Ventilationsbrandskyddsarbete med PFS Lars Jensen Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet, 2017 Rapport TVIT-17/7106
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 112 000 invånare. En del forsknings- och utbildningsinstitutioner är dock belägna i Malmö, Helsingborg och Ljungbyhed. Lunds Universitet grundades 1666 och har idag totalt 6 800 anställda och 47 000 studerande som deltar i ett 280 utbildningsprogram och ca 2 200 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.
Ventilationsbrandskyddsarbete med PFS Lars Jensen
Lars Jensen ISRN LUTVDG/TVIT--17/7106--SE(54) Avdelningen för installationsteknik Institutionen för bygg- och miljöteknologi Lunds tekniska högskola Lunds universitet Box 118 22100 LUND
Innehållsförteckning 1 Inledning 5 Arbetssätt 12 2 Halvgrafik för en principskiss 13 3 Textelement för ventilationssystem och byggnad 17 Kanaldelar 17 Kanaldimensionering 18 Don, spjäll och aggregat 18 Fläkt 19 Växlande komponenter 19 Byggnadsläckage 20 Byggnadsöppningar 20 4 Textelement för brand 21 Brandflöde 21 Brandtryck 21 Brandkrav och brandsimulator 22 Backströmningsskydd 23 VAV-drift 24 5 Beräkning 25 Förenkling och förminskning 25 Parametrar och parameterberäkning 27 Tvåstegsberäkning 27 Tolkaren och lösarens arbetssätt 27 Tabellerade beräkningar 29 6 Tillämpningsexempel 31 Skattning av utspädning 31 Skattning av frånluftstemperatur 32 FT-system med snickarglädje 32 Förenklat FT-system med utspädningsberäkning 38 Förenklat F-system med frånluftstemperaturberäkning 40 Konverterat FT-system 42 7 Tumregel för gränsbrandflöde 45 Gränsfall för brandgasspridning i F-system 45 Gränsfall för brandgasspridning i FT-system 46 Tumregel för gränsbrandflöde 47 Tillämpning 49 Jämförelse mellan ansats och exakt beräkning 50 8 Begränsad och kortfattad PFS-översikt 53 3
4
1 Inledning Syftet med denna dokumentation är att kunna beskriva ett ventilationssystem med en skiss, dimensionera kanaler, injustera don och kontrollera ventilationsbrandskydd med hjälp av PFS. Ett datorprogram som beräknar statiska flödesproblem för en given situation. Flödesproblemet beskrivs i ett begin-end-block med inledande deklarationer följt av en halvgrafisk principskiss, där ledningar beskrivs med dubbellinjegrafik och volymer med enkellinjegrafik. Ingående komponenters egenskaper beskrivs anslutna texter. Principen för PFS lätt att förstå, men tar tid att behärska. PFS använder tecken och halvgrafiska tecken enligt Figur 1.1. PFS använder endast små bokstäver med två undantag. Användaren kan däremot ge godtyckliga namn med både små och stora bokstäver blandat. Alla figurer här är gjorda med PFS med en enkellinje i position 1 om tom och i position 80 om tom, vilket är halva bildbredden i PFS. Alla redovisade exempel har därför samma rutstorlek och läsbarhet. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 + - * / ( ) = < >., :? " # ABCDEFGH I J K LMNOPQRST UVWXYZ Ä Å Ö a b c d e f g h i j k l mn o p q r s t u v w x y z ä å ö t e x t t e x t t e x t t e x t C t r l - F Figur 1.1 Tecken och halvgrafik i PFS. Sju halvgrafiska tecken nederst till vänster är otillåtna. PFS är ett stort vitt hål förr svart i DOS som skall fyllas med texter och halvgrafik, som beskriver av ett godtyckligt flödessystem som skall beräknas. Programmets största begränsning är därför användaren. En mindre begränsning är att det inte finns några begränsningar, eftersom fritt format gäller för hur ett flödesproblem kan utformas och beskrivas. Exempel på detta visas i Figur 1.2. Ändringsförberedda mallar kan styra upp problemet med fritt format. PFS har grundprincipen att halvgrafiken med textelement skall vara läsbart och koncis. Grafikens storlek är utan betydelse och får inte uppfattas som en CAD-ritning. Dubbla och enkla linjer är endast sammankopplande. Det är anslutna textelement som bestämmer storleken. Olika komponenter som fläktar, spjäll och injusterbara don skall definieras på en rad. Hur luftkanaler skall dimensioneras anges även med en rad. Tryckfallsfunktioner för raka kanaler, böjar, grenstycken och övergångar bestäms av styrvariabler. 5
PFS-indatabeskrivning för fyra olika utformningar av ett kubiskt flödesnätverk av tolv kantlinjeledningar km matade via en rymddiagonal som redovisas i Figur 1.2. Problemet kan lösas med penna och papper genom seriekoppling av tre lämpligt valda parallellkopplingar, vilket ett rymddiagonalperspektiv nederst till vänster visar. b e g i n " e x emp e l 2 8 " f o r ma t q 1 o 0 s e t k m= t, 1 : q = h, 3 6 : q 1 k m 2 k m k m k m k m 1 k m 4 k m k m k m k m k m k m k m k m 1 k m 5 k m 2 k m 6 k m 2 k m 3 k m k m 4 k m 3 k m k m k m k m k m k m 4 k m 8 k m 5 k m 8 k m 5 k m 6 k m k m " 2 " k m 3 k m 7 " 3 " k m k m k m " 4 " 8 k m 7 " 1 " k m " 8 " k m k m " 7 " 6 k m 7 k m " 5 " k m " 6 " k m 1 7 e n d Figur 1.2 Exempel på fyra olika beskrivningar av samma kubiska flödesproblem. 6
Hur ett FT-system med fyra lika lokaler ser ut i PFS redovisas för fyra olika beräkningar med normal drift utan injustering i Figur 1.3, normal drift utan injustering med brand i Figur 1.4, normal drift med injustering i Figur 1.5 samt normal drift med injustering med brand i Figur 1.6. Ventilationsflödet för varje lokal är 50 l/s. Olika komponenters tryckfall/flödespar Pa:l/s är för tilluftsaggregat 210:200, tilluftsdon 40:50, fasad 50:100, frånluftsdon 60:50 och frånluftsaggregat 190:200. Samma fläkttyp används för tilluft och frånluft med nominellt varvtal. Fläktkurvan ges med tre tryckstegring/flödespar Pa:l/s som 300:0, 275:200 och 200:400. Båda kanalsystemen är lika med fyra stamkanaldelar 250 mm och 3 m samt fyra anslutningskanaler 160 mm och 3 m. Kanaltryckfallet är mindre än 1 Pa/m. Kanalsystemets tryckfall uppskattas till högst 25 Pa. Det nominella tryckfallet för T-system och F-system är lika och 275 Pa. Utskrift av flöde och temperaturer för fasaddelar, tilluftsdon, frånluftsdon, stamkanaldelar, tillluftsfläkt och frånluftsaggregat görs. Teckenkonventionen positivt åt höger och neråt gäller. Tilluftsflöde och frånluftsflöde avviker något från nominella 50 l/s. Fasaden uppvisar både infiltration och exfiltration. b e g i n. f l ow l / s " f l ö d e s s o r t " f o r ma t T 0 p 0 q 0 " i n g a u t s k r i f t s d e c i ma l e r " c o n t r o l d u c t = 1 b e n d = 1 c o n = 1 d i m= 1 d e n c a s e = 1 " v e n t i l a t i o n s k a n a l s y s t em " r a d i a l SF 3 0 0 : 0 2 7 5 : 2 0 0 2 0 0 : 4 0 0 " n om i n e l l f l ä k t k u r v a " r ms = 0. 