Beräkning av brand- och brandgasspridning via luftbehandlingssystem I denna artikel redovisas exempel på hur en funktionsbaserad brandteknisk lösning för ett luftbehandlingssystem kan utformas. Exemplet gäller fyra teknikrum i en kontorsfastighet. Artikeln är en fortsättning av en artikel i AMA-nytt 1/2000. Håkan Stenlund, Scandiaconsult Sverige AB I förra numret av AMA-nytt redovisades i artikeln Skydd mot brand- och brandgasspridning via luftbehandlingssystem kraven i BBR 99 och olika metoder för skydd mot brandgasspridning i huvudsak enligt följande: Två kravnivåer för skydd mot brandgasspridning redovisas i BBR, förhindra brandgasspridning alternativt avsevärt försvåra brandgasspridning. Vilken nivå som gäller för aktuellt objekt skall framgå av brandskyddsdokumentationen. För att uppnå den föreskrivna skyddsnivån finns ett antal metoder att tillgå såsom fläktar i drift, konverterat system, tryckavlastning, brandgasspjäll och separata system. För att skyddet mot brandspridning skall kunna klaras gäller att brandisoleringen skall uppfylla kraven enligt grupp 1 (provning enligt en speciell provningsmetod). Kravet innebär att kanalens yttemperatur inte någonstans får överskrida 160 C och lokalt 200 C vid en normal rumstemperatur av 20 C. I denna artikel redovisas ett exempel på hur en funktionsbaserad brandteknisk lösning för ett luftbehandlingssystem kan utformas. Systemet försörjer fyra teknikrum i en kontorsfastighet för vilka en beräkning av brandgasspridning och yttemperatur har utförts. Exemplet visar betydelsen av att en analys utförs och att den görs i samråd med en brandkonsult för att man skall erhålla en godtagbar och kostnadseffektiv lösning. Det är vidare viktigt att resultatet av analysen dokumenteras, förslagsvis i brandskyddsdokumentationen. Med en analys av det troliga brandförloppet kunde i detta fall en lägre temperatur, 300 C istället för standardbrandens 900 C, användas vid bedömning av risken för brandspridning, se figur 1. Vidare gav en analys av risken för brandgasspridning ett brandtryck av 200 Pa i detta exempel att jämföra med schablonvärdet 1000 Pa enligt Boverkets rapport 1994:13. I exemplet har programmet PFS (Program Flow System) använts för beräkning av brandgasspridningen. Programmet har tagits fram av professor Lars Jensen vid Lunds tekniska högskola, LTH, avdelningen för installationsteknik, och är ett generellt program för beräkning av flödessystem. Vid beräkning av yttemperaturer hos kanaler och risken för brandspridning har ett program från Gullfiber använts. För beräkning av temperatur i brandrummet har slutligen programmet CFAST (Consolidated Fire and Smoke Transport Model), utarbetat av National Institute of Standards and Technology (NIST), använts. Brandscenario Brandkonsulten i projektet har bedömt att brand i byggnadens kylcentral är det dimensionerande brandfallet. Kylcentralen är det teknikrum som har den största volymen samt mest brännbart material i form av elinstallationer för vätskekylaggregat (kylmaskiner), köldmedier och glykol för kylinstallationen. Golvarean är 117 m 2 och rumshöjden 3 m. Fyra standardiserade brandförlopp som anger brandens tillväxthastighet redovisas i NFPA 204M (National Fire Protection Association). Brandförloppet beskrivs med olika tillväxtfaktorer α, se tabell 1. Brandkonsulten i projektet har bedömt det aktuella brandförloppet till medelsnabbt (medium). Tabell 1. Brandförlopp. Brandförlopp Tillväxtfaktor α slow 0,00293 medium 0,01172 fast 0,0469 ultrafast 0,187 Brandeffekten beräknas enligt q = α t 2 (kw) där t = Tiden från att branden börjat (s) q = Brandeffekt (kw) α = Tillväxtfaktor (kw/s 2 ) Brandflöde (se AMA-nytt 1/2000 Brandtryck brandflöde ) för ett rum med ett 32 AMA-nytt VVS EL 2/2000
