Veilig vluchten door watermistscherm

Transcriptie

1 Bouwfysica Veilig vluchten door watermistscherm Installaties gaan een steeds grotere rol spelen bij het ontwerpen van brand- en vluchtveilige gebouwen. Dit artikel gaat in op de ontwikkeling van een watermist scherm en de toepassing daarvan in relatie tot de vluchtveiligheid. Naast het bespreken van de achterliggende theorie, presenteert dit artikel de eerste resultaten van een experimenteel onderzoek naar de afschermende werking van een watermist scherm. ir. B.(Bianca) C.M. van Agtmaal, Efectis Nederland BV ir. V. (Victor) J.A. Meeussen, Efectis Nederland BV Inleiding Er is menig gebouw te bedenken waar vluchtveiligheid de aandacht van de ingenieur vraagt. Neem bijvoorbeeld een ziekenhuis, waar evacueren in geval van brand niet eenvoudig is. Fysieke obstakels zoals brandwerende deuren vormen een belemmering voor een snelle evacuatie. Ook in de normale situatie kunnen brandwerende deuren belemmeringen leveren in het dagelijks gebruik. Naast gebruiksgemak kan het beperken van het aantal deuren een ontwerpvrijheid betekenen voor de architect, bouwfysicus en installatietechnicus. Het combineren van actieve en passieve brandveiligheidoplossingen biedt hierbij nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van brand- en vluchtveilige gebouwen. Een veelbelovende, nieuwe ontwikkeling op het gebied van vluchtveiligheid zijn waterschermen. Op dit moment worden waterschermen gerealiseerd op basis van een sprinklersysteem. Sprinklers zijn werkzaam bij een lage druk en met een druppelgrootte van ordegrootte 1 mm. Het te leveren debiet door de sprinkler is afhankelijk van de druk. Typische waarden voor het debiet per sproeikop zijn 10 l/min bij 10 bar en 24 l/min bij 70 bar. Een potentieel alternatief kan worden gevonden in de watermist technologie. Watermist werkt bij een hogere druk en met kleinere druppels (ordegrootte 0,1 mm). De kleinere druppels zijn in staat langer in de lucht te verblijven, waardoor zij gemakkelijker kunnen verdampen. Hierdoor is het koelend vermogen (per liter water) van watermist hoger dan van sprinkler. Dit betekent dat bij watermist met een kleinere waterhoeveelheid kan worden volstaan. Typische waarden voor het debiet per sproeikop zijn 5-10 l/min bij 10 bar en l/min bij 70 bar. Het kleinere waterverbruik gaat gepaard met kleinere leidingdiameters en pompen dan bij een sprinkler systeem. Hierdoor kan watermist naast nieuwbouw ook toegepast worden in bestaande gebouwen. Watermist wordt al veelvuldig toegepast als blussysteem, maar de afschermende werking van watermist is minder bekend. Afschermende werking theorie Ruwweg liggen er twee principes ten grondslag aan de afschermende werking van watermist: Gaskoeling Lucht en water worden snel en efficiënt gemengd, wat leidt tot een reductie van de gastemperatuur Afzwakking van warmtestraling Waterdeeltjes absorberen en reflecteren warmtestraling 1 Links: luchtinsluiting in watermist conus, rechts: snelheid van de spray versus de oppervlakte van de spray conus (bron: Efectis Nederland BV)

2 BRANDVEILIGHEID Bouwfysica Links: parameters watermist scherm, rechts: transmissie van warmtestraling door watermist Over de afzwakking van warmtestraling door watermist zijn diverse theoretische modellen opgesteld, ook wel bekend als de Mie-theorie [1]. Gaskoeling wordt gerealiseerd door een effectieve menging van lucht en waterdruppels. Deze effectieve menging wordt veroorzaakt door de inmenging van lucht in de watermist conus. Doordat de watermist op hoge snelheid ( m/s) de sproeikop verlaat, is er sprake van een snelle uitwisseling van impuls tussen de watermist conus en de omringende lucht. De mist wordt hierdoor vertraagd en de omringende lucht versneld (figuur 1). Als de impuls door opeenvolgende oppervlakken hetzelfde is, zal, in een neerwaartse richting, de oppervlakte en het massa debiet toenemen, maar de snelheid afnemen. De afzwakking van warmtestraling wordt veroorzaakt door een combinatie van reflectie en