0 0 0 s e t T d o n = t, 4 0, 5 0 : q T F d o n = t, 6 0, 5 0 : q T " t i l l u f t s d o n o c h f r å n l u f t s d o n " s e t f a s a d = t, 5 0, 8 0 : q T " f a s a d l ä c k a g e 8 0 l / s v i d 5 0 P a " s e t d g = d, 1 6 0, 3 = d, 2 5 0, 3 : q T " g r e n k a n a l s t amk a n a l < 1 P a / m " T, 2 0 T, 2 0 t, 2 1 0, 2 0 0 SF : < SF : q T > t, 1 9 0, 2 0 0 : q T 2 0 5 l / s - 2 0 5 l / s 2 0 C 2 0 C 2 0 5 l / s - 2 0 5 l / s T, 2 0 f a s a d 2 0 C T d o n F d o n d g 2 0 C 4 0 0 4 0 0 4 l / s 5 0 l / s 5 4 l / s 2 0 C 1 5 5 l / s 2 0 C 2 0 C - 1 5 0 l / s 2 0 C 2 0 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 3 0 0 3 0 0 0 l / s 5 1 l / s 5 1 l / s 2 0 C 1 0 4 l / s 2 0 C 2 0 C - 9 9 l / s 2 0 C 2 0 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 2 0 0 2 0 0-2 l / s 5 2 l / s 5 0 l / s 2 0 C 5 2 l / s 2 0 C 2 0 C - 4 9 l / s 2 0 C 2 0 C T, 2 0 f a s a d a d g T d o n F d o n d g a 1 0 0 1 0 0-3 l / s 5 2 l / s 4 9 l / s 2 0 C 2 0 C 2 0 C e n d 1 b l o c k 1 s y s t em 6 0 e l eme n t s 0 e r r o r s 0 o b s e r v a t i o n s 2 0 1 7-0 5-0 9 0 9. 4 2. Figur 1.3 Resultat för normal drift med trix=0. 7
Utskrift av flöde och temperaturer för fasaddelar, tilluftsdon, frånluftsdon, stamkanaldelar, tilluftsfläkt och frånluftsaggregat. Teckenkonventionen positivt åt höger och neråt gäller. En brand med brandflödet 400 l/s och brandtemperaturen 300 C finns i lokal 100 nederst. Brandgasspridning sker från lokal 100 till lokal 200. Brandflödet delas upp genom fasad 205 l/s, tilluftsdon -79 l/s och frånluftsdon 116 l/s. Inflöden till FT-systemet är brandflödet 400 l/s och tilluftsflödet 173 l/s, Utflöden är via fasad 41, 44, 57 och 205 l/s samt frånluftsfläkt 226 l/s. Summa inflöden och utflöden blir 573 l/s. Brandtrycket är 168 Pa. Frånluftstemperaturen är 158 C. Tilluftsflöden till lokal 200-400 ökar, medan frånluftsflödena minskar från lokal 200-400. b e g i n. f l ow l / s " f l ö d e s s o r t " f o r ma t T 0 p 0 q 0 " i n g a u t s k r i f t s d e c i ma l e r " c o n t r o l d u c t = 1 b e n d = 1 c o n = 1 d i m= 1 d e n c a s e = 1 " v e n t i l a t i o n s k a n a l s y s t em " r a d i a l SF 3 0 0 : 0 2 7 5 : 2 0 0 2 0 0 : 4 0 0 " n om i n e l l f l ä k t k u r v a " r ms = 0. 0 0 0 s e t T d o n = t, 4 0, 5 0 : q T F d o n = t, 6 0, 5 0 : q T " t i l l u f t s d o n o c h f r å n l u f t s d o n " s e t f a s a d = t, 5 0, 8 0 : q T " f a s a d l ä c k a g e 8 0 l / s v i d 5 0 P a " s e t d g = d, 1 6 0, 3 = d, 2 5 0, 3 : q T " g r e n k a n a l s t amk a n a l < 1 P a / m " T, 3 0 0 T, 2 0 T, 2 0 h? t, 2 1 0, 2 0 0 SF : < 1 6 8 P a q, 4 0 0 SF : q T > t, 1 9 0, 2 0 0 : q T 1 7 3 l / s - 2 2 6 l / s 1 0 0 2 0 C 1 5 8 C 1 7 3 l / s - 2 2 6 l / s T, 2 0 f a s a d 2 0 C T d o n F d o n d g 1 5 8 C 4 0 0 4 0 0-4 1 l / s 7 8 l / s 3 7 l / s 2 0 C 9 5 l / s 2 0 C 2 0 C - 1 9 0 l / s 2 0 C 2 0 1 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 3 0 0 3 0 0-4 4 l / s 7 8 l / s 3 4 l / s 2 0 C 1 7 l / s 2 0 C 2 0 C - 1 5 5 l / s 2 0 C 2 7 6 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 2 0 0 2 0 0-5 7 l / s 9 7 l / s 4 0 l / s 2 1 6 C - 7 9 l / s 2 1 6 C 2 1 6 C - 1 1 6 l / s 3 0 0 C 3 0 0 C T, 2 0 f a s a d a d g T d o n F d o n d g a 1 0 0 1 0 0-2 0 5 l / s - 7 9 l / s 1 1 6 l / s 3 0 0 C 3 0 0 C 3 0 0 C e n d 1 b l o c k 1 s y s t em 6 3 e l eme n t s 0 e r r o r s 0 o b s e r v a t i o n s 2 0 1 7-0 5-0 8 2 3. 4 0. Figur 1.4 Resultat för normal drift med brandflöde 400 l/s i lokal 100 med trix=0. 8
Tvåstegsberäkning av FT-system med resultat för steg 1 i Figur 1.5 och för steg 2 i Figur 1.6. Fyra tilluftdon och fyra frånluftsdon injusteras till önskade flöden 49 l/s respektive 51 l/s, vilket framgår av definitionerna Tdon och Fdon. Nödvändigt dontryckfall eller strypning skrivs ut under varje don. Fasadinflödet är 2 l/s lika med skillnaden mellan frånluft och tilluft. Totalflödet för tilluft och frånluft är 196 respektive 204 l/s. Alla temperaturer är 20 C. En styrvariabel trix=1 anger att beräkningen är en tvåstegsberäkning med redovisning av resultat för steg 1. Brandtemperatur och brandflöde anges för steg 1 och 2 som T,20,300 och q,0,400, vilket i steg 1 innebär 20 C och 0 l/s. b e g i n. f l ow l / s " f l ö d e s s o r t " f o r ma t T 0 p 0 q 0 " i n g a u t s k r i f t s d e c i ma l e r " c o n t r o l d u c t = 1 b e n d = 1 c o n = 1 d i m= 1 d e n c a s e = 1 t r i x = 1 " v e n t i l a t i o n s k a n a l s y s t em " r a d i a l SF 3 0 0 : 0 2 7 5 : 2 0 0 2 0 0 : 4 0 0 " n om i n e l l f l ä k t k u r v a " r ms = 0 s e t T d o n = t? 4 9 : q T F d o n = t? 5 1 : q T " t i l l u f t s d o n f r å n l u f t s d o n " s e t f a s a d = t, 5 0, 8 0 : q T " f a s a d l ä c k a g e " s e t d g = d, 1 6 0, 3 = d, 2 5 0, 3 : q T " g r e n k a n a l s t amk a n a l " T, 2 0, 3 0 0 T, 2 0 T, 2 0 h? t, 2 1 0, 2 0 0 SF : < 0 P a q, 0, 4 0 0 SF : q T > t, 1 9 0, 2 0 0 : q T 1 9 6 l / s - 2 0 4 l / s 1 0 0 2 0 C 2 0 C 1 9 6 l / s - 2 0 4 l / s T, 2 0 f a s a d 2 0 C T d o n F d o n d g 2 0 C 4 0 0 4 0 0 2 l / s - 6 3 P a - 7 3 P a 2 0 C 1 4 7 l / s 4 9 l / s 5 1 l / s - 1 5 3 l / s 2 0 C 2 0 C 2 0 C 2 0 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 3 0 0 3 0 0 2 l / s - 6 4 P a - 6 5 P a 2 0 C 9 8 l / s 4 9 l / s 5 1 l / s - 1 0 2 l / s 2 0 C 2 0 C 2 0 C 2 0 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 2 0 0 2 0 0 2 l / s - 6 5 P a - 6 0 P a 2 0 C 4 9 l / s 4 9 l / s 5 1 l / s - 5 1 l / s 2 0 C 2 0 C 2 0 C 2 0 C T, 2 0 f a s a d a d g T d o n F d o n d g a 1 0 0 1 0 0 2 l / s - 6 6 P a - 5 9 P a 2 0 C 4 9 l / s 5 1 l / s 2 0 C 2 0 C e n d 1 b l o c k 1 s y s t em 6 3 e l eme n t s 0 e r r o r s 0 o b s e r v a t i o n s 2 0 1 7-0 5-0 9 0 9. 1 8. Figur 1.5 Injustering av FT-system med trix=1. Under steg 1 är det möjligt att dimensionera kanaler och anpassa fläktvarvtal. 9
