Research of ventilation dimensioning of fire exhaust gases

Abstract

Planning of smoke exhaust in constructions is vital for guaranteeing fire and personal safety. In Finland the rate of smoke exhaust is based on a multiple methods. Used method is usually based on the demands of the local fire authorities. Methods are based on prosentual calculations, fire dynamics theory and computer aided simulations. There are different instructions made for the user of these methods. Instructions and methods are quite different regarding to the amount of smoke exhaust.

Difference of the smoke exhaust dimensioning methods was studied in this project. Project contains the needed theory of fire dynamics and comprehensive theory of the used methods and rates of fires. Used fire rate curves are based on a theory of design fire. Water extinction system (sprinkler) and high safety factor was applied when forming the fire rate curves. Models, simulations and visualisations with different fire rates were made using Pyrosim, FDS and Smokeview software's. Placement and direction of the smoke exhaust intakes and the placement of the replacement air hatches are based on typically used methods in construction techniques.

The best results were achieved from methods including only one horizontal exhaust intake. Critical result parameters were exit time of people, visibility and temperature. Divided vertical exhaust intakes gave the weakest results. Temperature results were irrelevant at the height of 2.1 m. Although temperatures were smaller at height of 3.3 m around the smoke curtain beside the fire area in multiple intakes simulations. Higher placement of the replacement air hatches do not influence results as much as is generally assumed.

Increased grid resolution in simulation (sensitivity analysis) gave only marginally better results and the simulation took longer time to complete. Sensitivity analysis is necessary to guarantee that the results are accurate enough.

Savunpoiston suunnittelu rakennuskohteisiin on tärkeää palo- ja henkilöturvallisuuden takaamiseksi. Savunpoiston mitoitukseen käytetään Suomessa useita eri menetelmiä. Käytettävä menetelmä perustuu yleensä eri kuntien paikallisten paloviranomaisten vaatimuksiin. Menetelmät perustuvat hyviksi havaittuihin laskennallisiin prosenttimitoituksiin, vähäisissä määrin tulipalon dynamiikan laskennallisiin teorioihin ja tulipalon tietokonelaskennallisiin simulointeihin. Menetelmistä on tehty käyttäjille erinäisiä ohjeita, joilla on pyritty selkeyttämään laskentaa ja arviointia. Ohjeet ja menetelmät ovat melko erilaisia, ja savunpoiston määrissä on suuret erot.

Tässä työssä tutkittiin savunpoiston mitoitusmenetelmien eroja. Tutkimus sisältää tarvittavaa teoriaa tulipalon dynamiikasta, kattavan teorian mitoitusmenetelmistä sekä mitoituspaloista. Käytetyt palotehokäyrät perustuvat mitoituspalojen teoriaan. Palotehokäyrien muodostamisessa on otettu huomioon vesisammutusjärjestelmä ja käytetty suurta varmuuskerrointa. Tutkimuksen mallit, simulaatiot ja visualisoinnit tehtiin käyttäen ohjelmistoja Pyrosim, FDS ja Smokeview. Savunpoiston imupisteiden paikkoihin, suuntiin ja korvausilmaluukkujen paikkoihin on käytetty yleisesti rakennustekniikassa käytettyjä suunnittelutapoja.

Tulokset jaettiin normaalin palotehon ja suuremman palotehon ryhmiin. Ryhmien tuloksien vertailut antoivat viitteitä, että yhden imupisteen tapaukset vaakaimulla tuottaisivat parhaimmat tulokset ihmisten poistumisessa (savun määrä uloskäytävillä ajan suhteen). Savulohkon alueelle jaetut pystyimupisteet antoivat huonoimmat tulokset. Lämpötilalla ei ollut oleellista vaikutusta tuloksiin 2,1 m:n korkeudessa. Paloalueen viereisen savuotsan ympärillä usean imupisteen tapauksissa lämpötilat olivat pienempiä korkeudella 3,3 m. Korvausilmaluukkujen sijoitus korkeammalle kuin yleensä on sallittu, ei vaikuttanut tuloksiin niin paljon kuin on yleensä oletettu.

Suurempi resoluutio simuloinnissa (herkkyysanalyysi) antoi vain marginaalisesti parempia tuloksia, ja tällöin laskenta kesti pidempään. Herkkyysanalyysin tekeminen on kuitenkin välttämätöntä, jotta voidaan varmistaa, että tarkastelun tarkkuus on riittävä.