visst brandförlopp beräknas enligt uttrycket nedan som tagits fram av professor Lars Jensen, LTH, eller enligt tabell 11.43:1 i handboken Brandskyddsteknik för ventilationssystem (Backvik, Fagergren, Jensen m fl). = 0,28 V 0,53 α 0,43 (m 3 /s) där = Brandflöde (m 3 /s) V = Rumsvolym (m 3 ) För kylcentralen med medium brandförlopp erhålls brandflödet: = 0,28 V 0,53 α 0,43 = 0,28 351 0,53 0,01172 0,43 = 0,92 m 3 /s (920 l/s). Systembeskrivning Luftbehandlingssystemet som försörjer fyra teknikrum, i fortsättningen benämnt system teknik, betjänar en undercentral för värme och ett telerum i den undre källaren samt kylcentral och batterirum i den övre källaren, se figur 2. Systemet betjänas av en frånluftsfläkt, FF06, placerad på tak och ett tilluftsaggregat, TA06, placerat i fläktrum i den undre källaren. Varje teknikutrymme utgör egen brandcell i brandteknisk klass EI 60. Golvarean varierar mellan ca 117 m 2 (undercentral för värme och kylcentral) och 40 m 2 (telerum). Tilluftsdon utgörs i huvudsak av väggplacerade galler med anslutningslåda; frånluftsdonen utgörs av kontrollventiler och väggaller, tryckfall över don ca 35 70 Pa. Apparatdata Tilluftsaggregat TA06 Luftbehandlingsaggregat typ KLA med fläktdel KLLF-01-1 varvtal = 2366 r/min, max varvtal 4250 r/min. q = 0,315 m 3 /s Figur 1. Temperatur i kylcentralen med brandförlopp medium enligt tabell 1. Frånluftsfläkt FF06 Takfläkt typ SSSH 4-006 varvtal = 995 r/min q = 0,315 m 3 /s Läckage Platsgjutna betongkonstruktioner har förutsatts vara täta. Läckage sker enbart genom lätta konstruktioner av gipsskivor och mursten. Läckaget har beräknats med en schablon för kontorsbyggnader enligt BBR 99 (1,6 l/s m 2 vid 50 Pa) där den läckande ytan utgörs dels av rummens omslutande ytor och dels av ett tillägg för dörrspringor av 1 mm. Läckaget redovisas vid differenstrycket 50 Pa. Läckaget för kylcentralen har genom schablonberäkningen bedömts till 102 l/s vid 50 Pa. Figur 2. Luftbehandlingssystemet som försörjer fyra teknikrum. AMA-nytt VVS EL 2/2000 33
Analys av risken för brandgasspridning Överslagsberäkning En första kontroll av risken för brandgasspridning utförs med en överslagsberäkning för tilluftssystemet, den systemdel där brandgasspridning först sker. Metoden är konservativ och har god säkerhetsmarginal. Om det aktuella brandflödet är lägre än vad överslagsberäkningen visar finns ingen risk för brandgasspridning. Vid en överslagsberäkning bedöms brandgasspridning kunna ske när brandflödet är större än det normala tilluftsflödet för aktuellt rum. Brandtrycket sätts lika med tryckfallet i anslutningskanalen för tilluft. Beteckningar: i = Kanalbrandflöde, det flöde som pressas in i frånluftskanalen vid brand (l/s) p b = Brandtryck (Pa) q n = Normalt ventilationsluftsflöde genom rummet (l/s) = Läckflöde genom väggar (l/s) p tk = Tryckfall i anslutningskanal för tillluft inklusive don (Pa) p fk = Tryckfall i anslutningskanal för frånluft inklusive don (Pa) Förutsättningar: Normalt tilluftsflöde q n = 130 l/s Brandtryck p b = p tk = 80 Pa Tryckfall i anslutningskanal för tilluft inklusive don p tk = 80 Pa Tryckfall i anslutningskanal för frånluft inklusive don p fk = 55 Pa Läckflöde genom väggar vid 50 Pa = 102 l/s enligt Läckage. Brandflödet som branden förorsakar kan i gränsfallet (flödet i tilluftskanalen är noll, det vill säga brandgasspridning sker om brandflödet ökas ytterligare) läcka ut genom otätheter eller transporteras bort i frånluftskanalen som kanalbrandflöde. Kanalbrandflöde i frånluftskanalen beräknas enligt: i = q n (1 + p tk /p fk ) 0,5 = 130 (1 + 80/55) 0,5 = 202 l/s Brandtrycket förorsakar läckage enligt = (p b /p t ) 0,5 50 Pa = (80/50) 0,5 102 = 330 l/s. Totalt brandflöde: = i + = 202 + 330 = 532 l/s Enligt överslagsberäkningen med fläktar i drift inträffar således gränsfallet vid 532 l/s, det vill säga brandgasspridning sker om brandflödet överskrider detta värde. Det framräknade brandflödet enligt