absorptie. Voor een eenvoudige modellering wordt aangenomen dat elk waterdeeltje straling 100% absorbeert (geen reflectie). De transmissie door het watermist scherm kan worden berekend met de formules in het kader. De grafiek in figuur 2 geeft de transmissie voor een constante waterlading als functie van de weglengte (x) en de druppeldiameter (d). In dit eenvoudige model is de transmissie door het watermist scherm dus afhankelijk van: de dikte van het scherm (Δx) de waterlading (WL) de gemiddelde druppeldiameter (d) Dit model geeft een vereenvoudigde weergave van de afschermende werking, omdat reflectie niet wordt meegenomen. Het model wordt hier slechts gebruikt ter illustratie en toont (zie figuur 2) dat een kleinere druppelgrootte een effectieve manier is om de verzwakking van warmtestraling door het watermistscherm te vergroten. Indien men de daadwerkelijke theoretische werking van het watermistscherm wil beschouwen, moet men de bijdrage van reflectie meenemen. De testresultaten zijn daarom niet geverifieerd met het hierboven beschreven model. De massa van een waterdruppel: d M 3 dr = 4/3 p ( r water [kg] (1) 2 ) Het aantal waterdruppels in een laag met dikte Δx voor een oppervlakte van 1 m 2 : N dr = Dx WL/M dr [m -2 ] (2) Het geprojecteerde oppervlak van een druppel: d a 2 dr = p [m -2 ] (3) ( 2 ) Het geprojecteerde oppervlak van alle druppels, met laagdikte Δx, voor een oppervlakte van 1 m 2 : = a dr N dr [m 2 /m 2 ] (4) Invulling van vergelijking (1), (2) en (3) in vergelijking (4) geeft de volgende formule, voor een oppervlakte van 1 m 2 : 3 WL = Dx ( [ ] (5) 2 (d r water ) ) Dit is de absorptiecoëfficiënt voor een infinitesimaal deeltje met dikte Δx. De transmissie door een oppervlakte van 1 m 2 van een laag met eindige dikte x kan worden bepaald met: 3 WL x ( 2 (d r water ) ) T (x) = e [ ] (6) Symbolenlijst M dr = massa van een waterdruppel [kg] d = gemiddelde druppeldiameter [m] r water = volumieke massa van water [kg/m 3 ] Δx = laagdikte [m] WL = waterlading, watermassa per m 3 lucht [kg/m 3 ] a dr = geprojecteerde oppervlak van een druppel [m 2 ] = geprojecteerde oppervlak van alle druppels in de laag [m 2 ] T = transmissie door de laag [-]

3 Bouwfysica Tabel 1: Overzicht van testen test nr. lage/hoge druk Leefbaarheid Voor veilig vluchten is leefbaarheid van de omgeving onmisbaar. Binnen leefbaarheid kan een onderscheid worden gemaakt tussen niet dodelijk en voor onbepaalde tijd leefbaar. Voor onbepaalde tijd leefbaar definieert condities die bij een oneindige verblijftijd niet tot overlijden van de persoon zullen leiden. Condities kunnen daarnaast niet dodelijk zijn voor korte verblijfstijden, zodat vluchten (wellicht) nog mogelijk is. Wanneer over leefbaarheid wordt gesproken zijn niet alleen thermische factoren van belang maar ook rook, toxiciteit en zicht. Over de jaren heen is veel onderzoek gedaan naar thermische en toxische condities die dodelijk of schadelijk zijn voor de mens. Wereldwijd bestaat er geen consensus over de limietwaarden die gehanteerd dienen te worden. Voor leefbaarheid, gedurende een korte verblijftijd (vluchtsituatie), worden regelmatig de volgende limietwaarden [2, 3, 4] gehanteerd: straling vanuit de rooklaag < 2,5 kw/m 2 gastemperatuur < 60 C, bij een volledig verzadigde atmosfeer zuurstofgehalte > 15% Bij het bepalen van de thermische condities is de luchtvochtigheid (verzadiging) een belangrijke parameter. Zo kan een mens in een sauna bij minder dan 30% verzadiging een temperatuur van 80 C verdragen. In de situatie van het watermist scherm treedt echter een volledige verzadiging van de lucht op, waardoor de draagbare temperatuur omlaag gaat. Er is echter weinig bekend over de leefbaarheid bij hoge temperaturen in een verzadigde omgeving. Naast straling en gastemperatuur is de huidtemperatuur een goede referentie om de leefbaarheid te beoordelen. Bij het bepalen van de huidtemperatuur is het belangrijk zowel de convectietemperatuur (luchtstroming) als ook de stralingstemperatuur mee te