Luftström för skydd mot brandgasspridning

Transkript

1 Luftström för skydd mot brandgasspridning Lars Jensen Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet, 5 Rapport TVIT-5/797

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 invånare. En del forsknings- och utbildningsinstitutioner är dock belägna i Malmö, Helsingborg och Ljungbyhed. Lunds Universitet grundades 666 och har idag totalt 6 anställda och 47 studerande som deltar i ett 8 utbildningsprogram och ca 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 Luftström för skydd mot brandgasspridning Lars Jensen

4 Lars Jensen ISRN LUTVDG/TVIT--5/797--SE(5) Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box 8 LUND

5 Innehållsförteckning Inledning och problemställning 5 Nödvändig lufthastighet 7 FDS-beräkning av brandgaslager i tunnel 4 Kontroll av beräknad gränshastighet 5 Sammanfattning och slutsatser 5

6 4

7 Inledning och problemställning Syftet med denna arbetsrapport är att undersöka skydd mot brandgasspridning in i tunnlar, utrymningsvägar eller korridorer med en luftström. Branden finns inte i själva tunneln, utrymningsvägen eller korridoren utan i en anslutande volym med ett brandgaslager vars lägsta nivå är lägre än tunnelns, utrymningsvägens eller korridorens taknivå. Brandgaser med hög temperatur kan strömma längs taket mot den normala luftströmmen. Om lufthastigheten är tillräckligt hög sker ingen motströmning av brandgaserna längs taket. Om taket inte är horisontellt utan går uppåt underlättas motströmning. Motströmning förhindras betydligt och helt för ett tak som går neråt och för lufthastigheten noll eller ingen luftström når brandgaslagret horisontellt in i tunneln, utrymningsvägen eller korridoren tills den neråtlutande taknivån nås. En enkel beräkningsmodell för ett brandgaslager med en given geometri och temperatur används för att bestämma, vilken lufthastighet som krävs för att förhindra brandgasspridning in i tunneln, utrymningsvägen eller korridoren. En alternativ beräkningsmetod med likheter med vädring och med den första metoden beskrivs också. Båda beräkningsmetoderna redovisas i avsnitt. Beräkningar görs med FDS och en mindre tunnelmodell i avsnitt för att kontrollera beräkningsmetoden beskriven i avsnitt. Ett hundra fall beräknas med alla kombinationer mellan tio brandgastemperaturer och tio lufthastigheter. Beräkningsmetoderna kontrolleras med resultat från alla FDS-fall. En sammanfattning och slutsatser ges sist i avsnitt 5. 5

8 6

9 Nödvändig lufthastighet Den nödvändiga lufthastigheten för att förhindra brandgassspridning motströms kan beräknas för en given geometri för övergångsområdet före brandgaslagret som visas i Figur.. Den rena luftströmmen går in under brandgaslagret varvid hastigheten och det dynamiska trycket ökar samtidigt som det statiska trycket minskar. Totaltrycket är konstant på samma nivå, eftersom strömningen antas vara utan tryckförluster. Samma totaltryck i punkt och med strömning och dito i punkt och 4 utan strömning ger sambanden: ps + pd = ps + pd (Pa) (.) ps = ps4 (Pa) (.) De statiska trycken i punkt och 4 kan beräknas med de statiska trycken i punkt och minskat med ovanförliggande luftpelare, vilket ger: ps - ρn g hb = ps - ρb g hb (Pa) (.) 4 m/s T b h b = m m/s T n h= m m/s T n h - h b = m Figur. Exempel på hastighetsändring för en given geometri. 7