Tvåstegsberäkning med brand med temperatur 300 C och flödet 400 l/s i lokal 100 under steg 2 redovisas i Figur 1.6. Injustering av FT-systemets tilluftsdon och frånluftsdon har gjorts i steg 1 redovisat i Figur 1.5. Brandgasspridning sker från lokal 100 till lokal 200. Brandflödet delas upp genom fasad 217 l/s, tilluftsdon -58 l/s och frånluftsdon 125 l/s. Inflöden till FT-systemet är brandflödet 400 l/s och tilluftsflödet 162 l/s, Utflöden är via fasad 36, 37, 46 och 217 l/s samt frånluftsfläkt 226 l/s. Summa inflöden och utflöden blir 562 l/s. Brandtrycket är 188 Pa. Frånluftstemperaturen är 161 C. Tilluftsflöden till lokal 200-400 ökar, medan frånluftsflödena minskar från lokal 200-400. b e g i n. f l ow l / s " f l ö d e s s o r t " f o r ma t T 0 p 0 q 0 " i n g a u t s k r i f t s d e c i ma l e r " c o n t r o l d u c t = 1 b e n d = 1 c o n = 1 d i m= 1 d e n c a s e = 1 t r i x = 3 " v e n t i l a t i o n s k a n a l s y s t em " r a d i a l SF 3 0 0 : 0 2 7 5 : 2 0 0 2 0 0 : 4 0 0 " n om i n e l l f l ä k t k u r v a " r ms = 0 s e t T d o n = t? 4 9 : q T F d o n = t? 5 1 : q T " t i l l u f t s d o n f r å n l u f t s d o n " s e t f a s a d = t, 5 0, 8 0 : q T " f a s a d l ä c k a g e " s e t d g = d, 1 6 0, 3 = d, 2 5 0, 3 : q T " g r e n k a n a l s t amk a n a l " T, 2 0, 3 0 0 T, 2 0 T, 2 0 h? t, 2 1 0, 2 0 0 SF : < 1 8 8 P a q, 0, 4 0 0 SF : q T > t, 1 9 0, 2 0 0 : q T 1 6 2 l / s - 2 2 6 l / s 1 0 0 2 0 C 1 6 1 C 1 6 2 l / s - 2 2 6 l / s T, 2 0 f a s a d 2 0 C T d o n F d o n d g 1 6 1 C 4 0 0 4 0 0-3 6 l / s 6 9 l / s 3 3 l / s 2 0 C 9 3 l / s 2 0 C 2 0 C - 1 9 3 l / s 2 0 C 2 0 1 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 3 0 0 3 0 0-3 7 l / s 6 9 l / s 3 2 l / s 2 0 C 2 4 l / s 2 0 C 2 0 C - 1 6 1 l / s 2 0 C 2 6 6 C T, 2 0 f a s a d d g T d o n F d o n d g 2 0 0 2 0 0-4 6 l / s 8 3 l / s 3 6 l / s 1 7 4 C - 5 8 l / s 1 7 4 C 1 7 4 C - 1 2 5 l / s 3 0 0 C 3 0 0 C T, 2 0 f a s a d a d g T d o n F d o n d g a 1 0 0 1 0 0-2 1 7 l / s - 5 8 l / s 1 2 5 l / s 3 0 0 C 3 0 0 C 3 0 0 C e n d 1 b l o c k 1 s y s t em 6 3 e l eme n t s 0 e r r o r s 0 o b s e r v a t i o n s 2 0 1 7-0 5-0 9 0 9. 2 0. Figur 1.6 Injusterat FT-system med brandpåverkan med trix=3. 10
PFS har utvecklats under mer än tjugo år med bibehållen och utökad funktion bortsett från marginella ändringar av vissa funktioner. Arbetsbänken eller huvudprogrammet pfs.exe, en texteditor, har inte ändrats på femton år, medan tolkaren och lösaren sfs.dll, som anropas av pfs.exe, har utvecklats fortlöpande. PFS-beräkning av ett ventilationssystem innebär att kanaldimensioner bestäms först, därefter injusteras alla spjäll, don och fläktars varvtal samt slutligen görs en kontrollberäkning med normala eller särskilda förutsättningar. Denna arbetsgång är möjlig att genomföra med PFS i en enda beräkning, som görs internt i två steg. Tvåstegsberäkning förutsätts här genomgående. PFS-tillstånd har teckenkonventionen att allt räknas positivt åt höger och neråt samt negativt åt vänster och uppåt. Detta gäller för flöden, startflöden, hastigheter, tryckändringar och nivåändringar samt för fläktar och andra textelement med olika egenskaper beroende på strömningsriktning. Alla flöden anges här med sorten l/s. Standardsort är annars m 3 /s. PFS-språkelement redovisas med fetstil i texten. Flera begin-end-block kan beräknas i samma körning. Samma begin-end-block kan beräknas ett flertal gånger med olika indata, vilka kan tabelleras tillsammans med motsvarande resultat och exporteras till en textfil. Elementtexter i klartext fås med hjälp av raden set klt=klartextelement. Detaljer är viktiga. Förväxling av. decimalpunkt och, komma får ett argument att bli två eller två att bli ett. PFS-utskrifter av beräkningsresultat görs alltid för sökta variabler angivna med frågetecken? eller synonymen fpv i tvåstegsberäkning. Utskrifter görs för textelement med tilläggsargument efter : följt av typbokstäverna till exempel för tryckskillnad h, flöde q, hastighet v, temperatur T och spårämne c. Flera olika utskrifter kan göras för samma textelement med risk för överskrivning och sämre läsbarhet. Utskrift av alla elementflöden fås med raden print :q. Utskriftsformatet styrs med format följt av typbokstav och antal decimaler. Typbokstaven o följt av 0 ger sortlös utskrift, 1 utskrift på en rad med sort och 2 utskrift med sort på två rader. Enbart : är typbokstaven för utskriftselementet följt av typbokstäver för önskad utskriftstyp. Tabellerade utskrifter fås för alla textelement med tilläggsargumentet w. Andra tilläggsargument är <, >, i och o för att ange negativ respektive positiv riktning och elements inlopp respektive utlopp. Inlopp är enligt teckenkonventionen till vänster och över samt för utlopp tvärtom. Utgångsläget för utskrifter avser inlopp. Tilläggsargumentet > är egentligen överflödigt, medan < innebär omkastad riktning. Referenser till en på www.hvac.lth.se nerladdningsbar referensmanual TVIT-7100 görs med ett sidnummer på formen (7100:sidnr). Andra TVIT-rapporter refereras på samma sätt. 11
Arbetssätt Arbetssättet med PFS kan delas upp i fem faser, problembeskrivning, editering av indatabeskrivning, ingen numerisk lösning, granskning av beräkningsresultat och utnyttjande av beräkningsresultaten. Några goda råd för de fem faserna ges nedan. starta alltid med att rita en principskiss med penna och papper finns det indatabeskrivningar till snarlika problem eller mallar som kan användas bedöm alltid beräkningsbarheten genom att uppskatta antalet obekanta och element använd egna textelement i klartext planera med tvåstegsberäkning planera vad som skall skrivas ut och tabelleras. planera utformning för att kunna göra utökningar starta först med små system som kan vara en förenkling av ett stort system sektionera stora system med knutpunkter som i Figur 2.8 och 2.11 använd rutnät för att styra upp friritning testa ritning av dubbellinjer med elementtexter och enkellinjer med Insert on eller off bygg upp med små moduler med hjälp Insert block Ctrl Right, Down, Left och Up använd Alter block för att kunna ändra både halvgrafik och textelement samtidigt. spara alltid en indatabeskrivning efter mycket editering och före en beräkning exportera tabellresultat till en textfil för annan bearbetning ingen numerisk lösning är normal drift i steg 1 ok? är flödesriktningar ok? räcker fläktarna till? är vissa tryck orimligt höga? prova mindre avvikande indata? prova andra startvärden? är temperaturberäkning ofullständig? sänka konvergenskraven? kontrollera end-radens antal system, element, fel och observationer kontrollera resultat efter steg 1 och efter steg 2 vid tvåstegberäkning kontrollera flödesriktningar med Flow-fönstret. kontrollera elementegenskaper med State-fönstret kontrollera och rätta fel i Error-fönstret (fel kan vara följdfel att tidigare fel) kontrollera och rätta observationer i Error-fönstret med styrvariabel obserrr=1 kontrollera fel och observationer samlat i Table-fönstret. kontrollera konvergensförloppet i Table-fönstret med styrvariabeln table=12. kopiera hela eller delar av resultatfönstret till Word-dokument. jämför resultatet med förväntat resultat, tumregler och andra beräkningssätt glöm inte att spara indatabeskrivning 12