nemen. In een windluwe en relatief droge omgeving bedraagt bij een omgevingstemperatuur van 20 C de huidtemperatuur ongeveer 33 C [5]. In de hier gegeven limietwaarden wordt toxiciteit slechts beschreven aan de hand van het zuurstofgehalte in de lucht. Bij brand komen echter diverse toxische gassen vrij, zoals koolmonoxide, waterstofcyanide en waterstofchloride. Wereldwijd bestaat er geen consensus over de te hanteren limietwaarden, maar vaak zijn een paar honderd aantal sproeikoppen gemiddeld debiet per sproeikop [l/min] brandvermogen [kw] W1 hoge druk 26 < 1, W2 hoge druk 26 < 1, W3 hoge druk 13 < 3, W4 lage druk 2 ~ W5 hoge druk 26 < 1,7 circa 800 W6 hoge druk 13 < 3,0 circa 800 D1 geen watermist D2 geen watermist circa 800 tot een paar duizend ppm van deze stoffen al schadelijk voor de mens. Naast thermische factoren en toxiciteit speelt zicht een belangrijke rol tijdens evacuatie. Beperking van zicht is zelf niet dodelijk, maar het belemmert de evacuatie en leidt tot een langere verblijftijd in een voor de gezondheid schadelijke omgeving. Om een veilige evacuatie mogelijk te maken dient oriëntatie in de omgeving mogelijk te zijn. Het onderzoek Om de potentie van watermist als scherm te onderzoeken heeft Efectis in samenwerking met Europees watermistleverancier Saval BV een onderzoeksproject geformuleerd. Doel van dit onderzoek is om de leefbaarheidscondities aan de koele zijde van het scherm te onderzoeken voor een realistische, veelvoorkomende gebouwsituatie. Voor de fysieke onderzoeksopzet is gekozen voor een gang, zoals deze zich zou kunnen voordoen in een ziekenhuis situatie. De gang heeft een lengte van circa 8 m, een breedte van 2,7 m en een hoogte van 2,5 m. Afzuiging aan de koele zijde dient te zorgen voor een gemiddelde luchtsnelheid van 0,5 m/s over de doorsnede van de gang. Deze ventilatie omstandigheden representeren het optreden van tocht in een gebouw. Figuur 3 geeft een schetsmatig overzicht van de testopstelling. Het gekozen brandscenario representeert een beginnende brand van kw [6]. Dit komt overeen met een brand van een gestoffeerde stoel. Voor enkele testen is een brandvermogen van circa 800 kw [6] gehanteerd, dit is representatief voor een brand van een standaard bed. De kleine brand bestond uit één brandbak van 0,4 bij 0,4 m gevuld met 3 kg n-heptaan, die was gepositioneerd op een hoogte van 0,8 m van de vloer. Voor de grote brand (circa 800 kw) werden twee brandbakken gebruikt. Het in dit onderzoek gekozen brandscenario is gericht op een realistische situatie, maar is geen worst-case scenario. Het onderzoeken van de gelijkwaardigheid van een watermistscherm aan conventionele brand- en rookwerende scheidingen is eveneens geen onderdeel van dit onderzoek. In het midden van de gang werd een watermistsysteem aangebracht. Voor het watermistsysteem zijn diverse combinaties getest. Hierbij werd gevarieerd met de uitvoering van de sproeikoppen, hoge en lage systeemdruk en het aantal sproeikoppen. Door het variëren van deze systeemparameters wordt inzicht verkregen hoe deze de afschermende werking van watermist beïnvloeden. In totaal zijn twaalf testen uitgevoerd. Tabel 1 geeft een selectie van acht testen, met een beschrijving van de karakteristieken van het watermistsysteem en het brandscenario. Om het onderzoek af te bakenen is er voor gekozen in eerste instantie de aandacht te richten op het meten van de thermische condities. Rook en toxiciteit worden slechts indicatief beschouwd. Zicht wordt beoordeeld aan de hand van video-opnamen. Voor het vastleggen van de thermische condities is onderscheid gemaakt in verschillende zones: brandzijde, waterscherm en niet-brandzijde. Met behulp van draadthermokoppels is in deze zones het