10 Eliminering av de statiska trycken i (.) med (.) genom subtraktion ger sambandet: - ρn v / - ρn g hb = - ρn v / - ρb g hb (Pa) (.4) Flödet före och under brandgaslagret med olika tvärsnitt båda med bredden b skall vara lika, vilket ger ett samband mellan de två hastigheterna: b h v = b ( h hb ) v (m /s) (.5) Den sökta skyddshastigheten vg = v för ett givet brandgaslager kan med (.4-5) fås som: vg = [ ghb ( ρb / ρn ) / ( ( h / ( h - hb ) ) - ) ].5 (m/s) (.6) Densitetskvoten ρb / ρn kan bytas ut mot den absoluta temperaturkvoten Tn / Tb. Uttrycket (.6) kan skrivas om genom att införa en bashastighet vb som (.7) och en geometrisk funktionsdel f(z) som (.8) med z = hb/h vilket ger (.9) som: vb = ( Tn / Tb ).5 ( ghb ).5 (m/s) (.7) f(z) = ( z ) / ( z - z ).5 (m/s) (.8) vg = f(hb/h) vb (m/s) (.9) Några siffervärden på bashastigheten vb m/s enligt (.7) för hb = m ges i Tabell.. Tabell. Bashastighet vb m/s enligt (.7) för hb = m. Tb C vb m/s (.7) En alternativ beräkningssätt bygger på att behandla utströmningen vid tunneländen som vid vädring med neutrallager på taknivån och utan någon motströmning in i tunneln. Utströmningshastigheten ökar neråt från noll överst till brandgaslagrets underkant och är därefter lika med bashastigheten vb enligt (.7). Den sökta tunnellufthastigheten vg bestäms av att medelhastigheten mot brandgaslagret är / av bashastigheten samt under brandgaslagret lika med bashastigheten, vilket ger: vg = ( - hb/h ) vb (m/s) (.) Det som skiljer mellan (.6) och (.) är f(z) mot (-z/). Kvoten f(z)/(-z/) blir.,.4,.,.9 och.7 för z =.,.,.,.4 och.5. Kvoten. fås för z =.6, vilket med obetydlig avrundning motsvarar hb = m och h = m. Den stora skillnaden är att brandgaslagrets termiska tryckskillnad i (.6) sätts lika med ändring i dynamiskt tryck, medan i (.) sätts lika med dynamiskt tryck som också ger bashastigheten. Gränshastigheten för de två beräkningsmetoderna enligt (.6) och (.) redovisas i Figur.- 5 som funktion av brandlagrets temperatur och tjocklek parvis för tunnelhöjderna respektive 6 m. Hastighetskurvorna i Figur.-5 visar att gränshastigheten ökar med ökande temperatur, men minskar med ökande tjocklek för brandlagret i Figur. och.4 för metod enligt (.6) samt omvänt i Figur. och.5 för metod enligt (.). 8

11 v g för h = m T b o c h b m Figur. Gränshastighet vg enligt (.6) som funktion av temperatur och tjocklek för h m. v g för h = m T b o c h b m Figur. Gränshastighet vg enligt (.) som funktion av temperatur och tjocklek för h m. 9

12 v g för h = 6 m T b o c h b m Figur.4 Gränshastighet vg enligt (.6) som funktion av temperatur och tjocklek för h 6 m. v g för h = 6 m T b o c h b m Figur.5 Gränshastighet vg enligt (.) som funktion av temperatur och tjocklek för h 6 m.

13 FDS-beräkning av brandgaslager i tunnel Beräkningar görs med FDS och en modell enligt Figur.. Tunnelens tvärsnitt är kvadratiskt med sidan m. Den egentliga tunneldelen är endast m utav modellens 4 m. En luftström påtvingas från vänster med en given lufthastighet och temperatur över hela tunnelns tvärsnitt. Lufthastigheten vid utströmningen till höger ökar, eftersom brandgaslagret minskar tvärsnittet. Brandgaslagret tillförs uppifrån i den högra halvan med en given hastighet och temperatur. Lufthastigheten anpassas för att ge ett brandgaslager med tjockleken m med samma utströmningshastighet över hela tvärsnittet till höger för både brandgaslager och tunnelluft. Modellen i Figur. har genomräknats för alla kombinationer mellan brandgastemperaturerna från C i steg om C till C och tunnellufthastigheterna från.5 m/s i steg om.5 m/s till 5 m/s. Detta ger totalt beräkningsfall. Beräkningstiden är begränsad till 6 s med loggning av alla beräkningsvärden från s i steg om s till 6 s. Sektion v b T b T n m Öppet m m Plan T n m v b T b Öppet m m Figur. Icke skalenlig FDS-modell för tunneldel med brandgaslager.