2 Halvgrafik för en principskiss Halvgrafiken med dubbellinjer och enkellinjer kan ritas med cursorn eller musen med Insert off, men cursorn är mer platsbesparande jämfört med musen. Ritning av dubbellinjer kan väljas med funktionstangent F2. Elementtext ansluts direkt över eller till höger under ritning. Anslutning kan även ske under eller till vänster genom att inleda elementtexten med en vagnretur. Ritning med Insert on ger inga sammankopplingar till elementtexter eller andra anslutande linjer. Exempel på olika textelementanslutningar visas i Figur 2.1. Elementtexter på liggande dubbellinjer kan anslutas godtyckligt. t e x t t e x t t e x t t e x t Figur 2.1 Normal textelementanslutning Öppna systems ytterändar skall alltid avslutas med ett element som visas i Figur 2.2. Detta krav beror på att elementfria ändar förväntas sammankopplas med andra motriktade elementfria ändar. Sammankopplande grafiska ledningselement med tryckfall visas i Figur 2.3 och utan tryckfall i Figur 2.4. De tryckfallsfria kopplingarna görs med fulltecknet Ctrl-F. t e x t t e x t t e x t t e x t t e x t t e x t t e x t t e x t Figur 2.2 Korrekt och felaktig avslutning av ett systems ytterändar. Figur 2.3 Exempel på grafiska ledningselement, grenstycken och 90 -böjar med tryckfall. Figur 2.4 Exempel på grafiska ledningselement, grenstycken och 90 -böjar utan tryckfall. 13
Halvgrafikens planfria icke sammankopplade korsningar i Figur 2.5 ritas med Insert on mot normala Insert off. Sammankopplande tryckfallsfria korsningar kan ritas med fulltecken Ctrl-F, tresiffrigt knutpunktsnummer och dito i en enkellinjebox, vilket visas i Figur 2.6. Figur 2.5 Exempel på fyra planfria korsningar. 1 2 3 4 5 6 Figur 2.6 Exempel på tre tryckfallsfria sammankopplingar och en korsning med tryckfall. Standardknutpunkterna 1-999 kan användas som textelement för att knyta samman olika delar av ett system. Knutpunkter anges normalt för delsystemets ytterändar som skall knutas samman. Inre knutpunkter kan också användas. Tresiffriga tryckfallsfria knutpunkter med inledande nollor kan anges direkt i ledningsnät som i Figur 2.7. Textknutpunkter kan deklareras efter connection och exemplifieras med ett uppdelat ventilationssystem i Figur 2.8. 0 0 2 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 0 0 1 0 0 3 0 0 4 Figur 2.7 Exempel på tre siffriga knutpunkter i ledningsnät. c o n n e c t i o n T 1 T 2 T 3 F 1 F 2 F 3 F 4 s e t = d, 5 0 0, 3 d s = d, 8 0 0, 1 2 F 1 d s F F T F d s T 1 F 2 d s d s T 2 F 3 d s d s T 3 F 4 d s T 1 T 2 T 3 F 1 F 2 F 3 F 4 Figur 2.8 Exempel på huvudsystem med namngivna delsystem. 14
Det finns även en variabel knutpunkt med definitionstecknet # följt av en parameter. Detta kan användas för att koppla in en brand till en lokal med ett givet knutpunktsnummer. Tryckfall för kanaler, böjar, grenstycken och dimensionsövergångar samt temperaturberoende densitet och uteluftens densitet bestäms av några styrvariabler med raden: control duct=1 bend=1 con=1 dim=1 dencase=1 denz=1.2 Utgångsvärden till ovanstående innebär inga tryckfall för kanaler, böjar, grenstycken och dimensionsövergångar samt konstant temperaturoberoende densitet och kan anges med: control duct=0 bend=0 con=0 dim=0 dencase=0 denz=1.2 Beräkningar med X-grenstycke med två inflöden och två utflöden kan inte beräknas, eftersom det finns inga tryckfallsdata. De två flödesparen kan vara mot/medriktade eller intilliggande. En kanalsträckas dimension och längd anges med ett d-element. En kanalsträckas böjar behöver inte ritas som grafiska böjar utan summeras och anges med ett b-element. Dimensioner för böjar och grenstycken bestäms av anslutande kanalers d-element. Enkellinjevolymer kan användas för att beskriva rum/lokaler anslutna till ett ventilationskanalsystem, men även för att förtydliga fördelningslådor eller samlingslådor. En enkellinjevolym är tryckfallsfri. En enkellinjevolym behöver inte vara sluten utan en enkellinje är en sätt att koppla samman ett antal dubbellinjer till en gemensam tryckfallsfri knutpunkt, vilket visas överst i Figur 1.2. Alla intilliggande enkellinjevolymer i Figur 2.9 är en enda volym. Skilda enkellinjevolymer som i Figur 2.10 måste skiljas åt minst en hel halvgrafikruta. Grenstycken med enkellinjer är otillåtna och vilka de är visas i Figur 1.1. Figur 2.9 Exempel på tre otillåtna volymsystem och en korrekt volym. Figur 2.10 Exempel på tillåtna volymsystem för de otillåtna i Figur 2.9 med mellanrutor. 15
Stora system behöver inte ritas fullt ut. Vissa delar kan förenklas. Ett FT-system för 36 lägenheter visas i Figur 2.11 med 6 lägenheter i detalj och övriga 30 lägenheter sammanslagna i 5 grupper till fem superlägenheter. Mindre editering flyttar lägenhetsgruppen T6-F6. T A T F c n T n T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 T A F F c n T n F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 F 6 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 d s s d s s d s s d s s d s s T Ds T Ds T Ds T Ds T Ds UDs c n T n UDs c n T n UDs c n T n UDs c n T n UDs c n T n F Ds F Ds F Ds F Ds F Ds d s s d s s d s s d s s d s s F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 T 6 F 6 d s T p c p UD d g T D F D d g 6 0 0 6 0 0 d s T p c p UD d g T D F D d g 5 0 0 5 0 0 d s T p c p UD d g T D F D d g 4 0 0 4 0 0 d s T p c p UD d g T D F D d g 3 0 0 3 0 0 d s T p c p UD d g T D F D d g 2 0 0 2 0 0 d s d s d s d s d s d s d s T p c p UD a d g T D F D d g a 1 0 0 1 0 0 Figur 2.11 Indatabeskrivning för FT-system för 36 lägenheter.. 16
