Rozmieszczanie czujek pożarowych na płaskim stropie. Część 1

Rozmieszczanie czujek pożarowych na płaskim stropie wydaje się zajęciem prostym. Dokonuje się go w większości projektów systemów sygnalizacji pożarowej.

Projektant instalacji sygnalizacji pożarowej powinien nie tylko znać zasady rozmieszczania czujek, ale także rozumieć, dlaczego te zasady są takie, jakie są. I najważniejsze – powinien zdawać sobie sprawę z pewnych uproszczeń tych zasad, które czasami niemal ocierają się o lekceważenie zasad fizyki. Niniejszy artykuł zawiera przegląd (na pewno niepełny) zasad rozmieszczania czujek pożarowych na płaskich stropach.

Rys. 1. Kryterium „płaskości” stropu

Kiedy strop można traktować jako strop płaski?

W specyfikacji CEN TS54-14:2018 podano następującą informację:
„Jeśli różnica wysokości między dolną a górną częścią stropu ukośnego jest mniejsza niż 600 mm, strop może być traktowany tak, jakby był płaski. Dotyczy przypadku, gdy stosowane są czujki dymu. Dla czujek ciepła należy przyjąć odległość 150 mm”.

Zasięg czujki

Przemieszczanie się dymu ku górze wynika ze zjawiska wyporu. Ciepło wytworzone w procesie spalania podgrzewa powietrze, które – jako mniej gęste od otaczającego je powietrza – wraz z porwanymi drobinami dymu przemieszcza się ku górze, wypychane przez napierające z boku chłodne powietrze. Dym przemieszcza się do góry w formie pióropusza, którego kształt jest zależny od ilości ciepła wytworzonego w czasie pożaru. Jest to pokazane na rysunku 2.

Rys. 2. Sposób przemieszczania się dymu w zależności od rodzaju pożaru

Wraz ze wzrostem wysokości stężenie dymu oraz jego temperatura na poszczególnych poziomach w pióropuszu maleje. Jednocześnie, po dotarciu do stropu, dym, rozprzestrzeniając się na wszystkie strony, ma coraz mniejszą gęstość oraz temperaturę.

W praktyce procedura rozmieszczania czujek pożarowych sprowadza się do określenia odległości od osi pożaru, przy której koncentracja dymu jest jeszcze dostatecznie wysoka, aby pobudzić układ pomiarowy czujki dymu, lub temperatura jest dostatecznie wysoka, aby uruchomić czujkę ciepła. W wytycznych dotyczących projektowania podano w formie tabelarycznej odpowiednie wartości tej odległości, określając ją jako zasięg czujki lub promień działania czujki.

Przy określaniu promienia działania czujki i związanej z nim maksymalnej powierzchni dozorowania oraz maksymalnej wysokości instalowania bierze się pod uwagę różne czynniki:

1. Początkowy charakter rozwoju pożaru. Nie zawsze można go jednoznacznie określić. Jest on zależny między innymi od rodzaju i ilości paliwa, sposobu inicjacji itp.
2. W przypadku pożaru płomieniowego gorące powietrze bardzo szybko wynosi dym na wysokość 12–16 m, a pióropusz dymu tworzy stożek o małym kącie rozwarcia.
3. Szybkie przemieszczanie się drobin dymu ku górze ogranicza w wysokim stopniu zjawisko tworzenia się agregatów, czyli dużych cząstek.
4. W przypadku pożaru bezpłomieniowego dym nie tylko przemieszcza się ku górze, ale również silnie rozprzestrzenia się na boki. Ponieważ nie ma silnej konwekcji, dym nie jest w stanie dotrzeć na duże wysokości.
5. Ze względu na powolny proces pożarowy drobiny dymu przez długi czas przebywają blisko siebie. Umożliwia to tworzenie się agregatów, a więc następuje zwiększenie się wielkości drobin aerozolu.