14 FDS-beskrivning för modellen i Figur. redovisas nedan där förutsättningarna ändras för ytorna LEFT och FIRE nederst i beskrivningen. &HEAD CHID='back', TITLE=' m/s C 4 m m m. m ' / &GRID IBAR=, JBAR=7, KBAR=7 / &PDIM XBAR=4, YBAR=.4, ZBAR=.4 / &PLD WRITE_XYZ=.TRUE., DTSAM= / &TIME TWFIN=6 / &MISC DATABASE='e:\nist\fds\database4\database4.data', RADIATION=.FALSE., SURF_DEFAULT='CONCRETE'/ &OBST XB=.,4.,.,.,.,.4, SURF_ID='CONCRETE' &OBST XB=.,4.,.,.4,.,.4, SURF_ID='CONCRETE' &OBST XB=.,4.,.,.,.,., SURF_ID='CONCRETE' &OBST XB=.,.,.,.,.,.4, SURF_ID='CONCRETE' / sida / sida / golv / tak &VENT XB=.,.,.,.,.,., SURF_ID='LEFT' / vänster &VENT XB=.,4.,.,.,.4,.4, SURF_ID='FIRE' / brandgaslager &VENT XB=4.,4.,.,.,.,.4, SURF_ID='OPEN' / höger &SURF ID='LEFT', VEL=-., TMPWAL=. / vänster &SURF ID='FIRE', VEL=-.5, TMPWAL=. / brandgas &TAIL / Temperaturprofilen för tunnelmittsektion redovisas parvis i Figur.- för lufthastigheter från.5 m/s i steg om.5 m/s upptill 5. m/s enligt Tabell.. Urvalet har gjorts för att visa när motströmningen inträffar. De hundra beräkningsfallen har utökats med några högtemperaturfall för lufthastigheterna 4.5 och 5. m/s. Temperaturer över luftströmstemperaturen C visar med isolinjer i Figur.- att brandgas blandas in. Notera att tunnelsektionerna i Figur.- inte är skalenliga, eftersom redovisad höjd är m och dito längd är 4 m. Notera även att själva tunneln är bara m lång och resterande m används för att bygga upp ett brandgaslager. Tabell. Indata för temperaturprofiler i Figur.- och gränshastighet. vn m/s Tb C Tb C Figur

15 5 T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.65 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C. T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.65 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C.

16 T o C 6 s m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur.4 Temperatur C för lufthastighet. m/s och brandgastemperatur C..5 T o C 6 s m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur.5 Temperatur C för lufthastighet. m/s och brandgastemperatur C. 4

17 .5 T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.875 m/s T b o C Figur.6 Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C. T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.875 m/s T b o C Figur.7 Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C. 5

18 T o C 6 s m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur.8 Temperatur C för lufthastighet. m/s och brandgastemperatur C..5 T o C 6 s m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur.9 Temperatur C för lufthastighet. m/s och brandgastemperatur C. 6

19 T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C. T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C. 7

20 T o C 6 s m/s T n o C v b.75 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet. m/s och brandgastemperatur C. T o C 6 s m/s T n o C v b.75 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet. m/s och brandgastemperatur C. 8

21 T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.475 m/s T b 5 o C Figur.4 Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur 5 C..5 T o C 6 s.5 m/s T n o C v b.475 m/s T b o C Figur.5 Temperatur C för lufthastighet.5 m/s och brandgastemperatur C. 9

22 T o C 6 s 4 m/s T n o C v b.5 m/s T b 7 o C Figur.6 Temperatur C för lufthastighet 4. m/s och brandgastemperatur 7 C. T o C 6 s 4 m/s T n o C v b.5 m/s T b o C Figur.7 Temperatur C för lufthastighet 4. m/s och brandgastemperatur C.

23 T o C 6 s 4.5 m/s T n o C v b.565 m/s T b o C Figur.8 Temperatur C för lufthastighet 4.5 m/s och brandgastemperatur C. T o C 6 s 4.5 m/s T n o C v b.565 m/s T b o C Figur.9 Temperatur C för lufthastighet 4.5 m/s och brandgastemperatur C.

24 T o C 6 s 5 m/s T n o C v b.65 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet 5. m/s och brandgastemperatur C. T o C 6 s 5 m/s T n o C v b.65 m/s T b o C Figur. Temperatur C för lufthastighet 5. m/s och brandgastemperatur C.