4 BRANDVEILIGHEID Bouwfysica Link: schets test opzet, rechts: foto van test opstelling 4 Links: voorbeeldgrafiek gemeten gastemperatuur niet-brandzijde, rechts: zicht tijdens test temperatuurverloop over de hoogte en breedte gemeten. Bij enkele tests is tevens een plaatthermokoppel gebruikt om de huidtemperatuur te meten. Dit plaatthermokoppel meet de temperatuur van een zwarte plaat (10 x 10 cm) welke aan de achterzijde geïsoleerd is. Het plaatthermo koppel heeft een groter meetoppervlak en neemt dus naast convectietemperatuur ook de stralingstemperatuur mee. Aan zowel de brandzijde en niet-brandzijde is op 1,5 m hoogte een warmteflux sensor geplaatst. Bij het meten met een warmteflux sensor in een met waterdamp verzadigde omgeving worden meer mechanismen (ver damping, condensatie) dan alleen straling gemeten. Om specifiek de warmtestraling te kunnen beschouwen is bij de laatste twee testen (W6 en D2) een aangepaste warm teflux sensor toegevoegd aan de meetopstelling. Door enkele aanpassingen was het mogelijk om de bijdrage aan de warmteflux door condensatie en verdamping te ver minderen. De warmteflux wordt bepaald door de optre dende convectie en de warmtestraling die door de warm teflux sensor wordt ontvangen en geëmitteerd. Een nadere beschouwing van deze mechanismen en hun ordegrootte is niet in dit artikel opgenomen. De resultaten Doel van dit onderzoek was het beschouwen van de invloed van het waterscherm op de leefbaarheid aan de niet-brandzijde van het watermistscherm. Onderstaand worden de testresultaten kort besproken aan de hand van diverse aspecten die relevant zijn voor de leefbaarheid. Op basis van alle testen met hoge druk kan worden geconcludeerd dat er, na activering van de watermist, aan de niet-brandzijde een snelle (binnen enkele seconden) en effectieve reductie van de gastemperatuur optreedt. De reductie kan oplopen tot maximaal 85% van de tempera tuurverhoging voor activering (figuur 4). Door het mecha nisme van gaskoeling ontstaat er een uniform tempera tuurprofiel over de hoogte. Bij een groter brandvermogen en een gelijke configuratie van het watermist systeem, blijft de reductie van de temperatuur in ratio hetzelfde. Bij de test met lage druk (W4) was, na activering van de watermist, de reductie van de temperatuur kleiner en ont stond geen uniform temperatuurprofiel over de hoogte. Interpretatie van de resultaten van test W6 en D2 laat zien dat er, na activering van het watermistscherm, een aanzienlijke reductie van de straling aan de niet-brandzij de optreedt. De reductie van de warmtestraling was maxi maal 35% van de waarde gemeten voor activering van het watermistscherm. Dat betekent dat 65% van de stra ling wordt doorgelaten. Zoals eerder in het artikel beschreven is het testresultaat niet geverifieerd met het in dit artikel beschreven model. 15

5 Bouwfysica Met behulp van plaatthermokoppels is een goed beeld verkregen van de huidtemperatuur die zal worden waargenomen door een persoon aan de koele zijde van het scherm. Voor test W6 is een maximale waarde gemeten van 44 C. Zoals eerder benoemd is er weinig bekend over de leefbaarheid bij hoge temperaturen in een verzadigde omgeving. Nader onderzoek is nodig om te kunnen beoordelen of de gemeten huidtemperatuur correspondeert met leefbare condities. Voor alle testen geldt dat de zichtlengte aan de nietbrandzijde ten alle tijden ten minste 5 m was. Aangenomen is dat oriëntatie onder deze omstandigheden goed mogelijk is. Zoals figuur 4 laat zien kan men door de watermist goed zien waar de brand zich bevindt, dit voorkomt dat mensen naar de brand toe vluchten. Bij het beoordelen van zicht speelt de productie van rook een grote rol. Voor het adequaat beoordelen van de omstandigheden met betrekking tot rook en toxiciteit is vervolgonderzoek nodig. Daarnaast zijn ook de condities aan de brandzijde beschouwd. Het valt op dat in nagenoeg alle testen met hoge druk er sprake is van een koelend effect aan de brandzijde. Dit koelend effect is een gevolg van het eerder beschreven mechanisme van gaskoeling. Doordat lucht en damp effectief en snel worden gemengd, wordt de vlam gekoeld, zonder dat er directe blussing van de brandhaard (op het vloeistofbed) plaats vindt. De gaskoeling is dus ook aanwezig aan de brandzijde van het scherm. Of de watermist