Brandscenario är betydligt större, 920 l/s, och därmed krävs mer noggranna analysmetoder och eventuellt en annan metod än fläktar i drift för att klara skyddet mot brandgasspridning. Datorberäkning med PFS Överslagsberäkningen för fläktar i drift visade således att systemet inte klarade kravet att förhindra brandgasspridning. Datorberäkningar har därför utförts för gränsfallet (det vill säga när brandgasspridning är på väg att ske) och kalla brandgaser. Vidare har följande metoder för skydd mot brandgasspridning analyserats (se AMAnytt 1/2000): Fläktar i drift Konverterat system Tilluftsfläktens kapacitet ökad till maximalt varvtal. Först har en tryckfallsberäkning utförts för att beräkna donens tryckfall vid korrekt injustering av de projekterade luftflödena för respektive rum (redovisas ej). I figur 3 redovisas resultatet vid brand i kylcentral och metoden fläktar i drift. Beräkningsresultaten redovisas för tydlighetens skull med förenklade schematiska figurer. Indata såsom kanallängder, dontryckfall, fläktkurvor m m som utgör indata till PFS har därför utelämnats. Förklaringar till figurerna 3 och 4: = Läckflöde genom rummets otätheter (l/s) q = Luftflöde (l/s) = Brandflöde, luftflöde som tillförs rummet och symboliserar luftens expansion vid brand (l/s) p = Tryck (Pa) p b = Brandtryck (Pa) Vid beräkningar med konverterat system har TA06 kompletterats med en frånluftsfläkt lika FF06 benämnd FF07. Fläkten monteras parallellt med TA06 med ett spjäll som öppnar mot den nya frånluftsfläkten vid brand varvid spjäll mot TA06 stänger. Frånluftsfläktens varvtal har därför anpassats så att de bägge frånluftssystemen erhåller ungefär lika flöden. Resultatet från beräkningarna visas i tabell 2. Tabell 2. Resultat av beräkningar av gränsfallet för brand i kylcentral vid olika metoder för skydd mot brandgasspridning. Metod Gränsfall Brand- (l/s) tryck (Pa) Fläktar i drift 422 174 Konverterat system 758 244 Max varvtal för TA06 690 320 34 AMA-nytt VVS EL 2/2000
Figur 3. Resultat av beräkning för system teknik, fläktar i drift gränsfallet, brandförlopp medium. Med fläktar i drift och den mest förfinade analysmetoden erhålls brandgasspridning vid ca halva (422 l/s) det aktuella brandflödet (920 l/s) enligt brandscenario. De metoder som kan vara aktuella för att förhindra brandgasspridning för brandflödet 920 l/s (motsvarar 957 l/s vid 300 C) är konverterat system med frånluftsfläktarnas kapacitet ökad för att klara brandflödet eller brand/brandgasspjäll. Ett konverterat system som klarar brandgasflödet 920 l/s kräver exempelvis att fläktkapaciteten för ordinarie frånluftssystem ökas genom att fläktens varvtal ökas till 1190 rpm (995) och fläktkapaciteten för det konverterade tilluftssystemet ökas genom att fläktens varvtal ökas till 1350 rpm (1175), se figur 4. Vid metoden fläktar i drift bör risken för stora undertryck beaktas och därmed problem att öppna dörren (max öppningskraft får inte överstiga 130 N). Vidare finns en risk för tvärströmning i rummet i fall systemen har för olika tryckuppsättning. Öppningskraften för närliggande rum vid brand understiger 130 N. Analys av risken för brandspridning Temperaturberäkningar med PFS Beräkning av luftens temperatur i kanalsystemet har utförts med datorprogrammet PFS för gränsfallet vid fläktar i drift. Resultaten redovisas i tabell 3. Som framgår av resultaten så når temperaturen vid fläkten 200 C redan vid måttliga temperaturer i brandrummet. Detta beror delvis på att utspädning av rumstempererad luft från övriga brandceller blir låg då flödet från kylcentralen tränger undan övriga flöden. Vidare framgår att med ökad temperatur krävs ett ökat brandgasflöde för att erhålla brandgasspridning. En temperatur i brandrummet av 300 C ger en temperatur av ca 225 C i samlingskanalens början vid fläktar i drift, se figur 4. Yttemperaturberäkning