3 Textelement för ventilationssystem och byggnad Beräkning av ventilationsbrandskydd kräver några få textelement för att beskriva ett kanalsystems dimensioner, längder, injusteringar, spjäll, aggregat och fläktar samt tryck, flöde, temperatur och föroreningsnivå. Förutsättningar för steg 1 och steg 2 i tvåstegsberäkning bestäms av olika yttre tryck, flöden, startflöden, temperaturer och spårämnen, vilka kan anges med typbokstäverna h, q, s, T och c samt två argument för steg 1 respektive steg 2. Kanaldelar En kanaldel med diametern 400 mm och längden 25 m anges med ett d-element som d,400,25. En rektangulär kanal med sidorna 800 och 200 mm samt längden 6 m kan anges som d,800,200,6. Ett d-element definierar hela ledningssträckans dimension. Ledningar som ansluter till grenstycken med tryckfall måste ha en dimension. Åtta 90 -böjar inom samma ledningssträcka anges med ett b-element som b,720. En dimensionsövergång beräknas med ett a-element mellan två d-element som även kan användas ytterst i ett kanalsystem för fri in- eller utströmning utan något don. En komponent kan anges som en lokalförlust med en viss förlustfaktor f med ett e-element på formen e,f. Tryckfallet är lika med förlustfaktor f multiplicerad med det rådande dynamiska trycket. Tryckförlusten vid fri utströmning kan anges som e,1, men vid fri inströmning är tryckförlusten betydligt mindre. Ett bättre val är därför a-element för godtycklig strömningsriktning. Tryckfall för ett d-element, ett b-element, ett e-element och en dimensionsövergång a redovisas i Figur 3.1 för lufthastigheten 10 m/s och -10 m/s. b e g i n. p r i n t : h c o n t r o l d u c t = 1 b e n d = 1 d i m= 1 d, 2 0 0 0, 0 h? v, 1 0 d, 4 0 0, 2 0 b, 3 6 0 e, 1 a 2 2 3. 9 P a 0. 0 P a - 4 9. 2 P a - 5 9. 4 P a - 6 0. 0 P a - 5 5. 3 P a 2 2 3. 9 P a d, 2 0 0 0, 0 h? v, - 1 0 d, 4 0 0, 2 0 b, 3 6 0 e, 1 a - 1 7 7. 3 P a 0. 0 P a 4 9. 2 P a 5 9. 4 P a 6 0. 0 P a 8. 6 P a - 1 7 7. 3 P a Figur 3.1 Tryckfall för fyra element d, b, e och a för olika strömningsriktning. 17
Kanaldimensionering Kanaldimensionering görs enligt en design-rad för ett givet tryckfall Pa/m och givna kanaldimensioner. En kanalsträcka i halvgrafiken med ett givet flöde anges som d?längd för att dimensioneras enligt en design-sats. Kravet kan vara min, mean, max eller equal. Det går också att beräkna en kanaldiameterparameter för ett givet flöde med en diameter-sats. En diameter-sats kan användas för att kontrollera en given kanaldiameter för ett givet flöde. Beräkningsresultatet skrivs ut på samma rad. En tillämpning av design och diameter redovisas i Figur 3.2 för högst 1 Pa/m för fyra dimensioneringsfall och tre kontrollfall. f l ow l / s c o n t r o l d u c t = 1 d e s i g n ma x R ( d ) 1 1 0 0 1 2 5 1 6 0 2 0 0 3 1 5 4 0 0 5 0 0 6 3 0 8 0 0 1 0 0 0 d i ame t e r d d 2 0 1 2 5. 0 mm 0. 3 P a / m 2 0. 0 0 0 l / s 1. 6 m / s d i ame t e r d g 6 0 1 6 0. 0 mm 0. 8 P a / m 6 0. 0 0 0 l / s 3. 0 m / s d i ame t e r d s 3 0 0 3 1 5. 0 mm 0. 6 P a / m 3 0 0. 0 0 l / s 3. 8 m / s d i ame t e r 1 2 0 0 5 0 0. 0 mm 0. 8 P a / m 1 2 0 0. 0 l / s 6. 1 m / s d i ame t e r 1 0 0 2 0 1 0 0. 0 mm 1. 0 P a / m 2 0. 0 0 0 l / s 2. 5 m / s d i ame t e r 2 0 0 8 0 2 0 0. 0 mm 0. 5 P a / m 8 0. 0 0 0 l / s 2. 5 m / s d i ame t e r 4 0 0 3 2 0 4 0 0. 0 mm 0. 2 P a / m 3 2 0. 0 0 l / s 2. 5 m / s Figur 3.2 Resultat för fyra dimensioneringsfall och tre kontrollfall. En kanals längd kan anpassas för en viss uppgift. Detta kräver inte en design-sats utan bara elementet d,200? för en given diameter om 200 mm. Exempel på detta visas i Figur 5.3. Don, spjäll och aggregat Ett i flödet kvadratiskt tryckfall om 50 Pa för flödet 120 l/s anges med ett t-element som t,50,120. En injustering av ett don eller spjäll till ett givet flöde 80 l/s anges som t?80. Flödessiffran måste följa teckenkonventionen. Ett LF-don med i flödet linjärt tryckfall om 40 Pa för flödet 30 l/s anges med ett l-element som LF=l,40,30. Spjäll och olika don anges med diagram för olika arbetslinjer för olika inställningar i ett tryckfall/flödesdiagram. Nödvändiga indata är ett gemensamt tryckfall för olika arbetslinjers flöde/inställningspar. Ett spjäll SP med inställningar från 1 till 5 kan definieras med raden nedan där p(iq) anger indataformatet som är tryckfall följt av här fem inställning/flödespar med kravet att flödemotståndet skall minska. diagram SP p(iq) 50 1:5 2:10 3:20 4:50 5:100 Godtyckliga flödesmotstånd kan beskrivas med ett g-element och anges med två tryckfall/ flödespar. Ett ventilationsaggregats tryckfall är 100 och 300 Pa för flödena 400 respektive 800 l/s, vilket anges som TA=g,100,400,300,800. Den anpassade flödesexponenten kan skrivas ut med tillägget :n. 18
Fläkt En varvtalsberoende fläkt definieras med fan följt av en identifierare och tre tryckfall/ flödespar och nominellt varvtal, vilket kan utelämnas och ersätts med ett. Ett och två indatapar ger en konstant tryckstegring respektive en linjärt avtagande tryckstegring. Tryckstegringen enligt (3.1-3) är densitetsberoende med faktorn (ρ/ρn) och därmed temperaturberoende. En halverad densitet ger en halverad tryckstegring. Utskriften rms anger rotmedelkvadratfelet mellan indata och kvadratisk fläktmodell. Värdet noll fås alltid för tre indatapar. Δp(q,n) = (ρ/ρn) ( a n 2 ) (Pa) (3.1) Δp(q,n) = (ρ/ρn) ( a n 2 + b n q ) (Pa) (3.2) Δp(q,n) = (ρ/ρn) ( a n 2 + b n q + c q 2 ) (Pa) (3.3) Tryckstegringen skall helst vara fallande för att ge entydiga driftspunkter för positiva flöden. Tryckstegringen för negativa flöden är lika med tryckstegringen för nollflöde eller dämda punkten. En fläkt SF definieras och kontrollberäknas i Figur 3.3 mot två arbetslinjer med givet nominellt varvtal och sökt flöde samt omvänt med sökt varvtal och givet flöde. Inkopplingsriktningen ändras för två fall till uppåt. Ett femte fall visar tryckhållning genom varvtalsreglering för en given arbetslinje. b e g i n. f l ow l / s f a n SF 4 0 0 : 0 3 5 0 : 2 0 0 2 0 0 : 4 0 0 r ms = 0. 0 0 0 SF SF : < SF? SF? : < h, 2 0 0 1. 0 0 0-1. 0 0 0 - t, 3 5 0, 2 0 0 t, 2 0 0, 4 0 0 t, 3 5 0, 2 0 0 t, 2 0 0, 4 0 0 q, 0 SF? t, 2 0 0, 4 0 0 : q : q : q q, 2 0 0 : q q, - 4 0 0 : q 2 0 0. 0 0 l / s - 4 0 0. 0 l / s 2 0 0. 0 0 l / s - 4 0 0. 0 l / s 1. 0 0 0-4 0 0. 0 0 l / s Figur 3.3 Resultat för genomräkning av fem fall på olika arbetslinjer för fläkten SF. Växlande komponenter Spjäll och andra komponenter, som ändrar egenskaper mellan steg 1 och steg 2 i en stegberäkning, kan beskrivas med o-elementet på ett flertal sätt enligt (7100:46). Typbokstaven o kan tolkas som engelskans off och 0 och 1 står för falsk och sann. Ett avstängande eller öppnande spjäll mellan steg 1 och steg 2 kan anges som o,0,1 respektive o,1,0. De två spjällen kan namnges till non=o,0,1 respektive noff=o,1,0 uttolkade som normalt öppen respektive normalt stängd, där normalt avser steg 1. Det går också att införa variabla non och noff med givet läge i steg 1 och parameterstyrt läge i steg 2 med delelementen nc=o,1 och no=o,0, vilka skall utläsas normal stängd i steg 1 (closed) respektive normalt öppen (open) i steg 1 och parameterstyrda i steg 2. 19