Chcąc uprościć procedurę wyboru wielkości nadzorowanej przez czujkę dymu przestrzeni, bez względu na charakter spodziewanego pożaru, powinniśmy brać pod uwagę najgorsze warianty. Zasięg punktowej czujki dymu i wynikająca z niego powierzchnia dozorowania powinny być w takim razie ograniczone, jak w przypadku pożaru płomieniowego, i wynikać bezpośrednio z faktu przemieszczania się dymu po stropie. Maksymalna wysokość, na jakiej powinno się zainstalować punktową czujkę dymu, powinna być ograniczona, jak w przypadku pożaru bezpłomieniowego.

Podstawowe założenia przyjęte w metodykach projektowania rozmieszczenia czujek

Zasada stałej wartości zasięgu czujki w funkcji wysokości instalowania

Dla uproszczenia procesu projektowania przyjęto zasadę, że zasięg czujki mierzony od osi pożaru do miejsca zainstalowania czujki jest stały i nie zależy od wysokości, na jakiej jest zainstalowana (wysokości stropu). Przyjmuje się takie założenie, jeżeli ta wysokość nie przekracza ok. 12 m. Można więc przyjąć na przykład, że na wysokościach 6 m oraz 12 m, w odległości D od osi pożaru stężenie dymu jest takie samo (na takie stężenie reaguje czujka dymu zainstalowana w tej odległości). Jest to pokazane na rysunku 3.

Rys. 3. Zasada stałej wartości zasięgu D czujki w funkcji wysokości instalowania H. Na rysunku nie zaznaczono poduszki powietrznej

Powyższą zasadę przyjęto, opracowując wytyczne dotyczące projektowania, zawarte między innymi w:

• specyfikacji technicznej PKN-CEN/TS 54-14:2004 (a także w późniejszych wersjach) opracowanej przez CEN oraz wydanej w Polsce przez PKN,
• zaleceniach SITP WP-02:2010,
• brytyjskiej normie w wersjach z lat 2002–2013 (od BS 5839-1:2002 Fire detection and fire alarm systems for buildings. Code of practice for system design, installation, commissioning and maintenance do BS 5839-1:2013 Fire detection and fire alarm systems for buildings. Code of practice for design, installation, commissioning and maintenance of systems in non-domestic premises),
• NFPA 72: National Fire Alarm and Signaling Code – zasada obowiązuje do pewnej wysokości (i dotyczy czujek ciepła).

Rys. 4. Powierzchnie dozorowania czujki wpisane w okrąg o promieniu D. Strop płaski

Zasada stałego zasięgu umożliwia nadzorowanie przez pojedynczą czujkę przestrzeni, której rzut na strop będzie zawarty wewnątrz okręgu o promieniu D. W rzeczywistości nadzorowana powierzchnia ma w większości przypadków kształt prostokątny albo – niezwykle rzadko – kwadratowy.

Optymalnym sposobem rozmieszczania czujek jest podział kwadratowy, co widać na rysunku 4. W takim przypadku powierzchnia nadzorowana przez czujkę jest największa (oczywiście nie uwzględnia się tu możliwości nadzorowania rotundy).

Wartości zasięgów D (promieni działania, wysokości instalowania) są wybrane zgodnie z wytycznymi SITP WP-02:2010.

Tab. 1.

W przypadku podziału kwadratowego zalecane maksymalne odległości dla czujek dymu są pokazane na rysunku 5.

Rys. 5. Rozmieszczenie czujek dymu. Przypadek graniczny. Podział kwadratowy

Na rysunku 6 podano te odległości dla czujek ciepła.

Rys. 6. Rozmieszczenie czujek ciepła. Przypadek graniczny. Podział kwadratowy

Rys. 7. Dopuszczalna zmienność boków powierzchni dozorowej czujki dymu

Rys. 8. Zależność powierzchni dozorowej czujki od długości boków

Rys. 9. Dopuszczalna zmienność boków powierzchni dozorowej czujki ciepła

Rys. 10. Zależność powierzchni dozorowej czujki ciepła od długości boków

Na rysunku 8 widać wyraźnie, że odejście od kwadratowego podziału powoduje gwałtowne zmniejszenie powierzchni dozorowania czujki dymu. Na kolejnych rysunkach pokazano analogiczne zależności dotyczące punktowych czujek ciepła.