hierbij de brand beïnvloedt, hangt onder andere af van de afstand tussen de brand en het watermistscherm. Het hiervoor beschreven effect is niet waargenomen bij de test met lage druk (test W4). De toekomst Het uitvoeren van praktijkproeven geeft een eerste inzicht in de praktische werking van een watermistscherm. Om tot een gelijkwaardige oplossing (in relatie tot wet- en regelgeving) te komen is nog meer onderzoek nodig. Zo moeten onder andere het gedrag bij een volledig ontwikkelde brand en de effecten op rook en toxiciteit nader beschouwd worden. Hierbij staan de volgende uitdagingen te wachten: ontwikkelen meetmethodiek om rook en toxiciteit adequaat te beoordelen; variëren met brandscenario s en ventilatieomstandigheden; bepalen rol van geometrie op het gedrag van het watermistscherm; ontwerpoptimalisatie voor het watermistsysteem. De toekomstige implementatie van gelijkwaardige oplossingen zoals een watermistscherm kan de ontwerppraktijk nieuwe vrijheden bieden. Met betrekking tot de watermistschermen moet men daarbij vooral denken aan het verminderen van fysieke barrières. Een gelijkwaardig brandveiligheidsontwerp vraagt echter een integrale benadering waarbij de veiligheid op verschillende niveaus moet worden meegenomen. Met dit onderzoek is een eerste stap gezet in de toepassing van watermist als scherm in gebouwen. De afschermende werking van de watermist kan, door een reductie van temperatuur en behoud van goed zicht, bijdragen aan de vluchtveiligheid. De voordelen van watermist (kleine waterhoeveelheid, kleine leidingdiameters en pompen) maken de toepassing van watermist niet alleen potentieel geschikt voor nieuwbouw maar ook voor bestaande gebouwen. Het voorgaande maakt een watermistscherm breed inzetbaar en biedt nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van brand- en vluchtveilige gebouwen. n Bronnen [1] Berour N. et al., Radiative and conductive heat transfer in a non grey semi transparent medium. Application to fire protection curtains, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 86 p 9-30, 2004 [2] Annex B, Tenable environment of NFPA 502, Standard for road tunnels, bridges and other limited access highways, 2011 edition [3] UPTUN report Workpackage 2 Fire development and mitigation measures D221: Target Criteria, official deliverable, September 2008 [4] Publicatiereeks Gevaarlijke Stoffen 1, deel 1a, Den Haag, maart 2005 [5] Zorgman, ir. H., Menselijk gedrag bij brand, SBR, Rotterdam, 1984 [6] Särdqvist S., RHR, Smoke production and CO generation from single items and room fire tests, Lund University, Lund, April 1993 Vraag redactie: Watermistinstallaties zijn zowel in nieuwbouw als in renovaties fysiek goed inpasbaar. Is het niet wenselijk bij de toepassing van watermist het gehele gebouw te voorzien van watermist in plaats van alleen te voorzien in schermen? Antwoord auteurs: Binnen een brandveiligheidsontwerp kan de watermist technologie voor verschillende doeleinden worden ingezet. Welke toepassing van watermist wenselijk is, dient te worden bepaald binnen de integraliteit van het volledige brandveiligheidsontwerp. Met de toepassing van watermistinstallaties als volledige blusinstallatie wordt getracht een brand te beheersen, opdat er geen volledig ontwikkelde brand zal ontstaan. Een blusinstallatie kan invulling geven aan een gelijkwaardig ontwerp, waarbij bijvoorbeeld de compartimentsgrootte groter is dan gesteld in wet- en regelgeving. Een watermistscherm heeft echter niet tot doel de brand te blussen, maar om een afscherming van de brand te realiseren. Dit past bijvoorbeeld binnen een gelijkwaardig ontwerp waarbij het lokaal onmogelijk is een fysieke scheiding ten behoeve van de compartimentering aan te brengen. Natuurlijk is het mogelijk dat binnen één ontwerp beide toepassingen worden gebruikt. Maar het is even zo goed mogelijk dat slechts één of wellicht geen toepassing van watermist een geschiktere keuze is. Voor elk ontwerp zal het antwoord op de gestelde vraag dan ook anders zijn.