Byggnadsläckage Luftläckaget för en byggnad, en lokal eller ett rum anges oftast med ett specifikt läckflöde l/sm 2 omslutande yta. Luftläckaget bestäms med provtryckning med både övertryck och undertryck om 50 Pa. Provtryckning görs med alla ventilationsanordningar förtejpade. Det resulterande luftflödet räknas om till specifikt läckflöde l/sm 2 genom division med den totala omslutande ytan. Det specifika luftläckaget är oftast mindre än 0.5 l/sm 2. En lokals läckflöde om 160 l/s vid 50 Pa från en provtryckning kan beskrivas som elementet fasad=t,50,160 med antagande om kvadratiska tryckförluster. Uteluftsdon kan vara stormsäkrade genom att blocka utflöde. Detta förhindrar genomluftning för en lokal med två fasader. Detta är en nackdel vid en brand, eftersom normala uteluftsdon kan avlasta en stor del av brandflödet genom dessa, men detta förhindras betydligt med stormsäkrade uteluftsdon. Stormsäkrade uteluftsdon måste beskrivas med asymmetric. Byggnadsöppningar Tryckfallet för strömning genom en öppning är lika med det dynamiska trycket ρ v 2 /2 i arean vena contracta lika med geometrisk öppningsarea Ag m 2 multiplicerad med kontraktionsfaktorn C - oftast 0.6, vilket kan anges som effektiv area Ae m 2. Tryckfallet kan skrivas som: Δp = ρ v 2 /2 = ρ (q/cag) 2 /2 = ρ (q/ae) 2 /2 (Pa) (3.4) Flödesmotståndet kan för flödessorten m 3 /s och effektiv area Ae m 2 anges som t,0.6,ae. Siffran 0.6 är tryckfallet 0.6 Pa för lufthastigheten 1 m/s, vilket gör att flödet q m 3 /s är lika med area Ae i m 2. Flödesmotståndet för geometrisk area Ag m 2 och kontraktion C 0.6 blir t,1.667,ag. Siffran 1.667 är ρ /2C 2. Konstanterna 0.6 och 1.667 blir med flödesorten l/s 0.6e-6 och 1.667e-6. En öppning ac med geometrisk area med kontraktionen 0.6 som argument och en öppning ae med effektiv area utan kontraktion som argument kan definieras med en av set-raderna: set ac=t,1.667e-6 ae=t,0.6e-6 "l/s" set ac=t,1.667 ae=t,0.6 "m 3 /s" 20
4 Textelement för brand En brand skapar en termisk expansion, ett brandflöde, som i sin tur i en byggnad skapar ett övertryck benämnt brandtryck. Detta avsnitt behandlar hur brandpåverkan enligt gällande brandkrav kan beskrivas i PFS samt backströmningsskydd och VAV-don. Brandflöde Enbart konvektiv uppvärmning om 1 MW utan strålning ger ett brandflöde på 2.9 m 3 /s. En tumregel är att brandeffekten 1 MW ger brandflödet 1 m 3 /s, eftersom brandeffekten delas upp i konvektion och strålning. Exempel på brandeffekter är papperskorg 0.1 MW, fåtölj 0.5-1 MW, soffa 1-2 MW och bädd 0.5-1.5 MW. Brandflödets storlek eller högsta värde är avgörande om ett ventilationssystem i drift kan förhindra brandgasspridning. Brandflödets storlek bestäms brandeffekten, som i sin tur bestäms av brandförloppets hastighet som brukar anges med tillväxthastigheten α kw/s 2 för slow 0.00293, medium 0.0117, fast 0.0469 och ultra fast 0.187 samt av lokalens volym V m 3 som ger mängden tillgängligt syre. Brandtillväxten sker kvadratiskt i tiden. De fyra brandtillväxtklasserna har en brandeffekt på 1000 Btu eller 1.055 MW efter 600, 300, 150 och 75 s. Ett antal simuleringsresultat för olika lokalvolymer och brandtillväxthastigheter har gett det halvempirisk uttrycket (4.1). qb = 280 α 0.43 V 0.53 (l/s) (4.1) Tillämpning för olika volymer och tillväxthastigheter redovisas i Tabell 4.1. Jämförelseflöden för 1 och 10 luftomsättningar redovisas också. Siffrorna i Tabell 4.1 visar att det högsta brandflödet är mycket större än ett ventilationsflöde för samma volym. Tabell 4.1 Brandflöde qb l/s för lokalvolym V m 3 och brandtyp samt luftomsättningsflöde V m 3 slow medium fast ultra fast l/s för 1 /h l/s för 10 /h 100 262 475 862 1565 28 278 200 378 686 1245 2260 56 556 300 469 850 1544 2802 83 833 400 546 991 1798 3263 111 1111 500 614 1115 2024 3673 139 1389 Brandtryck Brandtrycket i en lokal kan beräknas för ett givet brandflöde och en given luftotäthet. Brandflödet qb l/s i Tabell 4.1, en kubisk volyms yta 6 V 2/3 m 2 och luftotäthet a = 0.5 l/sm 2 vid 50 Pa ger ett brandtryck enligt (4.2) som redovisas i Tabell 4.2. pb = 50 ( qb / 6 V 2/3 a ) 2 (Pa) (4.2) 21
Siffrorna i Tabell 4.2 visar brandtrycket pb Pa ökar med brandens tillväxthastighet och minskar med lokalvolymen. Om luftotätheten halveras till 0.25 l/sm 2 ändras att trycksiffrorna en faktor 4 och omvänt om luftotätheten dubbleras till 1.0 l/sm 2 ändras trycksiffrorna en faktor 0.25. Tabell 4.2 Brandtryck pb Pa för lokalvolym V m 3 och brandtyp samt luftotäthet 0.5 l/sm 2 V m 3 slow medium fast ultra fast 100 86 282 930 3062 200 45 147 485 1596 300 30 100 331 1090 400 23 77 253 832 500 19 62 205 675 Slutsatsen är att brandtrycket kan bli mycket högt i mindre volymer med låg luftotäthet. Många bostäder och småhus har en luftotäthet som är mindre är 0.5 l/sm 2. Tryckskillnaden över en dörr skall inte vara högre än 150 Pa för att uppfylla de normkrav som finns för att kunna dörrar. Detta gäller för inåtgående dörrar, men utåtgående dörrar kan tillåta en högre tryckskillnad 200 till 400 Pa beroende på låskolvens friktion mot låsbleket. Brandkrav och brandsimulator Ett brandkrav är att brandgasspridning för brandtrycket 1500 Pa och brandtemperatur 350 C skall spädas till en ofarlig brandgasnivå i en annan brandcell. Det finns inget krav på brandflödet, men det beräknade brandflödet kan bli orimligt i förhållande till den möjliga brandeffekten, om det finns stora öppningar till omgivningen. Ett annat brandkrav är att frånluftstemperaturen inte blir för hög för fläkten för en fullt utvecklad brand med ett skadat klimatskal. Branden är bränslekontrollerad och inte ventilationskontrollerad. Temperaturen i den brandutsatta lokalen sätts till 945 C. Trycket är 0 Pa i förhållande till omgivningen, eftersom klimatskalet har gått sönder. Brandflödet är okänt och anges som parametern fpv. En brand kan därför beräkningsmässigt beskrivas som en fläkt med givet eller fritt flöde qb eller tryck pb. Andra indata är temperatur Tb och brandgasnivå cb samt vilken lokal knutpunkt nb som är brandutsatt i en byggnad. De två brandkraven kan tillämpas med följande parameter-satser för lokal 123 eller med tabellstyrda parametrar, vilket beskrivs i avsnitt 5. parameter pb=1500 qb=fpv Tb=350 cb=1.0 nb=123 parameter pb=0 qb=fpv Tb=945 cb=1.0 nb=123 22