Maksymalne wysokości instalowania (zgodnie z CEN/TS54-14:2018)

Tab. 2. Maksymalne wysokości instalowania zgodnie z CEN/TS54-14:2018 (punkt 6.5.1)

Uwagi:

1. Z danych podanych w tabeli 2 wynika możliwość nadzorowania punktowymi czujkami dymu pomieszczeń o wysokościach przekraczających 12 m w przypadku, w którym scenariusz pożarowy zawiera informacje dotyczące możliwości wystąpienia tylko pożaru szybko rozwijającego się.
2. Liniowe czujki dymu na światło przechodzące zgodne z normą EN 54-12 mogą być w dowolnych warunkach rozwoju pożaru instalowane nawet na wysokości 16 m. Jeżeli przewiduje się możliwość występowania tylko pożarów płomieniowych, to maksymalna wysokość instalowania może sięgać 45 m. Zalecane jest zwiększenie czułości poniżej 35% tłumienia wiązki promieniowania oraz zastosowanie czujek w połowie wysokości pomieszczenia z wykorzystaniem zasady odwróconych stożków.
3. Zasysające czujki dymu klasy A, B i C mogą być zainstalowane na wysokości do 16 m – niezależnie od przewidywanych warunków rozwoju pożaru. W przypadku możliwości występowania tylko pożarów płomieniowych na maksymalnych wysokościach instalowania należy jednak użyć określonej liczby punktów zasysających oraz czujek o większej czułości, przynajmniej klasy B.
4. Punktowe czujki ciepła mogą być instalowane na wysokości do 7,5 m (wysokość zależy od klasy czujek). Wysokotemperaturowe czujki o długich stałych czasowych, a więc klasy B, C, D, E i F, nie nadają się do nadzorowania obiektów kategorii ZL.
5. Integrujące i nieintegrujące liniowe czujki ciepła klasy A1 można instalować nawet na wysokości 9 m. Proszę porównać tę informację z wymaganiami zawartymi w wytycznych VdS, a także uwzględnić zawarte w NFPA 72 propozycje redukcji zasięgów czujek ciepła w funkcji wysokości instalowania.
6. W razie instalowania czujek na dużych wysokościach, powyżej granic oznaczonych w tablicy kolorem zielonym, CEN TS54-14 zaleca potwierdzenie skuteczności przyjętych rozwiązań projektowych za pomocą pożarów testowych.

Maksymalne zasięgi czujek (zgodnie z CEN/TS54-14:2018)

W tabeli 3 podano zasięgi różnych czujek. Takie zasięgi są wówczas, gdy wysokości instalowania nie przekraczają wartości podanych w zielonych polach tabeli 2.

Tab. 3. Maksymalne zasięgi czujek zgodnie z CEN/TS54-14:2018 (punkt 6.5.2)

Biorąc pod uwagę powyższe dane, należy przyjąć zasięgi punktowych czujek ciepła zgodne ze specyfikacją techniczną CEN/TS54-14:2018 (punkt 6.5.2), jak na rysunku 11.

Rys. 11. Rozmieszczenie czujek ciepła. Podział kwadratowy

 Rys. 12. Rozmieszczenie czujek dymu. Podział kwadratowy

Zasięgi punktowych czujek dymu zgodne ze specyfikacją techniczną CEN/TS54-14:2018 (punkt 6.5.2).

Tab. 4. Maksymalne wysokości instalowania czujek pożarowych (zgodne z wartościami zawartymi w tabeli 2 i wynikającymi z BS 5839-1:2013)

Uwagi:

1. Maksymalne wysokości instalowania są praktycznie identyczne z wartościami zawartymi w tabeli 2 i wynikającymi z CEN TS54-14:2018.
2. Proszę zwrócić uwagę na konieczność uwzględnienia zjawiska stratyfikacji dymu w przypadku zainstalowania czujek na dużych wysokościach. Zjawisko stratyfikacji jest omawiane w odrębnym wykładzie na kursach przeprowadzanych przez IBP NODEX.
3. W trzeciej kolumnie tabeli podane są maksymalne wysokości instalowania czujek w przypadku występowania zagłębień w stropie (np. naświetla dachowe), których powierzchnia nie przekracza 10% powierzchni stropu.