med Gullfibers program Temperaturberäkningar för konverterat system för brandflödet 920 l/s ger en högsta temperatur (ordinarie tilluftssystem) av 250 C och massflöde m = 0,27 kg/s vid samlingskanalens början. Resultatet av yttemperaturberäkningarna redovisas i tabell 4. Temperaturberäkningar med Gullfibers program visar att temperaturen vid fläkten uppgår till 170 C på grund av värmeavgivning från samlingskanalen (PFS tar inte hänsyn till värmeavgivning genom kanalväggar utan beräknar luftens blandningstemperatur). Yttemperaturen understiger kravet för grupp 1, +160 C (enligt artikeln i AMA-nytt nr 1/2000) med god marginal (cirka +75 C) trots att enbart isolering i brandteknisk klass EI 15 utnyttjas för en brandcell i brandteknisk klass EI 60. Tabell 3. Resultat av temperaturberäkningar med fläktar i drift. Temperatur i brandrum Brandtryck Brandgasflöde Massflöde Temperatur vid samlingskanal ( C) (Pa) (l/s) (kg/s) ( C) 20 174 422 0,506 20 280 300 180 181 553 568 0,465 0,462 185 209 400 182 578 0,459 225 500 185 666 0,441 381 AMA-nytt VVS EL 2/2000 35
Figur 4. Resultat av beräkning för systemet teknik, konverterat system med ökad fläktkapacitet gränsfallet, brandförlopp medium. Om inte en bedömning av brandförloppet görs blir man hänvisad till att följa värdena för standardbrandkurvan enligt ISO 834 efter tiden 60 minuter (brandteknisk klass EI 60). Standardbrandkurvan ger en temperatur av 945 C efter 60 minuter, detta medför att en isolertjocklek av 130 mm krävs för att klara yttemperaturkravet 160 C (isolertjocklek 130 mm ger en yttemperatur av 156 C i samlingskanalen). I normalfallet sker den största tryckuppbyggnaden i brandens initialskede och de högsta temperaturerna i brandrummet erhålls efter att branden utvecklats. Detta medför att risken för brandspridning minskas när risken för brandgasspridning är störst har temperaturen ännu inte nått sitt högsta värde. Sammanfattning För att klara skyddsnivån förhindra brandgasspridning är endast två metoder aktuella för detta system: brandgasspjäll eller konverterat system Ytterligare en möjlig metod fläktar i drift klarade endast att förhindra brandgasspridning upp till cirka halva aktuella brandflödet för detta system. Vid konverterat system bör fläktstorlekarna förslagsvis väljas enligt Datorberäkning av risken för brandgasspridning med PFS. Vid fläktar i drift krävs dessutom en temperaturtålig fläkt som klarar ca 170 C (standardfläkt klara 150 C under 10 timmar, se AMA-nytt 1/2000). Vid val av konverterat system bör dessutom problemet med att öppna dörrar vid utrymning beaktas (det uppstod inget problem för detta system) samt att om det normala tilluftssystemet nyttjas för transport av brandgaser så är det svårt att sanera efter branden röklukten stannar kvar. Skydd mot brandspridning erhålls med isolering i brandteknisk klass EI 15, isolertjocklek 30 mm där kanalerna inte är förlagda i brandtekniskt klassade schakt. Exemplet visar hur en funktionsbaserad lösning för ett luftbehandlingssystem kan utformas. Skyddet mot brandgasspridning kan utföras något billigare jämfört med en schablonlösning då isolering i brandteknisk klass EI 15 räcker. Vidare framkom att det finns ett alternativ till brandgasspjäll för att klara skyddet mot brandgasspridning. Alternativet är ett konverterat system vilket gör att man slipper brandgasspjäll ute i anläggningen och därmed ytterligare servicepunkter. För detta system valdes metoden konverterat system. Motivet till valet var att minimera och samla driftpunkterna till i huvudsak fläktrum och därigenom underlätta för driftpersonalen samt undvika störningar för hyresgästerna. Tabell 4. Beräkning av yttemperatur. Massflöde Temperatur, Yttemperatur ( C) efter x m med 30 mm isolering brandteknisk klass EI 15 (kg/s) brandgaser 5 10 15 20 25 C 0,27 250 76 74 73 72 71 36 AMA-nytt VVS EL 2/2000