Brandsimulator med de fem parametrarna enligt ovan visas i Figur 4.1 och är inkopplad under både normal drift och brandtestdrift. Detta görs för att ett och samma system under både steg 1 och steg 2. Under steg 1 är temperaturen normal, brandgasnivå noll och brandflödet noll. Brandtrycket är fritt för att kunna anpassas till lokalens normala tryck (oftast undertryck). En klimatskalskadesimulator med en geometrisk öppningsarea Ak m 2 under steg 2 visas i Figur 4.1. T, 2 0, T b c, 0, c b h, f p v, p b q, 0, q b #, n b T p c p a c, A k n o f f #, n b Figur 4.1 Brandsimulator överst och klimatskalskadesimulator nederst. Backströmningsskydd Ett backströmningsskydd definieras med asymmetric, vilket ger att olika flödesmotstånd beroende på strömningsriktningen enligt teckenkonventionen. Indata är två tryckfall/flödespar för fram (positiv) och back (negativ) riktning följt av flödesexponenter för vart par. Ett backströmningsskydd BS med i flödet kvadratiskt tryckfall har i framriktningen tryckfallet 2 Pa för flödet 40 l/s och i backriktningen 1000 Pa för 1 l/s och definieras med raden: asymmetric BS 2 40 1000 1 2 2 Det finns inget krav på vad som är fram- eller backriktning för asymmetric-funktionen. Det går alltid att växla riktning med underargumentet :< och förtydliga normalriktningen med :>. Ett alternativ är att namnge ett backströmningsskydd BS för positiv och negativ riktning med BSp=BS:> respektive BSn=BS:<. 23
VAV-don FT-system med VAV-don kan vid brand styras om för att minska brandgasspridningen mellan olika lokaler. Det går att för alla tilluftsenheter och frånluftsenheter definiera ett brandläge för alla tilluftsenheter och ett annat brandläge för alla frånluftsenheter. Ventilationsenheter antas kunna beskrivas som spjäll SP enligt diagram med ett inställningsområde (1,5) från minsta till största flöde. Brandgasspridning sker enkelt i T-systemet i ett FT-system. En stängning av tilluftssystemets alla VAV-don gör nästan om FT-systemet till ett F-system, som är betydligt säkrare mot brandgasspridning. En öppning alla VAV-don i F-systemet förbättrar brandgasventilationen, samtidigt ökar risken för brandgasspridning via F-systemet med de lägre tryckfallen. Trycket i alla anslutna lokaler måste beaktas. Dörröppning kan försvåras med olämpliga undertryck i lokaler i förhållande till omgivningen. Om den brandutsatta lokalens ventilationsenheter skall ha andra brandlägen än alla andra enheter, skapas särskilda brandenheter. Detta kan exemplifieras med två textelement TSb och FSb för brandlokalen, vilka vid brand går till läge 1 respektive 5. Två textelement TSn och FSn för alla andra lokaler går till läge 4 respektive 2. Beräkningen görs som en tvåstegsberäkning för en given brandlokal och en nödvändig rad enligt nedan, där frågetecken? anger injustering till önskat flöde i steg 1. set TSb=SP?1 FSb=SP?5 TSn=SP?4 FSn=SP?2 Alla ventilationsenheter behöver inte ställas om utan några kan vara passiva. En lämplig rad för detta där injusterat läge i steg 1 behålls i steg 2 är set TSp=SP?fix FSp=SP?fix Ett påpekande att injustering till önskat flöde qs görs direkt med t-elementet på formen t?qs, men med spjäll SP definierat med diagram krävs att flödet för injustering anges med ett separat q-element på formen q,qs,fpv med fritt flöde i steg 2. 24
5 Beräkning Ett flödesproblems storlek måste bedömas för att jämföras med programmets begränsningar. Själva ritningsytan sätter en yttre ram med högst 400 rader och 160 positioner. Antalet beräkningselement är högst 1000, vilket inte är bara textelelement utan även aktiva grafiska böjar och T- och X-stycken beskrivs med 1, 3 och 4 element. Antalet okända variabler är högst 100, vilket begränsar antalet lokaler i ett FT-system till högst 50, eftersom varje lokal med ett läckage till omgivningen har ett tilluftflöde och ett frånluftsflöde som skall beräknas. Inläckflödet är skillnaden mellan frånluftsflödet och tilluftsflödet. Antalet lokaler blir högst 100 om lokalläckage inte finns, eftersom tilluftsflöde och frånluftsflöde blir lika. En metod för att bedöma antalet fria variabler och antalet ekvationer redovisas i (7100:83-84). Förenkling och förminskning Antalet beräkningselement och antalet obekanta kan minskas genom att förenkla detaljer som är av mindre intresse. Samtidigt förenklas och förminskas den grafiska beskrivningen. Halvgrafiken med textelement behöver inte vara en exakt kopia av verkligheten utan bara beskriva en ledningssträckas egenskaper totalt sett, vilket visas i Figur 5.1 för en ledning med åtta 90 -böjar och nio raka kanalsträckor och dess förenkling till höger. Ordningsföljden är godtycklig bortsett från dimensionsberoende element. s e t = d, 2 0 0, 3 d, 2 0 0, 2 7 b, 7 2 0 Figur 5.1 Förenkling av en ledningssträcka från 17 till 2 beräkningselement. Ett annat exempel på förenkling är ett större bostadshus med åtta våningar, tio lägenheter per våningsplan, fem trapphus och ett FT-system uppdelat efter trapphus. Antalet obekanta är två per lägenhet och totalt 160, vilket är för många för PFS (högst 100). En förenkling är att beskriva ett trapphus med sexton lägenheter i detalj och övriga fyra trapphus förenklat till en enda superlägenhet med samma läckage och flöde som sexton lägenheter. Antalet obekanta blir nu endast 40 (=32+2+2+2+2). Samma princip tillämpad på en byggnad med 36 lokaler med ett ventilationssystem uppdelat i 6 delsystem redovisas i Figur 2.11. 25
Ett annat exempel på detta visas i Figur 5.2 för en lokal med fyra tilluftsdon med flödena 30 l/s och tre frånluftsdon med flödena 40 l/s. Beskrivningen i Figur 5.2 är förenklad och utan grenkanalers dimensioner och längder. Fasadläckagets egenskaper anges som 150 l/s vid 50 Pa. Förenklingen minskar antalet obekanta från 7 till 2 och antalet element från 42 till 5. s e t = d, 2 0 0, 3 f a s a d = t, 5 0, 1 5 0 t? 3 0 1 6 f a s a d t? 1 2 0 t? 1 2 0 0 1 6 t? 3 0 t? 4 0 f a s a d t? 3 0 t? 4 0 t? 3 0 t? 4 0 Figur 5.2 Förenkling av injusterbara tillufts- och frånluftskanalsystem för en lokal 16. Slutna kanalsystem som visas i Figur 5.3 kan räknas om till en ekvivalent kanalsträcka med en sökt längd och samma huvuddimension, tryckfall och flöde eller hastighet. Detta ger i båda fallen en minskning av antalet beräkningselement från 41 till 1 samt en minskning av antalet obekanta från 5 till 1. Större delen av tryckfallet ligger på grenstycken och böjar. c o n t r o l d u c t = 1 c o n = 1 b e n d = 1 s e t = d, 8 0 0, 1 0 d s = d, 4 0 0, 1 0 h? v, 5 3 8. 7 P a h, 3 8. 7 h, 3 8. 7 d s d s d s d s d s v, 5 : v 5. 0 m / s d, 8 0 0? d, 8 0 0, 1 2 7. 2 1 2 7. 2 m h? v, 5 3 6. 6 P a h, 3 6. 6 h, 3 6. 6 d s d s d s d s d s v, 5 : v 5. 0 m / s d, 8 0 0? d, 8 0 0, 1 2 0. 3 1 2 0. 3 m Figur 5.3 Omräkning av kanalsystem till en ekvivalent kanalsträcka med diametern 800 mm. 26
