgaskomponent. för en ventilerad lokal kan beräknas med förgiftningen för en konstant brandgasnivå och för en avtagande brandgasnivå med ett högre startvärde som ger samma förgiftningdos. Detta ger en faktor större än ett att ändra utspädningskravet med. Huvudslutsatsen är att utspädningskraven för ventilerade lokaler kan ändras med en faktor större än ett som ökar med luftomsättningen och exponeringstiden enligt isodiagram i avsnitt 3. Resultaten här gäller för alla brandgaskomponenter med en given upptagningstid och inte bara kolmonoxid som valts som ett exempel på förgiftning med en given upptagningstid. En förutsättning är att ventilation inte stoppas. Om ventilationen stoppas gäller grundkravet för utspädning. Stoppad ventilation innebär inte att luftomsättningstiden är oändlig eller att luftomsättningen är noll. Faktorn för tillräcklig utspädning för detta fall blir nära ett, vilket värdena 1.6 och 1.11 för luftomsättningarna.1 och.2 /h visar. Notera att beräkningsmetoden även kan tillämpas på ett fall med en yttre föroreningskälla med rådet att stanna inomhus och om möjligt stänga av ventilationen. 16