Rys. 13. Konsekwencją obniżania temperatury powietrza w funkcji wysokości pomieszczenia jest, w przeciwieństwie do powszechnie stosowanej zasady stałego zasięgu, zmniejszenie zasięgu czujki ciepła. Proszę zwrócić uwagę na brak zaznaczenia na rysunku zasięgu czujki w przypadku pomieszczeń o wysokości nieprzekraczającej 1 m (0,8 m). Za: NFPA, NFPA 72, Quincy, MA: National Fire Protection Foundation, 2013. Table 17.6.3.5.1 Heat Detector Spacing Reduction Based on Ceiling Height

Wymagania NFPA 72 dotyczące zasięgu czujek ciepła w zależności od wysokości instalowania

Wytyczne dotyczące rozmieszczania pożarowych punktowych czujek ciepła zawarte w NFPA 72 uwzględniają rzeczywiste warunki rozprzestrzeniania się gorącego powietrza pod stropem. W przeciwieństwie do stosowanej zwykle zasady stałego zasięgu w funkcji wysokości, NFPA 72 wymaga, aby w miarę zwiększania wysokości instalowania punktowej czujki ciepła na stropie jej zasięg malał. Jest to oczywiście zgodne z intuicją i z zasadami fizyki.

Wymagania NFPA 72 dotyczące zasięgu punktowych czujek dymu w zależności od wysokości instalowania

Aktualnie nie ma dopracowanych propozycji dotyczących redukcji zasięgu punktowych czujek dymu w funkcji wysokości instalowania, tak jak dla czujek temperatury. Zgodnie z NFPA 72 zasięg punktowej czujki dymu wynosi 6,4 m, więc maksymalna odległość między czujkami wynosi 9,1 m.

Wymagania różnych norm dotyczące wysokości instalowania czujek (za: Robert Accosta Jr., P. E., Drew Martin, Smoke Detector Spacing for High Ceiling Spaces, Fire Protection Research Foundation, Nowy Jork 2017).

W tej części artykułu omówione zostały sposoby rozmieszczania czujek pożarowych w świetle niektórych uznanych wytycznych lub metodyk projektowania, które wykorzystują zasadę stałego zasięgu niezależnie od wysokości instalowania. Takie uproszczenie jest w dużym stopniu niezgodne z zachodzącymi w procesie przemieszczania się dymu rzeczywistymi zjawiskami fizycznymi. Problem ten będzie szczególnie odczuwalny w przypadku pomieszczeń bardzo wysokich, o wysokościach sięgających 20 i więcej metrów, które to pomieszczenia, zgodnie z najnowszymi wytycznymi dotyczącymi projektowania, mogą być skutecznie nadzorowane. Po raz pierwszy wzmianka o tym, że należy redukować zasięg czujki ciepła w funkcji wysokości instalowania, pojawiła się w opracowaniu NFPA72. Także spełnienie podanych w tabelach 2 i 4 wymagań dotyczących zwiększenia liczby otworów zasysających znajdujących się na dużych wysokościach w praktyce sprowadza się do zmniejszenia zasięgów detekcji tych otworów.

W następnej części podam przykłady, a także przedstawię inne wytyczne dotyczące projektowania, wykorzystujące odmienne uproszczenia i zasady rozmieszczania czujek.

Oczywiście nie ma możliwości pełnego omówienia zagadnienia w krótkim artykule. Jest to możliwe podczas organizowanych przez IBP NODEX tygodniowych kursów dla projektantów instalacji sygnalizacji pożarowej, na które serdecznie zapraszam.

Jerzy Ciszewski
IBP NODEX
http://ibpnodex.pl/