Parametrar och parameterberäkning Parametrar kan namnges och tilldelas givna värden med parameter-satser samt kan beräknas med flera parametrar med compute-satser. Beräkningar kan ske med de fyra räknesätten + - * /, upphöjt med **, parateser ( ) och funktioner som till exempel kvadratroten som sqrt( ). Flera tilldelningar och beräkningar kan ske på samma rad. Resultatet skrivs ut i position 61 med formatet f17.6. En beräkning kan itereras med raden iterate antal uttryck. En beräkning redovisas i Figur 5.4 för skattning av frånluftstemperaturen Tf för ett F-system i drift med åtta lokaler med lika flöden varav ett med utslaget fönster och fullt utvecklad brand med 945 C. Massflödet från lokalen med brand ändras med kvadratroten av densitetskvoten eller den inverterade absoluta temperaturkvoten. En beräkning med oförändrade massflöden redovisas med frånluftstemperaturen T1. Siffrorna visar att temperaturberoende massflöden ger lägre frånluftstemperatur än normalfallets massflöden. p a r ame t e r T b = 9 4 5 T n = 2 0 m= 7 c om ( 1 ) f = s q r t ( ( T n + 2 7 3 ) / ( T b + 2 7 3 ) ) 0. 4 9 0 4 6 7 c om ( 2 ) T f = ( f * T b +m* T n ) / ( f +m ) 8 0. 5 6 7 9 6 3 c om ( 3 ) T 1 = ( 1 * T b +m* T n ) / ( 1 +m ) 1 3 5. 6 2 5 Figur 5.4 Exempel på beräkning av frånlufttemperatur med burn out i ett av lika åtta rum. Tvåstegsberäkning En genomräkning av ett ventilationssystem innebär att kanaldimensioner bestäms först, därefter injusteras alla spjäll, don och fläktars varvtal samt slutligen görs en kontrollberäkning med normala eller särskilda förutsättningar. Denna arbetsgång är möjlig att genomföra med PFS i en enda beräkning, som görs internt i två steg. Steg 1 innebär att dimensionering och injustering görs. Steg 2 utgår från resultatet i steg 1 och ändrar på förutsättningar/störningar för att kontrollera funktionen. En styrvariabel trix styr arbetssättet. Steg 1 beräknas för trix=1. Steg 1 och steg 2 beräknas för trix=2 samt för trix=3 med flöden från steg 1 som startvärden för steg 2. Det kan vara en fördel att alltid utforma en beräkning som tvåstegberäkning även om en kontrollberäkning inte behövs. Steg 2 blir en kontrollberäkning med samma förutsättningar. Det är lätt att göra en tvåstegsberäkning. Det finns skillnader för vissa beräkningselements definition, vilket kan leda till fel vid övergång till tvåstegsberäkning från den enklare ursprungliga enstegsberäkningen med trix=0. Tolkarens och lösarens arbetssätt Programmet PFS arbetar i tre delar med översättning, formulering av ekvationssystem och numerisk lösning av ekvationssystem. Alla felutskrifter med korta kommentarer finns i (7100:123-124). 27
Del 1, översättning av deklarationer och halvgrafiken, ger ett nätverk av komponenter med olika egenskaper. Denna kompilering är enkel och arbetar sig radvis neråt från vänster mot höger i ett begin-end-block. Alla rader med com till vänster och "kommentartexter" blankas. Fel, som påpekas, kan vara följdfel av ett egentligt fel tidigare i kompileringen. Det finns krav på en viss naturlig ordningsföljd mellan olika deklarationer (7100:94). Halvgrafiken måste bilda korrekta öppna eller slutna system. Det får inte finnas fria ändar som inte ansluts till andra motriktade fria ändar. Det får heller inte finnas fria texter i halvgrafiken som inte markerade som "kommentartext". Observationer påpekas också för alla parametrar eller element inte används och är överflödiga. Om det finns fel, avslutas översättningen med Basic translation error. Del 2, formulering av ekvationssystem, innebär att ställa upp lika många ekvationer som det finns fria variabler till exempel flöden eller tryckskillnader. En tryckskillnad kan vara för en sökt fläktdrift eller ett sökt flödesmotstånd. Alla kedjor av komponenter kontrolleras, eftersom det kan bara finns ett flödeskrav och en sökt tryckskillnad. Alla knutpunkter ger samband mellan alla flöden och kontroll sker att minst ett flöde är fritt i en knutpunkt. Formulering av ekvationssystem görs genom att bilda en tryckslingekvation med så få komponenter som möjligt eller kortaste väg en runt och tillbaka utifrån en komponent som inte varit med i tidigare tryckslingekvationer. Antalet tryckslingekvationer skall vara lika med antalet sökta eller fria variabler, annars erhålls felet # flows # parameters > # equations eller # flows # parameters < # equations. Ekvationssystemet är underbestämt respektive överbestämt. Det krävs fler fria variabler respektive färre fria variabler. Om det finns fel, avslutas formuleringen av ekvationssystem med Error in equation system. Del 3, lösning av ekvationssystemet, görs iterativt utifrån en startpunkt med startvärden och beskrivs i (7100:79-82). Alla ekvationer deriveras numeriskt för alla fria variabler och ett linjärt ekvationssystem bildas för att finna den ändring av alla fria variabler som ger rätt lösning. Detta är inte en lösning till det olinjära ekvationssystemet, men används som en lämplig riktning för en linjär sökning. Bästa sökresultat blir en ny startpunkt. Detta upprepas till ett av de fyra lösningskravet uppfyllts (7100:81). Om sökningen inte förbättras, görs en slumpad omstart kring den senaste startpunkten. Detta medför att fortsättningen blir sämre. Omstart anges med random i iterationslistan. De fyra tester är största absoluta ekvationsfel, medel absoluta ekvationsfel, rotmedelkvadrat ekvationsfel och kvoten mellan summa absoluta ekvationsfel och summa absoluta tryckändringar för alla ingående komponenter. De tre första testerna har dimensionen tryck, medan kvottestet är dimensionslöst. Utgångsvärden för de ändringsbara testgränserna är aaee = 0, xaee = 0, rmsee = 0 och rsaee = 0.000001. Det finns sju andra parametrar för att påverka lösningen av ekvationssystemet. 28