25 4 Kontroll av beräknad gränshastighet Avsikten med detta avsnitt är att jämföra motströmning för FDS-fallen med beräknad motströmningsgräns enligt (.6) och (.9). Gränsfallen utan och med motströmning redovisade i avsnitt med Figur.- redovisas här i Figur 4. och 4. som funktion av lufthastighet v m/s och brandgaslagertemperatur Tb C. Gränslinjer för motströmning enligt (.6) och (.) redovisas för brandgaslagertjocklek hb.5,. och.5 m i Figur 4. respektive 4.. Kurvorna i Figur 4. och 4. visar att FDS-gränsfall och beräkning enligt (.6) respektive (.) ger samma resultat för lufthastigheter från upptill m/s eller från upptill C. Högre temperaturer kräver enligt FDS-gränsfall högre lufthastighet än enligt (.6) och.). De låga lufthastigheterna.5 och. m/s har motströmningen redan för brandgastemperaturen C och även enligt (.6) och (.). Kurvorna i Figur 4. och 4. visar att FDS-gränsfallen sammanfaller till en del med gränslinjen för brandgaslagertjockleken m. Brandgaslagrets tjocklek i en FDS-beräkning har skattats för ett mittplan under brandgaslagret för högra delen i Figur. med höjden m och längden m. Brandgaslagrets tjocklek skattas med högsta, lägsta och medeldensiteten för mittplanet och avvikelserna från FDS-modellens m är måttliga. Dessa mindre avvikelse påverkar givetvis gränshastigheten något. Slutsatsen är att beräkningsmetoderna med uttrycket (.6) och (.) ger resultat som stämmer med FDS-beräkningar för måttliga brandgaslagertemperaturer upptill 5 C, men inte högre. Uttrycket (.) är enklare än (.6) och kan ersättas med bashastigheten enligt (.7), vilket ger en mindre säkerhetsmarginal. Skillnaden mellan de två beräkningsuttrycken (.6) och (.)

26 9 Motströmsgräns (.6) och FDS-gränsfall h b T b o C v m/s Figur 4. Motströmgränser (.6) och FDS-gränsfall. 9 Motströmsgräns (.) och FDS-gränsfall h b T b o C v m/s Figur 4. Motströmgränser (.) och FDS-gränsfall. 4

27 5 Sammanfattning och slutsatser Syftet med denna arbetsrapport är att undersöka skydd mot brandgasspridning in i tunnlar, utrymningsvägar eller korridorer med en luftström. Branden finns inte i själva tunneln, utrymningsvägen eller korridoren utan i en anslutande volym med ett brandgaslager vars lägsta nivå är lägre än tunnelns, utrymningsvägens eller korridorens taknivå. Brandgaser med hög temperatur kan strömma in längs taket mot den utåtgående luftströmmen. Om lufthastigheten är tillräckligt hög sker ingen motströmning av brandgaserna längs taket. Om taket inte är horisontellt utan går uppåt underlättas motströmning. Motströmning förhindras betydligt och helt för ett tak som går neråt och för lufthastigheten noll eller ingen luftström når brandgaslagret horisontellt in i tunneln, utrymningsvägen eller korridoren tills den neråtlutande taknivån nås. Två enkla beräkningsmodeller för ett brandgaslager med en given geometri och temperatur används för att bestämma, vilken lufthastighet som krävs för att förhindra brandgasspridning in i tunneln, utrymningsvägen eller korridoren. Brandgaslagrets termiska tryckskillnad sätts lika med ändring i dynamiskt tryck för den ena metoden, medan sätts sätts lika med dynamiskt tryck för den andra metoden. De två beräkningsmetoderna redovisas i avsnitt. Beräkningar görs med FDS och en mindre tunnelmodell i avsnitt för att kontrollera beräkningsmetoderna beskriven i avsnitt. Själva tunneldelen har längden m och ett kvadratiskt tvärsnitt med sidan m. Beräkningsmodulen var. m. Ett hundra fall beräknas med alla kombinationer mellan brandgastemperaturerna från C i steg om C till C och tunnellufthastigheterna från.5 m/s i steg om.5 m/s till 5 m/s. Beräkningstiden var begränsad till 6 s. Gränsfallen när motströmning sker och inte sker sammanställs i avsnitt 4 och stämmer till en del med beräknade gränslinjer. Överensstämmelse är god för måttliga brandgaslagertemperaturer, men inte för höga brandgastemperaturer. Slutsatsen är de föreslagna beräkningsmetoderna enligt (.6) och.) för att bestämma den lufthastighet som förhindrar motströmning av inträngande brandgaser i en tunnel ger rimliga resultat för måttliga brandgastemperaturer. Uttrycket (.) är enklare än (.6) och kan ersättas med bashastigheten enligt (.7), vilket ger en mindre säkerhetsmarginal. 5